CN1984102A - 一种电学回声消除装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用在终端的电学回声消除装置，包括：输入缓存模块、网络回声时延计算模块和自适应滤波模块，在整体上保证了电学回声在最终用户端的消除效果，并通过网络回声时延计算模块输出的网络回声时延对输出到自适应滤波模块的终端输入信号进行调整，提高了电学回声消除的有效性，进一步地，自适应滤波模块包括自适应滤波器、减法器和双端语音检测模块；本发明同时公开了一种电学回声消除方法，通过根据网络侧发来的RTCP报文的相关信息计算出网络回声时延，并根据该网络回声时延动态调整进行自适应滤波的终端输入信号，提高了回声消除的有效性，同时避免了由于硬件内存的限制对回声消除效果的影响。

Description

一种电学回声消除装置和方法
技术领域
本发明涉及回声消除技术领域，具体涉及一种应用在终端的电学回声消除装置和方法。
背景技术
随着因特网(Internet)和电信技术的不断发展，因特网上的电信应用也越来越丰富，近年来，基于IP的语音(VOIP)技术取得了较大的发展。但是，同传统电话技术相比，VOIP技术在语音质量方面还存在较大差距，其中一个主要原因就是回声。
回声按照其产生机理分为两种：声学回声和电学回声。如图1所示，其中，Sin表示近端输入信号，Sout表示近端输出信号，Rin表示远端输入信号，Rout表示远端输出信号。以近端为例，电学回声的产生机理如下：近端输入语音信号Sin在公共交换电话网(PSTN)中传输时，需要使用混合变换器完成用户端的二线到交换机的四线的转换，在转换过程中会有一部分信号从近端发送路径泄漏到近端接收路径上，这部分“泄漏”的信号又重新传回到近端，这样近端用户就听到了自己的声音，这就是电学回声。同样以近端为例，声学回声的产生机理如下：它是由声音播放设备与声音采集设备之间的声音耦合所导致的，扬声器接收到的远端输出语音信号Rout，经过不同路径的反射、或者未经任何反射，被话筒拾取后，重新发送至远端，结果远端用户听到自己的声音，这就是声学回声。
通常，典型的延迟为16～20毫秒的回声叫做侧音，它甚至是所希望的，在通话中听到侧音是令人舒服的。但是，延迟超过32毫秒的回声就会严重影响通话质量。而随着通信技术的发展，VOIP技术支持的通话距离越来越长，因此语音延迟大大增加，从而回声现象也就更加严重。因此，回声消除成为VOIP技术亟需解决的问题。
目前，对于电学回声的消除，一般是通过部署在网络上的电学回声消除器实现的，以图1所示的近端为例，其工作原理如下：由于近端的电学回声信号r是近端输入信号Sin经一定时延产生、并随远端输入信号Rin一起通过远端输出信号Rout一起返回到近端的，因此，在远端无语音信号输入即Rin不为语音信号时，可根据远端输出信号Rout和Sin的相关性，估计电学回声时延M，然后选择比当前时刻n超前M的时刻，即(n-M)时刻的近端输入信号Sin(n-M)作为自适应滤波器的输入信号，经过滤波计算得到估计的电学回声信号r，然后从远端输入信号Rin中减去估计的电学回声信号r，从而达到消除远端输出信号上的电学回声的目的。在此过程中需要以远端输出信号Rout为校正信号，不断更新自适应滤波器的系数，使得估计的电学回声信号更加逼近真实的电学回声信号。
声学回声消除的原理与电学回声消除相似，不过声学回声消除器(AEC)一般部署在终端。
现有的电学回声消除方案具有以下缺点：
1、现有的电学回声消除器难以从整体上保证最终用户端的电学回声消除效果。电学回声消除器只能消除其部署段网络的电学回声信号，而实际网络是由多种不同网络技术的子网互连而成，部署在某段网络的电学回声消除器只能消除该段网络的电学回声信号，而无法保证整个网络的电学回声消除效果。
2、没有考虑网络传输性能对电学回声消除效果的影响。对语音传输网络来说，由于种种原因其在不同时刻的传输性能可能不同，从而会对回声信号产生影响，例如：使得回声信号产生扭曲等。现有的电学回声消除方法单纯从媒体传输的角度出发，根据媒体信号的相关性来估计回声时延，而没有考虑网络传输性能对回声信号的影响而导致的回声时延估计不准确的问题，因此回声消除的效果无法得到保证。另外，利用媒体信号的相关性估计电学回声时延的计算量较大，通常需要专用的芯片来实现电学回声消除器，且电学回声消除器需要在网络中多点部署，成本较高。
3、电学回声消除效果受硬件内存限制。在进行电学回声消除时需要保存过去一段时间内的终端输入信号，以作为估计电学回声信号的参考信号，由于硬件内存有限，所以当传输时延较大时，有可能硬件内存已将当前电学回声信号对应的终端输入信号丢弃，从而无法保证电学回声消除的有效性。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种电学回声消除装置，以在整体上保证电学回声消除的效果，同时提高电学回声消除的有效性；
本发明的另一主要目的在于提供一种电学回声消除方法，以避免硬件内存的限制，提高电学回声消除的有效性。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种电学回声消除装置，包括：输入缓存模块和用于计算电学回声信号和网络输出信号的自适应滤波模块，其特征在于，应用在终端侧，包括网络回声时延计算模块，用于接收网络侧发来的实时传输控制协议(RTCP)报文，并将根据该RTCP报文的相关信息计算得到的网络回声时延输出到输入缓存模块；
输入缓存模块，用于根据网络回声时延计算模块最近一次输出的网络回声时延，确定进行自适应滤波的终端输入信号，并将所述终端输入信号输出到自适应滤波模块。
所述自适应滤波模块包括：自适应滤波器、减法器和双端语音检测模块，其中：
自适应滤波器，用于根据输入缓存模块输出的终端输入信号和自身保存的滤波系数计算电学回声信号，并将电学回声信号输出到减法器，并用于根据减法器输出的网络输出信号调整当前滤波系数，用于在收到双端语音检测模块发来的中断系数调整信号后，中断对当前滤波系数的调整；
减法器，用于从来自网络侧的网络输入信号中减去自适应滤波器输出的电学回声信号，将相减所得网络输出信号输出到终端侧和自适应滤波器；
双端语音检测模块，用于根据来自网络侧的网络输入信号和来自输入缓存模块的终端输入信号，检测当前时刻是否为双端语音时刻，若为双端语音时刻，向自适应滤波器输出一个中断系数调整信号。
一种电学回声消除方法，该方法包括：
A、判断RTCP报文是否到达，若是，执行步骤B；否则，执行步骤C；
B、根据RTCP报文到达的网络时间协议(NTP)时刻、RTCP报文携带的最近一次收到发送报文的时刻和最近一次收到发送报文时刻与RTCP报文发送时刻的时间间隔，计算网络回声时延，并以该网络回声时延更新当前网络回声时延；
C、根据当前网络回声时延和自适应滤波算法确定进行自适应滤波的终端输入信号，并根据该终端输入信号进行自适应滤波，计算得到电学回声信号，然后计算网络输入信号和电学回声信号的差值，得到网络输出信号。
步骤B所述计算网络回声时延具体为：
网络回声时延等于RTCP报文到达的NTP时刻减去RTCP报文携带的最近一次收到发送报文的时刻再减去最近一次收到发送报文时刻与RTCP报文发送时刻的时间间隔。
步骤C所述计算得到电学回声信号具体为： r ( n ) = Σ m = 0 M - 1 e ( n ) m · X ( n - K - m ) ,
其中，n为当前时刻，M为滤波阶数，K为步骤B所述更新后的当前网络回声时延，r(n)为当前电学回声信号，e(n)m为当前第m阶滤波系数，x(n-K-m)为(n-K-m)时刻的终端输入信号。
所述方法进一步包括：判断当前时刻是否为双端语音时刻，若是，保持当前滤波系数不变；否则，根据自适应滤波算法调整当前滤波系数。
所述判断当前时刻是否为双端语音时刻具体为：判断|Yout(n)|-C*max(|X(n)|，|X(n-1)|，...，|X(n-L+1)|)＞0是否成立，若是，判定当前时刻为双端语音时刻；否则，判定当前时刻不为双端语音时刻，
其中，n为当前时刻，C、L为根据经验确定的常数，Yout(n)为步骤C所述网络输出信号，x(n)为当前时刻的终端输入信号，x(n-1)为(n-1)时刻的终端输入信号，x(n-L+1)为(n-L+1)时刻的终端输入信号。
所述调整当前滤波系数具体为： e ( n + 1 ) = e ( n ) + μ * Δ ( n ) P ( n - K ) * X ( n - K ) ,
其中，n为当前时刻，μ为常数，K为步骤B所述更新后的当前网络回声时延，e(n)为当前滤波系数，e(n+1)为调整后的滤波系数，Δ(n)为步骤C所述网络输出信号，x(n-K)为(n-K)时刻的终端输入信号，P(n-K)＝XT(n-K)*-X(n-K)，XT(n-K)为X(n-K)的转置向量
与现有技术相比，本发明所提供的电学回声消除装置通过部署在终端侧，在整体上保证了电学回声在最终用户端的消除效果，并通过网络回声时延计算模块输出的网络回声时延对输出到自适应滤波模块的终端输入信号进行调整，提高了电学回声消除的有效性；同时本发明提供的电学回声消除方法通过根据网络侧发来的RTCP报文的相关信息计算出网络回声时延，并根据该网络回声时延动态调整进行自适应滤波的终端输入信号，提高了回声消除的有效性，同时避免了由于硬件内存的限制对回声消除效果的影响。
附图说明
图1为回声产生的原理图；
图2为本发明提供的电学回声消除装置的组成框图；
图3为本发明提供的电学回声消除方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。
图2是本发明提供的电学回声消除装置的组成框图，如图2所示，其主要包括：
输入缓存模块21：用于接收并保存终端输入信号X(n)，用于根据网络回声时延计算模块22最近一次输出的网络回声时延K，确定进行自适应滤波的终端输入信号，并将所述终端输入信号输出到自适应滤波模块23。
具体地，即将X(n-K)作为与当前网络输入信号Y(n)对应的终端输入信号，并根据自适应滤波算法的要求将对应终端输入信号输出到自适应滤波模块23，如：若自适应滤波算法采用归一化最小均方(NLMS)算法，则将X(n-K)、X(n-K-1)、X(n-K-2)、...、X(n-K-M+1)输出到自适应滤波模块23，其中，M为自适应滤波模块23的滤波阶数。
网络回声时延计算模块22：用于接收网络侧发送来的实时传输控制协议(RTCP)报文，并根据该RTCP报文到达的网络时间协议(NTP)时刻A、RTCP报文携带的最近一次收到的发送报文(SR)的时刻(LSR)、最近一次收到SR的时刻与RTCP报文的发送时刻的时间间隔(DLSR)和采样时间间隔t，计算得到网络回声时延K，然后将该网络回声时延K输出到输入缓存模块21。
自适应滤波模块23：用于根据输入缓存模块21输出的终端输入信号和自身保存的当前滤波系数e(n)计算电学回声信号r(n)；从来自网络侧的网络输入信号Y(n)中减去电学回声信号r(n)，将相减所得网络输出信号Yout(n)输出到终端侧；并在当前时刻不为双端语音时刻时，根据网络输出信号Yout(n)和终端输入信号X(n)调整当前滤波系数e(n)。
进一步地，如图2所示，自适应滤波模块32包括：自适应滤波器231、减法器232和双端语音检测模块233，其中：
自适应滤波器231：用于根据输入缓存模块21输出的终端输入信号和自身保存的当前滤波系数e(n)计算电学回声信号r(n)，并将电学回声信号r(n)输出到减法器232，并根据减法器232输出的网络输出信号Yout(n)和终端输入信号X(n)调整当前滤波系数e(n)；用于在收到双端语音检测模块233发来的中断系数调整信号后，中断对当前滤波系数e(n)的调整。
减法器232：用于从来自网络侧的网络输入信号Y(n)中减去自适应滤波器231输出的电学回声信号r(n)，将相减所得网络输出信号Yout(n)输出到终端侧和自适应滤波器231。
双端语音检测模块233：用于根据来自网络侧的网络输入信号Y(n)和来自输入缓存模块21的终端输入信号，检测当前时刻是否是双端语音时刻，若是，向自适应滤波器231输出一个中断系数调整信号。
输入缓存模块21输出到双端语音检测模块233的终端输入信号也根据采用的双端语音检测算法确定，如：若采用Geigel双端语音检测算法，则需将X(n)、X(n-1)、...、X(n-L+1)输出到双端语音检测模块233，其中，L为常数，可根据经验确定。
图3是本发明提供的电学回声消除方法的流程图，如图3所示，其具体步骤如下：
步骤301：开始计算当前电学回声信号。
步骤302：判断RTCP报文是否到达，若是，执行步骤303；否则，执行步骤305。
步骤303：根据RTCP报文的到达的NTP时刻A，以及RTCP报文携带的LSR、DLSR，计算得到网络回声时延De为：De＝A-LSR-DLSR。
步骤304：计算网络回声时延k∶k＝De/t，以k更新当前网络回声时延K，即K＝k。其中，t为采样时间间隔。
步骤305：根据当前时刻的滤波系数e(n)、(n-K)时刻和(n-K)时刻之前一定长度的终端输入信号，计算得到电学回声信号r(n)。
具体地，若采用NLMS算法： r ( n ) = Σ m = 0 M - 1 e ( n ) m · X ( n - K - m ) . 其中，n为当前时刻，e(n)m为矢量e(n)m的第m阶系数，M为e(n)m即自适应滤波的阶数，X(n-K-m)为(n-K-m)时刻的终端输入信号。
步骤306：计算网络输入信号Y(n)和电学回声信号r(n)的差值，得到网络输出信号Yout(n)。
步骤307：判断当前时刻是否为双端语音时刻，若是，执行步骤308；否则，执行步骤309。
根据Geigel双端语音检测算法，若|Yout(n)|-C*max(|X(n)|，|X(n-1)|，...，|X(n-L+1)|)＞0，则判定当前时刻为双端语音时刻；否则，判定当前时刻不为双端语音时刻，其中，C为常数，通常C＝0.5；L为常数，可根据经验确定。
步骤308：保持当前滤波系数e(n)不变，即e(n+1)＝e(n)，本流程结束。
步骤309：根据自适应滤波算法调整当前滤波系数e(n)，设调整后的滤波系数为e(n+1)。
具体地，若采用NLMS算法： e ( n + 1 ) = e ( n ) + μ * Δ ( n ) P ( n - K ) * X ( n - K ) , 其中，μ为步长因子，满足：0＜μ＜2，通常μ＝0.5；Δ(n)为误差信号，且Δ(n)＝Y(n)-r(n)＝Yout(n)；P(n-K)为X(n-K)的短时平均功率，P(n-K)＝XT(n-K)*X(n-K)，这里，XT(n-K)为X(n-K)的转置向量。
在实际应用中，也可采用最小均方(LMS)算法或递推最小二乘(RLS)算法等计算r(n)、e(n+1)。
以上所述仅为本发明的过程及方法实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1、一种电学回声消除装置，包括：输入缓存模块和用于计算电学回声信号和网络输出信号的自适应滤波模块，其特征在于，应用在终端侧，包括网络回声时延计算模块，接收网络侧发来的实时传输控制协议RTCP报文，计算得到网络回声时延；
输入缓存模块，根据网络回声时延计算模块最近一次输出的网络回声时延信息，确定进行自适应滤波的终端输入信号，并将所述终端输入信号输出到自适应滤波模块。
2、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述自适应滤波模块包括：自适应滤波器、减法器和双端语音检测模块，其中：
自适应滤波器，根据输入缓存模块输出的终端输入信号和自身保存的滤波系数计算电学回声信号，并将电学回声信号输出到减法器，并用于根据减法器输出的网络输出信号调整当前滤波系数，用于在收到双端语音检测模块发来的中断系数调整信号后，中断对当前滤波系数的调整；
减法器，从来自网络侧的网络输入信号中减去自适应滤波器输出的电学回声信号，将相减所得网络输出信号输出到终端侧和自适应滤波器；
双端语音检测模块，用于根据来自网络侧的网络输入信号和来自输入缓存模块的终端输入信号，检测当前时刻是否为双端语音时刻，若为双端语音时刻，向自适应滤波器输出一个中断系数调整信号。
3、一种电学回声消除方法，其特征在于，该方法包括：
A、判断RTCP报文是否到达，若是，执行步骤B；否则，执行步骤C；
B、根据RTCP报文到达的网络时间协议NTP时刻、RTCP报文携带的最近一次收到发送报文的时刻和最近一次收到发送报文时刻与RTCP报文发送时刻的间隔，计算网络回声时延，并以该网络回声时延更新当前网络回声时延；
C、根据当前网络回声时延和自适应滤波算法确定进行自适应滤波的终端输入信号，并根据该终端输入信号进行自适应滤波，计算得到电学回声信号，然后计算网络输入信号和电学回声信号的差值，得到网络输出信号。
4、如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤B所述计算网络回声时延具体为：
网络回声时延等于RTCP报文到达的NTP时刻减去RTCP报文携带的最近一次收到发送报文的时刻再减去最近一次收到发送报文时刻与RTCP报文发送时刻的时间间隔。
5、如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤C所述计算得到电学回声信号具体为： r ( n ) = · Σ m = 0 M - 1 · e ( n ) m · X ( n - K - m ) ,
其中，n为当前时刻，M为滤波阶数，K为步骤B所述更新后的当前网络回声时延，r(n)为当前电学回声信号，e(n)m为当前第m阶滤波系数，x(n-K-m)为(n-K-m)时刻的终端输入信号。
6、如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：判断当前时刻是否为双端语音时刻，若是，保持当前滤波系数不变；否则，根据自适应滤波算法调整当前滤波系数。
7、如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述判断当前时刻是否为双端语音时刻具体为：判断|Yout(n)|-C*max(|X(n)|，|X(n-1)|，...，|X(n-L+1)|)＞0是否成立，若是，判定当前时刻为双端语音时刻；否则，判定当前时刻不为双端语音时刻，
其中，n为当前时刻，C、L为根据经验确定的常数，Yout(n)为步骤C所述网络输出信号，x(n)为当前时刻的终端输入信号，x(n-1)为(n-1)时刻的终端输入信号，x(n-L+1)为(n-L+1)时刻的终端输入信号。
8、如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述调整当前滤波系数具体为： e ( n + 1 ) = e ( n ) + μ * Δ ( n ) P ( n - K ) * X ( n - K ) ,
其中，n为当前时刻，μ为常数，K为步骤B所述更新后的当前网络回声时延，e(n)为当前滤波系数，e(n+1)为调整后的滤波系数，Δ(n)为步骤C所述网络输出信号，x(n-K)为(n-K)时刻的终端输入信号，P(n-K)＝XT(n-K)*X(n-K)，XT(n-K)为X(n-K)的转置向量。
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