CN105191266B - 用于音频处理的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种音频装置包括用于将动态范围调节处理应用到输入信号以生成供扬声器（101）再现的输出信号的电路（201）。所述动态范围调节处理取决于一组动态范围调节参数。第一线性回波消除滤波器（203）从音频输入信号生成第一经补偿信号，并且第一适配器（205）响应于第一经补偿信号和麦克风信号而确定用于第一线性回波消除滤波器（203）的一组滤波器参数。音频电路（207,209）通过将动态范围调节处理和第二回波消除滤波器（209）应用到输入信号来生成第二经补偿信号，在此处第二回波消除滤波器（209）对应于第一回波消除滤波器（203）。第二适配器（211）响应于第二经补偿信号和麦克风信号而确定该组动态范围调节参数。该方案可以增加许多系统的线性度和回波消除。

Description

用于音频处理的方法和装置

技术领域

本发明涉及音频装置和音频处理方法，并且具体地但非排他地涉及用于声学回波的回波消除。

背景技术

许多音频应用使用诸如扬声器之类的音频换能器，以及相同音频环境中的麦克风二者。例如，电话或电话会议应用典型地采用紧密接近的扬声器和麦克风。

然而，扬声器和麦克风之间的声学耦合使麦克风信号包括从扬声器再现的声音元素，这通常是不利的。

例如，对于电话和电话会议设备，设备的扬声器与麦克风之间的声学耦合导致所产生的扬声器信号的一部分被麦克风捕获并且传输回到远端用户，这造成作为声学回波已知的干扰。通常假设该回波路径可以使用线性滤波器来充分地建模，因为麦克风以取决于设备所使用在的声学环境的不同迟延和强度拾取扬声器信号的反射。因此，线性回波消除器被广泛用于减少声学回波。

然而，在实践中并且取决于设备，声学回波路径中的组件还包括音频放大器和扬声器，其通常展现出非线性特性。因此，单纯线性的回波消除往往是次优的并且往往不能够完全去除声学回波。

扬声器中的非线性的主要原因是非均匀磁通密度和非线性悬置（suspension）系统。后者主要贡献于低频处的失真，而前者通过高振幅信号而加剧。在效果上，大锥体漂移，尤其是扬声器的线性操作范围外部的那些，造成非线性失真。

更详细地，可以针对输入信号的不同频率范围考虑扬声器系统的行为。对于谐振频率以上的频率，扬声器可以通过其音圈的电阻和电感来表征。因此，随着到音圈的输入功率的增加以及漂移变得足够大以使线圈落在磁场外部，驱动力减小，造成一定形式的压缩或剪裁效果。

对于低频而言，扬声器主要通过其移动系统阻抗来表征，该移动系统阻抗与磁通量的幂成比例。这意味着，随着音圈移动到磁场外部，该阻抗减小并且因此替代于剪裁，音圈中的电流振幅在扬声器的悬置系统限制漂移之前实际上会增加。

扬声器的非线性行为的适当建模在声学回波消除领域中仍是具有挑战性的议题。这对于使用诸如放大器和扬声器之类的低成本音频组件的免提通信应用而言尤其为真。这些组件通常被驱动到其非线性操作范围中以便实现这样的应用所要求的高声音输出水平。结果得到的非线性失真不仅限制通常假设扬声器与麦克风之间的线性脉冲响应的声学回波消除器的性能，而且还影响所感知的扬声器信号的质量。

因此，用于管理非线性声学回波的系统在改进用于双向通信系统的音频质量方面扮演着重要角色。

在现有技术中，存在用于消除或抑制非线性声学回波的三个主要种类的系统：

1. 非线性声学回波消除。

2. 用于线性声学回波消除的扬声器线性化。

3. 非线性声学回波抑制。

在第一类系统中，声学回波路径非线性通过声学回波消除器建模。例如，可以使用具有与音频放大器的剪裁水平相匹配的剪裁水平的剪裁函数来对音频放大器的饱和进行建模。如果该剪裁函数被应用于数字扬声器信号，则可以使用标准线性声学回波消除器来对扬声器与麦克风之间的线性声学路径进行建模。如之前所提及的，扬声器也是非线性的来源。与无记忆的剪裁函数不同，扬声器非线性通常包含某种形式的记忆，并且最常通过在计算上相当昂贵的Volterra级数展开来建模。虽然存在基于Volterra的算法的低成本版本，诸如幂级数展开，但是这些通常仍旧要求信号正交化方法，其在计算上可能仍是密集的。

第一类系统的主要缺点在于，要求它们将模型与底层物理系统的模型紧密地匹配。这典型地不能够以高精确度实现。此外，它们往往在计算上是非常密集的。

第二类系统将非线性函数应用到扬声器信号，使得该函数与扬声器的响应的函数的级联接近线性函数，并且因而由设备的麦克风捕获的扬声器信号近似为扬声器信号的线性函数。因此，可以使用标准线性自适应滤波器来对该线性函数进行建模并且执行声学回波消除。

这样的方案的缺点在于，其可能仅近似地线性化扬声器的输出信号，并且当还发生放大器饱和时，性能通常降级，因为这样的变换不易于线性化。

第三类系统通常被用作对声学回波消除的后处理步骤，其中在回波消除阶段中可能未被抑制的残余非线性声学回波被抑制。通常使用回波非线性的频谱模型在频谱振幅域中执行该抑制。

该方案的主要缺点在于，由于频谱振幅域中的回波相位信息的过度抑制和缺失，源自本地环境的近端音频（以及具体地，语音）可能严重衰减，这可以造成难以例如与远端方进行全双工通信。

一般而言，对回波消除的现有技术方案往往是复杂的，造成次优性能和/或高计算资源使用。

因而，改进的方案将是有利的，并且特别是允许增加的灵活性、降低的复杂度、经促进的实现、降低的资源使用和/或改进的性能的方案将是有利的。

发明内容

因此，本发明力图优选地单个或以任何组合地缓解、减轻或除去以上提及的缺陷中的一个或多个。

根据本发明的一方面，提供一种音频装置，包括：用于将动态范围调节处理应用到输入信号以生成供扬声器再现的输出信号的电路，所述动态范围调节处理取决于一组动态范围调节参数；用于从音频输入信号生成第一经补偿信号的第一线性回波消除滤波器；用于响应于第一经补偿信号和麦克风信号而确定用于第一线性回波消除滤波器的一组滤波器参数的第一适配器；用于通过将动态范围调节处理和第二回波消除滤波器应用到输入信号而生成第二经补偿信号的电路，第二回波消除滤波器对应于第一回波消除滤波器；用于响应于第二经补偿信号和麦克风信号而确定该组动态范围调节参数的第二适配器。

该方案可以提供经历声学反馈或回波的再现系统的操作的改进的线性化。本发明可以缓解例如声音换能器驱动器（例如放大器）和/或声音换能器（例如扬声器）中的非线性的影响。

在许多实施例中，本发明可以提供改进的性能。具体地，在许多应用中可以实现改进的回波消除。

具体优点在于，可以针对各种各样的声学回波和再现系统实现改进而不要求再现系统的特定知识或建模（诸如特别地，不要求功率放大器或音频换能器特性的假设或建模）。在许多实施例中，装置可以自动地适配于单独再现系统的特定特性。例如，本发明可以允许这样的系统，其提供改进的线性化而不要求系统中所使用的功率放大器或扬声器的非线性特性的任何知识。

另一优点在于，方案可以补偿例如音频链中的组件随时间的年龄相关改变或者例如涉及音频放大器的电力供应的改变，对于电池供电的设备而言，还有在再充电之间随时间的改变。

特定结构可以允许这样的系统，其自动地朝向提供期望的线性化的操作点适配而没有不当地约束输出信号的动态范围。具体地，依照本发明所生成的第一和第二经补偿信号的使用可以提供第一回波消除滤波器和动态范围调节处理二者的高效且有利的适配。回波消除和动态范围调节处理在适配中的相互作用可以提供这样的系统，其针对不同的场景在不同方向上偏置动态范围调节处理的适配。这可以造成改进的适配，因为可以从不同方向朝向最佳情况驱动操作点。

例如，在许多实施例和场景中，动态范围调节参数将在非线性过高时朝向增加的动态范围约束适配，并且在非线性过低时朝向降低的动态范围约束适配。

装置利用适配回路。例如，从基于第一经补偿信号适配的第一回波消除滤波器生成第一经补偿信号。类似地，可以通过将动态范围调节处理（和回波消除）应用到输入信号来生成第二经补偿信号，其中基于第二经补偿信号适配动态范围调节处理。这样的反馈回路的性质可以设定成提供期望的回路参数，诸如具体期望的动态参数。在许多场景中，可以使用经采样的系统，其中用于一个样本的适配（例如动态范围调节参数和/或第一组参数）是基于一个或多个之前样本的经补偿信号值。

第一适配器可以特别地针对该组滤波器参数中的参数生成更新值。第二适配器可以特别地针对该组动态范围调节参数中的参数生成更新值。

第二回波消除滤波器可以通过由相同参数（即由第一组参数）确定而特别地对应于第一回波消除滤波器。在一些实施例中，可以存在第一回波消除滤波器和第二回波消除滤波器的适配中的时间偏移。例如，对于给定信号样本，可以针对之前的信号样本生成用于第一回波消除滤波器的第一组参数，而用于第二回波消除滤波器的第一组参数可以是针对当前信号样本所确定的那些。在一些实施例中，当与第一适配器所确定的更新值组合时，用于第二回波消除滤波器的滤波器参数可以对应于用于第一回波消除滤波器的滤波器参数。

动态范围调节处理可以被布置成约束输入信号的动态范围。

依照本发明的可选特征，动态范围调节处理是非线性动态范围调节处理。

在一些实施例中，动态范围调节处理可以是线性动态范围调节，诸如例如使用取决于动态范围调节参数的可变增益。

然而，在许多实施例中，动态范围调节处理可以有利地为非线性动态范围调节处理。这可以提供改进的性能，并且可以特别地允许用于给定功率放大器或扬声器的改进的声音水平。

依照本发明的可选特征，音频装置还包括可变增益，其被布置成响应于输入信号的信号水平度量和该组动态范围调节参数中的至少一个参数而对输入信号进行缩放。

这在许多实施例中可以提供改进的性能。具体地，可变增益和非线性动态范围调节处理的组合可以提供不同特性之间，诸如声音水平与失真之间的改进的权衡。

依照本发明的可选特征，至少一个参数是剪裁水平参数。

这在许多实施例中可以提供改进的性能。具体地，可变增益和剪裁动态范围调节处理的组合可以提供不同特性之间，诸如声音水平和失真之间的改进的权衡。

剪裁可以是软剪裁或硬剪裁。

依照本发明的可选特征，非线性动态范围调节处理包括信号剪裁。

这在许多实施例中可以提供改进的性能。具体地，剪裁动态范围调节处理可以提供诸如声音水平和失真之类的不同特性之间的改进的权衡。

依照本发明的可选特征，信号剪裁是硬剪裁。

这在许多情况和实施例中可以允许低复杂度和/或改进的性能。

依照本发明的可选特征，音频装置还包括被布置成基于输出信号而在麦克风信号上执行回波消除的回波消除器。

生成输出信号的方案连同分离的回波消除器一起的组合可以提供特别有利的性能。具体地，改进的线性化可以允许通过回波消除器的改进的回波消除。

此外，方案可以允许独立于应用和适配动态范围调节处理的函数来开发回波消除器，并且反之亦然。这可以促进实现，并且可以特别地允许促进将例如预处理引入到现有回波消除系统。

依照本发明的可选特征，回波消除器是线性回波消除器。

本发明可以允许线性回波消除的特别改进的性能。

依照本发明的可选特征，回波消除器独立于第一经补偿信号、第二经补偿信号和输入信号。

回波消除器在一些实施例中可以仅基于输出信号和麦克风信号。

依照本发明的可选特征，第一适配器被布置成生成第一经补偿信号和麦克风信号之间的差异信号，并且修改该组滤波器参数以减小差异信号。

这可以提供特别有利的操作和/或性能并且在许多实施例中可以促进实现。

依照本发明的可选特征，第二适配器被布置成生成第二经补偿信号和麦克风信号之间的差异信号，并且修改该组动态范围调节参数以减小差异信号。

这可以提供特别有利的操作和/或性能并且在许多实施例中可以促进实现。

依照本发明的可选特征，动态范围调节参数定义使输入信号的值与输出信号的值相关的函数。

这可以提供特别有利的操作和/或性能并且在许多实施例中可以促进实现。

根据本发明的一方面，提供一种音频处理方法，包括：将动态范围调节处理应用到输入信号以生成供扬声器再现的输出信号，非线性处理取决于一组动态范围调节参数；通过第一线性回波消除滤波器从音频输入信号生成第一经补偿信号；响应于第一经补偿信号和麦克风信号而确定用于第一线性回波消除滤波器的一组滤波器参数；通过将动态范围调节处理和第二回波消除滤波器应用到输入信号而生成第二经补偿信号，所述第二回波消除滤波器对应于第一回波消除滤波器；以及响应于第二经补偿信号和麦克风信号而确定该组动态范围调节参数。

本发明的这些和其它方面、特征和优点将从以下描述的（多个）实施例显而易见并且将参照该实施例进行阐述。

附图说明

将仅通过示例的方式参照附图来描述本发明的实施例，在图中

图1图示了依照本发明的一些实施例的音频装置的示例；

图2图示了依照本发明的一些实施例的音频装置的示例；

图3-6图示了用于针对图1或2的音频装置的动态范围调节处理的不同函数；

图7和8图示了针对音频再现路径的元件的非线性的示例；

图9图示了用于声学回波的声学脉冲响应的示例；以及

图10和11图示了针对图1或2的音频装置中的误差信号的PSD的示例。

具体实施方式

以下描述聚焦在适用于针对电信系统的回波消除系统的本发明的实施例上。然而，将领会的是，本发明不限于该应用，而是可以应用于许多其它系统和应用。

图1图示了依照本发明的一些实施例的音频装置的示例。在具体示例中，音频装置是回波消除系统。

系统包括在声学环境中再现音频的扬声器101。麦克风103记录来自声学环境的音频以便产生反映来自音频环境中的本地源的音频的信号。具体地，系统可以被用作电信系统的一部分，其中扬声器101用于再现来自远程源的音频，并且麦克风103用于拾取传输到远端的本地音频。然而，这样的设置中的问题在于，麦克风103典型地还将拾取来自扬声器101的音频，这造成倒退回远端的回波，除非执行回波消除。

因此，系统还包括回波消除器105，其耦合到扬声器101并且接收用于扬声器101的驱动信号。回波消除器105生成耦合到减法器107的回波消除信号，该减法器107还耦合到麦克风103并且从其接收麦克风信号。减法器107可以被看作回波消除器的一部分或者看作分离的实体。

回波消除信号提供由来自扬声器101的音频所导致的麦克风信号的信号分量的估计。减法器107的输出是麦克风信号减去回波消除信号，并且因此理想上对应于其中去除声学回波的麦克风信号。减法器107的输出因此生成可以传输到远端的经回波消除的信号。

回波消除器105是自适应回波消除器，其基于减法器107的输出而调节其操作。因而，来自减法器107的输出信号还被馈送到回波消除器105，其中它被用于适配回波消除器105的估计。典型地，回波消除器105实现自适应滤波器，其估计从对扬声器101的输入到减法器107的麦克风输入的传递函数。自适应滤波器基于经回波消除的信号进行适配，并且典型地，适配力图最小化经回波消除的信号的信号水平。

将领会的是，大量回波消除算法和适配算法对于本领域技术人员而言将是已知的并且可以使用任何适当的方案而不减损本发明。例如，可以使用最小均方（LMS）方案来适配线性自适应滤波器的系数。

将领会的是，为了清楚和简洁，图1公开了简化的系统表示。例如，大多数实际系统将包括放大器、音频换能器、滤波器等。图1的扬声器101可以被视为反映从对回波消除器105的输入到音频再现的整个再现信号路径，并且因而可以具体地包括功率放大器、音频换能器等的特性。

类似地，来自麦克风的输出将典型地被滤波和放大，并且图1的麦克风103可以被视为表示从所捕获的音频到馈送到减法器107的信号的信号路径的所有部分，即其可以被视为包括麦克风放大器、滤波器等。

因而，回波消除器105有效地力图通过估计从对回波消除器105的输入（引用为x_f(n)）到对减法器107的输入（引用为z(n)）的整个信号路径来补偿声学回波。

然而，对于这样的系统而言的特定挑战在于，回波消除器往往要求路径基本上为线性的以便提供高效的回波消除。具体地，大多数实际高性能自适应回波消除器往往是线性回波消除器并且照此仅能够补偿线性信号效果。然而，许多实际再现组件往往具有非线性效果，尤其是在它们被密集地使用时。

例如，为了最大化声压水平，扬声器和功率放大器被频繁地用向其非线性操作范围。因此，非线性效果可能通常发生在实际实现中，并且这典型地将导致回波消除是低效的。

在图1的系统中，通过被布置成在将要再现的信号馈送给扬声器101之前处理该信号的预处理器109的存在而实现改进的性能。

预处理器109被布置成针对输入信号执行动态范围调节，导致扬声器101（即典型地功率放大器和音频换能器的路径）更为线性地操作。这可以提供改进的性能并且可以特别地允许回波消除器105更高效地操作并提供改进的回波消除。预处理器109被布置成适配动态范围调节并且因此被馈送有麦克风信号。将领会到，预处理器109还可以被馈送有声学回波消除器105的输出和减法器107的输出，因为这些信号之和也等于麦克风信号。然而，在具体示例中，预处理器109被馈送有麦克风信号，因为对声学回波消除器105的输出和减法器107的输出的访问不总是可用。

因而，在系统中，将输入信号x(n)提供给预处理器109，其继而生成在此之后被称为驱动信号x_f(n)的输出信号。驱动信号被再现，并且在图1的示例中示出为从扬声器101再现。将领会到，在许多实施例中，预处理器109的输出（即驱动信号）并不直接馈送给音频换能器，而是提交至包括功率放大、滤波、数字到模拟转换等的各种音频处理功能。因而在下文中，对扬声器101的引用可以被视为包括从预处理器109的输出到经再现的音频的信号路径的所有元件。

麦克风103捕获麦克风信号z(n)，其反映声学环境中的音频。将领会的是，经回波消除的麦克风信号z(n)典型地不是由给定麦克风单元直接提供的那个，而是将典型地首先被放大、滤波、采样等。因而在下文中，对麦克风103的引用可以被视为包括从声学环境的音频到馈送给预处理器109的信号的信号路径的所有元件。

因而在图1的系统中，预处理器109接收意图供扬声器101再现的输入信号x(n)。此外，其接收由麦克风103捕获的输入信号。预处理器109继而生成由扬声器101再现的驱动信号x_f(n)。经再现的音频经由具有给定声学脉冲响应（和对应的声学传递函数）的声学路径到达麦克风103。馈送给预处理器109的麦克风信号z(n)因而对应于通过包括扬声器101、从扬声器101到麦克风103的声学路径、以及麦克风103的信号路径修改的所生成的驱动信号x_f(n)，即其被扬声器101、声学路径和麦克风103的特性的组合效果所修改。

类似地，回波消除器105基于驱动信号x_f(n)在麦克风信号z(n)上执行回波消除，并且因而力图对扬声器101、从扬声器101到麦克风103的声学路径、以及麦克风103的组合效果进行估计或建模。

预处理器109被布置成针对输入信号x(n)执行动态范围调节，使得扬声器101（具体地包括功率放大器和音频换能器）展现出更为线性的特性，并且在许多实施例中展现出基本上线性的特性。

预处理器109使用允许它自动地朝向最优操作点适配动态范围处理的具体结构和方案。此外，适配不要求关于从驱动信号x_f(n)到麦克风信号z(n)的传递函数的具体特性的任何知识或假设。而是，预处理器109可以自动地将动态范围处理适配于扬声器101（包括相关联的功率放大器等）的具体特性。

图2更详细地图示了预处理器109。如所图示的，预处理器109包括三个并行分支或路径。在一个路径（图2的最上方路径）中，动态范围处理器201将标注为的动态范围调节应用到输入信号x(n)以生成驱动信号x_f(n)。该信号然后由扬声器101再现。扬声器101以可以由函数F{x_f(n)}表示的特性再现声音，该函数典型地可以为非线性函数，至少对于一些信号水平而言。因而，函数F{x_f(n)}表示音频换能器、功率放大器等的组合效果，并且可以具体地反映例如功率放大器的剪裁行为和音频换能器的非线性。

动态范围处理器201将动态范围调节处理应用到输入信号，从而生成然后由扬声器101再现的驱动信号x_f(n)（预处理器109输出信号）。动态范围调节处理是取决于一组动态范围调节参数的自适应动态范围调节处理。

动态范围调节处理可以具体地应用使当前输入信号值与输出信号值相关的函数。例如，对于输入信号x(n)的每一个值，动态范围调节处理可以设定如由可适配函数所确定的驱动信号x_f(n)的值。因而，可适配函数针对动态范围处理器201定义输入信号值与输出信号值之间的关系。可适配函数由称作动态范围调节参数的一组参数定义。这些参数因而可以确定当前应用的具体动态范围调节处理。

因而，动态范围处理器201可以应用以下操作：

其中动态范围调节参数定义信号值与输出值之间的关系。

图3至6图示了可以应用的函数的具体示例。

在图3的示例中，应用存在输入信号值x(n)与驱动信号值x_f(n)之间的线性关系的线性动态范围调节处理。在该示例中，动态范围调节参数可以存在于例如单个标量值中，其定义函数的梯度。因而对于一以下的任何值，动态范围调节处理将减小动态范围，并且对于值一，原始信号将不改变地通过。

在图4的示例中，应用针对输入信号值x(n)（以及因此驱动信号值x_f(n)）的有限范围存在输入信号值x(n)与驱动信号值x_f(n)之间的线性关系的线性动态范围调节处理。然而，如果输入信号值x(n)（的绝对值）超出给定阈值，则驱动信号值x_f(n)（的绝对值）保持恒定。因而，在该示例中，动态范围处理器201执行硬剪裁。在示例中，只要信号水平足够低，动态范围调节处理就是线性的。因而只要信号水平足够低，动态范围处理器201就不引入任何失真。然而对于较高的值，可以引入剪裁以约束动态范围。

在示例中，动态范围调节参数可以包括定义当前剪裁水平（其可以是对称或非对称的）以及可能地针对线性区的梯度的一组值。

在一些实施例中，剪裁可以是软剪裁，例如如图5中所图示的，其中函数由具有不同梯度的三个线性区段定义。在这样的示例中，动态范围调节参数可以定义针对三个线性区段的梯度以及这些之间的过渡点。

将领会到，可以使用任何适合的函数，并且动态范围调节参数可以定义任何适合的函数，诸如例如如图6中所图示的函数。还将领会到，可以使用由一组参数表示函数的任何适当方式，包括例如经采样的表示。例如，对于输入信号x(n)的每一个可能的样本值，该组动态范围调节参数中的参数可以定义驱动信号x_f(n)的信号值。作为另一示例，函数可以被给定为动态范围调节参数定义每一个系数的值的多项式函数。

此外，预处理器109包括第二路径（图2的中间路径），其包括耦合到预处理器109的输入并且接收输入信号x(n)的线性回波消除滤波器203。线性回波消除滤波器203对输入信号进行滤波并且生成第一经补偿信号。该信号耦合到第一适配器，其在图2中被示出为第一差异单元205，其在具体示例中是减法器。第一差异单元205还接收麦克风信号z(n)，并且其继而生成指示第一经补偿信号与麦克风信号之间的差异的第一差异信号r(n)。在具体示例中，简单地从麦克风信号z(n)减去第一经补偿信号。

结果得到的第一差异信号r(n)因而指示在已经去除从输入信号x(n)到麦克风信号z(n)的所估计的线性回波之后所捕获的音频。第一差异信号r(n)用于适配线性回波消除滤波器203。具体地，线性回波消除滤波器203可以被适配成最小化第一差异信号r(n)的信号能量。

因而，第二路径操作输入信号x(n)与麦克风信号z(n)之间的线性回波消除。路径可以使用常规线性回波消除技术，并且线性回波消除滤波器203可以依照任何适当的回波消除算法进行适配，包括例如LMS适配算法。

另外，预处理器109包括第三路径（图2的下部路径），其通过将动态范围调节处理和第二回波消除滤波器应用到输入信号而生成第二经补偿信号。

在图2的示例中，第二路径包括补充动态范围处理器207，其执行与动态范围处理器201相同的操作。补充动态范围处理器207耦合到输入并接收输入信号x(n)并且生成驱动信号x_f(n)的副本。驱动信号x_f(n)的副本被馈送给第二回波消除滤波器209，其对应于线性回波消除滤波器203并且生成第二经补偿信号。因而，第二经补偿信号对应于由于将线性回波消除滤波器203的回波消除应用到驱动信号x_f(n)而不是输入信号x(n)（如对于第二路径那样）而得到的信号。

结果得到的第二经补偿信号被馈送给以第二差异单元211的形式的第二适配器，其在具体示例中为减法器。第二差异单元211还接收麦克风信号z(n)，并且其继而生成指示第二经补偿信号与麦克风信号之间的差异的第二差异信号r_f(n)。在具体示例中，简单地从麦克风信号z(n)减去第二经补偿信号。

第二差异信号r_f(n)用于适配补充动态范围处理器207和动态范围处理器201。具体地，补充动态范围处理器207和动态范围处理器201可以被适配成最小化第二差异信号r_f(n)的信号能量。

因而，第二路径使用针对第二路径所确定的回波消除滤波器（即由于驱动信号x_f(n)与麦克风信号z(n)之间的线性回波消除所导致的回波消除滤波器）来操作驱动信号x_f(n)与麦克风信号z(n)之间的线性回波消除。然而，结果得到的残余信号不用于更新回波消除滤波器，而是用于适配补充动态范围处理器207和动态范围处理器201的动态范围调节参数。

因而具体地，第二差异信号r_f(n)用于修改动态范围调节参数使得实现减小的第二差异信号r_f(n)。

要指出的是，用于补充动态范围处理器207和动态范围处理器201的动态范围调节参数彼此对应，并且实际上在许多实施例中可以仅使用单个动态范围处理器。例如，第二回波消除滤波器209可以直接从动态范围处理器201接收驱动信号x_f(n)，并且同样地适配可以直接是动态范围处理器201的。

将领会的是，可以使用任何适当的适配算法以用于基于第二差异信号r_f(n)来适配动态范围调节参数。例如，如将在下文更详细地描述的，可以应用LMS算法。

在图2的示例中，线性回波消除滤波器203和第二回波消除滤波器209通过由针对线性回波消除滤波器203所确定的滤波器参数定义第二回波消除滤波器209而对应于每一个，即定义第二回波消除滤波器209的该组滤波器参数通过适配/回波消除而被选择为确定用于线性回波消除滤波器203的一组滤波器参数。然而，在任何给定时刻，线性回波消除滤波器203和第二回波消除滤波器209不需要相同。具体地，可以存在滤波器和用于两个滤波器的滤波器参数之间的相对时间偏移。例如在图2中，通过定义函数的滤波器参数来给出线性回波消除滤波器203，而同时通过定义函数的滤波器参数来给出第二回波消除滤波器209，即用于第二回波消除滤波器209的滤波器参数包括针对样本n所确定的更新值。

预处理器109的结构和方案提供特别高效的操作，其可以造成图1的系统的改进的操作。具体地，其可以允许系统在声音再现更为线性的操作点处进行操作，并且具体地可以减小功率放大器或音频换能器操作在非线性区域中的风险。这可以大幅改进回波消除器105的线性回波消除。

此外，预处理器109的不同路径的具体布置和相互作用导致其中两个适配相互作用而同时相对独立的系统。具体地，适配和路径的操作的组合提供一种系统，其将不仅在动态范围过大的情况下减小动态范围，而且还将在动态范围过低的情况下增加它。具体地，当驱动信号x_f(n)的振幅减小时，再现的线性将不会减小，而是典型地将增大，即动态范围越低，再现典型地将越为线性。因此，力图减小再现的非线性的常规方案将往往简单地朝向零减小信号水平。然而，这当然是不合期望的，因为其将导致没有声音被再现。相比而言，在图1的系统中，当音频的再现为线性时，预处理器109将替代性地力图增加残余信号，即其将力图增加非线性。因而，预处理器109将在音频再现为线性时自动地朝向增加的动态范围适配动态范围调节处理，但是将在音频再现为非线性时朝向减小的动态范围适配它。因而，实现了朝向最佳操作点的偏置。

将在下文中以更多数学细节描述该效果以及实际上图1的系统和图2的预处理器109的操作。在示例中，扬声器101/再现路径的效果（包括具体地功率放大器和音频换能器的组合效果）由非线性函数F{x_f(n)}表示。结果得到的回波信号标注为e(n)并且由麦克风103捕获。除回波之外，麦克风还拾取来自本地环境的干扰，诸如静止背景噪声和近端语音，但是为了简化以下分析和描述，没有进一步考虑这些信号分量。然而，为了反映这样的分量的存在，麦克风信号由z(n)标注。

假设采用LMS算法，则由以下给出用于的更新等式

其中μ_h是控制适配速度的步长参数，并且标注平方误差信号r²(n)关于的梯度并且可以表述为

其中，并且结果得到的系数更新等式为

麦克风信号由以下给出

(4)

其中声学回波路径出于该分析的目的而被假设为是时不变的。残余信号可以根据麦克风和所估计的线性回波来表述，

。

替换r(n)中的z(n)并且展开（3）得出

令v(n)标注加权误差矢量。从h减去（6）的两侧得出

在（7）的右手侧加上和减去并且合并各项得出

在下文中，将假设x(n)是具有零平均值和自相关矩阵的白噪声过程

其中

并且I是N*N单位矩阵。取（8）的两侧的期望值，

其中并且还假设其为对角矩阵。进一步简化得出：

。

由于对x(n)的假设，上述等式可以关于单个分接头（tap）进行分析。

对于，令并且，即

对于时间n+2，

。

一般地然后，对于时间n+m：

取极限为m → ∞，

其中已经假设并且因此。

使用（14）中的结果，的稳态值可以写作，

因而，该等式指示适配过程的最后结果并且具体地指示系统是否收敛。

现在假定的值在动态范围处理器201中从时间n-1向前保持固定，并且令通过标注的结果得到的驱动信号反映这一点。第二差异信号r_f(n)则为

其中已经假设逼近。关于计算r² _f(n)的梯度，

其中并且取决于f。在该情形中，针对的结果得到的更新等式因此为：

。

因而，该等式可以定义用于动态范围调节参数的更新适配以及因此动态范围处理器201的动态范围调节处理。要指出的是，可以计算所涉及的所有参数，并且具体地可以从用于从输入信号x(n)生成驱动信号x_f(n)的具体函数的知识来确定u(n)。

在以下章节中，将针对两种不同情况计算梯度，也就是针对扬声器101操作在线性域中的情况，并且一个针对动态范围处理器201没有效果的情况，即其中动态范围调节参数被设定成使得动态范围调节处理没有关于扬声器101的线性操作范围充分地约束动态范围的这样的值。

用于梯度的一般表述由以下给出：

。

首先考虑动态范围处理器201没有效果的场景，即其中。

在该情况中，（19）中的项为零，因为F{x_f(n)}与无关。这导致以下梯度：

其等同于（17）中的结果，并且因而最小化平方误差r² _f(n)。

现在考虑再现路径以及具体地功率放大器和音频换能器操作在线性范围中的第二种场景。这可以例如为动态范围调节参数f是硬剪裁器并且剪裁水平设定成远低于音频放大器的饱和输入水平的剪裁水平的场景。

在该情况中，并且梯度由以下给出

。

由于0 ≤ β ≤ 1，因此梯度具有与（17）中的梯度相反的方向。因此，使用（18）中的更新将实际上导致误差信号的增加。因而，在该情况中，系统将实际上力图增加再现非线性并且因而将因此力图增加动态范围。

因而，使用（18）中的更新方案将在该情况中导致动态范围调节处理的适配，其导致增加的误差信号（即第二差异信号r_f(n)的增加的信号水平）。因而，使用相同更新准则将在第一种场景中导致被适配成减小误差信号并且因而增加动态范围调节处理的效果的动态范围调节参数的值。然而，在第二种场景中，动态范围调节参数被适配成增加误差信号，并且因而减小动态范围调节处理的效果。

例如，对于包括硬限制器的动态范围调节处理，当系统以高度再现非线性操作时，系统将力图减小误差信号水平，并且因此剪裁水平将增加。然而，如果系统以线性区中的再现进行操作，则预处理器109的适配将实际上力图增加误差信号并且将因此力图增加剪裁值直到，即直到再现不再操作于线性范围中。

更详细地，假设动态范围调节参数仅包括指示阈值/剪裁水平的单个值：

其中。

以下关系成立，

对于，（25）

此外，令由函数F表示的物理非线性（放大器-扬声器）同样是硬剪裁函数。之前章节中的两种情况转化为

在第一种情况下，（18）的更新项可以表述为：

。

由于并且，因此更新项将为负，只要。

然而，在第二种情况下，更新项由以下给出

。

由于并且，因此更新项在该情况下为正。

应当指出的是，动态范围调节处理所允许的最大动态范围可以受限制以防止对于所有x_f(n)而言u(n) = 0，因为这将迟延动态范围处理器参数的更新和追踪。

因而从每一个极端情况出发，可以看出系统将朝向适当的剪裁水平收敛。

如之前所描述的，通过动态范围处理器201的动态范围调节处理在一些实施例中可以为线性的。然而，在许多实施例和场景中，动态范围调节处理可以有利地为非线性的，并且具体地可以包括硬信号剪裁或软信号剪裁。非线性动态范围调节处理的使用在许多场景中可以提供较低复杂度操作。此外，其可以典型地提供在对所再现的音频的不同影响之间的更有利的权衡。例如，当功率放大器和/或音频换能器被驱动在非线性范围中时，其可以提供失真和音量水平之间的改进的权衡。实际上在这样的情况下，所再现的音频可以略微失真，并且音量水平可以略微减小，这典型地好于仅将音量水平减小到没有失真的水平。此外，由于失真是在功率放大器和音频换能器基本上操作在线性范围中的情况下由预处理器109（例如通过剪裁）所引入的，所以回波消除器仍将极其良好地执行并且将能够把回波减少至可接受的水平。因而在常规系统中，增加的音量水平将导致由功率放大器/声音换能器所引入的非线性和失真，这将导致欠佳的回波消除。相比而言，所描述的方案可以替代性地引入预处理器109中的非线性，而同时允许功率放大器/音频换能器操作在线性范围中，从而导致仍旧高效的回波消除。尽管预处理器109在该情况下可能引入一些失真，但是失真典型地不差于将由再现系统所引入的失真，并且此外其确保非线性/失真不影响回波消除。因而，甚至在系统中发生失真的时候，高效的回波消除仍旧可以实现。

在一些实施例中，预处理器109可以包括可变增益，其被布置成在应用非线性动态范围调节参数之前对输入信号x(n)进行缩放。输入信号的缩放在这样的实施例中可以基于输入信号x(n)的信号水平度量和动态范围调节参数中的一个或多个进行适配。

具体地，在一些实施例中，动态范围处理器201可以被布置成执行输入信号的剪裁，其中用于剪裁的阈值由动态范围调节参数中的剪裁参数来确定。在这样的情况下，预处理器109可以被布置成在剪裁之前对输入信号进行缩放。缩放可以取决于当前信号水平（例如，在例如大约20msc至300msec的相对短时间间隔中的峰值或平均振幅水平）以及当前剪裁水平。例如，如果信号水平稍微高于当前剪裁水平，则增益可以保持接近一（unity），从而导致相对小的失真和相对高的音量水平。然而，如果信号水平大幅高于剪裁水平，则可变增益可以从一减小。这可以减小声音水平但是还将减小失真。因而，通过适配可变增益，可以实现所再现的声音的音量水平和失真之间的改进的权衡。

在一些实施例中，可变增益被设定成以便关于输入信号的所测量的平均最大峰值水平和当前剪裁水平而实现固定的剪裁水平。在动态范围调节之前的这样的输入信号的缩放还可以确保动态范围调节参数的更新在u(n)总为零时不会迟延。

系统的优点还在于，其不要求再现信号路径的特性的任何具体知识。具体地，其不力图对再现信号路径进行建模或估计，而是替代性地力图控制驱动信号x_f(n)使得再现更为线性。这在没有关于例如功率放大器或音频换能器的具体非线性行为的知识或假设的情况下自动实现。因此，预处理器109可以与任何再现装备一起使用并且实际上可以添加到现有再现系统。

系统的具体优点在于，预处理器109可以独立于传送到远端的信号的回波消除。实际上，在图1的示例中，预处理器109独立于回波消除器105并且反之亦然，因为没有预处理器109的内部信号被回波消除器105使用，并且没有回波消除器105的信号被预处理器109使用。

具体地，回波消除器105仅基于用于扬声器101的驱动信号而执行回波消除。其不使用预处理器109的任何内部或输入信号，并且特别地不使用输入信号x(n)、第一经补偿信号或第二经补偿信号。回波消除器105也不需要考虑预处理器109，而是实际上回波消除器105可以使用常规线性回波消除方案。因而，系统的优点在于，其可以通过预处理器109和回波消除器105之间的组合和协同而提供改进的回波消除方案，同时允许独立地设计这二者。

还将领会到，具有预处理器109的系统可以与多麦克风系统一起使用，其中对预处理器109的输入包括输入信号x(n)以及来自多麦克风系统的一个麦克风信号。该麦克风可以例如基于与扬声器101的最大耦合进行选择。

实际上，该方案的显著优势在于，预处理器109可以被引入到现有（线性）回波消除系统以提供改进的回波消除。

在下文将描述针对具体实现的实验结果。

在示例中，使用两个主要函数来对物理系统F{x_f(n)}进行建模：

1. 对音频放大器的饱和特性进行建模的硬剪裁：

其中a的值被设定为0.25。

2. 扬声器非线性的功率滤波器模型：

函数在图7和8中图示。

函数f被约束为具有自适应阈值的硬剪裁函数，因为这种函数实现起来高效且简单。此外，并且如将示出的，其可以用于容易地应对两个物理系统F1和F2。假设线性声学回波路径h是静止的并且在图9中示出。

长度大致为11秒并且以16kHz采样的人造男性语音信号被用作输入信号x(n)。动态范围为-0.73至0.5，其中+1和-1分别表示最大和最小振幅。信号重复数次以观察所评估的系统的稳态性能。

具有80个分接头并且采用NLMS算法的自适应滤波器被用于对声学脉冲响应h的直接路径进行建模，其中的初始值设定为零。在的情况下，更新项通过x(n)的平滑功率估计而归一化，而在更新的情况下，使用值执行归一化。步长值分别为μ_h=0.01和μ_a=0.01。的初始值设定为0.1。用于的值的下限和上限0.1和0.95在每一次更新之后推行。上限0.95可以用于确保在u(n)可以保持为零时的更新对于较高的值不会迟延。

针对采用长度为128个分接头的简单自适应滤波器的回波消除器来评估回波消除。所使用的性能度量是残余回波信号的功率谱密度（PSD）。

图10图示了针对第一模型F₁，即针对功率放大器剪裁的结果，并且图11图示了针对第二模型F₂，即针对扬声器非线性的结果。虚线图示了不存在预处理器109的情况下的误差信号的PSD，并且实线图示了存在预处理器109的情况下的误差信号的PSD。

如可以看到的，在两种情况中实现大幅的性能改进。因而，如实验所论证的，使用硬剪裁函数的预处理器可以提供减小扬声器所产生的非线性失真的量的低成本方案，从而改进声学回波消除性能。所提出的方案的另外的优点在于，其独立于物理非线性模型，如针对两种不同的非线性模型（剪裁和功率滤波器模型）通过性能改进所示出的。实际上，在许多实施例中，通常可以实现多于5-20dB的回波消除性能中的改进。

将领会到，为了清楚起见，上述描述已经参照不同的功能电路、单元和处理器描述了本发明的实施例。然而，将显而易见的是，可以使用不同功能电路、单元或处理器之间的功能性的任何适当分布，而不减损本发明。例如，被图示为由单独的处理器或控制器执行的功能性可以由相同处理器或控制器执行。因而，对具体功能单元或电路的引用仅被看作对用于提供所描述的功能性的适当手段的引用，而不指示严格的逻辑或物理结构或组织。

本发明可以以任何适当的形式实现，包括硬件、软件、固件或这些的任何组合。本发明可以可选地至少部分地实现为运行在一个或多个数据处理器和/或数字信号处理器上的计算机软件。本发明的实施例的元件和组件可以在物理上、功能上和逻辑上以任何适当的方式实现。实际上，功能性可以实现在单个单元中、多个单元中或作为其它功能单元的部分。照此，本发明可以实现在单个单元中，或者可以在物理上和功能上分布于不同单元、电路和处理器之间。

尽管已经结合一些实施例描述了本发明，但是其不意图限于本文所阐述的具体形式。而是，本发明的范围仅由随附权利要求限制。此外，尽管特征可能看起来是结合特定实施例描述的，但是本领域技术人员将认识到，所描述的实施例的各种特征可以依照本发明进行组合。在权利要求中，术语包括不排除其它元件或步骤的存在。

此外，尽管单独列出，但是多个构件、元件、电路或方法步骤可以通过例如单个电路、单元或处理器实现。此外，尽管各个特征可以包括在不同权利要求中，但是这些可以可能地有利地组合，并且在不同权利要求中的包括不暗示着特征的组合不是可行的和/或不是有利的。同样地，特征在一个权利要求类别中的包括并不暗示限于该类别，而是指示在适当的情况下特征等同地适用于其它权利要求类别。另外，权利要求中的特征的顺序并不暗示着特征必须以其工作的任何具体顺序，并且特别地，方法权利要求中的各个步骤的顺序并不暗示着步骤必须以该顺序执行。相反，步骤可以以任何适当的顺序执行。另外，单数引用不排除多个。因而对“一”、“一个”、“第一”、“第二”等的引用不排除多个。仅仅作为澄清示例而提供的权利要求中的参考标记不应当解释为以任何方式限制权利要求的范围。

Claims (13)

1.一种音频装置，包括：

用于将动态范围调节处理应用到输入信号以生成供扬声器（101）再现的输出信号的电路（201），所述动态范围调节处理取决于一组动态范围调节参数；

用于从音频输入信号生成第一经补偿信号的第一线性回波消除滤波器（203）；

用于响应于第一经补偿信号和麦克风信号而确定用于第一线性回波消除滤波器的一组滤波器参数的第一适配器（205）；

用于通过将动态范围调节处理和第二回波消除滤波器（209）相继应用到输入信号来生成第二经补偿信号的电路（207,209），所述第二回波消除滤波器（209）对应于第一回波消除滤波器（203）；

用于响应于第二经补偿信号和麦克风信号而确定该组动态范围调节参数的第二适配器（211）。

2.权利要求1的音频装置，其中动态范围调节处理是非线性动态范围调节处理。

3.权利要求2的音频装置，其中还包括可变增益，其被布置成响应于输入信号的信号水平度量和该组动态范围调节参数中的至少一个参数而对输入信号进行缩放。

4.权利要求3的音频装置，其中至少一个参数为剪裁水平参数。

5.权利要求2的音频装置，其中非线性动态范围调节处理包括信号剪裁。

6.权利要求5的音频装置，其中信号剪裁是硬剪裁。

7.权利要求1的音频装置，还包括被布置成基于输出信号而在麦克风信号上执行回波消除的回波消除器（105）。

8.权利要求7的音频装置，其中回波消除器（105）是线性回波消除器。

9.权利要求7的音频装置，其中回波消除器（105）独立于第一经补偿信号、第二经补偿信号和输入信号。

10.权利要求1的音频装置，其中第一适配器（205）被布置成生成第一经补偿信号和麦克风信号之间的差异信号，并且修改该组滤波器参数以减小差异信号。

11.权利要求1的音频装置，其中第二适配器（211）被布置成生成第二经补偿信号和麦克风信号之间的差异信号，并且修改该组动态范围调节参数以减小差异信号。

12.权利要求1的音频装置，其中动态范围调节参数定义使输入信号的值与输出信号的值相关的函数。

13.一种音频处理方法，包括：

将动态范围调节处理应用到输入信号以生成供扬声器再现的输出信号，所述动态范围调节处理取决于一组动态范围调节参数；

通过第一线性回波消除滤波器（203）从音频输入信号生成第一经补偿信号；

响应于第一经补偿信号和麦克风信号而确定用于第一线性回波消除滤波器（203）的一组滤波器参数；

通过将动态范围调节处理和第二回波消除滤波器（209）相继应用到输入信号而生成第二经补偿信号，第二回波消除滤波器（209）对应于第一回波消除滤波器（203）；以及

响应于第二经补偿信号和麦克风信号而确定该组动态范围调节参数。