CN102959877B - 回音消除 - Google Patents

Abstract

所提出的回音消除器包括：用于接收受到回音影响的信号并且用于提供已滤波信号的自适应滤波器，该已滤波信号是对所述回音的估计；用于将所述估计从所接收信号中减去并且提供冗余信号的减法器；用于检测（7,8）所述冗余信号中的回铃音的装置；用于阻止（9）所接收信号并且如果在所接收信号中检测到回铃音则用本地生成的回铃音来代替它的装置；用于确定时间周期的定时器；和用于当没有回铃音时在所述时间周期期间用一些合成舒适噪声来代替所述冗余信号的装置（11-17）。

Description

回音消除

技术领域

本发明一般地涉及用于数字电话信号的回音消除器。它在数字电话终端连接到“复杂”电信网络时特别地有用。在下文的描述中，“复杂网络”是指包括连接到至少一个模拟网络的至少一个数字网络的网络。由于模拟网络，存在所谓的混合回音。混合回音是由于称为混合（因次是术语混合回音）的线路设备的电能反射而产生的。多数电话本地回路是双线回路而传输设备是四线回路。混合被用作双线回路与四线回路之间的接口。每个混合都在两个方向中产生回音，而远端回音通常对于语音频带而言问题更大。

使用数字终端来经由模拟网络呼叫被叫方的主叫方能够在振铃时期察觉他/她自己的背景噪声中的混合回音，即在被叫方摘下他/她的电话终端的电话听筒之前。例如，连接经过媒体网关、模拟中继（analog trunk）和模拟公共交换电话网络。网络资源在被叫方摘下电话听筒之前是开放的。在一些情形中，模拟中继造成回音。因此，主叫方的环境噪声返回主叫方终端，并且根据主叫方终端中的信号电平放大和回音电平，该噪声的回音会成为干扰。

图1是显示示例性复杂网络和电话终端的框图，其中回音是听得见的：

-互联网协议电话终端T1连至本地局域网或广域网N1。

-网关G1通过模拟线路AL1将数字网络N1连至传统的公共电话网N2。

-模拟电话终端T2通过模拟线路AL2连至传统的公共电话网N2。

例如，电话终端T1由用户A在房间R内使用以呼叫远端电话终端T2。在该房间R中，或在隔壁房间中，其他人正在讲话（例如他们在开放空间的办公室中工作）。这些人产生的喧闹声较低；用户A可能没有注意到。然而，该喧闹声被终端T1的麦克风捕捉到。这个喧闹声的回音E被模拟网络N2经由网关G1送回给终端T1。若终端T1被设为对任何接收信号提供一定程度的放大，则该喧闹声的回音被终端T1放大。用户A能够在终端T1的听筒中察觉该喧闹声。在一些情况下，用户A能够在终端T1的听筒中听到其他人的讲话，即使用户A无法在没有终端T1的情况下明显察觉到该讲话。这对用户A造成一些干扰：即使回音较低，正专注于被叫方等待响应的主叫方被该回音干扰。这个干扰一直持续直到被叫方摘下终端T2的听筒。

此外，这个回音可能产生一些机密性问题（例如在医院中），因为背景谈话被放大。

例如，对应于喧闹声的所发送信号具有-50dB的电平并且主叫方终端被设置成放大接收信号+15dB。

1）在呼叫建立期间，存在一个较短的无回铃音时期。回音衰减是-6dB，即使传统的回音消除器被插在主叫方与模拟网络之间的链路中（因为接收信号的电平不足以激活回音消除器的自适应滤波器）。然后，主叫方清楚地察觉到喧闹声，因为接收信号的电平是-41dB。由于主叫方的注意力特别地集中于等待响应，因此主叫方可能察觉该喧闹声中的一些机密信息。

2）在振铃阶段，回音衰减是-6dB（因为接收信号电平仍不足以激活回音消除器的自适应滤波器）。然后，主叫方清楚地察觉到回铃音周期之间的喧闹声，因为接收信号电平是-41dB；并且，在回铃音周期期间，主叫方察觉到由于-41dB电平的喧闹声的回音而降级的回铃音。

3）一旦被叫方应答该呼叫，主叫方的注意力现在就转向被叫方的响应，因此主叫方对于喧闹声较不敏感。此外，回音消除器正在调整其自适应滤波器以衰减回音。回音现在衰减了-20dB。因此，主叫方不再察觉到喧闹声。

背景技术

-主叫方可以降低音量，特别是在他/她具有之前增加的音量的情况下。

-回音消除器可以被插在连接路径上，或者是在终端中或者是在数字网络中。它在接收信号具有高电平是工作良好。即使没有语音信号，也可以设想建立回音消除滤波器以达到良好的回音拒绝。但是这将导致不稳定性和发散性，特别是当在远端用户的环境中存在背景噪声的情况下。这种不稳定性会导致回音。出于这个理由，在传统的回音消除器中，自适应滤波不被应用于低电平信号，例如噪声，以避免不稳定性。因此，传统的回音消除器不降低它自己的背景中的回音。图2是传统的回音消除器的框图。它被放置在终端与未显示的复杂网络之间。它包括：

-输入端，其接收由终端发送的信号TXi。

-输出端，其直接连至接收信号TXi的输入端，并且将等用于接收自终端的信号TXi的信号TXo转发至网络。

-输入端，其接收由网络提供的包含回音信号E的信号RXi，该回音信号是发送至网络的信号TXo的一部分，其由网络发回。

-输出端，其向终端提供通过处理信号RXi以衰减回音信号E而获得的信号RXo。

-线性处理器AF1，也称为自适应滤波器，其具有：控制输入端、耦合到接收信号TXi的输入端的信号输入端和输出端。它旨在生成要从接收信号RXi中减去的等同于回音信号E的信号以消除回音信号E。

-减法器S1，其具有：连至接收信号RXi的输入端的第一输入端；连至自适应滤波器AF1的输出端的第二输入端；和提供包含回音信号E的冗余部分的信号RXr的输出端。

-非线性处理器NLP1，其具有：连至减法器S1的输出端的信号输入端、控制输入端、连至提供信号RXo的输出端的第一输出端。

-单端通话检测器STD和双端通话检测器DTD，其用于检测：

--当较近端的用户讲话时，

--当较近端和较远端的用户讲话时，

--当无人讲话时。

-控制单元CU，其具有用于从单端通话检测器STD和双端通话检测器DTD接收信号的输入端，并且具有用于提供控制信号给非线性处理器NLP1和自适应滤波器AF1的输出端。

当控制单元CU激活自适应滤波器AF1时，所发送的信号TXi通过自适应滤波器AF1被处理以产生回音估计。该回音估计然后从接收信号RXi中减去。这两个信号之差（即冗余信号RXr）然后由非线性处理器NLP1处理以尽可能地移除冗余回音信号，即衰减无法被线性滤波器AF1和减法器S1独自移除的分量。在当前的窄带VoIP解决方案中，回音消除器性能必须与ITU-T建议G.168相容。这个建议描述了回音消除器的特征，包括控制机制的需求。它也描述了若干实验室测试，其应当在回音消除器中执行以在网络中可能经历的条件下评估其性能。

G.168建议可应用于利用数字技术设计回音消除器，并且旨在当延迟超出由建议ITU-T G.114和ITU-T G.131指定的限制时用于电路中。特别地，已知基于IP传输协议（即VoIP）的分组网络会引入超出这些限制的延迟。

振铃阶段的回音问题不是由ITU G.168建议在其当前状态下处理的。因此，即使回音消除模块位于终端中或媒体网关中并且与当前G.168建议相容，用户也能够察觉振铃阶段的回音。

因此，需要提供一种改进的回音消除器。

发明内容

本发明的目的是一种回音消除器，包括：

-自适应滤波器，其用于接收受回音影响的信号并且用于提供作为回音的估计的已滤波信号；

-减法器，其用于将所述估计从所接收信号中减去并且提供冗余信号；

其特征在于，还包括:

-用于检测所述冗余信号中的回铃音的装置，其包括：

--用于用于将所发送信号的能量和所接收信号的能量之差与第一阈值相比较并且然后当这个差值大于该第一阈值时判定检测到回铃音的装置，和

--用于将所发送信号的能量与第二阈值相比较并且将该能量大于第二阈值的累积时间与第四阈值相比较并且当该累积时间大于该第四阈值时假定该振铃阶段已过去的装置；

-用于如果回铃音在所接收信号中被检测到则阻止所接收信号并且用本地生成的回铃音代替它的装置。

根据一个优选的实施例，所提出的回音消除器还包括：

-用于确定时间周期的定时器；和

-用于当没有回铃音时在所述时间周期期间用一些合成舒适噪声代替所述冗余信号的装置。

根据一个特定的实施例，用于用一些合成舒适噪声代替所述冗余信号的装置包括用于仅当所发送信号的能量与所述冗余信号的能量之差大于阈值的当前值时才用一些合成舒适噪声代替所接收信号的装置。

根据一个特定的实施例，用于用一些合成舒适噪声代替所述冗余信号的装置包括用于当所发送信号的能量与所述冗余信号的能量之差大于阈值的当前值和预定增量之和时以该增量增加所述阈值的当前值的装置。

通过阅读下面结合附图对本发明实施例的详细描述，本发明的其他特征和优点将变得更加显而易见。

附图说明

为了说明本发明实施例的详细特征和优点，下面的描述将参考附图。在可行的情况下，在所有附图和整个说明书中相似的参考号码指示相同或相似的部件，其中：

-（上文已描述的）图1是显示示例性复杂网络和其中能够听到回音的电话终端的框图；

-（上文已描述的）图2是传统的回音消除器的框图；

-图3是根据本发明的回音消除器的第一实施例的框图；

-图4是根据本发明的回音消除器的第二实施例的框图；

-图5是该第二实施例的一部分的框图；

-图6是在根据本发明的回音消除器的该第二实施例中运行的过程的流程图。

具体实施方式

图3是根据本发明的回音消除器的第一实施例的框图，其包括与图2所示的传统回音消除器相同的部件，加上插在从网络接收信号RXi的输入端与减法器S1的第一输入端之间的预处理模块PM1。

预处理模块PM1应用来自呼叫建立请求中的特定的非线性处理直到被叫方已经摘机（即振铃阶段结束）或直到主叫方讲话，这导致回音消除器的收敛。这个非线性处理模块PM1在该时期内消除了回音。

在优选的实施例中，当没有回铃音时，它用合成的舒适噪声代替被移除的信号，该舒适噪声具有与被抑制的背景噪声相同的统计特征。

当有回铃音时，它用合成的回铃音代替被移除的信号。

在被叫方已经摘机之后，或者在主叫方已经开始讲话之后，控制单元CU去激活预处理模块PM1以便实施传统的回音消除过程。

图4是根据本发明的回音消除器的第二实施例的框图，其包括与图2所示的传统的回音消除器相同的部件，除了用集成了预处理模块PM2的改进的非线性处理器NLP2代替了非线性处理器NLP1之外。这个改进的非线性处理器NLP2的框图在图5中示出。它包括：

-与非线性处理器NLP1类似的传统的非线性处理器CNLP。它接收由增强型非线性处理器EN提供的信号并且将所处理的接收信号RXo提供给近端的终端。

-预处理模块PM2包括用于检测回铃音的信号限制器（qualifier）SQ和增强型非线性处理器EN。

信号限制器SQ接收由减法器S2的输出端提供的冗余信号RXr。它也接收所谓的“适配信号”AD，其是由控制单元UC2提供的控制信号并且可以取三个值：

-0，当控制单元CU2检测到回音消除器EC3无法处于“适配阶段”中，即由于接收信号RXi太低而不能实现至稳定滤波的收敛而使得自适应滤波器AF2无法被适配。

-1，当控制单元CU2检测到回音消除器EC3处于其“适配阶段”中。

-2，当控制单元CU2检测到自适应滤波器AF2刚刚完成其“适配阶段”，即电话会话的开始。

信号限制器SQ以指示它接收的冗余信号RXr是否包含回铃音的二进制信号SN而提供了增强型非线性处理器EN。这个改进的非线性处理器NLP2能实现与上述预处理模块PM1和非线性处理器NLP1的组合相同的功能。

预处理模块PM1使用两种阈值：

-能量阈值：Eth

-收敛状态和时间阈值：CTth。

如果分别在输入端上出现的信号TXi和RXi的能量差在振铃阶段大于阈值Eth，则：

-以及如果是在没有回铃音的时间段内，则预处理模块PM1完全消除接收信号并且用本地生成的舒适噪声来代替它；

-以及如果是在回铃音期间，则预处理模块PM1完全消除接收信号并且用本地生成的回铃音来代替它。

阈值CTth由信号限制器SQ使用以检测振铃阶段。输入端上的发送信号TXi的能量被测量并且与阈值MinEnergy相比较。如果其间能量大于阈值MinEnergy的累积时间大于阈值CTth，则认为振铃阶段已过去。然后，预处理模块PM1无法避免语音传输期间的接收信号RXi的削波。因此，只要被叫方已经摘下终端T2的听筒，预处理模块PM1就停止该特定的非线性处理。

图6是在图5所示的增强型非线性处理器EN中运行的过程的流程图。类似的过程运行于图3的预处理模块PM1中：

步骤1：处理的赋初值：

-重设定时器的值Tadapt，其将被用于当认为适配阶段结束时停止滤波器适配过程，即在电话会话已经开始一段时间之后，从而在振铃阶段之后为自适应滤波器的收敛留下一段时间；

-并且重设变量阈值的值Tth，其将被用于比较发送信号TXo的能量Etx和接收信号RXi的能量Erx。Tth的初始值在该例子中是6dB。

步骤2：开始针对新接收的信号帧的处理。

步骤3：检查“适配信号”AD的值。如果该值为0，则这意味着回音消除器没有处于“适配阶段”中；处理进行到步骤7。如果该值不为0，则这意味着回音消除器处于“适配阶段”中（若值为1）或者刚刚完成这个“适配阶段”（若值为2）；处理进行到步骤4。

步骤4：辨别信号“适配”的值是1还是2。如果该值为1，则这意味着回音消除器处于“适配阶段”中；处理进行到步骤5。如果该值为2，则这意味着回音消除器刚刚完成“适配阶段”；处理进行到步骤6。

步骤5：定时器Tadapt以帧周期（在该例子中Tframe=10ms）而增加。处理进行到步骤7。

步骤6：定时器Tadapt被设为最大值Tth（在该例子中是1秒）。这个值Tth被用作在下一个步骤中停止适配过程的阈值。因此，当定时器已经递增100次同时处理100个信号帧时，该处理将在该下一步骤中停止。处理进行到步骤7。

步骤7：检测由增强型非线性处理器EN接收的冗余信号RXr中的回铃音。

步骤8：检查由信号限制器SQ提供给增强型非线性处理器EN的信号SN。如果信号SN指示回铃音在接收信号RXr中检测到，则处理进行到步骤9。否则它进行到步骤10。

步骤9：接收信号RXr被本地生成的回铃音代替以使得用户能清楚地听到回铃音而没有任何回音。

步骤10：确定冗余信号RXr和所发送信号TXo各自的能量Erx和Etx。

步骤11：比较定时器值Tadapt和阈值Tth=1秒。如果Tadapt不小于Tth，则预处理模块PM2中的处理在步骤12结束。如果Tadapt小于Tth，则处理进行到步骤13。

步骤12：预处理模块PM2被绕过，回音消除器现在以传统的方式工作。输出信号RXo是传统上通过传统非线性处理器CNLP和自适应滤波器AF2滤波的接收信号RXi。处理针对下一个帧进行到同一个步骤12。

步骤13：发送信号TXo的能量Etx与冗余信号RXr的能量Erx之差与阈值Eth的当前值相比较。如果该差值小于或等于Eth，则处理在步骤1结束，因为冗余信号RXr的电平高到足以使得回音无法再产生干扰。否则处理进行到步骤15，因为冗余信号RXr远远小于发送信号，因此可以认为它主要由回音构成。

步骤14：预处理模块PM2被绕过，回音消除器现在以传统方式工作。输出信号RXo是传统上通过传统非线性处理器CNLP和自适应滤波器AF2过滤的接收信号RXi。处理针对下一个帧进行到步骤2。

步骤15：发送信号TXo的能量Etx与冗余信号RXr的能量Erx之差与阈值Eth的当前值和增量Ethmarg之和相比较。如果该差值小于或等于Eth，则处理在步骤17结束。否则处理进行到步骤16。

步骤16：阈值Eth的当前值以增量Ethmarg递增，即在该例子中是1dB。然后处理结束于步骤17。

步骤17：阻塞冗余信号RXr。提供给近端终端的复原信号RXo是代替冗余信号RXr的合成舒适噪声。然后，处理针对下一个帧进行到步骤2。

根据本发明的回音消除器对于用于双工免提模式的电话终端而言是特别有利的。它可以被嵌入：

-基于膝上型/台式PC的软电话，

-硬件IP电话、智能电话、PDA电话，

-VoIP媒体网关，

-IP PBX。

Claims (4)

1.一种回音消除器，包括：

-自适应滤波器，其用于接收受到回音影响的信号并且用于提供已滤波信号，该已滤波信号是对所述回音的估计；

-减法器，其用于将所述估计从所接收信号中减去并且提供冗余信号；

-用于检测所述冗余信号中的回铃音的装置，其包括：

--用于将所接收信号的能量与所发送信号的能量之差与第一阈值相比较并且然后当这个差值大于该第一阈值时判定检测到回铃音的装置，和

--用于将所发送信号的能量与第二阈值相比较并且将其间这个能量大于该第二阈值的累积时间与第四阈值相比较并且然后当所述累积时间大于所述第四阈值时假设振铃阶段已过去的装置；

-用于当已经在所接收信号中检测到回铃音时阻塞所接收信号并且用本地生成的回铃音代替它直到认为所述振铃阶段已过去的装置。

2.根据权利要求1所述的回音消除器，还包括：

-用于确定时间周期的定时器；和

-用于当没有回铃音时在所述时间周期期间用一些合成舒适噪声来代替所述冗余信号的装置。

3.根据权利要求1所述的回音消除器，其中，用于用一些合成舒适噪声来代替所述冗余信号的所述装置包括用于仅当所发送信号的能量与所述冗余信号的能量之差大于阈值的当前值时才用一些合成舒适噪声来代替所接收信号的装置。

4.根据权利要求1所述的回音消除器，其中，用于用一些合成舒适噪声来代替所述冗余信号的所述装置包括用于当所发送信号的能量与所述冗余信号的能量之差大于所述阈值的当前值和预定的增量之和时以所述增量来增加所述阈值的当前值的装置。