CN1499809A - 一种回声消除器及回声估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回声消除器，其包含自适应滤波器、远端输入信号缓存、近端输入信号缓存和信号加法器，增加了远端信号降采样处理模块、近端信号降采样处理模块和互相关回声有效部分搜索模块；远端信号降采样处理模块和近端信号降采样处理模块，对远端输入信号和近端输入信号分别进行降采样，得到回声有效参数，信号加法器将从回声消除器外部接收到的混有回声信号的输入信号减去自适应滤波器产生的回声估计值进行回声抵消。同时公开了一种回声估计方法：先对远端输入信号和近端输入信号分别进行降采样；再求出回声有效参数；用自适应算法计算出回声值。应用本发明方案不仅不影响回声抵消的效果，而且提高了效率，能够大量地节省系统成本。

Description

一种回声消除器及回声估计方法

技术领域

本发明涉及通信系统中对回声的处理技术，特别涉及一种回声消除器及回声估计方法。

背景技术

在固定电话通讯系统中，交换机内部使用的是四线的系统，而用户的电话线使用的是二线系统，这样，在传输过程中需要通过一个转换器(Hybrid)来实现信号从交换机到用户的传输。由于四线系统和二线系统的阻抗不可能做到准确的匹配，信号在传输的过程中就会出现反射，反射的信号到达用户侧用户就会听到自己的说话声音又返回了过来，形成了回声。回声将大大的降低通话质量，是在通信系统中必须解决的一个问题。如图1中A端的信号经过转换器101又返回到A端，从而A用户听到了自己的回声。

目前，通过使用回声消除器的方法可以实现消除回声的功能。图2为现有技术回声消除器的结构框图，如图2所示，现有技术回声消除器包含一个自适应滤波器202、一个远端输入信号缓存201、一个近端输入信号缓存203和一个信号加法器204。其中远端指的是四线端，近端是指二线端。它的核心是自适应滤波器202，通过用自适应滤波器202来模拟转换器的传输特性，这个自适应滤波器202参考由远端输入信号缓存201发送的远端输入信号及近端输入信号缓存203发送的近端输入信号以及作为自适应滤波器的反馈信号的近端输出信号来估计回声的值，自适应滤波器202的作用就是模仿出一个类似于真实的反射路径(echopath)的环境，而它能够在多长时间内使自己估计出的回声接近真实回声，这个估计出的回声与真实回声的差小于一个规定值，然后通过信号加法器204将从回声消除器外部接收的混有回声的信号减去估计的回声值，进行回声抵消。估计的回声和真实回声的差越小，回声抵消的效果就越好。

图3-1和图3-2为产生回声的原理示意图。其中，图3-1为发送理想脉冲激励信号的示意图，图3-2为图3-1所发送的理想脉冲激励信号的响应示意图，对于图3-1中的A点而言，在A点发出的一个理想冲击信号将会得到图3-2中的响应，其中，tp是净回声部分，即回声有效部分，tr是纯延时部分，td是总回声延时。如图3-2所示，净回声部分在总回声延时中占比较小的部分。可见，如果能够将净回声部分进行有效的抵消，就可以实现回声消除的工作，然而，目前的回声消除器都是对全程时间td段信号进行抵消。显然，这样做的结果是带来了大量地系统资源浪费。

可见，现有技术的主要缺点就是进行回声抵消时，没有考虑到回声的特性，直接对回声全程时间段的信号进行抵消，所以需要的资源太多，而导致无法提高系统资源利用率和降低成本。

发明内容

由回声产生的基本原理表明，回声的有效部分在整个回声长度中只占很小的一块，如果能够找到这部分，就可以使用较少的资源实现回声抵消的效果，从而可以大量地节省系统成本。

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种回声消除器，能够找到回声的有效部分，并只对该部分回声进行抵消，不仅不影响回声抵消的效果，而且提高了效率，能够大量地节省系统成本。

本发明的另一个主要目的在于提供一种回声估计方法，能够高效、准确地得到回声估计值。

根据上述目的的一个方面，本发明提供了一种回声消除器，其包含自适应滤波器、远端输入信号缓存、近端输入信号缓存和信号加法器；该远端输入信号缓存将接收到的远端输入信号作为参考信号发送给自适应滤波器；该近端输入信号缓存将接收到的近端输入信号发送给自适应滤波器；该自适应滤波器产生回声估计值并将其发送给信号加法器；该信号加法器将从回声消除器外部接收到的混有回声信号的输入信号减去回声估计值进行回声抵消；该回声消除器进一步包含：

远端信号降采样处理模块，其将从远端输入信号缓存接收的远端输入信号进行降采样处理，并将处理后的信号发送给互相关回声有效部分搜索模块；

近端信号降采样处理模块，其将从近端输入信号缓存接收的近端输入信号进行降采样处理，并将处理后的信号发送给互相关回声有效部分搜索模块；

互相关回声有效部分搜索模块，其将收到的上述两种处理后的信号进行互相关运算，得到有效回声参数，将该参数发送给自适应滤波器；

自适应滤波器接收远端输入信号缓存和近端输入信号缓存发送的信号，并接收有效回声参数，根据上述信号和有效回声参数产生回声估计值。

其中，远端信号降采样处理模块或近端信号降采样处理模块可以进一步包含远端信号低通滤波器或近端信号低通滤波器，分别用于将从远端输入信号缓存或近端输入信号缓存接收的远端输入信号或近端输入信号进行低通滤波，再进行降采样处理。

远端信号低通滤波器和近端信号低通滤波器分别可以为截止频率为1000赫兹的低通滤波器。

根据上述目的的另一个方面，本发明提供了一种回声估计方法，该方法包括以下步骤：

1)对远端输入信号和近端输入信号分别进行降采样；

2)将经过降采样的两种信号进行互相关运算；

3)从互相关结果中搜索出回声有效部分，作为回声有效参数，根据该回声有效参数，使用自适应算法计算出回声估计值。

其中，该方法步骤1)可以进一步包括：对远端输入信号和近端输入信号进行降采样之前先分别进行低通滤波。

步骤3)中搜索回声有效部分可以进一步包括：通过对互相关结果的每个点幅值进行比较搜索出回声最大值，在回声最大值左右两侧根据通信协议，取距离最远的部分，作为回声有效部分。

由上述方案可以看出，本发明的关键在于：先对远端输入信号和近端输入信号分别进行降采样；再对上述信号进行互相关运算；从互相关结果中搜索出回声有效部分，求出回声有效参数；自适应滤波器据此参数估计出回声值。

因此，本发明的这种回声消除器及回声估计方法，能够准确地定位有效回声部分，只对该回声的有效部分进行回声抵消，不仅不影响回声抵消的效果，而且能提高效率，并大量节省系统成本。由于本发明采用了降采样的方法，所以在进行延时搜索的时候可以减少计算量和数据的存储量。

附图说明

图1为现有技术通信系统中产生回声的系统示意图；

图2为现有技术回声消除器的结构框图；

图3-1为发送理想脉冲激励信号的示意图；

图3-2为图3-1所发送的理想脉冲激励信号的响应示意图；

图4为本发明回声消除器一个较佳实施例的结构框图；

图5为本发明回声消除器的外部应用示意图；

图6为本发明进行互相关运算的原理示意图；

图7为本发明进行回声估计的过程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下举实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图4为本发明回声消除器一个较佳实施例的结构框图，如图4所示，本发明的回声消除器包含：一个自适应滤波器402、一个远端输入信号缓存401、一个近端输入信号缓存406、一个远端信号降采样处理模块403、一个近端信号降采样处理模块405、一个互相关回声有效部分搜索模块404和一个信号加法器407。

其中，远端输入信号缓存401将接收到的远端输入信号作为参考信号发送给自适应滤波器402。近端输入信号缓存401将接收到的近端输入信号发送给自适应滤波器402。远端信号降采样处理模块403将从远端输入信号缓存401接收的远端输入信号进行降采样处理，远端信号降采样处理模块403还可以含一个远端信号低通滤波器，本实施例采用了一个截止频率为1000赫兹的低通滤波器，该模块先将从远端输入信号缓存401接收的远端输入信号进行低通滤波，再进行降采样处理，并将处理后的信号发送给互相关回声有效部分搜索模块404。近端信号降采样处理模块405将从近端输入信号缓存406接收的近端输入信号进行降采样处理，近端信号降采样处理模块405还可以包含一个近端信号低通滤波器，本实施例采用了一个截止频率为1000赫兹的低通滤波器，该模块先将从近端输入信号缓存401接收的近端输入信号进行低通滤波，再进行降采样处理，并将处理后的信号发送给互相关回声有效部分搜索模块404。互相关回声有效部分搜索模块404将收到的上述两种处理后的进行互相关运算，即对上述两种信号进行相关运算，然后从互相关的结果中搜索到回声中的最大值及有效部分，再根据回声的最大值及有效部分产生有效回声参数，并将该参数发送给自适应滤波器402。自适应滤波器402接收远端输入信号缓存401和近端输入信号缓存406发送的信号，以及作为自适应滤波器的反馈信号402的近端输出信号，同时接收有效回声参数，并根据上述信号和有效回声参数产生回声估计值并将其发送给信号加法器407。信号加法器407将从回声消除器外部接收到的混有回声信号的输入信号减去回声估计值进行回声抵消。

由于在通讯系统中信号的采样率都相对较高，例如在公众电路交换电话网络(PSTN)中的采样率为8k等等。如果系统需要搜索的范围为64ms，那么，在进行互相关的时候需要进行互相关计算和搜索的样点数就为512点，其中，每1ms有8样点。这样计算量太大了，不利于提高系统资源利用率。因此，本发明在进行相关运算前进行一些处理。处理的方式是降采样。

降采样的原理是将原先采样的数据，再进行一次均匀抽取，例如对公众电路交换电话网络(PSTN)中采样率为8k的数据，每四个数据抽取一个，即降4采样。这时，对于进行互相关运算的数据而言，相当于采样率降低到了2kHz，计算量得到了很大的降低，虽然语音信号的频谱能量比较宽，但是其能量比较集中的部分在1000Hz以下，由于它能够保持原来信号频率能量集中的部分，所以在进行有效回声搜索的时候不会影响搜索的结果。如果采用更低的采样率，很可能会影响语音信号能量较为集中的频段，这会影响有效回声的搜索。

在实际应用中，为了避免降采样后导致采样率过低而造成的频谱泄漏和频谱混叠，以至于影响计算的结果，在进行降采样的时候对输入信号进行低通滤波，由于对于互相关的样点而言采样率实际只有2kHz，所以采用的是通频带不高于1000Hz的低通滤波器来进行低通滤波。同时，由于要保证语音信号集中的频带尽可能的保留下来，所以采用通频带高于800Hz而不高于1000Hz的滤波器，例如，本实施例中采用的1000Hz的低通滤波器。

图5为本发明回声消除器的外部应用示意图，如图5所示，图中虚线为A端向B端发送信号时产生的回声信号，该信号经过回声消除器被抵消。

图6为本发明进行互相关运算的原理示意图。其中，a为初始的激励信号，b为响应信号，c为结果，如图6所示，通过从结果c中查找最大值的方法找到ts，随后通过修正，修正的方法为：在回声最大值左右两侧根据通信协议，取距离最远的部分，作为回声有效部分tr，这样就可以找到系统的有效回声部分，找到以后就可以用很小的资源对有效回声部分进行回声消除的工作。

因此，本发明进行回声估计的方法，图7为图4所示实施例进行回声估计的过程示意图。其包括以下步骤：

首先步骤701和702，对远端输入信号和近端输入信号分别进行降采样，本实施例是先将远端输入信号和近端输入信号分别进行步骤7011、7021，截止频率为1000赫兹的低通滤波，再进行步骤7012、7022，对信号进行降4采样。

然后步骤703，将经过降采样的两种信号进行互相关运算，本实施例中是计算128个样点的互相关。

接着，步骤704从互相关结果中搜索出回声最大值及有效部分，求出回声有效参数，本实施例中是通过对互相关结果各点幅值进行比较找出回声最大值，在回声最大值左右两侧根据通信协议，取距离最远的部分，作为回声有效部分，将其作为回声有效参数发送给自适应滤波器。

最后步骤705，自适应滤波器根据回声有效参数，查找到其接收的信号的有效回声部分，同时根据该有效回声部分、远端输入信号、近端输入信号以及作为自适应滤波器的反馈信号的近端输出信号估计出回声值。

由此可见，本发明的这种回声消除器及回声估计方法，只对回声的有效部分进行回声抵消，不影响回声抵消的效果，提高了效率，大量节省了系统成本。由于本发明采用了降采样的方法，所以在进行延时搜索的时候可以减少计算量和数据的存储量。同时，在降采样之前进行低通滤波保证了信号不会因为降采样的原因而产生频谱混叠以至于影响延时估计的准确性。

Claims (8)

1、一种回声消除器，其包含自适应滤波器、远端输入信号缓存、近端输入信号缓存和信号加法器；该远端输入信号缓存将接收到的远端输入信号作为参考信号发送给自适应滤波器；该近端输入信号缓存将接收到的近端输入信号发送给自适应滤波器；该自适应滤波器产生回声估计值并将其发送给信号加法器；该信号加法器将从回声消除器外部接收到的混有回声信号的输入信号减去回声估计值进行回声抵消；其特征在于，该回声消除器进一步包含：

远端信号降采样处理模块，其将从远端输入信号缓存接收的远端输入信号进行降采样处理，并将处理后的信号发送给互相关回声有效部分搜索模块；

近端信号降采样处理模块，其将从近端输入信号缓存接收的近端输入信号进行降采样处理，并将处理后的信号发送给互相关回声有效部分搜索模块；

互相关回声有效部分搜索模块，其将收到的上述两种处理后的信号进行互相关运算，得到有效回声参数，将该参数发送给自适应滤波器；

自适应滤波器接收远端输入信号缓存和近端输入信号缓存发送的信号，并接收有效回声参数，根据上述信号和有效回声参数产生回声估计值。

2、如权利要求1所述的回声消除器，其特征在于：所述的远端信号降采样处理模块进一步包含远端信号低通滤波器，用于将从远端输入信号缓存接收的远端输入信号进行低通滤波后，再进行降采样处理。

3、如权利要求2所述的回声消除器，其特征在于：所述的远端信号低通滤波器为截止频率为1000赫兹的低通滤波器。

4、如权利要求1所述的回声消除器，其特征在于：所述的近端信号降采样处理模块进一步包含近端信号低通滤波器，用于将从近端输入信号缓存接收的近端输入信号进行低通滤波后，再进行降采样处理。

5、如权利要求4所述的回声消除器，其特征在于：所述的4近端信号低通滤波器4为截止频率为1000赫兹的低通滤波器。

6、一种回声估计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)对远端输入信号和近端输入信号分别进行降采样；

2)将经过降采样的两种信号进行互相关运算；

3)从互相关结果中搜索出回声有效部分，作为回声有效参数，根据该回声有效参数，使用自适应算法计算出回声估计值。

7、如权利要求6所述的回声估计的方法，其特征在于，步骤1)进一步包括：对远端输入信号和近端输入信号进行降采样之前先分别进行低通滤波。

8、如权利要求6或7所述的回声估计的方法，其特征在于，步骤3)中搜索回声有效部分进一步包括：通过对互相关结果的每个点幅值进行比较搜索出回声最大值，在回声最大值左右两侧根据通信协议，取距离最远的部分为回声有效部分。

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