CN102377453B - 一种控制自适应滤波器更新的方法、装置及回声消除器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种控制自适应滤波器更新的方法、装置及回声消除器，涉及回声消除技术，为节省嵌入式系统的资源而发明。其中所述方法包括：在未检测到双端通话时，计算远端信号的能量；在所述远端信号的能量大于设定门限时，根据近端信号与远端信号的同步点计算回声返回损失；根据所述回声返回损失获取能量门限值；在远端信号样点平方的最大值大于所述能量门限值时，激活自适应滤波器更新。本发明实施例主要用于声学回声消除器。

Description

一种控制自适应滤波器更新的方法、装置及回声消除器

技术领域

本发明涉及回声消除技术，特别涉及一种控制自适应滤波器更新的方法、装置及回声消除器。

背景技术

回声消除最主要的一个部分之一就是回声线性处理部分，该部分是对回声进行估计然后消除回声。回声线性处理部分最重要的地方就是自适应滤波器，自适应滤波器通过模拟回声路径来生产估计回声。

为达到跟踪真正回声的目的，自适应滤波器需要不断地进行更新。在真实环境中，自适应滤波器的更新与语音特点有关，只有在只存在远端信号的情况下才有必要更新。在实现本发明的过程中发明人发现，现有的自适应滤波器从打通电话就不停地进行更新，而不论远端信号是不是存在。这对于资源紧张的嵌入式系统来说，过于浪费。

发明内容

本发明实施例提供一种控制自适应滤波器更新的方法、装置及回声消除器，能够节省嵌入式系统的资源。

本发明实施例采用如下技术方案：

一种控制自适应滤波器更新的方法，包括：

在未检测到双端通话时，计算远端信号的能量；

在所述远端信号的能量大于设定门限时，根据近端信号与远端信号的同步点计算回声返回损失；

根据所述回声返回损失获取能量门限值；

在远端信号样点平方的最大值大于所述能量门限值时，激活自适应滤波器更新。

一种控制自适应滤波器更新的装置，包括：

回声返回损失计算单元，用于在未检测到双端通话时，计算远端信号的能量，并在所述远端信号的能量大于设定门限时，根据近端信号与远端信号的同步点计算回声返回损失；

自适应滤波器控制单元，用于根据所述回声返回损失计算单元计算的回声返回损失获取能量门限值，并在远端信号样点平方的最大值大于所述能量门限值时，激活自适应滤波器更新。

一种回声消除器，包括自适应滤波器、双端通话检测器和控制自适应滤波器更新的装置，其中，

所述双端通话检测器，用于检测双端通话，并在检测到双端通话时，关闭所述自适应滤波器更新；

所述控制自适应滤波器更新的装置包括：

回声返回损失计算单元，用于在未检测到双端通话时，计算远端信号的能量，并在所述远端信号的能量大于设定门限时，根据近端信号与远端信号的同步点计算回声返回损失；

自适应滤波器控制单元，用于根据所述回声返回损失计算单元计算的回声返回损失获取能量门限值，并在远端信号样点平方的最大值大于所述能量门限值时，激活所述自适应滤波器更新。

由本发明各实施例提供的技术方案可知，通过对回声返回损失ERL计算条件的限制，使其只有在未检测到双端通话且远端信号能量大于设定门限时，才根据远近端信号的同步点计算ERL，然后根据ERL确定自适应滤波器激活的能量门限值，并在远端信号样点平方的最大值大于所述能量门限值时，激活自适应滤波器更新，从而保证了自适应滤波器在需要更新的时候，才激活自适应滤波器的更新和估计回声信号，因此与现有技术不停地进行更新相比，可以很好地节省嵌入式系统的资源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为回声消除器基本原理图；

图2为本发明实施例提供的控制自适应滤波器更新的方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的依据远端信号能量的判决结果进行回声返回损失ERL的计算过程流程图；

图4为本发明实施例提供的通过计算出来的ERL确定能量门限值，实现对自适应滤波器更新控制的判定过程流程图；

图5为本发明实施例提供的回声处理结果对比图；

图6为本发明实施例提供的控制自适应滤波器更新的装置的功能结构图；

图7为本发明实施例提供的一种回声消除器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明通过计算远端信号能量和回声返回损失(ERL，Echo Return Loss)的一些信息来判断当前情况下自适应滤波器是不是需要更新，从而来实现对自适应滤波器更新的控制。

参见图1所示的回声消除器基本原理图，自适应滤波器的更新公式如下：

其中：μ为更新步长，e(k)为残差信号：v(k)表示双端通话信号和近端噪声，y(k)表示实际回声，

表示实际回声的估计；

和

分别是远端信号向量和自适应滤波器权重系数向量：

从公式

我们可以看到，在向量

的话或者比较小的情况下，则残差信号e(k)由于回声路径的衰减就等于0，也即是说，在不存在远端语音信号的时候，权重系数就几乎不更新

而从残差信号e(k)表达式我们看到，对于滤波器系数更新真正有用的信号是

，当存在双端通话或近端存在一定的噪声时，关闭自适应滤波器更新，以防止可能造成的滤波器的发散；只有当近端没有语音的时候，才有必要更新滤波器，这个时候残差信号为

由于w(n)代表某一个延时点的回声损失，而回声返回损失ERL代表从speak(扬声器)到mic(麦克)之间的所有延时点的回声损失的总和，在某种程度上二者是一致的，一般要远小于1。因此在x(n)与w(n)的乘积足够小的时候(如x(n)*w(n)＜0.00003)，由于定点运算会有一定的精度限制，所以x(n)在一定范围内一定会使

而

是

的估计

那么同样

于是e(n)＝0，这个时候

权重系数也不更新。

一般来说，ERL与手机的结构耦合性关系非常大，结构好的手机回声路径损失非常大，这样直接结果就是：即使远端信号x(n)比较大，但经过回声路径衰减后仍然为0，这个时候也不需要对自适应滤波器系数进行更新。

由以上对回声消除器基本原理分析可知，为了准确地对自适应滤波器更新进行控制，我们需要对回声返回损失ERL的计算条件进行限制，因为在一些情况下，计算出来的ERL是不准确的，如：双端通话、下行无语音、远端信号和近端信号延时过大。

如图2所示，本发明实施例提供的控制自适应滤波器更新的方法，包括：

步骤21，在未检测到双端通话时，计算远端信号的能量。

自适应滤波器只有在单端通话的时候才工作，当双端通话检测器检测到双端通话时，关闭自适应滤波器更新和停止回声估计。在单端通话情况中，如果下行没有声音或者声音过小，那么就无法计算ERL，所以有必要对下行远端信号的语音能量进行计算。

计算远端信号的能量公式可以是：P_ref＝∑x²[i]，即根据远端信号所有样点的平方和来计算远端信号的能量。

步骤22，在所述远端信号的能量大于设定门限时，根据近端信号与远端信号的同步点计算回声返回损失。

该步骤可以通过一个判决条件来判决远端信号的能量是否足够大，例如设定的门限值为T_vad，在计算出的远端信号的能量P_ref＞T_vad时，将能量标志位VAD_FLAG置1，判决远端信号的能量足够大，可以进行ERL的计算。

根据近端信号与远端信号的同步点计算ERL具体可以为：

首先通过互相关算法获取近端信号与远端信号的同步点t_max：

R(m)＝∑x(n)*d(m-n)，MAX(R(m))＝R(t_max)，其中，d(n)为近端信号，也称为主信号，x(n)为远端信号，也称为参考信号。

然后基于该同步点按照回声返回损失公式计算ERL：

$\mathrm{ERL}=\frac{\underset{n=0}{\overset{160}{\mathrm{\Σ}}}{d}^2\left(n\right)}{\underset{n=0}{\overset{160}{\mathrm{\Σ}}}{x}^2\left({n-t}_{\max }\right)}.$

需要说明的是，由于手机结构固定以及手机使用环境变换缓慢，ERL的计算不需要实时进行，只需要间断性地(例如1秒钟为周期)进行更新即可，这样可以最大限度减少计算量。

步骤23，根据所述回声返回损失获取能量门限值。

本步骤通过如下公式计算能量门限值Thr：Thr＝0.9*10^-9/ERL。

一般来说，脉冲编码调制(Pulse Code Modulation，PCM)数据用16bit表示，其精度为0.00003，当小于该值的时候PCM数据就为0(如果PCM采样为13位，其有效其精度将更大)。因此只要远端信号经过回声路径衰减后的能量小于Thr，我们就可以认为这个时候没有回声信号，自适应滤波器不需要进行更新。

步骤24，在远端信号样点平方的最大值大于所述能量门限值时，激活自适应滤波器更新。

将远端信号样点平方的最大值P_{ref_max}＝max(ref²[1]，ref²[2]，……)与上述计算的门限Thr进行比较，当P_{ref_max}＞Thr时，则激活自适应滤波器更新。

该步骤可以设置一个自适应滤波器激活标志位Act_aec_flag，当P_{ref_max}＞Thr，即判定自适应滤波器需要更新，则激活标志位Act_aec_flag置1，当P_{ref_max}＜Thr，即判定自适应滤波器需要停止更新，则激活标志位Act_aec_flag置0。

本发明实施例提供的控制自适应滤波器更新的方法，通过对回声返回损失ERL计算条件的限制，使其只有在未检测到双端通话且远端信号能量大于设定门限时，才根据远近端信号的同步点计算回声返回损失ERL，并根据ERL确定自适应滤波器激活的能量门限值，从而保证了自适应滤波器在需要更新的时候，才激活自适应滤波器的更新和估计回声信号，因此与现有技术不停地进行更新相比，可以很好地节省嵌入式系统的资源。

一般来说，一次通话过程40％是对方说话，并且在对方说话中有20％时间是停顿的，那么在通话过程中只有32％的时间需要进行滤波器的更新，有68％的时间不需要进行滤波器的更新。因此采用本发明实施例的控制自适应滤波器更新的方法，能够很好的利用在远端通话过程的间隙，停止自适应滤波器的更新，同时停止对回声信号的估计，达到节省嵌入式系统资源的目的。

优选地，为了防止近端背景噪声的干扰，在根据近端信号与远端信号的同步点计算回声返回损失之后，本发明实施例的方法还可以包括：

对计算得到的回声返回损失进行最大值的限定，使其最大不超过ERL_max，具体做法可以是，对上述步骤22计算得到的ERL进行如下限定：

ERL＝min(ERL，ERL_max)。

这是因为在远端信号能量非常小的情况下，这个时候回声信号非常小甚至没有，如果近端存在一定的噪声，自适应滤波器就会把这些噪声当成回声信号对自适应滤波器进行更新，这样就会造成滤波器的发散。而通过对ERL进行ERL_max最大值的限定，可以在远端信号比较小的情况下，关闭自适应滤波器更新，从而防止可能造成的滤波器发散，以对抗近端噪声对自适应滤波器的干扰。

优选地，由于回声会有延时，虽然当前帧的远端信号非常小，但如果之前帧信号强度比较大，导致接下来几帧的不同延时的回声仍然存在，这些回声还是会对滤波器更新起一定作用。因而在远端信号样点平方的最大值P_{ref_max}小于上述步骤23得到的能量门限值Thr时，仍然认为需要对自适应滤波器进行更新，这时候有必要延时一定时间关闭自适应滤波器更新。

延时关闭更新的时间长度与滤波器的长度有关系，由于滤波器的阶数对应响应的延时，例如在滤波器阶数为800阶，PCM采样率为8000khz，则需要(800/8000)s时间的延时释放，也就是5帧的语音长度延时关闭更新。

在实际操作中，可以设置一个延时器(handover)，在收到自适应滤波器激活标志位Act_aec_flag＝0的时候，延长一定时间，例如5帧的语音长度，重新判定，并由此生成最终的自适应滤波器激活标志位Act_aec_hangover_flag：如果在接下来的5帧内P_{ref_max}一直小于能量门限值Thr，则将Act_aec_hangover_flag置0，而如果在接下来的5帧内又出现P_{ref_max}＞Thr的情况，判定仍然需要对自适应滤波器进行更新，则将Act_aec_hangover_flag置1。

综上，本发明实施例依据远端信号能量的判决结果进行回声返回损失ERL的计算过程可如附图3所示，通过计算出来的ERL确定能量门限值，实现对自适应滤波器更新控制的判定过程可如附图4所示。

参见附图5所示，图5所示为软件模拟的对自适应滤波器更新进行控制的处理结果，上图是原始的主输入信号，中图是回声处理的正常流程，下图是对自适应滤波器进行更新控制的模拟处理结果。从图5可以看出，对自适应滤波器更新进行控制与未进行更新控制的处理结果差别不大，这说明即使对自适应滤波器更新进行控制，减少自适应滤波器工作时间也不会对回声处理产生影响。

参见图6，相应于本发明的方法实施例，本发明实施例提供的控制自适应滤波器更新的装置，包括：

回声返回损失计算单元61，用于在未检测到双端通话时，计算远端信号的能量，并在所述远端信号的能量大于设定门限时，根据近端信号与远端信号的同步点计算回声返回损失；

自适应滤波器控制单元62，用于根据所述回声返回损失计算单元61计算的回声返回损失获取能量门限值，并在远端信号样点平方的最大值大于所述能量门限值时，激活自适应滤波器更新。

其中，所述回声返回损失计算单元61，还用于对计算得到的回声返回损失进行最大值的限定。

所述自适应滤波器控制单元62，还用于在远端信号样点平方的最大值小于所述能量门限值时，延时一定时间关闭自适应滤波器更新。

本发明实施例的控制自适应滤波器更新的装置中的各功能单元可以参见上述方法实施例的原理，在此不再赘述。

本发明实施例提供的控制自适应滤波器更新的装置，通过回声返回损失计算单元61对回声返回损失ERL计算条件的限制，使其只有在未检测到双端通话且远端信号能量大于设定门限时，才根据远近端信号的同步点计算ERL，然后由自适应滤波器控制单元62根据ERL确定自适应滤波器激活的能量门限值，并在远端信号样点平方的最大值大于所述能量门限值时，激活自适应滤波器更新，从而保证了自适应滤波器在需要更新的时候，才激活自适应滤波器的更新和估计回声信号，因此与现有技术不停地进行更新相比，可以很好地节省嵌入式系统的资源。

进一步地，通过回声返回损失计算单元61对计算得到的回声返回损失进行最大值的限定，可以在远端信号比较小的情况下，关闭自适应滤波器更新，从而防止可能造成的滤波器发散，以对抗近端噪声对自适应滤波器的干扰。

进一步地，通过自适应滤波器控制单元62在远端信号样点平方的最大值小于所述能量门限值时，延时一定时间关闭自适应滤波器更新，可以很好地解决虽然当前帧的远端信号非常小，但之前帧信号强度比较大，导致接下来几帧的不同延时的回声仍然会对滤波器更新起一定作用的问题，从而能够更准确地控制自适应滤波器在需要更新的时候，激活自适应滤波器更新和估计回声，在不需要更新的时候，关闭自适应滤波器的更新和停止对回声信号的估计，达到节省嵌入式系统资源的目的。

参见图7，本发明实施例提供的一种回声消除器，包括自适应滤波器71、双端通话检测器72和控制自适应滤波器更新的装置70，

所述双端通话检测器72，用于检测双端通话，并在检测到双端通话时，关闭所述自适应滤波器71更新；

所述控制自适应滤波器更新的装置70包括回声返回损失计算单元701和自适应滤波器控制单元702，所述回声返回损失计算单元701，用于在未检测到双端通话时，计算远端信号的能量，并在所述远端信号的能量大于设定门限时，根据近端信号与远端信号的同步点计算回声返回损失；所述自适应滤波器控制单元702，用于根据所述回声返回损失计算单元701计算的回声返回损失获取能量门限值，并在远端信号样点平方的最大值大于所述能量门限值时，激活所述自适应滤波器70更新。

优选地，所述回声返回损失计算单元701，还用于对计算得到的回声返回损失进行最大值的限定。

优选地，所述自适应滤波器控制单元702，还用于在远端信号样点平方的最大值小于所述能量门限值时，延时一定时间关闭自适应滤波器更新。

具体地，回声返回损失计算单元701和自适应滤波器控制单元702的工作流程及原理可以参见上述方法和装置实施例的说明，在此不再赘述。

本发明实施例提供的回声消除器，通过对现有的回声消除器增加一个控制自适应滤波器更新的装置，以控制自适应滤波器的更新和估计回声的计算，从而保证自适应滤波器在需要更新的时候，激活自适应滤波器的更新和估计回声信号，在不需要更新的时候，停止自适应滤波器的更新和停止对回声信号的估计，因此与现有技术不停地进行更新相比，可以很好地节省嵌入式系统的资源。

本领域普通技术人员可以理解，本发明实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。其中，上述提到的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-OnlyMemory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等等。

上述具体实施例并不用以限制本发明，对于本技术领域的普通技术人员来说，凡在不脱离本发明原理的前提下，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种控制自适应滤波器更新的方法，其特征在于，包括：

在未检测到双端通话时，计算远端信号的能量；

在所述远端信号的能量大于设定门限时，根据近端信号与远端信号的同步点计算回声返回损失；

根据所述回声返回损失获取能量门限值；其中，所述能量门限值Thr与所述回声返回损失ERL之间的关系式为：Thr=0.9*10^-9/ERL；

在远端信号样点平方的最大值大于所述能量门限值时，激活自适应滤波器更新。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算远端信号的能量具体为：

根据远端信号所有样点的平方和得到远端信号的能量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据近端信号与远端信号的同步点计算回声返回损失具体为：

通过互相关算法获取近端信号与远端信号的同步点；

基于所述同步点按照回声返回损失公式计算回声返回损失。

4.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，在根据近端信号与远端信号的同步点计算回声返回损失之后，还包括：

对计算得到的回声返回损失进行最大值的限定。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括：

在远端信号样点平方的最大值小于所述能量门限值时，延时一定时间关闭自适应滤波器更新。

6.一种控制自适应滤波器更新的装置，其特征在于，包括：

回声返回损失计算单元，用于在未检测到双端通话时，计算远端信号的能量，并在所述远端信号的能量大于设定门限时，根据近端信号与远端信号的同步点计算回声返回损失；

自适应滤波器控制单元，用于根据所述回声返回损失计算单元计算的回声返回损失获取能量门限值，并在远端信号样点平方的最大值大于所述能量门限值时，激活自适应滤波器更新；其中，所述能量门限值Thr与所述回声返回损失ERL之间的关系式为：Thr=0.9*10^-9/ERL。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，

所述回声返回损失计算单元，还用于对计算得到的回声返回损失进行最大值的限定。

8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，

所述自适应滤波器控制单元，还用于在远端信号样点平方的最大值小于所述能量门限值时，延时一定时间关闭自适应滤波器更新。

9.一种回声消除器，其特征在于，包括自适应滤波器、双端通话检测器和控制自适应滤波器更新的装置，其中，

所述双端通话检测器，用于检测双端通话，并在检测到双端通话时，关闭所述自适应滤波器更新；

所述控制自适应滤波器更新的装置包括：

回声返回损失计算单元，用于在未检测到双端通话时，计算远端信号的能量，并在所述远端信号的能量大于设定门限时，根据近端信号与远端信号的同步点计算回声返回损失；

自适应滤波器控制单元，用于根据所述回声返回损失计算单元计算的回声返回损失获取能量门限值，并在远端信号样点平方的最大值大于所述能量门限值时，激活所述自适应滤波器更新；其中，所述能量门限值Thr与所述回声返回损失ERL之间的关系式为：Thr=0.9*10^-9/ERL。

10.根据权利要求9所述的回声消除器，其特征在于，

所述回声返回损失计算单元，还用于对计算得到的回声返回损失进行最大值的限定；和/或，

所述自适应滤波器控制单元，还用于在远端信号样点平方的最大值小于所述能量门限值时，延时一定时间关闭自适应滤波器更新。

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