CN103546839A - 音频信号处理系统及其回音信号去除方法 - Google Patents

音频信号处理系统及其回音信号去除方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种音频信号处理系统及其回音信号去除方法。该音频信号处理系统包括：扬声器，被配置为输出音频信号；扬声器，被配置为接收包括由音频信号产生的回音信号的由扬声器输出的音频信号；回音信号延迟单元，被配置为将通过麦克风接收的回音信号延迟时延时间，并输出该延迟的回音信号；回音信号去除单元，被配置为从由麦克风接收的音频信号中去除由回音信号延迟单元延迟并输出的回音信号，其中，回音信号延迟单元包括：时延测量单元，被配置为通过分析回音路径的脉冲响应特性来测量时延。

Description

音频信号处理系统及其回音信号去除方法
本申请要求于2012年7月9日提交到韩国知识产权局的第2012-0074629号韩国专利申请的优先权，该申请完全合并于此以资参考。
技术领域
与示例性实施例一致的系统、设备和方法涉及一种音频信号处理系统及其回音信号去除方法，更具体地讲，涉及一种用于去除从扬声器输出并且输入到麦克风的回音信号的音频信号处理系统及其回音信号去除方法。
背景技术
由于通信技术和声音技术的发展，允许在彼此远离的说话者之间执行呼叫和交谈的语音呼叫系统已经被广泛使用。另外，近年来，通过使用用户的语音来控制电子设备的语音识别技术已经被广泛使用。
语音呼叫系统和电子设备分别包括至少一个扬声器和至少一个麦克风。具体地讲，在包括扬声器和麦克风两者的设备中，从扬声器输出的语音信号可由同一设备的麦克风接收。如果周期地重复该操作，则可发生从扬声器输出的语音与用户发出的语音一起通过麦克风被接收的回音现象。
其结果是，在声音系统在彼此远离的说话者之间执行呼叫和交谈的情况下，可发生用户的语音听上去像回音的颤噪现象。另外，在通过用户的语音控制的电子设备的情况下，可发生电子设备不能正确地识别由用户发送出的语音的误识别现象。
近来，为了防止回音现象，回音消除技术被应用于配备有扬声器和麦克风两者的设备。
具体地讲，回音消除技术被应用于使用自适应滤波器的音频信号处理系统。使用自适应滤波器的系统获得关于扬声器和麦克风之间的通过声音（回音路径）的脉冲响应特性，随后将脉冲响应记录在将从扬声器输出的声音的输入信号中，从而输出回音信号分量。随后，音频信号处理系统可接收通过从由麦克风接收的语音信号减去回音信号分量而去除了回音信号的语音信号。
然而，在回音路径的开始未知的系统的情况下，可发生时延(bulk delay)。时延可能是由于音频记录硬件和软件的不同的缓冲结构或者未知扬声器和麦克风的未知位置引起的。如果时延被不正确地补偿，则可发生回音信号不被正确地去除的问题。
因此，需要补偿时延以便消除回音信号的方法。
发明内容
一个或多个实施例提供了这样一种音频信号处理系统以及应用到该系统的回音信号处理方法，该音频信号处理系统通过分析回音信号的响应特性来测量时延，来补偿时延。
根据示例性实施例的一方面，提供了一种音频信号处理系统，包括：扬声器，被配置为输出音频信号；麦克风，被配置为接收包括由音频信号产生的回音信号的由扬声器输出的音频信号；回音信号延迟单元，被配置为将通过麦克风接收的回音信号延迟时延时间，并输出该延迟的回音信号；回音信号去除单元，被配置为从由麦克风接收的音频信号中去除由回音信号延迟单元延迟并输出的回音信号，其中，回音信号延迟单元包括时延测量单元，该时延测量单元被配置为通过分析回音路径的脉冲响应特性来测量时延。
回音信号去除单元可包括：自适应滤波器单元，自适应地模型化回音路径的脉冲响应；减法单元，从通过麦克风接收的音频信号中减去从自适应滤波器输出的回音信号；回音信号延迟单元，可通过使用由自适应滤波器模型化的脉冲响应来测量时延。
时延测量单元可将当脉冲响应被接收的时间段中的脉冲响应的大小在门限值内的时间段测量为时延。
可通过使用脉冲响应的初始顶点的形状和脉冲响应的噪声量中的至少一个来确定门限值。
回音信号延迟单元可包括：双方同时说话检测单元，确定双方同时说话情况是否存在，如果双方同时说话检测单元确定了双方同时说话情况，则时延测量单元可在双方同时说话情况结束之后测量时延。
音频信号处理系统可包括多个扬声器和多个麦克风，回音信号延迟单元可在时延期间分别针对多个路径延迟从多个扬声器输出并通过多个麦克风输入的回音信号，回音信号去除单元可分别针对多个路径从通过多个麦克风输入的音频信号中去除回音信号。
根据另一示例性实施例的一方面，提供了一种包括扬声器和麦克风的音频信号处理系统的回音信号去除方法，该回音信号去除方法可包括：通过扬声器输出音频信号；在麦克风接收包括由音频信号产生的回音信号的由扬声器输出的音频信号；将通过麦克风接收的回音信号延迟时延时间；从通过麦克风接收的音频信号中去除由回音信号延迟单元延迟的回音信号，其中，延迟回音信号的步骤包括：通过分析回音路径的脉冲响应特性来测量时延。
去除由回音信号延迟单元延迟的回音信号的步骤可包括：自适应地模型化回音路径的脉冲响应，测量时延的步骤可包括：通过使用由自适应滤波器模型化的脉冲响应来测量时延。
测量时延的步骤可包括：将在脉冲响应被接收的时间段中的脉冲响应的大小在门限值内的时间段测量为时延。
通过使用脉冲响应的初始顶点的形状和脉冲响应的噪声量中的至少一个来确定门限值。
回音信号去除方法可包括：确定双方同时说话情况是否存在，其中，如果在确定双方同时说话情况是否存在中确定存在双方同时说话情况，则测量时延的步骤可包括：在双方同时说话情况结束之后测量时延。
如果音频信号处理系统包括多个扬声器和多个麦克风，延迟回音信号的步骤可包括：在时延期间分别针对多个路径延迟从多个扬声器输出并通过多个麦克风输入的回音信号，去除由回音信号延迟单元延迟的回音信号的步骤可包括：分别针对多个路径从通过多个麦克风输入的音频信号中去除回音信号。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，这些和/或其他方面将会变得更加清楚和更易于理解，其中：
图1是示出根据示例性实施例的包括两个扬声器和两个麦克风的音频信号处理系统的示图；
图2是示出根据示例性实施例的回音信号延迟单元的配置的示图；
图3和图4是用于将脉冲响应与根据示例性实施例的补偿的时延进行比较以及脉冲响应与未补偿的时延进行比较的曲线图；
图5是示出在补偿的时延和未补偿的时延的情况之间比较ERLE的示图；
图6是示出根据示例性实施例的近端信号、传感器信号和扬声器信号的标绘的示图；
图7是用于在根据示例性实施例使用双方同时说话的情况与不使用双方同时说话的情况之间比较滤波器系数的示图；
图8是用于在根据示例性实施例使用双方同时说话的情况与不使用双方同时说话的情况之间比较ERLE的示图；
图9是用于解释根据示例性实施例的回音信号去除方法的流程图。
贯穿附图，将理解相同的标号指示类似的部件、组件和结构。
具体实施方式
下文中，将参照附图对本公开的特定示例性实施例进行详细描述。
在这里定义的内容(诸如详细构造及其元件)被提供以帮助对此描述的全面理解。因此，很明显，在不需要那些定义的内容的情况下可执行示例性实施例。另外，公知功能或构造被省略以提供对示例性实施例的清楚简明的描述。此外，为了帮助全面理解，附图中的各种元件的尺寸可被任意增加或减小。
图1是示出根据示例性实施例的音频信号处理系统的示图。如图1所示，音频信号处理系统100包括音频源110、两个扬声器120-1和120-2、两个麦克风130-1和130-2、四个回音信号延迟单元(T11、T12、T21和T22)140-1、140-2、140-3和140-4以及回音信号去除单元170。回音信号去除单元170包括四个自适应滤波器(h'11、h'12、h'21和h'22)150-1、150-2、150-3和150-4以及两个减法单元160-1和160-2。另外，音频信号处理系统100可被实现为智能电视(TV)，智能电视可执行语音识别和语音呼叫；然而，这仅是一个示例。因此，音频信号处理系统100可在各种类型的电子设备(诸如电话、智能电话、平板个人计算机(PC)等)中实施。
音频源110从外部源接收音频信号。输入音频信号可以是当视频呼叫被执行时另一方所说的语音信号或者在内容回放期间输出的音频信号。
扬声器输出由音频源接收的音频信号。由扬声器120-1和120-2输出、随后输入到麦克风130-1和130-2的音频信号可被称为回音信号。从两个扬声器120-1和120-2输出的回音信号可具有四个路径h11、h12、h21和h22。
麦克风130-1和130-2接收从外部输入的音频信号。具体地讲，麦克风130-1和130-2可不仅接收用户说出的语音信号，而且接收从扬声器120-1和120-2输出的回音信号。
回音信号延迟单元140-1、140-2、140-3和140-4在时延期间延迟回音信号，随后输出该回音信号。回音信号延迟单元140-1、140-2、140-3和140-4可通过分析在自适应滤波器150-1、150-2、150-3和150-4中测量的回音路径的脉冲响应特性来测量时延。稍后将对由回音信号延迟单元140执行的测量和补偿时延的方法进行详细描述。
回音信号去除单元170从通过麦克风130-1和130-2输入的音频信号去除回音信号。回音信号去除单元170可包括自适应滤波器150-1、150-2、150-3和150-4以及减法单元160-1和160-2。
自适应滤波器150-1、150-2、150-3和150-4将回音路径的脉冲响应进行自适应地模型化。自适应滤波器150可以是具有长度L的有限脉冲响应（FIR）滤波器。那么，自适应滤波器150-1、150-2、150-3和150-4可在时域或任何变换域中被实施。
具体地讲，可根据标准滤波器自适应方法(例如，归一化最小均方(NLMS)算法)来改变FIR滤波器系数以最小化误差信号。
因此，减法单元160-1和160-2通过从输入到麦克风130-1和130-2的音频信号减去从自适应滤波器150-1、150-2、150-3和150-4输出的输出信号来去除回音信号。
尽管图1中示出的音频信号处理系统100包括两个扬声器和两个麦克风，但是这仅是一个示例。在其他实施例中，音频信号处理系统100可包括一个扬声器或多于两个扬声器以及一个麦克风或多于两个麦克风。例如，音频信号处理系统100可包括三个扬声器和三个麦克风。在这种情况下，由于从三个扬声器输出的回音信号的回音路径的数量是九(9)，因此音频信号处理系统100可包括九个回音信号延迟单元(140)、九个自适应滤波器(150)和三个减法单元(160)。
图2是示出根据示例性实施例的回音信号延迟单元140的配置的示图。如图2所示，回音信号延迟单元140包括延迟电路单元(Tmm)141、时延测量单元143和双方同时说话检测单元145。
延迟电路单元141按照p样本产生信号延迟。延迟电路单元141可作为长度p的附加环形缓冲器或者通过偏移用于将输入音频信号提供到回音信号去除单元170的现有环形缓冲器的访问来执行信号延迟。具体地讲，延迟电路单元141的初始延迟值可被设置为零(0)。
时延测量单元143通过使用自适应滤波器150的脉冲响应来测量时延。详细地讲，当回音信号被输入时，时延测量单元143计算与接近零(0)的脉冲响应的开始的样本的数量对应的值。接近零(0)的脉冲响应的开始的样本的数量可被确定为时延。换句话说，时延测量单元143可通过从具有低于门限值T的大小的脉冲响应的开始对抽头(taps)的数量进行计数来计算时延。
此时，可通过将在0和1之间选择的因数f乘以脉冲响应的最大值来计算门限值T。详细地，可通过以下等式1来计算门限值T。
T=f||h[k]||∞……等式1
其中，可通过使用在被收敛之后的脉冲响应的初始顶点的形状以及脉冲响应中的噪声量中的至少一个来确定因数f。详细地，如果初始顶点的形状不明显，则由于高因数可使得被分类为时延的脉冲响应的相关样本的错误分类，因此该因数的值可变得更小。另外，如果通过使用快速收敛算法来产生本地噪声，则由于脉冲响应的时延部分无法精确地收敛到零(0)并且可以以噪声的形式存在，因此该因数的值可被增加。
在由时延测量单元143确定时延d之后，测量的时延d可被用于执行以下的两个处理。
1.首先，延迟元素参数p被设置为p=d–s。
2.然后，收敛的脉冲响应h在左侧被移位d-s抽头的数量，并且剩余部分用零填充。(hnew[0…L-1]=[h[d-s…L-1]0…0])
此时，s可以是可由音频信号应用的小值(例如，10)。这意于获得安全裕度s来允许由于可减小时延的温度改变或小的位置变化造成的声音速度的小的改变。另外，在频带限制的系统中，在主顶点(与直接路径对应)之前的非零抽头的特定数量可被预测。抽头的数量可与该系统的模型化关联，并且不可被切断。换句话说，通过基于系统带宽和采样率选择足够的安全裕度s，回音消除可被更加有效地执行。
具体地讲，由于时延在回音信号去除操作期间没有改变，因此在系统被充分收敛之后可执行测量并补偿时延的处理。可通过（1）假设在特定固定时间持续时间之后收敛，或者（2）从脉冲响应测量收敛的程度(例如，用明显测量)来确定系统被充分收敛的条件。
将参照图3、4和5来描述使用上述方法的仿真结果。白噪声被用作远端信号并且与房间脉冲响应进行卷积以获得模拟的麦克风信号。以0.02的步长通过使用NLMS算法来改变长度L=2048的滤波器。采样率是fs=48kHz。在像起居室一样的环境（在像起居室一样的环境中，扬声器和麦克风之间的距离是4m）中测量房间脉冲响应，并且房间脉冲响应被截短为4000个采样。
图3是示出在没有时延补偿的情况下的自适应滤波器的收敛的脉冲响应的示图。此时，由于扬声器与麦克风之间的距离，包括了显著的时延td。
如果如上所述的时延测量处理被应用以补偿该时延，则因数被确定为f=0.05，门限值T被计算为0.0061，该时延d可被测量为587抽头。
如上所述，如图4所示，如果安全裕度s10被应用到测量的时延，则收敛的脉冲响应可被输出。换句话说，如图4所示，由于去除了时延d的脉冲响应被输出，因此回音信号可从输入的音频信号中被精确地消除。
图5是用于比较并解释时延被补偿和未被补偿的情况的曲线图。详细地，图5是在在五秒钟之后时延补偿被应用到滤波器以及没有时延补偿的滤波器的收敛期间用于比较回音往返损耗增强(ERLE)的示图。换句话说，当时延被补偿时比当时延没有被补偿时，ERLE高大约6dB。
如上所述的时延补偿允许显著更好的回音路径的模型化，因此增加了回音消除性能。
再次参照图2，双方同时说话(double talk)检测单元145检测双方同时说话情况。换句话说，在除了从扬声器120输出并且随后输入到麦克风130的回音信号之外存在输入到麦克风130的附加音频信号(例如，用户的语音等)的情况下，该情况可由双方同时说话检测单元145确定为双方同时说话情况。
具体地讲，如图6所示，如果在滤波器收敛之前双方同时说话情况开始，则时延测量单元143可在双方同时说话情况完成之后测量时延。这是因为当双方同时说话情况发生时，测量的时延可能是不正确的。
图7是用于在根据示例性实施例使用双方同时说话信息的情况与不使用双方同时说话信息的情况之间比较滤波器系数的示图。具体地讲，如图7所示，通过在双方同时说话情况完成之后通过使用双方同时说话信息(xi信息)来去除脉冲响应，时延可被更加准确地补偿。
图8是用于在根据示例性实施例使用双方同时说话信息的情况与不使用双方同时说话信息的情况之间比较ERLE的示图。详细地讲，当通过使用双方同时说话信息测量时延时比当不使用双方同时说话信息时，ERLE可高大约1dB。
采用如上所述的音频信号处理系统，用户可通过使用短长度的自适应滤波器来更加准确且高效地去除回音信号。
下文将参照图9详细地解释音频信号处理系统100的回音信号去除方法。
首先，音频信号处理系统100接收到音频信号(S910)。音频信号可以是从扬声器120输出的音频信号。具体地讲，在从扬声器120输出的多个音频信号中的输入到麦克风中的音频信号可被称为回音信号。
接下来，音频信号处理系统100通过分析回音路径的脉冲响应特性来测量时延(S920)。详细的讲，音频信号处理设备100可将当从自适应滤波器(例如，FIR滤波器)输出的多个脉冲响应中的脉冲响应的大小在门限值内的时间段测量为时延。详细的时延测量方法与以上参照图1至图5描述的方法相同。然而，如果确定双方同时说话情况发生，则音频处理系统100可在双方同时说话情况结束之后测量时延。
音频处理系统100随后在时延期间延迟回音信号，并且随后输出该回音信号(S930)。
随后，音频处理系统100从通过麦克风接收的音频信号去除回音信号(S940)。详细地，音频信号处理系统100可通过从通过麦克风接收的音频信号减去从自适应滤波器输出的回音信号，来去除通过麦克风接收的音频信号的回音信号。
采用如上所述的回音信号去除方法，用户可通过使用短长度的自适应滤波器来更加准确且高效地去除回音信号。
用于执行根据如上所述的各种示例性实施例的回音信号去除方法的程序代码可被存储在非暂时性计算机可读介质中。非暂时性计算机可读介质并非意味着用于短时间存储数据的介质(例如，寄存器、高速缓冲存储器、存储器等)，而是意味着可半永久地存储数据并且可由装置读取的介质。详细地，如上所述的各种应用或程序可被存储在非暂时性计算机可读介质(诸如，CD、DVD、硬盘、蓝光盘、USB、存储卡、ROM等)中，从而被提供。
尽管已经描述了示例性实施例，但是对于本领域的技术人员来说，可发生示例性实施例的附加改变和修改。因此，权利要求意于将被解释为包括以上示例性实施例以及落在发明构思的精神和范围内的所有改变和修改。

Claims (12)

1.一种包括扬声器和麦克风的音频信号处理系统，该音频信号处理系统包括：
音频源，接收将通过扬声器输出的音频信号；
回音信号延迟单元，将从扬声器输出并且通过麦克风接收的音频信号产生的回音信号延迟时延时间并且输出被延迟的回音信号；
回音信号去除单元，从由麦克风接收的音频信号中去除由回音信号延迟单元延迟的回音信号，
其中，回音信号延迟单元包括：时延测量单元，通过分析回音路径的脉冲响应特性来测量时延。
2.如权利要求1所述的音频信号处理系统，其中，回音信号去除单元包括：
自适应滤波器单元，自适应地模型化回音路径的脉冲响应；
减法单元，从通过麦克风接收的音频信号中减去从自适应滤波器输出的回音信号；
回音信号延迟单元，通过使用由自适应滤波器模型化的脉冲响应来测量时延。
3.如权利要求2所述的音频信号处理系统，其中，
时延测量单元将当脉冲响应被接收的时间段中的脉冲响应的大小在在门限值内的时间段测量为时延。
4.如权利要求3所述的音频信号处理系统，其中
通过使用脉冲响应的初始顶点的形状和脉冲响应的噪声量中的至少一个来确定门限值。
5.如权利要求1所述的音频信号处理系统，其中
回音信号延迟单元还包括：双方同时说话检测单元，确定双方同时说话情况是否存在，
如果双方同时说话检测单元确定存在双方同时说话情况，则时延测量单元在双方同时说话情况结束之后测量时延。
6.如权利要求1所述的音频信号处理系统，其中
所述音频信号处理系统包括多个扬声器和多个麦克风，
回音信号延迟单元在时延期间分别针对多个路径延迟从多个扬声器输出并通过多个麦克风输入的回音信号，
回音信号去除单元分别针对多个路径从通过多个麦克风输入的音频信号中去除回音信号。
7.一种包括扬声器和麦克风的音频信号处理系统的回音信号去除方法，该回音信号去除方法包括：
接收将通过扬声器输出的音频信号；
将由从扬声器输出并通过麦克风接收的音频信号产生的回音信号延迟时延时间；
输出延迟的回音信号；
从通过麦克风接收的音频信号中去除延迟的回音信号，
其中，延迟回音信号的步骤包括：通过分析回音路径的脉冲响应特性来测量时延。
8.如权利要求7所述的回音信号去除方法，其中
去除延迟的回音信号的步骤还包括：自适应地模型化回音路径的脉冲响应，
测量时延的步骤包括：通过使用由自适应滤波器模型化的脉冲响应来测量时延。
9.如权利要求8所述的回音信号去除方法，其中
测量时延的步骤包括：将当脉冲响应被接收的时间段中的脉冲响应的大小在在门限值内的时间段测量为时延。
10.如权利要求9所述的回音信号去除方法，其中
通过使用脉冲响应的初始顶点的形状和脉冲响应的噪声量中的至少一个来确定门限值。
11.如权利要求7所述的回音信号去除方法，还包括：
确定双方同时说话情况是否存在，
如果确定存在双方同时说话情况，则测量时延的步骤包括：在双方同时说话情况结束之后测量时延。
12.如权利要求7所述的回音信号去除方法，其中，
如果音频信号处理系统包括多个扬声器和多个麦克风，
延迟回音信号的步骤包括：在时延期间分别针对多个路径延迟从多个扬声器输出并通过多个麦克风输入的回音信号，
去除延迟的回音信号的步骤包括：分别针对多个路径从通过多个麦克风输入的音频信号中去除回音信号。
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