贵州未来声学回声设计

    非线性声学回声消除技术,非线性的声学回声消除问题，在实际声学系统里面非常普遍也非常棘手，到目前为止还没有特别有效的办法来解决。目前介绍非线性声学回声消除的公开文献也少之又少。如何处理非线性声学回声消除的，效果又如何？将从非线性声学回声消除产生的原因、研究现状、技术难点出发，详细介绍双耦合的声学回声消除算法以及实验检验结果。我要讲的内容是《非线性声学回声消除技术》，之所以选择这样的方向，主要是基于两个方面的原因：非线性的声学回声消除问题是一个困扰了行业很多年的技术难题，这个问题在实际的声学系统里非常普遍，同时又很棘手，到目前为止，还没有特别有效的办法。我猜测大家应该会对这个课题感兴趣。还有另外一个原因，我之前做过一些技术的调研，在现有公开的文献资料里，介绍非线性声学回声消除方面的资料非常少，我想借这样一个机会，介绍一些我们团队在这个领域的进展，希望能够对大家后续的研究有一些帮助，同时也想跟各位**做一下技术交流。我介绍的内容包括四个部分，个部分什么是非线性声学回声，它产生的原理、研究现状以及技术难点等问题；第二个部分重点介绍双耦合声学回声消除算法。

    实现对整个声学回声路径的变化进行有效跟进。贵州未来声学回声设计

    以此来应对市面上绝大多数的移动设备。另外，线性滤波器虽然不具备调整延时的能力，但可以通过估计的index衡量当前信号的延时状态，范围为[0,kNormalNumPartitions]，如果index处于作用域两端，说明真实延时过小或过大，会影响线性回声估计的效果，严重的会带来回声，此时需要结合固定延时与大延时检测来修正。非线性滤波非线性部分一共做了两件事，就是想尽千方百计干掉远端信号。(1)根据线性部分提供的估计的回声信号，计算信号间的相干性，判别远近端帧状态。(2)调整抑制系数，计算非线性滤波参数。非线性滤波抑制系数为hNl，大致表征着估计的回声信号e(n)中，期望的近端成分与残留的非线性回声信号y''(n)在不同频带上的能量比，hNl是与相干值是一致的，范围是[0，]，通过图5(b)可以看出需要消除的远端部分幅度值也普遍在，如果直接使用hNl滤波会导致大量的回声残留。因此WebRTC工程师对hNl做了如下尺度变换，over_drive与nlp_mode相关，不同的抑制激进程度，drive_curve是一条单调递增的凸曲线，范围[]。由于中高频的尾音在听感上比较明显，所以他们设计了这样的抑制曲线来抑制高频尾音。我们记尺度变换的α=over_drive_scaling*drive_curve。

     浙江信息化声学回声介绍双耦合声学回声消除算法的主要贡献体现在两个方面。

    底噪也就是本底噪声，一般指在电声系统中，除去有用的信号外的总噪声。底噪有来自于固有的电子、电磁噪音，也有确是功放电路或电源性能问题导致的。理论上底噪是无法去除的，当然只有当底噪大到影响听感的时候才是问题。很多时候可以提高信噪比把底噪给压低，这确实可以降低听音乐时噪声的影响。但是总之人们还是有带耳机不听音乐的时候，典型的如ANC耳机降噪工作的时候，此时显得尤为重要，近期几大品牌都因为ANC底噪问题造成过批量退货。为了准确的检测产品底噪，我们需要知道目前行业内耳机功放工作类型大概有以下两种：1、产品处于蓝牙播放状态时，功放IC有打开，输入端无任何音源，喇叭输出端有底噪信号输出。2、产品处于蓝牙播放状态时，IC会被系统静音，信号输入端需要给一个很小信号触发功放IC打开，喇叭输出端有底噪信号输出。总的来说，底噪时需要多种指标和技术手段来验证和管控。指南测控整个标准声学测试系统通过极高灵敏度的仪器和声学传感器，采用多种评估底噪能量值的方法，以及专门为底噪测试而设计的箱体及治具结构，测试软件逻辑等一体化的设计，可以准确快速的进行底噪测试。下图TWS耳机中的左耳，在喇叭播放空声源时，喇叭端有略微的电流声底噪。

    为什么声学器件的小型化容易产生非线性的失真呢？这个需要从喇叭发声的基本原理说起，我们都知道声波的本质是一种物理振动，而喇叭发声的基本原理就是通过电流来驱动喇叭的振膜发生振动之后，这个振膜会带动周围的空气分子相应发生振动，这样就产生了声音。如果我们要发出一个大的声音的话，那么就需要在单位时间内用更多的电流去驱动更多的空气分子发生振动。假设有大小不同的两个喇叭，他们用同样的功率去驱动，对于大喇叭而言，由于它跟空气接触的面积要大一些，所以他在单位时间内能够带动更多的空气分子振动，所以它发出来的声音也会大一些。而小喇叭如果想发出跟大喇叭一样大的声音，就需要加大驱动功率，这样会带来一个问题：我们的功率放大器件会进入到一种饱和失真的状态，由此就会带来非线性的失真。这就是声学器件小型化容易产生非线性失真的一个主要的原因。这里廉价化比较好理解了，就不多说了。原因之二，就是声学结构设计的不合理。典型的一个实例就是声学系统的隔振设计不合理。喇叭发声单元跟麦克接收单元之间，通常是需要做隔振处理的，如果没有隔振处理的话，那么在喇叭发声的过程中，他所产生的振动会通过物理方式传递到麦克接收端。

     搜索“声学回声消除”的相关文献。

    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。

     非线性的声学回声消除问题。贵州未来声学回声设计

非线性声学回声系统建模。贵州未来声学回声设计

我们比较这两个之后就会发现，双讲段主要出现在中间这一段。我们评估双讲性能的主要指标是回声抑制比和近端语音失真度。上面这是经过回声消除之后的语谱，中间的是NLMS算法的结果。我们可以看到它的回声抑制不是很理想，不管在单讲段还是在双讲段，都有比较多的回声残留。而下面这个是采用双耦合算法得到的语谱，可以看到在单讲和双讲里面回声抑制得都比较干净，并且在双讲里，对近端语音的损伤也很小。这个数据对应视频会议场景，因此还需要做一步NLP的处理。上面这个就是基于双耦合算法，做了NLP之后的输出结果。我们可以看到处理完之后，整个语谱很清晰，回声去得很干净，而且语谱没有太大损伤，双讲很通透。我再来简单总结一下，主要是介绍了三个方面的内容，个就是认识了非线性声学回声、产生的原因、研究现状以及技术难点。接下来重点介绍了华为云音视频的双耦合声学回声消除算法，我们的主要贡献体现在两个方面，个方面就是构建一种双耦合自适应滤波器结构；第二个就是提出了小平均短时累计误差准则并进行求解。通过求解之后，我们会得到双耦合滤波器的线性滤波器是具有Wiener-Hopf方程解的比较好解这种形式，然后非线性滤波器具有小二乘解。贵州未来声学回声设计

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