CN104054274B

CN104054274B - 回波消除装置

Info

Publication number: CN104054274B
Application number: CN201280067060.4A
Authority: CN
Inventors: 须藤贵志; 矢野敦仁; 粟野智治
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-04-25
Filing date: 2012-04-25
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2032-04-25
Also published as: DE112012006266T5; DE112012006266B4; US20140286498A1; CN104054274A; JP5631523B2; US9210502B2; JPWO2013160945A1; WO2013160945A1

Abstract

由具有在下采样器(34、44)进行下采样时不产生混叠的特性的LPF(31、41)对低频带信号进行分割，由具有在下采样器(35、45)进行下采样时不产生混叠的特性的HPF(32、42)对高频带信号进行分割，并由加减法器(36、46)从分割前的信号中减去低频带信号和高频带信号而生成中频带信号，针对每个带宽，消除回波。

Description

回波消除装置

技术领域

本发明涉及一种消除重叠在声音信号中的回波信号的回波消除装置。

背景技术

在如免提通话系统以及电话会议系统那样的来自扬声器的输出会进入麦克风的系统中，需要确保其通话品质、特别是需要消除由于在双向通话时所产生的声耦合而产生的回波。作为消除该回波的技术，具有如下的声音回波消除器：具有对扬声器、麦克风间的传递函数进行辨别的自适应滤波器，使用由该自适应滤波器所辨别的回波路径来生成疑似回波信号，并从麦克风的输入信号减去疑似回波信号，由此消除从扬声器向麦克风传递的回波。在以往的声音回波消除器中，使用单一的自适应滤波器来消除回波，但是声音信号是在频率带宽上能量分布有偏重的信号，因此在单一的自适应滤波器中具有由于收敛延迟等而不能实现充分的回波抑制这样的缺点。

因此，作为解决这种缺点的声音回波消除器，提出了将声音信号分割为多个频率带宽，并对单独的每个带宽进行回波消除的子带回波消除器。在该子带回波消除器中，针对每个窄的带宽宽度进行基于自适应滤波器的学习，因此能够期待排除由能量分布的偏重所致的影响。另外，能够通过分割带宽来降低采样频率，因此能够期待运算量的削减。例如，在将采样频率为8kHz的信号的带宽(0～4kHz)二等分地分割为0～2kHz和2～4kHz时，各自的带宽宽度只有2kHz，因此可以表现为采样频率4kHz的信号，所以能够将采样频率降低为1/2。

但是，由于通过下采样而产生的混叠(aliasing)的影响，存在所分割的带宽的边界附近的回波未被充分地消除而产生残留回波这样的问题。这里，图5表示通过下采样而产生的混叠的说明图。在对采样频率16kHz的信号进行下采样而变换为采样频率8kHz时，如果在超过采样频率的1/2的频率带宽中具有信号成分，则产生叠加信号、即混叠。

例如在专利文献1中，在使用QMF(QuadratureMirrorFilter：正交镜像滤波器)将麦克风的输入信号分离为高频带成分和低频带成分之后，为了下采样而对各成分进行间隔剔除处理，因此各个带宽中的回波消除器以少的运算量就能够实现。另外，对于输入信号的低频带成分，设置只使高频成分通过的HPF(HighPassFilter：高通滤波器)，由此消除带宽边界附近的回波信号。

专利文献1：日本特开2006-203358号公报

发明内容

在上述专利文献1中，以消除带宽边界附近的回波为目的，对输入信号实施了HPF处理，但是由此导致失去输入信号自身的低频带成分，因此存在有损音质这样的课题。

本发明是为了解决如上所述的课题而作出的，其目的在于通过消除由于带宽分割而产生的混叠的影响从而无损音质地消除回波。

在本发明的回波消除装置中，1次带宽分割部具有：低通滤波器，具有在进行下采样时不产生混叠的滤波特性，将分割对象的信号中的低频带成分进行分割而生成低频带的1次分割信号；低频带侧下采样器，对由低通滤波器所分割出的低频带的1次分割信号进行下采样；高通滤波器，具有在进行下采样时不产生混叠的滤波特性，将分割对象的信号中的高频带成分进行分割而生成高频带的1次分割信号；高频带侧下采样器，对由高通滤波器所分割出的高频带的1次分割信号进行下采样；以及加减法器，从分割对象的信号中减去从低频带侧下采样器输出的低频带的1次分割信号以及从高频带侧下采样器输出的高频带的1次分割信号，而生成中频带的1次分割信号。

根据本发明，使用具有在进行下采样时不产生混叠的特性的低通滤波器以及高通滤波器从原信号中分割低频带的信号和高频带的信号，并从原信号中减去低频带的信号和高频带的信号而生成中频带的信号，由此能够消除在带宽分割时由于下采样而产生的混叠的影响，能够无损音质地消除回波。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1的回波消除装置的结构的框图。

图2是表示实施方式1的回波消除装置所使用的低通滤波器和高通滤波器的特性的曲线图。

图3是表示将图2所示的低通滤波器和高通滤波器的输出信号进行了合成的信号的频率特性的曲线图。

图4是表示本发明的实施方式2的回波消除装置的结构的框图。

图5是说明在以往的子带回波消除器中由于下采样而产生的混叠的曲线图。

(符号说明)

10：扬声器；20：麦克风；30、40：(1次)带宽分割部；30a、40a：(2次)带宽分割部；31、41、64：LPF；32、42、65：HPF；33、43、63：延迟器；34、44：(低频带侧)下采样器；35、45：(高频带侧)下采样器；36、46：加减法器；51：低频带回波处理部；51a：低频带A回波处理部；51b：低频带B回波处理部；51c：低频带C回波处理部；52：中频带回波处理部；53：高频带回波处理部；60、60a：带宽合成部；61、62：上采样器；66：加法器。

具体实施方式

下面，为了更详细地说明本发明，按照附图说明用于实施本发明的方式。

实施方式1.

图1所示的回波消除装置例如适用于免提通话系统，将由该系统的通信装置接收到的通话目的端的声音信号输出到扬声器10，并且由麦克风20收集周围的声音而从通信装置发送到通话目的端。该回波消除装置为了将输出到扬声器10的接收信号用于参考信号来消除重叠在麦克风20的输入信号(声音信号)中的回波，而具备带宽分割部(1次带宽分割部)30、40、低频带回波处理部51、中频带回波处理部52、高频带回波处理部53以及带宽合成部60。

带宽分割部30包括LPF(LowPassFilter：低通滤波器)31、HPF32、延迟器33、下采样器(低频带侧下采样器)34、下采样器(高频带侧下采样器)35以及加减法器36。带宽分割部30接收接收信号，通过LPF31抽取低频带成分，通过下采样器34进行低频带成分的下采样处理，生成下采样了的低频带信号(低频带的1次分割信号)。另外，通过HPF32从接收信号抽取高频带成分，通过下采样器35进行高频带成分的下采样处理，生成下采样了的高频带信号(高频带的1次分割信号)。而且，在通过延迟器33延迟了接收信号之后，在加减法器36中从延迟了的接收信号减去LPF31所输出的低频带成分以及HPF32所输出的高频带成分，由此生成中频带信号(中频带的1次分割信号)。

带宽分割部40也与带宽分割部30同样地包括LPF41、HPF42、延迟器43、下采样器44、45以及加减法器46。带宽分割部40接收麦克风20的输入信号，通过LPF41抽取低频带成分，通过下采样器44进行低频带成分的下采样处理，生成下采样了的低频带信号。另外，通过HPF42从输入信号抽取高频带成分，通过下采样器45进行高频带成分的下采样处理，生成下采样了的高频带信号。而且，在通过延迟器43延迟了输入信号之后，在加减法器46中从延迟了的输入信号减去LPF41所输出的低频带成分以及HPF42所输出的高频带成分，由此生成中频带信号。

低频带回波处理部51以在带宽分割部30以及带宽分割部40中所生成的低频带信号为输入而实施回波消除处理。中频带回波处理部52以在带宽分割部30以及带宽分割部40中所生成的中频带信号为输入而实施回波抑制处理。高频带回波处理部53以在带宽分割部30以及带宽分割部40中所生成的高频带信号为输入而实施回波消除处理。

这里，低频带回波处理部51以及高频带回波处理部53使用自适应滤波器进行回波消除处理，作为自适应滤波器例如使用NLMS(NormalizedLeastMeanSquaresfilter：归一化最小均方滤波器)。低频带回波处理部51以由带宽分割部30获得的接收侧的低频带信号为参考信号，使用由带宽分割部40获得的输入侧的低频带信号来实施自适应处理，推测回波成分。从输入侧的低频带信号减去该推测的回波成分而得到的信号成为低频带回波处理部51的输出信号。

同样地，高频带回波处理部53也以由带宽分割部30获得的接收侧的高频带信号为参考信号，使用由带宽分割部40获得的输入侧的高频带信号来实施自适应处理，推测回波成分。从输入侧的高频带信号减去该推测的回波成分而得到的信号成为高频带回波处理部53的输出信号。

此外，作为自适应滤波器使用了NLMS，但是也可以使用LMS(LeastMeanSquaresfilter：最小均方滤波器)、RLS(RecursiveLeastSquaresfilter：递推最小二乘滤波器)、仿射投影滤波器等其它的自适应滤波器。

另一方面，中频带回波处理部52由于其带宽宽度窄，因此并非通过基于自适应滤波器的回波消除，而是通过时域中的回波抑制处理来实现了回波降低。在本实施方式1中，中频带回波处理部52以由带宽分割部30获得的接收侧的中频带信号为参考信号，基于由带宽分割部40获得的输入侧的中频带信号的功率信息而决定回波抑制量。

带宽合成部60包括上采样器61、62、延迟器63、LPF64、HPF65以及加法器66。带宽合成部60接收低频带回波处理部51的输出信号，通过上采样器61进行上采样处理，并由LPF64除去在上采样处理中所产生的叠加成分而生成低频带信号。另外，带宽合成部60接收高频带回波处理部53的输出信号，通过上采样器62进行上采样处理，并由HPF65除去在上采样处理中所产生的叠加成分而生成高频带信号。并且，通过延迟器63使中频带回波处理部52所输出的中频带信号延迟，在加法器66中对延迟了的中频带信号、LPF64所输出的低频带信号以及HPF65所输出的高频带信号进行合计计算而生成发送信号。

接着，说明动作。

带宽分割部30接收接收信号，首先生成低频带信号和高频带信号，之后通过从接收信号整体减去低频带信号以及高频带信号而生成中频带信号。

图2(a)表示生成低频带信号的LPF31的特性的一个例子，图2(b)表示生成高频带信号的HPF32的特性的一个例子。图3表示将LPF31以及HPF32的输出信号进行合成得到的信号的频率特性。在将接收信号的带宽进行2分割的情况下，将LPF31的截止频率设定为接收信号的带宽的中心频率以下，将HPF32的截止频率设定为上述中心频率以上。通过使用这种特性的滤波器，即使实施下采样器34、35中的下采样处理，在其输出信号中也不会产生混叠，因此在由带宽合成部60将后级的低频带回波处理部51以及高频带回波处理部53的输出结果进行合成得到的发送信号中也没有混叠的影响。

但是，通过图2的滤波特性生成了低频带信号和高频带信号的情况下，如果合成这些信号，则如图3所示缺少设定为LPF31以及HPF32的截止频率的边界带宽1.5kHz附近的信号。因此，为了不使边界带宽附近的信号缺少而生成中频带信号。中频带信号的生成方法如下所示。

首先，在延迟器33中使接收信号延迟与在LPF31以及HPF32中产生的延迟相同的量。之后，通过加减法器36，从延迟器33的输出信号减去LPF31以及HPF32的各输出信号，从而计算出边界带宽附近的中频带信号。

带宽分割部40设计成除了用于输入的信号不是接收信号而是麦克风20的输入信号的这点以外进行与带宽分割部30相同的动作。即，LPF41以及HPF42的滤波特性分别设为与LPF31以及HPF32的滤波特性相同。

通过以上，根据实施方式1，回波消除装置具备带宽分割部30以及同样结构的麦克风20的输入信号用的带宽分割部40，其中，所述带宽分割部30具备：LPF31，具有在进行下采样时不产生混叠的滤波特性，对接收信号中的低频带成分进行分割而生成低频带信号；下采样器34，对由LPF31所分割的低频带信号进行下采样；HPF32，具有在进行下采样时不产生混叠的滤波特性，对接收信号中的高频带成分进行分割而生成高频带信号；下采样器35，对由HPF32所分割的高频带信号进行下采样；以及加减法器36，从由延迟器33延迟了的接收信号中减去从下采样器34、35输出的低频带信号以及高频带信号而生成中频带信号。因此，不受由于带宽分割时的下采样而产生的混叠的影响，而能够实施回波消除处理。另外，与上述专利文献1那样的以往的子带回波消除器不同，不需要实施针对低频带信号的HPF处理，因此还具有如下效果：不会产生针对输入信号的低频带的失真而能够维持音质。

另外，根据实施方式1，在回波消除装置中构成为低频带回波处理部51以及高频带回波处理部53对低频带信号以及高频带信号进行使用了自适应滤波器的回波消除处理，中频带回波处理部52对中频带信号进行回波抑制处理，因此能够抑制针对没有进行下采样处理的中频带信号的回波处理的运算量。

此外，在上述实施方式1中，在进行带宽分割之后，将LPF31、41以及HPF32、42的滤波特性设为图2所示的特性，但如果是具有在进行下采样时不产生混叠的特性的滤波器，则不限于图2所示的特性的滤波器而能够进行应用。

另外，只有中频带回波处理部52实施了回波抑制处理，但是也可以实施使用了自适应滤波器的回波消除处理。而且，不对中频带信号进行下采样而以原来的采样频率实施了回波处理，但是也可以例如以使采样频率成为2/3而并非1/2的方式实施下采样之后实施中频带回波处理。在这种情况下，成为因采样频率降低引起的回波处理的运算削减量与下采样处理的运算增加量的折衷。

实施方式2.

在上述实施方式1中，构成为将带宽进行3分割为低频带、中频带、高频带，但还能够分割为窄带宽。因此，在本实施方式2中，说明对低频带信号进一步进行带宽分割的例子。

图4是表示本实施方式2的回波消除装置的结构的框图，在图4中对于与图1相同或者相当的部分附加相同的符号。在本实施方式2中，将带宽分割部30、40用作对接收信号以及输入信号进行1次分割而使其成为低频带、中频带、高频带的1次分割信号的1次带宽分割部。另外，将带宽分割部30a、40a用作2次带宽分割部，对由1次带宽分割部进行带宽分割得到的低频带的1次分割信号更细地进行2次分割，而生成低频带(称为低频带A)、中频带(称为低频带B)、高频带(称为低频带C)的2次分割信号。

在图4中，带宽分割部30接收接收信号，将带宽3分割为低频带、中频带、高频带。带宽分割部40接收麦克风20的输入信号，将带宽3分割为低频带、中频带、高频带。在上述实施方式1中，在低频带回波处理部51中对由带宽分割部30以及带宽分割部40获得的各低频带信号进行了回波消除处理，但是在本实施方式2中，不同点在于，通过带宽分割部30a以及带宽分割部40a将低频带信号进一步分割为低频带A、低频带B、低频带C这三个带宽。

带宽分割部30a是与图1所示的带宽分割部30相同的内部结构，通过LPF从带宽分割部30所生成的低频带信号中抽取低频带A成分，并通过下采样器进行低频带A成分的下采样处理，生成低频带A信号。另外，通过HPF从低频带信号中抽取低频带C成分，并通过下采样器进行低频带C成分的下采样处理，生成低频带C信号。而且，在通过延迟器延迟了低频带信号后，在加减法器中从延迟了的低频带信号减去低频带A成分以及低频带C成分，从而生成低频带B信号。

带宽分割部40a除了用于输入的信号不是接收侧的低频带信号而是麦克风20的输入侧的低频带信号的点以外，进行与带宽分割部30a同样的动作，生成低频带A信号、低频带B信号以及低频带C信号。

此外，在带宽分割部30a、40a中，抽取低频带A成分以及低频带C成分的LPF以及HPF的滤波特性例如如图2所示的滤波特性那样，在进行下采样时不产生混叠。

低频带A回波处理部51a以在带宽分割部30a以及带宽分割部40a中所生成的低频带A信号为输入来实施回波消除处理。低频带B回波处理部51b以在带宽分割部30a以及带宽分割部40a中所生成的低频带B信号为输入来实施回波消除处理。低频带C回波处理部51c以在带宽分割部30a以及带宽分割部40a中所生成的低频带C信号为输入来实施回波消除处理。

如在上述实施方式1中所说明那样，低频带A回波处理部51a以及低频带C回波处理部51c进行使用了自适应滤波器的回波消除处理，另一方面，低频带B回波处理部51b既可以进行使用了自适应滤波器的回波消除处理，也可以不使用自适应滤波器而进行回波抑制处理。

带宽合成部60a的内部结构与图1所示的带宽合成部60相同，接收低频带A回波处理部51a的输出信号并通过上采样器进行上采样处理，通过LPF除去叠加成分而生成低频带A信号。另外，接收低频带C回波处理部51c的输出信号并通过上采样器进行上采样处理，通过HPF除去叠加成分而生成低频带C信号。并且，通过延迟器延迟低频带B回波处理部51b的输出信号，在加法器中对延迟了的低频带B信号、通过了LPF的低频带A信号、以及通过了HPF的低频带C信号进行合计计算而生成低频带信号，并输出到带宽合成部60。

在带宽合成部60中对由带宽合成部60a获得的低频带信号与由中频带回波处理部52获得的中频带信号以及由高频带回波处理部53获得的高频带信号进行合计计算而生成发送信号。

通过以上，根据实施方式2，回波消除装置构成为具备带宽分割部30a、40a，将由带宽分割部30、40所分割的低频带信号进一步分割为多个带宽而输出低频带A～低频带C信号。因此，在不受混叠的影响而能够实施回波消除处理的基础上，与上述实施方式1相比能够进一步削减低频带信号中的回波消除处理的运算量。

此外，在上述实施方式2中，对于在带宽分割部30及带宽分割部40中使用的LPF31、41及HPF32、42、以及在带宽分割部30a及带宽分割部40a中使用的LPF及HPF，使用了相同的滤波特性的滤波器，但是例如也可以在带宽分割部30、40和带宽分割部30a、40a中使滤波特性不同。

另外，在上述实施方式2中，追加带宽分割部30a、40a而将低频带信号进一步进行了3分割，但是也可以对于中频带信号以及高频带信号的一方或者双方也追加带宽分割部而进一步进行3分割。

另外，在上述实施方式1中以3分割的带宽分割为例进行了说明，在上述实施方式2中以5分割的带宽分割为例进行了说明，但是不限于此，可以设为任意的分割数。

例如，在2分割的情况下，能够通过加长LPF31和HPF32的滤波器长度而使其特性陡峭(即，使通过频带与截止频带相同)，从而使得不产生中间频带。

另外例如在4分割的情况下，通过将高频带、中频带以及低频带的3分割了的信号中的低频带信号进一步进行2分割，从而能够实现合计4分割的带宽分割。此外，在将低频带信号进行2分割的情况下，如上述那样需要使用不产生中间频带的特性的滤波器。

此外，本申请发明能够在本发明的范围内实现各实施方式的自由组合或各实施方式的任意的结构要素的变形、或者在各实施方式中省略任意的结构要素。

产业上的可利用性

如以上那样，本发明的回波消除装置不受混叠的影响而实施回波消除处理，因此适用于免提通话系统以及电话会议系统那样的来自扬声器的输出进入到麦克风的系统等。

Claims

1.一种回波消除装置，其特征在于，具备：

1次带宽分割部，将参考信号以及声音信号分别分割为多个带宽而输出多个1次分割信号；

回波处理部，对于各个所述带宽，参考所述参考信号的1次分割信号来进行所述声音信号的1次分割信号的回波消除处理；以及

带宽合成部，将由所述回波处理部针对每个所述带宽进行了回波消除处理的所述声音信号的1次分割信号进行合成，

所述1次带宽分割部具有：

低通滤波器，具有在进行下采样时不产生混叠的滤波特性，将分割对象的信号中的低频带成分进行分割而生成低频带的1次分割信号；

低频带侧下采样器，对由所述低通滤波器所分割出的所述低频带的1次分割信号进行下采样；

高通滤波器，具有在进行下采样时不产生混叠的滤波特性，将所述分割对象的信号中的高频带成分进行分割而生成高频带的1次分割信号；

高频带侧下采样器，对由所述高通滤波器所分割出的所述高频带的1次分割信号进行下采样；以及

加减法器，从所述分割对象的信号中减去从所述低频带侧下采样器输出的所述低频带的1次分割信号以及从所述高频带侧下采样器输出的所述高频带的1次分割信号，而生成中频带的1次分割信号。

2.根据权利要求1所述的回波消除装置，其特征在于，

具备2次带宽分割部，该2次带宽分割部将由所述1次带宽分割部所分割出的所述多个带宽中的至少一个带宽的1次分割信号进一步分割为多个带宽而输出多个2次分割信号，

所述2次带宽分割部具有：

低通滤波器，具有在进行下采样时不产生混叠的滤波特性，将分割对象的频带的所述1次分割信号中的低频带成分进行分割而生成低频带的2次分割信号；

低频带侧下采样器，对由所述低通滤波器所分割出的所述低频带的2次分割信号进行下采样；

高通滤波器，具有在进行下采样时不产生混叠的滤波特性，将分割对象的频带的所述1次分割信号中的高频带成分进行分割而生成高频带的2次分割信号；

高频带侧下采样器，对由所述高通滤波器所分割出的所述高频带的2次分割信号进行下采样；以及

加减法器，从所述分割对象的频带的所述1次分割信号中减去从所述低频带侧下采样器输出的所述低频带的2次分割信号以及从所述高频带侧下采样器输出的所述高频带的2次分割信号，而生成中频带的2次分割信号。

3.根据权利要求1所述的回波消除装置，其特征在于，

所述回波处理部对所述低频带的1次分割信号以及所述高频带的1次分割信号进行使用了自适应滤波器的回波消除处理，对所述中频带的1次分割信号，不进行使用了自适应滤波器的回波消除处理而进行回波抑制处理。

4.根据权利要求2所述的回波消除装置，其特征在于，

所述回波处理部对于各个所述带宽，参考所述参考信号的2次分割信号来进行所述声音信号的2次分割信号的回波消除处理，对所述低频带的2次分割信号以及所述高频带的2次分割信号进行使用了自适应滤波器的回波消除处理，对所述中频带的2次分割信号，不进行使用了自适应滤波器的回波消除处理而进行回波抑制处理。