CN1200210A - 一种自适应双滤波器回声消除方法 - Google Patents

Abstract

在双滤波器回声消除方法中,一种新的品质标准(qa,qp)为新的滤波器选择和传递方法提供了基础。该品质标准表征了自适应回声消除器中滤波器的性能。根据该方法,包括信号的回声和由所述滤波器产生的回声估计信号之间的相关值被估计。由所述回声估计信号和所述的包括信号的回声之间的差值形成的残留信号的功率值被估计。通过将所述的估计相关值除以所述的估计功率值,计算出品质标准。一种自适应和可编程滤波器被用于回声消除,用于它们两者的品质标准都被计算出并被比较。由品质标准确定的,两个滤波器中的最佳者被用于模拟回声路径(570,580)并且其滤波器系数被拷贝到另一个滤波器。

Description

一种自适应双滤波器回声消除方法

                        技术领域

该发明涉及一种自适应双滤波器回声消除方法和一种用于确定在所述的回声消除方法中使用的滤波器品质标准的方法。

                        发明背景

在具有长延迟的电话系统中，例如，类似于数字蜂窝系统的长距离通话或使用长处理延迟的电话系统中，回声是一个涉及感知语音质量的问题。回声产生于PSTN(公共电话交换网)/用户接口中四线到两线的转换处和为了消除该回声，通常为长距离通信在转送交换机处、为蜂窝应用在移动服务切换中心中处提供回声消除器。

由于回声消除器的位置的缘故，它被做成为自适应的；在PSTN中，同一回声消除器被用于多个不同的用户。由于传输网络的非固定特性，例如相移，三方呼叫等，使得这种自适应不仅在不同呼叫之间，而且在每一个呼叫过程之中都是必要的。

回声消除器的自适应需要被控制，因为在出现近端一侧语音期间它必需被禁止，否则回声路径估计将会变差。这导致一种具有良好保护估计值的保守策略。然而，该自适应策略不能太保守了，这是因为当由于回声路径回路的变化需要快速的再自适应时，这将降低回声消除器的性能。为了解决最佳化问题，即当回声路径变化时的快速再自适应和双向通话期间稳定的回声估计问题，可以使用具有两个回声路径估计的结构。使用两个用于回声估计的滤波器的回声消除器已经在[1，2]中被描述。其中一个通常被称为前台滤波器的滤波器是非自适应的，并被用于获得实际的回声消除器输出。另一个滤波器通常被称为后台滤波器，它在一些自适应算法的作用下被连续修正，其中的自适应算法一般为归一化最小均值平方(NLMS)算法。只要在某种意义下，后台滤波器被认为更好时，自适应后台滤波器的系数就被传送给前台滤波器。

由于[1，2]中描述的结构只为回声消除器的输出使用了非自适应前台滤波器，那麽当自适应后台滤波器性能更好时，传送它的系数就变的非常重要。然而，由于一些问题，这些问题部分由所使用的保守算法造成，使得这种现象不会发生而且回声消除可能会被禁止。

                        发明概要

该发明的一个目标是给出一种新的方法，该方法确定一种滤波器品质标准，该标准可以被用于在双滤波器回声消除器中选择最佳滤波器。

该方法的特征在于权利要求1的所述特点。

该发明的另一个目标是一种自适应双滤波器回声消除方法，该方法没有前面已知方法那麽保守，而且避免了那种方法中的问题。

这种回声消除方法特征在于权利要求3的所述特点。

                      附图简要描述

通过下面结合附图进行的描述，该发明，以及其进一步的目标和优点可以被更好的理解。其中：

图1是一个回声产生系统的方框图。

图2是一个回声消除系统的方框图。

图3是一个前面已知的双滤波器回声消除器的方框图。

图4是按照该发明的回声消除方法操作的双滤波器回声消除器的方框图。

图5是图解说明根据该发明的双滤波器回声消除方法的一个实施方案的流程图。

图6是根据该发明的双滤波器回声消除方法的一个优选实施方案。

图7是根据该发明的双滤波器回声消除方法的另一个优选实施方案。

                   优选实施方案的详细描述

图1图解说明了电话系统中的回声产生过程。通过两线线路，在下述中被称为远端用户的用户A被连接到一个混合电路(HYBRID)(象该技术领域中已知的一样，混合电路形成了四线和两线连接之间的接口)。同样的，通过两线线路，在下述中被称为近端用户的用户B被连接到另一个混合电路。两线线路传送流入和流出的语音信号两者。通过图1中上部的两线线路，来自远端用户A的流出语音被传送到近端用户B。同样的，通过图1中下部的两线线路，来自近端用户B的流出语音被传送到远端用户A。然而，用户B到用户A的下部两线线路还包括来自用户A的流出语音的回声，对于该回声，用户B处的混合电路无法将之完全抑制。同样的，图1中上部两线线路包括了来自用户B的流出语音的回声。

图2图解说明了返回到用户A的回声是怎样在近端一边(在远端也安装了同样的装置)被消除的。输入信号x(n)表示来自用户A的语音，其中n表示离散时间。输入信号x(n)被混合电路衰减，该装置由传递函数为H(q^-1)的滤波器10和加法单元14表示。在加法单元14处，将所产生的回声信号s(n)与近端信号v(n)组合，v(n)可能包括、也可能不包括近端语音。滤波器10的衰减由回声路径衰减ERL(ERL＝回声返回损耗)表示。这样，所产生的输出信号y(n)包括近端信号和来自远端信号的回声这两者。此外，输入信号x(n)也被前送到自适应滤波器12，该滤波器通过调节其滤波器系数来模拟混合电路的脉冲响应。所产生的回声信号s(n)的估计由(n)表示。在加法单元16，该估计值被从输出信号y(n)中减去(ERLE＝回声返回损耗增强表示回声衰减中已获得的改进)，所产生的误差信号e(n)被前送到自适应滤波器12用于调整滤波器系数，并被前送到返回远端用户A的两线线路上。

图2中简单方框图的一个问题是除了回声信号s(n)，信号y(n)可能还包括来自用户B的语音信号v(n)。这种情形被称作双通话。在双通话期间，自适应滤波器12将不仅尽力模拟回声信号s(n)，而且尽力模拟语音信号v(n)。这样，在双通话期间，滤波器12的自适应必须被控制。

图3图解说明了在[1，2]中描述的一种双滤波器回声消除器的方框图，该回声消除器试图解决双通话问题。不管是否存在双通话现象，自适应滤波器12被连续修正。然而，在这种情况下，加法单元16的输出仅被前送到自适应滤波器12而不被前送到双线线路返回远端用户A。与图2中不同的是，实际的回声消除由一个可编程的前台滤波器18来执行，该滤波器将回声估计值前送到加法单元22，该单元将所产生的误差信号ef(n)前送到返回远端用户A的两线线路。只要当自适应后台滤波器12被认为比可编程前台滤波器18好时，来自自适应后台滤波器12的系数就被传送到可编程前台滤波器18。这种现象通常在没有双通话的情况下发生。在双通话期间，仅在双通话情况发生之前被传送到可编程前台滤波器18的系数被保存，以用于双通话期间的回声消除。一旦双通话情况不存在了，而且自适应后台滤波器12被判定会有更好的性能，滤波器系数又一次被从滤波器12传送到滤波器18。

在[1，2]中描述的比较两个滤波器性能的方法可以被总结为如下。主要思想是比较得自两个滤波器的残留能量。这样，仅当(1)成立时，滤波器系数被传递。

            E|e_b(n)|＜μ·E|e_f(n)|       (1)

其中E(.)表示估计的残留能量大小，_μ是一个在[1]中被选择为7/8的常数。为了使该算法的性能很好，下面两个要求是必须的。

            E|e_b(n)|＜λ·E|y(n)|        (2)

            E|y(n)|＜E|x(n)|             (3)

其中_λ是一个在[1]中等于1/8(对应于-18dB)的常数。如果上面的三个条件满足，滤波器12的系数被传递给滤波器18。

上面的等式(1)意味着得自后台滤波器12的残留回声能量值应该比得自前台滤波器18的残留回声能量低(乘以因子_μ)。条件(2)意味着回声返回损耗增强(ERLE)必须已经达到一个预定的-20log_λdB的阈值。条件(3)意味着不应该存在明显的双通话情况(如果y(n)比x(n)具有更多的能量，那麽除了回声信号s(n)，它一定还包括其他信号，即近端语音)。作为另一个条件，可能要求对于一个预定时间段，例如48ms上面三个条件同时满足。

由于[1，2]的结构仅为实际回声消除使用了可编程前台滤波器18，那麽当自适应滤波器12性能更好时，其系数总被传送出是很重要的。然而，由于下面陈述的问题，这一点可能不总是发生。

如果近端一边背景噪声很大，会产生一个问题。在这种情况下，残留回声ef(n)将会被噪声淹没。这意味着上面的条件1不成立；没有激励来促使后台滤波器系数向前台滤波器的传送。

另一个问题是条件(2)要求在后台滤波器的任何传递发生之前，回声返回损耗增强ERLE应该达到18dB。然而，如果背景噪声电平很高并且回声返回损耗(ERL)也很高，这种情况永远也不会实现。

再一个问题是如果回声路径具有很高程度的非线形，则ERLE的18dB需求永远也不会满足。

由于[1，2]中的自适应滤波器12被允许持续调整，在双通话期间，它将从其最佳值处发散。这种发散不是可恢复的，这意味着在它达到与可编程滤波器同样的性能之前，在每次双通话之后，该自适应滤波器需要一个新的收敛期。这暗示着在快速交替的双工情况下，回声消除器的收敛过程的效率将变得非常低。

图4图解说明了一种使用该发明方法的回声消除器。在图4的回声消除器中，如同图3中以前技术的回声消除器一样，滤波器12是自适应滤波器，而滤波器18是可编程滤波器。然而，在图4中的回声消除器中，这两个滤波器被完全平行的使用，即为两个滤波器各得到残留信号e_a(n)和e_p(n)，决定逻辑24决定选择哪个信号作为实际的输出信号e(n)。此外，如双箭头21所指示的，两个滤波器都可被传递或复制。

根据该发明，决定逻辑24使用品质标准(4) $q_i=\frac{E{\hat{S}}_i\left(n\right)y\left(n\right)}{{\mathrm{Ee}}_i^2\left(n\right)}--\left(4\right)$

来决定哪一个残留信号：e_a(n)或e_p(n)用做实际输出信号，其中i＝a，p。现在将解释品质标准的这种选择。

考虑信号

                y(n)＝s(n)+v(n)       (5)

其中s(n)表示回声信号，v(n)表示近端噪声和语音。从(5)可以看出，(4)的分子是估计回声和实际回声的相关值，并且加入了近端语音和噪声。如果滤波器很好地适应于回声路径，那么该相关值会很高。因为_i(n)独立于v(n)，当背景噪声电平高时，qi的分子将不会变为零。然而，由于Ee_i ²(n)被用做分母，在近端语音或噪声存在时qi将会降低。这样，决定逻辑24选择残留信号e_a(n)做为最佳信号的一个方便条件是要求满足(6)

                  q_a＞Aq_P+B          (6)

这里A是一个预定因子，B是一个预定偏移量。

为了避免在明显的双通话期间选择自适应滤波器，可能还要求在自适应滤波器被选为最佳滤波器之前，下述条件成立

         q_a＞C OR[Ey²(n)＜α·NL AND q_a＞B]     (7)

这里C表示一个偏移量，它比偏移量B大。此外，_α是一个因子，NL是测量到的噪声电平。

图5图解说明了根据该发明方法的一个实施方案，其中品质标准(4)被用来确定最佳滤波器。在步骤500，下一个样本被用来在步骤510和520计算新的品质标准。步骤530执行根据条件(6)的测试。如果条件(6)满足，步骤540测试条件(7)的第一部分。如果该测试失败，包括条件(7)第二部分的另一可选分支550被测试。如果测试540、550中的一个成功，算法前进到步骤560。该步骤测试下面条件是否满足， ${\mathrm{Ee}}_p^2\left(n\right)<\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;{\mathrm{Ee}}_a^2\left(n\right)--\left(8\right)$

其中_β是一个预定因子。该步骤测试可编程滤波器是否具有比自适应滤波器更低的残留信号能量。如果情况不是这样，则自适应滤波器被选为输出滤波器，并且该滤波器被用于产生实际输出信号e(n)。另一方面，如果测试560表明可编程滤波器实际具有一个更小的残留信号能量，该滤波器将被用于在步骤580产生输出信号。同样的，如果步骤530的测试失败，并且测试540和测试550都失败了，那么可编程滤波器将被使用。

在图5中图解说明的方法的一个优选实施方案中，下面的值将被用于各种预定常数。

A＝2 B＝0  C＝1  _α＝10 _β＝1

采用这些值时，可以看到条件(6)没有[1，2]中的条件那麽保守。例如，C＝1暗示着在稳态情况下，ERLE应该高于0dB。这远远低于[1，2]中的值18dB。当Ey²(n)低于噪声电平时，该条件进一步放松到q_a＞0。

图6图解说明了根据该发明方法的一个优选实施方案。在该优选实施方案中，步骤500-560与图5中的实施方案相同。然而，与使用选出的滤波器直接产生一个输出信号不同的是，该优选实施方案根据步骤620，通过线性地组合来自两个滤波器的残留信号，使得从一个滤波器到另一个滤波器的转换平滑进行。每次自适应滤波器被选为最佳滤波器时，滤波器状态变量FS按照步骤600被增加。同样的，每次可编程滤波器被选为最佳滤波器时，滤波器状态变量FS按照步骤610被减小。计算后的滤波器状态变量FS然后在步骤620被使用以形成残留信号e_a(n)和e_p(n)之间的线性组合。这里变量_τ表示转换时间，例如128个样本期。如同可以从步骤620看到的，选中的滤波器部分将增大，而未选中的滤波器部分将减小。当滤波器在_τ样本期间内一直被选中时，平滑转换已经被完成。

步骤620执行对e_p(n)和e_a(n)的线性组合。然而，这一点不是绝对必需的。例如，尽管线性组合可能是最佳的，但也可能使用非线性加权因子。

图6中图解说明方法的目前的优选实施方案对预定常数A，B，C，_α，β使用了与图5中的优选实施方案一样的值。

图4和5中图解说明的方法都涉及选取和使用适当的滤波器来产生实际的输出信号e(n)。然而，象图4中双箭头所标示的，每一个滤波器都可以被传送或拷贝到另一个滤波器。例如，如果自适应滤波器一直比可编程滤波器性能好，最好能将自适应滤波器的系数拷贝到可编程滤波器。另一方面，在其中自适应滤波器已经发散的双通话情况之后，将可编程滤波器的系数传递给自适应滤波器可能是一个好的想法，因为可编程滤波器的估计回声可能好于发散的自适应滤波器的回声估计(在双通话情形之前的估计回声可能是双通话情形之后用于适应新的回声估计的一个好的起点)。

图7图解说明了一种用于将滤波器系数从一个滤波器传递到另一个滤波器的方法的优选实施方案，该方法与图5和6中的滤波器选择方法基于同一算法。这样，步骤500-550与图5和6中的相同。如果自适应滤波器已经被选为最佳滤波器，计数器COUNT在步骤700被增加。步骤710测试COUNT是否超过一个预定的常数T(例如2047)。如果COUNT超过T，这意味着自适应滤波器已经被选择了T次。因此，自适应滤波器被拷贝到可编程滤波器(步骤730)，并且计数器COUNT被置为0(步骤720)。这样，如果自适应滤波器一直被选取，它的(系数)就被传递给可编程滤波器。

另一方面，如果可编程滤波器已经被选为最适合的滤波器，步骤740测试是否下面两个条件都满足。

${\mathrm{Ee}}_p^2\left(n\right)<\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;{\mathrm{Ee}}_a^2\left(n\right)\mathrm{AND}{\mathrm{Ee}}_a^2\left(n\right)>{\mathrm{\&gamma;}}^2---\left(9\right)$

这些条件暗示着自适应滤波器的性能远差于(由因子_β控制)可编程滤波器，并且残留能量必须超过某个阈值_γ ²以避免在低的、非显著能量级上做决定。适当的值为_β＝1/2和_γ＝-40dBm0。如果步骤740成功，可编程滤波器被拷贝到自适应滤波器(步骤760)并且计数器COUNT被置为0(步骤750)

一直描述的这两种情况为其中滤波器系数被实际拷贝的情况。然而，如果测试710失败，算法将前进到步骤790，这暗示着没有滤波器系数被拷贝。当变量count还没有达到T值时这种情况发生。

另一种其中没有滤波器系数被拷贝的情况是当测试740失败时。在这种情况下算法前进到步骤770。步骤770测试是否下面条件满足

               Ey²(n)＞α·NL      (10)

这样，步骤770测试信号y(n)是否超过了噪声电平。如果是这种情况，则可能出现了双通话情况，因为信号y(n)可能包括了语音，而且自适应滤波器的性能没有显著好于可编程滤波器。因此，在步骤780变量COUNT被置为0来表示这确实不是将自适应滤波器(系数)传递给可编程滤波器的时候。另一方面，由于步骤740失败，所以可编程滤波器并不显著好于自适应滤波器。这样，没有任何一个滤波器(系数)被传递(步骤790)。

最后，如果步骤770失败，这表示着没有决定可以被作出，一切按原样不变(没有滤波器被拷贝，COUNT不变)。

在图7中图解说明的方法的一个优选实施方案中，使用了下面的常数：

A＝1  B＝0,125  C＝1  _α＝0  _β＝1/2  _γ ²＝-40dBm0

该技术领域的技术人员将会明白，在不偏离附带权利要求定义的该发明的思想和范围的情况下，可以对该发明做各种修改和改变。

                          参考文献

[1]K.Ochiai et al，“具有两个回声路径模型的回声消除器”，IEEETransactions on Communications，25(6)：589-594，June 1977

[2]US，A，3 787 645

Claims (12)

1.一种在自适应回声消除器中确定表示滤波器性能的品质标准的方法，其特征在于下面步骤：

估计包括信号(y(n))的回声与由所述滤波器产生的回声估计信号((n))之间的相关值；

估计由所述回声估计信号((n))与所述包括信号(y(n))的回声之间的差值形成的残留信号(e(n))的功率值；以及

通过将所述的估计相关值除以所述的估计功率值来计算所述的品质标准(q)。

2.权利要求1的方法，其特征在于除了回声以外，所述的包括信号(y(n))的回声可能还包括在所述的回声消除器附近产生的噪声和语音信号。

3.一种自适应双滤波器回声消除方法，其中自适应滤波器和可编程滤波器(12，18)都被用于估计回声信号，其特征在于以下步骤：

估计包括信号(y(n))的回声与自适应滤波器回声估计信号(_a(n))之间的第一相关值；

估计由所述自适应滤波器回声估计信号(_a(n))与所述包括信号(y(n))的回声之间的差值形成的第一残留信号(e_a(n))的第一功率值；

通过将所述的估计第一相关值除以所述的估计第一功率值来确定自适应滤波器品质标准(q_a)；

估计所述的包括信号(y(n))的回声与可编程滤波器回声估计信号(_p(n))之间的第二相关值；

估计由所述可编程滤波器回声估计信号(_p(n))与所述包括信号(y(n))的回声之间的差值形成的第二残留信号(e_p(n))的第二功率值；

通过将所述的估计第二相关值除以所述的估计第二功率值来确定可编程滤波器品质标准(q_p)；

比较所述的自适应滤波器品质标准(q_a)与所述的可编程滤波器品质标准(q_p)来判定是否所述的自适应滤波器或所述的可编程滤波器给出了所述回声信号的最佳估计。

4.权利要求3的方法，其特征在于

只有在下面条件(530)成立时，选择所述的自适应滤波器做为给出所述回声信号最佳估计的滤波器：

(i)所述自适应滤波器品质标准(q_a)超过第一预定偏移量(B)与一个乘积值的和，该乘积为所述可编程滤波器品质标准(q_p)与预定第一因子(A)的乘积；及

如果条件(i)不满足，选择所述的可编程滤波器为给出所述回声信号最佳估计的滤波器。

5.权利要求4的方法，特征在于

只有在下面进一步的条件(540，550)中至少有一个成立时，选择所述的自适应滤波器为给出所述回声信号最佳估计的滤波器。

(ii)所述的自适应滤波器品质标准(q_a)大于一个第二预定偏移量(C)，该偏移量大于所述的预定第一偏移量(B)；以及

(iii)所述的自适应滤波器品质标准(q_a)大于所述的第一预定偏移量(B)，并且所述的包括信号y(n)的回声的估计第三功率值小于测量到的噪声电平(NL)与一个第二预定因子(_α)的乘积；

如果条件(ii)和(iii)都不满足，选择所述的可编程滤波器为给出所述回声信号最佳估计的滤波器。

6.权利要求5的方法，特征在于

只有在下面进一步的条件(560)不满足时，选择所述的自适应滤波器为给出所述回声信号最佳估计的滤波器：

(iv)所述的估计第二功率值小于所述的估计第一功率值与一个第三预定因子(_β)的乘积；

如果条件(iv)满足，选择所述的可编程滤波器为给出所述回声信号最佳估计的滤波器。

7.权利要求4，5或6的方法，特征在于使用(570，580)选出的滤波器用来估计所述的回声信号。

8.权利要求4，5或6的方法，特征在于组合(620)所述的第一和第二残留信号(e_a(n)，e_p(n))，加大对应于选中滤波器的残留信号部分，减小对应于未被选中的滤波器的残留回声部分。

9.权利要求7或8的方法，特征在于所述的第一预定因子等于2，所述的第一预定偏移量等于0，所述的第二预定偏移量等于1。

10.权利要求5的方法，特征在于

如果所述的可编程滤波器被选择并且下面的条件(740)都满足，将所述可编程滤波器拷贝(760)到所述自适应滤波器：

(iv)所述的估计第二功率值小于所述的估计第一功率值与一个第三预定因子(_β)的乘积；

(v)所述的估计第一功率值大于一个预定常数(_r ²)；

11.权利要求10的方法，特征在于

每次所述自适应滤波器被选中时进行计数(COUNT)；并且

当自适应滤波器已经被选择了预定的次数(T)时，将所述的自适应滤波器拷贝(730)到所述的可编程滤波器。

12.权利要求11的方法，特征在于所述的第一预定因子等于1，所述的第一预定偏移量等于0.125，所述的第二预定偏移量等于1。

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