从代码传送门查看本博客所使用测试的源码。
一个普通的音频系统结构如下图所示。
假设结构中所有的增益都是1,则可以得到以下关系式。
由上式可以看出来spk发出的信号,会被麦克风采集到,然后又通过codec芯片重新播放出来,从而形成回声。为抑制这种现象提出回声消除算法。
经过回声消除后的理想效果如以下公式,即从MIC传回codec芯片的信号仅仅包含信号源A的声音信号。
回声消除算法功能模块主要有两个:一个是检测声源信号的检测器;另一个是用来生成参考信号的滤波器。
自适应滤波算法用于自动跟踪输入的参考信号,根据MICin与REFin信号之间的相关性,生成随着输入信号变化的滤波器参数,从而生成预测的回声信号。现在主流的自适应滤波算法是最小均方(LMS-least mean square)算法,以及基于LMS算法衍生出来的一系列归一化最小均方(NLMS)算法、块最小均方误差(BLMS)算法、归一化块处理最小均方(NBLMS)算法、Filter-X LMS算法,另外还有递推最小二乘(RLS)算法、仿射投影滤波器(affine projection filter)算法等等。
app中算法相关的最佳参数搭配通过Filter.plot文件计算,如我想计算RLS滤波算法的参数length、ff可以执行如下代码。
clear all;
[x,Fs] = audioread('handel.wav');
[y,Fs1]=audioread('handel_echo.wav');
long=[2 4 8 16 32 64 128];
ff=(0.9:0.002:1);
co_lms=zeros(length(long),length(mu));
co_rls=zeros(length(long),length(ff));
t0=clock;
StartMatlabPool_fun(2);
for i=1:length(long)
for j=1:length(ff)
ha =dsp.RLSFilter('Length',long(i),'ForgettingFactor',ff(j));
[res,e] = ha(x,y);
co_rls(i,j)=corr(x,res);
end
end
etime(clock,t0)
CloseMatlabPool_fun;
value=max(max(co_rls));
[row, col]=find(value==co_rls)
[L,F]=meshgrid(long,ff);
figure;
surf(L,F,co_rls');
title('Correlation Function of Filter Order and Stepsize');
xlabel('Filter Order'); ylabel('Stepsize'); zlabel('Correlation');
执行结果如下。
>> test_plot
Starting parallel pool (parpool) using the 'local' profile ...
connected to 2 workers.
ans =
444.8310
Parallel pool using the 'local' profile is shutting down.
row =
1
col =
51
根据结果分析long=2(当ff=1时候,相关系数取值已经趋近于1,long取值对其影响已经可以忽略),ff=1
在echo_algo_hallelu.m文件中修改代码如下,然后执行。
clear all;
[x,Fs] = audioread('handel.wav');
[y,Fs1]=audioread('handel_echo.wav');
ha =dsp.RLSFilter(2, 'ForgettingFactor', 1);
[res,e] = ha(x,y);
%Regenerated Sound from Echoed Sound
sound(res,Fs);
audiowrite('handle Regenerated.wav',res,Fs)
%Original Signal
subplot(4,1,1); plot(x);
title('Original Signal');
xlabel('Time Index'); ylabel('Signal Value');
%Echoed Signal
subplot(4,1,2); plot(y);
title('Echoed Signal');
xlabel('Time Index'); ylabel('Signal Value');
%Regenerated Signal
subplot(4,1,3); plot(e);
title('Regenerated Signal');
xlabel('Time Index'); ylabel('Signal Value');
co=corr(x,res);
subplot(4,1,4); bar(co);
得到如下执行结果
或者在对应app中设置length=2,Fogettingfactor=1得到以下结果。
对于LMS滤波器参数寻优,则将代码改动如下。
clear all;
[x,Fs] = audioread('handel.wav');
[y,Fs1]=audioread('handel_echo.wav');
long=[2 4 8 16 32 64 128];
mu=(0.002:0.02:0.8);
ff=(0.9:0.002:1);
co_lms=zeros(length(long),length(mu));
co_rls=zeros(length(long),length(ff));
bar=waitbar(0,'参数寻优进度');
steps=length(long)*length(mu);
StartMatlabPool_fun(4);
for i=1:length(long)
for j=1:length(mu)
ha = dsp.LMSFilter('Length',long(i),'StepSize',mu(j));
[res,e] = ha(x,y);
co_lms(i,j)=corr(x,res);
end
waitbar((i*j)/steps);
end
CloseMatlabPool_fun;
close(bar);
value=max(max(co_lms));
[row, col]=find(value==co_lms);
length=long(row)
stepSize=mu(col)
[L,M]=meshgrid(long,mu);
figure;
surf(L,M,co_lms');
title('Correlation Function of Filter Order and Stepsize');
xlabel('Filter Order'); ylabel('Stepsize'); zlabel('Correlation');
执行结果如下。
test_plot
Starting parallel pool (parpool) using the 'local' profile ...
connected to 4 workers.
Parallel pool using the 'local' profile is shutting down.
length =
2
stepSize =
0.0220
同样在app中验证此组参数的效果。
在信噪比大于 60 dB 的理想信道中仿真自适应算法,LMS 和 NLMS 具有很好的收敛特性,回声可以有大比例的衰减。实际通信信道中,绝大多数近端场所(如会场)都有较大环境背景声音,回声比背景声电平只大 0~20 dB,在这样的系统中,LMS 和 NLMS 算法几乎无法收敛。AEC 算法要求 y(n)序列、x(n)序列保持严格同步(延时控制在100mS之内应该就可以,而且应该也可以提前获取固定延时量,然后在算法中做补偿),即有固定的小于预测窗的延迟时间,否则预测无法收敛。
回声检测只需要检测SPK是否有声音输出,如果输出就控制自适应算法模块生成回声预测信号,把MICin中所有关于SPK的部分全部滤掉,不用分近端远端。
滤波器一般用FIR或者IIR都可以。
集中列出app中不同的滤波器最优参数对应的回声消除效果对比。
在计算过程中,matlab通过matlabpool_open指令打开了并行计算模式。
并行计算模式启动打开指令如下(我电脑上最大允许开启四个核,默认的也是四个核)
StartMatlabPool_fun(4);
%% 此间放置需要进行并行计算的代码部分
CloseMatlabPool_fun;
实现函数代码如下
function StartMatlabPool_fun(size)
%====================================================================
%启动 MATLAB 并行运算(ling)
%StartMatlabPool(size)
%====================================================================
%输入参数:
% [1] size 为 CPU 核心数量
p = gcp('nocreate');
if isempty(p)
poolsize = 0;
else
poolsize = p.NumWorkers;
end
if poolsize == 0
if nargin == 0
parpool('local');
else
try
parpool('local',size);
catch ce
parpool;
fail_p = gcp('nocreate');
fail_size = fail_p.NumWorkers;
display(ce.message);
display(strcat('输入的size不正确,采用的默认配置size=',num2str(fail_size)));
end
end
else
disp('parpool start');
if poolsize ~= size
closematlabpool();
startmatlabpool(size);
end
end
我对比了使用四核并行计算和两核并行计算之间的速度,以下是加速的效果,可以看出节省了12秒钟≈3%的时间节约,但考虑到Matlab重复运行相同的程序速度回一次比一次快的特点,这12秒钟时间是不是并行计算省出来的真不好说。
>> test_plot
parpool start
ans =
426.6580
Parallel pool using the 'local' profile is shutting down.
>> test_plot
Starting parallel pool (parpool) using the 'local' profile ...
connected to 2 workers.
ans =
438.2910
Parallel pool using the 'local' profile is shutting down.