CN1669294A - 具有模型失配补偿的回声消除器 - Google Patents
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Abstract
描述一种干扰消除器，包括用于模型化诸如回声或者噪声的干扰的自适应滤波器，以及用于连同近端语音和干扰处理模型化的干扰的频谱处理器。该干扰消除器还包括干扰模型失配补偿器，该补偿器被耦合到自适应滤波器用于向频谱处理器提供失配信号，所述失配信号显示独立于语音的衰退。由于干扰消除器的模型失配信号，干扰功率频谱可以被非常精确地计算，导致声音消除器的重要收敛改善。特别是初始收敛阶段，在通信会话开始时实现声音消除器的高质量操作，这是很重要的，因为这决定用户的第一质量印象。
Description
技术领域
本发明涉及一种干扰消除器，其包括用于模型化实际干扰的自适应滤波器，以及连同近端语音和实际干扰处理模型化的干扰的频谱处理器。
本发明还涉及一种系统，特别是一种通信系统、例如诸如移动电话的免提机通讯设备、语音识别系统或者声控系统，该系统具备这样一种干扰消除器，本发明还涉及一种消除像例如回声和/或噪声这样的干扰的方法以及适合在干扰消除器中使用的信号。
背景技术
这样的干扰消除器、系统和方法从WO97/45995(＝EP-A-0843934)中已知。已知的干扰消除器具有用于其它通信用户的远端输入、用于扬声器的近端输出、用于本地音频麦克风的近端输入和到其它用户的远端输出。该干扰消除器包括耦合到扬声器和麦克风的自适应滤波器和耦合到自适应滤波器和麦克风的频谱残留干扰处理器。为了补偿实际回声，该自适应滤波器模型化实际干扰、例如扬声器和麦克风之间的回声。然后频谱处理器充当动态的回声后信息处理机，用于抑制没有被自适应滤波器补偿的残留回声或者回声尾部部分。在远端用户和本地用户之间的通信会话开始时，相应的自适应滤波器由于缺少充分的远端输入信号不能模型化扬声器和麦克风之间的回声路径。这意味着最初频谱处理器也没有收到或者只收到不充分的关于所模型化的回声的信息。这样最初根本没有干扰消除，并且在通信会话的这个阶段回声没有被充分精确地补偿。只有在用户之间的一些语音交换之后，自适应滤波器已经被收敛到稳定的干扰补偿状态，随后是频谱干扰后信息处理机的稳定操作。
发明内容
因此本发明的目的是提供干扰消除器，其快速和精确地调节以改变通信条件，例如在通信会话开始时出现的通信条件的能力被提高。
此外依照本发明的干扰消除器的特征在于干扰消除器还包括干扰模型失配补偿器，该补偿器耦合到自适应滤波器上为频谱处理器提供失配信号，所述的失配信号显示独立于语音的衰退。
类似于依照本发明的方法的特征在于干扰模型失配信号被用于模型化干扰，该失配信号显示独立于语音的衰退。
发明者发现虽然干扰消除器需要远端语音以起动干扰模型、特别是通过自适应滤波器建立的回声和/或噪声，但是正是这种相同的需要的语音(也就是要被发送给远端用户的语音)在通信会话的最初阶段被回声消除器不佳地回声补偿。另外在最初阶段近端语音的存在阻碍了通过自适应滤波器和频谱处理器执行的获取过程的快速收敛。因此建议一个干扰失配补偿器，它的衰退干扰补偿的特色不依靠需要的语音。有利地这导致干扰模型化处理的更快速收敛，该处理在通信的启动或者其恢复之后是特别重要的。此外在改变通信条件的情况下，它保护快速跟踪和干扰抑制，例如可以出现在扬声器音量或者室内的干扰属性改变时。另外一个优点是在这种改变之后，将及时较早地达到更精确的干扰消除。
最后重要的是注意这里存在的解决方案不需要应用语音检测器，该语音检测器导致依照本发明的干扰消除器不必需、不简化和不节省成本的操作。
依照本发明的干扰消除器的实施例具有权利要求2中概述的特征化特点。
快速和精确建立的干扰模型化可以有利地被步长估算器使用，用于对自适应滤波器迅速和可靠地优化步长控制。
依照本发明的干扰消除器的另一个实施例具有权利要求3的特征化特点。
有利地近端语音和干扰的谱测度的比率和自适应滤波器的模型化的回声可以被用于实现独立于语音的失配信号。
语音独立性可以通过利用语音中的暂停来获得，以致所述的比率的最小值在一个时间间隔上被确定，其中近端信号只包括干扰、特别是回声和/或噪声。这样的时间间隔优选地持续至少4到5秒。
通常提到的谱测度通过一些所涉及的谱功率正函数来定义，例如频谱振幅、平方频谱振幅、功率谱密度或者Mel-刻度谱密度。
目前，依照本发明的干扰消除器、系统和方法将进一步和它们额外的优点一起被阐明，同时参考附图，其中类似的元件通过相同的参考数字来指示。
附图说明
在图中：
图1显示依照现有技术的干扰消除器的概要；
图2显示在依照本发明的干扰消除器中应用的频谱处理器的实施例；
图3显示在依照本发明的干扰消除器中应用的详细干扰模型失配补偿器的框图；
图4以回声模型失配补偿器的形式显示图3中的干扰模型失配补偿器在初始阶段相对时间的操作的图形表示，在此自适应滤波器模型从所有零系数开始。
图5以噪声消除器的形式显示依照本发明的干扰消除器的实施例，其中图1中的扬声器已经被基准麦克风替代；以及
图6显示类似图5的具有射束形成装置的实施例。
具体实施方式
图1显示首先要被描述的干扰消除器1的概要，虽然该消除器被实施为一个声波反射注消器(AEC)1。这样的AEC1是现在大部分全双工通信系统，例如像扬声器电话设备、电信会议设备、电话设备(特别是移动电话)、免提电话等等通信系统中的重要元件。在现代的电话听筒中，其中扬声器2和麦克风3被耦合到AEC1上并且通常被非常紧密的安装在一起，这样的AEC消除恼人的本地回声。这同样应用于通常一个或多个扬声器和麦克风被耦合到AEC1上的电话会议设备。
图1显示一个来自远端的信号x[k]，该信号通过近端侧的扬声器2被再现。指数(index)k指出该信号x被采样。除主要来源于近端扬声器的语音s[k]之外，麦克风3同样检测到信号y[k]，该信号包括通过从扬声器2到麦克风3的回声路径产生的反射远端回声。这样对于在近端的麦克风信号z[k]，z[k]＝s[k]+y[k](如果噪声n[k]被忽略)是成立的。AEC1通过自适应滤波器4操作以产生一个回声估计信号
如果将信号
在加法器5中从z[k]减去来显示信号r[k]，则信号r[k]理论上不包含回声信号y[k]。理论上可以是AEC1的输出信号的信号r[k]只包括需要的本地近端信号s[k]，以下称作语音信号。此外自适应滤波器4模型化由回声估计信号
代表的回声路径。应注意在通信设备或者通信网络中，在远端和近端分别需要两个AEC。
AEC1操作可以通过在其中包括残留回声处理器6被扩展。在那种情况下信号r’[k]是AEC1的输出信号。实际上由于自适应滤波器4的有限数字滤波长度、跟踪问题和非线性效应，它并不总是能精确地模型化扬声器2和麦克风3之间的声音路径的传递函数。作为后信息处理机的处理器6具有它一直提供充分的回声抑制和强度的重要优点。指出r’[k]的回声后信息处理机6的输出信号被耦合到远端。后信息处理机6的操作被认为是众所周知的，但是可以例如从EP-A-0843934中获得，此外它的公开在这里包括被认为是作为参考。原则上AEC1可以为任意的自适应滤波器类型。用于调节回声消除器系数的适当算法的实例为：最小均方(LMS)或者标准LMS算法、或者递归最小二乘方(RLS)算法。
在远端扬声器和近端扬声器之间的通信会话开始时，自适应滤波器4和其后的频谱处理器6开始收敛到扬声器2和麦克风3之间的声脉冲响应的模型。取决于远端扬声器的信号类型、自适应滤波器4的长度和算法中使用的步长，自适应滤波器4将花费一些时间来收敛、通常是几秒。在这期间如果回声抑制是根本存在的，那么它是不足的，导致用户之间通信令人不愉快的开始。通常问题是尽可能快地获得源自麦克风3的信号中存在的回声的精确频谱估计。只有据此残留回声才可以被回声抑制器8抑制，随后是为了优化步长进行步长控制。如果必须利用复杂和临界(critical)语音检测器，这些问题很难解决。
此外使用包括在图2的回声消除器的总方案内的回声模型失配补偿器7。补偿器7在图3中被详述。图2显示相应的信号分析块A在每个上述的信号r[k]、z[k]和
上执行光谱分析和转换。该转换导致这些信号的振幅和相位表示，示意地分别指示为ρ和Φ。只有处理器输入信号r[k]的相位Φ(R)和用于重建输出信号r’[k]的被调节的功率频谱R’mod(k)一起被一个合成块S使用。随后将解释R’mod(k)的调节。在通信会话开始很久以后，也就是说在稳定状态的情况下，自适应滤波器4已经收敛且然后R’mod(k)表示未调节的前者(former)的频谱值R’，其中虽然使用
残留回声仍正在被残留频谱回声抑制器8抑制。因为在那种情况下，回声模型失配补偿器7的输出
等于它的未调节的输入
这表示收敛的自适应滤波器4的估计输出信号
的功率谱部分。从图3中能够看出频率相关模型失配估计G由 定义，在通信会话开始很久以后，对于所有的频段，等于1。现在打算对于每个频段j计算估计G，倘若
依照：
其中Zj和
分别表示在麦克风信号z[k]和自适应滤波器输出信号
的频段j的频谱振幅，以及其中‘min′意味着连谱号之间绝对值比率的最小值在一个时间间隔上被跟踪，该时间间隔覆盖来自具有块大小B的总共k块中的多个L时间帧。如果认为
那么上面等式(1)中的绝对值比率被设置为无穷大。在等式(1)中应用最小数跟踪操作的效果是本地近端语音的存在(图4中虚线显示的)不会导致G[kB]j的增加和因此导致回声模型失配估计的不期望的上偏。这样在通信会话开始时，语音不会相反地影响回声模型的建立，因为使用等式(1)产生由
表示的失配信号，该信号显示独立于语音的衰退。
这个特性在图4中图形地显示，该图显示估计G作为时间函数的图解衰退。在这里G的非上升平面部分表示语音周期，它在回声估计模型上的副作用变缓。这导致不失真的语音。
在任何频段j中在一段比L帧更长的周期内没有任何刺激或者语音的情况下，模型失配被设置为无穷大。因为频谱后信息处理机6的回声抑制的数量在零刺激的情况下为零，所以不会有所需信号的失真。
等式(1)覆盖的时间间隔优选地在语音中包括至少一次暂停。实际上时间间隔将持续至少4到5秒。回声模型失配补偿器7可以包括众所周知的移位寄存器，它可以存储比率分子和分母的连贯计算值。
图2同样显示回声消除器1，其包括一个特别耦合到回声模型失配补偿器7上的步长估算器8。这具有额外的效果，同样在通信会话启动期间，算法中使用的步长可以在通信的早期被优化。这个早期的优化与应用的步长控制或者来自步长估算器8操作的方式无关。为了显示在通信会话启动期间的有利结果，只要估算器8对于每个频段利用
那么这个量可以简单地被上面指定的有关的
来替代。不用提及更多细节，在启动和作为结果的稳定状态二者期间，为得到全频带最优步长的效果，步长可以按照
被优化。此外步长控制可以以独立于频率的方式实现。
相当于上面描述的回声模型失配估计，为了引进一个有关的噪声模型失配估计，类似地建议与回声模型失配估计结合或不结合的噪声消除项(term)。图5和6显示现在要被描述的干扰消除器1的各自的实施例，该消除器被实施为噪声消除器1。同样参考图1，能够看出除了扬声器2已经被基准信号麦克风9替代，总图完全类似于图5和6的结构。麦克风9检测基准信号、现在是噪声信号，该噪声信号和语音一起被麦克风3检测到。自适应滤波器4模型化麦克风9和3之间的噪声路径。信号z[k]现在包含语音s[k]和噪声n[k]。自适应滤波器4模型化的噪声估计
可以用与在图2的后信息处理机实施例中的
同样的方法被处理。这样最后回声和/或噪声被类似地对待。
图6以噪声消除器的形式显示干扰消除器1的实施例，其中图1中扬声器已经被基准麦克风9替代，该麦克风除了噪声n[k]之外同样检测语音s[k]的一部分。象在图5中一样，麦克风3检测语音和噪声。噪声消除器1包括射束形成器10用于分离现在包括在包括语音和噪声的噪声信号n’[k]和信号z’[k]中的噪声。射束形成器的操作从WO99/27522中公知，其公开在这里包括作为参考。噪声估计
与图5的噪声估计
被类似地对待。
由于干扰消除器1的干扰模型失配估计，假若自适应滤波器4在收敛的初始状态时，回声和/或噪声功率谱可以被非常精确地估计，导致声音消除器1的明显改善。特别是在初始收敛阶段，声音消除器的高质量操作是很重要的，因为这决定用户的第一印象。
虽然上面已经基本上参考优选实施例和最可能的模式进行了描述，因为落入所附的权利要求范围内的各种修改、特点和特点的组合目前在本领域的技术人员能到达的范围内，所以应理解这些实施例决不能被看作是所涉及的系统和方法的限制实例。
Claims (11)
1.干扰消除器，包括用于模型化干扰的自适应滤波器和用于连同近端语音和实际干扰处理模型化的干扰的频谱处理器，其特征在于该干扰消除器还包括干扰模型失配补偿器，该补偿器耦合到自适应滤波器用于向频谱处理器提供一失配信号，所述的失配信号显示独立于语音的衰退。
2.依照权利要求2的干扰消除器，其特征在于干扰消除器包括耦合到干扰模型失配补偿器的步长估算器。
3.依照权利要求1或者2的干扰消除器，其特征在于干扰模型失配补偿器被设置用于根据近端语音和实际干扰的谱测度比率的最小值与自适应滤波器的模型化的干扰，计算干扰模型失配估计。
4.依照权利要求3的干扰消除器，其特征在于所述比率的最小值在一个时间间隔上被确定。
5.依照权利要求4的干扰消除器，其特征在于时间间隔在语音中包含至少一次暂停。
6.依照权利要求4或者5的干扰消除器，其特征在于时间间隔持续至少4到5秒。
7.依照权利要求3-6中的一个的干扰消除器，其特征在于谱测度通过一些所涉及的谱功率的正函数来定义，该正函数例如频谱幅值、平方频谱幅值、功率谱密度或者Mel-比例谱密度。
8.依照权利要求1-7中的一个的干扰消除器，其特征在于该干扰消除器被实施为回声消除器和/或噪声消除器。
9.系统，特别是通信系统，例如免提通信设备，诸如移动电话、语音识别系统或者语音控制系统，该系统具备依照权利要求1-8中的一个权利要求的干扰消除器，该干扰消除器包括用于模型化实际干扰的自适应滤波器和用于连同近端语音和实际干扰处理模型化的干扰的频谱处理器，其特征在于该干扰消除器还包括干扰模型失配补偿器，该补偿器耦合到自适应滤波器，用于向频谱处理器提供失配信号，所述的失配信号显示独立于语音的衰退。
10.用于消除干扰的方法，由此实际干扰被模型化并且该模型化的干扰连同近端语音与实际干扰一起被处理，特征在于干扰模型失配信号被用于模型化实际干扰，该失配信号显示独立于语音的衰退。
11.适合于在依照权利要求1至8中的一个的干扰消除器中使用的信号，该干扰消除器包括用于模型化实际干扰的自适应滤波器和用于连同近端语音和实际干扰处理模型化的干扰的频谱处理器，其特征在于该干扰消除器还包括干扰模型失配补偿器，该补偿器被耦合到自适应滤波器用于向频谱处理器提供失配信号，所述的失配信号显示独立于语音的衰退。
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