（信號(hào)與信息處理專業(yè)論文）基于dsp的自適應(yīng)回聲抵消器的設(shè)計(jì).pdf

西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 頁(yè) 摘要 免提式話音通信在移動(dòng)電話、熱線電話、i s d n 網(wǎng)及車載電話的電視電 話會(huì)議等多種領(lǐng)域正得到日益廣泛的應(yīng)用，人們對(duì)聲音通訊系統(tǒng)中的話音質(zhì) 量提出了越來越高的要求。然而，使用這些系統(tǒng)能達(dá)到令人滿意的話音質(zhì)量 并不是一件容易的事情。由于在很多通信情況下會(huì)產(chǎn)生回音，這樣會(huì)嚴(yán)重影 響語(yǔ)音的清晰度。為了得到滿意的聽音水平，最重要的需求就是使這些系統(tǒng) 具有抗自激和回聲信號(hào)的能力。因此，回聲消除技術(shù)也就成為世界各大通訊 公司競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)技術(shù)之一。 回聲抵消器的基本原理是用一個(gè)自適應(yīng)濾波器來辯識(shí)并模擬回聲路徑 以實(shí)現(xiàn)回聲對(duì)消。由于通信系統(tǒng)及語(yǔ)音信號(hào)本身的不固定性，對(duì)所采用自適 應(yīng)算法的性能要求很高，而近年來數(shù)字信號(hào)處理器的快速發(fā)展，也使自適應(yīng) 濾波器實(shí)時(shí)、經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)成為可能。 本文首先對(duì)u s ，n l m s 等自適應(yīng)濾波算法進(jìn)行了分析討論，由于在傳 統(tǒng)的l m s ( k a s tm e a ns q u a r e ) 算法中，固定步長(zhǎng)選取影響收斂速度與穩(wěn)態(tài)誤 差，而且兩者不可兼得，因此通過建立步長(zhǎng)因子“與迭代次數(shù)n 之間的一種 函數(shù)關(guān)系改進(jìn)了一種變步長(zhǎng)l m s 算法。經(jīng)計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證，該算法性能良 好，明顯優(yōu)于實(shí)際中常使用的l ，m s 和m l 訂s 算法，并且有較好的實(shí)用性。 在理論和仿真研究的基礎(chǔ)上，使用德州儀器公司的單片定點(diǎn) d s p ( t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 ) 構(gòu)建了回聲抵消器的硬件平臺(tái)，在集成開發(fā)環(huán)境c o d e c o m p o s e r 中，將該算法應(yīng)用在實(shí)時(shí)的聲回波對(duì)消中，對(duì)回聲的抑制達(dá)到了滿 意的效果，實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音通信質(zhì)量的提高。 關(guān)鍵詞：自適應(yīng)濾波；l m s 算法；變步長(zhǎng)；回聲抵消；d s p 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 i i 頁(yè) l 妯yw o r d s ：a d a p t i v ef j i t e r j n g ；i 朋sa 1 9 0 r i t h m ：v a r i a b l es t e ps i z e ；a 0 0 u s t i ce c h 0 c a n c c l l a t i o n ：d s p 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 頁(yè) 第一章緒論 1 1 課題的研究背景及國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 1 1 1 課題的研究背景 幾乎所有的談話都是在存在回聲的情況下進(jìn)行的。是否可察覺到或者可 區(qū)分，取決于所涉及的時(shí)延。如果語(yǔ)音與其回聲較短，回聲是察覺不到的， 但可理解為頻譜失真的一種形式。反之，如果語(yǔ)音與其回聲之間的時(shí)延較長(zhǎng)， 超過幾十毫秒，回聲就可單獨(dú)察覺到。聲音回波在通信網(wǎng)絡(luò)的許多地方出現(xiàn)， 損害通信質(zhì)量，它包含如下情況： ( 1 )電話電路 在電信網(wǎng)中，為了降低電話中心局與電話用戶之間電話線的價(jià)格，用戶 線的連接采用兩線制：電話中心局之間連接采用四線制。為了適應(yīng)四線到二線 或二線到四線的連接，需要使用二線到四線的混合電路。在老式的電話線路 中，混合電路采用調(diào)諧變壓器實(shí)現(xiàn)，它使用電感藕合把一個(gè)雙工信號(hào)分隔成 兩個(gè)簡(jiǎn)單信號(hào)，在長(zhǎng)途信號(hào)傳輸中有利于信號(hào)處理，例如信道均衡和放大。 混合電路配置在電話中心局。由于阻抗失配，在混合電路中會(huì)產(chǎn)生電流泄漏， 雖然已采用了各種各樣的先進(jìn)混合電路，但是混合電路中產(chǎn)生電流泄漏仍是 不可避免。電流泄漏使得一部分信號(hào)的能量反射回信號(hào)源，這種反射和信道 延遲結(jié)合在一起，使講話者聽到自己的聲音或者回波，聽話者也聽到回波。 決定線路回波影響程度的參數(shù)之一是混合電路的損耗，也就是說有多少發(fā)射 信號(hào)被反射回來。一般情況下，損耗至少為6 d b 。參數(shù)之二是信道延遲，如果 信道延遲短，講話者一般不能辯認(rèn)線路回波和旁音，而旁音在電話中總是存 在。但是，如果信道延遲超過十幾毫秒( 一般是長(zhǎng)途電話或者衛(wèi)星通信) ，那 么會(huì)對(duì)講話者產(chǎn)生很大干擾( 如圖卜1 ) 。這種由于電器連接中的阻抗不匹配所 產(chǎn)生的回聲稱為線路回聲( l i n ee c h o ) o 。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第2 頁(yè) 正向話音 接收數(shù)據(jù) l 一一一一一一一1 卣礦一一一j 圖卜1 線路回聲示意圖 ( 2 )免提電話 隧著通信技術(shù)的發(fā)展，越來越多的通信設(shè)備提供了免提功能，這一方面 使通信更加便捷，同時(shí)也產(chǎn)生了回聲問題?；芈暿侵冈谕ㄐ畔到y(tǒng)中由某地發(fā) 射出去的信號(hào)經(jīng)由某種途徑和一定的時(shí)間延遲后返回到該地的信號(hào)。免提功 能的共同的特點(diǎn)是終端對(duì)語(yǔ)音信號(hào)具有放大作用，從而在揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)之 間產(chǎn)生了強(qiáng)烈的聲耦合，聲波回聲現(xiàn)象便是由這一藕合引起。在使用免持電話 房間中，從遠(yuǎn)方傳送來的信號(hào)( 即遠(yuǎn)端信號(hào)) 通過電話的揚(yáng)聲器播放出來， 聲波被墻壁、地板和天花板等反射，這些反射聲和直達(dá)聲都會(huì)被電話的傳聲 器拾取，作為近端信號(hào)發(fā)送給遠(yuǎn)端，形成回聲。這種回聲有一定的延遲，當(dāng) 延遲超過5 0 毫秒并且沒有衰減或只有很小衰減的時(shí)候，人們就會(huì)感覺到清 晰的回聲，這種回聲是通過聲學(xué)途徑產(chǎn)生的( 如圖卜2 ) ，稱之為聲學(xué)回聲 ( a c o u s t i ce c h o ) 衢1 。 本地?fù)P聲器 一、 、 聲回波通道 ：e 本地聲音信號(hào) _ 一平m 尸百僧丐 本地話筒 圖卜2 聲學(xué)回聲示意圖 隨著回聲技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前回聲消除研究的重點(diǎn)，已由線路回聲的消除 匿南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第3 頁(yè) 轉(zhuǎn)向了聲學(xué)回聲的消除。聲學(xué)回聲的消除方法主要有以下幾種： ( 1 )周圍環(huán)境的處理 分析聲學(xué)回聲的產(chǎn)生機(jī)理，可以知道：聲學(xué)回聲最簡(jiǎn)單的控制方法是改 善揚(yáng)聲器的周圍環(huán)境，盡量減少揚(yáng)聲器播放聲音的反射“”。例如，可以在周 圍的墻壁上附加一層吸音材料或增加一層襯墊以增加散射。理想的周圍環(huán)境 是其回響時(shí)間或r t 一6 0 ( 聲音衰減6 0 d b 所需要的時(shí)間) 在3 0 0 m s 一6 0 0 m s 之間。 因?yàn)檫@樣的環(huán)境一方面可以控制反射，又可以不會(huì)使講話者感到不適。改善 環(huán)境可以有效地抑制間接聲學(xué)回聲，但對(duì)直接聲學(xué)回聲卻無能為力。 ( 2 )回聲抑制器 回聲抑制是使用較早的一種回聲控制方法。回聲抑制器是一種非線性的 回聲消除。它通過簡(jiǎn)單的比較器將接收到的準(zhǔn)備由揚(yáng)聲器播放的聲音與當(dāng)前 話筒拾取的聲音的電平進(jìn)行比較。如果前者高于某個(gè)閾值，那么就允許傳至 揚(yáng)聲器，而且話筒被關(guān)閉，以阻止它拾取揚(yáng)聲器播放聲音而引起遠(yuǎn)端回聲。 如果話筒拾取的聲音電平高于某個(gè)閾值，揚(yáng)聲器被禁止，以達(dá)到消除回聲的 目的。 由于回聲抑制器是一種非線性的回聲控制方法，會(huì)引起揚(yáng)聲器播放的不 連續(xù)，影響回聲消除的效果，隨著高性能的回聲消除器的出現(xiàn)，回聲抑制器 已很少用了。 ( 3 )聲學(xué)回聲消除器 聲學(xué)回聲消除的另一方法是使用聲學(xué)回聲消除器( a e c ：a c o u s t i ce c h o c a n c e l l o r ) 。“，a e c 是以揚(yáng)聲器信號(hào)與由它產(chǎn)生的多路徑回聲的相關(guān)性為基 礎(chǔ)，建立遠(yuǎn)端信號(hào)的語(yǔ)音模型，利用它對(duì)回聲進(jìn)行估計(jì)，并不斷地修改濾波 器的系數(shù)，使得估計(jì)值更加逼近真實(shí)的回聲。然后將回聲估計(jì)值從話筒的輸 入信號(hào)中減去，從而達(dá)到消除回聲的目的。a e c 還將話筒的輸入與揚(yáng)聲器過去 的輸出值相比較，從而消除較長(zhǎng)延遲的多次反射的聲學(xué)回聲。根據(jù)存儲(chǔ)存放 的過去的揚(yáng)聲器的輸出值的多少，a e c 可以消除各種延遲的回聲。 回聲抵消這個(gè)課題從貝爾發(fā)明電話起就成為科學(xué)家和技術(shù)專家們要解決 的問題之一。電話發(fā)明初，由于通話距離一般很短，故回聲危害并不嚴(yán)重： 但隨著電子革命時(shí)代的來i | 缶，電話自人們生活中扮演者越來越重要的角色， 通話的距離越來越長(zhǎng)。近年來的無線接入網(wǎng)，衛(wèi)星網(wǎng)等的廣泛使用，更使信 號(hào)延遲大大增加，從而回聲現(xiàn)象也就更加嚴(yán)重?；芈曄暮脡哪壳耙殉蔀?世界各大通訊公司產(chǎn)品質(zhì)量競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)重要指標(biāo)，這種市場(chǎng)需求反過來又促 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第4 頁(yè) 進(jìn)了回聲消除技術(shù)的發(fā)展。 1 1 2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 回波抵消器可以采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，也可采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。本文介紹 的回聲抵消器是數(shù)字回聲抵消器。數(shù)字回聲抵消器的理論基礎(chǔ)是自適應(yīng)濾波 器技術(shù)。該技術(shù)己被廣泛地研究了幾十年，最早的回聲抵消技術(shù)可以追溯到 本世紀(jì)六十年代中期，該技術(shù)應(yīng)用到回聲抵消器上的構(gòu)想出現(xiàn)；在7 0 年代一 些組織估計(jì)了有回聲抵消器的通信質(zhì)量，結(jié)論之一就是因?yàn)樾枰罅坑?jì)算處 理，必須期待更先進(jìn)的大規(guī)模集成器件( l s i 的出現(xiàn)) ；在1 9 8 1 年第1 個(gè)應(yīng)用 超大規(guī)模集成器件的回波抵消器產(chǎn)生了，從而改善了它的功能。進(jìn)入八十年 代后，隨著d s p 處理速度和i c 集成度的提高，特別是其成本迅速降低， 自適應(yīng)回波抵消算法的高效實(shí)現(xiàn)得到了解決，回聲抵消器的研究和發(fā)展逐漸 趨于成熟。 國(guó)際電聯(lián)就回聲消除技術(shù)先后發(fā)布了一系列規(guī)范，如g 1 6 4 、g 1 6 5 、 g 1 6 7 等，分別包括電學(xué)回聲和聲學(xué)回聲的消除，其中1 9 9 7 年公布的g 1 6 8 是關(guān)于回聲消除的最新規(guī)范“。該建議書針對(duì)數(shù)字回聲消除器提出了一般的 設(shè)計(jì)要求，定義了相關(guān)的測(cè)試項(xiàng)目，以保證其能夠在各種網(wǎng)絡(luò)條件下提供足 夠的回聲消除能力。該建議書覆蓋了比g 1 6 5 更加廣泛的網(wǎng)絡(luò)情況，包括話 音、傳真、殘余的聲學(xué)回聲和移動(dòng)網(wǎng)等不同應(yīng)用。同時(shí)，該建議書還定義了 一系列客觀測(cè)試項(xiàng)目( 0 b j e c t i v e t e s c s ) ，如果回聲消除器通過這此測(cè)試，那么當(dāng) 其安裝在網(wǎng)絡(luò)中，起碼就可以完成最低限度的回聲消除功能。一個(gè)能夠通過 此項(xiàng)測(cè)試的回聲消除器，不應(yīng)該影響話音信號(hào)的傳輸或其它設(shè)備的工作。 回聲抵消器的理論基礎(chǔ)是自適應(yīng)濾波器，國(guó)外對(duì)回波抵消算法的研究已 經(jīng)有四十多年的歷史1 。結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的自適應(yīng)濾波器研究工作，由美國(guó)斯坦 福大學(xué)的b w d r o w 和m h o f f 始于1 9 5 9 年。他們首先發(fā)明了最小均方自適 應(yīng)算法。而英國(guó)的d g a b o r 和他的助手們則研制出了自適應(yīng)濾波器。到2 0 世紀(jì)6 0 年代，有關(guān)自適應(yīng)信號(hào)處理的理論研究和應(yīng)用工作更加加強(qiáng)了，研究 范圍己發(fā)展到自適應(yīng)控制、自適應(yīng)濾波( 包括時(shí)域和空域) 及其他方面。r l u c k y 在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室首先將自適應(yīng)濾波器應(yīng)用于商用的數(shù)字通信中。 1 9 6 5 年，自適應(yīng)噪聲對(duì)消系統(tǒng)在斯坦福大學(xué)建成，并成功地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)中。 隨后國(guó)外的許多實(shí)驗(yàn)室和專家學(xué)者相繼提出了許多自適應(yīng)算法，比較典型的 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第9 頁(yè) ( 1 )濾波結(jié)構(gòu)模塊 這個(gè)模塊根據(jù)輸入信號(hào)的情況形成濾波器的輸出。如果輸出是輸入信號(hào) 的線性組合，那么濾波器結(jié)構(gòu)也是線性的；否則就是非線性的。例如：可變 有限沖激響應(yīng)( f i r ) 數(shù)字濾波器的模型可以是直接型或者是極聯(lián)結(jié)構(gòu)。濾 波結(jié)構(gòu)由設(shè)計(jì)者固定，但是它的參數(shù)可由自適應(yīng)算法調(diào)整。 ( 2 )性能標(biāo)準(zhǔn)模塊 話南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第8 頁(yè) 第二章自適應(yīng)聲回波抵消概述 回聲消除是信號(hào)處理的核心問題之一，它的理論基礎(chǔ)是自適應(yīng)濾波。 1 9 6 5 年美國(guó)斯坦福大學(xué)建成了第一個(gè)自適應(yīng)噪聲州酮! 童耋鎏e 霎課j 剛?cè)舯佬?望弗翱崔鱗委。嗣但幫蠢掣乞曲刖上帝藿咚i 【! 御構(gòu)m i 胂薹耄高醺甾鲞罕 毒助述霎名j 萎坤埔囂名爆瞞| 月旦潯角l 哮蓮憾憎裹答罵善副矧； 苦塏塑劇一零摹唷i 目 極大地改善話音通 信質(zhì)量，使通話雙方或多方能舒適地進(jìn)行異地交談。此外，將回聲抵消器接 入各類現(xiàn)有的大中型會(huì)議室或娛樂場(chǎng)所的擴(kuò)音系統(tǒng)，可消除因大音量激發(fā)的 嘯叫聲。也可將它接入廣播電臺(tái)現(xiàn)有的播音設(shè)備中消除熱線對(duì)話時(shí)播音室內(nèi) 回蕩的嘯叫聲，從而免去對(duì)聽眾所持收音機(jī)位置的限制。 1 2 本文研究思路與主要工作 從實(shí)用的角度看，一個(gè)有效的回聲抵消算法應(yīng)該是高速，高效和簡(jiǎn)單易 行的。兼顧收斂速度快和易于實(shí)現(xiàn)兩方面的要求，本課題設(shè)計(jì)的回聲抵消器 應(yīng)用了一種改進(jìn)的變步長(zhǎng)【ms 算法。該算法繼承了l m s 類算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的 優(yōu)點(diǎn)，以使之更適合聲回聲抵消器的要求。 本文主要工作安排如下： 在緒論中比較了線路回聲抵消和聲學(xué)回聲抵消的相同和不同之處。主要 介紹了回聲抵消算法研究的產(chǎn)生、發(fā)展的歷史，國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀以及其發(fā) 展趨勢(shì)。 第二章對(duì)各種自適應(yīng)濾波算法進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，分析了各種算法 之間的聯(lián)系，并結(jié)合實(shí)際的聲回波抵消算法的應(yīng)用，重點(diǎn)研究了最小均方誤 差“l(fā) m s ) 算法、歸一化最小均方誤差( n l m s ) 算法、工，m s 牛頓算法和遞歸最 小二乘( r l s ) 算法。 第三章為了解決最小均方i m s 算法的穩(wěn)定性以及收斂速度和穩(wěn)態(tài)誤差 之間的矛盾，改進(jìn)了一種自適應(yīng)交步長(zhǎng)的l m s 算法，分析了新算法的收斂 特性以及參數(shù)選擇對(duì)算法性能的影響。算法具有較快的收斂速度、魯棒穩(wěn)定 性且運(yùn)算量小，易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。并將該算法進(jìn)行m a t l b 仿真，仿真的 結(jié)果與理論分析相一致，證實(shí)了算法的收斂性能優(yōu)于i m s 和n l m s 算法并 且具有較好的實(shí)用性。 第四章設(shè)計(jì)了基于t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 芯片的d s p 語(yǔ)音處理系統(tǒng)；語(yǔ)音處 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 0 頁(yè) 圖2 。1 自適應(yīng)濾波器原理框圖 2 2 回聲抵消的基本原理 回聲抵消的基本原理可以概括為：自適應(yīng)地合成回聲，并從有回聲干擾 的信號(hào)中減去該合成回聲。”。 實(shí)際上，回聲抵消器是噪聲消除過程的一種形式。為了說明該原理，參 見圖2 2 。它屬于免提電話環(huán)境。 r 一 遠(yuǎn)處說話! 者信 “ 誤差信 曲)申自 i _ j l 羹鼉 f環(huán) 】 l 一一一一一一一一一一一一一一一一一i 回聲消除囂 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文劈1 1 頁(yè) 圖2 2 回聲控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 示于圖中的兩個(gè)主要的功能單元是： ( 1 ) 揚(yáng)聲器機(jī)殼麥克風(fēng)( l b m ，l o u d s p e a k e r - e n c l o s u r e - i c r o p h o n e ) ( 2 )回聲抵消器( b c ) 圖中，遠(yuǎn)端說話者的信號(hào)“( n ) 通過揚(yáng)聲器發(fā)出，被麥克風(fēng)接收，而且與 l e m 的脈沖響應(yīng)卷積產(chǎn)生一個(gè)輸出d ) 。“) 由于被周圍環(huán)境反射，信號(hào) d ( n ) 受到回聲的污染。 回聲抵消器包含兩個(gè)部分：( 1 ) 橫向?yàn)V波器；( 2 ) 自適應(yīng)和步長(zhǎng)控制器。 橫向?yàn)V波器用脈沖響應(yīng)w ( n ) 與遠(yuǎn)端說話者信號(hào)“0 ) 卷積得到回聲估計(jì)，并用 y ) 表示該估值。就所關(guān)心的回聲抵消器而言，麥克風(fēng)輸出y ) 組成了“期 望響應(yīng)”。從其輸出d ( n ) 中減去濾波器所產(chǎn)生的“合成回聲”y 0 ) ，即產(chǎn)生誤 差信號(hào)e ) 。遠(yuǎn)端信號(hào)“( h ) 與的z ) 起到自適應(yīng)和步長(zhǎng)控制器的作用，以便按 照自適應(yīng)算法調(diào)整濾波器的抽頭權(quán)值，使得誤差信號(hào)的均方值最小化。其結(jié) 果是，回聲抵消器輸出誤差信號(hào)為受污染的本地說話者信號(hào)提供了一個(gè)估計(jì)。 2 3 自適應(yīng)濾波算法 自適應(yīng)濾波器最主要的特性就是能有效地在未知環(huán)境中跟蹤時(shí)變的輸入 信號(hào)，使輸出信號(hào)達(dá)到最優(yōu)。對(duì)實(shí)時(shí)性要求很強(qiáng)的通信系統(tǒng)，因?yàn)樵捖穫鬏?條件的變化，系統(tǒng)本身一開始并不能完全確定下來，所以運(yùn)用自適應(yīng)濾波技 術(shù)來實(shí)現(xiàn)相關(guān)實(shí)時(shí)信號(hào)處理，其效果是明顯的。 近三四十年來，隨著現(xiàn)代通信不斷向更高速、實(shí)時(shí)的方向發(fā)展，對(duì)聲回 聲抵消算法的研究也成為信號(hào)處理領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者針對(duì)回 聲抵消中的自適應(yīng)濾波器提出了許多有效算法，典型的有傳統(tǒng)的基于最小平 方準(zhǔn)則的【m s 算法及其變體算法n l m s 等；基于最小二乘方的r l s 算法：快 速橫向?yàn)V波f r f 自適應(yīng)算法外波包子帶分解的算法以及塊算法等。 2 3 1 標(biāo)準(zhǔn)l m s 算法 自w i d r o w h o f f 提出最小均方誤差l m s ( l e a s tm e a ns q u a r e ) 算法后， 因其諸多優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。l m s 算法是隨機(jī)梯度算法族中的一負(fù)。該算 法在隨機(jī)輸入維納濾波器遞歸計(jì)算中使用確定性梯度。l m s 算法的顯著特點(diǎn) 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第1 2 頁(yè) 是它的簡(jiǎn)單性，它不需要計(jì)算有關(guān)的相關(guān)函數(shù)，也不需要矩陣求逆運(yùn)算。 l m s 算法是線性自適應(yīng)濾波算法，包括濾波和自適應(yīng)兩個(gè)基本過程a 其 步驟為：( a ) 計(jì)算線性濾波器輸出對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)；( b ) 通過比較輸出結(jié)果 與期望響應(yīng)產(chǎn)生估計(jì)誤差；( c ) 根據(jù)估計(jì)誤差自動(dòng)調(diào)整濾波器參數(shù)。這兩個(gè)過 程一起工作組成一個(gè)反饋環(huán)，如圖2 3 所示： 圖2 3 自適應(yīng)橫向?yàn)V波器框圖 考慮對(duì)于一個(gè)橫向?yàn)V波器，濾波器的階數(shù)為m ，濾波器的期望輸出為 d “) ，其抽頭輸入向量為u 0 ) a 函o l “g 一1 l ，“+ 1 圩，對(duì)應(yīng)的抽頭權(quán) 向量為詩(shī)b ) 。阮g l 血如i ，諺。一，0 灌。 通過l m s 算法計(jì)算這個(gè)向量所得的值表示一個(gè)估計(jì)，當(dāng)?shù)螖?shù)趨于無 窮時(shí)，該估計(jì)的期望值可能接近維納解w 。 l m s 算法的梯度估計(jì)值v j 0 ) 2 p + 2 r w “) ，由相關(guān)矩陣r 和抽頭輸入 與期望相應(yīng)之間的互相關(guān)向量p 得到。 估計(jì)器的最簡(jiǎn)單選擇是使用基于抽頭輸入向量和期望相應(yīng)的r 和p 的瞬 態(tài)估計(jì)，分別定義為食0 ) ；u ) l l ”0 ) ，垂0 ) ；u o p b ) ，因此梯度的瞬態(tài)估 計(jì)為： 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 3 頁(yè) 釘) = 一2 u g k 如) + 2 h 如k h 如) 奔0 ) ( 2 1 ) 即l m s 算法的更新抽頭向量的遞歸關(guān)系式為： 存0 + 1 ) 一諱仁) + 刪0 ) 白0 ) 一u 8 以冷白) ) ( 2 2 ) 式中，是一個(gè)控制穩(wěn)定性和收斂速度的待定常數(shù)參量，稱之為環(huán)路增 益參量( 1 0 0 p g a i np a r a m e t c r ) 或步長(zhǎng)因子( s t e p - s i z ef a c t o r ) 。 對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)l m s 算法，步長(zhǎng)參數(shù)岸分別取為o 0 7 5 。o 0 2 5 ，0 0 0 7 5 。如圖 2 4 所示，可以看出其收斂速率在很大程度上取決于步長(zhǎng)參數(shù)肛。當(dāng)步長(zhǎng)參 數(shù)大時(shí)( 如蘆一0 0 7 5 ) ，均衡器收斂到穩(wěn)態(tài)需要1 2 0 次迭代。當(dāng)較小時(shí) ( 口。0 0 0 7 5 ) ，收斂速率降低超過一個(gè)數(shù)量級(jí)。也表明平均均方誤差的穩(wěn)態(tài) 值隨著“的變大而增大。 1 0 f 襄 婁 蒜 05 0 01 0 0 01 5 0 0 迭代次數(shù) 圖2 4 改變步長(zhǎng)參數(shù)口時(shí)l m s 算法的學(xué)習(xí)曲線 過去三四十年中，人們一直致力于i m s 算法的研究。其中最引人注目 的是優(yōu)化理論。迄今己有各種改進(jìn)型算法被提出來，而這些改進(jìn)算法一般都 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 4 頁(yè) 可以歸結(jié)為步長(zhǎng)因子口的某種取法。許多研究已證明，n 值與學(xué)習(xí)曲線的時(shí) 間常數(shù)成反比，與失調(diào)量成正比。即對(duì)其的優(yōu)化只能在收斂速度和失調(diào)跫兩 個(gè)指標(biāo)之間取折衷，這種思想是以后各種改進(jìn)算法，例如n l m s 的主要依據(jù)。 單純i _ m s 算法的最大優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單，但其不足之處也是明顯的。對(duì) 非平穩(wěn)強(qiáng)相關(guān)的語(yǔ)音信號(hào)激勵(lì)和沖激響應(yīng)持續(xù)期很長(zhǎng)的回波通道，u 阱s 算法 在時(shí)域直接實(shí)現(xiàn)時(shí)，辨識(shí)計(jì)算負(fù)擔(dān)重，收斂速度慢。 2 3 2 歸一化l m s 算法( n l m s ) n l 鵝濾波器與標(biāo)準(zhǔn)l 瞞濾波器在結(jié)構(gòu)上完全一樣，不同的僅在于權(quán)值控 制器的機(jī)理。n l m s 算法是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)l m s 算法性能的一種改進(jìn)。 n l m s 濾波器是最小干擾原理的一種表現(xiàn)形式，即從一次迭代到下一次 中，自適應(yīng)濾波器的權(quán)向量應(yīng)當(dāng)以最小方式改變，而且受到更新的濾波器輸 出施加的約束。 n l m s 濾波器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為約束優(yōu)化問題：即給定抽頭輸入向量u 0 ) 和目 標(biāo)響應(yīng)d 缸) ，確定更新的抽頭向量啼i + 1 ) ，使得增量 腳“+ 1 ) z 啼如+ 1 ) 一啼仁) 的歐式范數(shù)最小化，并受制于約束條件 啼8 仁+ 1 ) u g ) 一d g ) 。 考慮新的代價(jià)函數(shù)j b ) ；0 赫0 + 1 2 + r e h 0 協(xié)) 一啼”0 + 1 ) i i ( n ) ) 其中，a 為復(fù)數(shù)拉格朗日乘子，r e 【| 表示取實(shí)部運(yùn)算，約束對(duì)代價(jià)函數(shù)的貢 獻(xiàn)是實(shí)值的，l i 旆0 + 1 1 2 表示歐式范數(shù)的平方運(yùn)算，也是實(shí)值的。從而，代 價(jià)函數(shù)是實(shí)值的二次函數(shù)，表示為： - ，g ) = ( 由0 + 1 ) 一骨如) ) 目( 詩(shī)b + 1 ) 一啼g ) ) + r e 防0 ) 一諦”如+ 1 ) u b ) ) 】 通過代價(jià)函數(shù) ，仁) 對(duì)啼“+ 1 ) 的求導(dǎo)得： i 端t 2 ( 龠+ 1 ) 一南o ) ) 一r u ) 令其為零，得最優(yōu)解：龠0 + 1 ) = 諦( n ) + 婁a u 0 ) 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 8 頁(yè) 圖2 6 具有時(shí)變抽頭權(quán)值的橫向?yàn)V波器 輸出信號(hào) y ( n ) r l s 算法使用指數(shù)加權(quán)的誤差平方和作為代價(jià)函數(shù)，即有： ，o ) ；薹槲 其中n 是可測(cè)數(shù)據(jù)的可變長(zhǎng)度，另外e ( f ) 是期望響應(yīng)d ( f ) 與i 時(shí)刻抽頭輸 入為”( f l “( f 一1 l ，“( f m + 1 ) 的橫向?yàn)V波器輸出y ( f ) 之差： 已0 ) 置d o ) 一) ，g ) 一d ( f ) 一w 8 g m ) 另外加權(quán)因子oc t 1 稱為遺忘因子，其作用是對(duì)離n 時(shí)刻越近的誤差加比較 大的權(quán)重，而離n 時(shí)刻越遠(yuǎn)的誤差加比較小的權(quán)重。即a 對(duì)各個(gè)時(shí)刻的誤差 具有一定的遺忘作用。 加權(quán)誤差平方和的完整表達(dá)式為： ，o ) = 寶刀。p ( f ) 一w 8 0 ) i i ( f 1 2 由罷掣；o ，得r 白) w 仁) r o ) ，其解為w o ) 。r 一- 如) r 仁) 。 d w 式中r b ) 。著刀。u ( f ) ”( f ) ，r o ) 。著”。o p ( f ) 。進(jìn)而得到其遞推估計(jì)公式： r “) 一旯r g 一1 ) + u “h ”g ) r b ) - a r 一1 ) + u o k 0 ) 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 9 頁(yè) 使用矩陣求逆引理，可得逆矩陣p ) = r 一1 0 ) 的遞推公式： 酬甘，一篆黼 一沁0 1 ) 一k 扣) i i ”( n ) p “一1 ) j 式中，k g ) 為增益向量： 蚺熹 易證，k 0 ) 與p 0 ) 有如下關(guān)系： p 0 h 協(xié)) - k 0 ) 將以上結(jié)果代入w 如) = r 4 0 k 仁) ，簡(jiǎn)化可得權(quán)向量更新公式： 式中 w 如) = w 9 1 + d ：k 9 3 + k 仁h 肝仁) w 仁一1 ) ( 2 5 ) 一w 0 一1 ) + k o k + 如) 。 為先驗(yàn)估計(jì)誤差。 2 4 本章小結(jié) e “) - d 0 ) 一u 0 ) h ，0 1 ) 一d “) 一w 8 缸一1 k ) 本章對(duì)各種自適應(yīng)濾波算法進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，分析了各種算法之 間的聯(lián)系，并結(jié)合實(shí)際的聲回波抵消算法的應(yīng)用，重點(diǎn)研究了最小均方誤差 ( ( l m s ) 算法、歸一化最小均方誤差( n l m s ) 算法、l m s 牛頓算法和遞歸最小 二乘( r l s ) 算法。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第2 0 頁(yè) 第三章變步長(zhǎng)l m s 回聲抵消算法的研究 3 1 變步長(zhǎng)l m s ( v i a b l e s t e p s iz el m s ) 算法 【m s 算法簡(jiǎn)單有效，易于實(shí)現(xiàn)，但其在收斂速度、時(shí)變系統(tǒng)跟蹤速度與 收斂精度等方面對(duì)值大小的選取要求是相互矛盾的。是控制自適應(yīng)速度與 穩(wěn)定性的增益常數(shù)，又叫收斂因子或步長(zhǎng)因子。”。該算法中步長(zhǎng)因子對(duì)算法 的性能有決定性的影響。p 較小時(shí)，算法收斂慢，但穩(wěn)態(tài)失調(diào)誤差小。( 假 設(shè)其取值在收斂范圍之o t p c l 枷，a 。是相關(guān)矩陣r 的最大特征值) 較 大時(shí)，算法收斂速度快，但穩(wěn)態(tài)失調(diào)誤差大?？梢姡撍惴ㄔ谑諗克俣扰c穩(wěn)態(tài)失 調(diào)誤差之間存在著矛盾，因此，需要改進(jìn)盧。本文在文獻(xiàn)【2 7 ，3 6 ，3 7 】的基礎(chǔ) 上改進(jìn)了一種兼顧收斂性、魯棒穩(wěn)定性的變步長(zhǎng)的u s 算法簡(jiǎn)稱v s s l m s 算法，它的步長(zhǎng)隨著瞬時(shí)輸入功率的變化自適應(yīng)地調(diào)整，具有較快的收斂速 度和很好的穩(wěn)定性。同時(shí)，本文還通過理論論證和仿真研究對(duì)該算法進(jìn)行了 詳細(xì)的分析。 3 1 1 算法的推導(dǎo) l m s 算法采用了平方誤差的瞬時(shí)梯度近似均方誤差梯度，在n + 1 時(shí)刻， 其權(quán)值修正量6 諦( h + 1 ) 正比于，l 時(shí)刻的誤差面梯度估計(jì)奇( n ) ，即： 6 骨( n + 1 ) t 膏( n + 1 ) 一畝( n ) 一一委審o )( 3 1 ) 審( n ) - u ( n ) e 0 )( 3 2 ) 考慮到原算法在權(quán)修正量與梯度估計(jì)之間人為地引入了一個(gè)時(shí)延，為了 校正這個(gè)時(shí)延，可以用現(xiàn)時(shí)的梯度估計(jì)代替前一時(shí)刻的梯度估計(jì)，即把式( 3 1 ) 修改為： 6 諦( n + 1 ) 。一曇審( n + 1 )( 3 3 ) 式( 3 - 3 ) 用瞬時(shí)梯度信息可表示為： 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第2 l 頁(yè) 諱( n + 1 ) 暑骨( 凡) + 盧u ( + 1 ) e + ( 九+ i )( 3 4 ) 【，+2u(凡+1)u”(，l+1)】諦(托+1)=龠(n)+肛u(n+1)d+1)( 3 5 ) 其中i 為l l 階單位矩陣。因而有 龠( n + 1 ) 一【，+ 2 肛u ( n + 1 ) u ”( n + 1 ) 】- 1 【啼( ，1 ) + p u ( n + 1 ) d o + 1 ) 】( 3 6 )利用矩陣求逆引理： 【 + a 朋圩r 1 魯4 _ 1 + 盧4 1 上璩甘a 1 其中，a為非奇異ll階方陣，b為l維列向量，標(biāo)量口，口滿足如下關(guān)系：a 一1 + 口一日汀爿。1 占 將矩陣求逆引理應(yīng)用于式( 3 6 ) ，有： 啼(+1)i諦(n)+了jj；五育_i二翻u(蚪+1)【d(n+1)一諦“(，1)u(，l+1)】- 諦( 以) + 婦0 + 1 ) u _ + 1 ) 0 + 1 ) (37)式中：( n + 1 ) - 【d ( ，l + 1 ) 一啼”( 雄) u ( n + 1 ) 】 蘆”驢i孑茁而上面的式( 3 7 ) 就是導(dǎo)出的變步長(zhǎng)u s 算法的權(quán)系數(shù)更新公式。顯然， 0+1)是用前一時(shí)刻的權(quán)值對(duì)現(xiàn)在的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理所產(chǎn)生的誤差輸出，而自適應(yīng)步長(zhǎng)+1)是可變的收斂因予，它隨著輸入信號(hào)功率 一(h+1)u(，l+1)的變化而調(diào)整，加快了收斂速度使s算法的性能有了很大的改進(jìn)。312算法的仿真在lms算法中，蘆的選取必須在收斂速度和失調(diào)之間取得較好的折中， 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第2 3 頁(yè) 法在取不同的值下的均方誤差學(xué)習(xí)曲線。其中變步長(zhǎng)l m s 算法的p 分別 取值0 5 ，1 和2 時(shí)的學(xué)習(xí)曲線。從圖3 - 2 上還可以看出，當(dāng)取值較望hi 饕型矗於窨妻瑟鞭貉越移雇# 秸j 鰭鞘蠢露嗣掣緩：勇匿羽嶄羹塌薹描嗡 制瑙落篷滿剿冪：器蛩鑒彰氡州霸翻；囂那叁職回霎曼新螻。m 彈斐暈簿 鰉囊垡尹鏊鐾蘸囊囊鬈秀薹薹二 蓁 霧 囂 一4 ) 2 3 4r l s 算法 最小二乘( l s ) 法是一種典型的有效的數(shù)據(jù)處理方法。它的提出和應(yīng)用 可以追溯到1 7 9 5 年，是由著名學(xué)者高斯提出的，高斯認(rèn)為，根據(jù)所獲得的 觀測(cè)數(shù)據(jù)來推測(cè)參數(shù)時(shí)，未知參數(shù)最可能的值是這樣一個(gè)數(shù)據(jù)，即它使各項(xiàng) 實(shí)際觀測(cè)值和計(jì)算值之間的差的平方乘以度量其精度的數(shù)值以后的和為最 小。這就是最小二乘法的最早的思想。 遞歸最小二乘算法( r l s ) 是最小二乘算法的一類快速算法。即給定n 一1 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第2 4 頁(yè) 一般放置于帶有數(shù)字或模擬線路接口音頻終端內(nèi)部。該協(xié)議提出了a e c 必須 遵守的一些設(shè)計(jì)要求，定義了相關(guān)測(cè)試項(xiàng)x 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第2 5 頁(yè) 3 2 2 處理單元 處理單元包括終端內(nèi)所有用于信號(hào)處理功能的部分。一般的信號(hào)處理功 能包括以下幾個(gè)方面： ( 1 1 音頻信號(hào)的線性劊d 和d a 轉(zhuǎn)換 ( 2 ) 執(zhí)行聲回聲控制的信號(hào)處理 ( 3 ) 執(zhí)行其他功能的信號(hào)處理，例如噪聲抵消，空間回響的消除等 ( 4 ) 音頻信號(hào)一些編碼格式的轉(zhuǎn)換處理 3 2 3 電聲轉(zhuǎn)換器和相關(guān)輔助電路 電聲變換器包括麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器；輔助電路可能包括放大器、開關(guān)及電平 轉(zhuǎn)換器等用戶可操作或可自動(dòng)調(diào)節(jié)的設(shè)備，它們共同成為終端的必要組成部 分。 3 3 基于變步長(zhǎng)l m s 回聲抵消器的結(jié)構(gòu)規(guī)劃 參考g 1 6 7 關(guān)于a e c 的設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)對(duì)采用變步長(zhǎng)自適應(yīng)方案的回 聲抵消器作了如下結(jié)構(gòu)規(guī)劃。 3 3 ，功能方框圖 本設(shè)計(jì)采用的a e c 功能框圖如圖3 4 所示： 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第2 6 頁(yè) 圖3 4 回聲抵消器的功能方框圖 框圖功能說明： 近端麥克風(fēng)信號(hào)先經(jīng)過預(yù)放大后作為用戶接口s i n 的輸入，然后經(jīng)由a 佃 轉(zhuǎn)換器件完成語(yǔ)音編碼等轉(zhuǎn)換，送入d s p 作算法處理，最后經(jīng)網(wǎng)絡(luò)接口s o u t 發(fā)送至遠(yuǎn)端。揚(yáng)聲器1 為本地語(yǔ)音的放大輸出。 遠(yuǎn)端信號(hào)經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)接口r i n 到達(dá)本地，先進(jìn)入d s p 進(jìn)行算法處理，然后 經(jīng)過d a 轉(zhuǎn)換器件進(jìn)行解碼等轉(zhuǎn)換，最后經(jīng)揚(yáng)聲器r o u t 放大，在本地形成 語(yǔ)音。 整個(gè)回聲抵消算法以及相關(guān)控制功能全部由信號(hào)處理單元d s p 軟件實(shí) 現(xiàn)。 3 3 2 回聲抵消器各部分的組成及說明 為了達(dá)到抵消回聲的目的，一般來說，自適應(yīng)回波抵消器( 見圖3 - 5 ) 應(yīng) 該包括自適應(yīng)濾波，控制單元，語(yǔ)音檢測(cè)，非線性處理和舒適噪聲產(chǎn)生五個(gè) 基本功能模塊。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第2 7 頁(yè) 圖3 5 回聲抵消器的組成 回聲抵消器是遠(yuǎn)端語(yǔ)音信號(hào)y 例和近端輸入信號(hào)s ( n ) 的一個(gè)橫向?yàn)V波器， 其中y 是參考輸入信號(hào)，s 由兩部分組成：參考輸入信號(hào)y m 的回聲信 號(hào)，佛，和來自近端的語(yǔ)音信號(hào)z 似，。自適應(yīng)濾波器輸出的是預(yù)測(cè)出的回聲信 號(hào)：r 甜f 例，近端信號(hào)s m 和預(yù)測(cè)出的回聲信號(hào)的差值是誤差信號(hào)e 例誤差信 號(hào)e m 要回饋到濾波器中用于調(diào)整該橫向?yàn)V波器的系數(shù)一，調(diào)整系數(shù)的目的 是要使實(shí)際的回聲信號(hào)和預(yù)測(cè)出的回聲信號(hào)之間的均方誤差最小。下面簡(jiǎn)單 介紹一下各模塊的功能。 1 自適應(yīng)濾波 自適應(yīng)濾波器是回聲抵消器的核心部分，它用于產(chǎn)生一個(gè)與真實(shí)聲回波 相類似的模擬回波，真實(shí)回波與模擬回波相減后，可以大幅度的降低傳回遠(yuǎn) 端的回波電平，這種抵消聲回波的方法對(duì)近端語(yǔ)音信號(hào)幾乎沒有任何損傷。 自適應(yīng)濾波部分同時(shí)受到控制單元的約束，在特定的條件下進(jìn)行濾波器濾波 系數(shù)的更新或停止濾波器濾波系數(shù)的更新。 2 控制單元 控制單元同時(shí)從遠(yuǎn)端和近端采集信號(hào)，以確定當(dāng)時(shí)兩端信號(hào)的狀態(tài)，根 據(jù)語(yǔ)音檢測(cè)的結(jié)果以確定自適應(yīng)濾波部分，非線性處理部分和舒適噪聲產(chǎn)生 部分是否工作。 3 語(yǔ)音檢測(cè) 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第2 8 頁(yè) 即有聲無聲判決，是自適應(yīng)濾波算法的重要前提和基礎(chǔ)，其結(jié)果直接決 定了是否需要濾波、替換系數(shù)、既濾波又替換系數(shù)或停止自適應(yīng)濾波。在 a e c 中采用了三個(gè)語(yǔ)音檢測(cè)器，即遠(yuǎn)端語(yǔ)音檢測(cè)器、近端語(yǔ)音檢測(cè)器、雙向 講話檢測(cè)器。 ( 1 ) 遠(yuǎn)端信號(hào)檢測(cè) 當(dāng)遠(yuǎn)端信號(hào)功率較小時(shí)，容易導(dǎo)致濾波器發(fā)散，因此，回聲抵消器需要 具有遠(yuǎn)端信號(hào)檢測(cè)的功能，已確保遠(yuǎn)端信號(hào)功率滿足自適應(yīng)算法的要求時(shí)， 才進(jìn)行濾波器權(quán)系數(shù)調(diào)整。 ( 2 ) 近端信號(hào)檢測(cè) 當(dāng)近端有信號(hào)時(shí)，自適應(yīng)濾波器進(jìn)行調(diào)整所用的誤差信號(hào)不再僅僅是抵 消后的殘留回波，還包括近端語(yǔ)音信號(hào)，這時(shí)應(yīng)暫停自適應(yīng)濾波器的調(diào)整， 否則容易引起自適應(yīng)濾波器的誤調(diào)，甚至導(dǎo)致其發(fā)散，因此，回波抵消器也 必須有近端信號(hào)檢測(cè)功能，以確保自適應(yīng)濾波器的正常工作。 ( 3 ) 雙講檢測(cè) 遠(yuǎn)端或近端語(yǔ)音檢測(cè)器檢測(cè)是否只有遠(yuǎn)端或近端在講話，而雙講檢測(cè) ( d o u b l et a l kd e t e c t i o n ，d t d ) 則主要檢測(cè)通話雙方是否同時(shí)在講話。 4 殘留回波的非線性處理 在實(shí)際應(yīng)用中由于種種原因不能將回波完全抵消，即存在殘留回波，為 了提高回波抵消器的性能，在殘留回波功率小到一定程度后，對(duì)其進(jìn)行某種 非線性處理，可以進(jìn)一步減小殘留回波的功率。 5 舒適背景噪聲產(chǎn)生 對(duì)殘留回聲進(jìn)行非線性處理后，常常給遠(yuǎn)端聽者一種完全寂靜的感覺， 遠(yuǎn)端聽者會(huì)誤認(rèn)為線路中斷，為避免這種情況發(fā)生，需要給聽者提供一個(gè)與 近端背景噪聲電平相適應(yīng)的噪聲，該噪聲稱為舒適噪聲。 回聲抵消器要具有良好的性能，不僅僅要實(shí)現(xiàn)回波抵消，還要完成語(yǔ)音 信號(hào)的檢測(cè)，殘留回波的非線性處理，以及產(chǎn)生舒適噪聲等許多功能。工作 中，我們對(duì)回聲抵消器的實(shí)時(shí)性有很高的要求。因此，對(duì)系統(tǒng)的計(jì)算速度和 存貯容量有較高的要求。 3 。4 本章小結(jié) 本章為了解決最小均方u s 算法的穩(wěn)定性以及收斂速度和穩(wěn)態(tài)誤差之 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第2 9 賈 間的矛盾，研究了一種自適應(yīng)變步長(zhǎng)的l m s 算法，分析了新算法的收斂特 性以及參數(shù)選擇對(duì)算法性能的影響。算法具有較快的收斂速度、魯棒穩(wěn)定性 且運(yùn)算小易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。并將該算法進(jìn)行m 燈乙b 仿真，計(jì)算機(jī)仿真的 結(jié)果理論分析相一致，證實(shí)了算法的收斂性能優(yōu)于l 1 s 和n l m s 算法并且 具有較好的實(shí)用性。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第3 1 頁(yè) 控制邏輯由控制邏輯模塊完成，所選用的可編程邏輯器件可以在線或離線更 改控制邏輯，便于系統(tǒng)升級(jí)。a d 轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)按設(shè)定的采樣率、精度和增益 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過串口傳輸給d s p 處理器。系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)的 j t a g 接口和開發(fā)機(jī)接口。 圖4 1 系統(tǒng)的組成原理框圖 4 2 硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 4 2 1t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 d s p 黍孑介 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 數(shù)字信號(hào)處理器( 以下簡(jiǎn)稱c 5 4 0 2 ) 是t i 公司生產(chǎn)的新一 代定點(diǎn)d s p 芯片，時(shí)鐘頻率1 0 0 m h z ，性價(jià)比極高，是目前定點(diǎn)d s p 的主流 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第3 2 頁(yè) 產(chǎn)品。它具有一個(gè)4 0 位的算術(shù)邏輯運(yùn)算單元，內(nèi)含兩個(gè)累加器和一個(gè)4 0 位 的桶形移位器，能在單周期內(nèi)完成3 2 位操作數(shù)的加，減法運(yùn)算。c 5 4 0 2 片內(nèi) 有8 條數(shù)據(jù)或地址總線，構(gòu)成增強(qiáng)型哈佛結(jié)構(gòu)的總線系統(tǒng)。指令按流水線方 式執(zhí)行，能在單周期內(nèi)完成讀兩個(gè)操作數(shù)和寫一個(gè)操作數(shù)的操作。為了充分 利用這種多總線結(jié)構(gòu)和流水線操作的優(yōu)點(diǎn)，t i 公司專門開發(fā)了一套并行指 令，能在單周期內(nèi)執(zhí)行一次存儲(chǔ)力口載操作和一次算術(shù)運(yùn)算。 c 5 4 0 2 內(nèi)部有1 6 k 5 1 6 b i t sd a r a m 和4 凸1 6 b i t sr o m ，可以作為程序存 儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，另外還有兩個(gè)多通道緩沖串行口、一個(gè)8 位h p i 接口、 兩個(gè)1 6 位定時(shí)器、一個(gè)六通道d m a 控制器和一個(gè)p l l 時(shí)鐘發(fā)生器。 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d s p 的主要特性如下：模塊組成： a 中央處理單元( c p u ) c p u 包含下列單元： 1 4 0 位算數(shù)邏輯單元( a l u ) ，包括一個(gè)4 0 位的桶式移位器和兩個(gè)獨(dú)立 的4 0 位累加器。 2 1 7 位乘1 7 位并行乘法器和一個(gè)4 0 位專用的加法器，用于非流水線的 單周期乘法，累加操作。 3 比較、選擇、存儲(chǔ)單元( c s s u ) ，用于維特比算子的加法和比較選擇。 指數(shù)編碼器，用來在一個(gè)單周期內(nèi)計(jì)算一個(gè)4 0 位累加器中數(shù)值的指數(shù)。 4 兩個(gè)地址產(chǎn)生器，包括八個(gè)輔助寄存器和兩個(gè)輔助寄存器算術(shù)單元。 b 內(nèi)部總線結(jié)構(gòu) c 5 4 x 有八條1 6 總線，包括四條程序，數(shù)據(jù)總線和四條地址總線，因此， 可以在每個(gè)指令周期內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址，大大提高了并行數(shù)據(jù)處理的 速度。 c 特殊功能寄存器 c 5 4 x 共有2 6 個(gè)特殊功能寄存器，用于對(duì)片內(nèi)各功能模塊進(jìn)行控制、 訪問和其他管理。這些寄存器位于一個(gè)具有特殊功能的c p u 映射存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)。 c 5 4 0 2 的特殊功能寄存器映射到在片上d r a m 的0 0 一1 a 單元。 d 存貯器 存貯區(qū)分為r a m 和r o m 。r a m 又分為d r a m ( 每個(gè)指令周期內(nèi)進(jìn) 行兩次存取操作) 和s r a m ( 每個(gè)指令周期進(jìn)行一次存儲(chǔ)操作) 。d r a m 除了 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第3 3 頁(yè) 進(jìn)行雙操作，還可以當(dāng)作單操作使用。c 5 4 0 2 片內(nèi)有1 6 k 雙訪問隨機(jī)存取 存儲(chǔ)器( d r a m ) 。 存貯區(qū)是存貯程序和數(shù)據(jù)的，既可以分布在片內(nèi)，又可以在片外。一般， 程序空間定位在r o m 中，數(shù)據(jù)空間定位在r a m 中。但數(shù)據(jù)空間不一定 只定位在r a m 中，也可以在r o m 中。通過不同配置可以將數(shù)據(jù)空間映 射到r o m 中。程序空間也不一定只在r o m 中，也定位在r a m 中。當(dāng) 運(yùn)行程序時(shí)，可以用自動(dòng)加載的方法將程序載入片內(nèi)快速d r a m 中，提高 運(yùn)行效率。不同c 5 4 x 的r o m 容量有不同配置。不同c 5 4 x 的d r a m 和 s r a m 的容量、存儲(chǔ)速度不同。c 5 4 0 2 片內(nèi)有1 6 k 的d r a m ，4 k 已經(jīng)固 化的r o m 。c 5 4 0 2 最大可以訪問6 4 k 字的數(shù)據(jù)空間，可以訪問1 m 的程 序空間。除了可以訪問數(shù)據(jù)空間與程序空間外，c 5 4 x 還可以管理6 4 k 字 i o 空間。 e 片內(nèi)外設(shè) c 5 4 x 的片內(nèi)外設(shè)依據(jù)型號(hào)各有不同。c 5 4 0 2 的外設(shè)具有如下特點(diǎn)： ( 1 ) 主機(jī)通信接口( h p i ) h p i 提供c 5 4 x 與主處理器之間通信的并行接口，實(shí)質(zhì)是通過 c 5 4 x d s p 的片內(nèi)存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)c 5 4 x 和主處理器之間的數(shù)據(jù)交換。不同型號(hào) 的c 5 4 x 的h p i 功能和配置不同。 ( 2 ) 串行接口 c 5 4 x 的串行接口隨器件的不同而不同，共有四種不同的串行接口：同 步串行接口，帶緩沖的同步串行接口，時(shí)分復(fù)用串行接口和多通道緩沖串行 接口( m c b s p ) 。c 5 4 0 2 有兩個(gè)多通道緩沖串行口。 ( 3 ) 定時(shí)器 c 5 4 0 2 帶有兩個(gè)1 6 位定時(shí)器。定時(shí)器可以有一個(gè)專門的狀態(tài)位編程實(shí) 現(xiàn)停止、重啟動(dòng)、復(fù)位和禁止。 ( 4 ) 直接存儲(chǔ)器訪問控制器( d m a ) d m a 控制器不需要c p u 的參與，完成存儲(chǔ)器映射區(qū)之間的數(shù)據(jù)傳輸。 d m a 具有6 個(gè)互相獨(dú)立可編程的傳輸通道，允許有6 種不同內(nèi)容的d m a 傳輸。 f 中斷 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第3 4 頁(yè) c 5 4 x 具有豐富的中斷系統(tǒng)，最高中斷深度達(dá)九級(jí)。中斷分為不可屏蔽 中斷與可屏蔽中斷。可屏蔽中斷又有硬中斷，軟中斷。 與t m s 3 2 0 c 5 4 x 的硬件相適應(yīng)，c 5 4 x 的軟件是其一大特色。c 5 4 x 的 軟件是為信號(hào)處理專門設(shè)計(jì)的。c 5 4 x 具有豐富的指令集和靈活的尋址方式。 其中，有六條流水線操作，有硬件中斷可進(jìn)行九級(jí)中斷，而且大部分中斷可 以通過軟件靈活的控制。c 5 4 x 的中斷可以由硬件驅(qū)動(dòng)或軟件驅(qū)動(dòng)。c 5 4 x 系列d s p 為用戶構(gòu)建系統(tǒng)提供了靈話豐富的中斷資源。 4 2 2 外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 tms320vc5402內(nèi)部的16k字的dram存儲(chǔ)器，在默認(rèn)的狀態(tài)下，既 可以映射到程序空間，也可以映射為數(shù)據(jù)空間，但它內(nèi)部沒有非易失存儲(chǔ)器以保護(hù)代碼。因此必須外擴(kuò)非易失存儲(chǔ)器。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)用途和使用目的不 同，可選擇不同的b o o t l o a d e r 方式，因而外擴(kuò)存儲(chǔ)器類型不同，所配置的空 間也不同。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選擇使用并行1 6 位引導(dǎo)方式，這樣所擴(kuò)展的 非易失存儲(chǔ)器，必須配置到數(shù)據(jù)區(qū)，來保存程序源代碼。tms320vc5402系 統(tǒng)進(jìn)行外部程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展的主要原因是內(nèi)部的程序區(qū)容量不夠使用，或者 是內(nèi)部的存儲(chǔ)器被單一用做數(shù)據(jù)區(qū)使用，這時(shí)也必須外擴(kuò)以加載運(yùn)行程序。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)外擴(kuò)了程序區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)存儲(chǔ)器。在選擇具體的芯片 時(shí)，主要考慮了以下的系統(tǒng)要求：低電壓工作、接口速度、容量、時(shí)序要求等 因素。tms320vc5402內(nèi)部設(shè)有軟件可編程等待發(fā)生器，對(duì)不同的地址空間 可設(shè)置不同的存取等待周期，以便和不同速度的器件接口。設(shè)計(jì)接口的重點(diǎn) 是接口時(shí)序的分析設(shè)計(jì)，然后由控制邏輯生成所要求的控制時(shí)序。( 1 ) 程序區(qū)接口設(shè)計(jì) s r a m 采用的是c y p r e s s 公司的c y 7 c 1 0 2 1 v 3 3 ，c y 7 c 1 0 2 1 v 3 3 是c m o s型的異步靜態(tài)ram，33v供電，容量為64k字。存取速度為12ns，最高工 作頻率可以達(dá)到80mhz，最大峰值功耗為576mw，滿足系統(tǒng)使用要求。對(duì)讀寫控制時(shí)序，應(yīng)該保證在控制信號(hào)的有效期到達(dá)后，數(shù)據(jù)由足夠長(zhǎng)的保持時(shí)間和裕量，以保證讀寫的可靠性。設(shè)計(jì)中使得5402內(nèi)部的16k雙操作存儲(chǔ)器既可以映射到程序區(qū)，又可以映射到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)塊的存儲(chǔ)器。在程序區(qū)的高端有4k的內(nèi)部rom，其內(nèi)存放著啟動(dòng)代碼等。設(shè)計(jì)中將cy7c1021v33(64均作為程序區(qū)。這樣程序存倍 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第3 5 頁(yè) 區(qū)地址分配如下： 0 0 0 0 h 3 f f f h 內(nèi)部的存儲(chǔ)區(qū)( 0 v l y = 1 ，m 洲p = 0 ) ，1 6 k 4 0 0 0 h e f f f h對(duì)應(yīng)c y 7 c 1 0 2 1 v 3 3 的4 0 0 0 h e f f f h 4 4 k f 0 0 0 h f f f f h內(nèi)部的4 k 固化存儲(chǔ)區(qū)，4 k 1 0 0 0 0 h 以上保留 ( 2 ) 數(shù)據(jù)區(qū)接口設(shè)計(jì) f l x 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第38頁(yè) 生產(chǎn)的m a x 7 0 0 0 s 系列的e p l d 器件。m a x 7 0 0 0