CN101765982A - 回声消除器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种回声消除器，其能够比通过定点形式的信号进行滤波处理的情况更有效地抑制回声，同时能够抑制成本的增加。回声消除器1包括浮点DSP部分10和定点DSP部分20。浮点DSP部分10具有FIR滤波处理部分12、加法器14和第一变换部分16。FIR滤波处理部分12产生浮点形式的伪回声信号，而加法器14从声音收集信号中减去伪回声信号并且产生第一校正信号。第一变换部分16将第一校正信号变换成定点形式的第一校正信号并且调整第一校正信号的增益。定点DSP部分20具有FIR滤波处理部分21和加法器22。FIR滤波处理部分21产生定点形式的伪回声信号，而加法器22从变换为定点形式的第一校正信号中减去伪回声信号并且产生输出信号。

Description

回声消除器

技术领域

本发明涉及一种回声消除器，其用于消除来自收集声音中的回声。

背景技术

一般地，在使用麦克风和扬声器的电话机、卡拉OK机等中，从扬声器发出的声音中的一部分在麦克风中作为反馈声音收集信号被拾取。发出的声音可能变成回声并且从相对侧的扬声器发出。那么，当回声水平较高时，就存在导致不舒服的感觉的问题。

因此，到目前为止，回声消除器作为用于抑制上述回声的对策被提出。

这些回声消除器中的一种即使当回声很大时也能通过将扬声器信号放大然后把信号送到回声消除器来降低回声(参照专利参考文献1)。

而且，还有一种回声消除器，其中相对于背景噪声的S/N比通过放大并输出用于自适应滤波器学习的信号(即，来自扬声器的接收信号)而得到改善，并且通过改善自适应滤波器的学习精度来降低回声(参照专利参考文献2)。

专利参考文献1：JP-A-2002-290286

专利参考文献2：JP-A-2000-101484

发明内容

本发明要解决的问题

然而，因为回声振幅决定麦克风输入信号(声音收集信号)的增益的最大值，因此专利参考参考1中所示的回声消除器具有声音收集信号动态范围变小的问题。

而且，因为放大扬声器信号，回声也被放大，因此专利参考文献2所示的回声消除器也有声音收集信号的动态范围变小的问题。也就是，当从扬声器发出的声音的反馈所引起的回声比本来要收集声音的谈话者的讲话声音大时，不能充分地获得谈话者的声音的动态范围。

一般地，浮点DSP(数字信号处理)比定点DSP(数字信号处理)有更宽的可表示的数据的范围和更高的制造成本。因此，还有人预期通过使用浮点形式的信号执行滤波处理来作为扩大声音收集信号的动态范围的方法。然而，回声消除器的计算需要大量的内存。而且，具有大量内存的浮点DSP很贵，并且当用浮点形式信号执行处理时，也存在比使用定点形式的信号的情况增加制造成本的问题。

因此，本发明的目的是提供一种回声消除器，其能够在降低成本增加的同时，比用定点形式的信号执行滤波处理的情况更有效地抑制回声。

解决问题的手段

本发明的回声消除器连接至声音收集部分和声音发射部分，并且包括用于减小回声的第一声音处理部分和第二声音处理部分，该回声是在声音收集部分中收集从声音发射部分发出的声音而产生的。声音收集部分收集周围的声音并且产生声音收集信号。声音发射部分基于声音发送信号来发射声音。第一声音处理部分具有第一滤波处理部分、第一算术处理部分、和第一变换部分。第一滤波处理部分基于声音发射信号生成浮点形式的伪回声信号。第一算术处理部分从浮点形式的声音收集信号中减去浮点形式的伪回声信号，以生产第一校正信号。第一变换部分将从第一算术处理部分输出的浮点形式的第一校正信号变换成定点形式的第一校正信号，并且调整变换后的浮点形式的第一校正信号的增益。第二声音处理部分具有第二滤波处理部分和第二算术处理部分。第二滤波处理部分基于声音发射信号生成定点形式的伪回声信号。第二算术处理部分从定点形式的第一校正信号中减去定点形式的伪回声信号，以生成输出声音信号。

在该配置中，从声音收集信号中减去浮点形式的伪回声信号，并且生成第一校正信号。然后，进一步从定点形式的第一校正信号中减去定点形式的伪回声信号。因此，声音收集信号可以在声音收集信号被浮点形式的伪回声信号校正后，进一步被定点形式的伪回声信号校正。在这种情况下，其回声分量通过第一声音处理部分被抑制到一定程度的浮点形式的信号被输入到浮点形式的第二声音处理部分。结果，浮点形式的第二声学处理部分对比原始的定点形式的声音收集信号具有更高比例的目标声音分量的信号进行了回声消除。因此，目标声音分量的动态范围被扩大，从而提高了回声消除的精确度。

在该配置中，第二滤波处理部分将用于滤波计算的第二系数信息输出到第一声音处理部分。第一声音处理部分进一步具有用来基于第二系数信息计算第一系数信息的系数计算部分。第一滤波处理部分可以通过使用第一系数信息来校正滤波系数，以生成浮点形式的伪回声信号。因此，第一声音处理部分能够通过使用基于第二系数信息计算出的第一系数信息来校正滤波系数，并且生成浮点形式的伪回声信号。

另外，第一声学处理部分可以进一步具有第二变换部分和第三变换部分。第二变换部分将从第二滤波处理部分输出的第二系数信息变换成浮点形式的第二系数信息并且调整变换后的浮点形式的第二系数信息的增益，并且将调整后的第二系数信息输出到系数计算部分。第三变换部分调整来自第二算术处理部分的输出声音信号的增益。当第一变换部分、第二变换部分和第三变换部分中的增益的值分别被设置为A、B和C时，满足公式(1)的关系。

(1.0/A)＝B＝C……(1)

在该配置中，当输入到第二声学处理部分的第一校正信号被放大增益A时，第二声学处理部分基于放大的信号计算第二系数信息或者输出声音信号。然而，放大的信号是原始声音收集信号被放大增益A的信号，因此当信号被如实输出或者反馈到第一声学处理部分时，不能执行与原始声音收集信号的电平相适应的处理。因此，通过将从第二声学处理部分输出的信号乘以为增益A的倒数的B和C，可以执行与原始声音收集信号的电平相适应的处理。

此外，在该配置中，回声消除器可以进一步包括监视部分，该监视部分用来监视包含在第二系数信息中的数值。当所述数值比一个预定阈值小时，监视部分增大第一变换部分的增益。在该配置中，当包含在第二系数信息中的值变为小于所述预定阈值时，增大第一变换部分的增益，也就是，改善了浮点形式的回声消除。因此，具有高比率目标声音信号(诸如我自己设备侧的讲话人的生成声音)的第一校正信号通过第二声学处理部分进行处理。

而且，第一声学处理部分可以进一步包含松弛算术处理部分。在第二系数信息的每一预定时间的变化量超过预设的上限值时，松弛算术处理部分平滑第二系数信息，并且将第二系数信息输出到系数算术部分。这里，预设的上限值基于其中能够稳定执行第一滤波处理部分中的滤波处理的变化量来设置。因此，在第二系数信息的每一预定时间的变化量超过预设的上限值时，通过平滑和逐渐改变第二系数信息的变化量，可以避免滤波处理的不稳定。

而且，回声消除器可以进一步具有增益控制部分，其用来调整声音发射信号的增益。因此，可以避免声音发射部分的声音的音量突然增大和声音收集信号溢出的情况。

本发明的优点

根据本发明，能够以低成本构造一种甚至在回声比谈话者的生成声音大的情况下通过扩大声音收集信号的动态范围来有效抑制回声的回声消除器。

附图说明

图1是示出回声消除器的结构的示意图。

图2是示出图1中所示的定点DSP部分的结构的示意图。

图3是示出回声的信号和包含在图1所示的S1中的声音收集信号中的谈话者声音信号的一个示例的示意图。

图4是示出回声的信号和包含在图1所示的S2中的第一校正信号中的谈话者声音信号的一个示例的示意图。

图5是示出回声的信号和包含在图1所示的S3中的信号中的谈话者声音信号的一个示例的示意图。

图6是示出回声的信号和包含在图1所示的S4中的声音信号中的谈话者声音信号的一个示例的示意图。

参考数字和标号的描述

1  回声消除器

2A A/D转换器

2  麦克风

3A D/A转换器

3  扬声器

10 浮点DSP部分

11 增益控制部分

12 FIR滤波处理部分

13 FIR系数部分

14 加法器(第一算术处理部分)

15 松弛算术处理部分

16 第一变换部分

17 第二变换部分

18 信号变换部分

19 第三变换部分

20 定点DSP部分

21 FIR滤波处理部分

22 加法器(第二算术处理部分)

30 监视部分

具体实施方式

以下将参考附图来描述作为本发明的一个实施例的回声消除器1。回声消除器1通过驱动安装在会议系统中的微型计算机来形成。

图1是示出回声消除器1的整体配置的示意图。图2是包含于图1中的定点DSP部分20的结构的示意图。

在图1中，回声消除器1包括浮点DSP部分10、增益控制部分11、定点DSP部分20和监视部分30，并且消除来自声音收集信号中的回声。此外，在根据本实施例的回声消除器1中，给出并描述了布置在浮点DSP部分10中的监视部分30的示例。然而，本发明并不局限于该示例。比如，监视部分30可以布置在浮点DSP部分10以外的其他位置上。

麦克风2收集其周围的声音并且生成声音收集信号，即所谓的近端信号，并且将该信号输出到A/D转换器2A。A/D转换器2A将来自麦克风2的声音收集信号(模拟信号)转换成数字信号并将该数字信号输出到加法器(第一算术处理部分)14。

扬声器3基于远端信号发出声音。在这里，远端信号是从输入-输出接口I/F(未显示)输入到回声消除器1的数字信号。然后，该远端信号通过回声消除器1的增益控制部分11(以下将详细描述)被D/A转换器3A转换成模拟信号，并且被输出到扬声器3。

增益控制部分11调整来自输入-输出接口I/F的远端信号的增益并且将该远端信号输出到D/A转换器3A和信号变换部分18。因此，可以避免远端信号电平突然增大并且从扬声器3发出的声音的音量突然增大的情况。结果是，可以避免通过收集从扬声器3发出到麦克风2的声音而产生的回声突然增大以及声音收集信号溢出(即，削波)的情况。

浮点DSP部分10具有FIR滤波处理部分12、FIR系数部分13、加法器(第一算术处理部分)14、松弛算术处理部分15、第一变换部分16、第二变换部分17、信号变换部分18和第三变换部分19，如图1所示。浮点DSP部分10消除包含在浮点形式的声音收集信号中的回声。此外，由FIR系数部分13、松弛算术处理部分15和第二变换部分17构成的电路与本发明的系数算术部分相对应。

定点DSP部分20具有FIR滤波处理部分21和加法器(第二算术处理部分)22，如图1和图2所示。定点DSP部分20消除其中在浮点DSP部分10中消除了回声并且变换成定点形式的信号的第一校正信号的回声。因此，通过在浮点DSP部分10和定点DSP部分20这两个DSP部分中执行声音收集信号的回声消除处理，可以有效地执行回声消除处理。

此外，在浮点DSP部分10和定点DSP部分20中，回声被衰减，即被抑制了10到20dB。

信号变换部分18将从增益控制部分11输入的远端信号输出到FIR滤波处理部分12和FIR滤波处理部分21。在这种情况下，信号变换部分18调整远端信号的增益，使得远端信号的电平落在定点DSP部分20的可计算范围内。此外，信号变换部分18输出浮点形式和定点形式两种形式的远端信号。

FIR滤波处理部分12使用保持在FIR系数部分13中的第一系数信息执行滤波处理。FIR滤波处理部分12是滤波器，在这里，从信号变换部分18输出的浮点形式的远端信号被输入给滤波处理函数，以生成浮点形式的伪回声信号。

FIR系数部分13将第一系数信息作为在FIR滤波处理部分12的滤波处理中使用的系数数据来保持。

这里，包含在第一系数信息中的每个系数的初始值被设置为0。第一系数信息的每个系数基于第二系数信息来设置。也就是，FIR系数部分13使用基于通过第二变换部分17和松弛算术处理部分15而输入的第二系数信息的信号来计算第一系数信息。在该实施例中，给出并描述将上述系数中的每个的所有初始值设置为0的示例。然而，本发明并不局限于该示例。例如，初始值可以根据浮点DSP部分10的规格或者使用环境的条件等因素而变化。同时，不必要对每个系数的所有初始值进行匹配。

加法器14从浮点形式的声音收集信号中减去浮点形式的伪回声信号以生成第一校正信号并且将第一校正信号输出到第一变换部分16。

第一变换部分16将第一校正信号的形式变换成定点形式，而且基于监视部分30(下面详述)所设置的增益量来调整第一校正信号的增益并将经调整的第一校正信号输出到定点DSP部分20的加法器22(如图2)。

FIR滤波处理部分21是自适应滤波处理部分，它将从信号变换部分18输出的定点形式的远端信号输入给滤波处理函数，来生成定点形式的伪回声信号。在这里，FIR滤波处理部分21参考经由加法器22的输出声音信号来更新用于滤波处理函数的第二系数信息。而且，FIR滤波处理部分21将第二系数信息输出到第二变换部分17。

第二变换部分17将第二系数信息变换成浮点形式的信号并且还根据第一变换部分16的增益来调整该信号的增益，然后将调整后的信号输出到松弛算术处理部分15。

加法器22从第一变换部分16输出的定点形式的第一校正信号中减去从FIR滤波处理部分21输出的定点形式的伪回声信号，以生成输出声音信号，并将输出声音信号输出到第三变换部分19。

第三变换部分19将定点形式的输出声音信号变换成浮点形式的输出声音信号，还根据第一变换部分16的增益来调整输出声音信号的输出增益，并且将调整后的输出声音信号输出到回声抑制器(图中未显示)。回声抑制器将所输入的输出声音信号的增益衰减大约20到30dB，然后将调整后的输出声音信号输出到输入-输出I/F接口(图中未显示)。

另外，在该实施例中，给出并描述了通过回声抑制器来衰减输出声音信号的增益的示例。然而，本发明并不局限于此示例。当包含在输出声音信号中的回声能够得到有效衰减时没有必要提供回声抑制器。

而且，优选地将声音收集信号衰减40到50dB以便消除回声，可是当仅仅通过回声抑制器来衰减回声时会引起声音质量的恶化。

另一方面，在回声消除器1中，回声通过浮点DSP部分10和定点DSP部分20被衰减了20到30dB，然后被输入到回声抑制器，因此还能获得抑制声音质量的恶化的效果。

文中的第一变换部分16、第二变换部分17和第三变换部分19中的增益调整随后会具体描述。

当第一变换部分16、第二变换部分17和第三变换部分19中的增益的值被分别设置为A、B和C时，每个增益的增减值满足公式(1)的关系。

(1.0/A)＝B＝C……(1)

因此，可以使从加法器14输出到第一变换部分16的第一校正信号(如图1所示的S2)中的增益大小和通过第三变换部分19从浮点DSP部分20输出的输出声音信号的增益大小相等。而且，在将第二系数信息输出到松弛算术处理部分15的情况下，第二变换部分17的增益降低，降低的大小等于第一变换部分16中增加的增益的大小。因此，可以设置其中给予第一变换部分16中的第一校正信号的增益的影响被消除的第二系数信息。

当包含在从第二变换部分17输出的第二系数信息中的每个系数的每一预定时间单元的变化量超过预设的上限值时，松弛算术处理部分15平滑上述的每个系数，然后将每个系数输出到FIR系数部分13。

而且，当第二系数信息被直接从第二变换部分17输入到FIR系数部分13，而没有松弛算术处理部分15介入时，包含在第二系数信息中的每个系数的时间变化率在FIR滤波处理部分12中的滤波处理过程中可能太大。也就是，上述的每个系数随时间的变化的非线性会太大。

当第一系数信息的非线性太大时，可能会导致在浮点DSP部分10和定点DSP部分20中的回声消除处理的不稳定，也就是，系统的不稳定。

因此，当包含在从第二变换部分17输出的第二系数信息中的每个系数随时间的变化大于预定变换量时，松弛算术处理部分15平滑上述每个系数并松弛随时间的变化。这样，可以避免回声消除处理的不稳定。

监视部分30监视包含在由第二滤波处理部分21所计算出的第二系数信息中的每个系数的大小。然后，当包含在第二系数信息中的每个系数的大小变得比预定阈值小时，监视部分30增大第一变换部分16中的增益的量。

此外，参考输出声音信号每隔预定时间更新第二系数信息，并且基于第二系数信息同样地更新第一系数信息。

更具体地讲，包含在第一系数信息中的每个系数的初始值在浮点DSP部分10和定点DSP部分20开始回声消除处理时被设置为0。作为该示例的结果，不在浮点DSP部分10中执行回声消除处理，而仅在位于信号处理的下游侧的定点DSP部分20中执行回声消除处理。

然后，当执行FIR滤波处理部分21中的回声消除处理时，通过将基于第二系数信息计算出的信息(即，通过将第二系数信息与松弛算术处理部分15和第二变换部分17的系数相乘而获得的值)增加到FIR系数部分13中的第一系数信息来更新第一系数信息。更新后的第一系数信息被输入到FIR滤波处理部分12，然后FIR滤波处理部分12使用第一系数信息来执行滤波处理。因此，在FIR滤波处理部分12中产生浮点形式的伪回声信号，并且还在浮点DSP部分10中执行回声消除处理。

包含在从浮点DSP部分10输出到定点DSP部分20的第一校正信号中的回声分量通过在浮点DSP部分10中的回声消除处理而得到降低。因此，浮点DSP部分10中的回声消除处理基于定点DSP部分20中的回声消除处理的结果被更新为更优化的处理，并且回声消除处理的精确度随着处理时间得到提高。更具体地讲，随着处理时间流逝，包含在第二系数信息中的每个系数的值随着输出声音信号中包含的回声信号份量减少而变小。

当包含在第二系数信息中的每个系数的大小降低到低于预定阈值时，监视部分30将增加到第一变换部分16中的第一校正信号的增益大小增加一预定值。在这种情况下，包含在第二系数信息中的每个系数的值暂时增加，但是当处理时间进一步流逝时，回声信号分量进一步降低，使得上述的每个系数再次降低。因此，通过在浮点DSP部分10和定点DSP部分20中重复执行一系列回声消除处理，能够以高精确度消除包含在输出声音信号中的回声信号分量。

当进一步重复执行回声消除处理时，包含在第一校正信号中的回声信号在某一时间点变得比本来收集的声音的信号(例如，谈话者说话信号)小。因此，当回声信号降到低于谈话者说话声时，第一变换部分16的增益的增加的量能够基于谈话者说话声音水平来决定。因此，比如，谈话者说话声音可以被放大到定点DSP部分20的整个动态范围。

因此，能够以低成本构造回声消除器，该回声消除器甚至在回声大于谈话者说话声音的环境中也能通过扩大目标谈话者说话声音的动态范围来有效地衰减回声。

通过上述处理，信号波形(声压值)在浮点DSP部分10和定点DSP部分20中的回声消除处理过程中的变化通过如下的图3到图6来描述。

图3是表示回声信号和在已经经过A/D转换器2A的声音收集信号被输入到加法器14之前的声音收集信号(见图1的S1)中包含的谈话者的声音信号随时间变化的一个示例的示意图。图4是示出回声信号和包含在从加法器14输出到第一变换部分16的第一校正信号(见图1的S2)中的谈话者的声音信号的示意图。图5是示出回声信号和在从第一变换部分16输出到定点DSP部分20的信号(见图1的S3)中包含的谈话者的声音信号的示意图。图6是示出回声信号和在从加法器22输出到第三变换部分19的声音信号(见图1的S4)中包含的谈话者的声音信号的示意图。此外，S1和S2中的信号是32位的浮点形式的信号，该32位由1位符号部分，8位指数部分，23位尾数部分形成。因此，图3和图4所示的信号波形显示了尾数部分的数值。而且，S3和S4中的信号是32位定点形式的信号，该32位由包含1位符号部分的±16位组成。

在加法器14中，用从A/D转换器2A输出的声音收集信号减去由FIR滤波处理部分12生成的伪回声信号，并且产生了第一校正信号，在该第一校正信号中从图3所示的回声信号被降低(抑制)到图4所示的回声信号的电平。

接下来，在第一变换部分16中，第一校正信号的增益被放大，因此能够正确地执行定点DSP部分20中的信号处理(见图5)。因此，在定点DSP部分20中的信号处理过程中，能够在防止溢出发生的同时，通过有效使用动态范围来执行信号处理。

而且，在加法器22中，用从第一变换部分16输出的定点形式的信号减去在FIR滤波处理部分21中生成的伪回声信号，并且生成输出声音信号(见图6)。

最后，生成的输出声音信号被回声抑制器(未显示)衰减，并且被输出到输入-输出I/F接口(未显示)。

通过如上所述的在通过浮点DSP部分10执行回声消除之后，通过定点DSP部分20进一步执行回声消除，能够比仅仅使用浮点DSP部分20执行回声消除的情况更有效地执行回声消除。在这种情况下，预先通过浮点DSP部分10执行回声消除，并且根据浮点DSP部分20的动态范围来调整输入到定点DSP部分20的信号的增益，因此，能够更有效地利用定点DSP部分20来进行回声消除处理。因此，能够实现精确度更高的回声消除。而且，有人预期通过包含浮点DSP和定点DSP的函数的浮点DSP来执行这种处理，但是浮点DSP的成本变得较高，所以通过使用本实施例的配置可以降低成本。

此外，上述实施例的解释无论从哪一点来看都是说明性的，应当视作是非限制性的。本发明的范围由权利要求示出，而不是上述实施例。进一步，本发明的范围应当包含所有在相当于权利要求书的范围和意义内的变化。

本发明基于在2007年7月26日提交的日本专利申请(专利申请第2007-194612号)和2008年6月25日提交的日本专利申请(专利申请第2008-165651号)，并且这些专利申请的内容在这里以引文方式并入。

Claims (6)

1.一种回声消除器，其连接至声音收集部分和声音发射部分，所述声音收集部分用于收集周围的声音和产生声音收集信号，所述声音发射部分用于基于声音发射信号来发射声音，所述回声消除器包括：

第一声音处理部分和第二声音处理部分，第一声音处理部分和第二声音处理部分用来减小由在声音收集部分中对从声音发射部分发射出来的声音进行收集所引起的回声；

其中，第一声音处理部分包括：

第一滤波处理部分，用来基于声音发射信号产生浮点形式的伪回声信号；

第一算术处理部分，用来从以浮点形式输入的声音收集信号中减去浮点形式的伪回声信号，以产生第一校正信号；以及

第一变换部分，用来将从第一算术处理部分输出的浮点形式的第一校正信号变换成定点形式的第一校正信号，并且调整经变换的定点形式的第一校正信号的增益；

其中，第二声音处理部分包括：

第二滤波处理部分，用来基于声音发射信号来产生定点形式的伪回声信号；

第二算术处理部分，用来从定点形式的第一校正信号中减去定点形式的伪回声信号，以产生输出声音信号。

2.根据权利要求1所述的回声消除器，其中，第二滤波处理部分将滤波计算中使用的第二系数信息输出到第一声音处理部分；

其中，第一声音处理部分还包括系数计算部分，所述系数计算部分基于第二系数信息来计算第一系数信息；

其中，第一滤波处理部分通过第一系数信息来校正滤波系数以产生浮点形式的伪回声信号。

3.根据权利要求2所述的回声消除器，其中，第一声音处理部分还包括：

第二变换部分，用来将从第二滤波处理部分输出的第二系数信息变换成浮点形式的第二系数信息、调整经变换的浮点形式的第二系数信息的增益、以及将调整后的第二系数信息输出到系数计算部分；

第三变换部分，用来调整来自第二算术处理部分的输出声音信号的增益；以及

其中，当第一变换部分、第二变换部分和第三变换部分中的增益的值分别被设置为A、B和C时，满足公式(1)的关系，

(1.0/A)＝B＝C......(1)。

4.根据权利要求3所述的回声消除器，还包括用来监视包含在第二系数信息中的数值的监视部分，

其中，当所述数值变为小于一个预定阈值时，所述监视部分增大第一变换部分的增益。

5.根据权利要求2到4中的任何一项所述的回声消除器，其中，第一声音处理部分还包括松弛算术处理部分，当第二系数信息的每一预定时间的变化量超过预先设置的上限值，所述松弛算术处理部分用来平滑第二系数信息并且将平滑后的第二系数信息输出到系数计算部分。

6.根据权利要求1到5中的任何一项所述的回声消除器，还包括用来调整声音发射信号的增益的增益控制部分。

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