电子类声学回声是什么

时间:2021年12月19日 来源:

    就得到了非线性滤波器的比较好解,它具有小二乘估计形式。第三步构建耦合机制。在介绍耦合机制之前,先说一下我对这种耦合机制的期望特性。我希望在声学系统的线性度非常好的情况下,线性滤波器起到主导作用,而非线性滤波器处于休眠的状态,或者关闭的状态;反过来,当声学系统的非线性很强时,希望非线性滤波器起到主导作用,而线性滤波器处于半休眠状态。实际声学系统往往是非线性与线性两种状态的不断交替、叠加,因此我们希望构建一种机制来对这两种状态进行耦合控制。为了设计耦合机制,就必须对线性度和非线性度特征进行度量。因此,我们定义了两个因子,分别是线性度因子和非线性度因子,对应左边的这两个方程。而我们进行耦合控制的基本的思想就是将这两个因子的值代入到NLMS算法和小二乘算法之中,调整二者的学习速度。为了便于大家对双耦合声学回声消除算法有一个定性的认识,我又画了一组曲线,左边一组对应的是线性回声的场景。我们首先来看一下NLMS算法,黄色曲线真实的系统传递函数,红色曲线是NLMS算法的结果。可以看到,在线性场景下,NLMS算法得到的线性滤波器可以有效逼近真实传递函数,进而能够有效抑制线性声学回声。下面再来看一下这个双耦合算法。

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    在线性的回声场景里,双耦合的非线性滤波器是处于休眠的状态,所以它的值是趋于0的,这个时候起主导作用的是线性滤波器。接下来我们再看一下右边的非线性声学回声场景。我们假设非线性的失要出现在t1到t2这个时间段内,大家可以看到黄色线在这个时间里,出现了一次突变,对于NLMS算法,当出现非线性失真之后,它的线性滤波器会去逼近非线性失真。但是由于学习的速度跟不上滤波器变化的速度,所以它跟真实的值之间总是存在一个比较大的gap。同时当非线性失真消失之后,它还需要一段时间恢复到正常状态,因此在整个时间段里,都会出现回声泄露的问题。接下来我们再看双耦合算法,在非线性失真出现之后,线性滤波器会进入到一种相对休眠的状态,就是前面所提到的耦合机制,会降低它的更新速度,所以在整个非线性出现的这段时间里,他的值是缓慢变化的。进入非线性失真状态之后,非线性滤波器开始工作,它会快速非线性特性的变化,而当非线性失真消失之后,非线性滤波器又进入休眠状态。将这两个滤波器结合起来,就可以实现对整个声学回声路径的变化进行有效。这里只是给出了一个示例,实际情况往往要复杂很多。接下来我们对这2个滤波器做了特性比较,主要是从4个不同的维度。

     北京无限声学回声设计右边的非线性声学回声场景。

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    需要注意的是,如果index在滤波器阶数两端疯狂试探,只能说明当前给到线性部分的远近端延时较小或过大,此时滤波器效果是不稳定的,需要借助固定延时调整或大延时调整使index处于一个比较理想的位置。线性部分算法是可以看作是一个固定步长的NLMS算法,具体细节大家可以结合源码走读,本节重点讲解线型滤波在整个框架中的作用。从个人理解来看,线性部分的目的就是很大程度的消除线性回声,为远近端帧判别的时候,很大程度地保证了信号之间的相干值(0~1之间,值越大相干性越大)的可靠性。我们记消除线性回声之后的信号为估计的回声信号e(n),e(n)=s(n)+y''(n)+v(n),其中y''(n)为非线性回声信号,记y'(n)为线性回声,y(n)=y'(n)+y''(n)。相干性的计算(Matlab代码),两个实验(1)计算近端信号d(n)与远端参考信号x(n)的相关性cohdx,理论上远端回声信号的相干性应该更接近0(为了方便后续对比,WebRTC做了反向处理:1-cohdx),如图5(a),行为计算近端信号d(n),第二行为远端参考信号x(n),第三行为二者相干性曲线:1-cohdx,会发现回声部分相干值有明显起伏,比较大值有,近端部分整体接近,但是有持续波动,如果想通过一条固定的门限去区分远近端帧,会存在不同程度的误判。

    

WebRTCAEC算法中开辟了可存储250个block大缓冲区,每个block的长度PART_LEN=64个样本点,能够保存的1s的数据,这也是理论上的大延时能够估计的范围,够用了。我们用610ms延时的数据测试(启用大延时调整需要设置delay_agnostic_enabled=1):我们还是设置默认延时为240ms,刚开始还是调整了-60个block,随后大延时调整接入之后有调整了-88个block,一共调整(60+88)*4=592ms,之后线性滤波器固定index=4,表示剩余延时剩余16ms,符合预期。③线性滤波器延时估计是固定延时调整和大延时调整之后,滤波器对当前远近端延时的直接反馈。前两者调整不当会造成延时过小甚至非因果,或延时过大超出滤波器覆盖能力,导致无法收敛的回声。因此前两者在调整的过程中需要结合滤波器的能力,确保剩余延时在滤波器能够覆盖的范围之内,即使延时小范围抖动,线性部分也能自适应调整。总结与优化方向WebRTCAEC存在的问题:(1)线性部分收敛时间较慢,固定步长的NLMS算法对线性部分回声的估计欠佳;(2)线性部分滤波器阶数默认为32阶,默认覆盖延时132ms,对移动端延时较大设备支持不是很好,大延时检测部分介入较慢。便于大家对双耦合声学回声消除算法有一个定性的认识。

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    我们还希望它在一个短时的观测时间窗的尺度里面也是比较好的,即局部比较好,所以在数学期望内部,我们又对误差进行了短时积分。这个优化准则跟传统的线性自适应滤波器是有本质区别的,因为传统的线性自适应滤波器基于小均方误差准则,它只是在统计意义上比较好,没有局部比较好约束。首先来求解这里的Wl,就是线性滤波器。主要求解方法是,假设Wn就是非线性滤波器是比较好解,把这个比较好解代入到前面的优化方程里,就会得到上面简化之后的优化目标函数。在这个地方,我们又做了一些先验假设,假设非线性的滤波器的一阶统计量和二阶统计量都等于0,我们就可以把上面的优化问题进一步简化,就得到我们非常熟悉的方程,就是Wiener-Hopf方程。这个结果告诉我们,线性滤波器的比较好解跟传统的自适应滤波器的比较好解是一致的,都是Wiener-Hopf方程的理论比较好解。所以我们就可以采用一些现有的比较成熟的算法,比如NLMS算法、RLS算法,对它进行迭代求解。这就是Wl的设计。接下来再看看Wn的设计。Wn的设计跟Wl的设计是类似的,也是需要将优化之后的线性滤波器,代入到开始的优化问题里,可以把前面的优化问题简化成下面的方程。接下来进行一系列的变量替换之后。

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    首先是优化准则。NLMS算法是基于小均方误差准则,而双耦合算法是基于小平均短时累计误差准则,所以他们的优化准则是不一样的。第二个就是理论的比较好解,NLMS算法具有Wiener-Hopf方程解,而双耦合算法的线性滤波器也具有Wiener-Hopf方程解,非线性滤波器具有小二乘解。第三个维度就是运算量,NLMS运算量是O(M),M是滤波器的阶数,而双耦合算法运算量后面会多一个O(N2),因为他有两个滤波器,N是非线性滤波器的阶数,这里的平方是因为小二乘需要对矩阵进行求逆运算,所以它的运算量比线性的NLMS运算量要大很多。第三个就是控制机制,NLMS算法只有一个滤波器,它的控制主要是通过调整步长来实现的,控制起来要相对简单。而双耦合算法需要对两套滤波器进行耦合控制,控制的复杂度要高很多。实验结果分析,这里我主要是分了两个实验场景比较双耦合算法和NLMS算法的性能,个是单讲测试场景,第二个就是双讲测试场景。首先看一下单讲测试场景,个示例是针对强非线性失真的情况,左边分别原信号的语谱,NLMS算法进行回声消除之后的语谱、双耦合算法的语谱。颜色越深,能量越大。右边这个的是回声抑制比,值越大越好,红色的曲线是双耦合算法的回声抑制比。

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