本發(fā)明涉及一種自適應(yīng)子帶音頻反饋抑制方法，屬于信號(hào)處理、語音信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

擴(kuò)聲應(yīng)用中的反饋（嘯叫）問題由來已久。我們幾乎都有如此的經(jīng)歷：在擴(kuò)聲時(shí)為了提高傳聲增益、加大發(fā)言人的擴(kuò)聲輸出音量，往往在增加音量時(shí)引起擴(kuò)聲系統(tǒng)發(fā)生刺耳的嘯叫；這就是常見的擴(kuò)聲系統(tǒng)的反饋?zhàn)约ぃㄒ步袊[叫）現(xiàn)象。為了解決擴(kuò)聲中音量小的問題，在保證擴(kuò)聲系統(tǒng)不發(fā)生反饋?zhàn)约さ耐瑫r(shí)，如何提高傳聲增益是一個(gè)關(guān)鍵性的問題。從控制理論的角度看待這個(gè)問題，這就是一個(gè)典型的反饋回路的控制問題：從揚(yáng)聲器發(fā)出的信號(hào)經(jīng)空間衰減后進(jìn)入麥克風(fēng)，此信號(hào)再經(jīng)過電路放大送給揚(yáng)聲器，如此形成一個(gè)閉環(huán)回路；當(dāng)此閉環(huán)回路的增益小于1時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定；當(dāng)此閉環(huán)回路的增益大于1時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生反饋?zhàn)约ぁ?/p>

為了防止擴(kuò)聲系統(tǒng)的反饋?zhàn)约?，最基本的做法就是減小系統(tǒng)的環(huán)路增益。傳統(tǒng)的做法有：1、改善環(huán)境聲裝，提高從揚(yáng)聲器到麥克風(fēng)的衰減，從而降低環(huán)路增益；2、采用指向型音柱、選用指向型麥克風(fēng)等，這都是為了達(dá)到減小從揚(yáng)聲器到麥克風(fēng)的反饋增益，從而降低環(huán)路增益。隨著電路處理技術(shù)和數(shù)字音頻信號(hào)處理技術(shù)（DSP）的發(fā)展，20年前出現(xiàn)了移頻、移相和陷波濾波器等技術(shù)，進(jìn)一步提高傳聲增益。其基本原理也都是利用環(huán)境空間對(duì)不同頻率信號(hào)的衰減不同，來降低回路增益：3、移頻技術(shù)是通過將麥克風(fēng)拾取的信號(hào)頻率（大多是）向高頻端變換（頻率移升），對(duì)麥克風(fēng)拾取信號(hào)頻率變換增加，使反饋信號(hào)的頻率逐漸增加，而使得在反饋?zhàn)顝?qiáng)點(diǎn)的頻率信號(hào)在每一次的反饋中逐漸移到更高的頻率，從而使信號(hào)偏移最強(qiáng)反饋頻率點(diǎn)，減小反饋增益，達(dá)到防止反饋?zhàn)约さ哪康模?、移相技術(shù)是通過調(diào)整麥克風(fēng)信號(hào)相位的方法，使得揚(yáng)聲器發(fā)出的信號(hào)相位隨著時(shí)間改變，這樣不同相位的信號(hào)在麥克風(fēng)處疊加而得到抵消或減弱，從而降低反饋強(qiáng)度，減小回路增益，到達(dá)防止反饋?zhàn)约さ哪康模?、陷波濾波器則是采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)特定頻率進(jìn)行陷波，降低特定頻率的回路增益，而選定的特定頻率是環(huán)境空間的反饋增益中最大的一些頻率，如此降低回路的增益，達(dá)到防止反饋?zhàn)约さ哪康?。但是，以?和4的移頻和移相技術(shù)會(huì)嚴(yán)重地造成音頻信號(hào)失真，產(chǎn)生音頻的顫抖現(xiàn)象，同時(shí)對(duì)傳聲增益的提升也有限；5的陷波濾波器的方法沒有音頻顫抖現(xiàn)象，但由于對(duì)特定頻率的陷波，同樣造成音頻的失真，此外，其另一個(gè)缺陷是：對(duì)音箱、麥克風(fēng)的位置較為敏感（這是因?yàn)橐纛l在空間傳播、反射后在不同位置疊加的效果不同，不同位置的最大反饋增益頻率不同所致），同時(shí)對(duì)環(huán)境溫度和濕度敏感，因此當(dāng)以上條件改變時(shí)，往往需要重新調(diào)整陷波器；還有，在麥克風(fēng)較多時(shí)，由于敏感的頻率過多，不得不設(shè)置許多頻點(diǎn)的陷波器，造成音頻的嚴(yán)重失真。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于自適應(yīng)子帶音頻反饋抑制方法，解決了現(xiàn)有擴(kuò)聲技術(shù)中傳聲增益不足、容易引起擴(kuò)聲系統(tǒng)自激反饋產(chǎn)生嘯叫的技術(shù)問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種自適應(yīng)子帶音頻反饋抑制方法，其特征是，包括以下步驟：

步驟一，分別對(duì)采樣獲得的麥克風(fēng)信號(hào)和輸出到功放信號(hào)按采樣時(shí)間順序分割為數(shù)據(jù)塊，對(duì)分割的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行子帶濾波器濾波，分別得到麥克風(fēng)子帶信號(hào)和功放子帶信號(hào)；將時(shí)間域音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為子帶信號(hào)進(jìn)行處理，是因?yàn)樽訋ьl帶窄，因此可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行下采樣；通過對(duì)子帶信號(hào)的下采樣，可大大地降低子帶濾波器的長度（點(diǎn)數(shù)），因此可大幅度減少子帶濾波器的計(jì)算量和子帶濾波器修正時(shí)的計(jì)算量，從而提高了本算法的效率；

步驟二，利用子帶反饋濾波器對(duì)功放信號(hào)進(jìn)行濾波，得到揚(yáng)聲器傳遞到麥克風(fēng)產(chǎn)生的反饋信號(hào)；

步驟三，從所述麥克風(fēng)子帶信號(hào)中減去所述反饋信號(hào)，得到消除反饋后的麥克風(fēng)子帶信號(hào)；由步驟二計(jì)算得到的反饋信號(hào)（在自適應(yīng)濾波器收斂后）與實(shí)際麥克風(fēng)拾取的反饋信號(hào)一致，因此當(dāng)從麥克風(fēng)信號(hào)中減去估算的反饋信號(hào)后，剩余的成分是單純的發(fā)言人的語音；如此，原有的反饋回路被切斷，因此提高擴(kuò)聲增益不會(huì)引起嘯叫；

步驟四，對(duì)所述功放子帶信號(hào)、所述麥克風(fēng)子帶信號(hào)、以及所述消除反饋后的麥克風(fēng)子帶信號(hào)進(jìn)行加權(quán)能量分析統(tǒng)計(jì)，決定子帶反饋濾波器的修正步長；

步驟五，將所述消除反饋后的麥克風(fēng)子帶信號(hào)，經(jīng)過子帶合成濾波器復(fù)原為時(shí)間域語音信號(hào)，輸出給功放擴(kuò)聲；由于在步驟一中將數(shù)據(jù)分割為數(shù)據(jù)塊經(jīng)子帶濾波器濾波得到子帶信號(hào)，在將子帶信號(hào)合成復(fù)原為時(shí)間域的語音信號(hào)時(shí)，各數(shù)據(jù)塊之間容易產(chǎn)生不連貫畸變，造成數(shù)據(jù)塊效應(yīng)噪聲，因此需對(duì)時(shí)間域信號(hào)進(jìn)行濾波，以濾除數(shù)據(jù)塊效應(yīng)噪聲；

步驟六，根據(jù)所述修正步長、功放子帶信號(hào)和消除反饋后的麥克風(fēng)子帶信號(hào)，對(duì)子帶反饋濾波器進(jìn)行修正；在很短的時(shí)間里，子帶反饋濾波器將與實(shí)際揚(yáng)聲器到麥克風(fēng)的傳遞函數(shù)相一致，起到消除反饋的作用。

進(jìn)一步的，所述步驟一中，將采樣信號(hào)根據(jù)設(shè)定的子帶數(shù)量和時(shí)間順序分割為數(shù)據(jù)塊，再對(duì)分割的數(shù)據(jù)塊經(jīng)子帶濾波器濾波分別得到輸入子帶信號(hào)和功放子帶信號(hào)。

進(jìn)一步的，考慮到算法引入的群延時(shí)和聲音從揚(yáng)聲器傳播到麥克風(fēng)引起的延時(shí)，調(diào)整功放信號(hào)的時(shí)間，使之與回聲信號(hào)時(shí)間對(duì)齊，保持功放信號(hào)和回聲信號(hào)同步。

進(jìn)一步的，調(diào)整所述子帶反饋濾波器（反饋濾波器的說法是從功能上講，而此濾波器本身是自適應(yīng)濾波器）的修正步長，包括凍結(jié)濾波器、以及不同步長的修正參數(shù)。

進(jìn)一步的，在所述步驟三之后，根據(jù)需求加入降噪、自動(dòng)增益控制、均衡（EQ）處理，由于反饋抑制處理后的數(shù)據(jù)更接近于發(fā)言人的原聲，因此在做降噪、自動(dòng)增益控制處理時(shí)可得到更好的效果。

進(jìn)一步的，還包括移頻、移相處理。在對(duì)音質(zhì)要求不高的場合，在經(jīng)過反饋抑制濾波之后，再加入移頻、移相處理。

一種自適應(yīng)子帶音頻反饋抑制方法，其特征是，包括以下步驟：

步驟一，分別對(duì)采樣獲得的麥克風(fēng)信號(hào)和輸出到功放信號(hào)按采樣時(shí)間順序分割為數(shù)據(jù)塊，對(duì)分割的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行子帶濾波器濾波，分別得到麥克風(fēng)子帶信號(hào)和功放子帶信號(hào)；將時(shí)間域音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為子帶信號(hào)進(jìn)行處理，是因?yàn)樽訋ьl帶窄，因此可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行下采樣；通過對(duì)子帶信號(hào)的下采樣，可大大地降低子帶濾波器的長度（點(diǎn)數(shù)），因此可大幅度減少子帶濾波器的計(jì)算量和子帶濾波器修正時(shí)的計(jì)算量，從而提高了本算法的效率；

步驟二，利用子帶反饋濾波器對(duì)功放信號(hào)進(jìn)行濾波，得到系統(tǒng)產(chǎn)生的反饋信號(hào)；

步驟三，從所述麥克風(fēng)子帶信號(hào)中減去所述反饋信號(hào)，得到消除反饋后的麥克風(fēng)子帶信號(hào)；由步驟二計(jì)算得到的反饋信號(hào)（在自適應(yīng)濾波器收斂后）與實(shí)際麥克風(fēng)拾取的反饋信號(hào)一致，因此當(dāng)從麥克風(fēng)信號(hào)中減去估算的反饋信號(hào)后，剩余的成分是單純的發(fā)言人的語音；如此，原有的反饋回路被切斷，因此提高擴(kuò)聲增益不會(huì)引起嘯叫。

步驟四，對(duì)所述功放子帶信號(hào)、所述麥克風(fēng)子帶信號(hào)、以及所述消除反饋后的麥克風(fēng)子帶信號(hào)進(jìn)行加權(quán)能量分析統(tǒng)計(jì)，決定子帶反饋濾波器的修正步長；

步驟五，將所述消除反饋后的麥克風(fēng)子帶信號(hào)，經(jīng)過子帶合成濾波器復(fù)原為時(shí)間域語音信號(hào)，輸出給功放擴(kuò)聲；由于在步驟一中將數(shù)據(jù)分割為數(shù)據(jù)塊經(jīng)子帶濾波器濾波得到子帶信號(hào)，在將子帶信號(hào)合成復(fù)原為時(shí)間域的語音信號(hào)時(shí)，各數(shù)據(jù)塊之間容易產(chǎn)生不連貫畸變，造成數(shù)據(jù)塊效應(yīng)噪聲，因此需對(duì)時(shí)間域信號(hào)進(jìn)行濾波，以濾除數(shù)據(jù)塊效應(yīng)噪聲；

步驟六，根據(jù)所述修正步長、功放子帶信號(hào)和消除反饋后的麥克風(fēng)子帶信號(hào)，對(duì)子帶反饋濾波器進(jìn)行修正；在很短的時(shí)間里，子帶反饋濾波器將與實(shí)際揚(yáng)聲器到麥克風(fēng)的傳遞函數(shù)相一致，起到消除反饋的作用；

進(jìn)一步的，所述步驟一中，將采樣信號(hào)根據(jù)設(shè)定的子帶數(shù)量和時(shí)間順序分割為數(shù)據(jù)塊，再對(duì)分割的數(shù)據(jù)塊經(jīng)子帶濾波器濾波分別得到參考子帶信號(hào)和功放子帶信號(hào)。

進(jìn)一步的，還包括保持功放信號(hào)和回聲信號(hào)同步的步驟。

進(jìn)一步的，所述修正步長包括凍結(jié)濾波器、以及不同步長的修正參數(shù)。

進(jìn)一步的，在所述步驟三之后，根據(jù)需求加入降噪、自動(dòng)增益控制、均衡處理。由于反饋抑制處理后的數(shù)據(jù)更接近于發(fā)言人的原聲，因此在做降噪、自動(dòng)增益控制處理時(shí)可得到更好的效果；

進(jìn)一步的，還包括移頻、移相處理，在對(duì)音質(zhì)要求不高的場合，在經(jīng)過反饋抑制濾波之后，再加入移頻、移相處理，可以進(jìn)一步提高傳聲增益

本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：

1）本發(fā)明采用反饋信號(hào)估算、掐斷反饋回路的方法，極大地提高了傳聲增益；與陷波濾波的方法相比，通常陷波濾波的方法只能提升傳聲增益大約3至6分貝，而本方法可穩(wěn)定地提高傳聲增益6至10分貝，在環(huán)境較好時(shí)可提升傳聲增益15分貝。

2）本發(fā)明采用自適應(yīng)濾波的方法，因此可以針對(duì)任何環(huán)境自動(dòng)適應(yīng)，無需像陷波濾波方法那樣人為地設(shè)置調(diào)節(jié)，簡化了系統(tǒng)設(shè)置、大幅度地提高了系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性和系統(tǒng)使用的簡便性。

3）本發(fā)明采用反饋抵消的方法，對(duì)音頻信號(hào)不做移頻、移相，也不對(duì)特定頻率進(jìn)行陷波，因此，對(duì)語音影響極小，無上述的語音失真，提高了系統(tǒng)的保真度。

4）本發(fā)明采用了子帶算法，降低了不同頻率信號(hào)之間的相互影響和干擾，提高了自適應(yīng)濾波器的穩(wěn)定性，減小了反饋抑制處理對(duì)音質(zhì)的影響，提高了處理效率，降低了系統(tǒng)成本。

5）在對(duì)音質(zhì)要求不高的場合，本發(fā)明也可與移頻、移相等處理相結(jié)合，可以進(jìn)一步提高傳聲增益。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種自適應(yīng)子帶音頻反饋抑制算法的原理示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖1所示，M_in 是一路麥克風(fēng)的采樣信號(hào)，S_out是經(jīng)反饋抑制處理后輸出給功放的信號(hào)，本發(fā)明的一種自適應(yīng)子帶音頻反饋抑制算法，包括以下步驟：

步驟一，分別對(duì)采樣獲得的麥克風(fēng)信號(hào)M_in和輸出到功放參考信號(hào)S_out按采樣時(shí)間順序分割為數(shù)據(jù)塊（Data Block），對(duì)分割的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行子帶濾波器濾波，分別得到麥克風(fēng)和功放的子帶信號(hào)。數(shù)據(jù)塊的大小由子帶濾波器的子帶數(shù)決定。從理論上講，子帶的數(shù)量越多，子帶自適應(yīng)濾波計(jì)算量越小，算法效率越高；但在增加子帶數(shù)量的同時(shí)，子帶的帶寬變得更窄（以音頻帶寬D為例，子帶數(shù)為N，則一般子帶帶寬為D/N），因此需要子帶濾波器更長，子帶濾波的計(jì)算量更大，引起系統(tǒng)總計(jì)算量上升；從系統(tǒng)引入的群延時(shí)來看，當(dāng)子帶數(shù)量增加，會(huì)引入更長的系統(tǒng)群延時(shí)，而在擴(kuò)聲系統(tǒng)中系統(tǒng)群延時(shí)是一個(gè)重要的指標(biāo)。因此，綜合優(yōu)化系統(tǒng)計(jì)算量和系統(tǒng)群延時(shí)等要求，有一個(gè)最佳子帶數(shù)量；這里以子帶數(shù)128為例，做出原理說明，但這不局限本發(fā)明的權(quán)利要求。此外，為了減小由于數(shù)據(jù)分塊造成的分塊效應(yīng)（Block-effect），數(shù)據(jù)分塊時(shí)采用了重疊分塊的方法（Over-lap），即每一個(gè)數(shù)據(jù)塊包含2N個(gè)采樣點(diǎn)，下一個(gè)數(shù)據(jù)塊不是移動(dòng)2N個(gè)采樣點(diǎn)，而是只移動(dòng)N個(gè)采樣點(diǎn)，這樣兩個(gè)相鄰的數(shù)據(jù)塊之間有N個(gè)采樣點(diǎn)是重疊（相同）的，如此可降低2個(gè)數(shù)據(jù)塊之間銜接造成的分塊效應(yīng)。此外，子帶可根據(jù)需要采用等帶寬子帶，也可采用等比帶寬子帶或其他不同帶寬子帶，這些都在本發(fā)明的權(quán)利要求之內(nèi)。

步驟二，利用子帶反饋濾波器對(duì)參考信號(hào)進(jìn)行濾波，得到系統(tǒng)產(chǎn)生的反饋信號(hào)。在系統(tǒng)啟動(dòng)初期，為了保證自適應(yīng)濾波器穩(wěn)定，對(duì)子帶反饋濾波器進(jìn)行初始化，設(shè)置濾波器參數(shù)為0。

步驟三，從麥克風(fēng)子帶信號(hào)中除去估算出的反饋信號(hào)，得到消除反饋后的麥克風(fēng)子帶信號(hào)。在實(shí)際計(jì)算中，計(jì)算出的反饋信號(hào)與實(shí)際的反饋信號(hào)之間總存在誤差，此誤差即為自適應(yīng)濾波器的輸出誤差，用于自適應(yīng)濾波器的修正。

步驟四，對(duì)功放參考子帶信號(hào)、麥克風(fēng)子帶信號(hào)、以及上述消除反饋后的麥克風(fēng)子帶信號(hào)進(jìn)行加權(quán)能量分析統(tǒng)計(jì)，決定子帶反饋濾波器（自適應(yīng)濾波器）的修正步長。自適應(yīng)濾波器的修正步長對(duì)自適應(yīng)濾波器的穩(wěn)定性和收斂性極其重要；修正步長太大，容易引起濾波器發(fā)散，最終造成自適應(yīng)濾波器失效；但修正步長太小，引起濾波器收斂速度太慢，特別在使用定點(diǎn)（Fix Point）處理器時(shí)數(shù)據(jù)有效位數(shù)有限的情況下，會(huì)影響自適應(yīng)濾波器的收斂精度，造成較大的估算誤差。此外，為了保證自適應(yīng)濾波器的穩(wěn)定和濾波效果，根據(jù)功放參考信號(hào)的能量調(diào)整修正步長：即當(dāng)功放參考信號(hào)能量較小時(shí)，取較小的修正步長；當(dāng)功放參考信號(hào)能量較大時(shí)，取較大的修正步長；當(dāng)功放參考信號(hào)能量很?。o語音）時(shí)，設(shè)置修正步長為零，凍結(jié)自適應(yīng)濾波器，防止濾波器發(fā)散。

步驟五，將消除反饋后的麥克風(fēng)子帶信號(hào)，經(jīng)過子帶合成濾波器復(fù)原為時(shí)間域語音信號(hào)，輸出給功放擴(kuò)聲。如上述步驟一所述，為了減小由于數(shù)據(jù)分塊造成的分塊效應(yīng)（Block-effect），數(shù)據(jù)分塊時(shí)采用了重疊分塊的方法（Over-lap），因此，經(jīng)子帶合成濾波器復(fù)原得到的時(shí)間域語音信號(hào)需仔細(xì)選擇復(fù)原濾波器，以保證信號(hào)的完美復(fù)原和減少數(shù)據(jù)分塊效應(yīng)。

步驟六，根據(jù)前述決定的修正步長、以及功放參考子帶信號(hào)和消除反饋后的麥克風(fēng)子帶信號(hào)，對(duì)子帶反饋濾波器參數(shù)進(jìn)行修正。自適應(yīng)濾波器參數(shù)修正的算法有LMS、NLMS、PNLMS等多種算法，LMS的波動(dòng)較大；NLMS穩(wěn)定但收斂速度較PNLMS慢；PNLMS 穩(wěn)定但計(jì)算量較大。本發(fā)明采用簡化的PNLMS方法，但不排除以上的方法。

本發(fā)明說明了一種自適應(yīng)子帶音頻反饋抑制算法，由于采用子帶技術(shù)降低了子帶（相對(duì)于原音頻頻帶）的帶寬，因此可下采樣子帶信號(hào)，減少子帶信號(hào)數(shù)據(jù)量，如此降低了自適應(yīng)濾波器的計(jì)算量，提高了算法效率。但是，本發(fā)明不限于以上的子帶形式，在時(shí)間域內(nèi)類似的自適應(yīng)濾波器方法也在本權(quán)利要求之內(nèi)，因?yàn)闀r(shí)間域信號(hào)可看作是只有一個(gè)子帶的特殊條件，同時(shí)采用自適應(yīng)濾波器的方法是本發(fā)明與其他反饋抑制方法本質(zhì)的不同。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。