CN1780167A - 快速收敛的回波消除装置 - Google Patents

Abstract

一种快速收敛的回波消除装置，包括：自适应滤波器单元，用于卷积“A”端的送话语音信号和脉冲信号，生成仿真回声；切换控制单元，在自适应滤波器单元之间进行切换控制；回声消除器，从B端的送话语音信号中减去仿真回声来消除回声；非线性处理器，根据B端输入是否有声音信号输入，决定是否对回声消除器的输出信号进行置零还是完全通过。本发明采用了一种基于改进的PNLMS算法和传统NLMS算法的混和结构的自适应滤波器，既利用了PNLMS算法收敛速度快的特点，又利用了NLMS算法复杂度简单的特征。为了使回波消除器在双通话状态下正常工作，本发明在提出的新的自适应滤波器结构中还加入了鲁棒性算法，提高了自适应滤波器在双通话情况下收敛的稳定性。

Description

快速收敛的回波消除装置

技术领域

本发明涉及一种利用新型自适应滤波方法和装置的回声消除器，用于消除在诸如在电话通信系统等通信设备中因受话语音信号的一部分混入送话语音信号而产生的泄漏语音信号。

背景技术

在公众交换电话网中，回声现象是由被称为混合电路的四线二线变换器的阻抗失配造成的。这种回声与网络延迟的组合是造成语音品质下降的原因。为了消除这种回声现象，一般都会配备回声消除器以防止语音品质的下降。

此类型的现有回声消除器通常是利用一个被称为归一化最小均方(NLMS)自适应滤波器估算并去除从混合电路返回的回声。但是，随着语音通信技术的发展，如IP电话技术，使得回声延时时间变得更长，而且这种时延路径具有稀疏性的特点(即这种时延路径在大多数时间数值很小或者为零，只在一小部分区域具有非零的值)。新近提出的被称为比例归一化最小均方(PNLMS)自适应滤波器利用了这种稀疏回波路径的特点，每个抽头系数的自适应更新的步长和上一次更新时对这个抽头系数的估值大小成正比。因此，PNLMS自适应滤波器对于这种长延时的稀疏的回波路径具有更快的收敛速度。

传统的回声消除的不足之处是：对于长时延的稀疏的回波路径，NLMS自适应滤波器通常收敛速度很慢。PNLMS自适应滤波器利用了这种回波路径的特点，具有收敛速度较快的特点。但是由于回波路径冲击响应的稀疏性，PNLMS自适应滤波器通常只是具有非常快的初始收敛速度，当大的抽头系数的更新基本完成之后，滤波器的收敛速度下降，甚至可能低于一般的NLMS自适应滤波器的收敛速度。同时，在很多应用中妨碍了PNLMS算法的实用性的一个重要因素是，它的计算复杂度非常的大，尤其是对于长时延的回波路径。PNLMS自适应滤波器所需的乘法次数是NLMS自适应滤波器所需的两倍。因此，如果能够找出一种既具有NLMS算法小的计算复杂度，又具有PNLMS算法快速收敛特点的新的自适应滤波的方法，将很好的改善现有的回声消除器的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速收敛的回波消除装置。

为实现上述目的，一种快速收敛的回波消除装置，包括：

自适应滤波器单元，用于卷积“A”端的送话语音信号和脉冲信号，生成仿真回声；

切换控制单元，在自适应滤波器单元之间进行切换控制；

回声消除器，从B端的送话语音信号中减去仿真回声来消除回声；

非线性处理器，根据B端输入是否有声音信号输入，决定是否对回声消除器的输出信号进行置零还是完全通过。

本发明采用了一种基于改进的PNLMS算法和传统NLMS算法的混和结构的自适应滤波器，既利用了PNLMS算法收敛速度快的特点，又利用了NLMS算法复杂度简单的特征。为了使回波消除器在双通话状态下正常工作，本发明在提出的新的自适应滤波器结构中还加入了鲁棒性(Robustness)算法，提高了自适应滤波器在双通话情况下收敛的稳定性。

附图说明

图1表示与本发明相关的回声消除装置具体实施方式的结构框图。

图2示出本发明的在改进的PNLMS自适应滤波器和NLMS自适应滤波器之间进行切换控制的切换控制单元的方框图。

具体实施方式

下面参照图示对本发明的具体实施方式进行详细说明。

图1表示与本发明相关的回声消除装置具体实施方式的结构框图。在图中，回声消除装置，在受话端的混合电路与送话端的混合电路之间以4端子结构的形式连接在一起。在此回声消除装置中，‘A’端的送话语音信号R通过混合电路510传送到‘B’端。从‘B’端的输入语音信号和由该混合电路产生的‘A’端的送话语音信号的回声组成B端的送话语音信号S，将该信号传输到回声消除器550。

‘A’端的送话语音信号R同时通过混合电路510和切换控制单元540传送到相应的自适应滤波器520或者530的输入端，作为自适应滤波器520或者530的的输入。

自适应滤波器520或者530的输出经由切换控制单元传送到回声消除器550，回声消除器550是为消除叠加在B端的送话语音信号S中的回声的操作而构成。

回声消除器550的输出信号Err同时作为自适应滤波器520，自适应滤波器530，切换控制单元540和非线性处理器560的输入。

自适应滤波器520和自适应滤波器530根据回声消除器550的输出信号Err调整相关参数。

切换控制单元540通过回声消除器550的输出信号Err调正控制当前的工作滤波器是自适应滤波器520还是自适应滤波器530。

非线性处理器540根据‘B’端输入是否有声音信号输入，决定是否对回声消除器550的输出信号Err进行置零(或输出舒适噪声)还是完全通过。

图2示出一个根据回波消除器输出误差信号Err来选择当前工作滤波器的框图。

现在参考图1和图2说明采用本发明的回声消除装置的操作过程。在四线制电路与二线制电路的转换时所使用的混合电路510和最终用户的终端上的声音反馈等原因，‘A’端的送话语音信号R的一部分，叠加在B端的送话语音信号S中形成回声，并被输入到回声消除器550。在自适应滤波器520或者自适应滤波器530中，根据从‘A’端的送话语首信号R和回声消除器550的输出推测出回声路径的脉冲相应，卷积‘A’端的送话语音信号R和脉冲响应，生成仿真回声，通过回声消除器550从从B端的送话语音信号S中减去仿真回声来消除回声。

自适应滤波器单元520采用了一种新的改进的具有鲁棒性的PNLMS算法。其工作原理用以下的公式说明：

u[n]＝自适应滤波器的输入信号

w_k[n]＝在时刻n自适应滤波器的第k个抽头系数

Err[n]＝回波消除器的输出信号

U[n]＝[u[n]，u[n-1]，...，u[n-M+1]]自适应滤波器的输入信号矢量，M是自适应滤波器的长度

W[n]＝[w₀[n]，w₁[n-1]，...，W_M-1[n-M+1]]自适应滤波器的抽头系数矢量

$W[n+1]=W\left[n\right]+\mathrm{\μ}\frac{G\left[n\right]\mathrm{sgn}\left(U\right[n\left]\right)}{\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{g}_i\left[n\right]\left|u_i\right[n\left]\right|+{\mathrm{\δ}}_u})\mathrm{\ψ}\left(n\right)---\left(1\right)$

G(n)＝diag(g₀(n)，g₁(n)，...，g_M-1(n))                         (2)

$g_i\left(n\right)=\frac{\left|w_i\left(n\right)\right|}{\underset{k=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|w_k\left(n\right)\right|+\mathrm{\γ}}+\mathrm{\δ}---\left(3\right)$

ψ(n)＝sign(Err[n])min(k₀s[n]，|Err[n])|                       (4)

$s\left[n\right]=\mathrm{\λs}[n-1]+\frac{1-\mathrm{\λ}}{\mathrm{\β}}s[n-1]\min (\frac{\left|\mathrm{Err}\right[n\left]\right|}{s[n-1]},k_0)---\left(5\right)$

μ是自适应滤波器抽头系数更新的步长。

δ_u和γ是一个数值很小的正常数，以防止算法发生被0除的错误。δ是一个很小的正常数，防止自适应滤波器抽头系数更新的停止。

ψ[n]是为了提高自适应滤波器在Double Talk状态下的收敛稳定性而加入的鲁棒性因子。

λ，β和k_o均为常数。

自适应滤波器单元530采用了一种传统的NLMS算法，为了提高在Double Talk状态下的稳定性，同样如上面PNLMS算法一样加入了鲁棒性的特征。

切换控制单元540根据回波消除器的回波残差信号Err来判断自适应滤波器抽头系数的收敛程度。当改进的PNLMS自适应滤波器520基本完成大抽头系数的收敛之后，滤波器的收敛速度变慢。此时切换控制单元540根据误差信号Err，经过计算，将当前的工作滤波器切换到NLMS自适应滤波器530上去。具体的工作步骤如图2所示。

在步骤610，输入语音信号被划分成若干个长为L点的帧。对于第k帧，我们定义了一个误差测量信号fe[k]

$\mathrm{fe}\left[k\right]=\frac{\underset{j=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|\mathrm{Err}\right[j\left]\right|}{\underset{j=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|u\right[j\left]\right|+\mathrm{\δ}}---\left(6\right)$

(6)式中Err[j]是第k帧中第j个输入语音信号样点产生的残余回波信号值。K＝0用于启动改进的PNLMS自适应滤波器后的第一帧。

在步骤620，判断当前的工作滤器是改进的PNLMS滤波器还是NLMS滤波器。如果当前工作滤波器是改进的PNLMS滤波器，继续步骤630；如果当前滤波器是NLMS滤波器，则继续步骤640。

在步骤630，根据如下判据

(fe[k]-fe[k-1])＜β(fe[0]-fe[1]            (7)β＜1，为一常数。是否成立来决定下一个步骤的操作。如果(7)式成立，则回波消除器执行步骤650，当前工作滤波器由改进的PNLMS滤波器520切换到NLMS滤波器530，第K+I帧的语音数据将由NLMS滤波器530进行处理；如果(7)式不成立，则第k+1帧数据仍然由改进的PNLMS滤波器520处理。

在步骤630，根据如下判据

fe[k]＞αfe[k-1]                           (8)α＞＞1，为一常数。是否成立来决定下一个步骤的操作。如果(8)式成立，则回波消除器执行步骤660，当前工作滤波器由NLMS滤波器530切换到改进的PNLMS滤波器520，第K+1帧的语音数据将由改进的PNLMS滤波器520进行处理；如果(7)式不成立，则第k+l帧数据仍然由NLMS滤波器520处理。本发明提供了一种性能和PNLMS回波消除器相当的回波消除方法和装置。本发明提供的改进的PNLMS自适应滤波器处理每一个输入语音信号样本仅需要2M个乘法运算(M为自适应滤波器的长度)。其乘法运算量与NLMS自适应滤波器相当，约为PNLMS自适应滤波器所需乘法运算量的50％。另外，本发明提供的改进的PNLMS算法与PNLMS算法相比，所需的比较运算的次数也有所降低。在运算量得到下降的同时，本发明提供的改进的PNLMS自适应滤器收敛速度和PNLMS自适应滤器相当，在某些情况下甚至略优于PNLMS自适应滤波器。但是改进的PNLMS自适应滤波器的失调(Misadjustment)比PNLMS滤波器要大。由于本发明采用了改进的PNLMS自适应滤波器和NLMS自适应滤波器结合使用的混和结构并提供了一个有效的切换控制单元以控制回波消除器的工作状态，失调大的问题得到了很好的解决。同时，本发明采用的混和自适应滤波器结构很好的解决了改进的PNLMS算法和传统的PNLMS算法都存在的缺点，即：当PNLMS自适应滤波器完成大抽头系数的收敛之后，其收敛速度变慢，甚至低于传统的NLMS自适应滤波器。本发明提供的切换控制单元保证在改进的PNLMS自适应滤波器完成快速的初始收敛阶段后，回波消除器的工作滤波器能切换到NLMS滤波器以完成以后的抽头系数更新和回波信号抵消工作，并使计算复杂度得以降低。

本发明还在自适应滤波器系数的更新迭代过程中加入了鲁棒性因子。当回波消除器工作在双通话(Double Talk)状态时，本发明提供的鲁棒性特性很大的提高了自适应滤波器的稳定性，保证了回波消除器在Double Talk状态下的回波抵消效果。

Claims (4)

1.一种快速收敛的回波消除装置，包括：

自适应滤波器单元，用于卷积“A”端的送话语音信号和脉冲信号，生成仿真回声；

切换控制单元，在自适应滤波器单元之间进行切换控制；

回声消除器，从B端的送话语音信号中减去仿真回声来消除回声；

非线性处理器，根据B端输入是否有声音信号输入，决定是否对回声消除器的输出信号进行置零还是完全通过。

2.按权利要求1所述的回波消除装置，其特征在于所述自适应滤波器单元为：PNLMS自适应滤波器单元和NLMS自适应滤波器单元。

3.按权利要求2所述的回波消除装置，其特征在于所述PNLMS自适应滤波器单元用于大抽头系数的收敛，在滤波器的收敛速度变慢时，使用所述NLMS自适应滤波器单元。

4.按权利要求1所述的回波消除装置，其特征在于所述切换控制单元通过回声消除器的输出信号控制当前的工作滤波器是PNLMS自适应滤波器单元还是NLMS自适应滤波器单元。

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