CN104980601A - 用于动态调谐回音消除器的增益控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于动态调谐回音消除器的增益控制系统及方法，该回音消除器被设置成对远端信号的回音进行估计并从麦克风信号中减去该估计，以输出回音消除信号，所述系统包括：回音测量单元，该回音测量单元被设置成计算所述麦克风信号与所述远端信号的比率；衰减单元，该衰减单元被设置成对所述麦克风信号与所述远端信号中的至少一个信号进行衰减，以向所述回音消除器输出第二麦克风信号和第二远端信号，所述第二麦克风信号与所述第二远端信号的比率不同于所计算出的比率；以及衰减控制器，该衰减控制器被设置成根据所计算出的比率控制所述衰减单元，以改变所述第二麦克风信号与所述第二远端信号的比率，并且控制所述回音消除信号。

Description

用于动态调谐回音消除器的增益控制系统及方法

技术领域

本发明涉及用于控制声学回音消除器(acoustic echo canceller)的调谐参数的方法和装置。

背景技术

在通话中，回音是话音信号的反射。其是原始信号的延迟复制。图1a例示了示例场景，其示出了由远端麦克风捕获并且由近端扬声器输出的信号。该回音是扬声器与麦克风之间的声耦合的结果；除了近端说话者的话音和任何背景噪声以外，麦克风还捕获源自其自身扬声器的信号。结果是远端扬声器处的回音。回音消除是电话学的重要特征。免提装置和电话会议尤其需要可以适于具有宽范围声学特性的环境的回音消除。

声学回音消除器通常合成对源自远端话音信号的回音的估计。接着，从麦克风信号中减去所估计的回音。该技术需要自适应信号处理，以有效地生成足够准确以消除回音的信号。通常使用自适应滤波器来对环境的声脉冲响应进行建模。该自适应滤波器后面通常跟着用于去除任何残留回音的非线性处理器(NLP)。该非线性处理器可以随附有舒适噪声生成器(CNG)，因为完全无声的时段可使用户不安。

回音消除器的性能取决于该平台，并且尤其取决于音频接口、接口驱动器和相关硬件、前置和后置放大器(若有的话)，以及麦克风和扬声器的特性。用充分的回音消除在宽泛种类的平台上实现全双工话音通信是具有挑战性的。因此，多数回音消除器需要某种形式的专用平台调谐来提供最佳性能。通常来说，该专用平台调谐必须人工执行。

因此，需要用于对声学回音消除器进行调谐的改进方法。

发明内容

根据第一实施方式，提供了用于动态调谐回音消除器的增益控制系统，该回音消除器被设置成对远端信号的回音进行估计并从麦克风信号中减去该估计，以输出回音消除信号，所述系统包括：回音测量单元，该回音测量单元被设置成计算所述麦克风信号与所述远端信号的比率；衰减单元，该衰减单元被设置成对所述麦克风信号与所述远端信号中的至少一个信号进行衰减，以向所述回音消除器输出第二麦克风信号和第二远端信号，所述第二麦克风信号与所述第二远端信号的比率不同于所计算出的比率；以及衰减控制器，该衰减控制器被设置成根据所计算出的比率控制所述衰减单元，以改变所述第二麦克风信号与所述第二远端信号的比率，并且控制所述回音消除信号。

所述回音控制器可以具有多个不同的操作模式。所述衰减控制器可以被设置成将所述增益控制系统的每一个操作模式与所述麦克风信号和所述远端信号的默认衰减相关联。

所述衰减控制器可以被设置成，在估计的开始，控制所述衰减单元应用与所述回音消除器的操作模式相关联的所述默认衰减；并且此后，根据所计算出的比率控制所述衰减单元。

所述衰减控制器可以被设置成，如果其确定已出现以下情况中的一个或更多个情况则确定已经开始估计：所述回音消除器的所述操作模式变化；通过通信装置开始通信；所述通信装置的音量级变化。

所述增益控制系统可以包括存在性单元，该存在性单元被设置成在所述回音测量单元计算所述比率之前，检查所述远端信号的信号能量是否超过预定阈值。

所述回音测量单元可以被设置成如果所述远端信号的信号能量未超过所述预定阈值，则不计算所述比率，直到所述远端信号的信号能量被发现超出所述预定阈值。

所述回音控制器可以包括自适应滤波器，该自适应滤波器被设置成根据所述第二远端信号生成对所述回音的估计，并且所述增益控制系统包括自适应计数器，该自适应计数器被设置成保持由所述自适应滤波器进行的自适应的计数。

所述自适应计数器可以被设置成，在所述回音测量单元计算所述比率之前，检查所述计数是否超出预定阈值。

所述回音测量单元可以被设置成如果所述计数未超出所述预定阈值，则不计算所述比率，直到所述计数被发现超出所述预定阈值。

所述增益控制系统可以包括模式控制器，该模式控制器被设置成，如果所述计数未超出所述预定阈值，则控制所述回音消除器按半双工模式操作。

所述增益控制系统可以包括单端讲话鉴别器，该单端讲话鉴别器被设置成确定所述麦克风信号是否指示单端讲话。

所述单端讲话鉴别器可以被设置成，在所述回音测量单元计算所述比率之前，检查所述麦克风信号是否指示单端讲话。

所述回音测量单元可以被设置成如果所述麦克风信号被确定为不指示单端讲话，则不计算所述比率，直到所述麦克风信号被确定为指示单端讲话。

所述增益控制系统可以包括模式控制器，该模式控制器被设置成，在所述麦克风信号被确定为不指示单端讲话的情况下，如果所述回音控制器已经按全双工模式操作，则控制所述回音控制器按所述全双工模式操作，否则按半双工模式操作。

所述单端讲话鉴别器可以被设置成，计算误差信号的短期功率与所述麦克风信号的短期功率的第一比率；将所述第一比率与第一预定域值相比较；以及如果所述第一比率超出所述第一预定阈值，则确定所述麦克风信号指示单端讲话。

所述单端讲话鉴别器可以被设置成，如果所述第一比率未超出所述预定阈值，则计算所述误差信号的短期功率与所述远端信号的长期功率的第二比率；将所述第二比率与预定域值相比较；以及如果所述第二比率超出所述第二预定阈值，则确定所述麦克风信号指示单端讲话。

所述单端讲话鉴别器可以被设置成，如果所述第二比率未超出所述第二预定阈值，则确定所述麦克风信号不指示单端讲话。

所述回音测量单元可以被设置成如果所述麦克风信号被确定为指示单端讲话，则计算所述麦克风信号与所述远端信号的比率。

所述回音测量单元可以被设置成通过以下步骤计算所述麦克风信号与所述远端信号的比率：估计所述麦克风信号的长期平均功率和所述远端信号的长期平均功率，以及计算所述麦克风信号的长期平均功率与所述远端信号的长期平均功率的比率。

所述增益控制系统可以包括确认单元，该确认单元被设置成监测所计算出的比率，并且如果所计算出的比率被确定为已经稳定达预定时长，则暂停所述计算。

所述增益控制系统可以包括模式控制器，该模式控制器被设置成如果所计算的比率被确定为已经稳定达预定时长，则控制所述回音消除器按全双工模式操作。

所述衰减控制器可以被设置成根据来自收敛单元的控制信号来控制所述衰减单元，所述收敛单元被设置成监测所述自适应滤波器的稳定性。

根据第二实施方式，提供了一种用于动态调谐回音消除器的方法，该回音消除器被设置成对远端信号的回音进行估计并从麦克风信号中减去该估计，以输出回音消除信号，所述方法包括以下步骤：计算所述麦克风信号与所述远端信号的比率；对所述麦克风信号与所述远端信号中的至少一个信号进行衰减，以向所述回音消除器输出第二麦克风信号和第二远端信号，所述第二麦克风信号与所述第二远端信号的比率不同于所计算出的比率；以及根据所计算出的比率控制所述衰减单元，以改变所述第二麦克风信号与所述第二远端信号的比率，并且控制所述回音消除信号。

所述回音控制器可以具有多个不同的操作模式。所述方法可以包括以下步骤：将所述增益控制系统的每一个操作模式与所述麦克风信号和所述远端信号的默认衰减相关联。

所述方法可以包括以下步骤：在估计的开始，控制所述衰减单元应用与所述回音消除器的操作模式相关联的所述默认衰减；以及此后，根据所计算出的比率控制所述衰减单元。

所述方法可以包括以下步骤：如果已出现以下情况中的一个或更多个情况则确定已经开始估计：所述回音消除器的操作模式变化；通过通信装置开始通信；所述通信装置的音量级变化。

所述方法可以包括以下步骤：在计算所述比率之前，检查所述远端信号的信号能量是否超过预定阈值。

所述方法可以包括以下步骤：如果所述远端信号的信号能量未超过预定阈值，则不计算所述比率，直到所述远端信号的信号能量被发现超出所述预定阈值。

所述回音控制器可以包括自适应滤波器，该自适应滤波器被设置成根据所述第二远端信号生成所述对回音的估计，并且所述方法可以包括以下步骤：保持所述由自适应滤波器进行的自适应的计数。

所述方法可以包括以下步骤：在计算所述比率之前，检查所述计数是否超出预定阈值。

所述方法可以包括以下步骤：如果所述计数未超出所述预定阈值，则不计算所述比率，直到所述计数被发现超出所述预定阈值。

所述方法可以包括以下步骤：如果所述计数未超出所述预定阈值，则控制所述回音消除器按半双工模式操作。

所述方法可以包括以下步骤：确定所述麦克风信号是否指示单端讲话。

所述方法可以包括以下步骤：在计算所述比率之前，检查所述麦克风信号是否指示单端讲话。

所述方法可以包括以下步骤：如果所述麦克风信号被确定为不指示单端讲话，则不计算所述比率，直到所述麦克风信号被确定为指示单端讲话。

所述方法可以包括以下步骤：在所述麦克风信号被确定为不指示单端讲话的情况下，如果所述回音控制器已经按全双工模式操作，则控制所述回音控制器按该全双工模式操作，否则按半双工模式操作。

所述方法可以包括以下步骤：计算误差信号的短期功率与所述麦克风信号的短期功率的第一比率，将所述第一比率与第一预定域值相比较，以及如果所述第一比率超出所述第一预定阈值，则确定所述麦克风信号指示单端讲话。

所述方法可以包括以下步骤：如果所述第一比率未超出所述预定阈值，则计算误差信号的短期功率与所述远端信号的长期功率的第二比率；将所述第二比率与预定域值相比较；以及如果所述第二比率超出所述第二预定阈值，则确定所述麦克风信号指示单端讲话。

所述方法可以包括以下步骤：如果所述第二比率未超出所述第二预定阈值，则确定所述麦克风信号不指示单端讲话。

所述方法可以包括以下步骤：如果所述麦克风信号被确定为指示单端讲话，则计算所述麦克风信号与所述远端信号的比率。

所述方法可以包括以下步骤：通过以下步骤计算所述麦克风信号与所述远端信号的比率：估计所述麦克风信号的长期平均功率和所述远端信号的长期平均功率，和计算所述麦克风信号的长期平均功率与所述远端信号的长期平均功率的比率。

所述方法可以包括以下步骤：监测所计算出的比率，并且如果所计算出的比率被确定为已经稳定达预定时长，则暂停所述用于动态调谐回音消除器的方法。

所述方法可以包括以下步骤：如果所述计算比率被确定为已经稳定达预定时长，则控制所述回音消除器按全双工模式操作。

所述方法可以包括以下步骤：根据来自收敛单元的控制信号来控制所述衰减单元，该收敛单元被设置成监测所述自适应滤波器的稳定性。

根据第三实施方式，提供了用于实现上述方法的机器可读代码。

根据第四实施方式，提供了其上编码有用于实现上述方法的非暂态机器可读代码的机器可读存储介质。

附图说明

下面，将参照附图通过示例的方式对本发明进行描述。在图中：

图1a示出了两个通信装置的示例；

图1b示出了增益控制系统的示例；

图1c示出了增益控制系统的示例；

图2示出了实现自动调谐的声学回音消除器的示例；

图3示出了增益调谐算法的示例；

图4示出了弹通话检测算法的示例；

图5示出了估计的ERL和实际ERL；

图6示出了麦克风信号、远端信号以及由衰减麦克风信号导致的ERL的变化的示例；

图7示出了扬声器模式下不同装置的响应时间；

图8示出了听筒模式(handset mode)下不同装置的响应时间；以及

图9示出了耳机模式下不同装置的响应时间。

具体实施方式

图1b示出了增益控制系统的示例。总体上在101示出的增益控制系统包括：回音测量单元104、控制器105以及衰减单元108，该衰减单元108包括一个或更多个单个衰减器106。增益控制系统接收麦克风信号103和远端信号102，作为输入。增益控制系统向回音消除器107输出第二麦克风信号和第二远端信号。该回音消除器被设置成估计远端信号的回音并从(第二)麦克风信号减去该估计，以输出回音消除信号。

回音测量单元被设置成计算麦克风信号与远端信号的比率。衰减单元被设置成接收麦克风信号和远端信号作为输入，并且衰减它们中的至少一个。通过衰减单元输出的信号是“第二”麦克风信号和“第二”远端信号。“第二”信号可以是原始信号的衰减版本，或者和原始信号相同(假设原始信号未衰减)。衰减控制器被设置成优选地根据由回音测量单元所计算的比率来控制衰减单元。衰减控制器由此控制输入到回音消除器中的这两个信号的比率。衰减控制器优选地控制该比率不同于原始信号的对比比率。(该比率例如可以是振幅比、功率比或能量比。优选的是，该比率提供ERL的指示，例如，如下面的方程9中定义的)。由此，衰减控制器还控制回音消除信号。

图1b中所示的回音消除器将典型地包括用于对回音路径进行建模的自适应滤波器和减法器。该自适应滤波器被设置成对远端信号进行滤波以生成对回音的估计。实际回音是麦克风信号的一部分。该减法器被设置成从麦克风信号中减去回音估计，以输出回音消除信号。如果自适应滤波器已经正确地对回音路径进行了建模，则回音消除信号应当基本上不包含回音。该回音消除信号还向自适应滤波器提供反馈：滤波器根据在相减之后剩余多少麦克风信号(和由此的回音)来调节其对回音路径的建模。因此，通过控制回音消除信号，衰减控制器还控制向自适应滤波器的反馈。

回音消除器中的自适应滤波器通常因按分数格式实现滤波器的高资源需求而按整数格式实现。滤波器系数通常按16比特，并且有时按32比特来表示。受限制的比特数在某些情形下固有地限制了声学回音消除器的性能。

自适应滤波器的性能可以受回音强度的影响。回音强度的指示可以通过比较远端信号与麦克风信号的相对强度来获取。回波损耗(ERL)是测量回音中原始信号的损耗的一个参数。高的、正的ERL指示回音中的原始信号的大损耗。这对应于相对较小的回音。负的ERL指示回音相对于原始信号显示出某种增益。这对应于相对较大的回音。

当ERL是较高的负值时，滤波器系数可以饱和或者下溢或上溢。用于解决该问题的一个简单方式是通过对被用于误差估计的麦克风信号进行衰减。该误差被用于自适应滤波器系数的自适应。衰减麦克风信号由此可以通过降低误差来防止滤波器系数饱和、上溢或下溢。误差信号优选地被重新调整(re-scaled)，以获取用于后续处理的实际误差。

类似的是，当ERL是较高的正值(例如，大于30dB)时，系数的整数表示可能不能够估计回音。在这种情形下，输入到自适应回音消除器中的远端信号可以为了回音估计而被衰减。衰减远端信号使得麦克风信号相应地显得更大，由此将滤波器系数增加至可实现尺寸。

通过自适应滤波器的回音路径建模还可以因平台非线性、高背景噪声捕获等而是非最优的。在诸如这样的情况下，声学回音消除器的可选部件(例如，残留回音抑制器和非线性处理器)还可能不按所希望地执行。这可以导致显著的残留回音泄露，这可以严重地影响通信。

通过控制回音消除信号，增益控制系统控制提供给自适应滤波器的反馈。这允许增益控制系统约束由自适应滤波器进行的自适应，以使其不尝试对因其整数系数的固有局限性而位于滤波器建模范围之外的回音进行建模。

增益控制系统优选地对应当动态地应用至麦克风信号和远端信号的衰减进行估计，以便在不需要专用平台人工调谐的情况下适应改变回音路径环境和各种平台。

在大部分实现中，增益控制器将形成通信装置的一部分，通信装置诸如为移动电话、智能电话、有线电话、膝上型电脑、平板电脑、电话会议设备等。典型的通信装置包括：用于输出远端信号的扬声器、用于监测近端信号的麦克风、CPU、存储器、诸如DSP的信号处理电路和滤波器等。

图1b所示的结构(和实际上包括在本文中的全部装置框图)旨在对应于许多功能框。这仅仅是出于例示性目的。图1b不是旨在限定芯片上的硬件的不同部件之间的或者软件中的不同程序、过程或功能之间的严格划分。在一些实施方式中，在本文描述的一些或全部算法可以整体或部分地按硬件来执行。在许多实现中，增益控制系统的至少一部分可以由在软件控制下起作用的处理器(例如，通信装置的CPU或DSP)来实现。任何这种软件优选地存储在非暂态计算机可读介质上，如存储器(RAM、高速缓存、硬盘等)或其它存储装置(USB存储棒、CD、磁盘等)。

通常来说，麦克风信号中的信号能量的主要源是远端信号的回音；不存在近端处显著信号能量的其它源。这在本文被表示为“单端讲话”。在其它时候，麦克风信号将包含与任何回音无关的显著信号能量。在许多情况下，这将起因于近端处的讲话。这在本文表示为“双端讲话”。该信号能量当然可能归因于与讲话不同的源。这在电话会议或免提操作期间尤其如此。术语“双端讲话”由此被用于指不起因于回音的近端信号中的任何显著信号能量。

图2示出了声学回音消除器内的增益控制系统的实际实现的示例。图2是声学回音消除器的高级框图。该声学回音消除器实现用于估计最佳麦克风衰减、远端衰减以及NLP域值的算法。记号x(n)、d(n)、e(n)以及y(n)分别表示离散时间点n的远端信号、麦克风信号、误差信号以及回音估计信号。h(n)表示回音路径的脉冲响应，而M和N分别是应用至麦克风信号和远端信号的增益/衰减因子(对应于图1b中的衰减单元108)。

声学回音消除器的功能框包括：自适应滤波器、回音抑制器以及非线性处理器/舒适噪声生成器。自适应滤波器对回音路径进行建模并且合成对回音信号的估计。回音抑制器和非线性处理器被设置成在从麦克风信号减去估计的回音之后处理任何残留回音或噪声。该残留回音可以十分强。例如，如果回音路径在双端讲话时段期间急剧变化，则自适应滤波器对回音路径变化的追踪可以根据检测到的双端讲话而被禁止，潜在地导致强残留回音。回音抑制器根据估计的回音对残留回音进行衰减。非线性处理器可以通过限幅(clipping)来去除任何剩余的残留误差。这通常在其输入下降至低于时变域值时通过简单地将其增益缩减至零来实现。舒适噪声生成器可以在限幅时段期间插入舒适噪声，以避免令人不安的无声时段。

图2中所示的声学回音消除器还包括：ERL估计器、增益调谐器、收敛稳定性检测器以及NLP域值调谐器。ERL估计器(对应于图1b中的回音估计器104)利用麦克风信号d(n)和远端信号x(n)来估计回波损耗。ERL估计器还接收误差信号e(n)。ERL估计器向增益调谐器(对应于图1b中的衰减控制器105)提供控制输入，增益调谐器依次控制衰减器和放大器。收敛稳定性检测器估计自适应滤波器的稳定性。收敛稳定性检测器向NLP域值调谐器提供控制输入，NLP域值调谐器依次控制用于阻止残留回音泄露的NLP域值。收敛稳定性检测器还向增益调谐器提供输入。

远端信号x(n)在途中经过衰减器而到达自适应滤波器。自适应滤波器对回音路径进行建模。自适应滤波器对远端信号进行滤波以生成对回音的估计。该回音形成麦克风信号的一部分。将该回音估计从(潜在衰减的)麦克风信号d(n)中减去。如果麦克风信号已经衰减，则回音消除信号的振幅低于原本的振幅。回音消除信号由此在进一步处理之前被放大，以反转应用至麦克风信号的任何衰减。(该回音消除信号是反馈至自适应滤波器的回音消除信号的未放大版本)。剩余信号可以根据估计的回音并且利用NLP域值来进行衰减。所得信号接着被发送至远端。

下面，将参照图3和图1c，对ERL估计器和增益调谐器的动作进行更详细说明，图3例示了用于自动控制声学回音消除器的增益的算法，而图1c更详细示出了增益控制系统。

该算法从接收用于处理的新帧而开始(步骤301)。麦克风信号、远端信号以及误差信号的能量由存在性单元111针对每一帧来进行估计(步骤302)。

$P_x\left(l\right)={\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{N-1}x{\left(i\right)}^2---\left(1\right)$

$P_d\left(l\right)={\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{N-1}d{\left(i\right)}^2---\left(2\right)$

$P_e\left(l\right)={\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{N-1}e{\left(i\right)}^2---\left(3\right)$

N是帧尺寸，典型地，每一帧可能是10毫秒持续时间。

接着，计算远端信号的长期功率(步骤303)：

$P_x^{\mathrm{LT}}=\mathrm{\α}{P}_x^{\mathrm{LT}}(l-1)+(i-\mathrm{\α})P_x\left(l\right)---\left(4\right)$

将经由公式4计算的远端信号的长期功率与预定域值ζ₁相比较(步骤304)。这是检查远端存在性。如果远端信号的长期功率大于域值ζ₁，则确认远端信号存在。否则，不确认远端存在性的存在，并且该算法针对下一帧进行重复。声学回音消除器同时按全双工模式操作。

ERL估计优选地仅在麦克风检查到回音时执行。由此，在估计ERL之前检查远端信号的存在性帮助实现ERL的准确估计和缩减CPU功耗两者。

自适应滤波器在远端活动而近端不活动时进行自适应。存在性单元已经确定远端活动。接着，自适应计数器检查自适应计数是否满足预定阈值ζ₄(步骤305)。如果自适应计数不满足该阈值，则这可能是因为滤波器系数在存在高的负的ERL时已经饱和、上溢或下溢。因此，麦克风信号进一步被衰减(步骤306)，以使得即使在低ERL条件下也获得可接受的自适应滤波器消除。最小可接受自适应滤波器消除例如可能是6dB。衰减麦克风信号还应当使自适应滤波器开始自适应并且计数增加。声学回音消除器还切换至半双工模式，以阻止来自远端的回音(步骤310)。

如果自适应计数器不满足预定值，则调用单端讲话鉴别(步骤307)。

出于准确度的理由，ERL估计在单端讲话区期间执行。ERL估计器的功能很大程度上取决于麦克风输出中的单端讲话区的鉴别。单端讲话区的伪检测可能导致对ERL的不正确估计。单端讲话检测中的延迟或将单端讲话检测为双端讲话或者近端存在性可以导致ERL估计的延迟；然而，其不影响估计的准确度。该算法合适地采用用于单端讲话鉴别的简单逻辑。

单端讲话鉴别器109可以被设置成经由任何适当的方法来检测单端讲话区。一个选项是，比较麦克风信号与误差信号的时域功率级。图4示出了用于单端讲话鉴别的算法的另一示例。

首先，计算预定窗口上的麦克风信号和远端信号的短期功率(步骤402)：

$P_d^W\left(l\right)={\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{W-1}{P}_d\left(i\right)---\left(5\right)$

$P_x^W\left(l\right)={\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{W-1}{P}_x\left(i\right)---\left(6\right)$

在一个示例中，窗口W是32帧。

无论何时短期麦克风信号与短期误差信号的功率级之间的比率超出预定比率ζ₂，都可以检测到单端讲话区，并且调用ERL测量(步骤403)。这还可以按dB来表达。在一个示例中，无论何时误差信号的功率为比麦克风信号的功率级低至少6dB，都检测到单端讲话区。

在某些情形下，自适应滤波器因非常高的正的ERL(意指回音较小)而不实现6dB衰减。因此，用于检测单端讲话区的另一选项是，比较短期麦克风功率与长期远端功率(步骤405)。无论何时短期麦克风信号与长期远端信号的功率级之间的比率超出预定比率ζ₃，都可以检测到单端讲话区(步骤406)。这还可以按dB来表达。除了上面的标准以外，还可以应用该标准。例如，如果麦克风信号的功率不是比误差信号的功率高至少6dB，则声学回音消除器可以在确认没有单端讲话之前比较短期功率级与长期远端功率。通过结束单端讲话鉴别，麦克风信号的当前帧或者被指定为单端讲话(步骤404)或者不指定为单端讲话(步骤407)。

返回至图3和图1c，在未检测到单端讲话的情况下(步骤308)，如果回音消除器已经按全双工模式操作，则模式控制器113使声学回音消除器按全双工模式操作(步骤309和310)。如果回音消除器之前没按全双工模式操作，则模式控制器使回音消除器按半双工模式操作(步骤309和步骤311)。

如果识别出单端讲话区，则回音测量单元利用先前计算的短期平均值来估计远端信号和麦克风信号的长期平均值(步骤312)。

这种平均化处理可以利用低通滤波器来实现。

回音测量单元的下一步骤是计算麦克风信号与远端信号的比率。该比率适当地表示这两个信号的相对信号强度。可以使用任何合适的计算和测量；在这个示例中，回音测量单元使用ERL。远端信号与回音之间的功率损耗首先利用针对麦克风信号和远端信号计算的长期平均值来被估计(步骤312)。在步骤313计算ERL，并且通过以下方程给出ERL：

$\mathrm{ERL}={10\log }_{10}\left\{\frac{P_d^L\left(l\right)}{P_x^L\left(l\right)}\right\}---\left(9\right)$

下表基于线性标度和对数标度来比较ERL值：

ERL	ERL(dB)
		0.0158	-18
0.0631	-12
		0.2512	-6
0.5012	-3
		1	0
1.9953	3
		3.9811	6
15.8489	12
		63.0957	18
251.1886	24

表1：基于线性标度和对数标度的ERL值。

随着自适应滤波器改进其对回音路径的建模，ERL估计将逐渐接近实际ERL。这在图5中示出。ERL估计继续进行，直到确认框112确认ERL估计的稳定性为止(步骤314)。如果ERL估计稳定，则按全双工模式操作声学回音消除器(步骤315)。如果任何波动被约束在预定范围内达至少一预定时段，则该确认框优选地确定ERL估计是稳定的。合适的时段例如可以是3秒钟。然而，ERL估计优选地针对很可能影响ERL的每一种操作改变而重新初始化。示例包括呼叫启动、音频模式改变以及音量级改变。

表2提供了针对通信装置的不同操作模式的麦克风衰减和远端衰减的典型默认值。不同音频模式的示例包括：“扬声器模式”、“听筒模式”以及“耳机模式”。每一种操作模式可以对应于扬声器与麦克风之间的希望类型的回音路径。这些默认值的目的是确保自适应滤波器即使在高的负的ERL条件下也能够估计回音。另一目的是帮助更快速的估计ERL。衰减控制器优选地被设置成，在开始任何自动调谐操作时应用这些默认值。增益控制系统将重新初始化自动调谐处理并且返回至呼叫启动、模式改变以及音量级改变时的默认值。

表2：针对麦克风和远端衰减的默认可调谐值

增益调谐的一个目的是，在不需要人工调谐的情况下，最优化针对现实的平台和操作模式的这些衰减值。例如，应当对麦克风和远端信号进行适当的调节，以使滤波器系数不饱和。另一目的是，在没有显著回音的情况下，尽最大可能的程度上提供全双工操作。

“扬声器模式”调谐

一般来说，扬声器模式下的ERL很可能低于0dB。一些平台可能具有达24dB的负ERL。默认增益值趋于设置成处理非常低的ERL情况，以使自适应滤波器可以在下降至-24dB的ERL的宽泛范围内工作。然而，ERL实际上可能高于所考虑的默认增益值，并且麦克风信号的高衰减影响滤波器的双端讲话性能。下表3是可以如何根据ERL来设置增益的示例。根据比较表3与表2中的“扬声器模式”值而明白的是，如果ERL高于希望值，则麦克风衰减被降低。估计ERL由此使得能够自动设置最佳增益，意味着可以最优化自适应滤波器的性能。

估计的ERL	麦克风衰减	远端衰减
			0dB	2	1
-6dB	3	1
			-12dB	4	1

表3：扬声器音频模式下的可调谐值

一般来说，由回音消除器经历的ERL取决于应用于远端信号和麦克风信号两者的衰减。衰减麦克风信号补偿了负的ERL。衰减远端信号减小ERL补偿。麦克风衰减与远端衰减之间的平衡确定输入到回音消除器中的这些信号的比率。

图6例示了远端信号和麦克风信号的示例。这些信号给出-12dB的ERL。为了实现正的ERL，麦克风信号衰减18dB(即，麦克风衰减值为3)，结果有效ERL为6dB。在这个示例中，麦克风衰减不是4(如表3所指示)，因为没有应用远端衰减。表3指示远端衰减为1。由此，因为未应用远端衰减，所以正确的麦克风衰减为3，以获得6dB的有效ERL。

“听筒模式”调谐

一般来说，听筒音频模式下的ERL很可能大于12dB(即，麦克风处的回音功率级是扬声器处的远端信号功率级的不到四倍)。该默认调谐值趋于被设置成处理12dB的ERL。然而，某些平台将具有比默认值更高的正ERL，从而对于由自适应滤波器完全消除回音来说，需要衰减远端信号。类似的是，具有小于12dB的ERL的平台可能需要衰减的麦克风信号。下表4是可以如何根据ERL来设置增益的示例。

估计的ERL	麦克风衰减	远端衰减
			6dB	1	0
12dB	0	2
			24dB	0	5

表4：听筒音频模式下的可调谐值

“耳机模式”调谐

一般来说，耳机音频模式下的ERL很可能大于24dB(即，麦克风处的回音功率级很可能是听筒扬声器处的远端信号功率级的不到八倍)。该默认可调谐值趋于设置成支持24dB的ERL。如果ERL超过24dB，则可能必须衰减远端信号，而如果ERL下降到低于其希望值，则可能必须从其默认值降低衰减。

估计的ERL	麦克风衰减	远端衰减
			12dB	0	3
24dB	0	5
			30dB	0	6

表5.耳机音频模式下的可调谐值

另外，无论什么音频模式，当自适应滤波器在远端活动区期间不适应时，还可能必须衰减麦克风信号。类似地，如果收敛稳定性检测器(参见图2)指示已经出现饱和，则可能需要增益调谐，以避免自适应滤波器系数中的饱和。

收敛稳定性检测器监测滤波器的系数。尤其是，其监测建模的回音路径的优势区域(dominant area)中的滤波器系数，并且基于这些滤波器系数随着时间的变化来估计自适应滤波器的收敛稳定性。收敛稳定性检测器的原理作用是控制NLP域值。如果自适应滤波器具有稳定收敛，则NLP域值被设置成相对较低的值，以提供全双工性能。如果自适应滤波器具有边缘收敛(marginal convergence)或者如果收敛低于可接受最小值，则NLP域值被设置成更高值，以阻止声学回音消除器的残留回音泄露。在这种情况下，根据自适应滤波器的不稳定性，由于非线性处理器对传出信号进行限幅，可能导致话音中断。除了对NLP域值进行调谐以外，收敛稳定性检测器还帮助确认由ERL估计器控制的麦克风衰减。收敛稳定性检测器由此提供附加增益控制。

本文描述的算法的性能已经在三个不同回音区进行了测试：纯单端讲话区、双端讲话区以及单独近端区。被用于评估该算法的性能的指标是为冻结远端衰减、麦克风衰减以及NLP域值而花费的时间。将针对这些参数而估计的值与通过人工调谐参数而获取的希望值相比较，以提供无回音、全双工通信。跨五个不同的基准平台(均为通信装置的特定构造和模型)来执行该比较。

该算法利用表8中列出的常数和域值来实现。该算法被集成到IMG话音引擎中并且在各种不同的移动平台上进行测试。该评估测试使用宽带编解码器(16kHz采样速率)，和512抽头的自适应滤波器尾长(对应于32ms的尾长)。在所有测试中，这些参数被初始化成表9中提供的值，并且针对在双端讲话情况、单端讲话情况以及单独近端情况期间的听筒、免提以及耳机音频模式注释响应时间。为测试增益控制系统的性能，双端讲话测试情况使用整个呼叫持续时间的80％的交叠区。

第一注释点是，增益控制算法针对所有音频模式决定调谐参数。这确认了该算法在不需要人工调谐的情况下来提供最佳声学回音消除器。

(a)扬声器模式

图7例示了在单端讲话和双端讲话期间针对免提模式下的装置的响应时间。单端讲话期间的响应时间具有大约2.1秒的平均值，而在双端讲话期间，响应时间的平均值大约为2.6秒。

(b)听筒模式

图8例示了在单端讲话和双端讲话期间针对听筒模式下的装置的响应时间。与免提模式类似的是，单端讲话期间的响应时间具有大约2.2秒的平均值，而在双端讲话期间，响应时间的平均值大约为2.45秒。

(c)耳机模式

图9例示了在单端讲话和双端讲话期间针对耳机模式下的装置的响应时间。单端讲话期间的响应时间具有2.3秒的平均值，而在双端讲话期间，响应时间的平均值为2.5秒。

参数	值
		γA	0.95004
γB	0.8999
		γC	0.8001
γC-A	0.049989
		βth	0.2
ζ1	0.0001
		ζ2	0.3
ζ3	0.2
		ζ4	50

表9：所使用常数和域值

本申请人特此孤立地将本文描述的每一个单独的特征和两个或更多个这类特征的任何组合公开到这种程度，以致这类特征或组合能够按照本领域技术人员的公知常识，基于作为一个整体的本说明书来执行，而不管这类特征或特征的组合是否解决了本文公开的任何问题，并且不对权利要求书的范围进行限制。本申请人表示，本发明的方面可以由任何这种单个特征或特征的组合构成。鉴于前述描述，本领域技术人员应当明白，在本发明的范围内，可以进行各种修改。

Claims (19)

1.一种用于动态调谐回音消除器的增益控制系统，该回音消除器被设置成对远端信号的回音进行估计并从麦克风信号中减去该估计，以输出回音消除信号，所述系统包括：

回音测量单元，该回音测量单元被设置成计算所述麦克风信号与所述远端信号的比率；

衰减单元，该衰减单元被设置成对所述麦克风信号与所述远端信号中的至少一个信号进行衰减，以向所述回音消除器输出第二麦克风信号和第二远端信号，所述第二麦克风信号与所述第二远端信号的比率不同于所计算出的比率；以及

衰减控制器，该衰减控制器被设置成根据所计算出的比率控制所述衰减单元，以改变所述第二麦克风信号与所述第二远端信号的比率，并且控制所述回音消除信号。

2.根据权利要求1所述的增益控制系统，其中，所述回音消除器具有多个不同的操作模式，所述衰减控制器被设置成将所述增益控制系统的每一个操作模式与所述麦克风信号和所述远端信号的默认衰减相关联。

3.根据权利要求2所述的增益控制系统，所述衰减控制器被设置成：

在估计的开始，控制所述衰减单元应用与所述回音消除器的操作模式相关联的所述默认衰减；并且

此后，根据所计算出的比率控制所述衰减单元。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的增益控制系统，所述衰减控制器被设置成，如果其确定已出现以下情况中的一个或更多个情况则确定已经开始估计：所述回音消除器的所述操作模式变化；通过通信装置开始通信；所述通信装置的音量级变化。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的增益控制系统，所述增益控制系统包括存在性单元，该存在性单元被设置成在所述回音测量单元计算所述比率之前，检查所述远端信号的信号能量是否超过预定阈值，所述回音测量单元被设置成如果所述远端信号的信号能量未超过所述预定阈值，则不计算所述比率，直到所述远端信号的信号能量被发现超出所述预定阈值。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的增益控制系统，所述回音控制器包括自适应滤波器，该自适应滤波器被设置成根据所述第二远端信号生成对所述回音的估计，并且所述增益控制系统包括自适应计数器，该自适应计数器被设置成保持由所述自适应滤波器进行的自适应的计数；

所述自适应计数器被设置成，在所述回音测量单元计算所述比率之前，检查所述计数是否超出预定阈值，并且所述回音测量单元被设置成，如果所述计数未超出所述预定阈值，则不计算所述比率，直到所述计数被发现超出所述预定阈值。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的增益控制系统，所述增益控制系统包括模式控制器，该模式控制器被设置成，如果所述计数未超出所述预定阈值，则控制所述回音消除器按半双工模式操作。

8.根据权利要求1所述的增益控制系统，所述增益控制系统包括单端讲话鉴别器，该单端讲话鉴别器被设置成确定所述麦克风信号是否指示单端讲话；

所述单端讲话鉴别器被设置成，在所述回音测量单元计算所述比率之前，检查所述麦克风信号是否指示单端讲话；并且

所述回音测量单元被设置成，如果所述麦克风信号被确定为不指示单端讲话，则不计算所述比率，直到所述麦克风信号被确定为指示单端讲话。

9.根据权利要求8所述的增益控制系统，所述增益控制系统包括模式控制器，该模式控制器被设置成，在所述麦克风信号被确定为不指示单端讲话的情况下，如果所述回音控制器已经按全双工模式操作，则控制所述回音控制器按所述全双工模式操作，否则按半双工模式操作。

10.根据权利要求8或9所述的增益控制系统，所述单端讲话鉴别器被设置成：

计算误差信号的短期功率与所述麦克风信号的短期功率的第一比率；

将所述第一比率与第一预定域值相比较；以及

如果所述第一比率超出所述第一预定阈值，则确定所述麦克风信号指示单端讲话。

11.根据权利要求10所述的增益控制系统，所述单端讲话鉴别器被设置成，如果所述第一比率未超出所述预定阈值，则

计算所述误差信号的短期功率与所述远端信号的长期功率的第二比率；

将所述第二比率与预定域值相比较；以及

如果所述第二比率超出所述第二预定阈值，则确定所述麦克风信号指示单端讲话。

12.根据权利要求11所述的增益控制系统，所述单端讲话鉴别器被设置成，如果所述第二比率未超出所述第二预定阈值，则确定所述麦克风信号不指示单端讲话。

13.根据权利要求1-3中任一项所述的增益控制系统，所述回音测量单元被设置成通过以下步骤计算所述麦克风信号与所述远端信号的比率：

估计所述麦克风信号的长期平均功率和所述远端信号的长期平均功率；以及

计算所述麦克风信号的长期平均功率与所述远端信号的长期平均功率的比率。

14.根据权利要求1-3中任一项所述的增益控制系统，所述增益控制系统包括确认单元，该确认单元被设置成监测所计算出的比率，并且如果所计算出的比率被确定为已经稳定达预定时长，则暂停所述计算。

15.根据权利要求13所述的增益控制系统，所述增益控制系统包括模式控制器，该模式控制器被设置成，如果所计算的比率被确定为已经稳定达预定时长，则控制所述回音消除器按全双工模式操作。

16.根据权利要求1-3中任一项所述的增益控制系统，所述衰减控制器被设置成根据来自收敛单元的控制信号来控制所述衰减单元，所述收敛单元被设置成监测所述自适应滤波器的稳定性。

17.一种用于动态调谐回音消除器的方法，该回音消除器被设置成对远端信号的回音进行估计并从麦克风信号中减去该估计，以输出回音消除信号，所述方法包括以下步骤：

计算所述麦克风信号与所述远端信号的比率；

对所述麦克风信号与所述远端信号中的至少一个信号进行衰减，以向所述回音消除器输出第二麦克风信号和第二远端信号，所述第二麦克风信号与所述第二远端信号的比率不同于所计算出的比率；以及

根据所计算出的比率控制所述衰减单元，以改变所述第二麦克风信号与所述第二远端信号的比率，并且控制所述回音消除信号。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述回音消除器具有多个不同的操作模式，所述方法包括以下步骤：将所述增益控制系统的每一个操作模式与所述麦克风信号和所述远端信号的默认衰减相关联。

19.根据权利要求17或18所述的方法，所述方法包括以下步骤：

在估计的开始，控制所述衰减单元应用与所述回音消除器的操作模式相关联的所述默认衰减；以及

此后，根据所计算出的比率控制所述衰减单元。