CN111201712A

CN111201712A - 自适应滤波器

Info

Publication number: CN111201712A
Application number: CN201780095245.9A
Authority: CN
Inventors: 摩根·詹姆斯·柯尔摩
Original assignee: Global Silicon Ltd
Current assignee: Global Silicon Ltd
Priority date: 2017-09-25
Filing date: 2017-09-25
Publication date: 2020-05-26
Anticipated expiration: 2037-09-25
Also published as: WO2019056372A1; CN111201712B

Abstract

本发明提供了一种通过自适应滤波器处理信号的方法。该方法包括确定扬声器和麦克风之间的直接路径距离d的步骤。基于所述确定的直接路径距离d，计算具有零值系数的自适应滤波器的抽头的数量。然后在不具有零值系数的自适应滤波器的所有剩余抽头上自适应地处理到自适应滤波器的输入信号。所述自适应滤波器可被用于动态地适应直接路径距离d改变的AEC系统中。

Description

自适应滤波器

技术领域

本发明涉及一种自适应滤波器和通过自适应滤波器处理信号的方法。更具体地，本发明涉及一种响应于麦克风和扬声器之间的距离的改变而动态地改变自适应滤波器的输入的方法。该方法具体但非排他地涉及声学回声消除(AEC)。

背景技术

AEC被经常用在扬声电话和免提电话设备中以消除回声。这种回声可能由来自通信链路的远端的声音(例如远程端处的用户的声音)、本地扬声器发出的声音以及本地麦克风捕获的除了本地声音(例如本地用户的声音)的预期捕获之外的声音引起。该回声路径通常将被远程端的用户感知为他们自己的声音在本地用户的声音之上的回声。通常期望消除这种不想要的回声信号。

如图1所示，AEC通常通过自适应滤波器10来实现。自适应滤波器10基于误差信号以期复制扬声器14和麦克风16所处的声环境12的传递函数。所述误差信号是麦克风反馈信号和自适应滤波器10的输出信号之间的差。一旦自适应滤波器10已经适于模拟扬声器14和麦克风16所处的声环境12，则只有本地声音的附加信号将被发送到远端接收器18。

自适应滤波器10通常需要相当大的处理资源来被实际实现。通常需要1024或2048抽头自适应滤波器10。实现用于计算自适应滤波器抽头系数的自适应算法所需的处理要求被缩放为滤波器长度的函数。自适应滤波器10的长度应当与声环境12内需要消除的组合回声路径20的尾长成比例。通常，较长的回波路径20具有较低的增益，因此系统设计者可以选择自适应滤波器10的长度以匹配用N抽头自适应滤波器实现的AEC系统的性能要求。

来自麦克风16的反馈信号可根据来自麦克风16的反馈信号与表示自适应滤波器10的抽头的各种回声路径20的脉冲响应来考虑。AEC系统实质上试图将自适应滤波器10的脉冲响应与声环境12的脉冲响应进行匹配。由于声音在空气中的有限速度，声环境12的脉冲响应将具有针对与扬声器14和麦克风16之间的直接路径的飞行时间相等的持续时间的零响应。自适应滤波器10对于采样时间(即抽头)必须具有零值系数，采样时间表示扬声器14和麦克风16之间的直接路径的飞行时间。实质上，在比扬声器和麦克风之间的声音的直接路径22的飞行时间短的时间内可以没有回声路径20，因此不需要计算表示这些时间的自适应滤波器10的抽头。当扬声器14和麦克风16的位置相对于彼此固定时，通常将存在自适应滤波器10的具有零值系数的初始抽头(initial taps)的固定比例。

当扬声器14和麦克风16的相对位置相对于彼此固定时，传统的AEC可以是非常有效的。然而，当扬声器14和麦克风16相对于彼此的相对位置不固定时，所述AEC系统不能对自适应滤波器10中的零值系数的初始抽头的数量做出任何假设，因此必须在每种情况下尝试实时计算它们的全部。例如，这可能是当本地用户具有便携式麦克风并且在本地声环境12内四处移动时的情况，然而其同样是扬声器14或麦克风16中的一个相对于另一个移动的情况。由于需要使自适应滤波器10更快地收敛，因此进一步提高了处理要求，因为由本地麦克风16可捕捉的声环境12可能现在正动态地改变并且因此需要比本地用户能够在该环境12内移动麦克风14更快地适应。

因此，需要一种在自适应滤波器中处理信号的改进方法。

发明目的

本发明的一个目的是在一定程度上减轻或消除与在自适应滤波器中处理信号的已知方法相关联的一个或多个问题。

上述目的通过独立权利要求的特征的组合来实现；从属权利要求公开了本发明的其他有利实施例。

本发明的另一目的是提供一种用于响应于麦克风和扬声器之间的距离的改变而改变自适应滤波器的输入的方法。

本发明的又一目的是提供一种用于响应于麦克风和扬声器之间的距离的动态改变而动态地改变自适应滤波器的输入的方法。

本领域技术人员将从以下描述导出本发明的其他目的。因此，前面的目的陈述不是穷尽的且仅用来说明本发明的许多目的中的一些。

发明内容

本发明提供了一种通过自适应滤波器处理信号的方法。该方法包括确定扬声器和麦克风之间的直接路径距离d的步骤。基于所述确定的直接路径距离d，计算自适应滤波器的具有零值系数的抽头的数量。然后在自适应滤波器的不具有零值系数的所有剩余抽头上自适应地处理到自适应滤波器的输入信号。所述自适应滤波器可被用于动态地适应直接路径距离d改变的AEC系统中。

自第一主要方面，本发明提供了一种通过N抽头自适应滤波器处理信号的方法，所述方法包括以下步骤：确定扬声器和麦克风之间的直接路径距离d；基于所述确定的直接路径距离d，计算自适应滤波器的具有零值系数的抽头数；以及在自适应滤波器的不具有零值系数的所有剩余抽头上自适应地处理输入信号。

在第二方面，本发明提供一种存储机器可读代码的非暂时性计算机可读介质，所述机器可读代码在由处理器执行时使得电子处理装置执行第一方面的方法的步骤。

在第三方面，本发明提供一种麦克风单元，其包括存储机器可读代码的计算机可读介质，所述机器可读代码在由所述麦克风单元的处理器执行时使得所述麦克风单元执行第一方面的方法的步骤。

在第四方面，本发明提供了一种声音系统，其包括扬声器和根据第三方面的麦克风单元。

本发明的概述不一定公开定义了本发明所必需的所有特征；本发明可以存在于所公开的特征的子组合中。

附图说明

本发明的前述和进一步的特征将从以下对优选实施例的描述中变得清晰明了，所述优选实施例仅通过示例结合附图的方式提供，其中：

图1是已知的基于自适应滤波器的AEC系统的示意图；

图2是可在其中执行本发明的方法的系统的框图；

图3是基于可调自适应滤波器的根据本发明的AEC系统的示意图；

图4更详细地示出了根据本发明的AEC系统；以及

图5提供了图1的已知的AEC系统与根据本发明的AEC系统的性能的比较。

具体实施方式

以下描述仅作为示例的优选实施例，且不限于用于实现本发明所必需的特征的组合。

在本说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的引用意为描述成与该实施例相关的特定特征、结构、或特性包括在本发明的至少一个实施例中。在说明书中各个位置出现的短语“在一个实施例中”不一定全都指代相同的实施例，也不是与其他实施例相互排斥的单独或替代实施例。此外，还描述了各种特征，这些特征可能呈现在部分实施例中而没有呈现在另一部分实施例中。类似地，还描述了各种需求，这些需求可能对于部分实施例是必需的而对于另一部分则非必需。

应理解，在附图中示出的元件可以以各种形式的硬件、软件或其组合来实现。优选地，这些元件在一个或多个适当编程的通用设备上以硬件和软件的组合来实现，该通用设备可以包括处理器、储存器和输入/输出接口。

在图中示出的各种元件的功能可以通过使用专用硬件以及能够与适当的软件相关联地执行软件的硬件来提供。当由处理器提供时，该功能可以由单个专用处理器、由单个共享处理器、或由多个单独处理器(其中的一些可以是共享的)来提供。此外，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应被解释为专指能够执行软件的硬件，并且可以隐含地包括但不限于数字信号处理器(“DSP”)硬件，用于存储软件的只读存储器(“ROM”)，随机存取存储器(“RAM”)和非易失性存储器。

在其权利要求书中，表达为用于执行指定功能的手段的任何元件旨在包含执行该功能的任何方式，包括，例如，a)执行该功能的电路元件的组合，或b)任何形式的软件，因此包括固件、微码等等，并与用于执行该软件以执行该功能的适当电路组合。用所述权利要求定义的本发明旨在这样一个事实：以权利要求需要的形式，将由不同的所列举的方法提供的功能结合到一起。因此认为任何可以提供那些功能的方式等同于本文所示的方式。

参考图2，仅以示例的方式示出了声音系统100，在该声音系统100中可实现本发明的改进的AEC系统。所述声音系统包括以直接路径距离d分开的扬声器单元110和麦克风单元210。扬声器单元110可仅包括扬声器单元，但是优选地包括会议呼叫单元120等，其包括一个或多个集成的麦克风130和输入装置140，以使得用户能够操作会议单元120来建立和保持会议呼叫。会议单元120优选地提供诸如扬声器150的主扬声器模块。会议单元120还设置有处理器160和存储器170。存储器170存储机器可读指令，所述机器可读指令在由处理器160执行时使得会议单元120实施下文所描述的方法和功能。会议单元120还可设置有诸如加速度计、磁力计等的装置180，其检测会议单元120何时已被移动。检测会议单元120在声环境内的位置(特别是相对于麦克风单元210的位置)的其他装置可附加地或替代地用于移动传感装置180。

麦克风单元210可包括便携式单元，使得其可由用户持有，然而这不是必需的。在任何情况下，麦克风单元210优选地被配置为使得其可被放置在距离会议单元120的任何距离d处，其中d是从扬声器150到麦克风单元210的麦克风模块220的直接路径距离的以米为单位的度量。在使用中，如果用户移动麦克风单元210和/或移动会议单元120，则距离d可随时间变化。麦克风单元210还设置有处理器230和存储器240。存储器240存储机器可读指令，所述机器可读指令在由处理器230执行时使得麦克风单元210实施下文所描述的方法和功能。麦克风单元210还可设置有诸如加速度计、磁力计等的装置250，其检测麦克风单元210何时已被移动。检测麦克风单元210在声环境内的位置(特别是相对于会议单元120的位置)的其他装置可附加地或替代地用于移动传感装置250。

虽然会议单元120和麦克风单元210被示出为组成分开的装置，但是应当理解，本发明的方法可被应用于任何声音系统，其中即使麦克风和扬声器被设置在相同的设备或装置中，麦克风的位置也可相对于扬声器调整。

声音系统可包括距离测量装置或系统310，其被布置为确定会议单元120和麦克风单元210之间的直接路径距离d的值。距离测量装置或系统310可包括以下装置中的任何一个或任何组合：用于将扬声器驱动信号和麦克风反馈信号互相关以导出d的装置、射频(RF)测距装置、超声波测距装置或者机器视觉系统。距离测量装置或系统310可组成独立装置，或者可与会议单元120和麦克风单元210中的一个或另一个集成。距离测量装置的上述示例仅以示例的方式提供。应当理解的是，在本发明的实施中，任何已知的飞行时间(ToF)测量设备、系统或装置可被采用来确定、计算、导出或测量会议单元120和麦克风单元210之间的直接路径距离d。

本发明的方法通常涉及用于使用N抽头自适应滤波器的AEC等的处理信号的方法，其中到自适应滤波器的输入(即抽头)可响应于直接路径距离d的值的改变而被修改，其中N是≥2的整数。从图3和图4可以更好地理解该方法，图3和图4各自示出了根据本发明的AEC系统400中的自适应滤波器410，其中AEC用于从本地声音系统100传递到远程接收器系统500的信号中消除回声。

当扬声器150和麦克风220之间的最短路径长度d(飞行时间)是已知的或者可被确定、计算、导出或测量时，则飞行时间优化(ToFo)技术可被执行以在自适应滤波器410内优化执行AEC的处理要求。当本地麦克风220更远离本地扬声器150时，自适应滤波器410中的零值系数的抽头(zero-valued coefficient taps)的比例增加，因此处理要求将降低，因为与在不具有零值系数的剩余抽头上自适应地处理信号输入的计算要求相比，零值系数的抽头需要很少的处理或者不需要处理。已被释放的处理带宽可潜在地被用于动态地减少收敛时间或增加自适应滤波器410的时间范围。从处理的观点来看，自适应滤波器410的具有被计算为具有零值系数的抽头的部分可以被视为FIFO滤波器，这将消耗非常少的处理开销。

因此，本发明的方法包括通过N抽头自适应滤波器410经过首先确定、计算、导出、测量或以其他方式获得本地扬声器150和本地麦克风220之间的直接路径距离d来处理信号。然后，基于所确定或获得的直接路径距离d，计算自适应滤波器410的具有零值系数的抽头的数量。因此，该方法涉及仅在自适应滤波器410的不具有零值系数的所有剩余抽头上自适应地处理输入信号。对于被计算为具有零值系数的自适应滤波器410的那些抽头，该方法可包括将这些抽头上的输入信号处理为先入先出(FIFO)滤波器抽头。换句话说，被确定为各自具有零值系数的抽头可被视为组成FIFO和自适应滤波器410的组合的FIFO部分410A，而不具有零值系数的所有剩余抽头可被视为组成FIFO和自适应滤波器410的组合的自适应抽头部分410B。

优选地，自适应滤波器410的具有零值系数的抽头的数量由下式计算：

其中：

N₁是自适应滤波器的具有零值系数的抽头的数量；

d是扬声器和麦克风之间的直接路径距离；

c是空气中的声速；以及

F_S是系统采样率。

同样优选地，基于以下等式，自适应滤波器410被视为FIFO和自适应滤波器的组合：

N＝N₁+N₂

其中：

N是FIFO和自适应滤波器的组合的抽头总数；

N₁是组成FIFO和自适应滤波器的组合的FIFO部分的抽头的数量；

N₂是组成FIFO和自适应滤波器的组合的自适应部分的抽头的数量。

在一实施例中，所述方法涉及在自适应滤波器410的操作开始时仅一次确定或获得本地扬声器150和本地麦克风220之间的直接路径距离d，并基于直接路径距离d的所述仅一次确定来调整自适应滤波器410的操作。

在另一实施例中，所述方法涉及确定或获得本地扬声器150与本地麦克风220之间的初始直接路径距离d，且此后仅在检测到本地扬声器150或本地麦克风220中的一个或另一个已移动(即响应于来自移动传感装置180、250或任何其他合适装置中的一个或另一个的输入)时确定或获得直接路径距离d的新值。

在又一实施例中，所述方法涉及连续地或周期性地确定或获得本地扬声器150和本地麦克风220之间的初始直接路径距离d，以便通过动态地调整FIFO部分410A和自适应滤波器部分410B的大小来动态地调整到自适应滤波器410的输入。因此，所述方法可进一步包括响应于本地扬声器150与本地麦克风220之间的被确定的距离d的改变而动态地调整N₁及N₂的值的步骤。

例如，当AEC处理器160、230具有足够的计算速度(MIPS)来运行例如大的自适应滤波器(诸如2048抽头自适应滤波器410)时，则当本地麦克风220和本地扬声器150相距很远时，因为表示本地麦克风220和本地扬声器150之间的直接路径飞行时间的自适应滤波器410的抽头系数将收敛到零(因为不能有比直接路径短的回声路径)，因此大部分的计算速度被浪费，所以这些抽头将需要很少的处理或不需要处理。这样做意味着，在2048抽头滤波器的情况下，整个滤波器现在被用于消除甚至更长的回声拖尾(echo tail)，从而给出更好的性能。

优选地，假设每10ms执行自适应滤波器410的动态调整。

图5示出了图1的已知的AEC系统与根据本发明的AEC系统400的性能的比较。已知的AEC系统的AEC窗口可被设计为非常有效地处理回声消除，其中本地扬声器与本地麦克风之间的距离d是已知的且固定的，如图5的部分(a)中的窗口610所示。然而，如图5的部分(b)和(c)所示，当距离d被改变使得本地扬声器和本地麦克风移动分开时，已知的AEC系统窗口610逐渐不能覆盖需要AEC自适应处理的声环境信号630的部分630a。相反，如窗口620所示，由本发明的方法提供的调整自适应滤波器410的能力使得能够在距离d的任何值处进行有效的AEC自适应处理。

在本发明的方法中，本地麦克风220和扬声器150优选地是线性的，因此不会对基于误差信号的系统传递函数有显著贡献。

可以设想，自适应滤波器410将包括有限脉冲响应(FIR)滤波器410。

所述方法可在会议单元120和麦克风单元210中的一个或两个处执行。

本发明还提供一种存储机器可读代码的非暂时性计算机可读介质170、240，该机器可读代码在由处理器160、230执行时使得电子处理装置120、210执行上述方法的步骤。

本发明还提供了麦克风单元210，其包括存储机器可读代码240的计算机可读介质，当所述机器可读代码240由所述麦克风单元210的处理器230执行时使得麦克风单元210执行上述方法的步骤。

本发明还提供一种声音系统100，其包括扬声器单元110和麦克风单元210。声音系统还可包括距离测量单元310。优选地，本地麦克风220和本地扬声器150是线性的，因此对基于误差信号的系统传递函数没有显著贡献。

尽管在附图和上述说明中已经对本发明进行了详细地阐述和说明，但这些阐述和说明在特征上应当视为示例性的而非限制性的，应当理解的是，所示出和描述的实施例仅是作为示例，而并不以任何方式限制本发明之范围。可以理解的是，在此所描述的任何特征均可与任意实施例一起使用。所阐述的实施例并非彼此排斥，也不排斥未在此述及的其他实施例。相应地，本发明还提供包括上述实施例中的一个或多个组合的实施例。在不脱离本发明之精神和范围的条件下，还可以对本文所阐述的发明进行修改和变化。因此，应当仅根据所附权利要求所指示的那样对本发明施行限制。

除非在上下文中处于语言表达或必要含义而另有要求，否则在本发明说明书之后的权利要求中，词语“包括”或者其变型“包含”或“含有”等均为包容性词义，即意在具体说明所述特征的存在，但不排除本发明的各种实施例中其他特征的存在或增添。

应当理解的是，如果本文中引用了任何现有技术的公开文档，这样的引用并非就此认为这些公开文档即为本领域中的公知常识。

Claims

1.一种通过N抽头自适应滤波器处理信号的方法，所述方法包括以下步骤：

获得扬声器和麦克风之间的直接路径距离d；

基于所述直接路径距离d，计算所述自适应滤波器的具有零值系数的抽头的数量；以及

在所述自适应滤波器的不具有零值系数的所有剩余抽头上自适应地处理输入信号。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：在具有零值系数的作为先入先出(FIFO)滤波器抽头的所述抽头上处理输入信号。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，还包括以下步骤：响应于所述扬声器和所述麦克风之间的所述距离d的改变，重新计算所述自适应滤波器的具有零值系数的抽头的数量。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，在所述直接路径距离d的初始确定之后，响应于所述扬声器或所述麦克风中的一个相对于另一个的检测到的移动来执行获得所述扬声器和所述麦克风之间的所述直接路径距离d的步骤。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，动态地执行获得直接路径距离d的步骤。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，周期性地执行获得直接路径距离d的步骤。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述自适应滤波器的具有零值系数的抽头的所述数量由下式计算：

其中：

N₁是所述自适应滤波器的具有零值系数的抽头的所述数量；

d是所述扬声器和所述麦克风之间的所述直接路径距离；

c是空气中的声速；以及

F_S是系统采样率。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，基于以下等式，所述自适应滤波器被视为FIFO和自适应滤波器的组合：

N＝N₁+N₂

其中：

N是所述FIFO和自适应滤波器的组合的抽头的总数；

N₁是组成所述FIFO和自适应滤波器的组合的FIFO部分的抽头的数量；

N₂是组成所述FIFO和自适应滤波器的组合的自适应部分的根据权利要求7计算得出的抽头的数量。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括以下步骤：响应于所述扬声器和所述麦克风之间的所述距离d的改变动态地调整N₁和N₂的值。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述自适应滤波器包括有限脉冲响应(FIR)滤波器。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，获得扬声器和麦克风之间的直接路径距离d的步骤包括以下各项中的任一项或任意组合：将扬声器驱动信号和麦克风反馈信号互相关以导出d；在所述麦克风和所述扬声器之间使用射频(RF)测距技术；在所述麦克风和所述扬声器之间使用超声波测距技术；或者使用机器视觉系统。

12.一种存储机器可读代码的非暂时性计算机可读介质，所述机器可读代码在由处理器执行时使得电子处理装置执行前述权利要求中任一项所述的方法的步骤。

13.一种麦克风单元，其包括存储机器可读代码的计算机可读介质，所述机器可读代码在由所述麦克风单元的处理器执行时使得所述麦克风单元执行权利要求1到11中任一项所述的方法的步骤。

14.一种声音系统，包括扬声器单元和根据权利要求13所述的麦克风单元。