CN107005268B - 回波消除装置和回波消除方法 - Google Patents

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Abstract

具有：频带调整部(102)，其具有对输入信号的特定频带的信号施加增益来进行频带调整的滤波器；自适应滤波器(101)，其输入受话信号，更新滤波器系数，并使用更新后的滤波器系数而生成伪回波信号；频带修正部(104)，其具有如下的滤波器，该滤波器将进行了频带调整后的输入信号减去由自适应滤波器(101)生成的伪回波信号而得到的信号的频率特性，修正成频带调整部(102)进行频带调整之前的输入信号的频率特性；以及残留回波抑制部(105)，其按照根据频带调整部(102)的滤波器信息而设定的抑制量，对残留在修正了频率特性后的信号中的回波成分进行抑制，残留回波抑制部(105)将对进行了频带调整后的特定频带的信号的抑制量，设定成比对其它频带的信号的抑制量低。

Description

回波消除装置和回波消除方法
技术领域
本发明涉及消除被输入到传声器的信号中混入的受话信号的回波的技术。
背景技术
在扩音通话装置等中，为了将输入到传声器的信号(下面称作输入信号)中混入的受话信号的回波从输入信号中消除而使用回波消除装置。为了该目的而使用的回波消除装置大多如非专利文献1所示由自适应滤波器部和残留回波抑制部构成。在图5中示出具有该结构的回波消除装置的概略图。
自适应滤波器部300估计(学习)回波路径h而生成滤波器系数
Figure GDA0001308843230000011
和伪回波信号(回波副本)，并从被输入到传声器的输入信号中消除。
但是，能够由自适应滤波器部300消除的回波大约是30dB左右，无法消除全部回波信号。因此，为了抑制残留回波而往往具有残留回波抑制部400。
但是，残留回波抑制处理也同时抑制送话信号例如朝向传声器讲出的声音的信号，因此，抑制量较大而可能对近端说话者与远端说话者的双向同时通话(双端通话)质量造成不良影响。如果是提高双端通话性能，则提高自适应滤波器的回波消除量并尽可能减小残留回波抑制的抑制量是有效的。
另一方面，在免提通话中，低频的回波信号的功率往往较大。这是由于声音信号的低频具有较大的功率或车室内的扬声器设计、回波特性而引起的。利用自适应滤波器对具有这种特征的回波进行回波消除后的残差信号即残留回波信号容易残留低频的信号。在图6中示出在车室内收录的输入信号的一例。假设图6所示的输入信号全都是回波信号。在图7中示出图6所示的回波信号(输入信号)和利用自适应滤波器消除图6所示的回波信号后的残差信号即残留回波信号的各频率的平均功率。
如图7所示可知，送话信号在500Hz附近具有功率的峰值，残留回波信号也同样地在500Hz附近具有较大的功率。当在该车室内发生双端通话的情况下，为了将残留回波信号降低到用户无法听到的水平，需要在500Hz附近施加较强的残留回波抑制，但是，在施加了该残留回波抑制的情况下，对送话信号也在500Hz附近施加较强的抑制，导致双端通话质量的劣化。
在送话信号中，关于功率较小的高频，如果不利用自适应滤波器进行较大的回波降低，而通过之后的残留回波抑制来进行回波的降低，则很少会对送话声音造成不良影响。但是，关于送话信号的低频，通过利用自适应滤波器降低更多的回波，能够提高双端通话的质量。
因此，在专利文献1公开的声音回波消除中，将受话信号和送话信号分割成多个频带，估计各个频带中的回波的影响来确定优先顺序。在各个频带中，自适应滤波器根据优先顺序来确定处理。以越是认为在听感上最易感到回波感的频带其优先顺序越高的方式估计回波的影响。优先顺序较高的频带的自适应滤波器进行复杂且回波抑制效果较大的处理，优先顺序较低的频带的自适应滤波器进行简单的处理。通过如上所述根据频带确定优先顺序，进行考虑到听觉上的特性的回波降低处理，从而提供良好的通话质量。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平10-41859号公报
非专利文献
非专利文献1：Emanuel A.P.Habets，Sharon Gannot，Israel Cohen and PietC.W.Sommen，“Joint Dereverberation and Residual Echo Suppression of SpeechSignals in Noisy Environments，”IEEE Trans.Audio，Speech Lang.Process.，vol.16，no.8，pp.1433-1451，Nov 2008.
发明内容
发明要解决的课题
然而，在上述专利文献1公开的技术中，由于利用滤波器组分割输入信号来进行频带限制，并利用合成滤波器组对分割后的各频带的信号进行合成而作为发送声音输出，因此，具有有时对发送声音也进行滤波而无法保证发送声音的声音质量这样的课题。并且，具有由于滤波器组和合成滤波器组而发生延迟这样的课题。并且，由于根据优先顺序而使用多个自适应滤波器，因此具有运算量增加这样的课题。
本发明正是为了解决上述课题而完成的，其目的在于，在不进行输入信号的频带分割的情况下，抑制运算量并提高自适应滤波器中的特定频带的回波信号的消除量。
用于解决课题的手段
本发明的回波消除装置具有：频带调整部，其具有对输入信号的特定频带的信号施加增益来进行频带调整的滤波器；自适应滤波器，其输入受话信号，更新滤波器系数，并使用更新后的滤波器系数而生成伪回波信号；频带修正部，其具有如下的滤波器，该滤波器将频带调整部进行了频带调整后的输入信号减去由自适应滤波器生成的伪回波信号而得到的信号的频率特性，修正成频带调整部进行频带调整之前的输入信号的频率特性；以及残留回波抑制部，其按照根据频带调整部的滤波器信息而设定的抑制量，对残留在频带修正部修正了频率特性后的信号中的回波成分进行抑制，残留回波抑制部将对频带调整部进行了频带调整后的特定频带的信号的抑制量，设定成比对其它频带的信号的抑制量低。
发明效果
根据本发明，能够在不进行输入信号的频带分割的情况下，抑制运算量并提高自适应滤波器中的特定频带的回波信号的消耗量。
附图说明
图1是示出实施方式1的回波消除装置的结构的框图。
图2是示出双端通话的声音信号波形的图。
图3是示出实施方式1的回波消除装置的频带调整部的效果的图。
图4是示出实施方式2的回波消除装置的结构的框图。
图5是以往的回波消除装置的概略图。
图6是示出回波信号的一例的图。
图7是示出回波信号和残留回波信号的各频率的平均功率的图。
具体实施方式
下面，为了更详细地说明本发明，根据附图对用于实施本发明的方式进行说明。
实施方式1
图1是示出实施方式1的回波消除装置100的结构的框图。
回波消除装置100由自适应滤波器101、频带调整部102、减法器103、频带修正部104以及残留回波抑制部105构成。受话信号是远端说话者的声音经由传送路径(未图示)而发送到近端说话者侧的信号。送话信号是近端说话者的讲话声音。输入信号是该近端说话者的讲话声音重叠从送话信号的输出端子(例如传声器等)通过近端说话者侧的回波路径产生的回波成分而成的信号。
为了便于说明，假设自适应滤波器101使用频域自适应滤波器，其滤波器系数用大写字母
Figure GDA0001308843230000041
表示，同样地，表示自适应滤波器学习的回波路径的传递函数用H表示。
对频域自适应滤波器使用FLMS(Fast Least Mean Square：快速最小均方)算法进行说明，但是，本实施方式1的发明不限于自适应滤波器算法，可以应用于全部的自适应滤波器。
FLMS算法的系数更新式可以通过下面的式(1)～式(8)所示的一系列式子来实现。另外，按照M个输入采样的每个新块进行下面的式(1)～式(8)的计算。
X2M×2M(k)＝diag{FFT[x(kM-M),…,x(kM),…,x(kM+M-1)]T} (1)
Figure GDA0001308843230000042
的最后M个元素 (2)
Figure GDA0001308843230000043
E2M(k)＝FFT[0T M eT(k)]T (4)
Pi(k)＝γPi(k-1)+(1-γ)|Xi(k)|2,i＝0,…,2M-1 (5)
D2M×2M(k)＝diag[P0(k)-1,…,P2M-1(k)-1] (6)
J2M(k)＝IFFT[D2M×2M(k)XH 2M×2M(k)E2M(k)]的最初M个元素(7)
Figure GDA0001308843230000044
在上述的式(1)～式(8)中，FFT表示高速傅里叶变换，IFFT表示高速傅里叶逆变换，k表示块的索引，x(n)表示受话信号，y(n)表示输入信号(这里是回波信号)。
Figure GDA0001308843230000045
表示自适应滤波器101生成的伪回波。
并且，粗体所示的小写字母是长度为M的向量，表示信号列。
例如，关于式(3)，y(n)＝[y(n),y(n-1),…,y(n-M+1)]T。
并且，粗体所示的大写字母表示向量或者矩阵，在字母的右下标记尺寸。diag表示对角矩阵。
AH表示对矩阵A的埃尔米特矩阵。并且，γ是遗忘系数。
式(1)中的X(k)是将FFT的结果排列在对角成分的对角矩阵。式(2)和式(3)分别表示由自适应滤波器101生成的伪回波和残差信号。式(4)表示残差信号的频率转换，其目的是线性卷积。式(5)是受话信号的平均功率的计算，使用移动平均进行计算。式(6)是将在式(5)中求出的平均功率值的倒数配置于对角上。式(7)是计算系数更新量，右边通过频率转换进行线性相关处理。式(8)进行系数的更新。
实施方式1的发明的特征在于具有频带调整部102和频带修正部104。频带调整部102是为了在自适应滤波器101中提高特定频带的回波消除性能而调整输入信号的频率特性的块。在频带调整部102中，例如使用IIR滤波器形成对低频信号施加增益的带通滤波器，进行使输入信号的低频功率增加的调整。由此，自适应滤波器101中的回波消除特性发生改变，对低频的回波信号的学习速度提高。
在频带调整部102中使输入信号的低频功率增加即施加增益是指，在式(3)中增加y(k)的低频功率。对于式(4)的E2M(k)和式(7)的J2M(k)，也同样地增加低频功率。与之相伴，由式(8)可知，自适应滤波器101的滤波器系数的低频成分的功率增强。通过使用该滤波器系数，能够生成低频功率更大的伪回波。根据以上，频带调整部102能够变更自适应滤波器101的特性。
接着，参照图2和图3，对频带调整部102的频带调整引起的自适应滤波器101的性能特性的变化进行说明。
图2是示出发生双端通话时的声音信号波形的一例的图。图2所示的数据例如是在车辆内通过免提进行通话时的输入信号的声音信号波形，示出从扬声器输出远端说话者的声音，与近端说话者的声音一起被车室内的传声器观测到的情况。对是否对具有图2所示的声音信号波形的输入信号进行频带调整部102的频带调整引起的自适应滤波器101的性能特性的变化进行说明。在图2中，回波信号和送话信号混合，这里关注区域X所示的回波信号进行说明。
图3示出未进行频带调整部102的频带调整而进行了自适应滤波器101的处理后的残留回波功率和进行了频带调整部102的频带调整并进行了自适应滤波器101的处理后的残留回波功率。作为频带调整部102，使用谐振频率750Hz、增益9.0dB、Q值0.7的带通滤波器。由图3可知，通过应用频带调整部102的频带调整，直到1000Hz为止的残留回波功率最多减小6dB左右，从而可知频带调整的效果。
减法器103从频带调整部102进行了频带调整后的信号中减去自适应滤波器101生成的伪回波信号。频带修正部104进行将由减法器103减去伪回波信号后的信号的频率特性返回到频带调整部102进行频带调整之前的输入信号的频率特性的滤波处理。频带调整部102不仅对回波信号改变频率特性，而且对送话声音信号、噪声信号也改变频率特性，因此，在进行了自适应滤波器101的滤波处理之后，由频带修正部104进行返回到频带调整部102进行频带调整之前的输入信号的频率特性的处理。在图3所示的例子中，频带修正部104使用谐振频率750Hz、增益-9.0dB、Q值0.7的带通滤波器。
残留回波抑制部105对由频带修正部104修正了频率特性后的信号进行残留回波抑制。残留回波抑制部105根据由频带调整部102生成的作为滤波器信息的谐振频率、增益、Q值来确定抑制量。可以应用使残留回波抑制量反映由频带调整部102生成的滤波器特性的逆特性，简单来说降低频带调整部102的谐振频率附近的频率的抑制量等方法。由此，能够降低送话声音的抑制量，保证声音质量。
如上所述，根据本实施方式1，构成为具有：自适应滤波器101，其将受话信号和来自减法器103的信号作为输入而更新滤波器系数，并使用更新后的滤波器系数生成伪回波信号；频带调整部102，其向输入信号的低频功率变强的方向调整增益；频带修正部104，其将进行了频带调整后的信号减去伪回波成分而得到的信号的频率特性返回到频带调整前的输入信号的频率特性；以及残留回波抑制部105，其根据由频带调整部102生成的滤波器特性来抑制残留回波。因此，能够在不进行输入信号的频带分割的情况下，提高自适应滤波器101中的低频的回波信号的消耗量。并且，能够得到在不降低自适应滤波器101的回波消除性能的情况下具有较高的双端通话性能的回波消除装置100。并且，如上所述，在频带调整部102和频带修正部104应用IIR滤波器的情况下，能够降低该回波消除装置100的运算量。
另外，在上述的实施方式1中，示出了使低频的功率增加的频带调整部102，但不限于低频，也可以构成为使特定频带的功率增加。
实施方式2
在免提通话中，受话信号的信号频带因通信网而不同。在欧洲已经开始宽带通话(50Hz～7000Hz)的服务，但是，因地域有时仅运用窄带通话(300Hz～3400Hz)，需要依照各个通信状况来确保通话音质。因此，在本实施方式2中，示出在受话信号的声音频带变化的情况下也可实现充分的回波消除性能和较高的双端通话性能的回波消除装置的结构。
图4是示出实施方式2的回波消除装置200的结构的框图。
实施方式2的回波消除装置200设置成对实施方式1所示的回波消除装置100追加信号分析部201。并且，构成为设置频带调整部202和频带修正部204来代替频带调整部102和频带修正部104。
下面，对与实施方式1的回波消除装置100的构成元素相同或相当的部分标注与实施方式1中使用的标号相同的标号而省略或者简化说明。
信号分析部201对受话信号的声音频带进行分析，进行是窄带通话还是宽带通话的分析。可以应用各种通信频带的分析方法，例如通过能够对受话信号提取4kHz以上的信号的高通滤波器，如果高频信号的功率低于设定的阈值则是窄带通话，如果高于阈值则是宽带通话。
频带调整部202根据信号分析部201的分析结果来设定用于频带调整的滤波器。在分析结果为窄带通话的情况下，例如将谐振频率设定成500Hz～1000Hz。在为宽带通话的情况下，例如将谐振频率设定成200Hz～300Hz。通过这样根据声音频带设定谐振频率，能够在宽带通话时提高自适应滤波器对功率较强的50Hz～300Hz的回波信号的回波消除性能。
频带修正部204也同样地根据信号分析部201的分析结果而使用与频带调整部202使用的滤波器对应的滤波器。残留回波抑制部105进行残留回波抑制处理。残留回波抑制处理与实施方式1同样地对频带调整部202的谐振频率附近的频带减弱抑制，进行残留回波的抑制而不毁坏输入信号。
如上所述，根据本实施方式2，构成为具有：信号分析部201，其对受话信号的声音频带进行分析；频带调整部202，其根据信号分析部201的分析结果来设定用于频带调整的滤波器；以及频带修正部204，其根据信号分析部201的分析结果来设定用于频带修正的滤波器。因此，对于窄带通话和宽带通话双方都能够得到较高的回波消除性能和较高的双端通话性能。
另外，在上述的实施方式2中，示出了将信号分析部201设为回波消除装置200的内部结构的情况，但是，也可以构成为从外部取得声音频带的分析结果。
除此以外，本发明可以在其发明的范围内进行各实施方式的自由组合或各实施方式的任意构成元素的变形，或者在各实施方式中省略任意构成元素。
产业上的可利用性
本发明的回波消除装置能够增加特定频带的回波信号的回波消耗量，因此，应用于进行免提通话的扩音通话装置等，适于用于双端通话质量的提高。
标号说明
100、200：回波消除装置；101：自适应滤波器；102、202：频带调整部；103：减法器；104、204：频带修正部；105：残留回波抑制部；201：信号分析部。

Claims (5)

1.一种回波消除装置，其从包含受话信号的回波成分和送话信号的输入信号中消除所述受话信号的回波成分，其特征在于，该回波消除装置具有：
频带调整部，其具有对所述输入信号的特定频带的信号施加增益来进行频带调整的滤波器；
自适应滤波器，其输入所述受话信号，更新滤波器系数，并使用更新后的滤波器系数而生成伪回波信号；
频带修正部，其具有如下的滤波器，该滤波器将第一信号的频率特性修正成第二信号的频率特性，所述第一信号是所述频带调整部进行了频带调整后的信号减去由所述自适应滤波器生成的伪回波信号而得到的信号，所述第二信号是所述频带调整部进行频带调整之前的所述输入信号；以及
残留回波抑制部，其按照根据所述频带调整部的滤波器信息而设定的抑制量，对残留在所述频带修正部修正了频率特性后的信号中的回波成分进行抑制，
所述残留回波抑制部将对所述频带调整部进行了频带调整后的特定频带的信号的所述抑制量，设定成比对其它频带的信号的所述抑制量低。
2.根据权利要求1所述的回波消除装置，其特征在于，
所述残留回波抑制部根据所述频带调整部的滤波器信息的谐振频率、增益以及Q值来设定所述残留的回波成分的抑制量。
3.根据权利要求1所述的回波消除装置，其特征在于，
所述频带调整部根据所述受话信号的声音频带来设定用于频带调整的滤波器；
所述频带修正部根据所述受话信号的声音频带来设定用于频带修正的滤波器。
4.根据权利要求3所述的回波消除装置，其特征在于，
该回波消除装置具有信号分析部，该信号分析部对所述受话信号的声音频带进行分析，判定所述受话信号的声音频带是窄带通话频带还是宽带通话频带。
5.一种回波消除方法，从包含受话信号的回波成分和送话信号的输入信号中消除所述受话信号的回波成分，其特征在于，该回波消除方法具有如下步骤：
频带调整部对所述输入信号的特定频带的信号施加增益来进行频带调整；
自适应滤波器输入所述受话信号，更新滤波器系数，并使用更新后的滤波器系数生成伪回波信号；
频带修正部将第一信号的频率特性修正成第二信号的频率特性，所述第一信号是进行了所述频带调整后的输入信号减去由自适应滤波器生成的伪回波信号而得到的信号，所述第二信号是进行所述频带调整之前的所述输入信号；以及
残留回波抑制部根据所述频带调整部的频带调整信息，对残留在修正了所述频率特性后的信号中的回波成分进行抑制。
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