CN1736090A - 非线性回声消除器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及回声消除装置和方法，用于传输音频信号(尤其是发出的话音)的设备，所说的设备具有用于消除回声的回声滤波器。所说的回声滤波器安排在输入通道(1)和输出通道(4)之间。输入通道(1)用于将第一电的输入信号引导到转换器(2)以转换电信号成为第一音频信号。输出通道(4)用于传输来自转换器(3)的电输出信号，转换器(3)用于将第二音频信号转换回为电信号。为了防止在这样一种回声消除装置或方法中的非线性失真的回声，高通滤波器(8)安排在输入通道(1)内，高通滤波器(8)的截止频率大于转换器(2)的高通行为的截止频率。高通滤波器(8)的后面是限制元件(9)，限制元件(9)将输入信号的幅度限制在转换器(2)的输入范围。通过这种措施，可以防止在转换器(2)中的非线性行为，因此根本不可能产生非线性失真的回声。

Description

非线性回声消除器

技术领域

本发明涉及回声消除装置，用于传输音频信号(尤其是发声的话音)的设备，所说的设备包括一个用于消除回声的回声滤波器，所说的回声滤波器安排在输入通道和输出通道之间，输入通道用于接收来自远端的电输入信号并且将其引导到一个转换器以转换电信号成为第一音频信号，输出通道用于输出来自逆向转换器的电输出信号，逆向转换器用于将第二音频信号转换回为电信号并且将其引导到远端。本发明还涉及根据权利要求9所述的用于接收和发送音频信号的一种设备。此外，本发明还涉及一种回声消除方法。最后，本发明还涉及利用计算机编程装置的一种计算机程序，以便当计算机程序在计算机上运行时能实现所说的方法步骤。

背景技术

当使用电话时，尤其是在使用移动电话时，可能发生回声问题。回声是由以下的事实引起的：电话的麦克风不仅只记录和传输直接进入麦克风内的所发出的话音。还有其它的噪声，尤其是由同一个电话的扬声器输出的声音信号也被这个麦克风记录并送回到在另一端的人。特别是当移动电话与免提设备一起使用的时候，要产生这种效应，因为麦克风是以拾取来自一个很大的空间的声音的方式被安排。即使在没有免提设备的移动电话中，也可能产生更大范围的回声，因为来自扬声器的声音信号通过相当小的外壳就可以传送到麦克风。对于DECT电话或者无线电设备，也可能发生这种效应。

当产生这种回声并且因为电话本身的非线性元件而使回声变为非线性的时候，这是令人不愉快的效应。这种非线性回声作为失真在远端由用户感觉到。对比之下，尽管电池电压较低，在移动电话或者无绳电话中由高的输出幅度引起的近端输出的话音的轻微失真是可以接受的。

消除上述的声音回声的大多数系统使用的是线性的自适应滤波器。线性滤波器然后建构回声路径的模型，并且借助于自适应不断地修改所说的线性滤波器。通过回声路径的信号然后按照相同的方式穿过在线性滤波器中这个部分的模型，然后，从麦克风捕获的并且仍旧包含回声的信号中扣除所说通过回声路径的信号，从而在最好的情况下得到的结果是，由麦克风拾取的信号没有回声。成功地使用时间域滤波器(如NLMS-自适应)或者频域滤波器这两者来补偿线性回声。这些滤波器对回声路径建构的模型是如此地准确，以致于可以实现达到30分贝的线性回声减小。

在已经补偿了线性回声以后，非线性失真的回声依然存在。非线性失真的回声具体来说是由传输设备中的限制元件引起的。因此，特别是当存在大声的话音分量并且是非常突然出现的时候，会出现非线性失真的回声，这种回声是特别令人讨厌的。

至今，对于消除非线性失真的回声，已经知道了两种方法。按照第一种处理方法，除了线性滤波器以外，还使用一种非线性模型。使线性滤波器和非线性模型这两者自适应，以便甚至能模拟回声路径部分的非线性行为。于是，可以对于回声进行补偿，补偿的方式十分类似于以上所述的线性的情况。事实上，对于非线性模型和非线性路径的非线性情况，必须进行极大精度的匹配。这就意味着，使用非线性模型的自适应绝对是至关重要的。非线性自适应实现起来是特别复杂的和成本昂贵的，因此这个解决方案需要相应的强大的数字信号处理器(DSP)，相应地产生高昂的费用。

按照处理非线性回声的第二种处理方法，带有自适应的线性滤波器进一步用于引向远端的经过附加衰减的通道一起使用。这种衰减在一个方面只对于相关的频率范围发生，但在另一方面，这种衰减只在非线性失真的回声发生的时候发挥作用。对于同时在两端产生话音的情况，输出通道的这种附加的衰减在电话的近端使话音质量下降。此外，这种处理方法需要对于非线性失真进行可靠的测量。这需要仔细匹配的硬件。这种方法还能引起DSP成本的增加。只有为了其它的目的(例如为了消除附加的回声和/或噪声)而已经提供了所需的衰减元件的时候，这种类型的花费才被认为是合理的。

在WO00/70853中，公开了用于控制带有线性回声消除功能的通信系统中的幅度的方法和设备，其中的信号限于一个D/A转换器的范围。

发明内容

本发明的一个目的例如是，当例如在如移动电话的电话里传输音频信号时，消除线性回声和非线性回声。本发明的另一个目的是以简单的和节省成本的方式消除回声。按照本发明，在输入通道中的一个高通滤波器安排在来自远端方向的回声滤波器之前，并且用于限制信号幅度的限制元件安排在高通滤波器和回声滤波器之间的输入通道中，所说高速通信的截止频率超过转换器的高通行为的截止频率。

本发明基于如下的认识：回声路径部分的非线性行为，尤其是从输入通道到转换器(特别是这里提供的放大器)的声音输出端的行为，只发生在超过由这个路径的增益极限值确定的信号幅度的情况下。出于这个理由，将限制元件安排在输入路径内，因此来自远端的信号的幅度受到了限制，从而对于这个信号避免了非线性行为。

除了可能的非线性行为以外，在扩音器之前的输入通道中的回声路径还展示高频行为。这种类型的高通行为对于低频信号分量具有一个微分效应。因此，存在一种危险：由于所说的微分行为，使来自远端的并且幅度受到限制的信号的幅度在某些范围内再次提升，并且再次超过先前达到过的幅度极限值。为了避免这个问题，在限制元件之前安排另一个高通滤波器，这个高通滤波器滤除来自远端的信号的低频。于是，可以避免在回声路径中与幅度提高关联的微分行为的危险。

于是，在输入通道中的限制元件之前的按照本发明的高通滤波器设备具有如下的效果：将来自远端的信号限制在高于频率F1和低于幅度Θ的一个频率范围内。在回声路径中的非线性元件对于回声没有任何影响，因此回声路径实际上只是作为线性部分存存着。因此有可能借助于线性滤波器消除所有操作情况下的回声。因此，按照本发明的这个设备能够以简单的方式避免非线性失真的回声。只利用很小的努力就可以实现这一点，因此是节省成本的方式。

按照最简单的公知的和最通用的实施例，限制元件的特征在于一个饱和函数。饱和函数在第三象限基本上是一个恒定的负值，在第一象限是一个恒定的正的部分，这个部分的值对应于限制的程度。在原点区，这样一种饱和函数展示具有恒定的升高的一个部分，它连接第三和第一象限中的两个恒定的部分。按照本发明的优选实施例，在穿过原点的比例部分和对应的恒定不变部分之间的过渡是光滑的。这些光滑的过渡以及其余的限制函数的特征具体在于：它们不断地被微分。由于该限制过程，这导致的结果是产生一个信号，这个信号没有任何倾斜产生，因此没有任何不必要的信号失真产生。

在另一个优选实施例中，限制元件的特性是由一个函数形成的，这个函数由第一常数项、第一二次项、比例项、第二二次项、和第二常数项组成。两个常数部分和这个比例部分按照一个已知的饱和函数进行安排。两个二次项中的每一个都在比例项和两个常数项之一之间形成过渡。将所说的二次项参数化，以使所有这5个部分在一起形成一个连续函数。

在另一个优选实施例中，限制元件的特性是由一个函数形成的，这个函数由第一常数项、第一二次项、比例项、第二二次项、和第二常数项编译而成，在这里，将所说的这两个二次函数的项参数化，以便产生一个内聚函数，这个内聚函数也可以不断地被微分。在这个优选实施例中，以简单的方式实现了恒定的和不断地可微分的限制特性。所说的限制特性对于数字信号处理器没有任何特殊的要求，并且可以以简单的和节省成本的方式产生所说的限制特性。

在另一个优选实施例中，限制特性是通过一个双曲正切函数实现的。这个双曲正切函数的图形与饱和函数极其相似。它具有几乎恒定的部分和一个几乎成比例的部分，然而这两个部分的过渡是光滑的，因为双曲正切函数不断地可微分相乘。使用双曲正切函数的优点是，利用这样一个函数可以对于限制特性的整个范围进行充分的描述。然而，对于这个特殊的三角函数，必须在数字信号处理器中实施，或者，至少能够借助于两个e函数和一次除法运算来实现它。

在另一个优选实施例中，使用一个线性的和/或自适应的回声滤波器来消除回声。按照本发明的高通滤波器和限制元件的设备基本上与所用的回声滤波器的选择无关。于是，有可能使用线性滤波器。这样就可保持计算所花费的努力很小。此外，回声路径的线性行为可以知道得不充分，或者不全知道，并且还必须考虑到回声路径的线性行为是可变的。例如这可能出现在如下的情况下：可以按照不同的方式保持电话并且可以在不同的变化区域中使用所说的电话。出于这个理由，自适应已证明是有益的。

在另一个优选实施例中，高通滤波器具有约为0.1-2千赫兹特别是约为0.2-1千赫兹的一个3分贝的截止频率。这个频率范围是由人的耳朵的可听范围特别是由常规电话的技术构成预先确定的。与一个立体声系统的亚低音喇叭相比，尺寸较小的并且使用少量能量的电话几乎不能产生深度的音调，即，几乎不能产生低频谱的声音。因此，这样的一个电话表现出来的高通行为具有在较低的可听范围内的截止频率。在一般情况下，截止频率在从50到200千赫兹的范围内。为了可靠地防止由于上述的微分行引起的幅度增加，对于在输入通道中使用的按照本发明的高通滤波器的截止频率进行选择，使其高于回声路径的高通行为的截止频率。

因此，按照另一个优选实施例，高通滤波器的3分贝的截止频率是转换器的3分贝的截止频率的约2-10倍，特别是约为5倍。为了避免出现由于上述的微分行为引起的幅度增加的问题，对于较低的值，不应该设定在小于2倍。这个倍数不应该大于10倍，因为否则的话存在信号的频谱受限过于苛刻的危险。这可能导致传输的话音令人非常不愉快的情况。扬声器的声音可能听起来非常不自然。出于这个理由，5倍已经证明是有益的。

本发明还涉及一种用具有根据权利要求1所述的装置来接收和发送音频信号的的设备。这种类型的设备例如可以是移动电话、免提系统、无线电设备、或者无绳电话。本发明还涉及根据权利要求11所述的这样一种设备中的回声消除方法以及执行这种方法的计算机程序。

参照下面描述的实施例来说明本发明的这些方面和其它方面，本发明的这些方面和其它方面都将是显而易见的。

附图说明

在附图中：

图1表示在一个接收和发送音频信号的设备中用于消除线性回声的通用装置的电路安排；

图2表示利用线性和非线性的滤波器消除线性回声的现有技术装置的的电路安排；

图3表示利用线性滤波器和附加的衰减单元消除非线性回声的现有技术装置的电路安排；

图4表示按照本发明的用于在接收和发送音频信号的设备中阻止非线性回声的装置的电路安排；

图5表示按照本发明的限制元件的功能曲线；和

图6表示在转换器中的传输行为，其中使用了受到限制的但未经滤波的信号。

具体实施方式

图1表示用于接收和发送音频信号的设备，所说的设备具有输入通道1、转换器2、逆向转换器3、输出通道4、和线性回声消除装置50。在这个附图中所示的电路安排例如可以在移动电话或者免提装置中发现。在输入通道1上接收来自远端例如远端扬声器的数字信号，并将所说的信号传送到转换器2上。在转换器2中，借助于D/A转换器21将所说的数字信号转换成模拟信号，然后通过放大器22将其放大，最后通过扩音器23将其转换成声音信号。这个声音信号的一部分到达逆向转换器3，在这里，新增加的噪声与大部分电话使用者发出的话音一道在这一侧进行叠加，并且由麦克风31俘获并将其转换成电信号。通过逆向转换器32将这个电信号的幅度自适应调节到A/D转换器33的范围。A/D转换器33将具有这样的幅度变化的模拟信号转换成数字信号。这个数字信号由输出通道4输出以便传输到远端。

为了再次对于在逆向转换器33的输出端叠加在新噪声5之上的回声7进行补偿，在线性回声消除装置50中的线性滤波器502在求和点501处扣除一个估算信号，这个估算信号应该与回声内容相对应。出于这个理由，线性滤波器502复制回声路径7的行为。为了获得最佳复制，所说的最佳复制对于回声路径7变化也是自适应的，通过使用自适应模块503来实现这种自适应。

借助于这个线性回声消除装置50可以准确地复制回声路径7的线性行为。以此方式消除线性回声是很容易的。利用这个消除线性回声的装置不可能对于由回声路径7的非线性行为引起的非线性失真的回声进行补偿。

图2示出还将非线性失真的回声考虑在内的回声消除装置51的电路。这个装置51按照图1所示的在用于接收和发送音频信号的设备中的线性回声消除装置50进行利用。除了求和点511以及具有相关的自适应模块513的线性滤波器512以外，附加的非线性滤波器514与非线性自适应模块515一起使用。然后使用非线性滤波器514以及非线性自适应模块515来复制回声路径7的非线性行为。

利用这一点，基本上可以建构回声路径7的线性和非线性的行为的模型，因此能够补偿在求和点511处的回声的线性和非线性的失真部分。

图3表示另一个现有技术的消除装置52的电路安排，与图1所示的线性回声消除装置50类似，消除装置52用在接收和发送音频信号的设备中。这个装置52再次包括求和点521和具有相关的自适应模块523的线性滤波器522。借助于线性滤波器522，可以在求和点521补偿回声的线性分量。借助于衰减元件524可以部分地消除回声的其余的非线性失真分量。

衰减元件524通过衰减来自求和元件521的可能发生非线性失真的回声的频率范围的信号来清除非线性回声。这种衰减只发生在可能发生非线性失真的回声时。出于这个理由，线性滤波器522的输出信号还要馈送给衰减元件524。

图4表示用于接收和发送音频信号的设备，它具有安排在输入通道1内的按照本发明的高通滤波器8和限制元件9。在这个设备中，还使用一个回声消除装置53，回声消除装置53包括求和点531和线性自适应滤波器532。然而，这里线性滤波器可以和自适应模块一起使用，以使回声消除装置53导致与图1中的线性回声消除装置50相同的功能原理。

本发明的一个基本点在于，首先要经过高通滤波器8引导在输入通道1上接收的信号，高通滤波器8从这个信号中滤除低频。经过限制元件9引导这样改变过的信号，限制元件9对于这个信号的幅度进行限制。这样改变的信号一方面到达在用于消除回声的装置53中的线性自适应滤波器532，另一方面到达转换器2。现在，形成经过高通滤波器8和限制元件9改变的信号，使这个信号在回声路径7中不会激励任何非线性行为。这就可以保证：来自逆向转换器3并且到达求和点531的信号只包含线性回声。因此有可能借助于线性自适应滤波器532以任何速率补偿这种回声。这样又保证了在所有操作情况中输出通道4上的信号没有任何回声。在近端的一个略加改进的话音复制当中可以发现它的另外的优点，因为失真的声音略微有点光滑。

在图5中，以函数曲线的形式表示限制元件9的特性。这个曲线表示出：第一常数部分10、第一二次项11、比例项12、第二二次项13、和第二常数部分14。第一常数部分10设定为负的极限值，第二常数部分将限制元件的正的极限值设定为值Θ。比例部分12表示1的斜率。第一二次项部分11安排成在接近第一常数部分10时具有0的斜率，并且在接近比例项部分12时也具有0的斜率。这样就可产生从第一常数部分10到比例项部分12的光滑过渡。第二二次项部分13以类似的方式在比例项部分12和常数部分14之间产生光滑过渡。位于第一象限中的函数曲线部分与位于第三象限中的功能曲线部分是点对称的。

在图6中，表示对于低频的受到限制的信号的从图4中的点A到点B的这个部分的传输行为。图6表示一个信号15，信号15在开始时有点像正弦波，并作为信号16传输穿过部分A-B，信号16的幅度被限制为幅度Θ。位于点A和点B之间的传输设备17具有高通行为，这种高通行为对于低频具有微分效应，因此产生在图6右侧的信号行为18。在这里可以清楚地看到，幅度限制还是通过微分而消失。显然，得到的信号18在某些区域19超过了极限值Θ，超过的量是十分明显的。

这里表示的信号15以及还有经过限制的信号16都具有低频，并且按照本发明的建议，信号15和信号16还没有通过高通滤波器。在按照本发明的设备中，首先通过高通滤波器8引导由输入通道1接收的信号。低频信号可能不再到达或者到达设置在它后面的限制元件9，因为它的幅度严重减小。因此，图6中所示的问题，即通过微分低频且大幅度的信号而超过了限制的幅度的问题，能不再发生。因此可以保证：在输入通道1上接收的信号，甚至在部分A-B的输出端的信号，在任何范围都不超过限制幅度Θ。通过保证这个限制幅度，可以防止非线性行为的发生。于是，回声没有表现出任何非线性失真，因此借助于线性自适应滤波器能完全消除回声。

在经常的应用中，用于发送音频信号的设备的转换器具有高通行为，它的截止频率为100赫兹。为此目的，安排在输入通道中的按照本发明的高通滤波器使用300赫兹的截止频率。此外，在这个例子中的转换器的输入电压范围是±5伏。如果考虑5％的容差，则可将安排在输入通道中的限制元件的临界幅度Θ设置成4.75伏。

这个例子表明，可以以一种简单的方式实现高通滤波器和限制元件的参数化。进而，为了消除回声，不需要极其复杂的数字信号处理器。然而，借助于这种高通滤波器和这种与已知的自适应的线性滤波器一起的限制元件，可以有效地防止线性以及非线性失真的回声。

Claims (12)

1.一种回声消除装置，用于发送音频信号尤其是发出的话音的设备，所说的回声消除装置包括：用于消除回声(7)的回声滤波器(50、51、52)，所说的回声滤波器安排在输入通道(1)和输出通道(4)之间，输入通道用于接收来自远端的电输入信号并且将其引导到转换器(2)以转换电信号成为第一音频信号，输出通道用于输出来自逆向转换器(3)的电输出信号，逆向转换器用于将第二音频信号转换回为电信号并且将其引导到远端，其特征在于：高通滤波器(8)安排在输入通道内，高通滤波器的截止频率超过来自远端方向的在回声滤波器(502、512、522、532)之前的转换器(2)的高通行为的截止频率，其特征还在于：用于限制信号幅度的限制元件(9)在输入通道(1)中安排在高通滤波器(8)和回声滤波器(50、52、52)之间。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：限制元件(9)的特性是由一个函数确定的，所说的函数具有第一常数项(10)、比例项(12)、第二常数部分(14)，并且在这些部分之间的过渡是光滑的，尤其是恒定的和可不断微分的。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：限制元件(9)的特性是由一个组合函数形成的，所说的组合函数是由第一常数项(10)、第一二次项(11)、比例项(12)、第二二次项(13)、和第二常数项(14)组合的。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：形成限制元件(9)的特性的函数是恒定的和可不断微分的。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：限制元件(9)的特性是由双曲正切函数形成的。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：回声滤波器(502、512、522、532)是线性和/或自适应滤波器。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：高通滤波器(8)具有约为0.1-2千赫兹的、特别是约为0.2-1千赫兹的3分贝截止频率。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：高通滤波器(8)的3分贝截止频率是转换器(2)的3分贝截止频率的大约2-10倍，特别是大约为5倍。

9.一种用于接收和发送音频信号的设备，包括：

根据权利要求1所述的一个回声消除装置；

转换器(2)，用于将在输入通道上接收的电信号转换成第一音频信号，特别是转换器具有：一个D/A转换器(21)，把数字信号转换成模拟信号；放大器(22)，放大所说的模拟信号；以及扩音器(23)，将放大的信号转换成第一音频信号；和

一个逆向转换器(3)，用于将第二音频信号转换回为电信号，尤其是逆向转换器具有：麦克风(31)，将第二音频信号转换成模拟的电信号；放大器(32)，自适应调节模拟电信号到A/D转换器的幅度范围；以及A/D转换器(33)，将经过自适应调节的信号转换成数字信号以便在输出通道上传送。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于：所说的设备是移动电话、无绳电话、无线电设备、或者免提设备。

11.一种在接收和输出音频信号特别是发出的话音时的回声消除方法，其中在输入通道(1)接收电输入信号，所说电输入信号先通过高通滤波器(8)、然后通过限制元件(9)到达转换器(2)，转换器(2)用于转换电输入信号为第一音频信号，其中的高通滤波器(8)的截止频率大于转换器的截止频率，同时在输出通道(4)输出通过一个逆向转换器(3)传送的所说电输出信号，所说的逆向转换器(3)用于将第二音频信号转换回为第二电信号，并且在限制元件(9)和转换器(2)之间分支出电输入信号，并且通过回声滤波器(50、51、52、53)馈送所说的电输入信号，而且从电输出信号中扣除所说的电输入信号。

12.一种计算机程序，当所说的计算机程序在一个计算机上执行的时候，所说的计算机程序利用计算机编程装置使计算机执行根据权利要求11所述的方法步骤。

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