基于DSP的回声抵消器关键技术研究
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摘 要
随着通信技术、网络技术、计算机技术等的的发展，人们的日常通信方式正
向多媒体网络通信方式的发展。在各种通信方式中，凡是需要同时使用扬声器和
麦克风的场合，例如会议电视、免提电话等系统终端，都不可避免地会因本地扩
声系统和麦克风之间产生回声问题。回声会影响通话质量，严重时会引起啸叫而
使通话无法正常进行，因此进行回声抵消器的研究具有很强的实践意义与一定的
理论研究价值。
回声抵消器的基本原理是用一个自适应滤波器来辨识并模拟回声路径以实现
回声抵消。由于通信环境的多样性、复杂性以及考虑到自适应滤波器的特点，对
所采用的自适应算法的性能要求很高。而近三十年来半导体技术的快速发展，数
字信号处理器的运算速度大幅提高，使自适应滤波器实时、经济地实现成为可能，
为基于数字信号处理器（DSP）的回声抵消器的研制奠定了基础。
论文围绕基于数字信号处理器（DSP）的回声抵消器关键技术研究展开，通过
调研分析回声抵消器的原理、回声抵消算法理论研究以及应用实践等，对回声抵
消器进行相应的规划设计。根据回声抵消的特点，设计了一种基于数字信号处理
器（DSP）的回声抵消器。论文的主要内容为：
一：自适应滤波算法的确定：调研目前回声抵消技术的发展的现状，并分析
现有回声抵消解决方案中各种常用的自适应回声抵消算法。采用重复调整归一化
最小均方自适应滤波算法来实现回声抵消。并编写重复调整归一化最小均方自适
应滤波算法和归一化最小均方自适应滤波算法的M文件，并在Matlab平台上进行算
法仿真，以验证算法的正确性、稳定性以及算法的收敛性。
二：回声抵消器系统的硬件实现：选用德州仪器TI公司的16位定点DSP
（TMS320VC5501 ） 和 STC89LE58RD+ 单 片 机 构 成 双 CPU 系统平台，并对以
TMS320VC5501芯片为中心的DSP子系统和以STC89LE58RD+为中心的单片机子
系统进行相应的外围硬件电路设计，以及DSP与单片机接口电路的设计。
三：回声抵消器系统的软件实现：根据DSP子系统和单片机子系统的特点，进
行相应的自适应回声抵消算法的程序设计、DSP与单片机系统程序设计以及人机交
互界面的程序，并进行相应代码的编写。
关键词：回声抵消 自适应滤波 DSP 单片机
ABSTRACT
With the development of communications technology, network technology,
computer technology, the communication style is being developed to multimedia
communication. In all kinds of communication services，telephone and teleconferencing
etc；where a loudspeaker and a microphone are placed within all enclosure, acoustic
echo was inevitable yield by loudspeaker and microphone, acoustic echo affect the call
quality and disturb normal communication. Therefore, the study of the acoustic echo
canceller has a strong practical significance of certain research value.
This thesis centres on and spreads out from acoustic echo canceller Based on DSP，
By means of research and analysis the principle of the echo canceller, echo cancellation
algorithm theory research and practice, make the corresponding planning and design of
the acoustic echo canceller. This thesis is based on the characteristics of acoustic echo
canceller design a acoustic echo canceller constitute by DSP and microcontroller, and
design the hardware circuit, as well as other related equipment selection. The main
content of the paper is:
1. Adaptive filtering algorithm: Research the status of the echo cancellation
technology development and analysis of existing acoustic echo cancellation solution
commonly used in adaptive echo cancellation algorithm, and programming the M-file of
data reusing normalized least mean square algorithm and normalized least mean square
algorithm, and simulate the algorithms in Matlab platform to verify the correctness of
the algorithm, the stability and convergence performance of the algorithm.
2. Acoustic echo canceller hardware design: Select TMS320VC5501 DSP and
STC89LE58RD + MCU constitute a dual-CPU platform, and design the peripheral
hardware circuit of subsystem center of the DSP and MCU, and design the interface
circuit between DSP and microcontroller.
3. Acoustic echo canceller software design: Programming the adaptive acoustic
echo cancellation algorithm, DSP and microcontroller system software, accordance with
to the characteristics of the DSP subsystem and the microcontroller subsystem.
Key Word: Acoustic Echo Cancellation, Adaptive Filtering, DSP, MCU
目 录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 课题背景及课题来源 .....................................................................................1
§1.2 研究目的和意义 .............................................................................................1
§1.3 回声抵消技术的发展历史 .............................................................................2
§1.4 回声抵消技术的发展现状 .............................................................................3
§1.5 本课题研究内容 .............................................................................................3
第二章 回声抵消算法的研究 .........................................................................................5
§2.1 自适应滤波理论的发展 .................................................................................5
§2.2 自适应滤波原理 .............................................................................................6
§2.3 自适应滤波算法 .............................................................................................7
§2.3.1 基于维纳滤波理论的方法 ...................................................................7
§2.3.2 基于卡尔曼滤波理论的方法 ...............................................................8
§2.3.3 基于最小二乘准则的方法 ...................................................................8
§2.3.4 基于神经网络理论的方法 ...................................................................9
§2.4 自适应准则 .....................................................................................................9
§2.5 最小均方算法 ...............................................................................................10
§2.6 归一化最小均方算法 ...................................................................................15
§2.7 递归最小二乘算法 .......................................................................................16
§2.8 重复调整归一化最小均方算法 ...................................................................17
第三章 系统硬件结构设计 ...........................................................................................20
§3.1 DSP子系统电路设计 ....................................................................................20
§3.1.1 DSP数字信号处理器芯片的特点 ...................................................... 21
§3.1.2 TI德州仪器DSP概述 ...........................................................................22
§3.1.3 TI TMS320C5000系列DSP .................................................................23
§3.2 单片机子系统电路设计 ...............................................................................26
§3.3 硬件主要部分电路设计 ...............................................................................27
§3.3.1 电源模块 .............................................................................................27
§3.3.2 Codec音频编码解码电路 ................................................................... 28
§3.3.3 串行接口设计 .....................................................................................29
§3.3.4 LCD及LED显示电路 ..........................................................................30
§3.3.5 旋转编码开关电路 .............................................................................31
§3.3.6 JTAG仿真接口 .................................................................................... 32
第四章 系统软件程序设计 ...........................................................................................34
§4.1 Matlab算法仿真 ............................................................................................34
§4.2 DSP子系统程序设计 ....................................................................................35
§4.2.1 CCS简介 .............................................................................................. 35
§4.2.2 算法开发流程 .....................................................................................36
§4.2.3 系统初始化 .........................................................................................37
§4.2.4 可编程时钟设计 .................................................................................38
§4.2.5 多通道缓冲串行口McBSP设计 ........................................................ 39
§4.2.6 直接存储器访问DMA设计 ............................................................... 40
§4.2.7 程序链接及链接器命令文件 .............................................................41
§4.3 单片机子系统程序设计 ...............................................................................43
§4.3.1 旋转编码开关设计 .............................................................................44
§4.3.2 LED驱动程序 ......................................................................................47
§4.3.3 LCD驱动程序 ......................................................................................48
§4.3.4 Codec音频编码解码芯片驱动程序 ................................................... 49
§4.4 DSP Boot loader自举加载 ............................................................................ 50
§4.4.1 自举加载方式 .....................................................................................50
§4.4.2 单片机与DSP的HPI连接 ...................................................................52
第五章 系统调试及总结 ...............................................................................................56
§5.1 系统调试 .........................................................................................................56
§5.2 总结 ...............................................................................................................57
§5.2.1 本文总结 .............................................................................................57
§5.2.2 本文展望 .............................................................................................57
参考文献...................................... ...................................................................................58
附录 攻读硕士学位期间的科研成果 ...........................................................................62
致谢 .................................................................................................................................63
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题背景及课题来源
回声是我们日常生活中常见的一种声现象。声音在传播过程中，遇到较大的
障碍物（如建筑物的墙壁等）的阻挡时，会在障碍物的界面发生反射，反射回来
的声音叫回声。只要存在障碍物就会存在回声，在某些情况下，回声的现象不明
显，但不能误认为没有回声，人耳能辨别出回声的条件是反射声具有足够大的声
强，并且与原声的时差必须大于 0.1 秒。当反射面的尺寸远大于入射声波长时，听
到的回声最清楚。如果障碍物与声源的距离比较近，原声与回声的间隔小于 0.1
秒，回声就会与原声混合在一起，使人们不易察觉。
声音是以声波的形式进行传播，声音在不同的介质中传播的速度也是不同的。
在常温下，声音在空气中的传播速度大约是 340 米/秒，而且这个传播速度不会随
频率而改变，人耳到障碍物的距离至少 17 米，才能将回声和原声区别开。在封闭
的空间里，声源产生声音后，声波就在四壁上不断反射，即使在声源停止发射后，
声音还要持续一段时间，这种现象叫做混响。混响时间太长，会干扰有用的声音。
通信环境不可避免地受到声音回声的干扰，它包含如下情况[1,2]：
电话电路：在给定的地理区域，每一电话机都与中心局通过两条线（称为用
户环路）相连，以便为通话者提供通信服务。然而，当电话线路超过 35 公里时，
在不同的通信方向使用不同的通信线路是必要的。因此，要有装置完成两线到四
线的转换，这通过混合变换器（即具有三个端口的桥型电路）来实现。当桥式电
路平衡得不好时，输入端口与输出端口之间存在耦合，从而引起回声。
免提电话：使用免提电话时，我们经常发现扬声器和麦克风彼此的距离像会
议电视环境一样。在这种情况下，麦克风不仅得到扬声器发出的语音信号，而且
也得到经机壳反射获得的回声信号。结果，回声电路可能不稳定而产生所谓“啸叫”
声。此外，该系统的用户也因为听到经系统环绕往返时间而延迟了的他们自己的
声音而感到烦恼。
本研究课题来源于上海旗胜电器有限公司产学研项目：《回声抵消器》。
§1.2 研究目的和意义
为了控制和克服回声的影响以及回声所造成的烦恼，消除或抑制回声成为解
决回声问题重要课题。消除或抑制回声其实质就是消除或抑制各通信端由直达声
和反射声两部分反馈信号组成的电声反馈，一般分为建筑声学方法，电声学方法
基于DSP的回声抵消器关键技术研究
2
和数字信号处理的方法。回声抵消技术的难点主要是由于要抑制的电声反馈信号
中有大量通过室内反射声途径产生的电声反馈，他们是无限多的、连续的、无规
则延时的、各个方向的反射声信号。目前，实用的回声抵消器或仍在研究开发的
相关技术中，均采用适当的自适应方案来抑制回声。回声抵消器的基本原理是用
一个自适应滤波器来辨识并模拟回声路径以实现回声抵消[1,2,3]。
以免提电话环境为例来讲解自适应回声抵消的原理：回声抵消系统主要功能
单元有两个即扬声器-机壳-麦克风（Loudspeaker Enclosure Microphone，LEM）和
回声抵消器（Acoustic Echo Cancellation，AEC）。远端说话者的信号通过扬声器发
出，被麦克风接收，而且与扬声器-机壳-麦克风LEM的脉冲响应的卷积产生一个输
出。由于
)(nu
被周围环境反射，信号
)(nd
受到回声的污染。
图1-1 回声抵消系统结构框图
回声抵消器包含两部分：（1）横向滤波器；（2）自适应控制器。横向滤波器
用脉冲响应
)(nw
与远端说话者信号
)(nu
卷积得到回声估计，并用
)(ny
表示该估值。
就所关心的回声抵消器而言，麦克风输出组成了“期望响应”。从其输出
)(nd
中减
去滤波器所产生的“合成回声”
)(ny
，即产生误差信号
)(ne
。远端信号
)(nu
与
)(ne
起
到自适应控制器的作用，以便按照自适应滤波算法调整滤波器的抽头权值，使得
误差信号的均方值最小化。其结果是，回声抵消器输出误差信号为受到污染的本
地说话者信号提供了一个估计。
所以，在电话电路中使用自适应回声抵消器，无论距离有多远，自适应回声
抵消器可以使通话者之间免受回声影响。在免提电话中，啸叫声音和说话者自己
的延迟声音都可以最小化。
§1.3 回声抵消技术的发展历史
1959年美国斯坦福大学的Bernard Widrow与Marcian Hoff首先提出了最小均方
第一章 绪论
3
自适应算法，而英国伦敦大学帝国理工学院的Dennis Gabor和他的助手们研制了自
适应滤波器。二十世纪六十年代，朗讯科技贝尔实验室首先提出了自适应回声抵
消器技术，由于回声抵消器技术的自适应滤波方法有诸多优点，该技术提出后，
得到许多专家与厂家的推广与重视。1965年第一个自适应对消系统在斯坦福大学
建成，并将其成功应用于医学中。随后国外许多实验室和专家学者相继提出了许
多自适应算法，比较典型的有基于最小平方准则的LMS算法及其变体算法；基于
最小二乘法的RLS算法；APA（Affine Projection Algorithm）;快速横向滤波FTF（Fast
Transverse Filter Algorithm）自适应算法以及块算法（Block Adaptive Algorithm）等。
六十年代后期，美国通信卫星公司首先推出第一批模拟回声抵消系统，但该系统
由于体积及制造成本等原因，没有得到商业推广。1979年，贝尔实验室研制成功
第一批数字回声抵消器产品。数字回声抵消器产品的诞生，标志着回声控制技术
进入了一个新纪元。随着DSP处理速度和集成电路IC集成度的提高，回声抵消器体
积越来越小，应用更加广泛和方便，价格也大大降低[3,4]。
国内的回声抵消技术研究起步较晚，1997年，原电子部54所研制出单路回声
抵消器产品，并进行了小批量生产。在其后几年的时间里主要是对国外相关技术
的跟踪，并没有进行实质性的研制。另外，目前国内许多高校的实验室等也在进
行相关研究。清华大学的微波与数字通信重点实验室在NLMS算法的改进方面做了
许多工作并取得了实际进展。北京邮电学院和南京邮电学院也有和企业相结合的
相关研究，并一直走在会议电视领域研究的前列。
§1.4 回声抵消技术的发展现状
目前，作为数字信号处理领域的一个重要分支，自适应算法及回声抵消方面
的研究在国内还没有成为强势。现在大部分国内生产商是直接通过软件提供商购
买现成的回声抵消算法代码，把主要精力放在系统的实现上。因为实际系统实现
方法的不同，所采用的现成算法难免有不合设计要求的地方，这在系统投入使用
后可能会严重影响到回声抵消质量。随着我国电信网的装备渐渐达到国际先进水
平，大量新业务不断投入使用，国内的通信产品生产能力和市场不断扩大，研究
部门和生产商的技术联合已经成为一种必然趋势。所以，作为提高通信质量的一
个重要环节，回声抵消器的研发、改进具有十分的现实意义。
§1.5 本课题研究内容
本课题的研究工作大致分为整体方案调研与规划、自适应滤波算法研究、系
统结构设计、系统硬件平台设计与实现、系统软件程序设计与实现等部分。
摘要：
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摘要随着通信技术、网络技术、计算机技术等的的发展，人们的日常通信方式正向多媒体网络通信方式的发展。在各种通信方式中，凡是需要同时使用扬声器和麦克风的场合，例如会议电视、免提电话等系统终端，都不可避免地会因本地扩声系统和麦克风之间产生回声问题。回声会影响通话质量，严重时会引起啸叫而使通话无法正常进行，因此进行回声抵消器的研究具有很强的实践意义与一定的理论研究价值。回声抵消器的基本原理是用一个自适应滤波器来辨识并模拟回声路径以实现回声抵消。由于通信环境的多样性、复杂性以及考虑到自适应滤波器的特点，对所采用的自适应算法的性能要求很高。而近三十年来半导体技术的快速发展，数字信号处理器的运算速度大幅提高...
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