CN117135536A - 回声消除方法和电子设备 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种回声消除方法和电子设备，涉及声音处理领域，回声消除方法包括：获取扬声器的输入电压以及音圈电流；基于扬声器的等效电路模型，根据输入电压以及音圈电流对扬声器中振膜的振幅进行非线性估计，得到振幅的估计值；对振幅的估计值进行线性滤波得到回声信号的估计值；根据回声信号的估计值对通过麦克风采集的声音信号进行回声消除。
Description
技术领域
本申请涉及声音处理领域，尤其涉及一种回声消除方法和电子设备。
背景技术
用户在电子设备上使用语音交互功能时，电子设备的麦克风除了采集用户的语音信号，还会采集到本电子设备的扬声器发出的声音——即回声，影响语音信号的质量。所以电子设备需要对采集的所有声音信号中的回声信号进行消除，从而只留下语音信号，该技术称为回声消除技术。
回声消除包括线性回声消除和非线性回声消除两部分。其中，线性回声消除可以通过线性滤波对回声信号中的线性部分进行消除，非线性回声消除可以对回声信号中的非线性分量进行消除。其中，一种常用的非线性回声消除方法是采用非线性处理方式进行回声消除，例如利用神经网络模型的非线性特性进行回声消除，但是该方式需要针对每一个电子设备采集大量数据对神经网络模型进行训练，并且为了满足精度要求神经网络模型的参数较多，算法复杂度较高，而电子设备(特别是移动终端)的存储能力和运算能力有限，所以这种方式应用范围非常受限。
发明内容
本申请实施例提供一种回声消除方法和电子设备，用于对回声信号中的非线性分量进行消除，降低算法复杂度。
为达到上述目的，本申请的实施例采用如下技术方案：
第一方面，提供了一种回声消除方法，包括：获取扬声器的输入电压以及音圈电流；基于扬声器的等效电路模型，根据输入电压以及音圈电流对扬声器中振膜的振幅进行非线性估计，得到振幅的估计值；对振幅的估计值进行线性滤波得到回声信号的估计值；根据回声信号的估计值对通过麦克风采集的声音信号进行回声消除。
本申请实施例提供的回声消除方法和电子设备，利用扬声器的输入电压以及音圈电流，基于扬声器的等效电路模型对扬声器中振膜的振幅进行非线性估计，得到振幅的估计值。振幅的估计值不仅包括线性分量还包括非线性分量。对振幅的估计值进行线性滤波得到回声信号的估计值，则回声信号的估计值同样包括线性分量和非线性分量。将回声信号的估计值用于对麦克风采集的声音信号进行回声消除，则不仅可以消除回声信号中的线性分量，还可以消除回声信号中的非线性分量。可以直接利用电压信号和电流信号，不需要像利用神经网络模型的非线性特性进行回声消除那样，需要针对每一个电子设备采集大量数据对神经网络模型进行训练，所以可以降低算法复杂度。使得可应用的电子设备的范围更广。
在一种可能的实施方式中，基于扬声器的等效电路模型，根据输入电压以及音圈电流对扬声器中振膜的振幅进行线性估计，得到振幅的估计值，包括：根据基尔霍夫电压定律和扬声器的等效电路模型建立扬声器的物理参数的联立方程组，基尔霍夫电压定律指在任何一个闭合回路中，各元件上的电压降的代数和等于电动势的代数和；根据联立方程组得到扬声器的状态变量的常微分方程，求解常微分方程得到不包括非线性分量时振膜的振幅；根据音圈电流和不包括非线性分量时振膜的振幅得到输入电压的估计值；根据输入电压和输入电压的估计值得到扬声器的包括非线性分量的物理参数的值；根据扬声器的包括非线性分量的物理参数的值得到振膜的振幅的估计值。
振膜的振幅的估计值是由包括非线性分量的物理参数的值得到的，使得振幅的估计值不仅包括线性分量还包括非线性分量，以尽量还原回声信号。
在一种可能的实施方式中，联立方程组为：
其中，Bl表示扬声器的机电耦合因子，u(t)表示扬声器的输入电压，R表示音圈直流电阻，L表示音圈电感，i(t)表示音圈电流，m表示等效振动质量，r表示振膜的阻尼，k表示振膜的弹性系数，A(t)表示振膜的振幅，表示振膜的振动速度v(t)，/>表示振膜的振动加速度。
上述联立方程组将扬声器的物理参数以数学形式表达出来，便于进行非线性计算。
在一种可能的实施方式中，扬声器的状态变量S＝[i,A,v]T，扬声器的状态变量S的常微分方程为：
常微分方程便于求解不包括非线性分量时振膜的振幅。
在一种可能的实施方式中，根据音圈电流和不包括非线性分量时振膜的振幅得到输入电压的估计值，包括：根据公式1得到输入电压的估计值，其中，Bl和L忽略其中的非线性分量，R通过以下方式得到：通过向扬声器输入单频激励并测量扬声器的输入电流I和输入电压U，则R＝U/I；i(t)为音圈电流；A(t)为不包括非线性分量时振膜的振幅。即计算过程中忽略非线性分量，得到的输入电压的估计值也不包括非线性分量，便于与实测的输入电压进行比较。
在一种可能的实施方式中，包括非线性分量的物理参数包括Bl、L、k，Bl、L、k以振幅A为变量进行沃尔泰拉级数展开为：
Bl＝Bl0+Bl1A+Bl2A2 公式4
L＝L0+L1A+L2A2 公式5
k＝k0+k1A+k2A2 公式6
其中，系数Bl0、L0、k0是线性系数，Bl1、Bl2、L1、L2、k1、k2是非线性系数。
理论上认为扬声器的物理参数Bl、L、k都是线性的，即均为常数。但在工程实际中这些物理参数Bl、L、k都是非线性的，是扬声器输出的声音信号A(n)(等价于振膜的振幅)中存在非线性分量的主要原因。对物理参数Bl、L、k以振膜的振幅为变量进行沃尔泰拉(Volterra)级数展开，以便于计算物理参数Bl、L、k中的非线性分量，进而估计出振膜的振幅的估计值
在一种可能的实施方式中，非线性系数根据公式7-公式9所示的梯度下降法求解得到：
其中，j＝0、1，μBl、μL、μk为步长，n表示离散采样，eu[n]表示输入电压的估计值和输入电压u(t)之差的模，即/>
梯度下降法是求解非线性问题中非常有效的一种方式。
在一种可能的实施方式中，根据扬声器的包括非线性分量的物理参数的值得到振膜的振幅的估计值，包括：将包括非线性分量的物理参数Bl、L、k代入公式3得到振幅的估计值。由于物理参数Bl、L、k包括非线性分量，所以得到的振幅的估计值不仅包括线性分量还包括非线性分量，以尽量还原回声信号。
在一种可能的实施方式中，获取扬声器的输入电压以及音圈电流，包括：通过智能功率放大器获取扬声器的输入电压以及音圈电流。智能功率放大器目前在电子设备中广泛安装，不会增加额外成本。
第二方面，提供了一种电子设备，包括扬声器、麦克风、智能功率放大器、处理器和存储器，智能功率放大器用于对接收的音频信号进行功率放大并输出给扬声器，还用于向处理器输出扬声器的输入电压以及音圈电流，麦克风用于采集声音信号并输出给处理器，存储器中存储指令，当处理器执行指令时，如第一方面及其任一实施方式所述的方法被执行。
第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，包括指令，当指令在电子设备上执行时，使得电子设备执行第一方面及其任一实施方式所述的方法。
第四方面，提供了一种包含指令的计算机程序产品，当指令在上述电子设备上运行时，使得该电子设备执行如第一方面及其任一实施方式所述的方法。
第五方面，提供了一种芯片系统，该芯片系统包括处理器，用于支持电子设备实现上述第一方面中所涉及的功能。在一种可能的设计中，该装置还包括接口电路，接口电路可用于从其它装置(例如存储器)接收信号，或者，向其它装置(例如通信接口)发送信号。该芯片系统可以包括芯片，还可以包括其他分立器件。
第二方面至第五方面的技术效果参照第一方面及其任一实施方式的技术效果，在此不再重复。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种回声消除的原理的示意图；
图2为本申请实施例提供的另一种回声消除的原理的示意图；
图3为本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种回声消除方法的流程示意图；
图5为本申请实施例提供的一种扬声器的等效电路模型的示意图；
图6为本申请实施例提供的另一种回声消除方法的流程示意图；
图7为本申请实施例提供的一种芯片系统的结构示意图。
具体实施方式
首先对本申请涉及的一些概念进行描述。
本申请实施例涉及的术语“第一”、“第二”等仅用于区分同一类型特征的目的，不能理解为用于指示相对重要性、数量、顺序等。
本申请实施例涉及的术语“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
本申请实施例涉及的术语“耦合”、“连接”应做广义理解，例如，可以指物理上的直接连接，也可以指通过电子器件实现的间接连接，例如通过电阻、电感、电容或其他电子器件实现的连接。
当用户在手机、平板电脑、笔记本电脑、大屏等电子设备上使用语音交互功能时，例如通话、唤醒、智慧语音交互、会议转写等功能，电子设备的麦克风除了采集用户的语音信号，还会采集到本电子设备的扬声器发出的声音——即回声，回声可以由扬声器直达麦克风，或者通过外界物体的反射到达麦克风。由于回声与语音信号混杂在一起，会影响语音信号的质量。所以电子设备需要对采集的所有声音信号中的回声信号进行消除，尽量只留下语音信号，该技术称为回声消除技术。
示例性的，如图1所示，为本申请实施例提供的一种回声消除的原理，假设使用第一电子设备11的第一用户与使用第二电子设备12的第二用户进行通话。以第一电子设备11为近端电子设备，第二电子设备为远端电子设备为例，当第二用户讲话时，第二电子设备12向第一电子设备11传输音频信号x(n)，第一电子设备11的功率放大器(power amplifier，PA)对音频信号x(n)进行功率放大，并输出给扬声器，以驱动扬声器中振膜振动进而播放声音信号A(n)。由于扬声器播放的声音信号A(n)可以通过振膜的振幅来描述，所以本申请中振膜的振幅也可以表示成A(n)。该声音信号A(n)经过传输路径w(n)传播后被第一电子设备11的麦克风接收得到回声信号y(n)，传输路径包括扬声器与麦克风之间的直达路径以及声音经过物体反射的反射路径，则y(n)＝A(n)*w(n)。假设用户的语音信号为s(n)，则麦克风采集到的声音信号为d(n)＝y(n)+s(n)＝A(n)*w(n)+s(n)。
第一电子设备11中的双讲检测功能用于根据音频信号x(n)和接收的声音信号d(n)来检测双方是否同时讲话，并调节线性滤波的滤波参数的更新速度，例如当双方同时讲话时降低滤波参数的更新速度。通过对传输路径w(n)进行估计得到传输路径w(n)的估计值作为线性滤波的滤波参数/>对音频信号x(n)进行线性滤波，即得到回声信号y(n)的估计值/>然后对麦克风采集到的声音信号d(n)与回声信号y(n)的估计值/>作差，得到的回声消除之后的音频信号/>并传输给第二电子设备12。另外，还可以将音频信号e(n)用于调节线性滤波的滤波参数/>并且，其中，n表示离散采样，*表示卷积。
理论上，声音信号A(n)(等价于振膜的振幅)与音频信号x(n)成线性关系，但是在工程实际中，扬声器在播放声音时会产生非线性分量，即声音信号A(n)包括非线性分量，因此回声信号y(n)也包括非线性分量。而线性滤波的滤波参数不包括非线性分量，并且输入的音频信号x(n)不包括非线性分量，所以回声信号y(n)的估计值/>不包括非线性分量。那么在计算e(n)时，对回声信号y(n)与回声信号y(n)的估计值/>作差，并不会消除回声信号y(n)中的非线性分量，只可以消除回声信号(n)中的线性分量，所以还需要使用非线性处理方法对回声信号y(n)中的非线性分量进行消除。
一种常用的非线性回声消除方法是采用非线性处理方式进行回声消除，例如利用神经网络模型的非线性特性进行回声消除，但是该方式需要针对每一个电子设备采集大量数据对神经网络模型进行训练，并且为了满足精度要求神经网络模型的参数较多，算法复杂度较高，而电子设备(特别是手机、平板等移动终端)的存储能力和运算能力有限，所以这种方式应用范围非常受限。
另一种常用的非线性回声消除方法是在电子设备的扬声器附近增加麦克风，通过该麦克风采集扬声器输出的声音信号，采集的声音信号就包括了扬声器输出的声音信号的非线性分量，将采集的声音信号(而非音频信号x(n))作为参考信号来进行线性滤波，从而进行回声消除。但是这种方式会额外增加硬件成本并增加占用空间。
为此，如图2所示，为本申请实施例提供的另一种回声消除的原理，在图1所示的回声消除的原理的基础上，增加了对振膜的振幅进行非线性估计(简称振幅估计)，并且功率放大器为能够输出扬声器的输入电压以及音圈电流的智能功率放大器，回声消除具体原理如下：扬声器在播放音频信号过程中会使得输出的声音信号存在非线性分量，而非线性分量是由扬声器的物理参数——机电耦合因子Bl、音圈电感L、振膜的弹性系数k引入的，所以基于扬声器的输入电压以及音圈电流，对物理参数Bl、L、k以振膜的振幅为变量进行沃尔泰拉(Volterra)级数展开，以便于计算物理参数Bl、L、k中的非线性分量，进而估计出振膜的振幅的估计值振膜的振幅的估计值/>就包含了非线性分量。对振膜的振幅的估计值进行线性滤波用于回声消除时，不仅可以消息回声信号中的线性分量，还可以消除回声信号中的非线性分量，相比于采用神经网络的非线性特性进行回声消除来说，可以大大降低算法复杂度。
下面介绍下智能功率放大器(Smart PA)。
如果要让扬声器得到最佳的低频效果和响度，可以加大扬声器的驱动功率以及低频响应参数，从而使扬声器获得较大低频振幅，但这样容易导致扬声器损坏。如果为了确保扬声器工作在安全范围内，通过动态范围控制(dynamic range control，DRC)或均衡器(equalizer，EQ)滤波等方式对扬声器的驱动功率和低频振幅进行回退或者削峰处理，会使得扬声器在绝大数情况下工作在欠负载情况下，扬声器的潜力也无法发挥，音质以及响度都无法满足需求。
因此出现了智能功率放大器(Smart PA)，目前已经成为高端智能播放设备中的重要组成部分。智能功率放大器除了普通功率放大器具有的对音频信号的放大作用外，通过智能保护算法可以实现对扬声器的振幅(指振膜的振幅或位移)和温度(指音圈温度)进行保护，另外还增加了两项输出——扬声器的输入电压u(t)以及音圈电流i(t)，扬声器的输入电压u(t)以及音圈电流i(t)均是随着时间t变化的值。
智能保护算法可以运行在智能功率放大器内置的DSP中，或者运行在智能功率放大器外部的DSP中。智能保护算法的原理是：根据扬声器的性能参数对扬声器进行建模得到扬声器模型，将音频信号(可选的还包括室温等温度传感器数据)输入扬声器模型，得到扬声器的输入电压u(t)以及音圈电流i(t)，根据扬声器的输入电压u(t)以及音圈电流i(t)可以预测在输入经过功率放大的音频信号后，扬声器的振幅、温度、总体功率等工作状态，从而动态调整扬声器的驱动功率以及低频响应参数，不仅使扬声器工作在安全范围内以保护扬声器，并且使得扬声器尽量长时间工作在最大的平均功率以及最大振幅下，从而实现在相同扬声器尺寸的情况下得到最佳的音质以及响度，以尽量发挥扬声器的发声性能。
本申请实施例提供的电子设备可以是一种具有麦克风和扬声器的设备，电子设备可以是移动的，也可以是固定的。该电子设备可以称为用户设备(user equipment，UE)、接入终端、终端单元、用户单元(subscriber unit)、终端站、移动站(mobile station，MS)、移动台、终端代理或终端装置等。例如，该电子设备可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、大屏、虚拟现实设备、增强现实设备等。本申请实施例对电子设备的具体类型和结构等不作限定。下面对电子设备的一种可能结构进行说明。
如图3所示，以电子设备为手机为例，该电子设备101可以包括处理器210、外部存储器接口220、内部存储器221、通用串行总线(universal serial bus，USB)接口230、电源管理模块240、电池241、无线充电线圈242、天线1、天线2、移动通信模块250、无线通信模块260、音频模块270、扬声器270A、受话器270B、麦克风270C、耳机接口270D、传感器模块280、按键290、马达291、指示器292、摄像头293、显示屏294以及用户标识模块(subscriberidentification module，SIM)卡接口295等。
其中，传感器模块280可以包括压力传感器、陀螺仪传感器、气压传感器、磁传感器、加速度传感器、距离传感器、接近光传感器、指纹传感器、温度传感器、触摸传感器、环境光传感器、骨传导传感器等。
可以理解的是，本发明实施例示意的结构并不构成对电子设备101的具体限定。在本申请另一些实施例中，电子设备101可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者拆分某些部件，或者不同的部件布置。图示的部件可以以硬件，软件或软件和硬件的组合实现。
处理器210可以包括一个或多个处理单元，例如：处理器210可以为现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)、专用集成电路(application specificintegrated circuit，ASIC)、片上系统(system on chip，SoC)、中央处理单元(centralprocessing unit，CPU)、应用处理器(application processor，AP)、网络处理器(networkprocessor，NP)、数字信号处理器(digital signal processor，DSP)、微控制单元(microcontroller unit，MCU)、可编程逻辑器件(programmable logic device，PLD)、调制解调处理器、图形处理器(graphics processing unit，GPU)、图像信号处理器(image signalprocessor，ISP)、控制器、视频编解码器、基带处理器以及神经网络处理器(neural-network processing unit，NPU)等。其中，不同的处理单元可以是独立的器件，也可以集成在一个或多个处理器中。例如，处理器210可以是应用处理器AP。或者，上述处理器210可以集成在片上系统(system on chip，SoC)中。或者，上述处理器210可以集成在集成电路(integrated circuit，IC)芯片中。该处理器210可以包括IC芯片中的模拟前端(analogfront end，AFE)和微控制单元(micro-controller unit，MCU)。处理器210可以是电子设备101的神经中枢和指挥中心。处理器210可以根据指令操作码和时序信号，产生操作控制信号，完成取指令和执行指令的控制。
处理器210中还可以设置存储器，用于存储指令和数据。在一些实施例中，处理器210中的存储器为高速缓冲存储器。该存储器可以保存处理器210刚用过或循环使用的指令或数据。如果处理器210需要再次使用该指令或数据，可从所述存储器中直接调用。避免了重复存取，减少了处理器210的等待时间，因而提高了系统的效率。
在一些实施例中，处理器210可以包括一个或多个接口。接口可以包括集成电路(inter-integrated circuit，I2C)接口、集成电路内置音频(inter-integrated circuitsound，I2S)接口、脉冲编码调制(pulse code modulation，PCM)接口、通用异步收发传输器(universal asynchronous receiver/transmitter，UART)接口、移动产业处理器接口(mobile industry processor interface，MIPI)、通用输入输出(general-purposeinput/output，GPIO)接口、用户标识模块(subscriber identity module，SIM)接口和/或USB接口等。
可以理解的是，本发明实施例示意的各模块间的接口连接关系，只是示意性说明，并不构成对电子设备101的结构限定。在本申请另一些实施例中，电子设备101也可以采用上述实施例中不同的接口连接方式，或多种接口连接方式的组合。
电源管理模块240用于从充电器接收充电输入。其中，充电器可以是无线充电器(如电子设备101的无线充电底座或者其他可以为电子设备101无线充电的设备)，也可以是有线充电器。例如，电源管理模块240可以通过USB接口230接收有线充电器的充电输入。电源管理模块240可以通过电子设备的无线充电线圈242接收无线充电输入。
其中，电源管理模块240为电池241充电的同时，还可以为电子设备供电。电源管理模块240接收电池241的输入，为处理器210、内部存储器221、外部存储器接口220、显示屏294、摄像头293和无线通信模块260等供电。电源管理模块240还可以用于监测电池241的电池容量、电池循环次数、电池健康状态(漏电、阻抗)等参数。在其他一些实施例中，电源管理模块240也可以设置于处理器210中。
电子设备101的无线通信功能可以通过天线1、天线2、移动通信模块250、无线通信模块260、调制解调处理器以及基带处理器等实现。
天线1和天线2用于发射和接收电磁波信号。电子设备101中的每个天线可用于覆盖单个或多个通信频带。不同的天线还可以复用，以提高天线的利用率。例如：可以将天线1复用为无线局域网的分集天线。在另外一些实施例中，天线可以和调谐开关结合使用。
移动通信模块250可以提供应用在电子设备101上的包括2G/3G/4G/5G等无线通信的解决方案。无线通信模块260可以提供应用在电子设备101上的包括无线局域网(wireless local area networks，WLAN)(如无线保真(wireless fidelity，Wi-Fi)网络)、蓝牙(bluetooth，BT)、全球导航卫星系统(global navigation satellite system，GNSS)、调频(frequency modulation，FM)、近距离无线通信技术(near field communication，NFC)、红外技术(infrared，IR)等无线通信的解决方案。在一些实施例中，电子设备101的天线1和移动通信模块250耦合，天线2和无线通信模块260耦合，使得电子设备101可以通过无线通信技术与网络以及其他设备通信。
电子设备101通过GPU、显示屏294以及应用处理器等实现显示功能。GPU为图像处理的微处理器，连接显示屏294和应用处理器。GPU用于执行数学和几何计算，用于GPU渲染。处理器210可包括一个或多个GPU，其执行程序指令以生成或改变显示信息。
显示屏294用于显示图像，视频等。显示屏294包括显示面板。在一些实施例中，电子设备101可以包括1个或N个显示屏294，N为大于1的正整数。
电子设备101可以通过ISP、摄像头293、视频编解码器、GPU、显示屏294以及应用处理器等实现拍摄功能。ISP用于处理摄像头293反馈的数据。在一些实施例中，ISP可以设置在摄像头293中。摄像头293用于捕获静态图像或视频。在一些实施例中，电子设备101可以包括1个或N个摄像头293，N为大于1的正整数。示例性的，本申请实施例的摄像头包括广角摄像头和主摄像头。
外部存储器接口220可以用于连接外部存储卡，例如微闪迪(micro SanDisk，Micro SD)卡，实现扩展电子设备101的存储能力。外部存储卡通过外部存储器接口220与处理器210通信，实现数据存储功能。例如将音乐，视频等文件保存在外部存储卡中。
内部存储器221可以用于存储计算机可执行程序代码，所述可执行程序代码包括指令。处理器210通过运行存储在内部存储器221的指令，从而执行电子设备101的各种功能应用以及数据处理。此外，内部存储器221可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、通用闪存存储器(universal flashstorage，UFS)等。
本申请实施例涉及的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(read-onlymemory，ROM)、可编程只读存储器(programmable ROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(erasable PROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(electrically EPROM，EEPROM)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(random access memory，RAM)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(static RAM，SRAM)、动态随机存取存储器(dynamic RAM，DRAM)、同步动态随机存取存储器(synchronous DRAM，SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(double data rateSDRAM，DDR SDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(enhanced SDRAM，ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(synchlink DRAM，SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(directrambus RAM，DR RAM)。应注意，本文描述的系统和方法的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
电子设备101可以通过音频模块270、扬声器270A、受话器270B、麦克风270C、耳机接口270D以及应用处理器等实现音频功能。例如音乐播放，录音等。
音频模块270用于将数字音频信息转换成模拟音频信号输出，也用于将模拟音频输入转换为数字音频信号。在一些实施例中，音频模块270可以设置于处理器210中，或将音频模块270的部分功能模块设置于处理器210中。扬声器270A，也称“喇叭”，用于将音频信号转换为声音信号。为了提高扬声器270A的响度，扬声器270A之前还可以串联功率放大器(图中未示出)，对接收的音频信号进行功率放大并输出给扬声器270A进行播放。而本申请实施例中的功率放大器为能够输出扬声器的输入电压以及音圈电流的智能功率放大器。受话器270B，也称“听筒”，用于将音频电信号转换成声音信号。麦克风270C，也称“话筒”，“传声器”，用于采集声音信号并转换为电信号后输出给处理器。电子设备101可以设置至少一个麦克风270C。耳机接口270D用于连接有线耳机。耳机接口270D可以是USB接口230，也可以是3.5mm的开放移动终端平台(open mobile terminal platform，OMTP)标准接口，美国蜂窝电信工业协会(cellular telecommunications industry association of the USA，CTIA)标准接口。
按键290包括开机键、音量键等。按键290可以是机械按键。也可以是触摸式按键。电子设备101可以接收按键输入，产生与电子设备101的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。马达291可以产生振动提示。马达291可以用于来电振动提示，也可以用于触摸振动反馈。指示器292可以是指示灯，可以用于指示充电状态，电量变化，也可以用于指示消息、未接来电、通知等。SIM卡接口295用于连接SIM卡。SIM卡可以通过插入SIM卡接口295，或从SIM卡接口295拔出，实现和电子设备101的接触和分离。电子设备101可以支持1个或N个SIM卡接口，N为大于1的正整数。SIM卡接口295可以支持纳SIN(Nano SIM)卡、微SIM(MicroSIM)卡、SIM卡等。在一些实施例中，电子设备101采用嵌入式(embedded SIM，eSIM)卡，eSIM卡可以嵌在电子设备101中，不能和电子设备101分离。
处理器210(例如DSP)通过执行内部存储器221中存储的程序、指令来执行本申请实施例提供的回声消除方法。例如，处理器210可以进行双讲检测、线性滤波和振幅估计，关于双讲检测、线性滤波可以参照图1的相关描述，关于振幅估计可以参照图4的步骤S102相关描述，在此不再赘述。
如图4所示，本申请实施例提供的回声消除方法包括：
S101、获取扬声器的输入电压u(t)以及音圈电流i(t)。
在本申请实施例中，即可以通过智能功率放大器获取扬声器的输入电压u(t)以及音圈电流i(t)。
S102、基于扬声器的等效电路模型，根据输入电压以及音圈电流对扬声器中振膜的振幅进行非线性估计，得到振幅的估计值(即振幅估计)。
图5为对扬声器建模后得到的扬声器的等效电路模型，等效电路模型体现了扬声器的物理参数，例如，Bl表示扬声器的机电耦合因子(也称力系数)，等于磁感应密度乘以音圈有效长度。u(t)表示扬声器的输入电压(来自智能功率放大器的反馈或者通过估计得到)，R表示音圈直流电阻，L表示音圈电感，i(t)表示音圈电流(来自智能功率放大器的反馈)，v(t)表示振膜的振动速度，m表示等效振动质量，r表示振膜的阻尼，k表示振膜的弹性系数。
理论上认为扬声器的物理参数Bl、L、k都是线性的，即均为常数。但在工程实际中这些物理参数Bl、L、k都是非线性的，是扬声器输出的声音信号A(n)(等价于振膜的振幅)中存在非线性分量的主要原因。
如图6所示，步骤S102包括S1021-S1025：
S1021、根据基尔霍夫电压定律和扬声器的等效电路模型建立扬声器的物理参数的联立方程组。
根据基尔霍夫电压定律和图5所示的扬声器的等效电路模型可以得到扬声器的物理参数的联立方程组(包含公式1和公式2)。
其中，基尔霍夫电压定律指在任何一个闭合回路中，各元件上的电压降的代数和等于电动势的代数和，闭合回路1可以得到公式1，闭合回路2可以得到公式2。联立方程组中A(t)表示振膜的振幅，表示振膜的振动速度v(t)，/>表示振膜的振动加速度。
S1022、根据上述联立方程组得到扬声器的状态变量的常微分方程，求解该常微分方程得到不包括非线性分量时振膜的振幅。
假设扬声器的状态变量S＝[i,A,v]T，则根据上述联立方程组可以得到扬声器的状态变量S的常微分方程如公式3所示，其中，Bl(A)表示Bl随着振幅A变化，k(A)表示k随着振幅A变化，R(v)表示R随着振动速度v变化。通过求解该常微分方程可以得到不包括非线性分量时振膜的振幅A。
S1023、根据音圈电流和不包括非线性分量时振膜的振幅得到输入电压u(t)的估计值
根据公式1可以得到输入电压u(t)的估计值其中，音圈直流电阻R通过以下方式得到：通过事先向扬声器输入单频激励并测量扬声器的输入电流I和输入电压U，即可以得到该频率下扬声器的音圈直流电阻R＝U/I。i(t)为智能功率放大器反馈的音圈电流。振膜的振幅A(t)为对常微分方程求解得到的不包括非线性分量时振膜的振幅。
S1024、根据输入电压u(t)和输入电压u(t)的估计值得到扬声器的包括非线性分量的物理参数的值。
如前文所述的，虽然理论上认为扬声器的物理参数Bl、L、k都是线性的，但在工程实际中这些物理参数Bl、L、k都是非线性的，是扬声器输出的声音信号A(n)(等价于振膜的振幅)中存在非线性分量的主要原因。因此对这些包括非线性分量的物理参数Bl、L、k以振幅A为变量进行沃尔泰拉(Volterra)级数展开可以分别得到公式4-公式6。
Bl＝Bl0+Bl1A+Bl2A2 公式4
L＝L0+L1A+L2A2 公式5
k＝k0+k1A+k2A2 公式6
在公式4-公式6中，系数Bl0、L0、k0是线性系数，可以通过测量直接得到，Bl1、Bl2、L1、L2、k1、k2是非线性系数，可以分别通过公式7-公式9所示的梯度下降法求解。求解线性系数和非线性系数后，根据公式4-公式6即可以得到扬声器的包括非线性分量的物理参数Bl、L、k的值。
其中，j＝0、1，μBl、μL、μk为步长，n表示离散采样，eu[n]表示输入电压u(t)的估计值和智能功率放大器输出的扬声器的输入电压u(t)之差的模，即/>
S1025、根据扬声器的包括非线性分量的物理参数的值得到振膜的振幅的估计值。
将通过步骤S1025得到的包括非线性分量的物理参数Bl、L、k(即包含线性系数和非线性系数)代入公式3即可以得到振膜的振幅的估计值。振膜的振幅的估计值可以表示为其中，x表示接收的音频信号x(n)，h表示线性系数，h*x表示振膜的振幅中的线性分量，g(x,Bl,k,L)表示振膜的振幅中的非线性分量，由x、Bl、L、k决定。
需要说明的是，可以通过将公式4-6中的非线性系数Bl1、Bl2、L1、L2、k1、k2置为0得到的不含非线性系数的Bl、L、k，将不含非线性系数的Bl、L、k代入公式3所示的常微分方程得到振膜的振幅中的线性分量h*x。将振膜的振幅的估计值与振膜的振幅中的线性分量h*x作差即可以得到g(x,Bl,k,L)。
S103、对振幅的估计值进行线性滤波得到回声信号的估计值(即线性滤波)。
将振幅的估计值输入线性滤波器(例如归一化最小均方(normalized leastmean square，NLMS)自适应滤波器等)，线性滤波器的输出即为回声信号的估计值声音信号A(n)经过传输路径w(n)传播后被麦克风接收得到回声信号y(n)，传输路径包括扬声器与麦克风之间的直达路径以及声音经过物体反射的反射路径。线性滤波器的滤波参数/>表示通过对传输路径w(n)进行估计得到传输路径w(n)的估计值
由于振幅的估计值包含了线性分量和非线性分量，所以经过线性滤波器滤波后的回声信号的估计值/>包含了回声信号的线性分量和非线性分量。/>
S104、根据回声信号的估计值对通过麦克风采集的声音信号d(n)进行回声消除。
该声音信号A(n)经过传输路径w(n)传播后被麦克风接收得到回声信号y(n)，传输路径包括扬声器与麦克风之间的直达路径以及声音经过物体反射的反射路径，则y(n)＝A(n)*w(n)。假设用户的语音信号为s(n)，则麦克风接收到的声音信号为d(n)＝y(n)+s(n)＝A(n)*w(n)+s(n)。对麦克风采集到的声音信号d(n)与回声信号y(n)的估计值作差，得到的回声消除之后的音频信号/>由于回声信号的估计值/>包含了回声信号的线性分量和非线性分量，所以/>实现了对回声信号的线性分量和非线性分量均进行消除，从根本上解决非线性回声消除的问题。
音频信号e(n)可以传输给对侧的电子设备(例如第二电子设备)。另外，还可以将音频信号e(n)反馈给线性滤波器以调节线性滤波器的滤波参数并且，其中，n表示离散采样，*表示卷积。
本申请实施例提供的回声消除方法和电子设备，利用扬声器的输入电压以及音圈电流，基于扬声器的等效电路模型对扬声器中振膜的振幅进行非线性估计，得到振幅的估计值。振幅的估计值不仅包括线性分量还包括非线性分量。对振幅的估计值进行线性滤波得到回声信号的估计值，则回声信号的估计值同样包括线性分量和非线性分量。将回声信号的估计值用于对麦克风采集的声音信号进行回声消除，则不仅可以消除回声信号中的线性分量，还可以消除回声信号中的非线性分量。可以直接利用电压信号和电流信号，不需要像利用神经网络模型的非线性特性进行回声消除那样，需要针对每一个电子设备采集大量数据对神经网络模型进行训练，所以可以降低算法复杂度。使得可应用的电子设备的范围更广。
如图7所示，本申请实施例还提供一种芯片系统。该芯片系统70包括至少一个处理器701和至少一个接口电路702。至少一个处理器701和至少一个接口电路702可通过线路互联。处理器701用于支持电子设备实现上述方法实施例中的各个步骤，例如图4、图6所示的方法，至少一个接口电路702可用于从其它装置(例如存储器)接收信号，或者，向其它装置(例如通信接口)发送信号。该芯片系统可以包括芯片，还可以包括其他分立器件。
本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质包括指令，当指令在上述电子设备上运行时，使得该电子设备执行上述方法实施例中的各个步骤，例如执行图4、图5所示的方法。
本申请实施例还提供一种包括指令的计算机程序产品，当指令在上述电子设备上运行时，使得该电子设备执行上述方法实施例中的各个步骤，例如执行图4、图6所示的方法。
关于芯片系统、计算机可读存储介质、计算机程序产品的技术效果参照前面方法实施例的技术效果。
应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个设备，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，设备或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个设备，或者也可以分布到多个设备上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一个设备中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个设备中。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件程序实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式来实现。该计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或者数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(digital subscriber line，DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可以用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)，光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘(solid state disk，SSD))等。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (11)
1.一种回声消除方法，其特征在于，包括：
获取扬声器的输入电压以及音圈电流；
基于扬声器的等效电路模型，根据所述输入电压以及所述音圈电流对扬声器中振膜的振幅进行非线性估计，得到所述振幅的估计值；
对所述振幅的估计值进行线性滤波得到回声信号的估计值；
根据所述回声信号的估计值对通过麦克风采集的声音信号进行回声消除。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于扬声器的等效电路模型，根据所述输入电压以及音圈电流对扬声器中振膜的振幅进行线性估计，得到所述振幅的估计值，包括：
根据基尔霍夫电压定律和所述扬声器的等效电路模型建立所述扬声器的物理参数的联立方程组；
根据所述联立方程组得到所述扬声器的状态变量的常微分方程，求解所述常微分方程得到不包括非线性分量时振膜的振幅；
根据所述音圈电流和所述不包括非线性分量时振膜的振幅得到所述输入电压的估计值；
根据所述输入电压和所述输入电压的估计值得到所述扬声器的包括非线性分量的物理参数的值；
根据所述扬声器的包括非线性分量的物理参数的值得到所述振膜的振幅的估计值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述联立方程组为：
其中，Bl表示扬声器的机电耦合因子，u(t)表示扬声器的输入电压，R表示音圈直流电阻，L表示音圈电感，i(t)表示音圈电流，m表示等效振动质量，r表示振膜的阻尼，k表示振膜的弹性系数，A(t)表示振膜的振幅，表示振膜的振动速度v(t)，/>表示振膜的振动加速度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述扬声器的状态变量S＝[i,A,v]T，所述扬声器的状态变量S的常微分方程为：
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述根据所述音圈电流和所述不包括非线性分量时振膜的振幅得到所述输入电压的估计值，包括：
根据公式1得到所述输入电压的估计值，其中，Bl和L忽略其中的非线性分量，R通过以下方式得到：通过向扬声器输入单频激励并测量扬声器的输入电流I和输入电压U，则R＝U/I；i(t)为所述音圈电流；A(t)为所述不包括非线性分量时振膜的振幅。
6.根据权利要求3-5任一项所述的方法，其特征在于，所述包括非线性分量的物理参数包括Bl、L、k，Bl、L、k以振幅A为变量进行沃尔泰拉级数展开为：
Bl＝Bl0+Bl1A+Bl2A2 公式4
L＝L0+L1A+L2A2 公式5
k＝k0+k1A+k2A2 公式6
其中，系数Bl0、L0、k0是线性系数，Bl1、Bl2、L1、L2、k1、k2是非线性系数。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述非线性系数根据公式7-公式9所示的梯度下降法求解得到：
其中，j＝0、1，μBl、μL、μk为步长，n表示离散采样，eu[n]表示所述输入电压的估计值和输入电压u(t)之差的模，即/>
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述扬声器的包括非线性分量的物理参数的值得到所述振膜的振幅的估计值，包括：
将所述包括非线性分量的物理参数Bl、L、k代入公式3得到所述振幅的估计值。
9.根据权利要求1-8任一项所述的回声消除方法，其特征在于，所述获取扬声器的输入电压以及音圈电流，包括：
通过智能功率放大器获取所述扬声器的输入电压以及音圈电流。
10.一种电子设备，其特征在于，包括扬声器、麦克风、智能功率放大器、处理器和存储器，所述智能功率放大器用于对接收的音频信号进行功率放大并输出给所述扬声器进行播放，还用于向所述处理器输出所述扬声器的输入电压以及音圈电流，所述麦克风用于采集声音信号并输出给处理器，所述存储器中存储指令，当所述处理器执行所述指令时，如权利要求1-9任一项所述的方法被执行。
11.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括指令，当所述指令在电子设备上执行时，使得所述电子设备执行如权利要求1-9任一项所述的方法。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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