1、毕业论文文献综述 电子信息工程 回波抵消器 的设计方案综述 摘要 ：文章简单介绍 回波抵消器 的应用背景，然后概述自适应回波抵消器的两种典型算法理论最小均方算法（ LMS）和最小二乘算法（ RLS）的实现原理与一般步骤，并比较各种方法的性能。介绍了 DSP BUILDER 设计实现工具，并举例实现。 最后， 指出各种算法的适用场合，进行综合评价，供读者参考。 关键词： DSP Builder； 回波抵消器 ； 自适应滤波器 ； LMS； RLS 1.引言 随着通讯、数字信号处理和大规模集成电路技术的飞速发展，人们对语音通信质量的要求越来越高。因 此，回波抵消技术成为世界各大通讯公司竞争的热点技
2、术之一。 从 20 世纪 80 年代兴起以来，人们一直致力于收敛快，稳态误差小，近端干扰下收敛稳健，回波路径变化时追踪速度快以及算法计算量小的回波抵消器的研究。该项研究国外有关人士已经做了大量的工作，而我国的研究情况还远远落后于国际先进水平 1。 回波抵消器成为一个必不可少的设备。它能有效的解决长距离电话网络、 IP 电话、免提电话和视频会议等通信系统中的回波问题，很好的改善了语音通信质量，具有广阔的市场前景。 而在数字通信、卫星通信等系统中，不同程度的存在回波现象，影响 了通信质量。为了消除回波也可以采用回波抵消器，它能估计回波路径的特征参数，以产生一个估计的回波信号，然后从接收信号中减去该
3、信号，以实现回波抵消。而一般采用自适应滤波器模拟回波路径，可以跟踪回波路径的变化 2。 本文对自适应回波抵消器的算法理论、实现平台等进行了综述，并给出了自己的观点。 2.自适应回波抵消器 方案概述 2.1 自适应滤波器综述 根据环境的改变，使用自适应算法来改变滤波器的参数和结构 ， 这样的滤波器就称之为自适应滤波器 。 一般情况下，不改变自适应滤波器的结构 ， 而 改变其 系数 。系数则 是由自适 应算法 进行实时更新。滤波器的 系数自动连续地适应于给定信号，以获得期望响应。自适应滤波器的最重要的特征就在于它能够在未知环境中有效工作，并能够跟踪输入信号的时变特征 3。 图 2-1-1 简易 自
4、适应滤波器 图 2-1-1 所示为一 简易 自适应滤波器 ， 自适应滤波器对输入信号序列 x(n)的每一个样值，按特定的算法，更新、调整加权系数，使输出信号序列 y(n)与期望输出信号序列 d(n)相比较的均方误差为最小，即输出信号序列 y(n)逼近期望信号序列 d(n)4。 自适应滤波器应用于通信领域的自动均衡、回波消除、天线阵波束形成，以及其他有关领域信号处理的参数识别、噪声消除、谱估计等方面。对于不同的应用，只是所加输入信号和期望信号不同，基本原理则是相同的 4。 2.2 最小均方算法 (LMS) 感知器和自适应线性元件在历史上几乎是同时提出的，并且两者在对权值的调整的算法非常相似。它们
5、都是基于纠错学习规则的学习算法。感知器算法存在如下问题：不能推广到一般的前向网络中；函数不是线性可分时，得不出任何结果。而由美国斯坦福大学的 Widrow 和 Hoff 在研究自适应理论时提出的 LMS 算法，由于其容易实现而很快得到了广泛应用，成为自适应滤波的标准算法 5。典型的 LMS 自适应滤波器 结构如图 2-2-1 所示。 LMS 算法步骤如下： 1、设置变量和参量： X(n)为输入 向量，或称为训练样本， W(n)为权值向量， b(n)为偏差， d(n)为期望输出， y(n)为实际输出， 为学习速率， n 为迭代次数 2、初始化，赋给 w(0)各一个较小的随机非零值，令 n=0 3
6、、 对于一组输入样本 x(n)和对应的期望输出 d，计算 e(n)=d(n)-XT(n)W(n) W(n+1)=W(n)+X(n)e(n) 4、 判断是否满足条件，若满足算法结束，若否 n 增加 1，转入第 3 步继续执行 6。 图 2-2-1 LMS 自适应滤波器 算法 2.3 递推最小二乘算法 (RLS) 基于 MMSE准则的自适应算法目标在于使滤波器输出与需要信号的误差的平方的统计 平均 2 ( )Ee n 最小，根据输入数据的长期统计特性寻求最佳滤波。但在实际中通常已知的仅 是一组数据，因此只能对长期统计特性进行估计或近似。最小二乘算法可以直接根据一组数 据寻求最佳值，根据 MMSE准
7、则得到的是对一类数据的最佳滤波器，而根据最小二乘法得到的 是对一组已知数据的最佳滤波器。因此常说最小二乘法导出的最佳滤波器是“精确”的 7。 根据最小二乘法算法， w(n)的最佳 值应使累计平方误差性能函数 21) ( )n niin L e i 最小，常数 L是遗忘因子，且 0L1。为了避免矩阵求逆，通常采用递推算法来减少运算量。 RLS算法描述为： a.初始化： w(0) = 0， 21(0)PI .其中 I为单位矩阵， 2 0.0001 ， P(n)为输入向量自相关矩阵的逆矩阵。 b.对每一时刻 n = 0,1,2计算 :增益矢量 :( ) ( )() ( ) ( ) ( )TP n z
8、 ngn L z n P n z n 滤波： ( ) ( ) ( )Td n w n z n 误差估计： ( ) ( ) ( )e n r n d n 更新权矢量： w(n +1) = w(n) + g(n)e(n) 更新逆矩阵： ( ) ( ) ( ) ( )( 1 )TP n g n z n P nPn L2 3 LMS 与 RLS 算法对比 语音消噪技术提高语音质量是语音通信的一个重要环节，语音处理的根本目的是准确获取信号特 征值，消噪是一切处理的前提保障。自适应滤波器是一种最有效的语音消噪模型，自适应滤波器算法决定了滤波性能，根据滤波算法优化准则不同，自适应滤波器的主要算法可分为两类基
9、本算法：最小均方误差（ LMS）算法和递归最小二乘（ RLS）算法。 RLS（ Recursive Least-squares）算法是在牛顿优化算法基础上改进的，该算法对输入的数据矢量无任何限制，在 FIR 滤波和阵列处理中都可使用，具有较高数值精度； LMS 较 RLS 算法收敛速度慢，但算法教简单，计算量小易于实时处理，通过参数调节仍可取得较好滤波效果。两种自适 应滤波器算法具有很高的工程应有价值 8。 2 4设计工具 DSP Builder DSP Builder是 Altera公司推出的面向 DSP开发的系统级工具，它作为 Matlab的一个 Simulink工具箱出现，使得采用 FP
10、GA设计的 DSP系统完全可以通过图形化界面进行设计和仿真 4。 DSP Builder为平台完成自适应回波抵消器的 FPGA电路设计，用 FPGA验证设计电路的正确性和可靠性。 DSP Builder 作为 Matlab的 Simulink工具箱 ,是基于 FPGA 的 DSP开发工具 ,它支持系统、算法和硬件设计共享一个公共开发平台 ,在算法友好的开发环境中帮助设计人员生成 DSP 设计硬件表征 ,从而缩短了 DSP设计周期。设计人员可以使用 DSP Builder 模块迅速生成 Simulink系统建模硬件。Altera可编程逻辑器件 (PLD)中的 DSP 系统设计需要高级算法和 HD
11、L 开发工具。 Altera的 DSP Builder将 Matlab和 Simulink系统级设计工具的算法开发、仿真和验证功能与 Quart us 的综合、仿真以及 Altera开发工具整合在一起 ,实现了这些工具的集成 6。 一般的设计方案中以 可以利用 DSP Builder 模块构建自适应算法部分，根据 LMS 算法迭代公式和滤波器的估计输出式，建立加权分量模型 ,如图 2-4-1。 图 2-4-1 加权分量模型 第 i 个延时单元的输入信号为 x(n)，延时后的输出信号为 x(n-1)，同时输入信号 x(n)产生一个乘积 y(n)=(n)x(n)，由于是滤波器的估计输出是一系列权值
12、分量与输入矢量的各分量乘积之和。因此，除第一级外，后续单元必须加上前一级的加权单元的输出。封装后，则可以根据滤波器阶数的不 同而相应调整，以实现多级级联。尤其是在构造阶数可变和阶数较大的滤波器时更能显出其灵活性。然后将封装后的加权分量单元依照阶数级联，并再次封装即构成抵消器模块。可运用于顶层模型中。 在顶层系统模型中连接各子模块，图中两个信号源 sin2， sin1 采用正弦信号发生器实现，利用正弦查找表产生正弦波数据，函数调用格式为 lOsin(0： 2 2 4： 2)和 5sin0： 2 2 6： 2，其输入地址分别为 4 位和 6 位，输出为 16 位。 Dixiaoqi 模块由图级联封
13、装得到，模块 Paralleltoserial为 并行串行转换器。 设计中，因语音信号频率可以看作约为 3 4kHz，所以信号采样频率设为 8kHz，假设回波延迟2 5ms(小于回波对听觉产生干扰的范围 20ms)，考虑收敛速度和实现情况，步长采用 0.1，计算得出滤波器阶数 202。 3结论 回波是原始声音或者信号经过延时和形变被反射回到源的一种现象，它在通信网络的许多地方出现，降低通信质量。回波消除的措施主要有移频技术、子带中心削波技术、话音控制开关技术、梳状滤波技术、话筒阵列技术、自适应回波消除技术。 自适应滤波器已经广泛应用于语音处理、回波消除、信道 均衡、系统辨识、谱线增强、自适应阵
14、列处理和生物医学信号处理等诸多领域中。而在调制解调器、长途电话、免提电话和电话会议系统中，回波消除技术占有极其重要的地位。 在各种 自适应滤波器算法中 LMS 算法较简单，计算量小，易于实时处理，是 一种很有用且很简单的估计梯度的方法 ,在信号处理中得到广泛应用。 相信在不久的将来，随着电子产业的高速发展， 回波消除技术 将会更加的成熟，能在电子产品中和人们的生活中发挥出更加有效的作用。 参考文献： 1谢智波 .自适应回波抵消器的算法分析与比较 J.浙江万里学院学报 ， 2007， 9,20(5)： 40-42. 2基于 DSP Builder的回波抵消器设计与实现 EB/OL， 2010-0
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