一种基于频域分块IPNLMS的回声消除装置及回声消除方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115938381A(43)申请公布日2023.04.07(21)申请号202211607768.6(22)申请日2022.12.14(71)申请人南京邮电大学地址210003江苏省南京市鼓楼区新模范马路66号(72)发明人吴蒙冯盛荣(74)专利代理机构南京经纬专利商标代理有限公司32200专利代理师王慧(51)Int.Cl.G10L21/0232(2013.01)G10L21/0216(2013.01)权利要求书2页说明书6页附图3页(54)发明名称一种基于频域分块IPNLMS的回声消除装置及回声消除方法(57)摘要本发明公开了一种基于频域分块IPNLMS的回声消除装置，包括麦克风阵列、语音预处理模块和回声消除模块；在麦克风阵列架构的基础上，采用波束成形方法对语音信号进行预处理；回声消除模块采用逐块更新的方式，在频域执行改进后的比例归一化最小均方算法。本发明的回声消除方法利用快速傅里叶变换实现时域线性卷积和线性相关，解决原本时域计算中逐点更新导致的计算量大的缺点，同时引入时变步长因子对具有稀疏特性的回声路径有优越的算法收敛速度。本发明在信号预处理阶段，采用麦克风阵列架构作为语音采集模块，实现信号的空间选择性，有效降低由于麦克风与扬声器之间的耦合导致的声学回声干扰。CN115938381ACN115938381A权利要求书1/2页1.一种基于频域分块IPNLMS的回声消除装置，其特征在于，包括：麦克风阵列，为语音预处理模块，作为语音预处理中波束成形的硬件架构，采用多阵元进行语音采集；语音预处理模块，用于在进行回声消除前对语音进行预处理。所述语音预处理模块采用波束成形方法，由多个相位延迟组和一个多源选择器来实现，每个相位延迟组由多个相位延迟器组成；所述相位延时器，用于对麦克风阵列中多个阵元采集到的语音信号进行对齐；所述多源选择器，以发射源语音信号的功率大小作为衡量标准，选取最佳源；回声消除模块，用于对语音信号进行进一步回声消除；所述回声消除模块，包括串‑并/并‑串变换器、自适应滤波器以及双讲检测器；所示串‑并/并‑串变换器，用于对信号进行分块以及合并；所述自适应滤波器，采用频域分块IPNLMS算法对预处理后的信号进行分块处理，并对自适应滤波器系数逐块更新，由双讲检测器检测是否存在双端讲话来对滤波器工作状态进行控制。2.根据权利要求1所述基于频域分块IPNLMS的回声消除装置，其特征在于，所述语音预处理模块引入延时求和波束成形，通过对麦克风阵列各阵元所采集的信号按角度进行相位对齐，进一步加权求和取均值来形成输出信号，由最大输出功率位置对应的波束方向确定声源到达方位角；所述语音预处理模块根据声源到达方位角，由其中的多源选择器提取出对应角度的信号作为下一步回声消除模块的输入信号。3.根据权利要求2所述基于频域分块IPNLMS的回声消除装置，其特征在于，多源选择器选取的最佳源与各角度波束提取的信号源的L2‑范数之比，与估计回声路径的稀疏度相关；当L2‑范数之比接近1时，步长因子保持上一个离散时刻的较大步长。4.根据权利要求2所述基于频域分块IPNLMS的回声消除装置，其特征在于，所述语音预处理模块对来自扬声器角度的直接到达的回声信号不作波束成形，当麦克风阵列的阵元数量为M时，所述多源选择器将原来最大的回声信号功率削弱为原来的1/M。5.根据权利要求1所述基于频域分块IPNLMS的回声消除装置，其特征在于，所述回声消除模块根据双讲检测器判断是否存在双端讲话，当存在双端讲话时停止滤波器系数更新。6.根据权利要求5所述基于频域分块IPNLMS的回声消除装置，其特征在于，所述回声消除模块引入时变步长μ，其根据环境稀疏度的变化而变化。7.一种回声消除方法，其特征在于，用于实现权利要求1‑6任一项所述基于频域分块IPNLMS的回声消除装置的回声消除，实现过程如下：麦克风阵列，采用多阵元进行语音采集；语音预处理模块，采用波束成形方法对语音进行预处理；回声消除模块，采用频域分块IPNLMS算法对预处理后的信号进行分块处理，并对自适应滤波器系数逐块更新；其中，所述波束成形方法中，设第s个相位延迟组对应αs角度的波束成形，则第s个相位延迟组的输出为outs，则有：其中，M为麦克风阵列阵元个数；xi为第i个阵元采集到的语音信号，为信号xi的相位2CN115938381A权利要求书2/2页偏移，0≤i≤M‑1；在频域中进行滤波器系数的更新，详细的实现过程如下：输入信号x(n)经过串并变换器被分成若干个长度为L的数据块，累积L个采样点后才进行一次滤波器系数的更新；自适应滤波器系数迭代公式如下：其中，μ为全局步长；δ>0，为一个常数；G(n)为一个对角阵，用于为每个滤波器系数添加一个独立的比例因子。3