CN108781241B - 用于声学回声消除的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

用于声学回声消除的装置和方法。提供了用于声学回声消除的系统和方法。示例方法包括接收参考信号。参考信号表示在扬声器的外壳内捕获的至少一个声音。扬声器可操作以回放远端信号。该方法还包括接收声学信号。声学信号表示在扬声器的外壳外捕获的至少一个声音。声学信号至少包括近端信号和远端信号。该方法能够使用参考信号来衰减电声信号中的远端信号。参考信号可被设置在扬声器的外壳内的低灵敏度麦克风捕获。远端信号的衰减可包括相减式消除。

Description

用于声学回声消除的装置和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年1月14日提交的美国临时申请No.62/278,872的优先权，该临时申请的内容的全部内容以引用方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及声学回声消除参考信号，具体地涉及用于声学回声消除的装置和方法。
背景技术
在经由通信网络进行谈话期间可能发生声学回声。进入通信装置的远端信号可通过通信装置的扬声器进行回放。通信装置的麦克风可捕获近端信号和扬声器的输出二者。近端信号和扬声器的输出的混合可以被回传到远端，使得远端的听众可接收他自己语音的延迟版本作为“回声”声音。
传统的AEC技术很好地用于消除来自上行链路信号的线性回声，而回声的非线性分量未被抑制。使用小型扬声器有可能导致声学回声中的比平常大的非线性分量。需要进行改进，以有效消除回声信号中的非线性分量，同时不会不利地影响回声的线性部分的消除。
发明内容
提供了用于声学回声消除(AEC)的系统和方法。传统的AEC技术很好地用于消除来自远端信号的线性回声，而回声的非线性分量未被抑制。本公开的各种实施方式使用扬声器腔体内的麦克风来捕获扬声器的声压级(SPL)输出并且使用SPL输出作为AEC的参考信号。
AEC的示例方法包括接收参考信号。参考信号表示在扬声器的外壳内捕获的至少一个声音。扬声器可操作以回放远端信号。在一些实施方式中，参考信号被设置在扬声器的外壳内的低灵敏度麦克风捕获。
示例方法还包括接收电声信号。电声信号可表示至少一个捕获的声音。在一些实施方式中，在扬声器的外壳外捕获声音。电声信号可包括至少远端分量。远端分量表示由扬声器播放的远端信号。该方法能够使用参考信号来衰减电声信号中的远端分量。在一些实施方式中，远端信号的衰减涉及对参考信号的滤波后版本的相减式消除。
附图说明
图1是例示根据各种示例实施方式的可实践用于声学回声消除的系统和方法的环境的框图。
图2例示了根据示例实施方式的音频装置的框图。
图3示出了根据各种示例实施方式的用于声学回声消除的示例系统。
图4是例示了根据示例实施方式的声学回声消除方法的流程图。
图5例示了可用于实现所公开的技术的实施方式的示例计算机系统。
具体实施方式
本文中公开的技术涉及用于声学回声消除的系统和方法。
图1是示出用于音频装置之间的通信的示例系统100的框图。图1包括音频装置110、音频装置140和音频通信网络120。音频通信网络120可在进行电话谈话期间在音频装置110和音频装置140之间进行音频信号传送。
图2是根据示例实施方式的音频装置110还有音频装置140的框图。音频装置110可包括无线电接收器210、处理器220、一个或更多个麦克风230、音频处理系统240和输出装置250。
音频装置110的无线电接收器可被配置成从音频通信网络120接收音频信号。音频信号可被转发到用于处理音频信号的音频处理系统240。
在一些实施方式中，音频处理系统240包括可实现根据本文中公开的各种实施方式的方法的硬件和软件。音频处理系统240可被配置成经由麦克风230从声学源接收声学信号并且处理声学信号。在被麦克风230接收到之后，声学信号可被模数转换器转换成电信号。
在一些实施方式中，音频装置110的处理器220可执行存储在音频装置的存储器中的指令和模块，以执行本文中描述的功能，包括声学回声消除。在一些实施方式中，处理器包括被实现为处理单元的硬件和软件，处理单元能进行操作以处理浮点运算和针对处理器的其它操作。
输出装置250包括可向听众(例如，声学源)提供音频输出的任何装置。例如，输出装置250可包括扬声器、D类输出、头戴式耳机的听筒或音频装置110的电话听筒。
图3是示出根据示例实施方式的可实践用于声学回声消除的方法的示例环境300的框图。系统300可包括扬声器310、扬声器310的外壳320、参考麦克风330、麦克风230、放大器340和350以及求和模块360。在一些实施方式中，系统300被实现为音频装置110或140(图1和图2中示出)的部分。
在各种实施方式中，扬声器310可操作以经由放大器340接收电远端信号302并且回放对应的音频输出，该音频输出也被称为声学远端信号304。在某些实施方式中，在经由音频通信网络120(图1中示出)进行转换以及经由音频处理系统240(图2中示出)进行处理期间，接收电远端信号302。
在各种实施方式中，麦克风230可操作以从声源(例如，用户370)捕获近端信号。在通过音频处理系统进行处理之后，近端信号可经由音频通信网络传送到远端站点处的另一个用户。因为麦克风230还捕获由扬声器310播放的声学远端信号304，所以远端站点处的另一个用户不仅会听到用户370，而且会听到声学远端信号304。声学远端信号304表示远端处的另一个用户的语音，因此，由于通过音频通信网络进行的信号传输和/或信号的处理的延迟，导致远端处的用户听到他/她自己的说话有时延。这种现象类似于声学回声。因此，在麦克风230所捕获的近端信号和远端信号的合成306中，需要去除或衰减声学远端信号304(“回声”)。
在一些传统的音频回声消除方法中，电远端信号302用作用于衰减合成306中的麦克风230所捕获的声学远端信号304的参考信号。可对电远端信号302进行滤波，并且从合成306中减去滤波后的信号。当声学远端信号304和电远端信号302按线性函数大致关联时，传统方法工作良好。然而，如果声学远端信号304中存在非线性分量，则传统方法不能使用电远端信号302作为参考来消除所有的“回声”。
根据各种示例实施方式，参考麦克风330设置在扬声器的外壳320内部。参考麦克风330可操作以捕获参考声学远端信号308。与电远端信号302不同，参考声学远端信号308包括非线性分量，这是因为参考声学远端信号308是基于扬声器310的输出。在一些实施方式中，用放大器350对参考声学远端信号308进行处理并且将参考声学远端信号308提供到求和模块360。
在一些实施方式中，求和模块360接收麦克风230所捕获的近端信号和声学远端信号304的合成306、以及参考声学远端信号308。求和模块360可使用参考声学远端信号308进行操作，以从合成306中去除或衰减远端信号304。求和模块360可输出信号312，信号312包括大致捕获的近端信号。
在一些实施方式中，将参考麦克风330设置在扬声器的外壳320内，使得能够捕获扬声器310的非线性行为。参考声学远端信号308可包括扬声器310的非线性。从另一方面讲，当参考麦克风330设置在扬声器的外壳320的内部而非外部时，参考麦克风330可基本上不受近端信号的影响。在外壳的外部，声压(单位：Pa)与扬声器310的振膜的加速度成比例。例如，如果半径为0.7cm的扬声器在半空间中的一米处输出75dB，则恰在扬声器旁边的声压为大约124dB的声压级(SPL)。在外壳的内部，在波长与外壳尺寸相比为大的情况下，压力与振膜的偏移(excursion)成比例。外壳320的尺寸远低于声波(SW)。因此，外壳内的声压可在160dB SPL以上。由于外壳内的高SPL，在一些实施方式中，低灵敏度麦克风可用作参考麦克风330。
根据各种实施方式，外壳内的高声压意味着，由于近端信号引起的任何噪声相对低并且可被忽略。近端信号在穿过外壳320的壁时被进一步衰减。因此，设置在外壳320内的参考麦克风330比设置在外壳320外的参考麦克风高效得多。
本公开的各种实施方式可利用不同形状和类型的外壳320和扬声器310。在一些实施方式中，扬声器310包括无源辐射式扬声器(passive radiator loudspeaker)。在某些实施方式中，扬声器310被外壳320密封。在其它实施方式中，扬声器310未被密封。例如，外壳320可包括带有通风口的低音反射系统。
因为参考麦克风330捕获了扬声器的非线性行为，所以在一些实施方式中，实际回声(声学远端信号304)按线性传递函数与外壳内的声学参考信号相关。因此，即使扬声器310所产生的声音变得失真，参考声学远端信号308也仍然是失真的声学远端信号304的有效表示。
在一些实施方式中，求和模块360可进行操作以应用相减式消除(而非乘法掩码)，从而去除合成306中的声学远端信号304，保留下作为用户370的语音的近端信号。在某些实施方式中，使用低MIPS(每秒百万指令)架构来实现相减式消除。
图4是示出了根据示例实施方式的声学回声消除的方法400的步骤的流程图。示例方法400可从框402开始，接收参考信号。参考信号表示在扬声器的外壳内捕获的至少一个声音。扬声器可操作以回放远端信号。在某些实施方式中，参考信号被设置在扬声器外壳内的低灵敏度麦克风捕获。
在框404中，示例方法400可继续接收表示所捕获的至少一个声音的电声信号。电声信号可包括表示由扬声器播放的远端信号的至少远端分量。
在框406中，示例方法400可使用参考信号来衰减电声信号中的远端分量。在一些实施方式中，远端信号的衰减包括对参考信号的滤波后版本的相减式消除。
本技术的各种实施方式可用被配置成接收和/或提供音频的任何音频装置来实践，该音频装置是诸如但不限于蜂窝电话、电话听筒、头戴式耳机和会议系统。应当理解，虽然参考蜂窝电话或移动装置的操作来描述本技术的一些实施方式，但是本技术可用任何音频装置来实践。
在各种实施方式中，音频装置包括：射频(RF)接收器、发送器和收发器；有线和/或无线电信和/或联网装置；放大器；音频和/或视频播放器；编码器；解码器；扬声器；输入；输出；存储装置；以及用户输入装置。音频装置包括诸如按钮、开关、键、键盘、轨迹球、滑块、触摸屏、一个或更多个麦克风、陀螺仪、加速度计、全球定位系统(GPS)接收器等输入装置。音频装置可包括诸如LED指示器、视频显示器、触摸屏、扬声器等输出装置。
在各种实施凡是中，音频装置在固定的便携式环境中操作。固定环境可包括住宅和商业建筑物或结构等。例如，固定实施方式可包括起居室、卧室、家庭影院、会议室、礼堂、商业场所等。便携式环境可包括移动车辆、移动人员、其它运输装置等。
图5例示了可用于实现本发明的一些实施方式的示例性计算机系统500。图5的计算机系统500可在计算系统、网络、服务器或其组合的背景等中实现。图5的计算机系统500包括一个或更多个处理器单元510和主存储器520。主存储器520部分地存储供处理器单元510执行的指令和数据。在该示例中，主存储器520在操作时存储可执行代码。图5的计算机系统500还包括海量数据存储器530、便携式存储装置540、输出装置550、用户输入装置560、图形显示系统570和外围装置580。
图5中示出的组件被描绘为经由单条总线590进行连接。组件可通过一个或更多个数据传送装置连接。处理器单元510和主存储器520经由本地微处理器总线连接，并且海量数据存储器530、外围装置580、便携式存储装置540和图形显示系统570经由一个或更多个输入/连接/输出(I/O)总线连接。
可用磁盘驱动器、固态驱动器或光盘驱动器实现的海量数据存储器530是用于存储供处理器单元510使用的数据和指令的非易失性存储装置。海量数据存储器530存储用于实现本公开的实施方式的系统软件，目的是将该软件加载到主存储器520中。
便携式存储装置540与诸如闪存驱动器、软盘、光盘、数字视频盘或通用串行总线(USB)存储装置这样的便携式非易失性存储介质一起操作，以将数据和代码输入图5的计算机系统500并且从图5的计算机系统500输出数据和代码。用于实现本公开的实施方式的系统软件被存储在此便携式介质上，并且经由便携式存储装置540输入计算机系统500。
用户输入装置560可提供用户接口的一部分。用户输入装置560可包括一个或更多个麦克风、用于输入字母数字和其它信息的字母数字键盘、诸如鼠标、轨迹球、铁笔或光标方向键的指示装置。用户输入装置560还可包括触摸屏。另外，如图5中所示的计算机系统500包括输出装置550。合适的输出装置550包括扬声器、打印机、网络接口和监视器。
图形显示系统570包括液晶显示器(LCD)或其它合适的显示装置。图形显示系统570可被配置成接收文本和图形信息，并且处理该信息，以便输出到显示装置。
外围装置580可包括任何类型的计算机支持装置，以向计算机系统添加附加功能。
图5的计算机系统500中设置的组件是通常见于计算机系统中的可适用于本公开的实施方式的组件，并且旨在表示本领域中熟知的大范围的这些计算机组件。因此，图5的计算机系统500可以是个人计算机(PC)、手持计算机系统、电话、移动计算机系统、工作站、平板、平板电脑、移动电话、服务器、小型计算机、大型计算机、可穿戴设备或任何其它计算机系统。计算机还可包括不同的总线配置、联网平台、多处理器平台等。可使用各种操作系统，包括UNIX、LINUX、WINDOWS、MAC OS、PALM OS、QNX、ANDROID、IOS、CHROME、TIZEN和其它合适的操作系统。
各种实施方式的处理可在基于云的软件中实现。在一些实施方式中，计算机系统500被实现为诸如在计算云内操作的虚拟机的基于云的计算环境。在其它实施方式中，计算机系统500本身可包括基于云的计算环境，其中，计算机系统500的功能以分布式方式执行。因此，计算机系统500在被配置为计算云时可包括各种形式的多个计算装置，如下面将更详细描述的。
通常，基于云的计算环境是通常组合大组处理器(诸如，在网络服务器内)的计算能力和/或组合大组计算机存储器或存储装置的存储容量的资源。提供基于云的资源的系统可供其所有者专门使用，或者这些系统可供计算基础设施内部署应用的外部用户用于获得大的计算的或存储资源的益处。
云可例如由包括多个计算装置(诸如，计算机系统500)的网络服务器网络形成，其中，每个服务器(或至少多个服务器)提供处理器和/或存储资源。这些服务器可管理由多个用户(例如，云资源客户或其它用户)提供的工作负载。通常，每个用户对实时(有时，急剧地)变化的云施加工作负载要求。这些变化的性质和程度通常取决于与用户关联的业务的类型。
以上，参照示例实施方式来描述本技术。因此，本公开旨在涵盖示例实施方式的其它变化。

Claims (13)

1.一种声学回声消除的方法，该方法包括以下步骤：
接收表示至少由扬声器产生的声音的参考信号，所述参考信号在所述扬声器操作以回放远端信号时产生；
接收电声信号，所述电声信号包括表示所捕获的声音的近端分量和表示由所述扬声器播放的所述远端信号的远端分量；以及
使用所述参考信号来衰减所述电声信号中的所述远端分量，
其中，所述参考信号由设置在所述扬声器的外壳内的麦克风产生，
并且其中，所述外壳的尺寸远小于声波的波长，
并且其中，所述参考信号由低灵敏度麦克风产生，所述低灵敏度麦克风被定位以接收由所述扬声器产生的声音。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，衰减所述远端分量的步骤包括：
对所述参考信号进行滤波，以获得所述参考信号的滤波后版本；以及
使用所述参考信号的所述滤波后版本执行相减式消除。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述参考信号包括当所述扬声器回放所述远端信号时由所述扬声器引入的非线性效应。
4.一种用于声学回声消除的装置，该装置包括：
求和元件，该求和元件具有用于接收表示至少由扬声器产生的声音的参考信号的第一输入端，所述参考信号在所述扬声器操作以回放远端信号时产生，所述求和元件具有用于接收电声信号的第二输入端，所述电声信号包括表示所捕获的声音的近端分量和表示由所述扬声器回放的所述远端信号的远端分量，
其中，所述求和元件适于使用所述参考信号来衰减所述电声信号中的所述远端分量，
其中，所述参考信号由设置在所述扬声器的外壳内的麦克风产生，
并且其中，所述外壳的尺寸远小于声波的波长，并且其中，所述参考信号由低灵敏度麦克风产生，所述低灵敏度麦克风被定位以接收由所述扬声器产生的声音。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述远端分量的衰减包括：
对所述参考信号进行滤波，以获得所述参考信号的滤波后版本；以及
使用所述参考信号的所述滤波后版本执行相减式消除。
6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述参考信号包括当所述扬声器回放所述远端信号时由所述扬声器引入的非线性效应。
7.一种用于声学回声消除的装置，该装置包括：
扬声器，该扬声器操作以回放远端信号；
第一麦克风，该第一麦克风用于产生表示至少从所述扬声器捕获的声音的参考信号；
第二麦克风，该第二麦克风用于产生电声信号，所述电声信号代表表示所捕获的声音的近端分量，所述电声信号还包括表示由所述扬声器播放的远端信号的远端分量；以及
声学回声消除器，该声学回声消除器适于使用所述参考信号来衰减所述电声信号中的所述远端分量，
其中，所述第一麦克风设置在所述扬声器的外壳内，
并且其中，所述外壳的尺寸远小于声波的波长，
并且其中，所述第一麦克风包括低灵敏度麦克风。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述外壳包括带有通风口的低音反射系统。
9.根据权利要求7所述的装置，其中，所述扬声器和所述第一麦克风被完全密封在所述外壳内。
10.根据权利要求7所述的装置，其中，所述扬声器包括无源辐射器扬声器。
11.根据权利要求7所述的装置，其中，所述装置包括蜂窝电话。
12.根据权利要求7所述的装置，其中，所述装置包括电话耳机。
13.根据权利要求7所述的装置，其中，所述装置包括会议系统。
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