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《哈尔滨工业大学》 2010年
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自适应声学回声抑制算法研究及其VLSI芯片设计

毕云龙  
【摘要】:自适应滤波器由于具有在未知环境下良好运行并跟踪输入数据统计量随时间变化的能力,被广泛应用于通信、雷达、声纳以及生物医学工程等领域。在语音通信过程中,声学反馈的存在严重影响语音质量,采用自适应滤波器进行声音反馈抑制是非常有效的方法。 本文给出了声音反馈抑制的数学模型,并针对声音反馈抑制中的两个典型应用——远距离声学回声消除和近距离声反馈抑制这两个问题的各自特点,给出解决各自问题的算法设计,并根据近距离声反馈抑制要求实时性强的特点,进行了声反馈抑制算法芯片设计的研究。 本文主要研究内容包括以下几个方面: 首先,提出远距离声学回声消除算法。在远距离声学回声消除过程中,双方对讲和模型噪声同时存在,严重干扰回声消除算法。目前,单独克服其中一种干扰的研究已经较为成功,而同时克服上述两种干扰的回声消除算法尽我们所知只有一篇文献报道,且该文献将双方对讲的时间限制在2秒钟以内,不能满足实际需要。本文在充分研究现有文献的基础上,对现有算法进行改进,提出了能够同时克服双方对讲与模型噪声干扰的远距离声学回声消除算法——VSS-NLMS-UMDT算法。该算法对双方对讲时间没有长度限制,具有很强的实用价值。 其次,提出高收敛精度高收敛速度的最小均方误差(Least Mean Square, LMS)算法。现有文献中报道的LMS类算法均采用瞬时梯度,在对LMS类算法进行改进的过程中都集中在对算法步长的改进。本文在首先构造了物理含义明确的极值为零的目标函数基础上,提出了零极值目标函数系统辨识算法的理论迭代表达式。在实际应用转化过程中采用对算法梯度进行在线求平均值的方式,减小了梯度噪声的影响。算法获得较高收敛精度和收敛速度。此外,算法对输入数据存储量很少,计算过程中数据流规整,并行性高,只包含有加法和乘法操作,便于超大规模集成电路实现,为近距离声反馈抑制算法的提出从理论与实践两方面奠定了基础。 最后,通过对零极值目标函数系统辨识算法进行进一步改进,提出声反馈抑制算法,并对声反馈抑制算法进行了VLSI芯片设计,得到芯片的版图设计结果。声反馈抑制算法继承了零极值目标函数系统辨识算法高收敛精度高收敛速度的优点,并且具有更强的并行性。在VLSI芯片设计过程中,在充分挖掘算法内在并行性的基础上,对其中的固定系数乘法转化为移位操作,充分挖掘和利用算法中的数据可重用性。VLSI芯片设计结果显示,所获得的VLSI芯片设计性能完全可以满足实际应用中的吞吐率要求,具有实际应用价值。
【关键词】:自适应滤波器 系统辨识 声学回声消除 声反馈抑制 超大规模集成电路
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TN47
【目录】:
  • 摘要3-5
  • Abstract5-13
  • 第1章 绪论13-34
  • 1.1 课题背景13-16
  • 1.2 声音反馈抑制问题的数学模型16-19
  • 1.3 声音反馈抑制需要解决的主要问题与关键技术19-21
  • 1.4 国内外研究现状21-31
  • 1.4.1 声音反馈抑制算法的研究现状21-26
  • 1.4.2 声音反馈抑制算法实现技术的研究现状26-31
  • 1.5 课题主要研究内容31-32
  • 1.6 本文结构32-34
  • 第2章 系统辨识及并行算法设计基本理论34-59
  • 2.1 引言34
  • 2.2 系统辨识问题的数学模型34-37
  • 2.3 基于最小均方误差思想的算法推导过程37-43
  • 2.3.1 最速下降法的建立37-39
  • 2.3.2 LMS算法的获得39-40
  • 2.3.3 LMS算法稳定性条件与性能分析40-42
  • 2.3.4 NLMS算法的获得42-43
  • 2.4 并行算法设计与实现的基础知识43-46
  • 2.5 脉动阵列设计方法学综述46-54
  • 2.5.1 算法到阵列结构的映射46-47
  • 2.5.2 脉动阵列结构的设计过程47-51
  • 2.5.3 矩阵与向量相乘的脉动阵列实现51-54
  • 2.6 固定规模的阵列上解决大型计算问题的方法综述54-58
  • 2.6.1 模拟方法54-56
  • 2.6.2 分解方法56-58
  • 2.7 本章小结58-59
  • 第3章 远距离声学回声消除算法59-79
  • 3.1 引言59-60
  • 3.2 经典NLMS算法60-63
  • 3.3 克服双方对讲干扰的VSS-NLMS算法63-65
  • 3.4 同时克服双方对讲与模型噪声的NLMS算法65-71
  • 3.4.1 算法推导中的基本假设65-66
  • 3.4.2 引入模型噪声后算法推导66-71
  • 3.5 计算机仿真及结果分析71-77
  • 3.6 算法DSP实现的模拟77-78
  • 3.7 本章小结78-79
  • 第4章 零极值目标函数系统辨识算法79-92
  • 4.1 引言79
  • 4.2 系统辨识模型与经典系统辨识算法79-81
  • 4.3 零极值目标函数系统辨识算法81-87
  • 4.3.1 零极值目标函数的建立81-82
  • 4.3.2 权值向量更新方法82-83
  • 4.3.3 稳定性分析83-84
  • 4.3.4 实际应用中的考虑84-86
  • 4.3.5 算法的计算过程86-87
  • 4.4 实验验证与结果分析87-90
  • 4.4.1 实验环境设置87-88
  • 4.4.2 实验结果对比88-89
  • 4.4.3 实验结果分析89-90
  • 4.5 本章小结90-92
  • 第5章 128 阶声反馈抑制算法及VLSI芯片设计92-124
  • 5.1 引言92-93
  • 5.2 声反馈抑制算法与字长确定93-96
  • 5.2.1 声反馈抑制算法93-94
  • 5.2.2 算法中变量字长的确定94-96
  • 5.3 VLSI芯片设计过程中关键功能模块的设计96-101
  • 5.3.1 凸组合计算模块的优化设计96-98
  • 5.3.2 脉动阵列的电路设计98-101
  • 5.4 VLSI芯片设计过程中关键时序控制的设计101-115
  • 5.4.1 脉动阵列时序设计103-105
  • 5.4.2 XXT存储器读写控制的时序设计105-112
  • 5.4.3 Rxx存储器读写控制的时序设计112-115
  • 5.5 芯片整体设计115-121
  • 5.5.1 剩余计算任务的电路设计116-118
  • 5.5.2 VLSI整体芯片设计结果118-121
  • 5.6 VLSI芯片设计性能分析121-122
  • 5.6.1 VLSI芯片设计的性能分析121-122
  • 5.6.2 与DSP实现的对比122
  • 5.7 本章小结122-124
  • 结论124-126
  • 参考文献126-136
  • 攻读学位期间发表的学术论文136-138
  • 致谢138-139
  • 个人简历139

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前8条
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【共引文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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【二级参考文献】
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【相似文献】
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4 陈一阳;新版Trivium流密码算法的密码学统计分析[D];上海交通大学;2010年
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7 吴慧敏;高性能RS码编译码研究及FPGA实现[D];重庆大学;2011年
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10 李更强;基于TD-ERCS混沌系统的Hash函数的设计与分析[D];中南大学;2007年
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