CN1180602C - 用于时空回声消除的方法和装置 - Google Patents

Abstract

在包括扬声器和至少一个麦克风的通信设备中消除回声。传送到扬声器的信号通过至少一个第一滤波器滤波。从麦克风接收到的信号中减去滤波后的信号。至少一个第二滤波器对相减结果进行滤波以便产生对应于麦克风接收到的话音信号的信号。至少一个第三滤波器对相减结果进行滤波以便产生对应于从扬声器到麦克风的回声的信号。从第二滤波器的输出减去第三滤波器的输出以便产生消除了回声的信号。所述设备可以有多个麦克风，以及第一、第二和第三滤波器可以各自包括其数目等于麦克风数目的多个滤波器。将第二滤波器的输出相加，将第三滤波器的输出相加，可以从第二滤波器输出的和中减去第三滤波器输出的和。可以在从第二滤波器的输出减去第三滤波器的输出之前将第三滤波器的输出加权。

Description

用于时空回声消除的方法和装置

背景

本发明一般涉及用于回声消除的方法和装置。更具体地说，本发明涉及在通信系统中用于时空回声消除的方法和装置。

在通信系统如蜂窝式电话系统中有关回声的问题是很普遍的。在这样的系统中，来源于远端扬声器的话音带着时延折回到麦克风，引起感知问题。当扬声器位于噪声环境中，例如车载电话工作于免提方式时，感知被进一步削弱。

回声消除已经应用于在免提通信期间减少来源于远端扬声器的回声，并且在这个领域已经进行了大量的努力。一种消除回声的方法是单麦克风回波抑制技术，利用话音和噪音的频谱特性的差异。这类方法已经公开，例如S.F.Boll，″利用频谱减法抑制话音中的噪音″IEEE Trans.on Acoustics，Speech，and Signal Processing，ASSP-27(2)：113-120，April 1979；R.J.MeAulay和M.L.Malpass，″使用软判断噪音抑制滤波器增强话音″，IEEE Trans.on Acoustics，Speech，andSignal Processing，ASSP-28：137-145，1980；M.Sambur，话音信号的“自适应噪音消除”，IEEE Trans.on Acoustics，Speech，and SignalProcessing，ASSP-26：419-423，1978；Y.Ephraim和D.Malah，″使用最小均方误差短时频谱幅度估价器增强话音″，IEEE Trans.On Acoustics，Speech，and Signal Processing，ASSP-32：1109-1121，1984；P.Sorqvist，P.Handel，和B.Ottersten，″用于移动通信的低失真话音增强的Kalman滤波器″，Proc.IEEE International Conference on Acoustics，Speech，and Signal Processing，volume 2，1219-1222，Munich，Germany，April1997；S.H.Jensen，P.C.Hansen，和J.A.Sorensen，″用于减少话音信号的噪音的信号子空间方法″，Proc.EUSIPCO European SignalProcessing Conference，volume 2，1174-1177，Lausanne，Switzerland，1994，EURASIP，以及Jesper Jansson和Peter Kaarle，″通过频谱幅度减法消除噪音″，Master Thesis，January 1992，Ericsson MobileCommunication AB，Department of Tele Transmissions Theory，LundInstitute of Technology，Sweden.

图1图解说明一个用于执行单麦克风回声消除的传统的系统。该系统包括滤波器120，送往扬声器140的信号馈送到该滤波器。滤波器120的输出表示来源于扬声器140的回声。滤波器120的输出在减法器130中从来源于麦克风110的信号中减去，导致信号中的来源于扬声器的回声被消除。用于单麦克风回声消除的过程算法可以通过下列方程式描述：

U_out(ω)＝U(ω，r)-K(ω)U(ω，r_e，)              (1)

其中r_e表示扬声器的空间座标，r表示单麦克风的空间座标，U_out(ω)是消除了回声的结果信号的傅里叶变换，U(ω，r)是在单麦克风110的输出观察到的信号u(t，r)的傅里叶变换，U(ω，r_e)是信号u(t，r_e)的傅里叶变换，例如，送往扬声器140的电压，以及K(ω)是滤波器120的频率响应，可以根据以下方程式计算：

K(ω)＝G(ω，r_e，r)                              (2)

其中G(ω，r_e，r)是描述从扬声器140到单麦克风110的信号传播的格林函数。滤波器120模拟通过扬声器140产生的噪音的频率响应。噪音从由麦克风110收到的信号中减去，产生从其中消除了回声的信号。

在许多场合，话音和噪音倾向于具有类似的频谱分布。在这样的情况下，单麦克风回波抑制技术在话音清晰度方面不产生实质性的改善。另一方面，在汽车环境下信号和回声是具有不同的空间特性的声场。考虑到这些，可以利用话音和回声的空间隔离来减少噪声电平而对话音不会有任何坏的影响。

众所周知，空间信号处理需要合并若干麦克风的输出的阵列。利用阵列进行信号处理的技术在其他领域如声纳和震源探测中已经被开发和应用。这类技术，称作″匹配-场处理″，可以实现有效的抑制水下噪声(环境噪声和海洋混响)，如L.G.Krasny，″平行平面波导中的声信号的空间处理″，Sov.Phys.Acoust.，30，4，495-501，1984和A.B.Baggeroer，W.A.Kuperman，and H.Shmidt，″匹配-场处理：作为最佳参数判断问题的相关噪音的来源定位″，J.Acoust.Soc.Am.83，571-587，1988.中所描述的。

图2图解说明用于执行匹配场处理的传统的系统，该系统包括N个滤波器150，用于将N个从麦克风110接收到的信号滤波以便从该信号除去噪音，其中N为1，2，3，...。滤波器150模拟噪音的频率响应，包括来自扬声器140的回声。滤波的结果在加法器160中相加，所得到的和是消除了回声的信号。

匹配-场处理算法可以通过下列方程式描述：

$U_{\mathrm{out}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}U(\mathrm{\ω},r_i)H(\mathrm{\ω};r_i)----\left(3\right)$

其中r_i表示第i个麦克风的空间座标，U_out(ω)是从加法器160输出的信号的傅里叶变换，U(ω，r_i)是在第i个麦克风110的输出端观察到的场u(t，r_i)的傅里叶变换，以及H(ω；r_i)是在阵列的孔径上的幅度-相位分布，满足方程组：

$\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{g}_N(\mathrm{\ω};r_i,r_k)H(\mathrm{\ω};r_k)=\exp \left(\mathrm{i\ω}\right|r_i-r_o|/c),----\left(4\right)$

其中g_N(ω；r_i，r_k)是背景噪声的空间相关函数，r_o表示说话的人的空间座标，以及c表示声速。

当匹配场处理技术用于车载电话环境的回声消除时，明显有一些困难。首先，匹配-场处理是基于假定麦克风阵列位于自由场传播通道。然而，自由场传播模型没有考虑在汽车客舱的波导声传播的效果，因而对于汽车环境是不切实际的。其次，匹配-场处理没有考虑关于回声场的空间结构的先验信息。因为众所周知回声场是空间相关声场，所以值得研究通过算法抑制空间相关噪声的可能性，该算法把技术上的可行性和适度的高性能结合在一起。第三，匹配-场处理没有考虑通过扬声器输出的语音信号。算入这个信号将充分地改善回声消除的性能。

因而需要一种用于回声消除的方法和装置，以避免先有技术的问题。

概述

因此本发明的目的是提供一种用于回声消除的方法和装置，它考虑信号从扬声器输出的信号同时利用话音和回声的空间分离以便减小噪音电平。

根据典型的实施例，这一点和其他目的通过用于包括扬声器和至少一个麦克风的通信设备中回声消除的方法和装置实现。传送到扬声器的信号通过至少一个第一滤波器滤波。从由麦克风接收到的信号中减去滤波后的信号。至少一个第二滤波器将减去后的结果滤波以便产生对应于麦克风接收到的话音信号的信号。至少一个第三滤波器将减去后的结果滤波以便产生对应于从扬声器到麦克风的回声的信号。从第二滤波器的输出中减去第三滤波器的输出以便产生消除了回声的信号。

根据典型的实施例，可以有许多麦克风，以及各自包含数目等于麦克风的滤波器的第一、第二和第三滤波器。将来自第二滤波器的输出相加，将来自第三滤波器的输出相加，从第二滤波器输出的和中减去第三滤波器输出的和。可以将来自第三滤波器的输出在从第二滤波器的输出减去之前加权。

附图说明

通过阅读本说明书连同附图，将明白本发明的特征、目的和优点，附图中相同的标号表示相同的元件。

图1图解说明用于单麦克风回声消除的传统的系统；

图2图解说明用于匹配-场处理回声消除的传统的系统；

图3图解说明根据典型的实施例用于时空回声消除的系统；

图4图解说明根据典型的实施例用于时空回声消除的方法；

图5图解说明2-麦克风阵列的模拟结果；以及

图6图解说明4-麦克风阵列的模拟结果。

详细描述

为了说明，以下的描述针对蜂窝无线电通讯系统，但是，显然，本发明不局限于此，本发明适用于其他类型的通信系统。

根据典型的实施例，使用了单麦克风时间回声消除和麦克风阵列匹配场空间回声消除的组合。

图3图解说明用于实现时空回声消除的典型的装置。如图3中所示，通过一系列的N个麦克风110接收N个信号，其中N＝1，2，3...。传送到扬声器140的信号通过N个第一滤波器125进行滤波，该滤波器模拟由扬声器140产生的噪音的频率响应。然后在N个减法器135从接收的信号中减去滤波后的信号。通过N个第二滤波器155和N个第三滤波器157将减去后的信号滤波。第二滤波器155的输出对应于通过各个麦克风接收的话音信号，而第三滤波器157的输出对应于从扬声器140到各个麦克风的回声。滤波器155和157的输出分别在加法器165和167相加。表示回声的加法器167的输出通过加权滤波器170滤波以便将回声加权。在减法器180中，从表示接收的信号的加法器165的输出中减去加权的结果，产生消除了回声的减法结果。

为了方便解释，用于消除回声的算法可以分成时间处理算法和空间处理算法。根据典型的实施例，可以由下列方程式来描述通过时间处理算法产生的结果：

ΔU(ω，r_i)＝U(ω，r_i)-K(ω，r_i)U(ω，r_e)    (5)

其中r_i表示第i个麦克风的空间坐标，r_e表示扬声器的空间坐标，ΔU(ω，r_i)是来自第i个麦克风的时间回声消除信号的傅立叶变换，U(ω，r_i)是在第i个麦克风110的输出端观察到的场的傅立叶变换，U(ω，r_e)是扬声器输出电压的傅立叶变换，以及K(ω，r_i)是属于第i个麦克风的时间处理滤波器125的频率响应，可以根据以下方程式来计算：

$K(\mathrm{\ω},r_i)=\frac{R(\mathrm{\ω};r_i,r_e)}{R(\mathrm{\ω};r_e,r_e)}----\left(6\right)$

其中R(ω；r_i，r_e)和R(ω；r_e，r_e)分别为麦克风110与扬声器140的输出之间的互相关以及自相关函数。这些相关函数可以通过使用标准自适应算法估计，例如：

R⁽ⁿ⁾(ω；r_i，r_e)＝mR^(n-1)(ω；r_i，r_e)+(1-m)U⁽ⁿ⁾(ω，r_i)[U⁽ⁿ⁾(ω，r_e)]⁺  (7)

以及

R(ⁿ)(ω；r_e，r_e)＝mR(^n-1)(ω；r_e，r_e)+(1-m)|U(ⁿ)(ω，r_e)|²              (8)

其中R⁽ⁿ⁾(ω；r_i，r_e)和R⁽ⁿ⁾(ω；r_e，r_e)分别为相关函数R(ω；r_i，r_e)和R(ω；r_e，r_e)在第n次迭代的估计，U⁽ⁿ⁾(w，r_i)是在第n次迭代期间计算的场u(t，r_i)的傅立叶变换，m为收敛因子。

可以看出，方程式(5)中给出的时间处理算法减小了阵列中的每个麦克风的输出的回声。

典型的空间处理算法可以通过下列方程式描述：

U_out(ω)＝U_o(ω)-W(ω)U_e(ω)    (9)

根据方程式(9)，空间处理使用两个空间信道：信号信道U_o(ω)，表示从说话人接收的话音信号；和补偿信道U_e(ω)，表示来自扬声器140的回声。按照函数W(ω)将表示补偿信道的信号加权并将该信号从表示信号信道的信号中减去以便产生消除了回声的输出信号U_Out(ω)。

信号信道U_o(ω)可以通过表达式给出：

$U_o\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{i-1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}U(\mathrm{\ω},r_i)L^{*}(\mathrm{\ω};r_i,r_o)----\left(10\right)$

其中r_o表示说话人的空间坐标。

补偿信道U_e(ω)可以通过以下表达式给出：

$U_e\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{i-1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}U(\mathrm{\ω},r_i)L^{*}(\mathrm{\ω};r_i,r_e)----\left(11\right)$

其中r_e表示扬声器140的空间坐标。

信号信道和补偿信道的幅度-相位分布L(ω；r_i，r_o)和L(ω；r_i，r_e)分别与信号和背景噪声的空间结构匹配，并且满足下列方程组：

$\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{g}_N(\mathrm{\ω};r_i,r_k)L(\mathrm{\ω};r_k,r)=G(\mathrm{\ω};r_i,r)----\left(12\right)$

其中g_N(ω；r_i，r_k)为背景噪声的空间相关函数，G(ω，r_i，r)为格林函数，它描述从说话人(r＝r_o)或扬声器(r＝r_e)到接收天线阵列的信号传播。

通过优化信号信道的幅度-相位分布L(ω；r_i，r_o)来检测背景噪声中的信号场，并通过优化在补偿信道的幅度-相位分布L(ω；r_i，r_e)来检测背景噪声中的回声。

如果预先不知道空间相关函数g_N(ω；r_i，r_k)，可以利用标准自适应算法估计，例如：

$g_N^{\left(n\right)}(\mathrm{\ω},r_i,r_k)=m_g{g}_N^{(n-1)}(\mathrm{\ω};r_i,r_k)+(1-m_g)U^{\left(n\right)}(\mathrm{\ω},r_i){\left[U^{\left(n\right)}(\mathrm{\ω},r_k)\right]}^{*}----\left(13\right)$

其中g^(N) _N(ω；r_i，r_e)为相关函数g_N(ω；r_i，r_e)在第n次迭代的估计，m_g为收敛因子。

用加权函数W(ω)对补偿信道U_e(ω)进行加权，加权函数W(ω)可以根据方程式计算：

$W\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{R_{\mathrm{oe}}\left(\mathrm{\ω}\right)}{R_{\mathrm{ee}}\left(\mathrm{\ω}\right)}----\left(14\right)$

其中R_oe(ω)和R_ee(ω)分别为信号信道和补偿信道之间的互相关和自相关函数。然后从信号信道U_o(ω)减去加权补偿信道，产生消除了回声的信号。补偿信道U_e(ω)的加权提高了信号信道和补偿信道之间的回声相关性以便使所述减法更有效。

可以看出空间处理算法减小了信号信道的回声。应该指出，加权函数W(ω)的计算不需要关于传播通道的格林函数的任何先验信息。

可以利用类似于方程式(7)-(8)的自适应算法估计相关函数R_oe(ω)和R_ee(ω)：

$R_{\mathrm{oe}}^{\left(n\right)}=m{R}_{\mathrm{oe}}^{(n-1)}\left(\mathrm{\ω}\right)+(1-m)U_o^{\left(n\right)}\left(\mathrm{\ω}\right){\left[U_c^{\left(n\right)}\left(\mathrm{\ω}\right)\right]}^{*}----\left(15\right)$

和

$R_{\mathrm{ee}}^{\left(n\right)}\left(\mathrm{\ω}\right)=m{R}_{\mathrm{ee}}^{(n-1)}\left(\mathrm{\ω}\right)+(1-m){\left|U_e^{\left(n\right)}\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2----\left(16\right)$

图4图解说明了根据典型实施例用于时空回声消除的方法。该方法开始于步骤400，在该步骤中，传送到扬声器的信号在一个或者多个第一滤波器中滤波以便模拟从扬声器到麦克风的传播。在步骤420，从在一个或者多个麦克风处接收的信号中减去滤波后的信号。在步骤430，通过一个或者多个第一滤波器和一个或者多个第二滤波器将相减的结果滤波，第一滤波器的输出表示信号信道，第二滤波器的输出表示补偿信道。在步骤440，对于每组滤波器，将滤波结果相加。在步骤450，将关于补偿信道的相加结果加权。最后，在步骤460，从关于信号信道的相加结果中减去所述加权结果。

图5和6图解说明根据典型的实施例的时空回声消除技术的计算机模拟结果。在图5和6中，将输出信噪比作为频率的函数画成曲线。实线表示根据典型的实施例在不同频率使用时空回声消除技术的信噪比，虚线表示在不同频率使用传统的单麦克风回声消除技术的信噪比。该在模拟汽车环境中对于2-麦克风(图5)和4-麦克风(图6)阵列进行了该模拟。从图5和6可以看出，根据典型的实施例的时空回声消除技术能够显著地减弱(例如，25-30dB)汽车客舱中的噪音场而不抑制和降低话音信号。

根据本发明的典型的实施例，使得在吵杂的环境中、比如汽车中的免提移动电话环境中的话音增强和声学回声消除成为可能。该技术同时利用麦克风阵列匹配场处理和单麦克风回声抑制技术，提供一些优点，例如允许对目标/干扰进行空间选择/抑制，以及利用和组合通过扬声器输出的话音信号以便提高阵列处理的性能。对比传统的匹配场处理方法，根据典型实施例的这种方法考虑了在汽车客舱的波导声音传播效果，以及考虑了关于回声场的空间相干结构的先验信息。结果，这种方法提供了同时对回声以及汽车噪音的抑制和稳固的处理，适用于实际的声学环境。

本专业技术人员将了解，本发明在不偏离本质特征的情况下可以以其他特定的形式实施。因此，应该认为上面描述的实施例是从各方面进行说明而不是限制。例如，虽然上面描述了关于汽车电话环境，本发明也可适用在其他类型的通信系统中。

Claims (8)

1.用于包括扬声器(140)和至少一个麦克风(110)的通信设备中回声消除的装置，它包括：

用于对传送到所述扬声器(140)的信号进行滤波的至少一个第一滤波器(125)；

用于从所述麦克风(110)接收到的信号中减去所述滤波后的信号的至少一个第一减法器(135)；

其特征在于所述装置还包括：

用于对所述相减结果进行滤波以便产生对应于所述麦克风(110)接收到的话音信号的信号的至少一个第二滤波器(155)；

用于对所述相减结果进行滤波以便产生对应于从所述扬声器(140)到所述麦克风(110)的回声的信号的至少一个第三滤波器(157)；以及

用于从所述第二滤波器(155)的输出中减去所述第三滤波器(157)的输出以便产生消除了回声的信号的第二减法器(180)。

2.权利要求1所述的回声消除装置，其特征在于：所述通信设备具有多个麦克风(110)，所述第一、第二和第三滤波器(125，155，157)各自包括等于所述麦克风数目的多个滤波器。

3.权利要求2所述的回声消除装置，其特征在于还包括第一和第二加法器(165，167)，其中，所述第一加法器(165)适合于将所述第二滤波器(155)的多个滤波器输出相加，所述第二加法器(167)适合于将所述第三滤波器(157)的多个滤波器输出相加，以及所述第二减法器(180)适合于从所述第二滤波器(155)的多个滤波器输出的和中减去所述第三滤波器(157)的多个滤波器输出的和。

4.权利要求1所述的回声消除装置，其特征在于还包括第四滤波器(170)，用于在从所述第二滤波器(155)的输出减去所述第三滤波器(157)的输出之前将所述第三滤波器(157)的输出加权。

5.用于包括扬声器(140)和至少一个麦克风(110)的通信设备中回声消除的方法，它包括以下步骤：

在至少一个第一滤波器(125)中对传送到所述扬声器(140)的信号进行滤波；

在至少一个第一减法器(135)中从所述麦克风(110)接收到的信号中减去所述滤波后的信号；

其特征在于所述方法还包括以下步骤：

在至少一个第二滤波器(155)中对所述相减结果进行滤波以便产生对应于所述麦克风(110)接收到的话音信号的信号；

在至少一个第三滤波器(157)中对所述相减结果进行滤波以便产生对应于从所述扬声器(140)到所述麦克风(110)的回声的信号；以及

在第二减法器(180)中从所述第二滤波器(155)输出的滤波后的信号中减去所述第三滤波器(157)输出的滤波后的信号以便产生消除了回声的信号。

6.权利要求5所述的回声消除方法，其特征在于：所述通信设备具有多个麦克风(110)，所述第一、第二和第三滤波器(125，155，157)各自包括等于所述麦克风(110)数目的多个滤波器。

7.权利要求6所述的回声消除方法，其特征在于还包括：

将所述第二滤波器(155)的多个滤波器输出相加；以及

将所述第三滤波器(157)的多个滤波器输出相加，其中，所述减法步骤包括从所述第二滤波器(155)的多个滤波器输出的和中减去所述第三滤波器(157)的多个滤波器输出的和。

8.权利要求5所述的回声消除方法，其特征在于还包括在从所述第二滤波器(155)的输出减去所述第三滤波器(157)的输出之前将所述第三滤波器(157)的输出加权。

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