CN1533665A - 含有用于谐波计算的非线性回波抑制器的回波消除器 - Google Patents

Abstract

公开的是一种通信系统，它具有通过通信信道相互耦合的站，其中：至少一个站装备有回波消除(EC)装置。EC装置包括：自适应EC装置，被安排用来仿真所述站中的回波效应；一个减法器，它耦合到自适应EC装置并且具有一个减法器输出；和非线性EC装置，它耦合到减法器输出，用于仿真通信站中附加的回波效应。非线性EC装置被安排作为耦合到减法器输出的调波抑制后处理机装置，用于根据输出的较高谐波来完成非线性回波消除。因此提出一种低成本的全双工声学回波消除的算法，其中：一个频率相关的非线性衰减处理非线性失真的回波分量。该系统很适合于移动电话、可视电话、会议电话等等强大的免提通信。

Description

含有用于谐波计算的非线性 回波抑制器的回波消除器

本发明涉及一种通信系统，该通信系统具有通过通信信道相互耦合的站，其中至少一个站装备有回波消除(EC)装置，回波消除(EC)装置包括：自适应EC装置，被安排用来仿真所述站中的回波效应；一个减法器，它耦合到自适应EC装置并且具有一个减法器输出；和非线性EC装置，它耦合到减法器输出，用于仿真通信站中附加的回波效应。

本发明还涉及一种应用在通信系统中的回波消除器装置和此种通信系统中的一种回波消除方法，其中由于包括在通信系统中的线性组件所引起的回波被消除。

从WO 97/45995中可以了解此类回波消除。已知的回波消除提供诸如回波效应之类的干扰分量的抑制，那些干扰分量是通信系统中的线性失真引起的。通信系统具有用于近端和远端扬声器的站，那些站通过通信信道相互耦合。站包括通过音频回波路径相互耦合的一个扬声传声器组合以及回波消除装置。回波消除(此后称为EC)装置包括一个耦合到扬声器的回波消除器，用于估计音频回波路径的线性部分。减法器的输入分别被耦合到送话器和EC装置。EC系统还包括耦合到减法器输出的非线性处理器(滤波器)形式的一个EC装置。非线性处理器被安排用于减少未被线性回波消除器完全处理的附加线性回波。

然而，已知通信系统的一个缺陷是：不能够处理由通信系统中的非线性组件引起的回波效应。

因此，本发明的一个目的是提供一种具有改良回波消除性质的通信系统，如此以使它能够处理各种线性以及非线性回波效应。

本发明的通信系统其特征在于：非线性EC装置被安排作为耦合到减法器输出的调波抑制后处理机装置，用于根据输出的较高谐波完成非线性回波消除。

本发明有利地利用了已知谐波是由于通信系统中的非线性组件引起的这个事实。这些所谓非线性分量例如可能从系统结构中出现或者可能由回波路径中的非线性失真引起，例如由诸如扬声器放大器之类的扬声器或放大器或者系统中的滤波器引起，它们可能由于输入或线路信号幅度太大而引起，或者由于应用在所涉及的通信电路中的半导体等等组件的非线性特性所引起。调波抑制后处理机装置抑制这些谐波到这种程度(其中，这些干扰谐波由于非线性引起)作为定制和精细调谐非线性回波消除的一个强大工具而被提出。近端扬声器信号频率保留不动——即使它们出现在非线性远端回波信号的谐波频率处。

最后，线性回波效应、残留线性回波效应以及非线性回波效应被本发明的通信系统充分抑制。

本发明通信系统的一个实施例其特征在于：调波抑制装置被控制来在系统中的有线通信信号电平一旦引起重大谐波失真时有效运行。

本发明通信系统的这个实施例的一个优点是：只有在通信系统中的线路信号电平是使得非线性失真可以被预期和/或已实际出现时调波抑制装置才开始工作。

本发明通信系统的另外一个实施例其特征在于：调波抑制装置包括频谱增益计算装置，用于计算抑制所述谐波的一个频谱增益函数。

本发明通信系统的一个优点是：可以相对简单的实现与系统中典型通信信号的频谱增益函数或频谱频率分量的计算相关的那些计算，例如依靠一个适当的快速傅里叶变换(FFT)算法。

本发明通信系统的另外一个实施例其特征在于：调波抑制装置被安排用于考虑具有内存的非线性。

这个实施例有利处理示出回响或内存效应的非线性。

目前，在参考附图的同时，将说明本发明的通信系统及其附加优点，附图中，相似的组件通过相同的参考数字来指示。在附图中：

图1示出本发明通信系统的一个可能实施例的示意图；

图2示出一种声音回波消除器，具有现有技术通信系统中用于线性回波消除的后处理机装置；

图3示出一种声音回波消除器，具有图1通信系统中用于线性与非线性回波消除的后处理机装置；和

图4和5示出幅值光谱，用于解释图3的用于非线性回波消除的后处理机装置操作。

具体实施方式

图1示出了通信系统2的一个站1。通常，通信系统2包括可能通过双向通信信道3彼此相互耦合的两个或更多这样的站1。通信系统2例如可以是一个音频和/或电视会议系统或者一个移动电话系统。

这些系统可以是免提系统或者不是。在图1的实施例中，系统2包括至少一个由扬声器4和送话器5形成的音频路径P。所谓的线路信号在信道3上传送，或者经由一个混合的或者分岔电路以及经由一些线路放大器和滤波器(未示出)，从一个具有远端扬声器的远端站到具有近端扬声器的近端站1。

这样一个站1装备有回波消除(在下文中称为EC)装置6，用于消除由扬声器4输出的一部分线路信号通过回波路径P反馈到送话器5的这一事实所引起的回波，该回波被远端接收者听到，反之亦然，回波被近端接收者听到。EC装置6包括本质上并行耦合到回波路径P的自适应EC装置7。EC装置6仿真所述站1中的回波路径P的回波效应。在S.Haykin的标题为-Adaptive Filter Theory(自适应滤波器原理)的教科书(Prentice-Hall，NJ，USA，ISBN 0-13-004052-5025)中可以找到一些适当的自适应滤波器算法，在这里引用作为参考。一些适当的自适应滤波器算法例如有(标准化)最小均方算法、频域自适应滤波器算法和仿射投射算法。在选定的滤波器算法上，需要一个适当的机构来在近端扬声器变成有效时停止或者至少减速应用在EC装置6中的滤波器系数适配处理。理想地，自适应滤波器模拟扬声器4和送话器5之间的转送函数的线性部分，并且估计送话器5接收的远端回波。EC装置6还包括一个减法器8，它具有两个输入9、10以及一个输出11。减法器输入9被耦合到自适应EC装置7并且它的输入10耦合到送话器5。在从输入10上的送话器信号中减去由自适应EC装置7估计的回波之后，在减法器输出11处只留下了一个近端扬声器信号。

实际上这似乎是：这样一个自适应EC装置7只能够部分消除通信系统1中的回波。系统1中的EC装置6还包括耦合到减法器输出11的动态EC装置12。这些动态EC装置12能够另外处理线性失真的动态回波效应，比如扬声器空间中的移动。特别是在通信系统1是具有一个或多个免提和可移动站1的一个免提系统时这种情况出现。然后，在室内的声学属性连续地改变引起自适应EC装置6中的跟踪困难。此外，这些EC装置6可能具有很少的系数来精确模拟一条或多条路径P的实际转送函数，导致较差的线性回波消除结果。动态EC装置12形成一个频谱后处理机，它同时处理在室内以及在模型制造下的移动，并且随时提供足够的附加线性回波抑制。在申请人公开的国际专利申请WO 97/45995中可以找到动态EC装置12的操作和配置细节，其内容在这里通过参考而被包含。

目前将参见图2解释EC频谱处理器装置12的操作。在此，示例的频谱被绘制在双重会访的话语情形中，在此，用实线表示不期望的回波分量而用虚线指示期望的近端分量。远端扬声器产生具有幅值频谱为|X|的一个线路信号x。送话器接收具有幅值频谱为|E|的一个不期望声音回波e，加上具有幅值频谱为|S|的一个期望近端信号s。自适应EC装置7对扬声器信号x滤波以便产生一个具有幅度频谱为|Y|的已估计回波信号y。由于在扬声器所处的室内移动和模拟下，残留信号r没有完全消除回波，从示例的剩余幅度谱|R|中可以看到。信号y和r作为动态EC装置的输入，也称为动态回波抑制器或者DES 12，它进一步抑制剩余回波。为这目的，DES 12计算来自信号y中的一个频谱增益函数A。正如虚线所示，此函数A还可以从信号x中计算出。从修改的幅值频谱|A||R|中以及从R的未修改相位中重建DES 12的输出q。信号q没有线性回波并且仍然包含期望的近端信号s，正如从它的幅值频谱中可以看到。

接下来，进一步详细解释增益函数A的计算。DES 12在它的B抽样输入帧处收集，对输入数据开窗，并且把结果转换为频谱幅值分量，由|Y(f；l_B)|、|Z(f；l_B)|、|R(f；l_B)|来表示，f表示频率标引而l_B表示数据帧标引，在每个B抽样瞬时之后数据帧标引均一递增。接下来，DES 12按照如下来应用一个频率相关的(非负)衰减A(f；l_B)到|R(f；l_B)|：

       A(f；l_B)＝max[{|Z(f；l_B)|-γ_e|Y(f；l_B)|}/|R(f；l_B)|，0]，f

在此，γ_e是称为回波减法因子的一个常数，它通常比1稍微大一些。另外，当在某一频率处A(f；l_B)＞1，则A(f；l_B)被设置为1。因此，在与近端信号相比有一个强烈的远端回波(注意：y是回波估计)的频带中，残留信号r被衰减，而在近端信号比远端回波强许多的频带中，残留信号r保持大约相同。最后，衰减的残留信号被转换回到时域，对于它，在动态EC装置12的输入处的原始相位被使用。自适应EC装置7和动态EC装置12的合并处理提供一个非常强大的全双工算法，它能够处理室内移动，室内移动改变诸如室内回响以及处理模拟下(under modeling)之类的声学属性(它不能被自适应EC装置7处理)。

可以对上面的线性回波消除处理进行各种修改。例如当送话器信号中的噪声估计可得到时，DES 12可以基于噪声幅值频谱|N(f；l_B)|实现噪声抑制。

然后给出衰减A(f；l_B)：

    A(f；l_B)＝max[{|Z(f；l_B)|-γ_e|Y(f；l_B)|-γ_n|N(f；l_B)|}/|R(f；l_B)|，0]，f

在此，γ_n是噪声减法因子。

另外，也可用声学的一个估计的来递增|Y(f；l_B)|回响尾，它未被(短)自适应EC装置7所覆盖。

作为另一示例，连续帧的衰减A(f；l_B)在时间上被低通滤波以便获得更多渐变的帧转换。

图3示出应用在通信系统1中的声学回波消除器装置6，具有动态EC装置12和非线性后处理机回波消除装置13。非线性EC装置13通过EC装置12被耦合到减法器输出11。非线性EC装置13被安排作为连接到动态EC装置12的调波抑制后处理机装置，用于根据输出的较高谐波来完成非线性回波消除。

接下来将解释非线性EC装置13的操作。非线性EC装置13使用一种特殊的频谱减法器特别地消除了输出信号q的非线性回波分量。在前面解释的所述示例频谱现在还包含非线性回波分量的谐波，如图3中黑色所示。DES 12的输出q仍然包含回波分量，即非线性谐波。为这些谐波的抑制计算出来自自适应EC装置7的输出信号y中的频谱增益函数B(f；l_B)。为这目的，人们还可以使用虚线所示的信号x。从修改的幅值频谱|B(f；l_B)||Q(f；l_B)|和Q(f；l_B)未修改的相位(它与R(f；l_B)的相位相同)中重建非线性频谱调波抑制后处理机装置的输出p。代入频谱增益函数B(f；l_B)以使总增益函数 $\tilde{A}(f;l_B)=A(f;l_B)B(f;l_B)$ 变成：

同样，当在某一频率 处 $\tilde{A}(f;l_B)>1,$

被设置为1。应当指出：实际上它实现在上面合并的增益 增益A(f；l_B)和B(f；l_B)没有分别存在。频谱|(f；l_B)|是一个频谱成型形式的|Y(f；l_B)|，并被确定如下：

    |(f；l_B)|＝max[|Y(f；l_B)|，G(y；l_B)Y_max(f；l_B)]，f(l)

这里

    Y_max(f；l_B)＝max[|Y(f₀)|]，with f₀ε[0，f]

并且这里G(y；l_B)(0≤G(y；l_B)≤1)是一个实数，它与估计的回波电平成正比，并且

    G(y；l_B)＝G₀(P_y，direct(l_B)+P_y，diffuse(l_B)).

在这里，G₀是一个固定常数因此0≤G(y；l_B)≤1并且P_y，direct(l_B)是估计的直接回波贡献功率，给出如下：

$P_{y,\mathrm{direct}}\left(l_B\right)=D\underset{n=0}{\overset{B-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}^2(l_{B}B+n)$

在此D(0≤D≤1)是按照自适应EC装置7的输出y的直射/漫射声音来选择的一个固定参数。总漫射声的功率贡献P_y，diffuse(l_B)能因此被计算为在自适应EC装置7的输出y的散射部分功率贡献上的一阶递归(在此，弥散部分被给出为：

$(1-D)\underset{n=0}{\overset{B-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}^2(l_{B}B+n)$

存储器参数α_rev如下：

$P_{y,\mathrm{diffuse}}\left(l_B\right)={\mathrm{\α}}_{\mathrm{rev}}{P}_{y,\mathrm{diffuse}}(l_B-1)+(1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{rev}})(1-D)\underset{n=0}{\overset{B-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}^2(l_{B}B+n).$

α_rev的一个优良值被给出为：

α_rev＝10^-q，以及q＝6B/(F_sT₆₀)

这里，F_s是抽样频率，而T60是室内声学的混响时间。

上面提及的非线性后处理被装置13合并的效果如下。在低回波电平，当非线性被期望为可忽略时，G(y；l_B)将是一个小数目并且 因此非线性抑制装置13被有效禁止。在回波电平增加处，有关的回波失真将增加。这个表现被G(f；l_B)的一个增加值仿真。随着增加G(f；l_B)，实现了在非线性谐波可以被预期的频率处，我们获得 $\tilde{A}(f;l_B)<A(f;l_B),$ 因此；非线性回波被抑制。

作为示例图4和5示出幅值光谱，用于解释非线性调波抑制装置13的操作。在两个图左边绘图示出输出信号y的短时幅值频谱|Y(f；l_B)|。在图4中，|Y(f；l_B)|的绝对电平比图5中的小许多，这通过标记″(低)″和″(高)″示意性地示出。两个图的右边绘图示出两种情况的成形幅值频谱|(f；l_B)|。图4中，回波电平小，那么预期没有非线性，G(f；l_B)小，用方程式(1)我们得到|(f；l_B)|≈|Y(f；l_B)|。图5中，回波电平那么大以至于预期有非线性，G(f；l_B)大了许多，用方程式(1)获得：在可以预期非线性的频率处，保持|(f；l_B)|＞| Y(f；l_B)|，因此； $\tilde{A}(f;\mathrm{lB})<A(f;l_B)$ 并且非线性被抑制。同时，在不知所云的话语期间，将有近端信号幅值比|(f；l_B)|大的许多频率(产生 $\tilde{A}(f;l_B)>0$ )，因此；近端扬声器可以打断远端扬声器并且可保持全双工通信。

方程式(1)的另外一种扩展考虑了非线性可以含有内存。那么不能够象方程式(1)中执行的那样对于|(f；l_B)|的计算只考虑当前|Y(f；l_B))|。可以以各种已知方式结合的内存例如可以通过如下来结合：

    |(f；l_B)|＝β|(f；l_B-1)|+(1-β)max[|Y(f；l_B)|，G(y；l_B)Y_max(f；l_B)]，f

在此，β是一个固定参数(0≤β＜1)，它可以被调谐到非线性的预期内存。

虽然参考本质上优选的实施例和最佳可能的方式已经描述如上，但是应该理解，这些实施例决不是解释为所涉及的设备的限制示例，因为落在附加权利要求范围内的各种修改、特征和特征组合现在是技术人员所能达到的。上述的算法也可以被直接扩展为多信道全双工系统，它具有多个送话器或多个扬声器。

Claims (6)

1.一个具有通过通信信道(3)相互耦合的站(1)的通信系统(2)，其中，至少一个站(1)装备有回波消除(EC)装置(6)，包括：自适应EC装置(7)，被安排用于仿真所述站(1)中的线性回波效应；一个减法器(8)，它耦合到自适应EC装置(7)并且具有一个减法器输出(11)；和非线性EC装置(12，13)，它耦合到减法器输出(11)，用于仿真通信站(2)中附加的回波效应，其特征在于：非线性EC装置(13)被安排作为耦合到减法器输出(11)的调波抑制后处理机装置，用于根据输出的较高谐波来完成非线性回波消除。

2.根据权利要求1的通信系统(2)，其特征在于：调波抑制装置(13)被控制来在系统(2)中的有线通信信号电平一旦引起重大谐波失真时运行。

3.根据权利要求1或2的通信系统(2)，其特征在于：调波抑制装置(13)包括频谱增益计算装置，用于计算抑制所述谐波的一个频谱增益函数。

4.根据权利要求1-3之一的通信系统(2)，其特征在于：调波抑制装置(13)被安排用于考虑具有内存的非线性。

5.应用在根据权利要求1-4任何一个通信系统(2)中的回波消除器装置(6)。

6.一种回波消除方法，其中，由于通信系统(2)中的线性组件所引起的回波被消除，其特征在于：用于消除由于线性分量所引起的回波的数据被用来从那里导出用于消除由于非线性组件引起的回波的谐波数据。

Images