CN1905600B - 消除免持电话通信中声学回声的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种免持电话系统中防止声反馈的方法和装置。本发明基于声学的回声路径，利用超声的指向性特点和非线性声相互作用下的自解调现象，将远方的音频信号经过预处理，如将音频信号幅度调制到超声载波发射出来，以达到不需要借助其它消除回声的装置和方法而避免声反馈的目的。本发明也适合于其它通信系统中需要消除扬声器引起回声的问题。

Description

消除免持电话通信中声学回声的方法和装置

技术领域

本发明涉及免持电话系统中防止声反馈的方法和装置。

背景技术

传统的电话系统中，回声的存在会严重影响语音通话质量和系统的稳定性。一般来说，回声有两种形式：一是由于电器连接(如二/四线转换电路)中的阻抗不匹配所产生的回声称为“线路回声”或“网络回声”(Line Echo or Network Echo)；二是源自于传声器和扬声器之间的声学耦合，即通过声学途径产生的“声学回声”(Acoustic Echo)。

对于第一种形式的因通话两端阻抗失配所引起的线路回声，回声消除的技术日益成熟，经历了从简单的回声抑制器发展到自适应回声消除器的理论研究和实际应用的过程。国际电信联盟一电信组(ITU-T)也相应地制订了回声抑制器和消除器的国际标准，如G.164和G.165等。进入90年代后期，通过英特网拨打长途电话，即IP电话流行起来后，鉴于它与普通国际长途电话的不同，1997年，ITU在G.165标准的基础上发展并通过了G.168回声消除器的标准。它更多地考虑到网络情况，包括话音、传真、固定和移动用户等应用。如图1所示回声消除器的基本组成和原理。图1所示的回声消除器分两个阶段来消除线路回声，即线性和非线性处理过程。在第一阶段，它使用线性卷积处理消除了大部分回声；在第二阶段，对第一阶段那些残存的的回声则采用非线性处理器(NLP)加以消除。消除器就是一个自适应辨识系统。它通过自适应网络结构如横向滤波器的应用，基于信号处理算法如最小二乘法，构建一个简单的数学模型来描述特定的回声信号。经过数字减法器后，大部分的回声将被消除。一般说来，符合ITU-T的G.168标准的数字回声消除器能够较好地消除线路回声。

但是，随着近年来免持电话的流行，当前回声消除技术的重点，已由“线路回声”的消除，转向了“声学回声”的消除。免持电话的主要优点在于免持操作的方便。汽车上的免持电话，便于司机在利用蜂窝电话进行通话的同时，可以双手开车。许多国家已经或者很快就要在法律上规定在汽车上只能使用免持电话。另一方面，使用免持电话可以举行远程电话会议，从而节省人们的时间和旅行的费用。但是声学回声的影响可能干扰语音信号的清晰度和可懂度，严重时可能啸叫，造成系统失效。这使得声学回声消除技术的研究日益重要。

声学回声又分为直接回声和间接回声。直接回声是指扬声器播放出来的声音未经任何反射直接进入麦克风。这种回声延迟最短，它与远端说话者的语音能量，扬声器与话筒之间的距离、角度、扬声器的播放音量以及话筒的拾取灵敏度等因素相关。间接回声是指扬声器播放的声音经不同的路径一次或多次反射后进入麦克风所产生的回声集合。显然，声学回声最简单的控制方法是改善扬声器的周围环境，尽量减少扬声器播放声音的反射。例如，可以在周围的墙壁上附加一层吸音材料，或增加一层衬垫以增加散射，理想的周围环境是其回响时间或RT-60(声音衰减60dB所需要的时间)在300ms~600ms之间。因为这样的环境一方面可以控制反射，又可以不会使讲话者感到不适。

改善扬声器周围的环境可以有效地抑制间接声学回声，但对直接声学回声却无能为力。目前，有很多的专利，如专利号4,485,272，专利名称为“Acoustic feedbackcanceling electro-acoustic transducer network，U.S.Patent”；专利申请号94190639.6，专利名称为“用于回声抑制器的话音作用检测器和回声抑制器”；专利申请号00103875.3，专利名称为“回声消除器的自适应步长及其实现方法”；专利申请号01801426.7，专利名称为“用于与自适应波束形成组合的回声抵消的方法和设备；专利申请号03178478.0，专利名称为“用于免提语音通信的声音回声抑制器”，都涉及到声学回声消除器(Acoustic Echo Chancellor，简称AEC)，如图2所示，即设计自适应滤波器来减少声学回声对通信系统的影响。而归一化最小均方(Normalized Least Mean Square，简称NLMS)算法是针对AEC最常见的解决方案之一。在全双工通信中，传声器(话筒)既接收到近端语音，又包括回声，它对自适应滤波器算法的收敛速度和回声返回损失量都有着较高的要求。

综上所述，由于现有技术存在的不足，人们期望一种消除声学回声的新方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种能够阻断从扬声器到传声器之间的声波耦合、保证正常的语音通话、实现全双工的消除免持电话通信中声学回声的方法和装置。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：

消除免持电话通信中声学回声的方法，包括如下步骤：

1)对远端语音信号进行预处理；

2)将预处理后的音频信号幅度调制到一超声频段的载波上，产生带有音频信号包络的超声信号，即音频包络填充信号；

3)对音频包络填充信号进行放大；

4)将上一步骤3)的信号输入到扬声器或换能器阵列，产生具有指向性的辐射声源，重放出自解调的远端音频信号；

5)确保上述步骤4)指向性辐射声源的定向播放，并将免持通信设备的传声器置于该指向性辐射声源的指向范围之外，从而避免远端音频信号馈入传声器。

在上述技术方案中，步骤1)包括如下过程：(1)对远端语音信号积分；(2)对积分信号进行放大；(3)通过一加法器加上直流信号；(4)取平方根；(5)采用低通滤波器滤去高频等谐波成分，输出待调制的音频信号。

在上述技术方案中，步骤4)中所述的扬声器是由压电陶瓷(PZT)换能器或压电陶瓷换能器阵列组成的指向性扬声器，或由压电薄膜(PVDF)换能器或压电薄膜换能器阵列组成的指向性扬声器，或是普通扬声器阵列组成的指向性扬声器。

消除免持电话通信中声学回声的装置，如图3所示，包括：

一信号预处理器1，用于接收来自远端的语音信号，并对之进行信号预处理产生适当的音频能量，并减少在超声换能器重放过程中的语音信号畸变；

一调制解调器2，即信号调制模块，与所述信号预处理器1和一个超声信号发生器3连接，用于将预调后的音频信号幅度调制到一超声频段的载波上，并产生带有音频信号包络(Envelope)的超声信号，即音频包络填充信号；

一个超声信号发生器3，与所述调制解调器2连接，用于产生超声信号；

一驱动放大器4，与所述调制解调器2连接，具有放大增益的功能，即用于加大经过前级信号预处理后的载波信号的能量，并将信号输送给一个指向性扬声器5；

一指向性扬声器5，与驱动放大器4连接，用于产生具有指向性的辐射声源，重放出自解调的远方音频信号；

一传声器6，处于所述指向性扬声器5辐射范围之外，用于将近端音频信号发送到远端。

在上述技术方案中，所述指向性扬声器5是由压电陶瓷(PZT)换能器或压电陶瓷换能器阵列组成的指向性扬声器，或由压电薄膜(PVDF)换能器或压电薄膜换能器阵列组成的指向性扬声器，或是普通扬声器阵列组成的指向性扬声器。

在上述技术方案中，所述信号预处理器1，包括：一积分器41、一放大器42、一加法器43、一取平方根电路45、一低通滤波器46顺序连接，一直流信号发生器44与所述加法器43连接；所述积分器41接受远端语音信号；所述低通滤波器46输出信号到所述调制解调器2进行调制；所述信号预处理器1用于减少调制于超声载波上的远端语音信号因声波非线性相互作用在近端自解调播放的过程中出现的信号畸变，使得语音信号清晰可懂等。

在上述技术方案中，所述指向性扬声器5和所述传声器6所处的位置处于同一个平面内平行布放，使所述指向性扬声器5辐射的指向性声波不会直接馈入所述传声器6，如图5所示；所述指向性扬声器5和所述传声器6不在同一个平面内，且所述传声器6处于所述指向性扬声器5的辐射立体角之外，使得所述指向性扬声器5辐射的指向性声波不会直接馈入所述传声器6，如图6所示。

正如前述背景技术所述，声学途径是由于普通扬声器的无指向性而引起。本发明就利用水声工程应用中的参量阵来实现。参量阵的发声原理简述如下：比如，当用一个特制的发射换能器向介质中发射两个原频波如40KHz和41KHz，由于介质的非线性，通过相互作用，产生了新的频率成分的辐射源。那些新的频率成分，包括差频波如1KHz，和频波如81KHz，以及原频波的成整数倍的高次谐波如80 KHz、82KHz等等。这些辐射源向空间辐射声波，又由于，在传播过程中原波和高次谐波等因相对于低频声波如1KHz的差频波被介质的吸收较大，振幅不断减小而最终消失。在原波消失过程中，新的辐射源不断产生，但源的强度是随距离作指数衰减。因此，如果用超声波作为声源，籍以其高指向性传输语音信号，将能达到普通扬声器等声源所无法获得的效果。而在含有多种频率成本的声波传播过程中，即便存在没有完全衰减的超声波成分，由于它是不可听声，受话者将不会感受到。上述方法正是本发明的基本思路。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)无需借助自适应算法等，而通过指向性发声方法和装置而阻断

声学回声的途径；

2)针对在产生指向性语音信号中因为声波非线性而带来的信号畸变，进行信号预处理以减少信号畸变；

3)由于换能器或换能器阵列的应用，使得扬声器和传声器可以有更为灵活的布放，在实际的产品开发中可以有更多的创意空间，如具有装饰功能的聚集和分开布置等；

4)通过指向性声源的设计，保证了正常的语音通话不被破坏，从而实现全双工的免持通信。

附图说明

图1表示线路回声消除系统的示意图；

图2表示声学回声消除系统的示意图；

图3表示本发明的消除免持电话通信中声学回声装置的框图；

图中虚线a表示快速衰减的超声信号，实线b表示自解调出的语音信号；

图4表示信号预处理器电路框图；

图5表示实施例2中扬声器和传声器排布方式示意图；

图6表示实施例3中扬声器和传声器排布方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明基于声学的回声路径，利用超声的指向性特点和非线性声相互作用下的自解调现象，将远方的音频信号经过预处理，如将音频信号幅度调制到超声载波发射出来，以达到不需要借助其它消除回声的装置和方法(如设计自适应滤波器来减少声学回声，或指向性麦克风、自适应波束生成等方法)而避免声反馈的目的。本发明也适合于其它通信系统中需要消除扬声器引起回声的问题。

实施例1

参照图3所示，制作一消除免持电话通信中声学回声的装置，该装置包括：

一信号预处理器1，用于接收来自远端的语音信号，并对之进行信号预处理(signal preprocessing)产生适当的音频能量，并减少在超声换能器重放过程中的语音信号畸变；

一调制解调器2，即信号调制模块，与所述信号预处理器1和一个超声信号发生器3连接，用于将预调后的音频信号幅度调制到一超声频段的载波上，并产生带有音频信号包络(Envelope)的超声信号，即音频包络填充信号；

一个超声信号发生器3，与所述调制解调器2连接，用于产生超声信号；

一驱动放大器4，与所述调制解调器2连接，具有放大增益的功能，即用于加大经过前级信号预处理后的载波信号的能量，并将信号输送给后级的一个指向性扬声器5；

一指向性扬声器5，与驱动放大器4连接，用于产生具有指向性的辐射声源，重放出自解调的远方音频信号；

一传声器6，处于所述指向性扬声器5辐射范围之外，用于将近端音频信号发送到远端。

下面对本实施例的各部分进行详细说明：

在指向性扬声器5的装置设计方面，可以考虑由压电陶瓷(PZT)换能器/阵列或压电薄膜(PVDF)换能器/阵列组成指向性发声器。两者的区别在于：前者的辐射功率较大，但在阵列使用上可能会因阵元(单个换能器)间的阻抗不匹配或导致性能受到影响和得到的指向性不高。另外，换能器的形状如应用广泛的圆形使其不能紧密布放，会造成空间的浪费，也可能降低参量阵的辐射效率；后者则由于其整体性，在一致性方面优于前者，有较尖锐的指向性，但它的缺点是声辐射功率较小。这样，可以根据实际的应用场合，做相应的设计。换能器单元可选择市场上的通用圆形PZT构成环状或聚集成蜂窝(六边形)、类似矩形或方形。当使用PVDF时，则可以剪裁并加工成更多的样式。原则上要考虑设计成的发生器是否具有较高的指向性和功率，如：在聚集组合时，由换能器阵列紧凑布放组成单个扬声器，置于传声器的一侧，它们可以同位于一个平面上或扬声器稍稍高出传声器，也可以有一定的角度倾斜，只要确保所述指向性扬声器辐射的指向性声波不会直接馈入所述传声器。在免持电话通信时，使用者距离装置不很远，那么适当能量的语音重放是可以听见的，压电换能器的数量可以大大减少。而扬声器装置无论是和传声器在同一平面或在水平上稍高出麦克风，原则上要避免指向性扬声器重放的远端信号馈入麦克风。只要指向性扬声器重放的语音信号不会反馈到传声器里，这就意味着对于扬声器指向性的要求也可以防宽。本实施例的指向性扬声器采用压电陶瓷(PZT)换能器阵列聚集成蜂窝(六边形)状，用于在近端产生因介质如空气的非线性自解调出带有适当能量(大于受话者听阀)的语音信号的声波。

在信号预处理方面，信号预处理器1包括：一积分器41、一放大器42、一加法器43、一取平方根电路45、一低通滤波器46顺序连接；一直流信号发生器44与所述加法器43连接；所述积分器41接受远端语音信号；所述低通滤波器46输出信号到所述调制解调器2进行调制；所述信号预处理器用于减少调制于超声载波上的远端语音信号因声波非线性相互作用在近端自解调播放的过程中出现的信号畸变，使得语音信号清晰可懂等。信号预处理器产生指向性语音信号并减少因为利用声波非线性而带来的信号畸变。理论上，当有限振幅波产生时，远方的声场由Berktay给出近似公式：

$p_s=\frac{\mathrm{\β}{p}_o^2{a}^2}{16{\mathrm{\ρ}}_o{c}_o^4{\mathrm{\α}}_{o}r}\frac{{\∂}^2{E}^2\left(\mathrm{\τ}\right)}{\∂{\mathrm{\τ}}^2},---\left(1\right)$

式中，p_o为原波声压，a为换能器的有效半径，ρ_o为空气密度，c_o为声速，β为非线性参数(空气中，β＝1.2)，α_o为空气中对频率ω_o的声波吸收系数，τ为迟豫(延迟)时间，r为场点到换能器中心的距离，E(τ)为幅度调频的包络信号。例如，c_o＝348m/s，ρ_o＝1.18kg/m³，α_o＝0.7，a²＝0.2m²，声压级在130dB的超声波调制1 kHz的信号，在1米处将会产生66dB的可听声。但是，从式(1)可以看出，远方的声压正比于包络信号振幅平方后对时间的二次微分，意味着在非线性声波相互作用下解调出的信号不可避免地出现畸变。信号的幅度平方，引起二次谐波等成分，对时间的二次微分则导致斜率在12dB/倍频程的频率响应。可以采用的方法就是积分原始信号两次然后取其平方根，参考文献1：“Audio Application of theParametric Array，”J.Acoust.Soc.Am.，Vol 102 pp 3106(A)，1997)和文献2：“Developments of parametric loudspeaker for practical use”，T.Kamakura，M.Yoneyama，K.Ikegaya，10tb Int.Symp.Nonl in.Acous.，pp.147-150，1984和文献3：“Parametric array in air：distortion reduction bypreprocessing”，T.D.Kite，J.T.Post and M.F.Hamilton，Proc.Int.Conf.Acous./Acous.Soc.Am，vo1.2，pp.1091-1092，Jun 1998)。这些文献相继提出了类似的解决方案，如：预先处理希望在远场获得的实际信号，通过具有-12dB/倍频程频率特性的均衡器(即图4中的积分过程)以抵消声发射中对时间二次微分的影响，再取平方根以减少包络信号振幅平方带来的信号畸变。详见如下的公式：

E(t)＝(1+∫∫f(t)dt² )^1/2    (2)

式中，f(t)为音频信号，E(t)为预处理后待调制到超声载波上的信号。当然，本实施例还可以采用其它已经公开的信号处理技术。

调制解调器2，用于调制输入的预处理过的信号和超声信号，产生以超声为载波的音频包络填充信号。

超声信号发生器3，采用普通的仪器或用模拟电路采用常规方法做成，超声波频率为40kHz，考虑到较高的指向性，也可选用60kHz。

本实施例中的其它电路均采用市场所售的常规产品。

在扬声器5、传声器6的布放方面，可分为聚集组合和分开配置两种形式。原则上要避免扬声器5重放的远端信号馈人传声器6。在聚集组合时，由换能器阵列紧凑布放组成单个扬声器，置于传声器的一侧，它们可以同位于一个平面上或扬声器稍稍高出传声器，也可以有一定的角度倾斜，但法向方向形成的夹角应当等于或大于90度。本实施例中指向性扬声器5的换能器阵列采取紧凑蜂窝布放方式，传声器6置于其一侧，两者位于同一个平面上。

实施例2

参照图3所示，制作一消除免持电话通信中声学回声的装置。

其中，扬声器5的换能器阵列不是紧凑排列，而是围成一圈，传声器6置于换能器阵列所形成的圈内。换能器阵列和传声器可以同位于一个平面上或换能器阵列稍稍高出传声器6，如图5所示。当然，本实施例中的扬声器5和传声器6还可以相互交换位置安装，但仍确保扬声器5发出的声波不直接馈入传声器6。

其它同实施例1。

实施例3

参照图3所示，制作一消除免持电话通信中声学回声的装置。

其中，指向性扬声器5采用紧凑排布成圆盘状的换能器阵列，指向性扬声器5的换能器阵列和传声器6分开配置，同实施例1或2相似的布放方式，但在空间上有更大的自由度，还可以考虑将扬声器设计成具有装饰功能的设备，如安放在电话面板的翼侧，甚至背对传声器。本实施例中，扬声器5和传声器6安装在电话的不同侧面上，使得扬声器5的声音重放不会直接馈入传声器6，如图6所示。当然，本实施例中的扬声器5和传声器6还可以相互交换位置安装，但仍确保扬声器5发出的声波不直接馈入传声器6。

其它同实施例1。

Claims (6)

1.消除免持电话通信中声学回声的方法，包括如下步骤：

1)对远端语音信号进行预处理；

2)将预处理后的音频信号幅度调制到一超声频段的载波上，产生带有音频信号包络的超声信号；

3)对音频包络填充信号进行放大；

4)将上一步骤3)放大后的信号输入到扬声器或换能器阵列，产生具有指向性的辐射声源，重放出自解调的远端音频信号；

5)确保上述步骤4)指向性辐射声源的定向播放，并将免持电话的传声器置于该指向性辐射声源的指向范围之外，避免远端音频信号馈入传声器 ；

所述的步骤1)预处理包括如下过程：(1)对远端语音信号积分；(2)对积分信号进行放大；(3)通过一加法器加上直流信号；(4)取平方根；(5)采用低通滤波器滤去高频谐波成分，输出待调制的音频信号。

2.根据权利要求1所述的消除免持电话通信中声学回声的方法，其特征在于，步骤4)中所述的扬声器是由压电陶瓷换能器或压电陶瓷换能器阵列组成的指向性扬声器，或由压电薄膜换能器或压电薄膜换能器阵列组成的指向性扬声器，或是普通扬声器阵列组成的指向性扬声器。

3.消除免持电话通信中声学回声的装置，包括：

一用于接收来自远端的语音信号，并对之进行信号预处理产生适当的音频能量的信号预处理器(1)；一用于将近端音频信号发送到远端的传声器(6)；所述信号预处理器(1)与一扬声器连接；

其特征在于，还包括：

一调制解调器(2)，即信号调制模块，与所述信号预处理器(1)和一个超声信号发生器(3)连接，用于将经信号预处理器(1)预处理后的音频信号幅度调制到一超声频段的载波上，并产生带有音频信号包络的超声信号，即音频包络填充信号；

一个超声信号发生器(3)，与所述调制解调器(2)连接；

一具有放大增益功能的驱动放大器(4)，与所述调制解调器(2)连接；

所述扬声器为一个指向性扬声器(5)，与驱动放大器(4)连接，用于产生具有指向性的辐射声源，重放出自解调的远方音频信号； 

所述传声器(6)处于所述指向性扬声器(5)辐射范围之外；

所述信号预处理器(1)，包括：一积分器(41)、一放大器(42)、一加法器(43)、一取平方根电路(45)、一低通滤波器(46)顺序连接，一直流信号发生器(44)与所述加法器(43)连接；所述积分器(41)接受远端语音信号；所述低通滤波器(46)输出信号到所述调制解调器(2)进行调制。

4.根据权利要求3所述的消除免持电话通信中声学回声的装置，其特征在于，所述指向性扬声器(5)是由压电陶瓷换能器或压电陶瓷换能器阵列组成的指向性扬声器，或由压电薄膜换能器或压电薄膜换能器阵列组成的指向性扬声器，或是普通扬声器阵列组成的指向性扬声器。

5.根据权利要求3所述的消除免持电话通信中声学回声的装置，其特征在于，所述指向性扬声器(5)和所述传声器(6)所处的位置处于同一个平面内平行布放，但所述指向性扬声器(5)辐射的声波不会直接馈入所述传声器(6)；或所述指向性扬声器(5)和所述传声器(6)不在同一个平面内，且所述传声器(6)处于所述指向性扬声器(5)的辐射立体角之外，使得所述指向性扬声器(5)辐射的指向性声波不会直接馈入所述传声器(6)。

6.根据权利要求4所述的消除免持电话通信中声学回声的装置，其特征在于，所述压电陶瓷换能器阵列或压电薄膜换能器阵列的排布方式为环状，或聚集成蜂窝状、矩形状或圆盘状。 

Images