基于lms算法自適應(yīng)回波抵消器的simulink仿真分析

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1、1引言回波是原始聲音或者信號經(jīng)過延時和形變被反射回到源的一種現(xiàn)象，它在通信網(wǎng)絡(luò)的許多地方出現(xiàn)，降低通信質(zhì)量。一般回波分為電學(xué)回波和聲學(xué)回波，電學(xué)回波是由于混合變換器的阻抗不匹配，輸入信號經(jīng)過混合變換器后泄漏而產(chǎn)生的，聲學(xué)回波是由于聲波反射以及麥克風(fēng)與揚聲器間的聲學(xué)耦合引起的，這種回波影響對話的自然性，嚴重時甚至?xí)a(chǎn)生刺耳的嘯叫聲。目前，聲學(xué)回波消除的措施主要有移頻技術(shù)、子帶中心削波技術(shù)、話音控制開關(guān)技術(shù)、梳狀濾波技術(shù)、話筒陣列技術(shù)、自適應(yīng)回波消除技術(shù)。前5種或者設(shè)施昂貴，或者會帶來話音質(zhì)量下降，或?qū)τ脩暨M行限制，因此，自適應(yīng)回波抵消技術(shù)是目前國際公認的主要技術(shù)。Simulink是一

2、個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包，它支持線性和非線性系統(tǒng)，連續(xù)和離散時間模型，或者是兩者的混合，系統(tǒng)還可以是多采樣率的。對于建模，Simulink提供了一個圖形化的用戶界面(GUI)，具有較高的交互性，還可以對最后得到的結(jié)果進行分析，并能夠?qū)⒎抡娼Y(jié)果可視化顯示。本文即基于Simulink平臺對回波抵消系統(tǒng)進行建模仿真，研究了該系統(tǒng)的消除性能。2回波抵消器的基本原理對于任何一種回波，回波抵消器都要先估計回波路徑的特性，然后產(chǎn)生一個回波的副本，再利用該副本從接收信號中減去回波，以便得到期望接收的信號的估值。由于在估計回波路徑的特征參數(shù)時采用了自適應(yīng)方法，因此可以跟蹤回波路徑

3、的變化，這就是回波抵消器工作的基本原理。圖1給出了回波抵消器的結(jié)構(gòu)框圖。圖中A，B為通信的雙方，A通過話筒發(fā)出的信號為x(n)，該信號在傳輸過程中產(chǎn)生的回波信號為x'(n)，即：B通過話筒發(fā)出的信號為s(n)，傳輸過程中的噪聲信號為v(n)，兩者疊加為：可見，由于回波路徑是未知的，而且是時變的，因此用自適應(yīng)濾波器來模擬回波，再從接收信號中減去這個回波的模擬值，從而達到抵消回波的目的。根據(jù)具體的應(yīng)用不同，自回波抵消器的算法和結(jié)構(gòu)可有多種選擇。由于FIR(有限沖激響應(yīng))濾波器相比IIR(無限沖激響應(yīng))濾波器具有良好的穩(wěn)定性，而LMS算法相比其他算法結(jié)構(gòu)簡單，計算量少，容易硬件實現(xiàn)，故本

4、文采用LMS算法的FIR回波抵消器。3LMS自適應(yīng)回波抵消器的算法模擬與仿真本文主要利用Matlab提供的動態(tài)系統(tǒng)仿真工具Simulink來進行模擬與仿真，首先建立系統(tǒng)模型，并進行參數(shù)設(shè)置，最后進行整體仿真。在Simulink中，有兩種建立模型的方法：自頂向下和自低向上。我們采用自底向上的方法構(gòu)建仿真模型，即先構(gòu)建局部模塊，再組合系統(tǒng)。3.1加權(quán)系數(shù)模型的建立首先，濾波器模擬回波是通過自適應(yīng)算法來實現(xiàn)的，因此先構(gòu)建算法部分：LMS算法迭代公式為：其中，μ是控制穩(wěn)定性和收斂速度的參量(步長參數(shù))。根據(jù)式(6)，利用Simulink模塊構(gòu)建該系數(shù)單元如圖2所示。3.2加權(quán)分量模型的建立

5、由式(4)可知，濾波器的估計輸出為：即濾波器的估計輸出是一系列權(quán)值分量與輸入矢量的各分量乘積之和，加權(quán)矢量的各分量是基于上一次迭代權(quán)值及輸入矢量、誤差、步長的乘積的和。將第i個單元的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)單獨提出來分析，構(gòu)建模型，并封裝后，則可以根據(jù)濾波器階數(shù)的不同而相應(yīng)調(diào)整，以實現(xiàn)多級級聯(lián)。因此在圖2的基礎(chǔ)上，根據(jù)式(7)構(gòu)建出加權(quán)分量單元模型，如圖3所示。該結(jié)構(gòu)化的加權(quán)矢量單元，非常適合于在Simulink中使用，其封裝后可多次級聯(lián)，尤其是在構(gòu)造階數(shù)可變和階數(shù)較大的濾波器時更能顯出其靈活性。3.3自適應(yīng)回波抵消器模型的建立根據(jù)濾波器的階數(shù)n，將加權(quán)分量單元級聯(lián)n次即可得到自適應(yīng)回波抵消器AE

6、F。圖5為濾波器的階數(shù)為7的自適應(yīng)回波抵消器。3.4系統(tǒng)模型的建立利用自適應(yīng)回波抵消器模塊AEF建立一個完整的系統(tǒng)模型，如圖6所示。圖6左邊為A信號x(n)，頻率為300Hz，右邊為B信號s(n)，頻率為1000Hz，幅度為A的1／6，信號的采樣頻率為8kb／s，則濾波器中的單位時延為0.125ms。將A信號衰減2dB，作為回波信號。由于當(dāng)回波信號延時超過20ms時，回波會對聽覺產(chǎn)生干擾，人耳感覺不舒服，所以本模型抵消器的階數(shù)選為200。在折衷考慮收斂速度和抵消效果后，步長μ選用0.0001。4仿真結(jié)果及性能分析本文利用失調(diào)參數(shù)m來衡量仿真結(jié)果。失調(diào)m是一個無量綱的參數(shù)，它提供了在

7、均方誤差下達到最優(yōu)的一個測度。與1相比，失調(diào)越小，由LMS算法完成的自適應(yīng)濾波作用越精確，通常用百分比來表示。10％的失調(diào)在實際應(yīng)用中被認為是滿意的。圖8中顯示0.7s內(nèi)B信號、A信號和殘余回波的平均功率，上方窗口表示B信號s(n)的平均功率為0.014，下方窗口表示A信號x(n)的平均功率為0.5，中間窗口表示抵消后殘余回波的平均功率，最后窗口表示回波的平均功率為0.32?？梢姎堄嗷夭ǖ钠骄β市∮谑д{(diào)的10％(0.0014)，滿足實際需要。且回波衰減率約為25dB