專(zhuān)利名稱(chēng)：一種消除非相關(guān)干擾信號(hào)的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)字信號(hào)處理裝置及方法，特別涉及一種消除非相關(guān)干擾信 號(hào)的裝置及方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)實(shí)生活中，到處存在背景噪聲，在有噪聲存在的情況下，麥克風(fēng)等采 集器就會(huì)將背景噪聲中的干擾信號(hào)和有效聲音一起采集進(jìn)來(lái)。特別是如一些機(jī) 場(chǎng)跑道區(qū)域，大型娛樂(lè)場(chǎng)所，背景噪聲很大，若能有效的消除背景噪聲中的干 擾，則對(duì)于信號(hào)處理效果及有效信號(hào)的獲取意義極大。由于背景噪聲的來(lái)源很復(fù)雜，本文中提到的背景噪聲特指具有與有效信號(hào) 非相關(guān)的干擾信號(hào)。對(duì)于背景噪聲的完全消除，目前并沒(méi)有很好的方法。 一般 采用圖1所示的裝置來(lái)消除背景噪聲，信號(hào)采集器采集了背景噪聲和有效聲音 的混合體，干擾信號(hào)采集器采集背景噪聲，使用最小二乘算法濾波器對(duì)第二個(gè) 麥克風(fēng)采集的背景噪聲濾波后輸出，第一個(gè)麥克風(fēng)采集的信號(hào)減去最小'二乘算法濾波器的輸出的方式，來(lái)消除干擾信號(hào)；這種方式一般能將第一個(gè)麥克風(fēng)采 集的背景噪聲抑制到原先的-40dB左右。但是在大噪聲的環(huán)境中，這個(gè)效果并不 理想。因而采用一種裝置及方法來(lái)更好的消除背景噪聲中非相關(guān)干擾信號(hào)是相 關(guān)領(lǐng)域設(shè)法解決的 一個(gè)技術(shù)問(wèn)題。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種消除非相關(guān)干擾信號(hào)的裝置及方法，該裝置及方 法采用改進(jìn)的遞歸最小二乘法對(duì)背景噪聲進(jìn)行濾波，從而實(shí)現(xiàn)更佳的非相關(guān)干 擾信號(hào)消除效果。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用了如下技術(shù)手段 一種消除非相關(guān)干 擾信號(hào)的裝置，用于消除輸入信號(hào)中的非相關(guān)干擾信號(hào)，所述裝置包括一個(gè)自
適應(yīng)濾波器，對(duì)非相關(guān)干擾信號(hào)進(jìn)行濾波； 一個(gè)求差值器，對(duì)輸入信號(hào)和自適 應(yīng)濾波器的輸出信號(hào)進(jìn)行求差值，以獲得消除非相關(guān)干擾信號(hào)后的有效信號(hào)； 以及一個(gè)系數(shù)更新器，根據(jù)所接收到的輸入信號(hào)和有效信號(hào)，計(jì)算出自適應(yīng)濾 波器的更新系數(shù)，并提供給自適應(yīng)濾波器，其中，所述系數(shù)更新器包括系數(shù)更 新單元，延時(shí)單元，卡爾曼增益因子更新單元和相關(guān)矩陣更新單元；輸入信號(hào) 分別輸入卡爾曼增益因子更新單元和相關(guān)矩陣更新單元，相關(guān)矩陣更新單元的 輸出端連接至卡爾曼增益因子更新單元的輸入端，卡爾曼增益因子更新單元的 輸出端分別連接至相關(guān)矩陣更新單元和系數(shù)更新單元的輸入端，系數(shù)更新單元 的輸入和輸出端之間串聯(lián)該延時(shí)單元，系數(shù)更新單元同時(shí)接收有效信號(hào)、卡爾 曼增益因子更新單元的輸出信號(hào)和延時(shí)單元的輸出信號(hào)，并輸出自適應(yīng)濾波器 的更新系數(shù)。本發(fā)明的另 一技術(shù)方案在于提供一種消除非相關(guān)干擾信號(hào)的方法，用亍消除 輸入信號(hào)x(")中的干擾信號(hào)少(")，以獲得有效信號(hào)e(n),所述方法的具體實(shí)現(xiàn)步 驟如下(1) 初始化自適應(yīng)濾波器，使"=0時(shí)，濾波器的抽頭系數(shù)/(w)為零；(2) 初始化卡爾曼增益因子，使"=0時(shí)，yfc(n)為零；(3) 初始化相關(guān)矩陣，使"=0時(shí)，K")為S/,其中S為實(shí)數(shù)，取值范圍為 0.00001-0.001之間，/為單位矩陣；(4) 通過(guò)一信號(hào)采集器采集數(shù)據(jù)x(w)，通過(guò)一干擾信號(hào)采集器采集數(shù)據(jù)y(");(5) 自適應(yīng)濾波器對(duì)y(")濾波，系數(shù)更新器實(shí)現(xiàn)濾波器系數(shù)更新，濾波器輸出w("+l)-尸(")X"+l),尸(")為自適應(yīng)濾波器的抽頭系數(shù)矩陣的轉(zhuǎn)置；(6 )將信號(hào)采集器采集的信號(hào)x(w)和濾波器輸出"(")送入求差值器，實(shí)現(xiàn)x(") - "O)，從而獲得有效信號(hào)e(w);其中，所述方法的系數(shù)更新通過(guò)改進(jìn)遞歸最小二乘法實(shí)現(xiàn)，具體包括如下步驟(a) 卡爾曼增益因子更新單元按^^式*(" + 1) = i^(");c(w + l)計(jì)算卡爾曼增益因 子*(" + 1),其中/^0)為及^(w)的逆矩陣；(b) 相關(guān)矩陣更新單元按照公式+1)=[丄(C W" + W(" + l) )]-!計(jì)算相關(guān)矩陣K" + 1),并更新相關(guān)矩陣，其中p為遺忘因子； '
(c)延時(shí)單元對(duì)抽頭系數(shù)/(")延時(shí)；(d )系數(shù)更新單元按公式/(" +1) = /(n) + + +1)計(jì)算自適應(yīng)濾波器新的 抽頭系數(shù)/(" + i),其中/(")為濾波器的舊的抽頭系數(shù)； (e)回到步驟(4),繼續(xù)處理下個(gè)采樣數(shù)據(jù)。進(jìn)一步的，所述濾波器輸出信號(hào)"("+1)的時(shí)域幅度近似等于干擾信號(hào)的幅度值。采用本發(fā)明所述的一種消除非相關(guān)干擾信號(hào)的裝置及方法，與現(xiàn)有技術(shù)相 比，可以更有效的消除非相關(guān)干擾信號(hào)，算法仿真表明背景噪聲能量降到了背 景噪聲的-60dB以下。


本發(fā)明的消除非相關(guān)干擾信號(hào)的裝置及方法由以下的實(shí)施例及附圖詳細(xì)給出。圖1為現(xiàn)有技術(shù)的消除非相關(guān)干擾信號(hào)裝置的使用示意圖； 圖2為本發(fā)明的消除非相關(guān)干狀/f言號(hào)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為圖2中系數(shù)更新器的具體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下將對(duì)本發(fā)明的消除非相關(guān)干擾信號(hào)裝置及其實(shí)現(xiàn)方法作進(jìn)一步的詳細(xì) 描述。本發(fā)明中消除非相關(guān)干擾信號(hào)裝置是基于Xilinx公司的XC4VSX55芯片開(kāi) 發(fā)的，該芯片內(nèi)提供了乘法器硬核，存儲(chǔ)器硬核和可配置模塊；使用上述資源， 通過(guò)編程配置的方式，4艮容易實(shí)現(xiàn)加法器，減法器和濾波器。本發(fā)明的應(yīng)用環(huán)境為大型娛樂(lè)場(chǎng)所，如圖l所示，將第一麥克風(fēng)(對(duì)應(yīng)圖2 中的信號(hào)采集器)放置在有效信號(hào)(聲音)近處，采集有效聲音和干擾信號(hào)； 將第二麥克風(fēng)(對(duì)應(yīng)圖2中的干擾信號(hào)釆集器)放置在有效信號(hào)(聲音)的遠(yuǎn) 處，本發(fā)明所述的裝置置于第一麥克風(fēng)和第二麥克風(fēng)之間，由于有效信號(hào)傳到 干擾信號(hào)收集器的能量很小，所以第二麥克風(fēng)采集的信號(hào)中有效信號(hào)(聲音) 可以忽略不計(jì)。
如圖2所示，本發(fā)明的裝置包括自適應(yīng)濾波器、系數(shù)更新器和求差值器， 這些器件利用上述芯片資源實(shí)現(xiàn)。信號(hào)采集器所接收的信號(hào)x(")(包括有效信號(hào) 和千擾信號(hào))分別輸入至系數(shù)更新器和求差值器的一個(gè)輸入端，干擾信號(hào)采集 器所接收的干擾信號(hào)輸入自適應(yīng)濾波器，該濾波器的輸出w(")連接至求差值器的 另一個(gè)輸入端，求差值器的輸出結(jié)果e(")為消除非相關(guān)干護(hù)O信號(hào)后的有效信號(hào)， 該信號(hào)被輸入至信號(hào)處理單元進(jìn)行后續(xù)處理。為了實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波器抽頭系數(shù) 的不斷更新，該有效信號(hào)e(")和接收信號(hào)x(")—起輸入系數(shù)更新器，以獲得更新 的系數(shù)并提供給自適應(yīng)濾波器。所述系數(shù)更新器的各個(gè)組成部分如圖3所示，包括相關(guān)矩陣更新單元4， 接收輸入信號(hào)和卡爾曼增益因子更新單元3的輸出信號(hào)，用于相關(guān)矩陣 凡X")的計(jì)算和更新；卡爾曼增益因子更新單元3,接收輸入信號(hào)x(w)和相關(guān)矩 陣更新單元4輸出的相關(guān)矩陣凡"")，用于卡爾曼因子)fc(w)的計(jì)算和更新；系數(shù) 更新單元1 ，接收有效信號(hào)e(")和卡爾曼增益因子用于自適應(yīng)濾波器系數(shù) 的計(jì)算和更新；以及系數(shù)延時(shí)單元2,用以對(duì)系數(shù)更新單元1輸出的抽頭系數(shù)/w) 進(jìn)行一定的延時(shí)，并將延時(shí)后的信號(hào)返回給系數(shù)更新單元1,該抽頭系數(shù)/w)即 為自適應(yīng)濾波器所需的更新系數(shù)。以上各功能也通ii對(duì)上述芯片進(jìn)行編程配置 實(shí)現(xiàn)。下面結(jié)合圖1至圖3詳細(xì)描述采用上述裝置消除非相關(guān)干擾信號(hào)的方法。所 述方法通過(guò)第一麥克風(fēng)采集數(shù)據(jù)x(")，第二麥克風(fēng)采集端采集數(shù)據(jù):Kw),具體實(shí) 現(xiàn)步驟如下(1) 初始化自適應(yīng)濾波器，使n=0時(shí)，濾波器的抽頭系數(shù)/(n)為零；(2) 初始化卡爾曼增益因子，使n=0時(shí)，A:(n)為零；(3) 初始化相關(guān)矩陣，使n=0時(shí)，Rxx(n)為5/,其中S為實(shí)數(shù)，取值范圍為 0.00001 0.001之間，/為單位矩陣；(4) 第一麥克風(fēng)采集數(shù)據(jù)x(n)， x(n)包含有效信號(hào)和干擾信號(hào)，第二麥克風(fēng) 采集數(shù)據(jù):K"), y(w)主要包含干擾信號(hào)；(5) 自適應(yīng)濾波器對(duì):K")濾波，系數(shù)更新器實(shí)現(xiàn)濾波器系數(shù)更新，濾波器輸 u(n+1)=fT(n)y(n+1),fT(n)為自適應(yīng)濾波器的抽頭系數(shù)矩陣的轉(zhuǎn)置；(6 )將信號(hào)采集端采集的信號(hào)x(n)和u(n)濾波器輸出送入求差值器，實(shí)現(xiàn)x(n) -"(w)，從而獲得有效信號(hào)e(w),有效信號(hào)送往后續(xù)信號(hào)處理模塊處理；其中，所述方法的系數(shù)更新通過(guò)改進(jìn)遞歸最小二乘法實(shí)現(xiàn)，具體步驟實(shí)現(xiàn)如下(a) 卡爾曼增益因子更新單元3按公式W" +1)=《(");c(" +1)計(jì)算卡爾曼增益 因子it(" + l)，其中iC(")為&(n)的逆矩陣；(b) 相關(guān)矩陣更新單元4按照公式^(" + 1)=[丄(/ :'(")+ + + )]-'計(jì)p + (w + l)一 + l)算相關(guān)矩陣&(" + i)，并更新相關(guān)矩陣，其中p為遺忘因子；(c) 延時(shí)單元2對(duì)抽頭系數(shù)/(M)延時(shí)16個(gè)時(shí)鐘周期；(d) 系數(shù)更新單元1按公式/("+l)-y(")+A:("+l)e("+l)計(jì)算自適應(yīng)濾波器新 的抽頭系數(shù)/(" + i)，其中/(")為濾波器的舊的抽頭系數(shù)；(e) 回到步驟(4),繼續(xù)處理下個(gè)采樣數(shù)據(jù)。在消除非相關(guān)干擾信號(hào)的裝置上，采用上述方法處理后，通過(guò)將處理輸出信 號(hào)e(n)減去有效信號(hào)x("),就得到了干擾噪聲的能量，通過(guò)測(cè)試表明干擾噪聲能 量降到了原先水平的-60.5dB。
權(quán)利要求
1、一種消除非相關(guān)干擾信號(hào)的裝置，用于消除輸入信號(hào)中的非相關(guān)干擾信號(hào)，所述裝置包括一個(gè)自適應(yīng)濾波器，對(duì)非相關(guān)干擾信號(hào)進(jìn)行濾波；一個(gè)求差值器，對(duì)輸入信號(hào)和自適應(yīng)濾波器的輸出信號(hào)進(jìn)行求差值，以獲得消除非相關(guān)干擾信號(hào)后的有效信號(hào)；以及一個(gè)系數(shù)更新器，根據(jù)所接收到的輸入信號(hào)和有效信號(hào)，計(jì)算出自適應(yīng)濾波器的更新系數(shù)，并提供給自適應(yīng)濾波器，其特征在于，所述系數(shù)更新器包括系數(shù)更新單元，延時(shí)單元，卡爾曼增益因子更新單元和相關(guān)矩陣更新單元；輸入信號(hào)分別輸入卡爾曼增益因子更新單元和相關(guān)矩陣更新單元，相關(guān)矩陣更新單元的輸出端連接至卡爾曼增益因子更新單元的輸入端，卡爾曼增益因子更新單元的輸出端分別連接至相關(guān)矩陣更新單元和系數(shù)更新單元的輸入端，系數(shù)更新單元的輸入和輸出端之間串聯(lián)該延時(shí)單元，系數(shù)更新單元同時(shí)接收有效信號(hào)、卡爾曼增益因子更新單元的輸出信號(hào)和延時(shí)單元的輸出信號(hào)，并輸出自適應(yīng)濾波器的更新系數(shù)。
2、 一種采用如權(quán)利要求1所述的裝置消除非相關(guān)干擾信號(hào)的方法，用于消 除輸入信號(hào)x(w)中的干擾信號(hào);K"),以獲得有效信號(hào)e(n)，所述方法的具體實(shí)現(xiàn) 步驟如下(1) 初始化自適應(yīng)濾波器，使"=0時(shí)，濾波器的抽頭系數(shù)/(/7)為零；(2) 初始化卡爾曼增益因子，使"=0時(shí)，A:(")為零；(3) 初始化相關(guān)矩陣，使"=0時(shí)，i^(")為S/,其中S為實(shí)數(shù)，取值范圍為 0.00001~0.001之間，/為單位矩陣；(4 )通過(guò)一信號(hào)采集器采集數(shù)據(jù)x(w)，通過(guò)一干擾信號(hào)采集器采集數(shù)據(jù);(5)自適應(yīng)濾波器對(duì)少(")濾波，系數(shù)更新器實(shí)現(xiàn)濾波器系數(shù)更新，濾波器輸出w("+i) =/7(")><"+1)，尸(")為自適應(yīng)濾波器的抽頭系數(shù)矩陣的轉(zhuǎn)置；(6 )將信號(hào)采集器采集的信號(hào)jc(")和濾波器輸出w(it)送入求差值器，實(shí)現(xiàn)x(w) —,從而獲得有效信號(hào);其特征在于，所述方法的系數(shù)更新通過(guò)改進(jìn)遞歸最小二乘法實(shí)現(xiàn)，具體包括如下步驟(a)卡爾曼增益因子更新單元4安^^式+1) = iC(")x(" +1)計(jì)算卡爾曼增益因 子+1),其中(")為(")的逆矩陣；(13)相關(guān)矩陣更新單元按照公式<formula>formula see original document page 3</formula>一計(jì)算<formula>formula see original document page 3</formula>相關(guān)矩陣&(" + i)，并更新相關(guān)矩陣，其中/ 為遺忘因子；(c) 延時(shí)單元對(duì)抽頭系數(shù)/(")延時(shí)；(d) 系數(shù)更新單元按公式<formula>formula see original document page 3</formula>計(jì)算自適應(yīng)濾波器新的 抽頭系數(shù)/(" + l),其中/(")為濾波器的舊的抽頭系數(shù)；(e) 回到步驟(4)，繼續(xù)處理下個(gè)采樣數(shù)據(jù)。
3、如權(quán)利要求2所述的一種消除非相關(guān)干擾信號(hào)的方法，其特征在午所 述濾波器輸出信號(hào)+1)的時(shí)域幅度近似等于干擾信號(hào)的幅度值。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種消除非相關(guān)干擾信號(hào)的裝置及方法。利用一個(gè)自適應(yīng)有限長(zhǎng)濾波器來(lái)對(duì)干擾信號(hào)采集端采集的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，從而使其在時(shí)域的幅度近似等于信號(hào)采集端采集的信號(hào)中的干擾信號(hào)分量；將信號(hào)采集端采集的信號(hào)減去自適應(yīng)濾波器輸出的信號(hào)，就能得到有效信號(hào)；自適應(yīng)濾波器的抽頭系數(shù)更新采用改進(jìn)的遞歸最小二乘算法來(lái)獲得；能使背景噪聲能量下降到-60dB以下。
文檔編號(hào)H04M1/19GK101166205SQ20071004625
公開(kāi)日2008年4月23日 申請(qǐng)日期2007年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月21日
發(fā)明者劉才勇 申請(qǐng)人:上海廣電(集團(tuán))有限公司中央研究院