CN1322427A - 在回波消除系统中减轻麦克风过载效应的方法和装置 - Google Patents

Abstract

回波和噪声消除的方法和装置,用于解决包括回波和/或噪声的源信号偶尔饱和带来的问题,并控制消除滤波器的自适应,使这种源信号饱和带来的有害影响最小。根据示例性的实施方案,只有当源信号的主值在源信号可能值的预定范围之内时,才更新自适应滤波器的滤波器系数。因此,滤波器的响应不受源信号饱和的影响,即使是刚刚发生过饱和,这个自适应滤波器也能继续提供高质量的回拨抑制性能。

Description

在回波消除系统中减轻麦克风过载效应的方法和装置

发明背景

本发明涉及通信系统，具体而言，涉及双向通信链路里的回波消除方法。

在很多通信系统里，例如陆线和无线电话系统，经常通过双向通信链路在两个系统用户之间传输话音信号。在这些系统里，近端用户的语音一般都是用近端麦克风在通信链路的一端进行检测的，然后通过这条链路传输给远端扬声器，再现给远端用户。相反，远端用户的语音由远端麦克风检测到，然后经过这条通信链路传输给近端扬声器，再现给近端用户。在通信链路的任一端，附近麦克风检测到的扬声器输出信号可能无意间经通信链路传输回去，引起对用户来说无法接受的强烈反馈，也就是回波。此外，如果这个回路的环路增益在任何一个听得见的频率上大于1，那么这个系统就会出现“啸叫”，这在本领域里众所周知。

因此，为了避免传输这种不需要的回波信号，应当尽可能地将麦克风的音频输入信号跟扬声器的输出信号隔离开来。对于普通电话的手机，手机麦克风离用户嘴巴很近，同时手机扬声器基本上盖住了用户的耳朵，很容易实现必需的隔离。但是，由于移动电话的体积减小了，并且免提式扬声器电话也越来越普遍，制造商已经转向设计这样的电话，其中从扬声器到麦克风的音频路径不会被用户的头或身体阻挡。因此，现代系统越来越需要更加复杂的回波抑制技术。

在免提汽车电话的情况下，这一需要尤其迫切，在那里，封闭的汽车环境会引起扬声器信号多次反射，从而返回高增益免提麦克风。车内用户的运动和回波信号相对方向与强度的改变，例如打开和关上窗户，或者用户开车时移动他的头部，使得汽车环境中回波抑制的任务变得更复杂。另外，最新开发的数字电话是通过声码器处理语音信号的，这些声码器会引入显著的信号延迟并导致非线性信号失真。众所周知，从用户角度看，这些长时间的延迟会使信号回波这个问题更加严重，而且一旦语音信号通过了声码器，附加的非线性失真会使回波抑制变得非常困难。

按照惯例，用回波消除电路实现了回波抑制，回波消除电路利用自适应滤波器来估计和消除麦克风输出中的回波信号，从而只有近端的语音和噪声信号在通信链路上传输。例如，1995年12月12日颁布，标题是“利用回波估计修正误差信号的回波消除系统和方法”的第5475731号美国专利，以及1995年12月27日提交，序列号为08/578944，标题是“自适应滤波器的标准收敛(gaugingconvergence)”的美国专利申请，在这里将它们一并引入作为参考。例如，1997年5月7日提交，序列号为08/852729，标题是“用于通信系统的一种改进了的回波消除器”的美国专利申请，1998年1月9日提交，序列号为09/005149，标题是“通信系统中改善回波抑制性能的方法和装置”的美国专利申请，和1998年1月9日提交，序列号为09/005144，标题是“通信系统中控制回波抑制的方法和装置”的美国专利申请，都介绍了这种自适应滤波技术的最新进展，在这里将它们一并引入作为参考。

尽管上述自适应滤波技术一般都非常有效，并具有某些优点，但是实践经验已经证明，当源信号(比方说近端麦克风信号)饱和时，这些自适应滤波技术都不能很好地工作。换句话说，源信号幅度超出或者接近信号处理路径中元件允许范围的边界的时候，这些自适应滤波技术的回波消除性能在饱和的时候或饱和以后明显地变差了。在实际应用中这是一个明显的缺点，因为在很多回波消除应用中源信号饱和是经常出现的。例如，在移动电话的情况中中，麦克风一般都放在用户嘴巴的正前方，由爆破音(比方说“p”)引起的高声压经常使麦克风和/或连在麦克风后面的模数转换器过载。因此，需要改进过的方法和装置，用来消除经常会饱和的源信号的回波。

发明简述

本发明通过用回波消除方法和装置来满足上述和其它需要，其中包括源信号的回波会偶尔饱和，其中对回波消除滤波器进行控制，以便将这种饱和的有害影响减到最小。按照示例性的实施方案，只有当源信号带符号的幅度在可能值的预定范围内时(比方说，在一个信号的预置门限之上或之下，或者在两个单独预置门限之间)，才更新自适应滤波器的滤波器系数。这样，滤波器的响应不受饱和影响(即源信号幅度处于预定范围之外的情况)，即使是在源信号饱和周期之后，自适应滤波器仍然具有优良的回波抑制性能。

在第一个示例性实施方案中，本发明的通信装置包括一个麦克风、一个扬声器、基于扬声器输入信号估计麦克风输出信号回波分量的一个自适应滤波器和从麦克风的输出信号中去除回波估计从而提供消除了回波的输出信号的一个加法器。按照这个实施方案，只有当麦克风输出信号的主值(prevailing value)在可能输出信号值的一个预定范围之内时，才更新自适应滤波器的滤波器系数。例如，只有当麦克风输出信号的主值在一个信号的预定门限之上或之下，或者在两个预定门限之间时，才更新自适应滤波器的滤波器系数。针对样本更新滤波器系数时，只有当麦克风输出信号的对应采样值在预定值范围内时才进行更新。但是，在针对块更新滤波器系数时，有当麦克风输出信号对应的多个(也就是一个或者更多)采样值中每一个都在预定值范围内时才进行更新。

在另一个示例性实施方案中，通信装置包括一个自适应系统，用来估计信号分量，其中，只有当信号主值在信号可能值的预定范围内时，才更新自适应系统的变量。信号分量可以是，例如，回波分量和/或噪声分量，并且能够把这个装置配置成，例如，声音回波消除器、网络回波消除器、噪声抑制器或频谱相减处理器。

下面参考附图中的说明性实例，对本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点作详细说明。本领域的专业人员会明白，这里描述的实施方案是为了进行说明，使大家能够理解本发明，从这些实施方案可以想出其它许多等价的实施方案。

附图简述

图1是一个示例性回波消除装置的框图，其中采用了本发明的技术。

图2是一个流程图，它说明本发明中减小麦克风饱和影响的一种示例性方法的步骤。

发明详述

图1说明能够采用本发明的技术的一个示例性的回波消除系统100。如图所示，这个示例性系统100包括一个麦克风110、一个扬声器120、一个加法器130和一个自适应滤波器140。近端声音，包括近端语音、噪声和扬声器回波，被麦克风110的声音输入端收到，麦克风110的音频输出u被传递给加法器130的相加输入端。加法器130提供的音频输出，或者误差信号e被反馈给自适应滤波器140，也为回波消除系统100提供一个消除了回波的输出信号。另外，远端信号x，包括远端语音、噪声和可能的近端回波，被传递给自适应滤波器140的一个音频输入端和扬声器120的一个音频输入端。

在工作的时候，用一个模数转换器对包括回波的近端信号u采样(图1中没有画出)。然后，用加法器130从麦克风信号u采样中减去自适应滤波器140产生的回波估计y，提供消除了回波的输出信号e。这个输出信号e，在本领域中也称为误差信号(因为对于完全消除没有近端语音也没有近端噪声的时候，这一输出信号应当是零)，被反馈给自适应滤波器140，用来生成回波估计y。具体而言，自适应滤波器140生成的回波估计y，是通过将远端信号x(也用图1中没有画出的部件进行采样和内插)的样本跟传输函数h的系数做卷积运算来得到的，这个函数通常都按照某种最小均方(LMS)或者归一化最小均方(NLMS)算法进行更新。例如，根据最基本的LMS算法，图1中各种信号为： $y\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i\left(n\right)\·x(n-i)$

    e(n)=u(n)-y(n)h_i(n+1)=h_i(n)+c·e(n)·x(n-i),i=O...m-1这里的变量c是一个更新增益(an update gain)，它决定了滤波器140适应近端回波路径里的变化的速率。前面引用的美国专利和美国专利申请(参见前面发明背景里的内容)中的每一个都描述了一个或多个这种方法的变体，每个变体都具有某些优点。但是，本领域的技术人员会明白，这个示例性的LMS算法，以及前面引用的专利和专利申请中的算法，只是用作说明，这里介绍的本发明，同样适用于能用于回波消除的任何形式的自适应滤波器。

如上所述，麦克风信号u的饱和(举例来说，当信号幅度超过或接近麦克风后面模数转换器输入范围的极限时)会引起回波消除性能显著下降。经验研究表明，这种下降是信号饱和期间声回波路径强烈的非线性引起的。因此，传统的回波消除器试图在饱和期间改变成虚假的回波路径，一旦饱和周期结束，传统回波消除器的传输函数估计的准确度，常常低于饱和前的估计。所以，传统回拨消除器常常会放过电平无法接受的回波，直到它有时间重新训练饱和后的传输函数为止。

通过在信号饱和期间限制、停止或暂停滤波器系数的更新，本发明能够避免对回波消除器传输函数进行这种虚假训练。这样一来，主要的滤波器传输函数就不受信号饱和的虚假影响，并且，本发明的回波消除器也不会那么容易地因为信号饱而导致性能下降。

图2是说明示例性方法200的步骤，本发明的这种方法用来减轻源信号饱和的影响。如图所示，这种针对采样的方法200从步骤210开始，在步骤220中读取近端和远端信号的采样值u(n)、x(n)。在步骤230中，根据近端和远端信号采样值u(n)、x(n)计算回波估计的样本y(n)(例如，利用上述LMS卷积)，在步骤240里，通过从近端样本u(n)中减去回波估计样本y(n)来计算误差信号e(n)的样本。在步骤250中，判断近端信号的采样值u(n)的绝对值是否大于或等于一个预定饱和常量或门限K_SAT。如果近端信号采样值u(n)的绝对值大于或等于饱和常量K_SAT(表明输入信号u发生了饱和)，就不更新滤波器系数h_i，并立即从步骤220开始重新处理输入的下一个采样值。但如果近端信号采样值u(n)的绝对值小于饱和常量K_SAT(表明输入信号u没有饱和)，就在步骤220处理下一个输入采样值之前，更新滤波器系数h_i(例如，利用一种LMS或NLMS形式的算法)。如前所述，例如，在前面引用的08/852729号美国专利申请(题目是“用于通信系统的一种改进了的回波消除器”，1997年5月7日提交)中，如果滤波器系数h_i是针对块进行计算的(也就是说，每输入一块1个样本就更新一次)，那么，如果输入的这一块中任何一个样本，或者样本的任何子集，发生了饱和(例如，有一个绝对值大于饱和常量K_SAT)，就可以跳过针对整个这一块进行的滤波器系数的更新。

可以根据近端信号处理路径中采用的部件类型来设置饱和常量K_SAT的值。例如，如果用采样类型的模数转换器对麦克风信号u进行数字化，那么饱和常量K_SAT就可以设置成模数转换器输入范围的满量程值或者接近这一满量程。但如果采用的是∑-Δ类型的模数转换器(例如，在很多移动电话应用中经常使用以64kHz的采样率采样，然后进行低通滤波并通过十中抽一得到8kHz的样本)，那么，可以根据系统设计者是否能够使用较高的采样率(例如64kHz采样率)来设置饱和常量K_SAT的值。例如，如果采用有现货的∑-Δ转换器，那么回波消除器设计者就不能使用较高的内部采样率，饱和测试可以在较低的输出采样率下进行。在这样的情况下，可以将饱和常量K_SAT设置成低于满量程的值，从而将对∑-Δ转换器中最坏情况下的振铃效应考虑在内。另一方面，如果用为回波消除而设计的数字信号处理器实现∑-Δ转换，就可以直接用较高的采样率进行饱和测试，确保检测到所有端周期饱和。在上述所有情形中，可以将饱和常量K_SAT减小成低于满量程的值，将近端信号处理路径部件引入的模拟压缩。

近端信号u(n)的绝对值跟一个信号饱和常量的比较(也就是图2中的步骤250)，仅仅是确定是否更新系数的一个可能技术。或者，近端信号u(n)带符号的幅度值可以跟一个饱和常量比较(只有当这个带符号的幅度值高于或低于这个信号饱和常量时，才进行更新)，或者跟两个或多个不同的饱和常量比较(例如，只有当这个带符号的幅度值在两个特定饱和常量之间时，才进行更新)。总之，可以根据近端信号u(n)的值是否在可能值的一个预定范围、区域或窗口内，来判断是否应该进行更新。不论哪种情况，在系统的工作过程中，这一个或多个饱和门限都可以进行静态或者动态调整。

本领域的技术人员会明白，本发明不限于这里的具体示例性实施方案，这些实施方案是为了进行说明的，还有许多别的实施方案。例如，尽管描述这个示例性实施方案的时候针对的是声回波，但是本发明的思想同样适用于网络环境的回波消除(例如，混合连接失配产生的回波)。的确，本发明的技术在用自适应系统处理源信号的情况下(例如自适应噪声消除器或频谱相减处理器这种情况)都能应用。因此，本发明的范围由这里附加的权利要求加以定义，而不是由前面的说明来定义，并且还包括符合权利要求的所有等价方案。

Claims (37)

1．一种通信装置，包括：

一个麦克风；

一个扬声器；

一个自适应滤波器，用来基于所述扬声器输入信号估计所述麦克风输出信号的回波分量；和

一个加法器，用来从麦克风输出信号中去除回波估计，从而提供一个消除了回波的输出信号，

其中只有当所述麦克风输出信号的主值在输出信号可能值的预定范围之内时，才更新其中自适应滤波器的滤波器系数。

2．权利要求1的通信装置，只有当所述麦克风输出信号的主值低于一个预定门限时，才更新其中自适应滤波器的滤波器系数。

3．权利要求1的通信装置，只有当所述麦克风输出信号的主值高于一个预定门限时，才更新其中自适应滤波器的滤波器系数。

4．权利要求1的通信装置，只有当所述麦克风输出信号的主值低于第一个预定门限而高于第二个预定门限时，才更新其中自适应滤波器的滤波器系数。

5．权利要求4的通信装置，还包括采样型模数转换器和∑-Δ型模数转换器中的一种，这个模数转换器用来对所述麦克风输出信号进行数字化，其中第一个预定门限小于或等于所述模数转换器满量程值的上限，其中第二个预定门限大于或等于所述模数转换器满量程值的下限。

6．权利要求4的通信装置，其中至少可以调整第一个和第二个预定门限中的至少一个，以此来解决模拟失真问题。

7．权利要求4的通信装置，其中的一个模数转换器是∑-Δ型转换器，并且可以调整预定门限中的一个，用来解决所述∑-Δ型转换器的振铃问题。

8。权利要求1的通信装置，其中的通信装置被用作移动电话。

9．权利要求1的通信装置，其中，按照最小均方算法(LMS)对所述自适应滤波器的滤波器系数进行更新。

10．权利要求1的通信装置，其中，按照归一化最小均方算法(NLMS)对所述自适应滤波器的滤波器系数进行更新。

11．权利要求1的通信装置，其中针对每一个样本更新滤波器系数，只有当所述麦克风输出信号的对应采样值在可能值的预定范围内时，才针对样本更新滤波器系数。

12．权利要求1的通信装置，其中的滤波器系数是针对块进行更新的，只有当所述麦克风输出信号多个对应采样值中的每一个都在输出信号可能值的预定范围内时，才针对块更新滤波器系数。

13．用于通信装置的一种回波消除器，这种通信装置包括一个麦克风和一个扬声器，所述回波消除器包括：

一个自适应滤波器，用于根据扬声器的输入信号，估计所述麦克风输出信号的回波分量；和

一个加法器，用于从麦克风输出信号中去除回波估计，从而提供一个消除了回波的输出信号，

只有当所述麦克风输出信号的主值在可能输出信号值的预定范围之内时，才更新其中自适应滤波器的滤波器系数。

14．权利要求13的回波消除器，只有当麦克风输出信号的主值低于一个预定门限时，才更新其中自适应滤波器的滤波器系数。

15．权利要求13的回波消除器，只有当麦克风输出信号的主值高于一个预定门限时，才更新其中自适应滤波器的滤波器系数。

16．权利要求13的回波消除器，只有当麦克风输出信号的主值低于第一个预定门限并且高于第二个预定门限时，才更新其中自适应滤波器的滤波器系数。

17．一种通信装置，包括：

一个自适应系统，用来估计信号的一个分量；

其中，只有当这个信号的主值在信号可能值的预定范围内时，才更新自适应系统的变量。

18．权利要求17的通信装置，其中的信号分量是一个回波分量。

19．权利要求17的通信装置，其中的信号分量是一个噪声分量。

20．权利要求17的通信装置，还包括一个装置，用于从信号中去除分量估计，从而提供去除了分量的输出信号。

21．权利要求17的通信装置，其中的信号是一个麦克风输出信号，其中的分量估计是根据扬声器输入信号计算出来的，所述通信装置被用作声回波消除器。

22．权利要求17的通信装置，其中的信号是一个远端通信信号，其中的分量估计是根据近端通信信号计算出来的，所述通信装置被用作网络回波消除器。

23．权利要求17的通信装置，其中的通信装置被用作噪声抑制器。

24．权利要求17的通信装置，其中的通信装置被用作频谱相减处理器。

25．用于消除通信信号回波分量的一种方法，这个回波分量由引起回波的信号引起，这个方法包括的步骤有：

利用一个自适应滤波器过滤引起回波的信号，提供这个通信信号的回波信号估计；

从通信信号中减去这个回波估计，提供一个消除了回波的输出信号；和

只有当通信信号的主值在信号可能值的预定范围内时，才根据消除了回波的输出信号和引起回波的信号，更新自适应滤波器的滤波器系数。

26．权利要求25的方法，其中的自适应滤波器滤波器系数的更新步骤包括：

将通信信号的主值跟预定门限进行比较；和

只有当这个主值小于预定门限时才更新滤波器系数。

27．权利要求25的方法，其中自适应滤波器滤波器系数的更新步骤包括：

将通信信号的主值跟预定门限进行比较；和

只有当这个主值大于预定门限时才更新滤波器系数。

28．权利要求25的方法，其中自适应滤波器滤波器系数的更新步骤包括：

将通信信号的主值跟第一个和第二个预定门限进行比较；和

只有当这个主值小于第一个预定门限而大于第二个预定门限时才更新滤波器系数。

29．权利要求28的方法，其中利用采样型模数转换器和∑-Δ型模数转换器中的一种，对所述麦克风的输出信号进行数字化，其中第一个预定门限小于或等于所述模数转换器满量程值的上限值，第二个预定门限大于或等于所述模数转换器满量程值的下限值。

30．权利要求29的方法，其中至少调整一个预定门限，来解决模拟压缩问题。

31．权利要求29的方法，其中的模数转换器是一种∑-Δ型转换器，并且其中至少可以调整一个预定门限，来解决所述转换器的振铃问题。

32．权利要求25的方法，其中的通信信号是麦克风信号，引起回波的信号是扬声器信号。

33．权利要求25的方法，其中的通信信号是近端语音信号，引起回波的信号是远端语音信号。

34．权利要求25的方法，其中，自适应滤波器的滤波器系数是按照最小均方算法(LMS)更新的。

35．权利要求25的方法，其中，自适应滤波器的滤波器系数是按照归一化最小均方根算法(NLMS)更新的。

36．权利要求25的方法，其中滤波器系数是针对每一个样本进行更新的，只有当所述通信信号的样本值在信号可能值的预定范围内时，才针对每一个样本更新滤波器系数。

37．权利要求25的方法，其中的滤波器系数是针对块来更新的，只有当通信信号多个样本中每一个的值都在可能输出信号值的预定范围内时，才针对块更新滤波器系数。

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