design and evaluation of digital signal processing algorithms for acoustic feedback and echo ...

445 Pages·2009·10.31 MB·Dutch

KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN
FACULTEITINGENIEURSWETENSCHAPPEN
DEPARTEMENTELEKTROTECHNIEK
AFDELINGESAT-SCD:SISTA/COSIC/DOCARCH
KasteelparkArenberg10–B-3001Leuven
DESIGN AND EVALUATION OF DIGITAL SIGNAL
PROCESSING ALGORITHMS FOR ACOUSTIC
FEEDBACK AND ECHO CANCELLATION
Promotor: Proefschriftvoorgedragentot
Prof. dr.ir.M.Moonen hetbehalenvanhetdoctoraat
indeingenieurswetenschappen
door
ToonVAN WATERSCHOOT
Maart2009

KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN
FACULTEITINGENIEURSWETENSCHAPPEN
DEPARTEMENTELEKTROTECHNIEK
AFDELINGESAT-SCD:SISTA/COSIC/DOCARCH
KasteelparkArenberg10–B-3001Leuven
DESIGN AND EVALUATION OF DIGITAL SIGNAL
PROCESSING ALGORITHMS FOR ACOUSTIC
FEEDBACK AND ECHO CANCELLATION
Jury: Proefschriftvoorgedragentot
Prof.em.dr.ir.Y.Willems,voorzitter hetbehalenvanhetdoctoraat
Prof.dr.ir.M.Moonen,promotor indeingenieurswetenschappen
Prof.dr.ir.J.Vandewalle,assessor
door
Prof.dr.ir.H.Vanhamme,assessor,secretaris
Prof.dr.ir.S.H.Jensen ToonVAN WATERSCHOOT
(AalborgUniversitet,Denemarken)
Prof.dr.ir.P.C.W.Sommen
(TechnischeUniversiteitEindhoven,Nederland)
U.D.C.534.86,621.391,681.5.015 Maart2009
c Katholieke Universiteit Leuven – Faculteit Ingenieurswetenschappen
(cid:13)
Arenbergkasteel, B-3001 Heverlee (Belgium)
Alle rechtenvoorbehouden. Niets uit deze uitgave mag vermenigvuldigden/of
openbaargemaaktwordendoormiddelvandruk,fotocopie,microfilm,elektro-
nisch of op welke andere wijze ook zonder voorafgaande schriftelijke toestem-
ming van de uitgever.
All rights reserved. No partof the publication may be reproducedin any form
byprint,photoprint,microfilmoranyothermeanswithoutwrittenpermission
from the publisher.
D/2009/7515/28
ISBN 978-94-6018-045-3
Voorwoord
In de zomer van 2002 betrad ik voor het eerst sinds mijn promotie als in-
genieursstudent een jaar voordien opnieuw de treden van het Departement
Elektrotechniek. Op een jaar tijd was er in mijn leven veel veranderd. Ik
was (in die volgorde) verhuisd naar Antwerpen om te gaan samenwonen met
mijn vrouw Dorien, had mijn plannen om mijn ingenieursdiploma te verbran-
deneneenconservatoriumopleidingtevolgenopgeborgen,hadmijnharenkort
laten knippen en was vader geworden van onze oudste zoon Aeneas. Na een
klein jaar lesgevenaande Hogere Zeevaartschoolin Antwerpen was ik op zoek
naar een nieuwe broodwinning waarin ik -meer dan in de nochtans gezellige
Zeevaartschool het geval was- mijn creatieve ei zou kwijtraken. Mijn oog was
gevallen op een vacature aan de K.U.Leuven in het kader van een onderzoeks-
project naar spraak- en audioverwerking, een domein waar ik altijd al een
boon voor had. Niet toevallig stond het project onder de supervisie van Marc
Moonen, die een jaar voordien ook het promotorschap van mijn eindwerk had
waargenomen. Ik solliciteerde en kreeg vrijwel onmiddellijk een bericht van
Marc met de vraag of we elkaar eens konden zien. Mijn verbazing was groot
toenMarcmeinhetdaaropvolgendegesprekvroeg“wanneerikkonbeginnen”
en dat het misschien wel een goed idee zou zijn om en passant een doctoraat
te maken. Ik had nochtans het idee dat ik tijdens mijn studentencarri`eregeen
bijster goeie indruk had gemaakt, noch kon ik een jaar na mijn promotie een
rijk gevuld CV voorleggen,laat staan dat het ooit mijn bedoeling zou geweest
zijn om te doctoreren. Maar dat leken voor Marc geen argumenten te zijn om
ernietvoortegaan: hijgeloofdeinmijnkwaliteitenendaardoorbegonikdaar
zelf ook in te geloven. Het vertrouwendatik sindsdienvan Marc hebgekregen
is iets waar ik hem altijd dankbaar voor zal zijn. Hij heeft me de tijd gegeven
om mijn doctoraatsproject grondig aan te pakken, heeft me de juiste kansen
op de juiste momenten aangeboden, en heeft altijd veel begrip gehad voor het
feit dat ik niet alleen een doctoraatsstudent was maar ook een vader van drie
jongekinderen. Oprechtbedanktdaarvoor,Marc,enikhoopdatditnogmaar
het begin is geweest van een vruchtbare samenwerking.
Naast Marc is er nog iemand die in grote mate heeft bijgedragen aan het wel-
slagen van dit project, en dat is mijn goede vriend en ancien collega Geert
i
ii Voorwoord
Rombouts. Het mag gezegd worden dat meer dan de helft van de publicaties
in dit proefschrift de vruchten zijn van onze samenwerking. Marc, Geert en ik
hebbeninheteerstejaarvanmijndoctoraatsprojectveleurengezamenlijkons
hoofd zitten breken over hoe we dat aartsmoeilijke feedbackprobleem konden
aanpakken. MochtGeertdaarmetzijngezondeKempenseboerenverstandniet
hebben bijgezeten dan waren we er wellicht nooit uitgeraakt.
Verder wil ik oprecht de leden van mijn examencommissie bedanken voor hun
deelname in de evaluatie van mijn werk. Het zijn stuk voor stuk onderzoe-
kers waarvoor ik een grote waardering heb. Prof. Joos Vandewalle wil ik in
de eerste plaats bedanken voor de prachtige onderzoeksomgeving die hij in de
loop der jaren heeft uitgebouwd. Onderzoek zoals het mijne is enkel mogelijk
in een groep als SISTA, waar onderzoekers uit verschillende disciplines elkaar
ontmoetenenindiscussiekunnentreden. Ikhoopdatikhiernogheelwatjaren
zal kunnen verderwerken. Overigens is het ook grotendeels zijn verdienste dat
ik als “proefkonijn” een doctoraat op publicaties heb kunnen maken, waar-
voor dank. Ook Prof. Hugo Van hamme wil ik van harte danken. Ondanks
het feit dat het onderwerp van mijn doctoraat toch wat verder staat van zijn
eigen onderzoek, is hij steeds met veel interesse en een grote kennis van zaken
de discussie omtrent mijn werk aangegaan. Met Prof. Piet Sommen van de
Technische Universiteit Eindhoven heb ik voornamelijk tijdens de eerste jaren
van mijn doctoraatsprojectzinvolle technische en minder technische discussies
gehad, en aangezien hij een expert ter zake is ben ik erg blij dat hij deel wil
uitmaken van mijn examencommissie. Hartelijk dank daarvoor. Also, it has
been a pleasure to work together with Prof. Søren Jensen from Aalborg Uni-
versity during the past year, and I hope we can continue to do so. I’m very
pleasedto havehim in my committee. Tot slotmoet ik bekennen dat ik al een
tijdje stiekem hoopte dat de faculteit Prof. Yves Willems als voorzitter van
mijncommissiezouaanstellen,omdatikmehemuitdelessendieikdestijdsbij
hemvolgdeherinneralseenjovialeprofessorenbegeesterdlesgever. Vanharte
bedankt om het voorzitterschapvan mijn commissie te willen waarnemen.
Ik herinner me ook nog dat ik na mijn eerste werkdagenals doctorandus mijn
verbazing uitdrukte aan mijn vrouw Dorien over de bijzondere collega’s in de
onderzoeksgroep van Marc. Ik zal nooit vergeten hoe hartelijk ik destijds als
“jongstetelg”indegroepwerdopgenomen. Nu,ruimzesjaarlater,benikzelf
bijna de oudste vande groep. Het kanverkeren. Hoe danook ben ik een grote
dankuwel verschuldigd aan al die fijne collega’s: Geert, Simon, Ann, Benoˆıt,
Gert, Koen, Geert, Hilde, Raphael, Imad, Geert, Olivier, Koen, Geert, TJ,
Narendra, Deepak, Paschalis, Jan, Vincent, Prabin, Romain, Kim, Sylwester,
Bram, Alexander, Pepe, Amir, and Beier. A special thank you to my Italian
friend and colleague Ludo. En aan al wie ik vergeten ben.
Verder moet ik natuurlijk ook mijn broodheren bedanken. Gedurende zes en
een half jaar hebben de K.U.Leuven en het Instituut voor de Aanmoediging
van Innovatie door Wetenschap en Technologie in Vlaanderen (IWT) mij van
iii
voldoendegeldvoorzienommijnonderzoekinallevrijheidtekunnenuitvoeren
en daarnaast een vijfkoppig gezin te onderhouden. Ik kan niet zeggen dat we
in al die jaren iets te kort gekomen zijn.
Ook buiten de universiteit bestaat er nog een universum waar het aange-
naamtoevenis. MijndollevriendenvanhettheatergezelschapKREUTZFELD
Verein, mijn collega-ego’svan het theatercollectief G.A.A.S., de collega-ouders
en de juffen van de Rudolf SteinerschoolDe Hazelaar,de peters en meters van
onze kinderen, iedereen die mee geholpen heeft om ons huis om te toveren in
een bouwwerf, ... al die mensen hebben mij kunnen entertainen, verstrooien,
vervoeren en motiveren op de momenten dat het nodig was. Mijn oprechte
dank daarvoor.
Er zijn negen mensen aan wie ik dit proefschrift in het bijzonder wil opdra-
gen. Ze kennen elkaar niet, maar ze hebben allemaal iets gemeen: ze hebben
mij op cruciale momenten in mijn leven begeleid, vanuit een onvoorwaardelijk
vertrouwen, en op de ´e´en of andere manier beschouw ik hen als mijn belang-
rijkste leermeesters. Frans Steurs, Dag Taeldeman, Kaat Van Bouwel, Stefaan
Dieltjens,RitaDeClercq,MarcMoonen,LilianeBierinckx,DirkBeckers,Serge
Ornelis. Dit boek is voor jullie.
Tenslotte komen de meest dierbaren aan bod. Mijn broer Jef en ik hebben
elkaaraltijd opde voetgevolgd: samengespeeld,samenin Leuvengestudeerd,
en op hetzelfde moment kinderen gekregen. Ik hoop van harte dat hij ook
nog een doctoraat zal maken... Voor mijn ouders is het einde van dit project
wellichtookeenkeerpunt. Zehebbenaltijdvandichtbijmeegeleefd,enmehun
onvoorwaardelijke steun en bewondering laten blijken. Dankjewel daarvoor.
Ook mijn schoonouders verdienen een bijzonder woord van dank. Samen met
mijn oudershebben ze ons gezinimmers altijd ondersteundwanneerdatnodig
was, zowel emotioneel als logistiek.
Aeneas, jij bent nu ongeveer even oud als dit boek, en het lijkt alsof je al veel
meerweetdanwathierinstaat. Firas,hoeweljijnudegrootsteavonturierbent
die ik ken, heb je uren, dagenenwekenbij mij inde draagdoekgezetenterwijl
ik mijn eerste artikel zat te schrijven. Istar, jij bent de beste speelkameraad
dieeenthuiswerkendepapazichkaninbeelden. Ikhoopdatjullievooralverder
doen zoals jullie bezig zijn, het is een plezier om jullie vader te zijn.
En Dorien, zonder jou zou ik hier nooit aan begonnen zijn, laat staan dat ik
het ooit zou hebben afgewerkt...
Toon van Waterschoot,
17 maart 2009
iv Voorwoord
Abstract
This thesis deals with severalopen problems in acoustic echo cancellation and
acoustic feedback control. Our main goal has been to develop solutions that
provide a high performance and sound quality, and behave in a robust way in
realisticconditions. Thiscanbeachievedbydepartingfromthetraditionalad-
hoc methods, and instead deriving theoretically well-founded solutions, based
on results from parameter estimation and system identification. In the devel-
opment of these solutions, the computational efficiency has permanently been
takenintoaccountasadesignconstraint,inthatthe complexityincreasecom-
pared to the state-of-the-art solutions should not exceed 50 % of the original
complexity.
In the context of acoustic echo cancellation, we have investigated the prob-
lems of double-talk robustness, acoustic echo path undermodeling, and poor
excitation. The two former problems have been tackled by including adaptive
decorrelationfiltersintheadaptivefilteringalgorithm,withtheaimofwhiten-
ing the near-end signal component and the residual echo component resulting
from undermodeling. These decorrelationfilters can be identified concurrently
with the acoustic echo path by using the prediction error method (PEM) for
system identification. As a result, a 30–40dB misadjustment improvement(in
the double-talk case) and a 20–35dB variance decrease(in the undermodeling
case)havebeenobtained,atthecostofacomplexityincreaseof50%compared
to the normalized least mean squares (NLMS) algorithm. The poor excitation
problem has been approached from a Bayesian minimum mean square error
(MMSE) point of view. This approach has led to the use of a regularization
matrix different from the traditional scaled identity matrix, which may in-
corporate prior knowledge on the acoustic echo path. It has moreover been
shownthat the existing proportionate adaptationalgorithms can be viewedas
a special case of the proposed approach to regularization. A misadjustment
improvement up to 10 dB has been obtained with a regularized NLMS-type
algorithmthat requiresonly 25 %more computations than theoriginalNLMS
algorithm.
v
vi Abstract
Two approachesto acoustic feedback controlhave been consideredin this the-
sis, namely notch-filter-based howling suppression (NHS) and adaptive feed-
back cancellation (AFC). In the context of NHS, we have developed a novel
parametric frequency estimation method, which is characterized by a compu-
tationalcomplexitythatislinearinthe datarecordlength. Also,a newdesign
procedure for biquadratic parametric equalizer filters is proposed, based on a
technique known as pole-zero placement. In the context of AFC, the PEM-
based AFC approach that was proposed earlier for hearing aid AFC has been
generalizedtoroomacousticandaudioapplications. ThePEM-basedapproach
relies on the identification of a near-end signal model that can be used in the
design of decorrelating prefilters. These prefilters are aimed at resolving the
AFC closed-loop signal correlation problem and hence providing an unbiased
acoustic feedback path model. We have obtained a misadjustment improve-
ment of 7 dB compared to the hearing aid PEM-based AFC algorithm and of
12 dB compared to the NLMS algorithm, at the cost of a 25–50 % complexity
increase compared to NLMS. In a comparative evaluation with the state-of-
the-artacousticfeedback controlmethods, the PEM-basedAFC approachwas
shown to outperform the existing phase-modulating feedback control (PFC)
and NHS methods, as well as the AFC methods that apply a decorrelation in
the closed signal loop, in terms of the achievable maximum stable gain and
sound quality, both for speech and audio signals.