Adaptif filtreleme ile akustik yankı iptali
Acousting echo cancellation with adaptive filtering
Yazar: AHMET REŞİT KAVSAOĞLU
Danışman: Y.DOÇ.DR. YÜKSEL ÖZBAY
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2005
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
İ ÖZET Yüksek Lisans Tezi ADAPTİF FİLTRELEME İLE AKUSTİK YANKI İPTALİ Ahmet Reşit KAVSAOĞLU Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik-Elektronik Müh. Anabilim Dalı Danışman: Yrd.Doc.Dr. Yüksel ÖZBAY 2005, 114 sayfa Jüri: Prof.Dr. Mehmet BAYRAK Yrd.Doç.Dr. Yüksel ÖZBAY Yrd.Doç.Dr. Ercan YALDIZ Ses iletim sistemlerinde yankı gürültüsü, ses sinyalinin kalitesinin ve anlaşırlığının düşmesine neden olur. Çünkü yankı, hoparlörden çıkan seslerin konuşmacının mikrofonu tarafından toplanmasıyla oluşur. Konuşmacının mikrofonu tararından toplanan bu sesler, hoparlöre tekrar gönderilir. Bu olayın tekrarı sonucunda yankı şiddeti artar. Bu çalışmada yankının iptali ile konuşma sinyalinin anlaşılırlığının yükseltilmesi hedeflenmiştir. Adaptif filtre, filtre cevabını belirleyen katsayıları işlem esnasında güncelleyebilen bir filtredir. Adaptif filtre, filtre yapısı ve adaptasyon algoritmasından oluşmaktadır. Filtre yapısı olarak, FIR (Finite Impulse Response) ve IIR (Infinite Impulse Response) filtre yapılan kullamlmaktadır. Karlılık yönünden çoğunlukla uygulamalarda bu çalışmada da olduğu gibi FIR filtre yapısı tercih edilmektedir. Adaptif filtre uygulamalarında LMS (Least Mean Squares) adaptasyon algoritması çok yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmada LMS adaptasyon algoritması, yankıyı iptal etmek için FIR filtre katsayılarını ayarlayacak şekilde oluşturulur. Dolayısıyla adaptif filtre çıkışında yankı iptal edilmektedir. Bu tür uygulamalar yüksek hızlı dijital sinyal işleyiciye (DSP) ihtiyaç duymaktadır. Örneğin, bir ses sinyalini gerçek zamanda işleyebilmek için gerekli işlemlerin örnekleme periyodu aralığında bir zamanda gerçekleştirilmesi gerekmektedir. Bu ise işlem yoğunluğunun fazla obuasından dolayı gerçek zamanda sinyal işlemeyi kısıtlamaktadır. Bu amaçla bu çalışmada TMS320C6713 dijital sinyal işlemcili kit kullanılmıştır. Bu kit, ses sinyallerini işlemek için bir ses kartına ve Uygulama Geliştirme Ortamı yazılımına sahiptir. Bu yazılım C dili destekli programlar yazabilmemize, DSP kart donanımını kontrol edebilmemize, uygulama yazılımları geliştirmemize ve çalıştırmamıza imkân sağlamaktadır.İİ Bu tez çalışmasında, DSP kartının gerçek zamanda ses sinyallerini işleyebilmesi için gerekli veri transferi yazılımı ve DSP kartına akustik yankı iptali uygulaması için gerekli adaptif filtreleme algoritması yazılımı geliştirilmiştir. Adaptif filtre içerisinde kullanılan LMS adaptasyon algoritması için optimum ar - adaptasyon oram değerini belirleme algoritması önerilmiştir. Bu optimum ar değerini belirleme algoritması, bir konuşmacılı tek yönlü ses konferans uygulaması üzerinde incelenmiştir. Ayrıca önerilen optimum ar değerini belirleme algoritması ile, iki konuşmacılı çift yönlü ses konferans uygulaması gerçekleştirilmiştir. Yapılan iki uygulamadan ar değerinin optimum seçilmesi için referans girişinin gücü ile ilişkili olarak değişmesi gerektiği anlaşılmıştır. Yankı sinyalinin şiddeti maksimum güçte iken ar değerinin büyük seçilmesiyle adaptif filtre çıkışırım optimuma yaklaştırılması sağlanmıştır. Adaptif filtre çıkışının optimum olması, yankı sinyalinin gücünün azalmasına sebep olur. Yankı sinyalinin gücü azaldığında yankısız durumun korunması için filtre katsayılarının sabit değerde kalması gerekir. Bunun sağlanabilmesi için ar değerinin filtre katsayılarım değiştirmeyecek bir değere sıfıra yaklaştırılması gerekmektedir. Bu tez çalışmasında yankı sinyalinin gücüne bağlı optimum ar değerini belirleme algoritması geliştirilmiştir ve bu algoritmanın yankı iptalinde oldukça başarılı olduğu gösterilmiştir. Anahtar Kelimeler: Adaptif filtreleme, adaptasyon oram, LMS algoritması, FIR filtre, Yankı İptali

Abstract:
İİİ ABSTRACT Master Thesis ACOUSTIC ECHO CANCELLATION WITH ADAPTIVE FILTERING Ahmet Reşit KAVSAO?LU Selçuk University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Electrical-Electronics Engineering Supervisor: Asst. Prof. Dr. Yüksel ÖZBAY 2005, 114 pages Jury: Prof.Dr Mehmet BAYRAK Asst. Prof.Dr. Yüksel ÖZBAY Asst. ProfDr. Ercan YALDIZ Echo noise in voice transmission systems severely degrades the speech quality and the speech intelligibility of speech signal. Because, echo is formed through picking up sounds from the loud speaker by speaker microphone. These picked sounds are sent to loudspeaker again. As a result of repetition of this process, the amplitude of the echo increases. In the study, it is aimed to enhance the intelligibility of speech by canceling out the echo noise. Adaptive filter is a filter which can update the coefficients that determine the filter response during the process. It consists of a filter structure and an adaptation algorithm. As a filter structure, FIR (Finite Impulse Response) and IIR (Infinite Impulse Response) filter structures are used. As the case in this study, FIR filter structure is preferred with regards to stability. LMS (Least Mean Squares) is a commonly used adaptation algorithm in adaptive filtering applications. In this study, LMS adaptation algorithm is formed as it adjusts FIR filter coefficients for cancellation of echo. Thus the echo in the output of adaptive filter is canceled. These types of applications require high speed digital signal processor (DSP). For example, the necessary processes in the real time processing of a sound signal must be realized in a time in sampling period. This limits real time signal processing because of high computational burden. For this purpose TMS320C6713 digital signal processor board is used in this study. This board involves a sound card to process sound signal and an Application Development Domain software. This software provides us to prepare programs supported with C language, to control DSP card hardware, to develop and realize application softwares.IV In this thesis study, the data transfer software which is necessary for real time processing of voice signals and the adaptive filtering algorithm software for the application of acoustic echo cancellation were developed. An algorithm has proposed for the determination of optimum ar-adaptation rate for LMS adaptation algorithm that is used in the adaptive filter. This optimum ar value determination algorithm was analyzed on a single direction voice conference application with one speaker. Also a voice conference application with double direction and two speakers was realized. From the applications it was seen that to choose the optimum value of ar, it must be updated in relation with the power of reference input. By selecting ar value to be high when the power of echo signal is highest, the output of adaptive filter is approached to the optimum. Thus, the optimum adaptive filter output causes the power of echo signal to be decreased. It is necessary for filter coefficients to be fixed to maintain the echoless situation when the power of echo signal decreases. To provide this, the ar value must be converged to zero such that the filter coefficients don't change. In this thesis study, an optimum ar value determination algorithm depending on the power of echo signal was developed and this algorithm has shown to be very successful in cancellation of echo. Key Words: Adaptive filtering, adaptation rate, LMS algorithm, FIR filter, echo cancellation