自适应滤波器回声消除仿真分析

赵睿+姚宇峰

摘要：本文讨论了自适应滤波器的原理并说明自适应滤波器如何消除回声的过程，在仿真环境下进行了模拟，结果验证自适应滤波器能够有效的消除语音信号通信中的回声从而提高通信质量。

关键词：自适应滤波器；回声消除；LMS；仿真

中图分类号：TN713 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）09-0216-02

1 引言

自适应滤波器具有很强的学习能力、跟踪能力、自调节能力，并且算法简单容易实现，应用领域主要包括：通信回波消除、噪声干扰的抵消，波形编码的线性预测，图像识别的自适应分割，以及自适应参数系统辨识等方面[1]。总之，自适应滤波能够根据系统以前输出的结果不断调节当前滤波器的参数去适应随机信号随时间变化的统计特性，从而实现滤波性能的最优化。

2 自适应滤波发展现状

最小均方误差LMS算法以其计算简单、稳定性好且易于实现而得到广泛应用。但收敛速度慢，固定步长因子会造成收敛速度与稳态失调误差两个相互矛盾，不能兼顾。在此基础上提出了变步长自适应算法，根据不同的应用场合采用不同的步长调整算法。基于最小二乘准则RLS算法的收敛速度快并且收敛性能优劣与信号的频域特性没有关系，但缺点是算法复杂、计算时间长、计算量大[2]；强相关信号应用LMS自适应算法时减少了计算量但会影响收敛速度，为了解决这个问题，Dentino等人提出了频域自适应滤波方法，Narayan等人针对输入信号特征值分散度较大的特点，在此基础上提出了变换域自适应滤波的概念：将信号通过其他正交变换在不同变换域上进行自适应滤波以获得更好的收敛特性[3]。

3 回声产生的原因

通信系统中背景噪声和回声总是同时存在的，这两个因素是影响通信系统通话质量的重要原因，在对于通话质量要求越来越高的今天研究回声消除从而探讨提高通信系统性能具有重要的现实意义。回声主要来源有两个：（1）电话回声：在传统的二线-四线通信系统中由于转换过程里阻抗不匹配的原因造成回声；在给定的地理区域，每一电话机都与中心局通过两条线相连以便为通话者提供通信服务。当传输距离超过35公里在不同的通信方向上需要增加不同线路，通常采用混合交换器装置完成两线到四线的转换。当桥式电路平衡得不好时，输入端口与输出端口之间就会存在耦合，从而引起回声；在地球同步卫星用于通信时，长距离通信造成了较大的时间延迟所带来的回声会导致通话质量的严重下降；尽管使用光纤通信能够消除长距离通信所造成的延迟，但通信网络中大量存在的语音编码以及数字传输打包技术都增大了语音通信过程中的时间延迟。而且研究结果表明：回声对通话质量的影响程度不仅取决于大小，还与延迟时间有关。（2）声学回声：接收端的语音信号在扬声器里以声波形式被放出来的时候由于在房间里多次传播和反射噪声的回声，同时由于绝大所数的通信系统都是全双工机制，所以接收端的回声又会通过麦克风传输到发送端从而影响通话质量。

4 回声消除原理

自适应滤波理论在实践中的重要应用之一就是回声消除。LMS算法的收敛速度快慢取决于输入信号的自相关矩阵的本征值分布的分散程度，如果输入信号为语音信号，本征值分布比较分散就会造成LMS算法收敛速度波动较大，通过白化语音信号可以抑制这种波动。语音信号的频谱特性的变化比回声路径的变化快，所以在接收端进行信号处理时不仅要对回声路径进行自适应，还要对语音信号进行快速的自适应。语音通信中回声是否能够被觉察从而影响通话质量或者在接收背景中可区分，主要取决于通信过程中语音与其回声之间时延的长短。如果时延比较短的话，回声是不会被觉察的，但可能会影响到信号频域的特性。反之，語音与其回声之间的时延较长，如果超过几十毫秒就能觉察到回声[3]。

通话过程中的回声如果被察觉到就会影响通话质量，这与时延有很大关系，使用自适应回声消除器可以抑制回声：自适应地合成回声信号然后从接收端信号中减去从而达到抗干扰的能力。

5 仿真实现

为了更好地说明自适应滤波原理在回声消除中的应用选取了两个普通的正弦信号作为初始信号源，频率分别为1000HZ与600HZ，并将其中的一个信号处理为噪声加入另一个信号中，将叠加之后的信号作为输入信号进行仿真，试验的目标显然是希望得到原信号，从而验证达到滤除回声的效果。

如图1和图2所示，其中红色信号为原信号，蓝色信号为输出信号，图1中的两个信号是第一次滤波输出的原信号和输出信号，可以看出在通信系统背景噪声和回声的影响下，输出信号和原信号之间有很大差异；图2中的两个信号是在自适应算法中迭代1000次后所得到滤波后的原信号和输出信号，能够看出两个信号之间的拟合程度很高，说明经过多次迭代之后自适应滤波能够有效的消除通信系统中的噪声以及回声从而提高通话质量。

6 结语

本文讨论了自适应滤波的原理和发展现状，并对自适应滤波回声消除的原理进行了讨论，在MATLAB仿真环境下对自适应滤波回声消除进行了实现，仿真结果说明通过自适应滤波能够有效的消除通信系统中的回声从而提高语音信号通信质量。

参考文献

[1]耿妍，张瑞金.自适应滤波算法综述[J].信息与电子工程，2008，8（6）：315-319.

[2]蔡卫菊.线性自适应滤波算法综述[J].科技咨询，2011，（36）：233.

[3]张晓晔，董微，邹维嘉.LMS原理及其在回声消除中的应用分析[J].现代商贸工业，2009，9：279-280.endprint