CN100588212C - 基于simo信道盲辨识的多路回波消除系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于SIMO信道盲辨识的多路回波消除系统包括回波消除器、麦克风、喇叭，近端麦克风、远端喇叭对接，近端喇叭、远端麦克风对接，每对麦克风、喇叭间连接一个回波消除器，回波消除器包括SIMO盲辨识模块、声音估计模块、对讲检测模块、回波信道估计模块、卷积模块、加法器，SIMO盲辨识模块、声源估计模块、卷积模块、加法器依次连接，声源估计模块的输出通过对讲检测模块与SIMO盲辨识模块连接，且通过回波信道估计模块与卷积模块连接，SIMO盲辨识模块、声源估计模块同时通过m个并行输入端IX与m个远端麦克风、近端喇叭连接，加法器、回波信道估计模块、对讲检测模块通过一个输入端IY与一个近端麦克风连接，通过一个输出端OUT与相应一个远端喇叭连接。本发明失调小、回波干扰少。

Description

基于SIMO信道盲辨识的多路回波消除系统

技术领域

本发明涉及封闭语音环境中的回波消除技术，具体是指基于SIMO(SingleInput Multi Output单输入多输出)信道盲辨识的多路回波消除系统。

背景技术

随着电子通信技术的飞速发展，特别是多媒体通信的发展，免提通信设备在移动通信，车载通信和电视电话会议等系统中获得了广泛应用。但这些系统经常难以回避回波的困扰，比如在由喇叭、房间和话筒构成的封闭语音环境中回波问题非常严重。为了改善话音通信质量，回波消除器被用来消除喇叭与话筒之间的耦合，以减少回波干扰，力求在实际应用中建立有效的免提通信系统。另一方面，为了增强声音的空间效果和提高通话的舒适性，多路话音通信是必要的。然而对于多路话音通信，有多条声学路径需要辨识，需要进行多路回波消除。现有的回波消除专利技术许多都是针对单路回波消除。与单路回波消除相比，多路回波消除面临一些新的问题。由于需要唯一地辨识出多条声学信道，多路回波消除比单路问题更加困难，传统多路回波消除器无法唯一地估计近端房间的脉冲响应。另外，由于多个输入信号之间的强相关性，传统的多路回波消除器的失调很大，不能很好地满足应用要求。由于这两个原因，传统多路回波消除器的性能受到极大限制。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种失调小、回波干扰少，话音通信质量好的基于SIMO信道盲辨识的多路回波消除系统。

本发明的目的还在于提供上述基于SIMO信道盲辨识的多路回波消除系统的多路回波消除方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：本基于SIMO信道盲辨识的多路回波消除系统包括回波消除器、麦克风、喇叭，每一个近端麦克风连接一个远端喇叭，反之，每一个远端麦克风也连接一个近端喇叭，每一对麦克风、喇叭之间连接一个回波消除器，所述回波消除器包括用于估计或更新远端房间脉冲响应的逆即g参数的SIMO盲辨识模块、用于在g参数的基础上估计远端房间声源信号的声源估计模块、用于检测判断是否存在对讲信号，并将检测判断结果输入到SIMO盲辨识模块和回波信道估计模块的对讲检测模块、用于根据声源信号获取回波路径脉冲响应的估计的回波信道估计模块、用于将声源信号和回波路径脉冲响应的估计进行卷积得到回波信号的估计的卷积模块、用于根据近端房间麦克风接收的信号和回波信号的估计得出消除回波之后的干净信号的加法器，所述SIMO盲辨识模块、声源估计模块、卷积模块、加法器依次连接，所述声源估计模块的输出还通过对讲检测模块与SIMO盲辨识模块连接，且通过回波信道估计模块与卷积模块连接，所述SIMO盲辨识模块、声源估计模块同时通过回波消除器的m个并行输入端IX与m个远端麦克风、近端喇叭连接，所述加法器、回波信道估计模块、对讲检测模块通过回波消除器的一个输入端IY与一个近端麦克风连接，加法器的输出端通过回波消除器的一个输出端OUT与相应的一个远端喇叭连接。

为更好地实现本发明，所述SIMO盲辨识模块包括m个初始构造矩阵模块、m个后续构造矩阵模块、总构造矩阵模块、更新计算模块、g参数缓存模块，所述m个初始构造矩阵模块中的第1个初始构造矩阵模块与m个后续构造矩阵模块中的第1个后续构造矩阵模块相连接，第m个初始构造矩阵模块与第1～m个后续构造矩阵模块分别相连接，所述m个后续构造矩阵模块与总构造矩阵模块连接，总构造矩阵模块、更新计算模块、g参数缓存模块依次连接，更新计算模块与对所述对讲检测模块连接。

所述g参数缓存模块包括m个存储器。

本基于SIMO信道盲辨识的多路回波消除系统的多路回波消除方法，其包括参数更新与回波消除，所述参数更新与回波消除并行进行，所述参数更新是指在没有双方对讲的情况下，估计或更新远端房间脉冲响应的逆即g参数，以及回波路径脉冲响应即回波信道估计模块中自适应回波信道特性估计

若双方存在对讲，回波消除继续进行，但参数不更新；所述回波消除是指在已知远端房间脉冲响应的逆即g参数的基础上，估计远端房间源信号

结合回波路径脉冲响应的估计

进而得到回波信号的估计

近端房间麦克风的接收信号y(t)减去回波信号的估计

得到消除回波之后的干净信号，从而达到回波消除的目的。

所述回波消除的步骤包括：

(1)对SIMO盲辨识模块中的g参数缓存模块进行初始化，并对回波信道估计模块中自适应回波信道特性估计

进行初始化；

(2)通过g参数缓存模块将g参数送入声源估计模块，同时远端房间麦克风信号x₁(t)，…，x_m(t)也被输入声源估计模块，声源估计模块处理得出远端房间声源信号的估计值

并将

传送给对讲检测模块和回波信道估计模块；

(3)回波信道估计模块接收到

后，将与

卷积，得到回波的估计

(4)回波的估计取反后被送往加法器，输入加法器的近端房间麦克风接收的信号y(t)减去回波估计

得到

为去回波之后的干净信号，实现回波消除；

(5)返回步骤(2)，继续进行回波消除。

所述参数更新的步骤包括：

(1)对讲检测模块周期时间检测判断是否存在对讲信号，并将检测判断结果输入到SIMO盲辨识模块和回波信道估计模块，决定是否进行参数更新，如果存在双方对讲，不用进行参数更新，如果没有双方对讲，则进行步骤(2)和步骤(3)；

(2)SIMO盲辨识模块对输入的x₁(t)，…，x_m(t)和y(t)进行处理，处理结果传送给SIMO盲辨识模块中的更新计算模块，以更新g参数缓存模块中的g参数；

(3)由自适应算法得到新的回波信道特性估计即

并对回波信道估计模块原保存的

进行更新。

所述周期时间为0.3～2秒。

所述对讲判断的步骤是：

(1)由周期时间中断触发，对讲检测模块计算

与y(t)之间的相关系数

(2)判断相关系数ξ与阀值c₁的大小关系，其中c₁为正数，取c₁＝0.1～0.5，如果 $\left|\mathrm{\ξ}(\hat{s}\left(t\right),y\left(t\right))\right|>c_1,$ 认为没有双方对讲；否则认为存在双方对讲。

本发明的原理是：将SIMO信道盲辨识模块应用于多路回波消除，主要包括三个过程：(1)在没有双方对讲的情况下，估计或更新远端房间脉冲响应的逆和回波路径脉冲响应；(2)在已知远端房间脉冲响应的逆基础上，估计远端房间源信号，结合回波路径脉冲响应的估计，进而得到回波信号的估计；

(3)近端房间麦克风的接收信号减去回波信号实现回波消除。

从根本上说，在没有双方对讲情况下，近端房间的多个输入信号都是由远端房间同一个声源滤波而得，这就构成了一个SIMO系统，因而可以借助SIMO盲辨识模块实现过程(1)；估计从远端房间源信号到近端房间回波的脉冲响应，可由单路回波消除方法解决，通常采用自适应滤波技术达到这一目的。

本发明失调小、回波干扰少，话音通信质量好，有效避免了传统多路回波消除中“解不唯一”、“滤波器失调大”等问题。

附图说明

图1是本发明基于SIMO信道盲辨识的多路回波消除系统的结构示意图；

图2是图1所示多路回波消除器的内部结构示意图；

图3是图2所示SIMO盲辨识模块的内部结构示意图；

图4是g参数缓存模块的内部结构示意图；

图5是本发明基于SIMO信道盲辨识的多路回波消除系统的多路回波消除方法工作流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，基于SIMO信道盲辨识的多路回波消除系统，包括回波消除器、麦克风、喇叭，每一个近端麦克风连接一个远端喇叭，反之，每一个远端麦克风也连接一个近端喇叭，每一对麦克风、喇叭之间连接一个回波消除器。

如图2所示，回波消除器包括用于估计或更新远端房间脉冲响应的逆即g参数的SIMO盲辨识模块、用于在g参数的基础上估计远端房间声源信号的声源估计模块、用于检测判断是否存在对讲信号，并将检测判断结果输入到SIMO盲辨识模块和回波信道估计模块的对讲检测模块、用于根据声源信号获取回波路径脉冲响应的估计的回波信道估计模块、用于将声源信号和回波路径脉冲响应的估计进行卷积得到回波信号的估计的卷积模块、用于根据近端房间麦克风接收的信号和回波信号的估计得出消除回波之后的干净信号的加法器，SIMO盲辨识模块、声源估计模块、卷积模块、加法器依次连接，声源估计模块的输出还通过对讲检测模块与SIMO盲辨识模块连接，且通过回波信道估计模块与卷积模块连接，SIMO盲辨识模块、声源估计模块同时通过回波消除器的m个并行输入端IX与m个远端麦克风、近端喇叭连接，加法器、回波信道估计模块、对讲检测模块通过回波消除器的一个输入端IY与一个近端麦克风连接，加法器输出端通过回波消除器的一个输出端OUT与一个相应的远端喇叭连接。

如图2所示，x₁(t)，…，x_m(t)是指由回波消除器IX输入端的各麦克风采集的信号，共m路。x₁(t)，…，x_m(t)输入至SIMO盲辨识模块，该模块的输出是声源估计模块中FIR滤波器所需的各参数g₁，…，g_m。声源估计模块完成对声源的估计，其输出一方面送往回波信道估计模块，另一方面与回波信道估计模块的输出进行卷积。卷积的结果即是对回波的估计，由IY输入端输入的y(t)减去回波的估计，即可以达到消除回波的目的。

声源估计模块完成以下公式(1)的计算：

$\hat{s}\left(t\right)=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\left[\underset{\mathrm{\τ}=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{g}_i\left(\mathrm{\τ}\right)x_i(t-\mathrm{\τ})\right]---\left(1\right)$

公式(1)中m是指IX端口有m路输入，同时SIMO盲辨识模块的输出也是m路。g_i(τ)是SIMO盲辨识模块的第i个输出的第τ个值，在图4中有详细说明。x_i(t-τ)是IX输入端口第i路第t-τ个样值输入。N是根据以下公式(2)得到的阶数：

其中l是房间长，w是房间宽，h是房间高，v是声音采样速率，c是声速，大概为340米/秒，函数表示上取整。

回波信道估计模块主要完成以下公式(3)的计算工作：

$\left\{\begin{array}{c}e\left(t\right)=y\left(t\right)-\hat{f}{\left(t\right)}^T\·\hat{s}\left(t\right),\\ \hat{f}(t+1)=\hat{f}\left(t\right)-\mathrm{\μ}\·e\left(t\right)\·\hat{s}\left(t\right),\end{array}\right.---\left(3\right)$

公式3中μ是设定的迭代步长。回波信道估计模块的输出

其意义是回波信道的特性估计，其中 $\hat{f}={({\hat{f}}_0,{\stackrel{T}{f}}_1,...,{\hat{f}}_{2N-1})}^T.$ 该模块采用自适应滤波方法估计和更新

其更新迭代公式是上述公式3。最后，再由公式(4)估算回波，由公式(5)实现回波消除：

$\hat{e}\left(t\right)=\hat{f}*\hat{s}\left(t\right)---\left(4\right)$

$y_{\mathrm{out}}\left(t\right)=y\left(t\right)-\hat{e}\left(t\right)---\left(5\right)$

公式5中y_out(t)是消除了回波后回波消除器的最终输出，公式4中符号“*”表示卷积。

对讲检测模块是检测远端房间和近端房间说话者是否对讲，其输入是声源估计模块的输出

和IY输入端输入的y(t)，输出是判断的结果。

如图3所示，SIMO盲辨识模块包括m个初始构造矩阵模块、m个后续构造矩阵模块、总构造矩阵模块、更新计算模块、g参数缓存模块，m个初始构造矩阵模块中的第1个初始构造矩阵模块与m个后续构造矩阵模块中的第1个后续构造矩阵模块相连接，第m个初始构造矩阵模块与第1～m个后续构造矩阵模块分别相连接，m个后续构造矩阵模块与总构造矩阵模块连接，总构造矩阵模块、更新计算模块、g参数缓存模块依次连接，更新计算模块与对对讲检测模块连接。

SIMO盲辨识模块从IX输入端输入的m路信号，每一路都接着其对应的初始构造矩阵模块，如第k路x_k(t)，它接第k个初始构造矩阵模块，该模块可构造X_k(N)矩阵，如公式(6)

矩阵中元素如：x_k(N+2)，表示第k路输入的第N+2个样值。其中T取为3N。将各初始构造矩阵模块构造的X_k(N)送入后续矩阵构造模块，该模块构造Xⁱ(N)矩阵，后续矩阵构造模块模块完成公式(7)的工作，其输出每一路对应的Xⁱ(N)矩阵。

在矩阵Xⁱ(N)中，每块或者为0矩阵，或者为矩阵块X_k(N)，其大小为(T-N+1)×(N+1)。最后将各Xⁱ(N)汇总到总构造矩阵模块，该模块构造矩阵X(N)，构造的关系如公式(8)。

将X(N)输入至更新模块，当对讲检测模块检测输出为非对讲时，则该模块对[(N+1)m]×[(N+1)m]的对称矩阵[X^T(N)X(N)]进行特征分解，g即为对应最小特征值的特征向量，其中：

$g={(g_1^T,...,g_m^T)}^T$

g_k＝[g_k(N)，…，g_k(0)]^T，k＝1，…，m

使用g更新g参数缓存模块。如果对讲检测模块的检测输出结果为对讲，则不进行上述计算，而且不更新g参数缓存模块。

如图4所示，g参数缓存模块包括m个存储器，g参数缓存模块保存着声源估计模块所使用的参数，在没有双方对讲的时候，可根据需要设置每隔一段时间更新一次；如果有双方对讲时，则不必更新。

如图5所示，基于SIMO信道盲辨识的多路回波消除系统的多路回波消除方法，包括参数更新与回波消除，参数更新与回波消除并行进行，参数更新是指在没有双方对讲的情况下，估计或更新远端房间脉冲响应的逆即g参数，以及回波路径脉冲响应即回波信道估计模块中自适应回波信道特性估计

若双方存在对讲，回波消除继续进行，但参数不更新；回波消除是指在已知远端房间脉冲响应的逆即g参数的基础上，估计远端房间源信号

结合回波路径脉冲响应的估计进而得到回波信号的估计

近端房间麦克风的接收信号y(t)减去回波信号的估计

得到消除回波之后的干净信号，从而达到回波消除的目的。

回波消除的工作过程为：

(1)对SIMO盲辨识模块中的g参数缓存模块进行初始化，并对回波信道估计模块中自适应回波信道特性估计

进行初始化；

(2)通过g参数缓存模块将g参数送入声源估计模块，同时远端房间麦克风信号x₁(t)，…，x_m(t)也被输入声源估计模块，声源估计模块处理得出远端房间声源信号的估计值

并将

传送给对讲检测模块和回波信道估计模块；

(3)回波信道估计模块接收到

后，将

与

卷积，得到回波的估计

(4)回波的估计

取反后被送往加法器，输入加法器的近端房间麦克风接收的信号y(t)减去回波估计

得到

为去回波之后的干净信号，实现回波消除；

(5)返回步骤(2)，继续进行回波消除。

参数更新的工作过程为：

(1)对讲检测模块周期时间(0.3～2秒)检测判断是否存在对讲信号，并将检测判断结果输入到SIMO盲辨识模块和回波信道估计模块，决定是否进行参数更新，如果存在双方对讲，不用进行参数更新，如果没有双方对讲，则进行步骤(2)和步骤(3)；

(2)SIMO盲辨识模块对输入的x₁(t)，…，x_m(t)和y(t)进行处理，处理结果传送给SIMO盲辨识模块中的更新计算模块，以更新g参数缓存模块中的g参数；

(3)由自适应算法得到新的回波信道特性估计即

并对回波信道估计模块原保存的进行更新。

对讲判断的工作过程为：

(1)由周期时间中断触发，对讲检测模块计算

与y(t)之间的相关系数

(2)判断相关系数ξ与阀值c₁的大小关系，其中c₁为正数，取c₁＝0.1～0.5，如果 $\left|\mathrm{\ξ}(\hat{s}\left(t\right),y\left(t\right))\right|>c_1,$ 认为没有双方对讲；否则认为存在双方对讲。

如上所述，便可较好地实现本发明。

Claims (8)

1、基于SIMO信道盲辨识的多路回波消除系统，其特征在于包括回波消除器、麦克风、喇叭，近端麦克风、远端喇叭一对一连接成对，近端喇叭、远端麦克风也一对一连接成对，每一对麦克风、喇叭之间连接一个回波消除器，所述回波消除器包括用于估计或更新远端房间脉冲响应的逆即g参数的SIMO盲辨识模块、用于在g参数的基础上估计远端房间声源信号的声源估计模块、用于检测判断是否存在对讲信号，并将检测判断结果输入到SIMO盲辨识模块和回波信道估计模块的对讲检测模块、用于根据声源信号获取回波路径脉冲响应的估计的回波信道估计模块、用于将声源信号和回波路径脉冲响应的估计进行卷积得到回波信号的估计的卷积模块、用于根据近端房间麦克风接收的信号和回波信号的估计得出消除回波之后的干净信号的加法器，所述SIMO盲辨识模块、声源估计模块、卷积模块、加法器依次连接，所述声源估计模块的输出还通过对讲检测模块与SIMO盲辨识模块连接，且通过回波信道估计模块与卷积模块连接，所述SIMO盲辨识模块、声源估计模块同时通过回波消除器的m个并行输入端IX与m个远端麦克风、近端喇叭连接，所述加法器、回波信道估计模块、对讲检测模块通过回波消除器的一个输入端IY与一个近端麦克风连接，加法器的输出端通过回波消除器的一个输出端OUT与相应的一个远端喇叭连接。

2、按权利要求1所述基于SIMO信道盲辨识的多路回波消除系统，其特征在于：所述SIMO盲辨识模块包括m个初始构造矩阵模块、m个后续构造矩阵模块、总构造矩阵模块、更新计算模块、g参数缓存模块，所述m个初始构造矩阵模块中的第1个初始构造矩阵模块与m个后续构造矩阵模块中的第1个后续构造矩阵模块相连接，第m个初始构造矩阵模块与第1～m个后续构造矩阵模块分别相连接，所述m个后续构造矩阵模块与总构造矩阵模块连接，总构造矩阵模块、更新计算模块、g参数缓存模块依次连接，更新计算模块与对所述对讲检测模块连接。

3、按权利要求2所述基于SIMO信道盲辨识的多路回波消除系统，其特征在于：所述g参数缓存模块包括m个存储器。

4、基于权利要求1所述基于SIMO信道盲辨识的多路回波消除系统的多路回波消除方法，其特征在于包括参数更新与回波消除，所述参数更新与回波消除并行进行，所述参数更新是指在没有双方对讲的情况下，估计或更新远端房间脉冲响应的逆即g参数，以及回波路径脉冲响应即回波信道估计模块中自适应回波信道特性估计

若双方存在对讲，回波消除继续进行，但参数不更新；所述回波消除是指在已知远端房间脉冲响应的逆即g参数的基础上，估计远端房间源信号

结合回波路径脉冲响应的估计

进而得到回波信号的估计ê(t)，近端房间麦克风的接收信号y(t)减去回波信号的估计ê(t)，得到消除回波之后的干净信号，从而达到回波消除的目的。

5、按权利要求4所述基于SIMO信道盲辨识的多路回波消除系统的多路回波消除方法，其特征在于所述回波消除的步骤包括：

(1)对SIMO盲辨识模块中的g参数缓存模块进行初始化，并对回波信道估计模块中自适应回波信道特性估计

进行初始化；

(2)通过g参数缓存模块将g参数送入声源估计模块，同时远端房间麦克风信号x₁(t)，…，x_m(t)也被输入声源估计模块，声源估计模块处理得出远端房间声源信号的估计值

并将

传送给对讲检测模块和回波信道估计模块；

(3)回波信道估计模块接收到

后，将

与

卷积，得到回波的估计ê(t)；

(4)回波的估计ê(t)取反后被送往加法器，输入加法器的近端房间麦克风接收的信号y(t)减去回波估计ê(t)，得到y(t)-ê(t)为去回波之后的干净信号，实现回波消除；

(5)返回步骤(2)，继续进行回波消除。

6、按权利要求4所述基于SIMO信道盲辨识的多路回波消除系统的多路回波消除方法，其特征在于所述参数更新的步骤包括：

(1)对讲检测模块周期时间检测判断是否存在对讲信号，并将检测判断结果输入到SIMO盲辨识模块和回波信道估计模块，决定是否进行参数更新，如果存在双方对讲，不用进行参数更新，如果没有双方对讲，则进行步骤(2)和步骤(3)；

(2)SIMO盲辨识模块对输入的x₁(t)，…，x_m(t)和y(t)进行处理，处理结果传送给SIMO盲辨识模块中的更新计算模块，以更新g参数缓存模块中的g参数；(3)由自适应算法得到新的回波信道特性估计即

并对回波信道估计模块原保存的进行更新。

7、按权利要求6所述基于SIMO信道盲辨识的多路回波消除系统的多路回波消除方法，其特征在于：所述周期时间为0.3～2秒。

8、按权利要求6所述基于SIMO信道盲辨识的多路回波消除系统的多路回波消除方法，其特征在于所述对讲判断的步骤是：

(1)由周期时间中断触发，对讲检测模块计算与y(t)之间的相关系数

(2)判断相关系数ξ与阀值c₁的大小关系，其中c₁为正数，取c₁＝0.1～0.5，如果 $\left|\mathrm{\ξ}(\hat{s}\left(t\right),y\left(t\right))\right|>c_1,$ 认为没有双方对讲；否则认为存在双方对讲。

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