CN104754157B - 一种残留回声抑制方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种残留回声抑制方法和系统，在自适应滤波器收敛初始阶段利用参考信号与残差信号之间的相关性估计残留回声，解决了自适应滤波器初始状态漏回声问题。自适应滤波器收敛后利用估计回声估计一次残留回声，再利用参考信号与残差信号的相关性估计一次残留回声，最后利用两次残留回声估计计算两个残留回声抑制增益，再将两个增益加权，取得总的增益，有效的改善了双讲效果。
Description
技术领域
本发明涉及通讯技术领域，特别涉及一种残留回声抑制方法和系统。
背景技术
在语音通讯系统中，声学回声抵消扮演着核心算法的角色，回声处理的好坏决定了通话质量的高低。
请参考图1，其是声学回声产生的示意图。如图1所示，声学回声(acoustic echo)是远端信号通过电话或网络传送到近端，通过扬声器播放出来，再经过空间传输路径，被麦克风拾取发送到远端，远端通话者最终听到自己的声音。
现有技术中，处理声学回声的装置称为声学回声抵消器(Acoustic EchoCanceller)，下面简称声学回声抵消为回声抵消或AEC。AEC主要分成两个部分：线性回声消除和残留回声抑制。线性回声消除主要对通过一个自适应滤波器对回声路径进行模拟，得到估计回声(模拟真实回声)，然后用近端麦克风输入信号减去估计回声，达到消除回声的目的。但由于自适应滤波器只能处理线性回声，而且加上回声路径长，近端噪声，双讲，非线性失真，滤波器收敛效果等各种影响，回声不可能抵消的很干净，会产生残留的回声。对于残留的回声，需要做进一步的抑制工作，这就是残留回声抑制。
请参考图2，其是声学回声抵消器工作原理示意图。如图2所示，远端发送过来的信号称为参考信号x(n)。麦克风输入的信号称为回声信号d(n)，回声信号d(n)包括真实回声y(n)、近端语音信号v(n)和噪声信号w(n)，d(n)＝y(n)+v(n)+w(n)，所述真实回声y(n)是参考信号x(n)通过空间传输被麦克风拾取的部分。自适应滤波器输出的信号称为估计回声回声信号d(n)与估计回声相减得到的信号称为残差信号e(n)，残差信号中的真实残留回声称为残留回声δ(n)，对残留回声的估计就称为残留回声估计如果能够准确的估计出残留回声那么残留回声就很容易被去除干净了。
现有技术中，目前常用的方法是利用残差信号e(n)与回声信号d(n)的相关性进行残留回声估计。但是该方法在自适应滤波器收敛、远端单讲的前提下，才能得到较好的残留回声估计。如果是自适应滤波器未收敛前、远端和近端双讲的状态下，现有的方法不能够准确的估计出残留回声，即残留回声抑制效果不好。
发明内容
本发明的目的在于提供一种残留回声抑制方法和系统，以解决现有技术不能够准确的估计出残留回声，残留回声抑制效果不好的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种残留回声抑制方法，应用于回声抵消器，所述回声抵消器包括自适应滤波器和残留回声抑制单元，包括：
步骤一：所述残留回声抑制单元对参考信号x(n)、残差信号e(n)和估计回声做傅里叶变换，生成参考信号频域信号X(ω)、残差信号频域信号E(ω)和估计回声频域信号
步骤二：根据参考信号频域信号X(ω)计算参考信号自相关功率谱Sxx(ω)；根据残差信号频域信号E(ω)计算残差信号自相关功率谱See(ω)；根据估计回声频域信号计算估计回声自相关功率谱根据参考信号频域信号X(ω)和残差信号频域信号E(ω)计算参考信号和残差信号互相关功率谱Sxe(ω)；根据估计回声频域信号和残差信号频域信号E(ω)计算估计回声和残差信号互相关功率谱
步骤三：判断所述自适应滤波器的收敛性，若所述自适应滤波器未收敛，则根据所述参考信号自相关功率谱Sxx(ω)、残差信号e(n)的自相关功率谱See(ω)和参考信号和残差信号的互相关功率谱Sxe(ω)估计残留回声，得到残留回声估计，根据所述残留回声估计和残差信号频域信号，获得增益；若所述自适应滤波器已收敛，则根据所述估计回声自相关功率谱残差信号自相关功率谱See(ω)和估计回声和残差信号互相关功率谱估计残留回声，得到残留回声估计一；根据所述参考信号自相关功率谱Sxx(ω)、残差信号自相关功率谱See(ω)和参考信号和残差信号互相关功率谱Sxe(ω)估计残留回声，得到残留回声估计二；根据所述残留回声估计一和残差信号频域信号获得第一增益，根据所述残留回声估计二和残差信号频域信号获得第二增益，加权所述第一增益和第二增益生成总增益；
步骤四：根据所述增益或总增益，以及残差信号频域信号获得残留回声抑制后的输出信号，对所述残留回声抑制后的输出信号做傅里叶逆变换得到时域信号输出。
优选的，在所述的残留回声抑制方法中，在步骤三中，通过获取自适应滤波器的收敛标志来判断，若所述自适应滤波收敛标志为0，则表示自适应滤波器未收敛；若所述自适应滤波收敛标志为1，则表示自适应滤波器已收敛。
优选的，在所述的残留回声抑制方法中，在步骤三中，通过获取单讲段回声信号的衰减量或总体的衰减量来判断所述自适应滤波器的收敛性。
优选的，在所述的残留回声抑制方法中，根据所述参考信号自相关功率谱Sxx(ω)、残差信号自相关功率谱See(ω)和参考信号和残差信号互相关功率谱Sxe(ω)估计残留回声，得到残留回声估计二的步骤后还包括：在双讲状态下，根据所述残留回声估计二的能量对所述残留回声估计一的幅度进行修正。
优选的，在所述的残留回声抑制方法中，在步骤四后还包括步骤：对所述时域信号进行噪声抑制、自动增益控制和均衡后，编码发送至远端。
相应的，本发明还提供一种残留回声抑制系统，包括：
残留回声抑制单元，用于对参考信号x(n)、残差信号e(n)和估计回声做傅里叶变换，生成参考信号频域信号X(ω)、残差信号频域信号E(ω)和估计回声频域信号根据参考信号频域信号X(ω)计算参考信号自相关功率谱Sxx(ω)；根据残差信号频域信号E(ω)计算残差信号自相关功率谱See(ω)；根据估计回声频域信号计算估计回声自相关功率谱根据参考信号频域信号X(ω)和残差信号频域信号E(ω)计算参考信号和残差信号的互相关功率谱Sxe(ω)；根据估计回声频域信号和残差信号频域信号E(ω)计算估计回声和残差信号的互相关功率谱及根据所述增益或总增益，以及残差信号频域信号获得残留回声抑制后的输出信号，对所述残留回声抑制后的输出信号做傅里叶逆变换得到时域信号输出；
判断模块，用于判断自适应滤波器的收敛性，若所述自适应滤波器未收敛，则根据所述参考信号自相关功率谱Sxx(ω)、残差信号自相关功率谱See(ω)和参考信号和残差信号互相关功率谱Sxe(ω)估计残留回声，得到增益；若所述自适应滤波器已收敛，则根据所述估计回声自相关功率谱残差信号自相关功率谱See(ω)估计回声和残差信号的互相关功率谱估计残留回声，得到残留回声估计一；根据所述参考信号自相关功率谱Sxx(ω)、残差信号自相关功率谱See(ω)和参考信号和残差信号互相关功率谱Sxe(ω)估计残留回声，得到残留回声估计二；根据所述残留回声估计一和残差信号频域信号获得第一增益，根据所述残留回声估计二和残差信号频域信号获得第二增益，加权所述第一增益和第二增益生成总增益。
优选的，在所述的残留回声抑制系统中，在判断模块中，通过获取自适应滤波器的自适应滤波收敛标志来判断，若所述自适应滤波收敛标志为0，则表示自适应滤波器未收敛；若所述自适应滤波收敛标志为1，则表示自适应滤波器已收敛。
优选的，在所述的残留回声抑制系统中，在判断模块中，通过获取单讲段回声信号的衰减量或总体的衰减量来判断所述自适应滤波器的收敛性。
优选的，在所述的残留回声抑制系统中，所述残留回声抑制单元还用于在双讲状态下，根据所述残留回声估计二的能量对所述残留回声估计一的幅度进行修正。
优选的，在所述的残留回声抑制系统中，还包括：后续处理模块用于对所述时域信号进行噪声抑制、自动增益控制和均衡后，编码发送至远端。
本发明提供的残留回声抑制方法和系统，具有以下有益效果：本发明在自适应滤波器收敛初始阶段利用参考信号x(n)与残差信号e(n)之间的相关性估计残留回声，解决了自适应滤波器初始状态漏回声问题。自适应滤波器收敛后利用估计回声估计一次残留回声，再利用参考信号x(n)与残差信号e(n)的相关性估计一次残留回声，最后利用两次残留回声估计计算两个残留回声抑制增益，再将两个增益加权，取得总的增益，有效的改善了双讲效果。
附图说明
图1是现有的声学回声产生的示意图；
图2是现有的声学回声抵消器工作原理示意图；
图3是本发明的终端的音频信号处理示意图；
图4是本发明的回声抵消器的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的残留回声抑制方法和系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
请参考图3，其是一个终端的音频信号处理示意图。如图3所示，本实施例至少包含一个终端，一个麦克风和一个扬声器。所述麦克风和扬声器可以集成到终端上；所述终端上有足够处理能力的DSP或其他处理器，所述DSP可以进行编解码和回声抵消处理等算法。所述麦克风采集近端语音信号v(n)，噪声信号w(n)和真实回声y(n)作为回声信号d(n)，送到回声抵消器(AEC)。回声抵消器接收回声信号d(n)和远端发送过来的参考信号x(n)做回声抵消处理，再经过噪声抑制NS，自动增益控制AGC，均衡EQ等其他处理，最后编码ENC发送到远端。
请参考图4，其是回声抵消器(AEC)的示意图。如图4所示，回声抵消器(AEC)包括两个模块，自适应滤波器(ADF)和残留回声抑制单元(RES)。所述自适应滤波器(ADF)模拟回声产生路径，估计出回声进行回声抵消。所述残留回声抑制单元(RES)对自适应滤波器(ADF)后的残留回声做进一步的抑制。
针对对自适应滤波器(ADF)后的残留回声做进一步的抑制，本发明提供一种残留回声抑制方法，具体包括如下步骤：
步骤一：残留回声抑制单元(RES)获取自适应滤波器(ADF)输出的参考信号x(n)、残差信号e(n)和估计回声然后对参考信号x(n)、残差信号e(n)和估计回声做傅里叶变换，生成参考信号频域信号X(ω)、残差信号频域信号E(ω)和估计回声频域信号
步骤二：根据参考信号频域信号X(ω)计算参考信号x(n)的自相关功率谱Sxx(ω)，Sxx(ω)＝αSxx(ω)+(1-α)X(ω)X(ω)*,0＜α＜1；
根据残差信号频域信号E(ω)计算残差信号e(n)的自相关功率谱See(ω)，See(ω)＝αSee(ω)+(1-α)E(ω)E(ω)*,0＜α＜1；
根据估计回声频域信号计算估计回声的自相关功率谱 其中，E(ω)*，X(ω)*,表示E(ω),X(ω),的共轭；
根据参考信号频域信号X(ω)和残差信号频域信号E(ω)计算参考信号x(n)和残差信号e(n)的互相关功率谱Sxe(ω)，Sxe(ω)＝αSxe(ω)+(1-α)X(ω)E(ω)*,0＜α＜1；
根据估计回声频域信号和残差信号频域信号E(ω)计算估计回声和残差信号的互相关功率谱 其中，E(ω)*表示E(ω)的共轭。
特别要说明的是，上述公式中的中α表示平滑因子(0＜α＜1)，α可以取相同的值也可以取不同的值，本实施例不对此作出限定。
步骤三：判断所述自适应滤波器的收敛性。根据自适应滤波器的收敛性对残留回声进行分段估计，在不同的场景，不同的阶段使用不同的估计方法，可以有效地分别在自适应滤波器收敛的初始阶段和回声路径改变时、在自适应滤波器收敛后和双讲阶段时抑制残留回声。
在发明一个优选的实施例中，获取自适应滤波器(ADF)的收敛标志Convergencedflg，以收敛标志Convergencedflg来判断所述自适应滤波器(ADF)的收敛性。若所述收敛标志Convergencedflg为0，则表示自适应滤波器(ADF)未收敛；若所述收敛标志Convergencedflg为1，则表示自适应滤波器(ADF)已收敛。
在本发明的又一优选实施例中，通过获取单讲段回声信号的衰减量或总体的衰减量来判断所述自适应滤波器(ADF)的收敛性。
特别要说明的是，本发明对自适应滤波器(ADF)的判断方式不做要求，只要是能判断自适应滤波器(ADF)的收敛性即可。
根据所述参考信号x(n)的自相关功率谱Sxx(ω)、残差信号e(n)的自相关功率谱See(ω)和参考信号x(n)和残差信号e(n)的自相关功率谱Sxe(ω)估计残留回声，获得残留回声抑制的传递函数：
如果所述自适应滤波器(ADF)未收敛，则根据所述参考信号x(n)的自相关功率谱Sxx(ω)、残差信号e(n)的自相关功率谱See(ω)和参考信号x(n)和残差信号e(n)的互相关功率谱Sxe(ω)估计残留回声，得到残留回声估计，根据所述残留回声估计和残差信号频域信号，获得增益，即获得残留回声抑制的传递函数H(ω)＝H1(ω)；
其中，μ是与回声抑制量有关的控制因子，μ值根据实际场景进行调整，本实施例优选0.5。基此，在自适应滤波器收敛初始阶段利用参考信号x(n)与残差信号e(n)之间的相关性估计残留回声，解决了自适应滤波器初始状态漏回声问题。
如果所述自适应滤波器已收敛，则先根据所述估计回声的自相关功率谱残差信号e(n)的自相关功率谱See(ω)，以及估计回声和残差信号e(n)的互相关功率谱估计残留回声，得到残留回声估计一，根据所述残留回声估计一和残差信号频域信号获得第一增益，即获得残留回声抑制的传递函数：
再根据所述参考信号x(n)的自相关功率谱Sxx(ω)、残差信号e(n)的自相关功率谱See(ω)和参考信号x(n)和残差信号e(n)的自相关功率谱Sxe(ω)估计残留回声，得到残留回声估计二，根据所述残留回声估计二和残差信号频域信号，获得第二增益，最后，加权所述第一增益和第二增益生成总增益，即获得残留回声抑制的传递函数：
其中，ξ是(加权系数0＜ξ＜1)，ξ值根据实际场景进行调整，本实施例优选0.5。
但是，在自适应滤波器收敛后的双讲状态下，估计回声有可能不准，需要对其估计的H2(ω)中的残留回声估计幅度进行修正，利用参考信号和残差信号相关性估计出来的估计残留回声，对利用估计回声和残差信号相关性估计出来的残留回声进行修正。即我们使用H1(ω)中估计的残留回声幅度对其进行修正。H1(ω)中使用的残留回声估计功率谱为H2(ω)使用的残留回声估计功率谱为令修正此时
步骤四：根据所述增益或总增益，以及残差信号频域信号获得残留回声抑制后的输出信号，对所述残留回声抑制后的输出信号做傅里叶逆变换得到时域信号输出。
基此，自适应滤波器收敛后利用估计回声估计一次残留回声，再利用参考信号x(n)与残差信号e(n)的相关性估计一次残留回声，最后利用两次残留回声估计计算两个残留回声抑制增益，再将两个增益加权，取得总的增益，有效的改善了双讲效果。
相应的，本发明提供一种残留回声抑制系统，包括：
残留回声抑制单元，用于对参考信号x(n)、残差信号e(n)和估计回声做傅里叶变换，生成参考信号频域信号X(ω)、残差信号频域信号E(ω)和估计回声频域信号根据参考信号频域信号X(ω)计算参考信号x(n)的自相关功率谱Sxx(ω)；根据残差信号频域信号E(ω)计算残差信号e(n)的自相关功率谱See(ω)；根据估计回声频域信号计算估计回声的自相关功率谱根据参考信号频域信号X(ω)和残差信号频域信号E(ω)计算参考信号x(n)和残差信号e(n)的互相关功率谱Sxe(ω)；根据估计回声频域信号和残差信号频域信号E(ω)计算估计回声和残差信号e(n)的互相关功率谱及根据所述增益或总增益，以及残差信号频域信号获得残留回声抑制后的输出信号，对所述残留回声抑制后的输出信号做傅里叶逆变换得到时域信号输出；
进一步的，所述残留回声抑制单元还用于在双讲状态下，根据所述残留回声估计二的能量对所述残留回声估计一的幅度进行修正。
判断模块，用于判断自适应滤波器的收敛性，若所述自适应滤波器未收敛，则根据所述参考信号x(n)的自相关功率谱Sxx(ω)、残差信号e(n)的自相关功率谱See(ω)和参考信号x(n)和残差信号e(n)的互相关功率谱Sxe(ω)估计残留回声，得到残留回声估计，根据所述残留回声估计和残差信号频域信号，获得增益；若所述自适应滤波器已收敛，则根据所述估计回声的自相关功率谱残差信号e(n)的自相关功率谱See(ω)和估计回声和残差信号e(n)的互相关功率谱估计残留回声，得到残留估计一；根据所述参考信号x(n)的自相关功率谱Sxx(ω)、残差信号e(n)的自相关功率谱See(ω)和参考信号x(n)和残差信号e(n)的互相关功率谱Sxe(ω)估计残留回声，得到残留估计二；根据所述残留回声估计一和残差信号频域信号获得第一增益，根据所述残留回声估计二和残差信号频域信号，获得第二输增益，加权所述第一增益和二输增益生成总增益。
在本发明一个优选的实施例中，在判断模块中，通过获取自适应滤波器的收敛标志来判断，若所述收敛标志为0，则表示自适应滤波器未收敛；若所述收敛标志为1，则表示自适应滤波器已收敛。
在本发明的又一优选实施例中，在判断模块中，通过获取单讲段回声信号的衰减量或总体的衰减量来判断所述自适应滤波器的收敛性。
进一步的，所述残留回声抑制系统还包括后续处理模块，用于对所述时域信号进行噪声抑制、自动增益控制和均衡后，编码发送至远端。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (10)
1.一种残留回声抑制方法，应用于回声抵消器，所述回声抵消器包括自适应滤波器和残留回声抑制单元，其特征在于，包括：
步骤一：所述残留回声抑制单元对参考信号、残差信号和估计回声做傅里叶变换，生成参考信号频域信号、残差信号频域信号和估计回声频域信号；其中，所述参考信号为远端发送过来的信号；
步骤二：根据参考信号频域信号计算参考信号自相关功率谱；根据残差信号频域信号计算残差信号自相关功率谱；根据估计回声频域信号计算估计回声自相关功率谱；根据参考信号频域信号和残差信号频域信号计算参考信号和残差信号互相关功率谱；根据估计回声频域信号和残差信号频域信号计算估计回声和残差信号互相关功率谱；
步骤三：判断所述自适应滤波器的收敛性，若所述自适应滤波器未收敛，则根据所述参考信号自相关功率谱、残差信号自相关功率谱和参考信号和残差信号互相关功率谱估计残留回声，得到残留回声估计，根据所述残留回声估计和残差信号频域信号，获得增益；若所述自适应滤波器已收敛，则根据所述估计回声自相关功率谱、残差信号自相关功率谱和估计回声和残差信号互相关功率谱估计残留回声，得到残留回声估计一；根据所述参考信号自相关功率谱、残差信号自相关功率谱和参考信号和残差信号互相关功率谱估计残留回声，得到残留回声估计二；根据所述残留回声估计一和残差信号频域信号获得第一增益，根据所述残留回声估计二和残差信号频域信号获得第二增益，加权所述第一增益和第二增益生成总增益；
步骤四：根据所述增益或总增益，以及残差信号频域信号获得残留回声抑制后的输出信号，对所述残留回声抑制后的输出信号做傅里叶逆变换得到时域信号输出。
2.如权利要求1所述的残留回声抑制方法，其特征在于，在步骤三中，通过获取自适应滤波器的收敛标志来判断，若所述自适应滤波收敛标志为0，则表示自适应滤波器未收敛；若所述自适应滤波收敛标志为1，则表示自适应滤波器已收敛。
3.如权利要求1所述的残留回声抑制方法，其特征在于，在步骤三中，通过获取单讲段回声信号的衰减量或总体的衰减量来判断所述自适应滤波器的收敛性。
4.如权利要求1所述的残留回声抑制方法，其特征在于，根据所述参考信号自相关功率谱、残差信号自相关功率谱和参考信号和残差信号互相关功率谱估计残留回声，得到残留回声估计二的步骤后还包括：在双讲状态下，根据所述残留回声估计二的能量对所述残留回声估计一的幅度进行修正。
5.如权利要求1所述的残留回声抑制方法，其特征在于，在步骤四后还包括步骤：对所述时域信号进行噪声抑制、自动增益控制和均衡后，编码发送至远端。
6.一种残留回声抑制系统，包括：
残留回声抑制单元，用于对参考信号、残差信号和估计回声做傅里叶变换，生成参考信号频域信号、残差信号频域信号和估计回声频域信号；根据参考信号频域信号计算参考信号自相关功率谱；根据残差信号频域信号计算残差信号自相关功率谱；根据估计回声频域信号计算估计回声自相关功率谱；根据参考信号频域信号和残差信号频域信号计算参考信号和残差信号互相关功率谱；根据估计回声频域信号和残差信号频域信号计算估计回声和残差信号互相关功率谱；其中，所述参考信号为远端发送过来的信号；
判断模块，用于判断自适应滤波器的收敛性，若所述自适应滤波器未收敛，则根据所述参考信号自相关功率谱、残差信号的自相关功率谱和参考信号和残差信号自相关功率谱估计残留回声，得到残留回声估计，根据所述残留回声估计和残差信号频域信号，获得增益；若所述自适应滤波器已收敛，则根据所述估计回声的自相关功率谱、残差信号自相关功率谱和估计回声和残差信号互相关功率谱估计残留回声，得到残留回声估计一；根据所述参考信号自相关功率谱、残差信号自相关功率谱和参考信号和残差信号互相关功率谱估计残留回声，得到残留回声估计二；根据所述残留回声估计一和残差信号频域信号获得第一增益，根据所述残留回声估计二和残差信号频域信号获得第二增益，加权所述第一增益和第二增益生成总增益；
所述残留回声抑制单元还用于根据所述增益或总增益，以及残差信号频域信号获得残留回声抑制后的输出信号，对所述残留回声抑制后的输出信号做傅里叶逆变换得到时域信号输出。
7.如权利要求6所述的残留回声抑制系统，其特征在于，在判断模块中，通过获取自适应滤波器的收敛标志来判断，若所述自适应滤波收敛标志为0，则表示自适应滤波器未收敛；若所述自适应滤波收敛标志为1，则表示自适应滤波器已收敛。
8.如权利要求6所述的残留回声抑制系统，其特征在于，在判断模块中，通过获取单讲段回声信号的衰减量或总体的衰减量来判断所述自适应滤波器的收敛性。
9.如权利要求6所述的残留回声抑制系统，其特征在于，所述残留回声抑制单元还用于在双讲状态下，所述残留回声估计二的能量对所述残留回声估计一的幅度进行修正。
10.如权利要求6所述的残留回声抑制系统，其特征在于，还包括：后续处理模块用于对所述时域信号进行噪声抑制、自动增益控制和均衡后，编码发送至远端。
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