摘 要

近些年来，随着通信技术的发展突飞猛进，通信设备的种类日益繁多，在很大程度上便利了人与人之间的交流。但是问题也随之而来，人们在免提通话的时候，往往会听到自己的回声。这类回声问题严重的影响了通话质量。因此，如何解决回声问题成为这些年来的热门话题。

本文搭建了一个基于DSP的自适应回声消除系统，在硬件方面，本文选用TI公司的TMS320VC5402作为DSP硬件平台的处理器，音频编码器TLV320AIC23作为数模转换模块，以及电源等外围设备搭建了回声消除系统的硬件平台。在软件方面，通过介绍回声消除的基本原理，从而引出了NLMS算法，并将其与LMS算法进行仿真对比。最后，在集成开发环境CCS中，将NLMS算法应用于所搭建的硬件平台上，对系统进行调试仿真，验证了该系统具有回声消除的功能。

关键词：回声消除；DSP；NLMS；TLV320AIC23

Abstract

In recent years, the development of communication technology has advanced by leaps and bounds, and more and more communication devices have entered our daily life, which has greatly facilitated the communication between people. However, with the development of technology, the problem of echo in communication gradually emerged. The echo problem has seriously affected our call quality. Therefore, how to eliminate echo has become a hot topic in recent years.
This article builds a DSP-based adaptive echo cancellation system. In terms of hardware, this article selects TI's TMS320VC5402 as the core of the DSP hardware platform, combined with the audio encoder TLV320AIC23 to build an echo cancellation system hardware platform. In terms of software, the basic principle of echo cancellation is introduced, which leads to the NLMS algorithm and compares it with the LMS algorithm. Finally, in the integrated development environment CCS, the NLMS algorithm is applied to echo cancellation, and it is verified that the system has the function of echo cancellation.

Key Words ：echo cancellation；DSP；NLMS；TLV320AIC23

目录

摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文思路与安排

第2章 系统结构以及方案选择

2.1系统结构

2.2方案论证

第3章 回声消除系统的硬件设计

3.1 TMS320VC5402芯片

3.2电源模块

3.3时钟模块

3.4复位模块

3.5 JTAG模块

3.6存储器扩展模块

3.7音频模块

3.8 本章小结

第4章 回声消除系统的软件设计

4.1 自适应滤波器

4.2 两种自适应滤波算法

4.3 软件设计

4.4 本章小结

第5章 系统的调试与仿真

5.1系统的调试

5.2系统的测试

5.3 本章小结

结论

参考文献

附录A

附录B

致谢

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

在这个科技日新月异的时代，通信技术发展迅速，多样化的通信方式很大程度上便利了人与人之间的交流。但是人们在享受着这些便利的同时，回声问题也随之而来。所谓回声问题，就是当免提通话的时候，由于声波遇到障碍物反射，就有可能会听到自己的声音；或者是当拨打长途电话的时候，因为线路传输又有可能听到线路回声等等^[7]。这些都极大的影响着我们的通话质量，因此对回声消除的研究已然成为时代的热门话题，其中对声学回声消除更是其中很主要的一部分，具有很大的意义与价值。

当下，声学回声消除在实际应用中有很大的局限性。第一，回声产生的途径很多，除了通话时由于环境反射的声学回声之外，通话时的网络波动、延迟以及传输都会产生回声。第二，产生的声学回声，因为其特定的情况而导致不一样，比如房间内反射回声的墙壁的材质影响，或者麦克风与扬声器的距离不一样，又或者是房间的大小等等。这些因素都大大的增加了回声消除的难度。在人们的日常谈话与通信时，回声基本上都是存在的。至于有的时候人们察觉不到，是因为语音及其回声之间的延时比较短，低于某个临界值。只有当语音与其回声之间的时延大于那个临界值的时候，人们才可以明显的察觉到回声的存在。

随着通信科学技术的发展，回声消除的应用逐渐广泛，几乎每一个通讯设备中都有回声消除这个模块，回声消除模块的好坏决定着通信设备的通话质量，因此，对回声消除的研究也具有巨大的经济效益。

1.2国内外研究现状

1966年，Sondhi等人首次将最小均方算法应用到回声消除；1978年，Duttweiler设计了第一款回声消除器芯片；在1991年，Sondhi和Morgan等人首次建立了立体声回声消除的雏形^[4]。在21世纪之前，主要研究的是线性回声消除问题，但在21世纪之后，非线性回声的研究成为了人们的重点。Mohamed Djendi等人提出一种结合了主动降噪和回声消除的系统^[3]。这个系统包括两个部分；第一部分，基于前向盲源分离结构，选用双通道归一化最小均方自适应算法来消除回波信号或者噪声；第二部分，基于单通道归一化最小均方自适应算法所搭建的回声消除系统来有效抑制回波信号，二者相互结合，使回身消除的效果更佳。S. Hannah Pauline等人提出的一种基于自适应滤波的变步长归一化最小均方自适应算法^[1]，一种在不需要调整太多参数的情况下，只使用先验平均自相关和后验误差估计的平方来调整步长的方法。T. Sunitha和R. Suja Mani Malar提出了种基于Hammerstein模型的非线性自适应滤波器^[5]；这种滤波器是根据功能链自适应滤波器模型设计的，用非线性输入展开来描述，它通过在高维空间中的投影和投影后的自适应滤波来展开输入信号的描述。

在自适应回声消除方面的研究，国内相对起步较晚，这是国内曾经通信技术和设备相对落后所造成的。但最近这些年来，国内开始重视通信技术的研发，通信技术发展迅速，通信设备也因此多样化起来，回声消除问题也随之突显出来，在这方面的研究也迫在眉睫。吉林大学通信工程学院的蒙淑艳等人提出采用带有语音活动性检测VAD的谱减法消除噪声^[16]用基于两矢量夹角法双向通话检测器DTD的仿射投影算法APA对自适应回声进行估计，来消除自适应回声。西安科技大学在这方面也有大量相关研究，李文峰等人提出的基于DSP搭建的硬件处理平台用归一化最小均方算法算法的滤波器来实现回声消除功能^[6]。南京信息工程大学在非高斯噪声环境下的回声消除方面，也有新的观点，提出了一种基于最小离差准则的协同函数链接型自适应滤波回声消除方法，并证明了这种方法在回声衰减增益上的优越性^[2]。

1.3本文思路与安排

一个高质量的回声消除器往往应该兼顾两方面性能，分别是收敛速度和实现难度^[12]。顾名思义，收敛速度，消除回声的速度，代表着回声消除器的质量。比如盲源分离的回声消除算法在双端对讲的时候有着很好的效果，收敛速度快，精度高，但是缺点也很明显，计算复杂度非常高，影响实时性且不易于实现。而LMS算法则更偏重于简单易于实现方面，算法实现起来相对比较简单，也能够实现简单的回声消除，但其在收敛速度、时变系统跟踪速度与收敛精度对值的要求是相互矛盾的。简而言之，收敛精度和收敛速度很难实现绝对的统一，在一定程度上是矛盾的^[14]。而本文设计的自适应回声消除器，软件算法上选用的是NLMS算法，步长自适应的产生调整，步长越大，收敛精度越小，步长越小，收敛精度越大；而就收敛速度来说，随着步长的增大先增大后减少。硬件方面则选用TMS320VC5402芯片为主设计的DSP语音处理系统，设计起来比较简单实用。