CN1242651A - 用于具有解码器的装置的回声消除器及其方法 - Google Patents

Abstract

一种回声消除器(300),用于采用了数字话音解码器(106)的数字通信装置中。该回声消除器(300)在话音解码器(106)的输出端(303)接收线性预测残留和线性预测误差。在滤波器系数发生电路(304)内分两步形成自适应滤波器(110)的系数修正方向,第一步,从解码器(106)的输出形成在线性预测残留域内的修正方向。第二步,在滤波器系数发生电路(304)内将修正方向从残留域变换到话音域,从而获得系数调整要用的修正方向。

Description

用于具有解码器的装置的回声消除器及其方法

本发明涉及回声消除器，尤其涉及用于数字通信装置的快速收敛回声消除器。

在一些双向通信系统中，对以相反方向发送的信号采用不同的通路。在这种系统中，在一个通路中的信号可能反射进入另一个通路。这些通常被称为回声信号的反射信号会干扰想要的通信信号。因此，人们已开发了回声消除器以抑制反射信号。

回声消除器采用自适应滤波器来估计反射进入某一信号通路中的回声信号。从包括回声信号的信号通路中减去回声估计，产生基本上无回声的，或者说回声被抑制的信号。

最小均方(LMS)自适应滤波器具有相对简单的结构，并且计算稳定、高效，所以被广泛用于回声消除器来估计回声信号。然而，当用于诸如电话会议和免提蜂窝通信的声频回声消除应用中时，LMS自适应滤波器存在收敛速度慢的问题。

LMS自适应滤波器的另一缺点是它们对回声信号的抑制通常不超过30dB(分贝)。在通常的声频应用中，回声信号非常强，有时甚至与想要的通信信号相当。在这样的环境下，自适应滤波器必须快速收敛以模拟快速变化的回声通路，并且急切希望能将回声信号抑制至少40dB。如果不满足这两个要求，则会出现大的回声估计误差，并且这些大的误差又会导致想要的通信信号的信号质量严重降低。

线性预测方法已被用来提高回声消除器的收敛速度。美国专利4,672,665公开了一种回声消除器，它估计远端话音信号的线性预测滤波器系数，然后用该线性预测滤波器系数来进行远端和近端话音信号的滤波。分别用经滤波的近端和远端信号来代替原来的近端和远端信号，从而再从经滤波的远端和近端信号进行回声消除器的自适应。经滤波的远端信号比原始信号更接近白随机过程信号，这样收敛速度就提高了。

美国专利4,697,261公开了一种用于数字通信装置的回声消除器，其中采用了基于线性预测的话音编码器、回声消除器。该回声消除自适应滤波器利用了可得到的话音编码器的线性预测滤波器残留信号。该回声消除器还利用了近端输入信号的线性预测反向滤波器的系数。

然而，这些回声消除器对近端噪声信号都非常敏感。它们的操作不是足够的可靠，不能确保用户在整个呼叫过程中都清晰通话。这样，它们的应用就受到了很大的限制。

在诸如数字移动免提(hands-free)电话和数字免提电话装置等采用了线性预测的环境中，尤其需要一种收敛迅速、稳定、高抑制、噪声稳健并且计算高效的自适应滤波器。在这种环境中的回声通路变化快，回声强，背景噪声信号大。因此，需要回声消除器的自适应滤波器收敛迅速，并且对回声信号的抑制超过40dB。人们还希望回声消除器计算高效，从而能在一个相对小的具有低电流消耗特性的电路中实现。人们还希望这么一种回声消除器能利用现有通信装置中的电路的优点。

因此，在那些有声频回声，并且回声通路变化快，回声信号强，而且存在近端噪声的环境中，仍须一种稳定、收敛迅速、噪声稳健(robust)，并且计算高效的自适应滤波器，并且在某些环境下能完全利用现存电路的优点。

图1是根据现有技术的回声消除器的电路原理图；

图2是根据现有技术的回声消除器的电路原理图；

图3是一种回声消除器的电路原理图；

图4是根据图3的回声消除器的电路原理图；

图5是说明根据图3和4的回声消除器的工作的流程图。

在接收通路中包括一个话音解码器的通信装置中实现了一个回声消除器。该回声消除器从该话音解码器接收线性预测残留采样和一个线性预测误差信号。在线性预测残留域内形成回声消除器系数的修正方向。在残留域内的修正方向被转换为话音域内的修正方向。用变换得来的话音域修正方向来执行回声消除器的系数调整。通过从线性预测残留域到话音域的变换计算修正方向，可以获得最优的修正方向。这种回声消除器能更快地调整到回声通路上，更大程度地抑制回声信号，同时保持稳定、高效及噪声稳定。

一种传统的最小均方(LMS)回声消除器100如图1所示。这种装置按装在一个包括麦克风104和扬声器102以进行免提操作的通信装置101中。与扬声器102相连的接收通路包括一个解码器106和一个与收发信机120的接收器的输出相连的数/模(D/A)变换器。与麦克风104相连的发射通路包括一个模/数(A/D)变换器114，一个合成器112和一个与收发信机120的发射机输入相连的编码器116。信号x(n)，y(n)和e(n)是数字信号。当按装在诸如蜂窝移动电话，卫星电话，无绳电话等无线电话上后，收发信机120与天线122相连。

通信装置101可以是如上所述的无线电话，免提电话会议装置或任何其它合适的通信装置。本领域的技术人员将认识到这种回声消除器100可以用在具有数字电路的双向通信装置中。解码器106是一个诸如数字蜂窝无线电话等数字装置中的数字解码器。编码器116是用在诸如数字蜂窝无线电话等数字装置中的数字编码器。

下面将参照图1描述一种回声消除器100。当前采用点是n，远端话音采样x(n)输出到扬声器102，近端音频信号y(n)是从麦克风104接收到的信号。为了描述的方便，假定信号x(n)和y(n)是同步的，即数/模转换器108和模/数转换器114使用相同的时钟。近端音频信号y(n)包括一个近端话音信号s(n)，一个回声信号t(n)和一个近端噪声信号N(n)。回声信号t(n)是扬声器102的输出信号x(n)中被反射回到麦克风104的那部分。噪声N(n)可以是例如汽车车厢的环境噪声。

在下面的讨论中，假设在近端话音s(n)为零(即不存在近端话音s(n))的情况下执行自适应滤波器系数的调整。在近端话音和远端话音都存在的情况下，通常称作通话重叠(dousle-talk)状态下，需要停止自适应调整。用于检测这种情形的双对话检测器，以及如何在这种条件下阻止自适应调整是本领域所熟知的，为了简单起见下面将不再详细描述。因此，如这里所指，近端音频信号y(n)只包括一个回声信号t(n)和一个噪声信号N(n)。

回声消除器100包括一个系数发生电路109和一个FIR滤波器110以模拟一个回声通路。FIR滤波器110产生的回声估计z(n)与信号y(n)在合成器112中混合以消除，或抑制回声信号。回声估计误差e(n)是回声估计z(n)和近端信号y(n)之间的差值。由系数发生电路109基于远端话音采样和回声估计误差来更新FIR滤波器110的系数。

在时间n，FIR滤波器110的系数矢量W(n)＝[w₀(n)w₁(n)…w_L-1(n)]^T，其中L是FIR滤波器110的长度，上标T(即[]^T)表示矢量或或矩阵的转置。由L个所接收到的远端话音采样形成的矢量是X(n)＝[x(n)，x(n-1)，…，x(n-L+1)]^T。FIR滤波器110的回声估计Z(n)是Z(n)＝X(n)^TW(n)                                     (1)

FIR滤波器110的回声估计误差e(n)是：

e(n)＝y(n)-z(n)                                 (2)

FIR滤波器110的系数矢量W(n)根据下列等式来更新： $W(n+1)=W\left(n\right)+\frac{\mathrm{\μ}}{{\left|\right|X\left(n\right)\left|\right|}^2}e\left(n\right)X\left(n\right)----\left(3\right)$ 其中μ表示自适应步长，并且‖X(n)‖²＝X(n)^TX(n)。

一种线性预测回声消除器200如图2所示。回声消除器200用在具有根据现有技术的基于线性预测的话音解码器106的数字通信装置中。

解码器106产生线性预测滤波器系数{α_k|k＝1，2，…，p}，这些系数将被该解码器以常规方式使用并在输出203被送往线性预测误差滤波器(A(Z))205和预加重滤波器(P(Z))206，其中P是线性预测误差滤波器的阶数。

解码器106还产生一个线性预测残留信号d(n)，通过输出端202输出。线性预测残留信号d(n)由解码器内部使用，并且也被送往滤波器系数修正电路204。滤波器系数修正电路还通过一个预加重滤波器206和一个反向线性预测误差滤波器(1/A(Z))205连接以接收输出端208的回声残留信号e(n)。滤波器系数修正电路产生系数(W(n))，输入到有限脉冲响应(FIR)滤波器110，FIR滤波器110产生一个回声估计Z(n)。

FIR滤波器110产生的回声估计Z(n)与信号y(n)在合成器112中混合以消除或抑制回声信号。回声估计误差e(n)是回声估计Z(n)和近端信号y(n)之间的差值。FIR滤波器110的系数矢量由基于线性预测残留信号d(n)的系数发生电路204和在输出端207的经滤波的回声消除误差信号来修正。系数发生电路204与上面讲的LMS回声消除器一样，除了远端信号和回声消除误差信号分别被它们各自的滤波结果代替。

由于反向线性预测滤波了滤波器205中的近端信号y(n)，所以基于图2的回声消除器对近端噪声信号非常敏感。近端信号y(n)的反向线性预测滤波显著放大了近端噪声信号的功率，这是因为通常线性预测滤波器有很大的增益。另外，自适性回声消除器的性能依赖于近端噪声信号的功率。近端噪声信号的功率越高，自适应滤波器系数的误差越大，并且回声消除器的收敛速度也越慢。这样，近端信号的反向滤波对回声消除器的快速精确收敛能力造成了有害的影响。

改进的回声消除器300的系统结构如图3所示。回声消除器与话音解码器106一起工作，该话音解码器106可以用任何合适的基于线性话音解码的解码器实现，这是本领域的技术人员所熟知的，并且因此而不在这里进行更详细的描述。这种解码器用在数字蜂窝系统中，例如那些基于全球移动通信系统(GSM)标准的数字蜂窝系统。

回声消除器300可以用微处理器，数字信号处理器，微计算机，计算机或任何其它合适的电路实现。回声消除器300包括在输出端303输出残留信号d(n)和线性预测误差滤波器系数{α_k|k＝1，2，…，P}，其中P是线性预测误差滤波器的阶数。线性预测误差滤波器的传输函数是 $A\left(Z\right)=1+\underset{K1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_K{Z}^{-K}----\left(4\right)$

因为数字通信装置中的话音编码器通常以帧为基础操作，所以回声消除器300对所接收的音频采样操作也以帧为基础。接收到的音频采样包括从远端来的输出到扬声器102的信号采样，和从麦克风104来的近端输入。从远端来的音频采样和从近端来的音频采样是同步的。回声消除器的帧长K不一定要与话音编码器的帧长相同。一旦从远端和近端都收到了一个具有K个新音频采样的帧，新回声消除器就开始操作。接收到的K个远端话音采样是x(n)，x(n-1)，…，x(n-k+1)，接收到的K个近端信号采用是y(n)，y(n-1)，…，y(n-k+1)，其中n是当前采样时刻。

FIR滤波器的系数矢量在系数矢量发生电路304中修正，系数矢量发生电路是一个系数修正电路。在FIR滤波器110中用经修正的系数对K个接收到的音频采样、输入信号采样进行回声消除。时间索引i在K个新接收到的音频采样的时间范围内，即n≤i≤n-k+1。W(i)＝[W₀(i)(W₁(i)…w_L-1(i)]^T是FIR滤波器110在时间i的系数矢量，L是FIR滤波器110的长度，X(i)＝[x(i)x(i-1)…x(i-L+1)]^T是在时间i接收到的L个远端话音采样矢量。L可以比K小，也可以比K大。

回声消除器300对K个接收到的采样，即i＝n-k+1，n-k+2，…，n，一个一个地进行回声消除。回声消除器300：

在i＝n-k+1，用系数矢量W(n-k+1)完成回声消除，将系数矢量W(n-k+1)修正为系数矢量W(n-k+2)；

在时间i＝n-k+2，用系数矢量W(n-k+2)完成回声消除，并将系数矢量W(n-k+2)修正为系数矢量W(n-k+3)；

在每个连续的采样点上继续进行这样的操作，直到最后一个采样点，即i＝n，这时用系数矢量W(n)完成回声消除，并将系数矢量W(n)修正为系数矢量W(n+1)；

然后等待下一帧的到来，并对该帧重复以上处理。

在一个特定的时间i，自适应回声消除器的回声估计误差为：

e(i)＝y(i)-X(i)^TW(i)                          (5)其中y(i)是在时间i的近端音频采样。

在时间i，在系数矢量发生电路304的方向修正电路402内建立线性预测残留域内的自适应回声消除器的系数矢量修正方向。L线性预测残留采样d(i)，d(i-1)，…，d(i-L+1)从话音解码器获得。在线性预测残留域内的自适应回声消除器的系数矢量修正方向是Q(i)，其中 $Q\left(i\right)=\frac{\mathrm{\μ}}{{\left|\right|D\left(n\right)\left|\right|}^2}e\left(i\right)D\left(i\right)----\left(6\right)$ 其中D(i)＝[d(i)，d(i-1)，…，d(i-L+1)]^T，Q(i)＝[q₀(i)，q₁(i)，…，q_L-1(i)]^T，μ是自适应调整步长，‖D(i)‖²＝D(i)^TD(i)。

在方向修正电路402内获得系数矢量修正方向后，在交换电路404将修正方向变换到话音域。在话音域内的修正方向的计算基于A(z)和Q(i)。关于修正方向和变换在共同未决的美国专利申请中描述，其系列号为08/923,574，名称为《方向变换回声消除器及其方法》，由李彤红(Tom Hong Li)于1997年9月4日申请，其所公开的内容被合并至此以作参考。

在话音域内，自适应回声消除器的系数矢量修正方向为G(i)＝[g₀(i)g₁(i)…g_L-1(i)]^T。为G(i)的每个分量的计算都通过下式进行： $g_j\left(i\right)=q_j\left(i\right)+\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_k{q}_{j-k}\left(i\right),j=\mathrm{0,1},...,L-1----\left(7\right)$ 其中为了完成上述方程的计算，对于j＝-1，-2，…，-p，假定g_j(i)＝0。

求出G(i)后，可以在系数修正电路406内用下式直接对自适应回声消除器的系数乔量进行修正：

W(i+1)＝W(i)+G(i)                           (8)

其中W(i+1)是经修正的系数矢量，用于在时间i+1的下一个采样。

下面将参照图4和5对回声消除器300的操作进行一下小结。如方框502所示，回声消除器在电路304内产生自适应滤波器的当前系数。然后，如方框504所示，在电路402内计算在线性预测残留域内的修正方向。如方框506所示。该修正方向在电路404内被转换到话音域，然后，如方框508所示，在修正系数发生电路406内产生经修正的系数。经修正的系数被输入有限脉冲响应(FIR)滤波器110，产生一个回声消除信号。本领域的技术人员将能认识到电路402，404，和406可以在数字信号处理器(DSP)，微处理器，微控制器或实现该系数矢量修正电路304的计算器内实现，或者还可以在同时实现了系数矢量修正电路304的单独的可编程逻辑电路内实现。

虽然LMS回声消除器的收敛速度慢，但它简单，稳定而且计算高效。回声消除器300最好采用一个FIR滤波器来利用LMS回声滤波器的这些特性，同时又通过使用改进的修正方向提高调整收敛的速度。由于用一个线性预测误差滤波器对远端和近端信号都进行了滤波，回声消除器200对近端噪声非常敏感。然而由于回声消除器300对修正方向进行了转换，所以不需要对近端信号进行线性预测滤波。相应地，它也比回声消除器200更稳健。这种改进的回声消除器容易实现，并且稳定，稳健，计算高效。

模拟结果显示回声消除器300在噪声环境下很稳健，修正方向变换提供了更快的收敛速度，和更高的回声抑制。本领域的技术人员应能理解，这种对调整方向进行变换的优点也能在非LMS回声消除器中被采用。因此，这里所用的“自适应滤波器”和“回声消除器”并不限于LMS自适应滤波器和LMS回声消除器。人们还可以想到，将该种回声消除器与通话重叠检测器一起安装，从而在近端信号和远端信号同时出现时停止自适应调整。

Claims (8)

1.在一个用于数字通信装置的回声消除器中产生一个修正方向的方法，所述回声消除器包括一个自适应滤波器，所述数字通信装置在信号接收通路中包括一个话音解码器，用以解码接收信号并产生输出信号以驱动扬声器，该方法包括下列步骤：

从话音解码器输出线性预测信号；

利用该线性预测信号在自适应滤波器内计算在线性预测残留域内的修正方向；

利用该线性预测信号将修正方向从线性预测残留域变换到话音域，从而产生一个话音域修正方向，用来修正自适应滤波器的系数。

2.如权利要求1的方法，其中输出线性预测信号的步骤包括输出线性预测残留，并且所述在自适应滤波器内计算一个在线性预测残留域内的更新方向的步骤利用了所述线性预测残留。

3.如权利要求1的方法，其中输出线性预测信号的步骤包括输出线性预测系数，并且所述将修正方向从线性预测残留域变换到话音域的步骤利用了所述线性预测系数。

4.如权利要求3的方法，其中所述将修正方向从线性预测残留域变换到话音域的步骤包括利用一个有限脉冲响应滤波器来滤波所述修正方向以获得话音域内的修正方向。

5.如权利要求3的方法，其中所述将修正方向从线性预测残留域变换到话音域的步骤包括利用一个线性预测误差滤波器将所述修正方向变换到话音域。

6.如权利要求5的方法，其中将修正方向从线性预测残留域变换到话音域的步骤包括根据 $g_n\left(i\right)=q\left(i\right)+\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_k{q}_n(i-k)$ 来计算话音域内的修正方向g_n(i)，其中L是自适应滤波器的长度，P是线性预测误差滤波器的阶数，Q(i)＝[q₀(i)，q₁(i)，…q_L-1(i)]^T是在线性预测残留域内的修正方向，G(i)＝[g₀(i)，g₁(i)，…g_L-1(i)]^T是话音域修正方向，{α_k}是线性预测误差滤波器的系数。

7.如权利要求1的方法，其中通信装置包括一个与麦克风相连的输入端，用于输入近端信号；和一个基于线性预测的话音编码器，该编码器将消除了回声的信号编码成适于传输的信息位，方法还包括下列步骤：

从解码器获得一个线性预测滤波器系数；

从解码器获得一个线性预测残留信号；

其中计算步骤包括从线性预测残留信号为回声消除器在线性预测残留域内形成一个修正方向的步骤：

其中在一个线性预测误差滤波器内将修正方向从预测残留域变换到话音域的步骤利用了该线性预测系数；并且还包括基于当前系数和话音域内的修正方向产生自适应滤波器的修正系数的步骤。

8.如权利要求1-7的方法，其中所述装置是免提扬声器电话。

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