CN101345787A - 于通信装置消除回声的方法及信号处理器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种信号处理器,装设于通信装置中。该通信装置播放由远程接收的远程信号,并转换近端的声音为近端信号以发送至远程。该信号处理器包括:第一语音活动检测器,检测远程信号的功率以产生表示是否远程使用者正在说话的第一控制信号;第二语音活动检测器,依据近端信号的功率及第一控制信号产生表示是否近端使用者与该远程使用者皆在说话或仅有该远程使用者在说话的第二控制信号;非线性回声处理器,受第二控制信号控制,当仅有该远程使用者在说话时消除较多非线性回声,而当该近端使用者与该远程使用者皆在说话时消除较少非线性回声;以及扬声器衰减模块,受第二控制信号控制,当该近端使用者与该远程使用者皆在说话时衰减该远程信号。
Description
技术领域
本发明是有关于回声消除(echo cancellation),特别是有关于全双工(full duplex)通信装置的非线性回声(nonlinear echo)消除。
背景技术
全双工通信装置是目前普遍使用来供近端使用者与远程使用者交谈的通信装置,例如免持听筒电话(speakerphone)或会议系统(conferencesystem)。回声消除的效率大大地影响全双工通信装置的效能。全双工通信装置通过通信链路自远程接收远程使用者发声的远程信号,并通过喇叭或扬声器于近端播放该远程信号。同时,全双工通信装置的麦克风亦撷取近端使用者的声音以产生近端信号,并将该近端信号经由该通信链路发送至远程。当全双工通信装置的扬声器播放远程信号时,远程信号的一部分声音会被全双工通信装置的麦克风撷取作为该近端信号的成分,因此形成近端信号带有的回声(echo)。若全双工通信装置不自近端信号消除其带有的回声,则回声会随近端信号一起被传送至远程,远程使用者便会听到自己的声音,而使全双工通信装置的效能下降。
一般而言,通信装置以数字信号处理器(digital signal processor)进行回声消除。图1为已知通信装置100的区块图,该通信装置100包含信号处理器150进行回声消除。信号处理器150包括语音活动检测器(voiceactivity detector)101、线性回声消除器102、快速傅立叶变换(Fast FourierTransform,FFT)模块124、噪音抑制处理器103、快速傅立叶逆变换(InverseFast Fourier Transform,IFFT)模块125、及非线性回声处理器104。数字至模拟转换器111将远程信号Sf1自数字转换为模拟格式以得到远程信号Sf2。接着远程信号Sf2被放大器112放大后由扬声器113播放。
通信装置100的麦克风121接着捉取近端的声音以形成近端信号Sn1。近端信号Sn1包含近端使用者的声音、噪音、以及由远程信号产生的回声。近端信号Sn1接着被放大并自模拟转换为数字格式以得到近端信号Sn3。接着,线性回声消除器102与非线性回声处理器104分别自近端信号消除线性与非线性回声。语音活动检测器101检测远程信号Sf1的功率以产生控制信号A1。若语音活动检测器101检测到远程信号Sf1的功率超过界限,表示远程使用者正在讲话中,远程信号可能会产生近端信号中的回声。因此控制信号A1便被致能以启动线性回声消除器102消除回声。反之,若远程信号Sf1的功率超过界限,则控制信号A1便被失能以关闭线性回声消除器102。
线性回声消除器102实际上为适应性滤波器(adaptive filter),其依据适应性表达式自远程信号Sf1导出回声估测值X,并自近端信号Sn3消除回声估测值X以得到近端信号Sn4。线性回声消除器102仅能消除与远程信号Sf1成线性相关的回声成分,因此名之为线性回声消除器。快速傅立叶变换模块124接着对近端信号Sn4进行快速傅立叶变换以得到近端信号Sn5。噪音抑制处理器103接着于频域对近端信号Sn5进行噪音消除以得到近端信号Sn6,而快速傅立叶逆变换模块125对近端信号Sn6进行快速傅立叶逆变换以得到近端信号Sn7。
非线性回声处理器104接着自近端信号Sn7消除不与远程信号呈相关的回声,称之为非线性回声,以得到近端信号Sn8。接着,近端信号Sn8可被传送至远程。因为非线性回声并不与远程信号相关,非线性回声处理器104难以区别近端信号Sn7携带的语音成分与非线性回声,因而无法完全消除非线性回声。同时,非线性回声处理器104更时常在消除非线性回声的同时亦把近端信号Sn7携带的部分语音一并消除。这样会使远程使用者听不出近端使用者的语音,而使近端信号Sn8的质量下降。因此,需要一种于通信装置消除回声的方法。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种信号处理器,以解决已知技术存在的问题。该信号处理器装设于通信装置中。该通信装置播放由远程接收的远程信号,并转换近端的声音为近端信号以发送至远程。于一实施例中,该信号处理器包括第一语音活动检测器(voice activity detector)、第二语音活动检测器、非线性回声(echo)处理器、以及扬声器衰减模块。该第一语音活动检测器检测该远程信号的功率以产生表示是否位于远程的远程使用者正在说话的第一控制信号。该第二语音活动检测器依据该近端信号的功率及该第一控制信号产生表示是否位于近端的近端使用者与该远程使用者皆在说话或仅有该远程使用者在说话的第二控制信号。该非线性回声(echo)处理器受该第二控制信号控制,当仅有该远程使用者在说话时于时域自该近端信号消除较多非线性回声,而当该近端使用者与该远程使用者皆在说话时于时域自该近端信号消除较少非线性回声。该扬声器衰减模块受该第二控制信号控制,当该近端使用者与该远程使用者皆在说话时衰减该远程信号。
本发明提供一种于通信装置消除回声的方法。于一实施例中,该通信装置播放由远程接收的远程信号并转换近端的声音为近端信号以发送至远程。首先,决定是否位于近端的近端使用者与位于远程的远程使用者皆在说话或仅有该远程使用者在说话。当仅有该远程使用者在说话时,于时域自该近端信号消除较多非线性回声。当该近端使用者与该远程使用者皆在说话时,于时域自该近端信号消除较少非线性回声。当该近端使用者与该远程使用者皆在说话时,衰减该远程信号。
为了让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂,下文特举数较佳实施例,并配合所附图示,作详细说明如下。
附图说明
图1为包含消除回音的已知信号处理器的通信装置的区块图;
图2为依据本发明的包含消除回音的信号处理器的通信装置的一实施例的区块图;
图3为依据本发明的包含消除回音的信号处理器的通信装置的另一实施例的区块图;
图4为依据本发明的包含消除回音的信号处理器的通信装置的又一实施例的区块图;
图5为依据本发明的包含消除回音的信号处理器的通信装置的再一实施例的区块图;以及
图6显示图3的信号处理器的回声消除结果。
[主要元件标号说明]
(图1)
100~通信装置; 150~信号处理器;
101~语音活动检测器; 102~线性回声消除器;
124~快速傅立叶变换模块; 103~噪音抑制处理器;
125~快速傅立叶逆变换模块; 104~非线性回声处理器;
111~数字至模拟转换器; 112、122~放大器;
113~扬声器; 121~麦克风;
123~模拟至数字转换器;
(图2)
200~通信装置; 250~信号处理器;
201~语音活动检测器; 202~线性回声消除器;
224~快速傅立叶变换模块; 203~噪音抑制处理器;
225~快速傅立叶逆变换模块; 204~非线性回声处理器;
205~语音活动检测器; 206~扬声器衰减模块;
211~数字至模拟转换器; 212、222~放大器;
213~扬声器; 221~麦克风;
223~模拟至数字转换器;
(图3、4、5)
300、400、500~通信装置; 350、450、550~信号处理器;
301、401、501~语音活动检测器;
302a、302b、402a、402b、502~线性回声消除器;
303、503~频道分离模块; 324、424、524~快速傅立叶变换模块;
304、404、504~噪音抑制与非线性回声消除模块;
325、425、525~快速傅立叶逆变换模块;
305、405、505~非线性回声处理器;
307、308、407、408、507、508~语音活动检测器;
306、406、506~扬声器衰减模块;
311、411、511~数字至模拟转换器;
312、322a、322b、412、422a、422b、512、522~放大器;
313、413、513~扬声器;
321、421、521~麦克风;
323a、323b、423a、423b、523~模拟至数字转换器。
具体实施方式
图2为依据本发明的包含消除回音的信号处理器250的通信装置200的区块图。通信装置200大致与图1的通信装置100类似,除了信号处理器250还包括语音活动检测器205及扬声器衰减模块206。因为信号处理器250的非线性回声处理器204很难区别非线性回声与近端使用者的语音,因此信号处理器250中增加了语音活动检测器205以协助非线性回声处理器204辨别非线性回声。语音活动检测器201首先检测是否远程信号Sf2的功率超过界限值以产生控制信号A1。因此,控制信号A1表示远程使用者是否正在说话。语音活动检测器205接着产生控制信号A2与A3以表示是否近端使用者与远程使用者皆正在说话,或仅仅远程使用者在说话中。
若控制信号A1表示远程使用者正在说话,且近端信号Sn7的功率小于界限值,则仅有远程使用者在说话。此时语音活动检测器205便产生控制信号A3以增加非线性回声处理器204所消除的回声量。由于近端使用者没在讲话,因此近端信号Sn7的大部分均为由远程信号所产生的非线性回声,而非线性回声处理器203可以尽量地增加回声消除量。相反的,若控制信号A1表示远程使用者正在说话,且近端信号Sn7的功率超过界限值,则可以判断远程使用者与近端使用者皆在说话。此时语音活动检测器205便产生控制信号A3以降低非线性回声处理器204所消除的回声量,因此近端信号Sn7带有的近端使用者的语音可避免随着非线性回声除去时一并被消除。同时,语音活动检测器205发出控制信号A2至扬声器衰减模块206,而扬声器衰减模块206便衰减远程信号Sf1以得到远程信号Sf2。因为远程信号Sf2被衰减了,近端信号便代有较少由远程信号产生的回声,因此近端信号Sn8的质量可因此提升。
然而,图2的信号处理器250仍然在回声消除方面存在缺点。因为语音活动检测器205是依据近端信号Sn7的功率检测近端信号是否带有语音,语音活动检测器205可能会误认非线性回声的功率为语音成分的功率而产生错误的控制信号A3。为了补偿这个缺点,本发明增加更多的模块以进行回声消除。图3为依据本发明的包含消除回音的信号处理器350的通信装置300的区块图。通信装置300大致与图2的通信装置100类似。图2的信号处理器250仅包含单一频道以处理近端信号。然而,图3的信号处理器350包含了两个频道以处理近端信号。此外,信号处理器350还增加了频道分离(channeldecoupling)模块303、噪音抑制与非线性回声消除模块304、以及语音活动检测器307,以增进其回声消除的质量。
麦克风321将声音转换为近端信号Sn1,近端信号Sn1接着被复制并由放大器322a及322b放大以分别产生信号Sn2及Sn2’,以作为主频道及参考频道的两个近端频道的输入信号。信号Sn2至Sn6是于主频道传递,而信号Sn2’至Sn6’是于参考频道传递。信号Sn2及Sn2’首先由模拟转换为数字格式而得到信号Sn3及Sn3’。线性回声消除器302a与302b接着分别自信号Sn3及Sn3’除去线性回声而得到信号Sn4及Sn4’。频道分离模块303接着自信号Sn4及Sn4’导出包含较少回声与较多近端使用者语音成分的信号Sn5以及包含较多回声与较少近端使用者语音成分的信号Sn5’。于是,参考频道的信号Sn5’包含较多回声,而主频道的信号Sn5包含较多近端使用者的语音。
于一实施例中,频道分离模块303依据控制信号A1产生信号Sn5及Sn5’。当仅有近端使用者在说话时,频道分离模块303直接输出信号Sn4为信号Sn5,并自信号Sn4’减除信号Sn4以得到信号Sn5’。当只有远程使用者在说话时,频道分离模块303自信号Sn4减除信号Sn4’以得到信号Sn5,并直接输出信号Sn4’为信号Sn5’。当近端使用者与远程使用者都在说话时,频道分离模块303直接输出信号Sn4为信号Sn5,并将信号Sn4’乘上小于1的参考增益值以得到为信号Sn5’。
快速傅立叶变换模块324接着对信号Sn5与Sn5’进行快速傅立叶变换以得到频域的信号Sn6与Sn6’。语音活动检测器304接着检测信号Sn5的功率是否超过界限值以产生控制信号A4。噪音抑制与非线性回声消除模块304接着依据参考频道的信号Sn6’及控制信号A4自信号Sn6消除噪音并于频域除去信号Sn6的非线性回声。因为主频道的信号Sn6包括较多语音而参考频道的信号Sn6’包括较多回声,噪音抑制与非线性回声消除模块304以信号Sn6’作为参考以自信号Sn6除去非线性回声。快速傅立叶逆变换模块325接着对信号Sn7进行快速傅立叶逆变换以得到时域的信号Sn8。非线性回声处理器305接着自信号Sn8移除残存的非线性回声以得到信号Sn9,该近端信号Sn9接着被传送至远程。
因为信号处理器包含了于频域消除非线性回声的噪音抑制与非线性回声消除模块304以及于时域消除非线性回声的非线性回声处理器305,信号处理器350输出的近端信号Sn9较图2的信号处理器250输出的近端信号Sn8包含较少非线性回声。因此,信号处理器350输出的近端信号Sn9较信号处理器250输出的近端信号Sn8有较高的质量。
图4为依据本发明的包含消除回音的信号处理器450的通信装置400的区块图。通信装置400大致与图3的通信装置300类似,除了信号处理器450缺少了频道分离模块303。在没有频道分离模块303的情况下,时域的信号Sn4与Sn4’直接由快速傅立叶变换模块424转换为频域的信号Sn5与Sn5’,而噪音抑制与非线性回声消除模块404直接以参考频道的信号Sn5’作为参考信号以于频域除去信号Sn5的非线性回声而产生信号Sn6。因此,信号Sn5的部分非线性回声仍可于频域移除。
图3的信号处理器350以参考频道的额外电路(如放大器322b、模拟至数字转换器323b、及线性回声消除器302b)的成本为代价,而自进端信号消除大部分的非线性回声。若此等额外电路被省略,信号处理器350的制造成本便可降低。图5为依据本发明的包含消除回音的信号处理器550的通信装置500的区块图。通信装置500大致与图4的通信装置400类似,除了信号处理器550的参考频道的电路被移除了。参考频道的原电路是以增益控制器509代替。当线性回声消除器502自近端信号Sn3移除线性回声以得到信号Sn4后,增益控制器509依据增益值放大信号Sn4以得到信号Sn4’。信号Sn4与Sn4’接着被送至频道分离模块503作为主频道与参考频道的输入信号。因此,信号处理器550的成本可以降低许多。
图6显示图3的信号处理器350的回声消除结果。区域A1显示当近端使用者与远程使用者皆在讲话时,已知信号处理器150输出的一段近端信号的信号强度(-45dB)。区域A2显示当仅有近端使用者在讲话时,已知信号处理器150输出的一段近端信号的信号强度(-34.8dB)。因此,与区域A2相比,当近端使用者与远程使用者皆在讲话时,区域A1的信号强度损失了10.2dB。此信号强度的损失是因非线性回声处理器104于非线性回声消除时一并消除了近端使用者的声音。同样地,区域B1显示当近端使用者与远程使用者皆在讲话时,图3的信号处理器350输出的一段近端信号的信号强度(-39.3dB)。区域B2显示当仅有近端使用者在讲话时,依据本发明的信号处理器350输出的一段近端信号的信号强度(-35.5dB)。因此,与区域B2相比,当近端使用者与远程使用者皆在讲话时,区域B1的信号强度损失了3.8dB。因此,当自近端信号消除回声后,信号处理器350输出的近端信号的信号强度损失较已知信号处理器150输出的近端信号的信号强度损失为小,因此本发明的信号处理器350输出的近端信号带有较多近端使用者的语音成分并有较高的质量。
区域C、D、E、与F显示当仅有远程使用者在讲话时,图3的信号处理器350产生的近端信号的信号强度。因为仅有远程使用者在讲话,区域C、D、E、与F的近端信号的信号强度反映了自远程信号产生于近端信号的回声大小。信号处理器350包含多个回音消除模块,例如线性回声消除器302a与302b、频域非线性回声消除模块304、及时域非线性回声消除模块305。区域C、D、E、与F分别显示在某一部分的回音消除模块被关闭的状态下信号处理器350产生的近端信号的信号强度,以供比较各回音消除模块的回音消除功效。区域C显示当所有的回音消除模块被关闭的状态下近端信号的信号强度。区域D显示当仅有线性回声消除器302a与302b被致能的状态下近端信号的信号强度;而与区域C比较,线性回声消除器302a与302b消除了19dB的线性回声。区域E显示当线性回声消除器302a与302b以及频域非线性回声消除模块304被致能的状态下近端信号的信号强度;而与区域D比较,频域非线性回声消除模块304多消除了8dB的非线性回声。最后,区域F显示当所有的回音消除模块被致能的状态下近端信号的信号强度;而与区域F比较,所有的非线性回声皆已被消除。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上,然其并非用以限定本发明,任何本领域技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作些许的更动与润饰,因此本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。
Claims (15)
1.一种信号处理器,装设于通信装置中,该通信装置播放由远程接收的远程信号并转换近端的声音为近端信号以发送至远程,该信号处理器包括:
第一语音活动检测器,检测该远程信号的功率以产生表示是否位于远程的远程使用者正在说话的第一控制信号;
第二语音活动检测器,依据该近端信号的功率及该第一控制信号产生表示是否位于近端的近端使用者与该远程使用者皆在说话或仅有该远程使用者在说话的第二控制信号;
非线性回声处理器,受该第二控制信号控制,当仅有该远程使用者在说话时于时域自该近端信号消除较多非线性回声,而当该近端使用者与该远程使用者皆在说话时于时域自该近端信号消除较少非线性回声;以及
扬声器衰减模块,受该第二控制信号控制,当该近端使用者与该远程使用者皆在说话时衰减该远程信号。
2.根据权利要求1所述的信号处理器,其中该信号处理器还包括线性回声消除器,受该第一控制信号控制,自该近端信号消除与该远程信号呈线性相关的线性回声。
3.根据权利要求2所述的信号处理器,其中该信号处理器还包括:
第三语音活动检测器,检测该近端信号的功率以产生表示是否该近端使用者正在说话的第三控制信号;以及
非线性回声消除模块,受该第三控制信号控制,于频域自该近端信号消除非线性回声。
4.根据权利要求3所述的信号处理器,其中该信号处理器还包括频道分离模块,受该第一控制信号控制,自该近端信号导出主频道信号与参考频道信号作为该非线性回声消除模块的输入信号,其中该主频道信号包含较多该近端使用者的语音与较少回声,而该参考频道信号包含较少该近端使用者的语音与较多回声。
5.根据权利要求4所述的信号处理器,其中该近端信号被复制为复制近端信号,且该近端信号与该复制近端信号被输入该频道分离模块作为输入信号。
6.根据权利要求5所述的信号处理器,其中当仅有该近端使用者正在说话时,该频道分离模块直接输出该近端信号为该主频道信号,并自该复制近端信号减去该近端信号以得到该参考频道信号;而当仅有该远程使用者正在说话时,该频道分离模块自该近端信号减去该复制近端信号以得到该主频道信号,并直接输出该复制近端信号为该参考频道信号;而当该近端使用者与该远程使用者都正在说话时,该频道分离模块直接输出该近端信号为该主频道信号,并将该复制近端信号乘上小于1的参考增益值以得到该参考频道信号。
7.根据权利要求5所述的信号处理器,其中该复制近端信号是于该信号处理器外部所产生。
8.根据权利要求5所述的信号处理器,其中该信号处理器包括增益控制器,将该近端信号乘上增益值,以得到该复制近端信号。
9.一种于通信装置消除回声的方法,其中该通信装置播放由远程接收的远程信号并转换近端的声音为近端信号以发送至远程,该方法包括:
决定是否位于近端的近端使用者与位于远程的远程使用者皆在说话或仅有该远程使用者在说话;
当仅有该远程使用者在说话时,于时域自该近端信号消除较多非线性回声;
当该近端使用者与该远程使用者皆在说话时,于时域自该近端信号消除较少非线性回声;以及
当该近端使用者与该远程使用者皆在说话时,衰减该远程信号。
10.根据权利要求9所述的于通信装置消除回声的方法,其中该决定步骤包括:
检测该远程信号的功率以决定是否该远程使用者正在说话;以及
检测该近端信号的功率以决定是否该近端使用者正在说话。
11.根据权利要求9所述的于通信装置消除回声的方法,其中该方法还包括自该近端信号消除与该远程信号呈线性相关的线性回声。
12.根据权利要求11所述的于通信装置消除回声的方法,其中该方法还包括于频域自该近端信号消除非线性回声。
13.根据权利要求12所述的于通信装置消除回声的方法,其中于频域消除该非线性回声是依据主频道信号与参考频道信号,而该方法还包括:
复制该近端信号被以产生复制近端信号;以及
自该近端信号与该复制近端信号导出该主频道信号与该参考频道信号,其中该主频道信号包含较多该近端使用者的语音与较少回声,而该参考频道信号包含较少该近端使用者的语音与较多回声。
14.根据权利要求13所述的于通信装置消除回声的方法,其中该主频道信号与该参考频道信号的导出包括:
当仅有该近端使用者正在说话时,直接输出该近端信号为该主频道信号,并自该复制近端信号减去该近端信号以得到该参考频道信号;
而当仅有该远程使用者正在说话时,自该近端信号减去该复制近端信号以得到该主频道信号,并直接输出该复制近端信号为该参考频道信号;以及
而当该近端使用者与该远程使用者都正在说话时,直接输出该近端信号为该主频道信号,并将该复制近端信号乘上小于1的参考增益值以得到该参考频道信号。
15.根据权利要求13所述的于通信装置消除回声的方法,其中该复制近端信号是通过将该近端信号乘上增益值而得到。
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