CN100571225C - 适用于均衡的时间延迟的估计 - Google Patents

Abstract

一种适用于在离散时间处理系统中的时间延迟估计的系统，该系统包括一个交叉相关器，它可以对第一信号和第二信号进行交叉相关处理，并提供交叉相关输出信号，以表示该信号。滞后平滑器接收交叉相关后的输出信号，并提供滞后平滑后的输出信号，以表示该信号。选择逻辑模块可以从各组表示滞后平滑输出信号中选择预订数量的信号数值，以计算与第一和第二信号相关的时间延迟估计量。

Description

适用于均衡的时间延迟的估计

优先权信息

本申请享有美国临时专利申请号60/382,717，申请日2002年5月23日，专利名称为“时间延迟的估计器”，该专利通过参考合并与此。

发明背景

本发明涉及通讯领域，尤其涉及数字通讯领域和计算/估计出通过通讯信道所传输的信号的时间延迟。

众所周知，令人讨厌的回声时常会在通讯系统中产生，例如，长距离工作的电话系统中，或者在诸如采用长处理延迟的数字手机系统。回声是由在四进二出/二进四出的引线混合电路中的漏电引起的，其主要原因是由于在局部环路线路和平衡网路之间混合电路中的阻抗失配。为了能够减小回声，通讯系统一般都包括一个和多个回声消除器。

图1是说明一个连接着至少两个用户12和14的通讯系统的方框图。第一位用户一般采用双绞线16和混合电路18连接着通讯系统10。该混合电路18将双绞线16连接至四绞线20和22。第一四绞线20通过第二混合电路24和双绞线26向第二位用户提供信号。相类似，来自第二位用户14的信号可通过双绞线26、第二混合电路24和四绞线20和22路由至第一位用户12。在一种应用中，混合电路可以设置在电话公司的中央业务处。为了减小由于混合电路的阻抗失配所耦合的回声，可包括回声消除器30和32，以衰减所不需要的回声。

回声消除器一般都包括一个自适应滤波器，它可以产生回声的估计量并且能够从返回信号中减去该估计量。如同任何自适应离散时间滤波器一样，可以根据在回声信号的估计量和返回信号之间的差异来调整滤波器的分支权重(tap weight)。自适应滤波器采用一种自适应控制算法来调整该分支的权重，以便于使得差异信号的值驱向于零或最小值。

采用现有回声消除器所存在的一个问题是它们所需要处理回声的尾部长度长达128ms。然而，为了能够满足这一需求，自适应滤波器就必须具有1024个分支。当然，要提供具有如此多数量分支的这类滤波器就会引起处理的复杂性。特别是，如果自适应滤波器是采用处理器来实现的话，实现具有1024分支的滤波器就需要进行大量的处理。相类似，如果自适应滤波器是采用专用集成电路(ASIC)来实现的话，实现具有1024分支的滤波器就需要大量的门电路。

因此，就需要一种时间延迟估计器，它有可能应用于包括一个计算效率的自适应滤波器，和包括时间延迟的估计器的回声消除器。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种适用于在离散时间处理系统中的时间延迟估计的系统。该系统包括一个交叉相关器，它可以对第一信号和第二信号进行交叉相关处理。滞后平滑器接收交叉相关后的输出信号，并提供滞后平滑后的输出信号，以表示该信号。选择逻辑模块可以从表示滞后平滑输出信号的各组中选择预订数量的信号值，以计算与第一和第二信号相关的时间延迟估计量。

本发明上述个其它目的、性能和优点将通过以下参考附图的较佳实施例的详细描述变得更加显而易见。

附图的简要描述

图1是包括一个回声消除器的通讯系统的方框图；

图2是说明时间延迟估计器的方框图；

图3简化说明了交叉相关器的输出图形；

图4简化说明了由滞后平滑器所执行的计算；和，

图5是说明时间延迟估计器的功能方框图。

具体实施方法

图2是说明时间延迟估计器200的方框图，该时间延迟估计器200分别接收在线路196和198上的发送信号x[k]和接收信号y[k]。当发送信号x[k]在一通讯信道上发送时，一般都会经历时间延迟。该时间延迟会影响接收端上的解码约束条件。

所发送的信号x[k]和它所相关的接收信号y[k]可以是语音信号(即，可以按8KHz采样)。然而，本领域普通熟练人士应该意识到，本发明时间延迟估计器200的教导并不限制于本内容。本发明可以使用其它类型的信号，例如，在通讯网络、雷达系统或类似系统中所使用的信号。

时间延迟估计器200可以接收所发送的信号x[k]和它所相关的接收信号y[k]。由于语音信号的大部分能量集中在它带宽的下半部分中，因此它可以下变换至4KHz(即，以2作为因子进行抽取(decimate))。时间延迟估计器200包括可分别接收信号x[k]和y[k]的第一抽取器207和第二抽取器208。抽取器207和108以2作为因子下变换输入信号。然而，可以预期，也可以使用其它抽取因子。因此，输入至抽取器207和208的各个输入数据块包括，例如，1024个采样，而最终抽取后所输出的各个信号包括每个数据块512采样。本发明也可以使用每个数据块具有更多或更小采样的信号x[k]和y[k]。

抽取器207和208分别提供线路210上的第一抽取输出信号和线路212上的第二抽取输出信号。该抽取后的输出信号可输入至交叉相关器202。交叉相关器202也可以对下变换的输出进行数值操作，例如，进行平均处理操作。交叉相关器202对线路214提供输出信号，其中，在线路214上的输出信号包括信号值(即，在线路214上的信号的峰值)，它可以表示在离散信号x[k]和y[k]之间的时间延迟。由于语音信号是非固定的，因此在现有技术中就难以单独采用交叉相关器来确定时间的延迟。时间延迟估计器200提供了对非固定的离散信号确定时间延迟的功能。

图3是交叉相关器202输出信号的简化图形。该交叉相关可以一个采样一个采样地的方式来执行。由一个采样一个采样地方式所执行的相关计算可以表示为：

$R_{\mathrm{\τ}}\left[n\right]=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}^{n-i}x\left[i\right]y[i-\mathrm{\τ}]$ 等式1

其中，n是采样索引值，λ是遗忘因子数值，以及τ是滞后索引值。采样索引与下变换信号中的数据值的数量有关。在这种情况下，由于在该实施例中在线路210和212(图2)上的每个下变换信号都具有512个数据值，采样索引值n是512。

交叉相关也可以基于块-块的方式来执行，其中，每个块包括在一定时间上的信号值。基于块-块所进行的交叉相关器202的计算可表示为：

$R_{\mathrm{\τ}}\left[k\right]=\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}^{k-j}\underset{i=(k-1)B+1}{\overset{\mathrm{kB}}{\mathrm{\Σ}}}x\left[i\right]y[i-\mathrm{\τ}]$ 等式2

其中，k是块索引值，B是块长度值，λ是遗忘因子值，以及τ是滞后索引数值。在一个实施例中，块长度可以是5ms。这类交叉相关给出了在分析两个信号x[k]和y[k]的空间尺寸。由于交叉相关器202也较佳地对其输入值进行平均处理，它可以显示出递归关系等效于公式2的关系，例如：

$R_{\mathrm{\τ}}\left[k\right]=\mathrm{\λ}{R}_{\mathrm{\τ}}\left[k-1\right]+\underset{i=(k-1)B+1}{\overset{\mathrm{kB}}{\mathrm{\Σ}}}x\left[i\right]y[i-\mathrm{\τ}]$ 等式3

可适用于进行块-块交叉相关。

交叉相关提供了输出平均值，它可以是正的也可以是负的。然而，交叉相关输出也可以包含在信号x[k]和y[k]中的时间延迟效应。交叉相关输出并不提供时间延迟效应的精确描述，因为相关信号是语音信号，它呈现出非固定属性。正因为如此，就需要进行其它分析，以计算时间延迟的估计量。

再参考图2，交叉相关器202的输出信号输入至滞后平滑器204，该滞后平滑器也对数据块进行操作。滞后平滑器204对交叉相关器202的输出信号进行平滑操作。例如，滞后平滑器204使用滑动窗口计算对交叉相关器202输出计算均衡。该滑动窗口可以包含整个交叉相关器202输出信号的序列。该滤波方法可产生比交叉相关器202输出的数据值数量更小的输出数据值组。在一个实施例中，滞后平滑器204接收512个数据值作为输入并输出32个数据值。其原因是，在该实施例中的滞后平滑器204包括一个接近于24个数据值的滑动窗口尺寸，以创建每个滞后平滑器的输出信号序列。该滑动窗口也可以用之前的滞后平缓输出的滞后与输入数据值相重叠，以产生下一个滞后平滑输出。滞后平滑器204计算交叉相关器202输出的平均功率。于是，滞后平滑器204所输出的值都是正值。

图4是滞后平滑器204所执行的计算分析的简化说明。该滞后平滑器204计算交叉相关输出的功率平均，并且使用滑动窗口30。在一个实施例中，滑动窗口30具有24个数据采样的尺寸，当然它也可以选择不同的窗口尺寸S。正如图2所示，交叉相关器202输出大约512个数据采样，因而对于24个的窗口尺寸的情况来说，滞后平滑器204提供32个输出。

仍旧参考图4，滑动窗口30对在窗口中所存储的数据采样进行平均处理，这提供了滞后平滑输出信号值36。移动滑动窗口30，以产生第二个滞后平滑输出值38。滑动窗口30可以与通过重叠区域40显示的滞后平滑器输出的之前计算中使用的数据值/滞后重叠。

滞后平滑器可以下列公式来计算输出数值：

${\tilde{R}}_r\left[k\right]=\underset{i=(r-1)L-P}{\overset{\mathrm{rL}+P}{\mathrm{\Σ}}}{R_i}^2\left[k\right]$ 公式4

式中：L是滑动窗口尺寸，P是窗口重叠的尺寸，以及r表示由滞后平滑器204所产生的数组数量。在该实施例中，值r分布在1-32之间，其中各个数值都与一个滞后平滑器204的输出相关，正如图4所示(例如，滞后平滑器输出信号值36，38)。同样，L的值是16和P的值是4，因此滑动窗口30的尺寸就是24，其中滑动窗口30任一侧上有4个数据输入的重叠。由于在公式4中的表示式执行了交叉相关输出的平方的求平均，所以滞后平滑器204的输出是正的。

来自滞后平滑器204的输出被输入至时间平滑器/滤波器205，进行临时求平均。例如，在一数据块中的每一个输入信号都可以输入至一个相关的信号极性滤波器(即，IIR滤波器)。这些滤波器可以减小滞后平滑器输出的变化。时间平滑器205是可选的，且是时间延迟估计器200的较佳元件，因为它可进一步减小变化，以提供时间延迟的较好估计量。

图5是时间平滑器205的示意图，它可以接收来自滞后平滑器204的输出。时间平滑器205执行滞后平滑器204输出的临时求平均。时间平滑器205包括多个滤波器(例如，50、52和54)，可接收来自滞后平滑器204的相关的一个信号。各个滤波器50、52和54较佳的是具有单一极性的低通滤波器(例如，IIR滤波器)。时间平滑器的工作可以下列公式来表示：

$S_r\left[k\right]=(1-\mathrm{\α})S_r[k-1]+\mathrm{\α}{\tilde{R}}_r\left[k\right]$ 公式5

式中：α是多个滤波器(50、52和54)中每一个滤波器的有效存储器长度，是与滞后平滑器204输出有关的组，以及r对应于来自滞后平滑器204的输出索引。在一个实施例中，r值的范围是在1和32之间。时间平滑器205也保持着在计算它的平滑输出的过程中的状态信息。

如果选择逻辑模块206的输入来自于时间平滑器205，时间平滑器205也可以执行其它有助于选择逻辑模块206选择相关峰值的功能。例如，如果离散信号x[k]和y[k]包含在线路210和212上的低信号值或者单独的信号噪声，这些信号将产生穿过交叉相关器202、滞后平滑器204和时间平滑器205的输出，它们是零或者价值不明显的。因此，这就需要选择逻辑模块206不会将零或者价值不明显的新峰值来取代它之前的峰值。时间平滑器205可通知置信模块62，由该模块依次通知选择逻辑模块206，以保持它在该情况中的之前状态信息。另一情况是当到时间平滑器205的输出是相当类似的相同值时，则对产生可靠时间延迟估计中的这些输出具有较低的置信，因为在时间平滑器205输出之间存在着非常低的扩展。在这种情况下，时间平滑器205通知置信模块62，它也通知选择逻辑模块206不再通过从它输出中选择峰值来改变状态。这就减小了选择逻辑模块206不可靠输出的几率。置信模块62较佳地使用布尔数值来通知选择逻辑模块206以表示它是否应该改变它的状态，这将在下文中讨论。

时间平滑器205就可以使用强度模块60和置信模块62，来确定到时间平滑器205的输入是否足够可靠保证选择逻辑模块206来选择峰值。强度模块60测量到交叉相关器202的输入是否处于足以在选择逻辑模块206选择峰值的强度电平上。强度模块60经由信号线209通知时间平滑器205测量到的强度电平。置信模块62在线路211上接收来自时间平滑器205表示强度电平是否在能够适合于继续处理线路210和212上输入的电平上的指示。置信模块62在线路220上向选择逻辑模块62提供布尔信号，这是有关到时间平滑器205的输入将产生精确时间延迟估计的可靠性的确认信号。一般来说，确认强度是否足以提供精确时间延迟信息的置信的任务划分可以由时间平滑器205或置信模块62及其它等等来计算。在任何事件中，较佳实施例是离散时间系统并且处理步骤与可执行软件/固件例程有关。然而，本发明的系统也可以采用ASIC或通用处理器来实现。在线路220上的“0”布尔信号值表示到时间平滑器205的输入将产生可靠时间延迟估计的置信是低的。类似，在线路220上的“1”布尔符号数值表示到时间平滑器205的输入将产生可靠时间延迟估计的置信是高的(即，不是低的)。

例如，如果强度模块60和时间平滑器205确定在线路210和212上输入信号的强度电平不适合于产生时间延迟估计，则时间平滑器205就向置信模块62提供一个表示该结果的信号。置信模块62向选择逻辑模块206输出一个布尔信号值“0”，以通知选择逻辑模块206不改变它的状态。反之，将允许交叉相关器202的输出继续输入至滞后平滑器204。这时，时间平滑器205分析它的输入，以确定这些值是否足以由选择逻辑模块62进一步处理。如果不能，则时间平滑器205将这一结果通过线路211通知置信模块62，由置信模块62在线路220向选择逻辑模块206发送布尔信号“0”。这一布尔信号值通知选择逻辑模块206不改变它的状态。反之，如果到时间平滑器205的输入确定为适合于进一步处理，则时间平滑器205就通知置信模块62。置信模块62继续向选择逻辑模块206发送布尔符号值“1”，以允许选择逻辑模块206通过从它的输入选择峰值来改变它的状态。

滞后平滑器204和时间平滑器205的输出都有助于确定非固定信号的时间延迟估计，例如，语音信号。滞后平滑器204和时间平滑器205的输出可提供用于确定非固定信号的时间延迟估计的峰值。在两个输出之间的主要差异是时间平滑器205针对减小滞后平滑器输出的变化，以提供更为可靠的输出来确定时间延迟估计。

选择逻辑模块206可以接收时间平滑器205和滞后平滑器204的输出，正如图2所示。在确定时间延迟估计时，峰值可由选择逻辑模块206来选择，以表示时间延迟估计。选择逻辑模块206可以从它的输入来选择高值的选择组。例如，选择逻辑模块可以选择四个信号值。这些峰值可以存储，直至存储了不同于所存储的数据值的具有峰值数值的新组数据值。正如以上所提及的，时间平滑器205也可以通知选择逻辑模块206它的输入是否是使用置信模块62和强度模块60选择的多个峰值数值中的所需值。如果确定峰值不是所需的，则选择逻辑模块206保持着它原先存储的峰值，正如以上所讨论的。

尽管已经参考几个较佳实施例讨论和显示本发明，但是可以在不背离本发明精神和范围的条件下对上述形式和其详细描述作出各种改变、省略和附加。

Claims (25)

1.一种用于在离散时间处理系统中的时间延迟估计的系统，其特征在于，该用于时间延迟估计的系统包括：

交叉相关器，它可以对第一信号和第二信号进行交叉相关处理，从而产生交叉相关的输出信号，所述交叉相关器一个数据块-一个数据块地执行交叉相关，并使用关系：

$R_{\mathrm{\τ}}\left[k\right]={\mathrm{\λR}}_{\mathrm{\τ}}[k-1]+\underset{i=(k-1)B+1}{\overset{\mathrm{kB}}{\mathrm{\Σ}}}x\left[i\right]y[i-\mathrm{\τ}]$

来定义所述数据块-数据块交叉相关，式中：x[i]是发送信号，y[i]是接收信号，i是采样索引，k是数据块索引，B是数据块的长度，τ是滞后索引，以及λ是遗忘因子；

滞后平滑器，它对所述交叉相关的输出信号进行平滑处理，从而产生滞后平滑的输出信号；和，

选择逻辑模块，它用于从表示所述滞后平滑的输出信号的各组中选择预订数量的最高峰值，以计算所述时间延迟估计量，

其中，所述第一信号是在通信信道上的发送信号，所述第二信号是与所述第一信号相关的接收信号。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一和第二信号是来自一对下变换器的输出。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述交叉相关器执行时间权重交叉相关。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述交叉相关器一个采样一个采样地执行交叉相关。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述滞后平滑器对所述交叉相关的输出信号的滞后进行功率平均。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述滞后平滑器使用预订尺寸的窗口来进行所述平均处理。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述窗口是重叠的窗口。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括时间平滑器，它用于对滞后平滑的相关输出的组进行时间平均处理并且产生所述各组。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述时间平滑器包括多个低通滤波器。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一和第二信号分别具有4KHz的采样速率。

11.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述窗口尺寸与在所述交叉相关中的数据相重叠。

12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述滞后平滑器使用关系：

${\tilde{R}}_r\left[k\right]=\underset{i=(r-1)L-P}{\overset{\mathrm{rL}+P}{\mathrm{\Σ}}}{R_i}^2\left[k\right]$

来定义所述滞后平滑器产生的输出值，其中：L是所述窗口的尺寸，P是所述重叠的尺寸，r是由所述滞后平滑器所产生的数组数量。

13.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述时间平滑器可定义为：

$S_r\left[k\right]=(1-\mathrm{\α})S_r[k-1]+\mathrm{\α}{\tilde{R}}_r\left[k\right]$

式中：α是由所述时间平滑器使用的滤波器的有效长度，以执行所述滞后平滑的相关输出的组的时间平均处理，

是与滞后平滑器的输出有关的组，r是由所述滞后平滑器所产生的数组数量。

14.一种在离散时间处理系统中时间延迟估计的方法，其特征在于，该方法包括：

一个数据块-一个数据块地交叉相关第一信号和第二信号，从而产生交叉相关的输出信号，所述交叉相关处理使用关系：

$R_{\mathrm{\τ}}\left[k\right]={\mathrm{\λR}}_{\mathrm{\τ}}[k-1]+\underset{i=(k-1)B+1}{\overset{\mathrm{kB}}{\mathrm{\Σ}}}x\left[i\right]y[i-\mathrm{\τ}]$

来定义所述数据块-数据块交叉相关，式中：x[i]是发送信号，y[i]是接收信号，i是采样索引，k是数据块的索引，B是数据块的长度，τ是滞后索引，以及λ是遗忘因子数值；

平滑所述交叉相关的输出信号，从而产生滞后平滑的输出信号；和，

从表示所述滞后平滑输出信号的各组中选择预订数量的最高峰值，以计算所述时间延迟的估计量，

其中，所述第一信号是在通信信道上的发送信号，所述第二信号是与所述第一信号相关的接收信号。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第一和第二信号是从一对下变换器输出的。

16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述交叉相关包括执行时间权重交叉相关。

17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述交叉相关包括一个采样一个采样地执行交叉相关。

18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述平滑包括对所述交叉相关输出信号的滞后进行功率平均。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述平滑包括使用预订尺寸的窗口来进行所述平均处理。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述窗口是重叠的窗口。

21.如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括将滞后平滑的相关输出组进行时间平均处理并产生所述各组。

22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述时间平均处理使用低通滤波器来进行所述时间平均处理。

23.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第一和第二信号分别具有4KHz的采样速率。

24.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述平滑使用关系：

${\tilde{R}}_r\left[k\right]=\underset{i=(r-1)L-P}{\overset{\mathrm{rL}+P}{\mathrm{\Σ}}}{R_i}^2\left[k\right]$

来定义所述平滑的输出值，其中：L是所述窗口的尺寸，P是重叠的尺寸，r是由所述滞后平滑器所产生的数组数量。

25.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述时间平滑可定义为：

$S_r\left[k\right]=(1-\mathrm{\α})S_r[k-1]+\mathrm{\α}{\tilde{R}}_r\left[k\right]$

式中：α是用来执行所述滞后平滑的相关输出的组的时间平均处理的滤波器的有效长度，是与滞后平滑器的输出有关的组，r是由所述滞后平滑器所产生的数组数量。

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