基于MCU的AEC算法實(shí)現

引言

較之傳統電話(huà)，VoIP語(yǔ)音質(zhì)量較差。影響因特網(wǎng)語(yǔ)音質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一是回聲。要提高因特網(wǎng)的語(yǔ)音質(zhì)量，就必須在語(yǔ)音傳輸的過(guò)程中進(jìn)行回聲消除的處理。AEC是基于自適應算法、可被應用于VoIP的回聲消除技術(shù)。

本文用于A(yíng)EC算法實(shí)現與研究的硬件平臺足以MCF523X系列是以帶有增強型乘加運算單元(eMAC)的ColdFire V2內核為核心，同時(shí)結合了增強型時(shí)序處理單元(eTPU)和10／100M以太網(wǎng)多媒體通道控制模塊(MAC)的MCU，具有強大的數據處理能力和豐富的接口，能夠滿(mǎn)足VoIP電話(huà)終端對于數據處理速度以及剛絡(luò )通信安全性的要求。

回聲消除器介紹

聲學(xué)回聲消除原理

AEC是以揚聲器信號與由它產(chǎn)生的多路徑回聲的相關(guān)性為基礎，建立遠端信號的語(yǔ)音模型，利用它對回聲進(jìn)行估計，并不斷修改濾波器的系數，使得估計值更加逼近真實(shí)的回聲。然后，將回聲估計值從話(huà)筒的輸入信號中減去，從而達到消除回聲的目的。

聲學(xué)回聲消除器的結構如圖l所示。y(n)代表遠端語(yǔ)音信號，r(n)代表回聲，x(n)是近端語(yǔ)音信號。近端信號x(n)疊加了回聲信號r(n)。對同聲消除器來(lái)說(shuō)，將遠端信號作為一個(gè)參考信號，自適應濾波器用它來(lái)產(chǎn)生回聲的估計值r(n)，從近端帶有回聲的語(yǔ)音信號中將r(n)減去，估計出近端輸出信號μ(n)。在近端沒(méi)有說(shuō)話(huà)的情況下，即當x(n)=0時(shí)，μ(n)為回聲的殘差信號e(n)。e(n)的計算方程為：

自適應FIR濾波器

在聲學(xué)回聲消除器里，橫向結構的自適應濾波器通過(guò)采用參考信號來(lái)產(chǎn)生回聲的副本，如果這個(gè)橫向結構的自適應濾波器的轉換函數與回聲通道的函數模型一致，那么，回聲的副本與回聲就應該是一致的，通過(guò)兩者的抵消就可以達到消除回聲的目的。

FIR濾波器的最主要特點(diǎn)是沒(méi)有反饋回路，是一種非遞歸系統，它的沖激響應h(n)是一個(gè)有限長(cháng)序列。下面的方程被用來(lái)計算FIR濾波器的輸出：

自適應FIR濾波器是根據上一時(shí)刻的近端輸出信號μ(n)以及遠端語(yǔ)音信號y(n)，通過(guò)某種自適應算法來(lái)估算當前時(shí)刻FIR濾波器的系數ak(n+1)。

LMS和NLMS算法

在輸入信號和參考信號都是平穩隨機信號的情況下，自適應濾波器的均方誤差E[e(n)]性能曲面是濾波器加權系數ak的二次函數。其系數修正的算法通常是采用使均方誤差最小的最優(yōu)化求解算法，如最速下降算法。

由于實(shí)際的梯度值只能根據觀(guān)測數據估計，因此，LMS算法提出的一個(gè)基本思想就是用平方誤差來(lái)代替均方誤差。它是對基本的最速下降算法的改進(jìn)，其算法迭代公式為：

其中，y(n)為輸入信號，μ為迭代步長(cháng)常量。

規一化LMS(NLMS)算法被用來(lái)在LMS自適應濾波器方程里修正FIR濾波器的系數。NLMS算法與LMS算法幾乎是一樣的，唯一的不同是在NLMS算法中用可變的步長(cháng)控制因予代替了LMS算法中的常量因子，其目的是加快算法的收斂速度。其算法迭代公式為：

其中μ應由試驗來(lái)確定。μ的選取至關(guān)重要，為了確保收斂，必須滿(mǎn)足0μ2。本方案中的自適應算法就采用了NLMS。

實(shí)現方案

聲學(xué)回聲消除器AEC主要包括FIR濾波模塊、Geigle雙端語(yǔ)音判決模塊、NLMS系數更新模塊、語(yǔ)音狀態(tài)控制模塊4個(gè)部分，圖2為AEC簡(jiǎn)要的結構。

實(shí)驗結果及分析

在Matlab環(huán)境下，對AEC進(jìn)行測試。將需要的三部分語(yǔ)音信號同時(shí)輸入到回聲消除器，測試回聲消除的相關(guān)性能。

輸入語(yǔ)音信號波形如圖4所示，從上到下依次表示遠端語(yǔ)音信號y(n)、近端語(yǔ)音信號x(n)和回聲信號echo(n)，其中，echo(n)與x(n)之和作為近端輸入，與y(n)一同構成了回聲消除器的兩個(gè)輸入信號。將濾波器的階數設置為512，即采取64ms延時(shí)的回聲消除，通過(guò)回聲消除處理得到殘差信號e(n)，其波形如圖5所示。

從圖4和圖5的對比中可以發(fā)現，當只存在遠端信號和回聲信號，近端緘默的情況下，回聲消除器能夠快速收斂并消除絕大部分的回聲；當雙端存在信號，回聲消除器能在消除回聲的基礎上較好地保持近端語(yǔ)音波形。

結語(yǔ)

本文介紹了聲學(xué)回聲消除的原理，并介紹了聲學(xué)回聲消除器的設計以及AEC在基于MCF5235開(kāi)發(fā)平臺的VoIP語(yǔ)音通信終端上的集成。該AEC實(shí)現了包括語(yǔ)音檢測、自適應濾波等語(yǔ)音處理算法。程序執行的實(shí)時(shí)性良好。通過(guò)Matlab模型的仿真和通話(huà)主觀(guān)測試的結果，證明該方案實(shí)現的聲學(xué)回聲消除器能夠滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )通信對語(yǔ)音的要求。

參考文獻
1. 王琦. VOIP 中為保證語(yǔ)音質(zhì)量所采用的關(guān)鍵技術(shù)[J ] 1 中國數據通信, 2002, (2) : 25 291
2. MCF5235 ColdFire Integrated Microprocessor User’s Manual. Freescale Semiconductor, Inc. 2004.
3. Emmanuel C. Ifeachor, Barrie W. Jervis. Digital Signal Processing A Practical Approach, Second Edition. 北京：電子工業(yè)出版社 2004.