专利-一种自适应声反馈消除方法

一种自适应声反馈消除方法
CN 103475980 A
摘要
本发明公开了一种自适应声反馈消除方法，旨在提供一种具有较高增益和良好鲁棒性的声反馈消除方法，其具体步骤为：一、主麦克风拾取音频信号d(n)，d(n)包含远端语音信号和近端声反馈信号成份，参考麦克风拾取声反馈信号x(n)；二、对d(n)和x(n)采用自适应消除算法，输出为
e(n)；三、对e(n)进行数模转换和功率放大；四、通过扬声器输出音频信号。

此方案可以准确消除环境噪音、防止产生嚣叫，增益高，处理速度快，适用于教室、会场等扩声环境。

权利要求(6)
1.一种自适应声反馈消除方法，其特征在于，包括以下步骤: 一、主麦克风拾取音频信号d(n)，d(n)包含远端语音信号和近端声反馈信号成份，参考麦克风拾取声反馈信号X (n); 二、对d(n)和x(n)采用自适应消除算法，输出为e(n)，具体为: h(n) = {h[0],h[l]....,h[N-l]} ,当h(n)的频率特性逼近外H(z)=F''(z)/F'(z)时，即可消除声反馈信号；采用PNLMS算法估计实际的参考检测声反馈路径H(z)，递推算法如
下:
上述公式中，μ为步长因子，α为正整数，ρ是影响整体收敛速度的参数；h(n)指回声路径估计FIR滤波器的单位脉冲响应；Ν指回声路径FIR滤波器的阶次；Τ为转置符号；f(n)指回声估计输出；hg(n)指回声路径估计FIR滤波器的第k个估计系数；三、对e(n)进行数模转换和功率放大；四、通过扬声器输出音频信号。

2.根据权利要求1所述的一种自适应声反馈消除方法，其特征在于，步骤二的e(n)经过延时模块后再输出到数模转换。

3.根据权利要求1或2所述的一种自适应声反馈消除方法，其特征在于，参考麦克风和主麦克风拾取到声反馈音频信号的强度之差需控制在3db之内；参考麦克风和主麦克风拾取到语音音频信号的强度之差需大于20db以上。

4.根据权利要求1或2所述的一种自适应声反馈消除方法，其特征在于，处理窗滑动间隔等于6个采样点，每6个采样点完成一次自适应算法运算。

5.根据权利要求4所述的一种自适应声反馈消除方法，其特征在于，AD转换器的采样频率为
48khz，分辨率不小于20bit。

6.根据权利要求5所述的一种自适应声反馈消除方法，其特征在于，FIR滤波器阶次不小于128。

说明
一种自适应声反馈消除方法
技术领域
[0001] 本发明涉及声音信号处理领域，尤其是涉及一种用于扬声系统的自适应声反馈消除方法。

背景技术
[0002] 在麦克风和喇叭组成的扩声场合可以简化成图1所示，喇叭发出的声音通过声学反馈再次进入麦克风，构成一个闭环系统。

[0003] 扩声系统输出与输入之间的脉冲传递函数关系为：
其中G1 (Z)是麦克风的传递函数。

如果系统在任意一个频率点上同时满足如下两个条件:
[0004] (I)幅度条件:1g1(Z).g(z).f(z) I ≥I;
[0005] (2)相位条件:
, n e N 时；
[0006] 此时，只需微小能量x(t)的触发，即会产生振荡，出现嘯叫。

防止嘯叫出现的技术叫做声反馈抑制技术。

[0007] 最简单抑制嘯叫的方法是选择具有近讲特性的麦克风，音源远离麦克风50cm以上时G1 (z)幅值很小，此时产生很小的声反馈增益。

这种方法的缺陷是讲话者必须凑近麦克风才能实现扩声，限止了讲话者的活动范围。

如果要增加拾音区域，就必须选择高灵敏度麦克风，高灵敏度麦克风的G1 (z)幅值较大，容易产生自激振荡，即产生嘯叫。

[0008] 声反馈抑制技术的主要目的是破坏嘯叫产生的条件，一种是破坏相位条件，另一种是破
坏幅度条件。

[0009] 通过对反馈信号相位处理，防止出现正反馈达到消除嘯叫的方法有移频法或移相法。

由
于要破坏20HZ~20KHZ所有频率上的相位条件十分困难，其增益提升只能在3~5db之内，并且其稳定性受输入通道的影响。

[0010] 通过抑制声反馈信号的幅度达到抑制嘯叫的常用方法之一是自适应陷波法。

该方法设定
若干静态陷滤频率和若干动态陷滤频率，降低可能产生嘯叫的频率的环路增益。

为了防止陷波法对音质的影响，要求陷波器具有窄带特性，即嘯叫频率的估计必须十分精确，准确并精确估计嘯叫频率十分困难，陷波法必须在估计精确性与音质之间折衷处理。

同时，陷波法也会误将实际正弦类输入信号消除掉。

陷滤法在实际应用中的增益提升在5~Sdb之间。

[0011] 通过抑制声反馈信号的幅度达到抑制嘯叫的另一种方法是自适滤波抵消法算法，该方法
通过自适应处理估计声反馈传递函数，消除或降低声反馈信号达到抑制嘯叫的目的。

这种方法的特点是在讲话时刻估计声反馈路径时，反馈信号与主输入信号具有高度相关性，严重影响声反馈路径的估计精度，及估计收敛速度，系统本底噪声和噪声类型也是影响声反馈路径估计的重要影响因素之一。

有些学者提出通过在处理环节引入适量延时减少声反馈反馈输入与主输入的相关性，有些学者则在采用自适应声反馈估计之前动态首先采用有源动态噪声消除算法降低系统本底噪声，进而提高后续声反馈估计的精度。

如何寻找合适的估计时刻，如何设计高效快速的有源降噪算法是应用这种方法的前提。

[0012] 评价声反馈抑制技术的指标主要有两个，一个是客观指标:扩声增益的提升量，即采用声反馈抑制技术后不产生嘯叫时的扩声增益相比不采用此技术前的扩声增益之差值；另一个主观指标:音质的失真度。

采用声反馈抑制技术后，不可避免会对语音信号进行处理，从而产生音频处
理失真。

移频法和移相法稳定度不好，增益提升也不大；自适应陷滤波多个陷波器的串入对音质造成较大的影响，由于陷波频率很难精确判定增益提升幅度也不大。

自适应滤波法的原理是抵消声反馈路径，若声反馈路径估计准确不但不会影响音质，还会消除空间对直达声的影响。

但是，自适滤波抵消法算法在算法中引入了闭环反馈处理，如果声反馈路径估计不准确，反而会产生新的嘯叫，也就是系统的鲁棒性不好。

发明内容
[0013] 本发明主要是解决现有技术所存在的增益提升幅度小、鲁棒性不好的技术问题，提供一
种具有较高增益和良好鲁棒性，可以准确消除环境噪音、防止产生嚣叫的自适应声反馈消除方法。

[0014] 本发明针对上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的:一种自适应声反馈消除
方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0015] 一、主麦克风拾取音频信号d(n)，d(n)包含远端语音信号和近端声反馈信号成份，参考
麦克风拾取声反馈信号X (η)；
[0016] 二、对d(n)和χ(η)采用自适应消除算法,输出为e (η),具体为:
的频率特性退近丑⑷—F'(z)时，即可消除声
反馈信号；
[0018] 采用PNLMS算法估计实际的参考检测声反馈路径H(Z)，递推算法如下: [0019] χ(η) = [χ(η) χ(η_1)…χ(η-Ν+1) ]τ
[0020] f{n) = hT(n)x(n)
[0021] e{n) = d(n)- f(n)
[0022] Kn+l)=m\+^2i)mmxin)
[0023]其中:
[0029] 上述公式中，μ为步长因子，α为正整数，P是影响整体收敛速度的参数；当输入信号
x(n)的最大值归一化成I时，上述公式中步长因子μ的取值约等于0.01，收敛速度与μ成反比；α是一个小的正数，目的是防止能量趋零，一般取值0.0001。

P影响整体收敛速度，取值近似
等于5/Ν。

指回声路径估计FIR滤波器的单位脉冲响应；Ν指回声路径FIR滤波器的阶次；Τ
为转置符号；指回声估计输出指回声路径估计FIR滤波器的第k个估计系数；
[0030] 三、对e (η)进行数模转换和功率放大；
[0031] 四、通过扬声器输出音频信号。

[0032] 作为优选，步骤二的e (η)经过延时模块后再输出到数模转换。

[0033] 作为优选，参考麦克风和主麦克风拾取到声反馈音频信号的强度之差需小于3db ；参考麦克风和主麦克风拾取到语音音频信号的强度之差需大于20db。

[0034] 作为优选，处理窗滑动间隔等于6个采样点，每6个采样点完成一次自适应算法运
[0035] 作为优选，AD转换器的采样频率为48khz，分辨率不小于20bit。

[0036] 作为优选，FIR滤波器阶次不小于128。

[0037] 本发明采用双端检测输入，用一个参考麦克风检测声反馈音频信号，主麦克风同时检测
声反馈和语音音频信号。

[0038] 两个检测信号经过自适应滤波器消除参考麦克风中的声反馈音频信号，然后将语音信号
放大。

[0039] 为了减少主麦克风中声反馈音频信号与语音音频信号的相关性，根据语音信号的非平稳
性特点和在不影响人耳听觉敏感度的前提下，自适应处理后延时5ms~IOms左右再输出。

[0040] 本发明采用直馈处理算法，算法稳定性高，不会如通用自适应声反馈路径消除算法那样
产生自激振荡。

[0041] 另一方面，本发明采用自适应对消技术，在消除声反馈的同时，自动实现了自适应有源
降噪功能，而双端有源自适应降噪又是当前公认的最好的噪声消除方法。

[0042] 为了实现上述目的，一体化前馈式声反馈抑制方法与实现需要如下步骤:
[0043] (I)音频信号采集阶段
[0044] a.本发明必须配置两个麦克风检测音频信号；
[0045] b.其中一个是低灵敏度的近讲麦克风(参考麦克风)，获取喇叭发出的近端声反馈音频信号；另一个是高灵敏度的麦克风(主麦克风)，它可以同时获取近端声反馈音频信号和远端语音音频信号；
[0046] c.为了保证声反馈消除性能，必须合理选择参考麦克风和主麦克风。

参考麦克风和主麦克风拾取到声反馈音频信号的强度之差需控制在3db之内；参考麦克风和主麦克风拾取到语音音频信号的强度之差需大于20db以上。

[0047] d.为了提高系统信噪比，快速消除声反馈信号，选择采样频率48khz，分辨率大于等于20bit的AD转换器。

[0048] (2)音频信号处理阶段
[0049] a.实际场合声反馈路径脉冲响应往往有稀疏的特性，FIR滤波器的抽头系数能量集中在一个窄带范围之内，其他抽头系数的能量很小(称之为非活跃抽头系数)，本发明采用PNLMS自适应消除算法加快收敛速度；[0050] b.FIR滤波器阶次大于等于128，典型场合采用256 ；
[0051] c.处理窗滑动间隔等于6个采样点，每6个采样点完成一次自适应算法运算；
[0052] d.主麦克风的拾音输出d(n) = s (n)+f (η) *χ(η),其中s (η)是等效远端语音输Λ, f (η), η= O, I,...,N-1是等效声反馈FIR滤波器的单位冲激响应,χ(η)是等效参考麦克风的输入；
[0053] e.应用PNLMS的反馈声反馈消除算法消除主麦克风中的声反馈成份f (η)*χ(η)；
[0054] f.为了减少声反馈信号与原语音信号的相关性，自适应处理后的输出经过240~480个采样点的纯延时后输出。

[0055] (3)音频输出与功率放大
[0056] a.经过DSP自适应处理的数字音频经过DA转换器，抗混叠模拟滤波器转换成模拟
音频信号；
[0057] b.采用T类功率放大电路进行音频功率放大；
[0058] 两个音频信号采集麦克风，音频信号采集、DSP处理、音频信号输出与功率放大、电源电路等电子电路，以及喇叭一起安装在同一音箱体之内，构成一体化前馈式声反馈抑制
装置。

[0059] 本发明带来的实质性效果是，具有较高增益和良好鲁棒性，可以准确消除环境噪音、防止产生嚣叫，处理速度快，适用范围广。

附图说明
[0060] 图1是扩声系统的结构框图；
[0061] 图2是本发明的一种自适应声反馈抑制算法的数学模型；
[0062] 图3是本发明的一种一体化前馈式声反馈抑制算法的数学模型；
[0063] 图4是本发明的一种前馈式自适应算法；
[0064] 图5是本发明的一种一体化前馈式声反馈抑制装置结构图；
[0065] 图中:101、拾音环节，102、扩声环节，103、发声环节，104、声反馈环节，201、放大环节，202、声学反馈估计函数，203、声反馈路径传递函数，301、远端语音信号至主麦克风拾音输出之间的传递函数，302、远端语音信号至参考麦克风拾音输出之间的传递函数，303、自适应处理算法，304、DA转换、后置电压放大和功率放大的等效传递函数，305、喇叭输出至音箱之间的声反馈传递函数，306、主麦克风对音箱近端语音信号拾音的传递函数，307、参考麦克风对音箱近端语音信号拾音的传递函数，401、N阶的FIR声反馈抵消数字滤波器，402、延时器，501、方形音箱箱体，502、参考麦克风，503、主麦克风，504、内置喇叭，505、PCB 板和相关电子器件。

具体实施方式
[0066] 下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

[0067] 实施例:图1是扩声系统的结构框图，它主要由拾音环节101，扩声环节102，发声环节103和空间存在的声反馈环节104组成。

由于声反馈的存在，整个系统形成了一个闭环系统。

当环路增益大于1，同时满足正反馈条件即产生自激振荡，声学特征即是产生嘯叫
音频信号。

[0068] 图2是自适应声反馈抑制算法的数学模型，其目的是对声反馈路径的传递函数203进行估计，通过声学估计202得到抵消声学反馈信号，当f' (n) = f(n)时，完全消除声反馈；当f, (n)-f (n) = k.f (η) ,0≤k < I时即减少了声学反馈量，环路提升增益近似等于_201ogk。

[0069]图3是本发明采用的一体化前馈式声反馈抑制算法的数学模型，其中s(n)是远端语音信号；Kmaste(z) (301)是远端语音信号至主麦克风拾音输出之间的传递函数，Kref(z)(302)是远端语音信号至参考麦克风拾音输出之间的传递函数；F(z) (305)是喇叭输出至音箱之间的声反馈传递函数，F1(Z) (306)是主麦克风对音箱近端语音信号拾音的传递函数，F2(Z) (307)是参考麦克风对音箱近端语音信号拾音的传递函数；d(n)是主麦克风对近端和远端语音拾音的总和，χ(η)是参考麦克风对近端和远端语音拾音的总和。

y(n)是前馈式自适应处理算法的输出；G(z) (304)是DA 输出，后置电压放大和功率放大的等效传递函数，g(n)是最终输出音频信号。

[0070] 为了保证自适应消除算法能够有效抵消声反馈信号，主麦克风必须选择高灵敏度话筒，参考麦克风必须选择近讲式话筒，选择安装麦克风时，要求二个麦克风的拾音特性必须满足如下条件:
[0071 ]
[0072] [0073] 当满足上述条件时[0074]
[0075]
[0076]
[0077]
[0078]
[0079]
[0080] 自适应消除算法(303)即要将主麦克风拾音信号
χ(n)相关部分，即参考麦克风的声反馈反馈成份消除。

[0081] G(z) (304)是DA转换输出，抗混叠滤波和功率放大等环节的等效传递函数，其特性基本是一个固定增益。

[0082] 图4是前馈式自适应算法。

χ(η)是参考麦克风拾取的声反馈信号，d(n)包含远端语音信号和近端声反馈信号成份。

401是一个N阶的FIR声反馈抵消数字滤波器。

[0083]
当_的频率特性逼近
时，即可消除声
反馈信号。

[0084] 考虑声反馈路径的稀疏性，本发明采用PNLMS算法估计实际的参考检测声反馈路径H(z)，递推算法如下:
[0085]
[0095] 上述公式中，μ为步长因子，α为很小的正整数。

P是一个影响整体收敛速度的重要参数，对初始收敛速度的影响更大。

P越大，初始收敛速度越慢，较小的P能够实现较快的初始收敛速度，但同时也会导致较慢的后阶段收敛速度。

P —般取值为5/Ν。

[0096] 402是一个纯延时器，为了减少声反馈信号与远端讲话声音之间的相关性，根据语音信号的非平稳性，延时采样点可以选择240~480点，即相当于5ms~IOms的延时。

[0097] 图5是实现上述算法的一体化前馈式声反馈抑制装置结构图。

501是方形音箱箱体；502是安装在音箱箱体前方、专门检测声反馈信号的参考麦克风，503是安装在音箱箱体前方、检测声反馈信号和远端语音信号的主麦克风，504是内置喇叭，505是实现上述算法的电子电路部分的PCB板和相关电子器件。

[0098] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。

本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

[0099] 尽管本文较多地使用了自适应、反馈、传递函数等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。

使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

分类
国际分类号H04R3/02
法律事件
日期代
码
事件
说
明
2013年12月25日C06 Publication。