CN1038889C - 用级联的自适应滤波器进行回波消除的方法和回波消除器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及借助于一系列级联的自适应滤波器(31₁-31_N)进行的回波消除，其中每一个滤波器产生输出信号供消除四线回路中线路(12，34)上出现的回波信号的相应部分。各滤波器最好对起码较短的脉冲响应能迅速地收敛，有效地消除不同种类的脉冲响应。那些需要在当时及时消除回波的滤波器通过计算每一个滤波器的特殊质量测定值加以确定。产生等于含回波的原信号与来自那些需要用来消除回波的滤波器的输出信号的和的差值的回波减少信号(e_tot)用这个回波减少(e_tot)更新这些滤波器，其余的滤波器则用等于回波减少信号与各滤波器输出信号(例如y₂)之间的差值的信号进行更新。

Description

用级联的自适应滤波器进行回波消除的方法和回波消除器

技术领域

本发明涉及借助于一系列级联的自适应滤波器进行回波消除，每一个自适应滤波器产生各自的输出信号，供消除出现在四线回路的线路中的回波信号的相应部分。

现有技术简介

最近，随着数字流动电话的引用，回波消除器变得更加重要了。数字流动电话会产生促使任何可能产生的回波、干扰性极大的长时延。回波消除器调整自己消除回波所需要的调整时间叫收敛时间。回波消除器的收敛时间是主观衡量通话质量的一个重要参数，有时被认为是衡量回波消除器质量的最重要的依据。起码在大多数情况下(例如在本地呼叫的情况下)快速收敛的回波消除器，无论在任何场合下都会成为该场合的一个因素。

回波消除器最常用的自适应算法是归一化的最小均方算法NLMS。通常采用长的FIR(有限持续时间脉冲响应)滤波器来满足实际上所有出现的脉冲响应的需要。滤波器的一般长度为512个分接头，其提供的可能总的脉冲响应持续时间为64毫秒。按周知的方式从含有回波的信号中减除滤波器的输出信号之后，用如此得出的差值信号来更新滤波器。应用NLMS法时，滤波器的收敛时间约为300毫秒。

但实际上在大多数情况下，当滤波器业已收敛时，只有一部分滤波器系数偏离零值。这特别是在进行本地呼叫时，尤其如此，因为实际上这时回波路径的整个脉冲响应会处在头10-30个分接头处。在某些情况下，脉冲响应之前会有一段叫做平缓时延的长时延。渐变窗口法是目前提出的减少复杂程度和缩短收敛时间的一种方法。这种方法试图估计平缓时延的长短，再借助于可调时延把滤波器安置在回波路径响应所处的位置。这种方法的好处是，有一个较短的也能快速收敛的滤波器就足够了。缺点是时延不容易快速估计，而且还可能把多次反射的回波(即，时延值彼此不同的若干回波)消除掉。

19893年3月的《IBM技术公开简报》第31卷第10期第157-158页上介绍了一种多次反射回波消除器。这种回波消除器有一系列较短的滤波器彼此级联耦合。每一个这种滤波器产生从含回波的信号中减除的输出信号，从而经过每一个滤波器之后，回波会按脉冲响应相继减少。这样就产生了一系列差值信号，用每一个差值信号来更新产生差值的滤波器。然后，回波消除器消除回波的能力受到一定的限制，因为各滤波器的收敛并不是始终令人满意的。这是因为级联连接滤波器链路中的滤波器有时会受该滤波器所不能消除的、但必须为处在更远的滤波器链路中的一个或多个滤波器所消除的回波的干扰所致。

发明简介

本发明的目的是提供借助于一系列级联的自适应滤波器消除回波的一种方法和回波消除器。这些滤波器应该起码在脉冲响应较短的回波路径的情况下能够快速收敛，而且应能在产生不同的脉冲响应(例如长度彼此不同的脉冲响应和多次反射回波引起的脉冲响应)时有效地消除回波。按照周知的原理，快速收敛可以用稳定而可靠的收敛代替。因此，采用本发明时，还可以使收敛既稳定，可靠，同时又较为快速。

上述目的是通过计算每一个滤波器的特殊质量测定值实现的，计算该测定值的目的是确保在只有那些来自这类滤波器的输出信号起作用或处在耦合状态时须用哪一些滤波器可以有效地减少有关的回波。因此，根据含回波的原信号和这些在当时能及时有效消除回波的那些滤波器输出信号的和，产生等于该含回波原信号与该输出信号和的差值的回波减少信号。所有这些滤波器都用此回波减少信号加以更新，而对当时没有投入使用的那些滤波器则用等于回波减少信号与各滤波器输出信号之间的差值信号加以更新。

从下面的专利申请说明书中可以清楚了解到本发明的特点。

附图简介

现在参看附图更详细地说明本发明的内容。附图中，图1示出了四线回路中用以消除回波的一般回波消除器；图2示出了周知的装有许多级联连接的滤波器的回波消除器；图3示出了本发明回波消除器的一个实施例；图4示出了控制信号供应装置，用以给装在本发明回波消除器中的一系列开关中之一提供控制信号。

发明的最佳实施例

图1示出了一般用以消除四线回路中的回波的回波消除器。编号11和12表示四线回路中的两条线路。回波出现在以方框13表示的回波路径中。数字自适应滤波器14的输入端也是加到回波路径13的信号x。滤波器14中产生回波评估值y，在减法器15中从线路12上的含回波信号d减除，从而产生含回波的信号e。滤波器按周知的方式进行自我调整，即借助于差值信号e按适当的自适应算法更新滤波器系数。

图2示出了有一系列级联连接的滤波器的周知回波消除器。该回波消除器应与上述《IBM技术公开简报》中所述的回波消除相同。和图中所示的回波消除器的情况一样，上线路11上出现信号x，下线路12上出现含回波的信号d，回波路径和早先的情况一样用方框13表示。各滤波器用编号21-23表示，其输出信号y1-y3分别在减法装置24-26中从含回波的信号中减除，从而用各滤波器根据回波路径的脉冲相继减少回波。于是产生一系列差值信号e1-e3，用这些信号更新它们各自的滤波器。差值信号得出下列各值：e1＝d-y1，e2＝d-y1-y2等等。

但如前面说过的那样，各滤波器由于有时受到实际上应由其它滤波器中之一加以消除的回波的干扰因而不能始终令人满意地收敛。

图3示出了本发明回波消除器的一个例子。图中与图1和图2中相当的装置按所述装置同样的方式编号。所示的回波消除器有许多级联的滤波器31₁-31_N，这些滤波器输出信号y₁-y_N。各滤波器最好基本上按图2各滤波器同样的方式接于上线路，即线路11，但也可以按其它方式连接。例如，图2中各滤波器应通过彼此长度不同的时延与线路11连接。

各滤波器输出信号加到相应的可控开关32₁-32_N上。各开关配备有减法装置33₁-33_N，减法装置的负输入端与其相应的开关连接，其正输入端接于线路34。开关的转换位置在右边的滤波器(例如开关32)，其输出信号并非能动地用来减少回波，而只是起产生更新滤波器的误差信号的作用。减法装置33中形成有有关开关处于其右手位置的滤波器的误差信号，该误差信号等于线路34上的信号与滤波器输出信号之间的差值。在所举的事例中，这适用于误差信号e₂和e_N的情况。在收敛过程的开始阶段，例如在新的电话呼叫开始时，所有的开关处在其右边的转换位置。于是得出下列误差信号：e₁＝d-y₁，e₂＝d-y₂等等，因为线路12上含回波的信号d在开始阶段也出现在线路34上。此线路上的这个信号叫做l_tot，其原因以后自然明白。

在初始阶段，即滤波器起作用，用以积极消除回波时，各滤波器调整的目的是想消除全部回波。在这一点上，每一个滤波器收敛到一定的程度，因为级联的各滤波器的任一个滤波器通常会受实际上应由一个或多个其它滤波器加以消除的总回波的某些部分的干扰。

为了能够确定哪一个滤波器进行了有用的工作，对每一个滤波器要连续不断地计算出特殊质量测定值。质量测定结果或测定值又用来产生开关控制信号S₁-S_N。以后参照图4将更详细地说明质量测定和产生控制信号的过程。当滤波器的质量测定值超过超过某给定值时，应将有关滤波器耦合进来或使其起消除回波的积极作用，即应启动它，使其减少回波，在所示的情况下就是说开关应取其左手侧的转换位置。接着，若质量测定值下降到第二较低值以下时，则可以作出使滤波器停止作用的选择，即可以作出使开关恢复到其右手侧的转换位置。但也可以令起作用的滤波器在其余持续下去的呼叫的过程中仍然起作用。

这时起作用减少回波的那些滤波器的输出信号都加到一系列加法装置35₁-35_N-1上。得出的和值信号在减法装置中从含回波信号d中减除，因而在线路34上会出现回波减少信号e_tot。在所举的实例中，令滤波器31₁和31_N-1起作用，以减少出现在信号d中的回波。在此情况下，起作用各滤波器的输出信号的和为y₁+y_N-1，就是说，回波减少信号e_tot变成等于：d-(y₁-y_N-1)。不言而喻，起作用各滤波器的各输出信号也可以在一系列在线路12和34之间串联连接的减法装置中从信号d中减除。

由于减法装置33的各输入端上没有出现起作用的各滤波器的信号，因而所有起作用的滤波器获得与线路34上的回波减少信号e_tot相同的同大小误差信号。在所举的实例中，这适用于滤波器31₁和31_N-1。每一个不起作用的滤波器31₂和31_N，其误差信号等于信号e_tot减去滤波器输出信号。在所举的实例中，得出：

e₁＝e_N-1＝e_tot＝d-(y₁+y_N-1)

e₂＝e_N-1＝y₂＝d-(y₁+y₂+y_N-1)

e_N＝e_N-1＝y_N＝d-(y₁+y_N-1+y_N)

这样，当一个滤波器起作用时，其输出信号也用以新其余的滤波器。由于所有起作用的滤波器收到的误差信号e_tot一样大，因而可经使这些滤波器的所有误差信号下降到零或零附近，从而有效消除回波。所有的滤波器都不会受理应由其它滤波器滤除的总回波的任何部分的干扰。

图4示出了用以给图3所示的其中一个开关32产生控制信号的一个方案的实例。例如，这一种方案要求图3的回波消除器中都装上各滤波器。图4所示的方案中都加上了回波减少信号e_tot、滤波器输入信号y_n和滤波器误差信号e_n。某些信号的绝对值在绝对值发生装置41₁-41₃中产生。接着，各信号在其各自的低通滤波器42₁-42₃中经过滤波。从信号e_tot和y_n得出的信号在乘法器43中相乘，从而得到信号|e_tot|*|y_n|。从信号e_n得出的信号在平方装置44中平方起来，于是得出信号|e_n|*|e_n|。来自乘法器43的信号在除法装置45中为来自平方装置44的信号所除。于是得出称作q_n的质量测定值。忽略绝对值的形成时，质量测定值就成为q_n＝(e_tot/e_n)*(y_n/e_n)。

质量测定值q_n加到比较器46₁的输入端，并加到比较器46₂的输入端。质量测定值在比较器46₁中与用以启动有关滤波器的阈值tr₁相比较，同时在比较器46₂与使滤波器不起作用的较低阈值tr₂相比较。各比较器的输出信号加到逻辑装置47上，由逻辑装置47产生控制信号S_n，并将该信号传送给滤波器。例如，应启动滤波器时产生逻辑“1”，应使滤波器停止作用时产生逻辑“0”。

上面说过，在呼叫进行过程中，无须使启动中滤波器停止工作。因此，可就比较器46和逻辑47进行修改，就是说可以取消例如比较器46₂。

测定能消除最大回波的滤波器的质量的对象应为超过阈值tr₁的第一滤波器。这是因为有关的滤波器，例如滤波器31₁，其输出信号y₁较大，其误差信号e＝d-y₁较小所致。启动第一滤波器或将第一滤波器耦合进来的结果，使其余滤波器的误差信号减少一个等于经启动的滤波器的输出信号y₁的值，因为这个输入信号是在减法装置36中从含回波的信号d减除的。于是其余滤波器的质量测定值增加。因此，那些未经启动的滤波器的误差信号当然也会因每一个起动了的随第一滤波器之后启动的新滤波器而减少，从而使不起作用的滤波器的质量测定值相继增加。因此可以说，较大的回波开始时便将较小的回波隐蔽起来。而工作效果没有任何实用意义的滤波器，即只能消除较小回波的滤波器，其收到的输出信号小到它们的质量测定值永远不会超过滤波器的启动阈值tr₁。因此始终是不会启动这些滤波器的。

滤波器一经启动，其质量测定值会稍微减小，这是因为线路34上的信号e_tot因滤波器输出信号而有所减小的缘故。然而，适当选用滤波器启动阈值tr₁和滤波器止动阈值tr₂。可以避免滤波器因质量测定值减小而不能加以启动的情况。

但质量测定值也可以用与上述提到的不同的方法计算出来。在这方面可采用的方法有：只将滤波器的输出信号，例如y₁用滤波器误差信号(例如e₁)来除，或者只研究滤波器的系数值。后一种方法可通过例如求出系数值绝对的和或所述系数值的平方和来实现。当然，计算质量测定值时也可以插入适当的比例常数。此外，还可以按与计算不起作用的滤波器的质量测定不同的方法来计算起作用的滤波器的质量测定值。然而，无论用哪一种方法计算质量测定值，质量测定值总是体现了有关滤波器在目前回波消除过程中的重要性，即它是衡量滤波器在回波消除过程中所能起的或已经起的良好作用的依据。

由于只启动那些在消除回波过程中能起良好作用的滤波器来减少回波，因而起码在大多数情况下会获得快速的收敛效果，而由于所有起作用的滤波器接收完全相同的误差信号，因而回波消除总是会发挥作用的。因此，个别滤波器的收敛将不会受由另一个滤波器实际加以消除的回波的影响。这就是说，所有的误差信号会变小。此外，实际上，总会有足量的滤波器起作用，就是说，脉冲响应长的回波也会消除掉。当然，起作用滤波器的数目取决于有关的回波。可以这样说，当所有的滤波器都起作用时，就相当于使用一个长滤波器。从以上所述，显然除极特殊情况下是不需要这种滤波器的，因为收敛时间通常会长到不必要的程度。

级联滤波器的数目以8或16个为宜。若滤波器分接头的数目最多为512，则每一个滤波器需要64或32个分接头。

上面说过，快速收敛可以用稳定可靠的收敛代替，因而本发明能获得稳定而可靠同时起码又较快的收敛。

本发明并不受上述和所举的实施例的限制，在不脱离下面权利要求书范围的前提下是可以进行种种修改的。除上述修改之外，还可以例如与所有滤波器一样，采用图4所示的单一装置。然后可以按时分多路复用的原理使用此装置，每一次给一个开关产生控制信号。当业已起作用的滤波器在进行下去的呼叫过程中继续保持起作用时，当然就无须计算那些业已起作用的滤波器的新的质量测定值。

当然，实际上也可以考虑将上述功能实施于数字信号处理装置中，以代替如图示的分立装置。而实际上这种数字信号处理在结合自适应回波消除中是正常的。

Claims (11)

1.一种用回波消除器消除回波的方法，所述回波消除器有多个级联的自适应的滤波器(31₁-N₃₁)，每一个滤波器产生各自的输出信号(y₁-y_N)供消除出现在四线回路中的线路(12，34)上的回波信号的相应部分，其中各滤波器借助于更新信号(e₁-e_N)加以更新，更新信号(e₁-e_N)则是在收敛过程的初始阶段通过从含有回波信号且出现在所述线路上同一个含回波的信号(d)减除滤波器输出信号而形成的，其特征在于，计算每一个滤波器的质量测定值(q_n)，这是衡量滤波器在有关的回波消除过程中所起或已起的良好作用的依据；采用按质量测定值选取的滤波器来消除回波，在所述线路(34)上产生等于含回波的信号(d)与来自当时在消除回波的过程中消除回波的所有那些滤波器的输出信号(y₁，y_N-1)的和之间的差值的回波减少信号(e_tot)，并采用该回波减少信号(e_tot)作为所有那些当时用以消除回波的滤波器(31₁，31_N-1)的更新信号，并通过从回波减少信号减除各滤波器的输出信号(y₂，y_N)以产生其余各滤波器(31₂，31_N)的更新信号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，质量测定值(q_n)是滤波器输出信号(例如y₁)和滤波器误差信号(例如e₁)的函数。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，质量测定值(q_n)也是回波减少信号(e_tot)的函数。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，质量测定值(q_n)是滤波器系数值的函数。

5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，将每一个滤波器的质量测定值(q_u)与预定值(tr₁)相比较；且使用质量测定值超过该值(tr₁)的滤波器(31₁，31_N-1)来消除回波。

6.一种回波消除器，具有多个级联的自适应滤波器(31₁-31_N)，每一个滤波器的输出端上分别产生输出信号(y₁-y_N)，供消除四线回路中的线路(12，34)上出现的回波信号的相应部分，其中各滤波器借助于更新信号(e₁-e_N)加以更新，该更新信号(e₁-e_N)则是在收敛过程的初始阶段通过从含回波信号且出现在同一线路上的同一个含回波信号(d)减除滤波器的输出信号产生的，其特征在于，回波消除器具有计算装置(41，45)，供计算每一个滤波器的质量测定值(q_u)之用，质量测定值(q_n)是衡量滤波器在当前消除回波的过程中所能起或已起的良好作用的依据；每一个滤波器具有开关装置(32₁-32_N)，用以根据质量测定值将滤波器的输出端与第一特定点或第二特定点连接起来；回波消除器还具有回波减少信号发生装置，用以在所述线路(34)上产生等于含回波的信号(d)与来自输出端都与所述第一特定点相连接的所有滤波器的信号(例如，y₁，y_N-1)的和之间的差值的回波减少信号(e_tot)；且回波消除器的每一个滤波装置(33₁-33_N)用来在滤波器输出信号(例如y₂)之间的差值的更新信号。

7.如权利要求6所述的回波消除器，其特征在于，所述更新信号发生装置有一个减法装置(例如33₁)，减法装置的正输入端连接到有回波减少信号(e_tot)出现的线路(34)，减法装置的负输入端连接到所述第二特定点。

8.如权利要求6或7所述的回波消除器，其特征在于，所述质量测定值为滤波器输出信号(例如y₁)和滤波器误差信号(例如，e₁)的函数。

9.如权利要求8所述的回波消除器，其特征在于，质量测定计算装置(41-45)构制得使所述质量测定值也为回波减少信号的函数。

10.如权利要求6或7所述的回波消除器，其特征在于，所述质量测定计算装置(41-45)构制得使质量测定值为滤波器系数值的函数。

11.如权利要求6-10的任一项所述的回波消除器，其特征在于，它有一个控制信号施加装置(46₁-46₂，47)、阈值检测装置(46₁-46₂)和逻辑装置(47)，控制信号施加装置(46₁-46₂，47)上加有滤波器的质量测定值(q_u)，所述装置配置得使其将控制信号(S₁-S_N)加到开关装置(32₁-32_N)上，阈值检测装置(46₁-46₂)和逻辑装置(47)配置得使每一个控制信号在滤波器质量测定值超过某预定值(tr₁)时取第一控制值；且每一个开关装置配置得使与开关装置有关的滤波器的输出在所述控制信号取第一控制值时与所述第一特定点连接。

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