JP4485925B2

JP4485925B2 - 時間領域エコー消去処理においてトーンの存在に起因する誤集束を回避するためのシステムおよび方法

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Publication number: JP4485925B2
Application number: JP2004346637A
Authority: JP
Inventors: ギルバート・シー・シー
Original assignee: Qualcomm Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 1995-05-31
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2016-05-31
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Description

発明の詳細な説明

発明の属する技術分野

本発明は、一般に、エコーキャンセラ(echo canceller)に関し、特に、時間領域エコー消去処理においてトーンの存在に起因する誤集束を回避するためのシステムおよび方法に関する。

従来の技術

従来の地上ベースの電話システムにおいて、２線ライン(two-wire line) （多くの場合、消費者ループまたは加入者ループと呼ばれる）を用いて、加入者装置を中央局に接続することが一般的である。しかしながら、中央局から３５マイルを越える距離だけ離れた装置の場合、双方向の伝送は物理的に離れた線に分離されてしまう。これは４線ライン(four-wire line)と呼ばれる。このため、呼側の１つが中央局から長距離離れている場合（例えば、加入者が長距離呼を送受信する場合）、中央局は２線ラインを４線ラインに接続しなければならない。この接続を行うために用いられる装置はハイブリッドと呼ばれる。このため、通常の長距離電話回線は、中央局のローカルハイブリッドに対する加入者ループの２線、遠隔中央局の遠隔ハイブリッドに対する長距離網全体にわたる４線、および遠隔ハイブリッドから遠隔者側に対する２線であると言える。

４線ラインを２線ラインに接続するためハイブリッドを用いる結果として、インピーダンスの不整合が生じる。ハイブリッドでインピーダンス不整合が生じる結果、一端側の話者の音声は他端側のハイブリッド（遠隔ハイブリッド）から反射する可能性がある。この反射のため、話者は話者自身の声の聞き苦しいエコーを聞くことになる。比較的短距離の場合、エコーは一時的に実際の音声と一致するので、エコーは目立たない。しかしながら、長距離の場合、実際の音声と受信されたエコーとの間の潜伏期(latency) は大きいので、エコーが目立つ。このようなエコーの望ましくない影響を最小化するため、エコーキャンセラは種々の形式で用いられてきた。

エコーキャンセラの一形式は、米国特許第５，３０７，４０５号「ネットワークエコーキャンセラ」（１９９４年４月２６日刊行、本願の譲受人に譲渡されている）に記載されている。米国特許第５，３０７，４０５号は、未知のエコーチャネルのインパルス応答を識別し、適応フィルタ(adaptive filter) 技術を用いて実際のエコー信号のレプリカを形成するシステムを記載している。エコーレプリカを信号ヘッディングから末端の話者へ減じ、実際のエコー信号を消去する。特に、中央局の適応フィルタは末端の話者から受信した信号から基準信号を形成する。適応フィルタはこの基準信号を用いて、実質的にエコーの推定値であるエコーレプリカを形成する。この推定値を末端に向けられる(heading) 帰還信号(return signal) から減じることによって、話者のエコーをこの信号から消去する。減算によって残留エコー信号が生じ、適応フィルタはこのエコー信号を用いて、最小２乗平均（ＬＭＳ）法のような適応アルゴリズムにしたがってそのタップを更新する。本質的に、適応フィルタは、末端信号で送出された周波数に対する応答を観察することによって、未知のチャネルの周波数応答を学習する。換言すれば、適応フィルタは末端音声を基準として用い、そのフィルタタップを適応させ、正確にエコー信号を濾過する。

状態機(state machine) を設けて、エコーキャンセラの動作を制御するとともに、適応フィルタを更新すべきときを判定する。通常、フィルタの適応ステップ(a adaption step) の大きさは最初は大きく設定されているので、フィルタは迅速に集束する(converge)（すなわち、フィルタはチャネルに迅速に適応する）。次に、いったんフィルタが集束すると、ステップの大きさは小さくなるので、フィルタはチャネルに集束したままの状態である。

本発明は、エコー消去装置において誤集束(false convergence) を抑制する(inhibiting)システムおよび方法を図る。時間領域エコーキャンセラにおいて、適応フィルタを用いてエコー信号を推定する。次に、推定エコー信号を帰還信号から減じるので、末端の話者は自身のエコーを聞くことはない。エコーキャンセラの状態機は、適応アルゴリズムにしたがって、適応フィルタの適応ステップサイズを制御する。適応フィルタがエコーチャネルの周波数応答を学習するとき、状態機は適応ステップサイズを小さくし、エコーキャンセラを集束させる。

従来のエコーキャンセラを用いて、あるトーン、例えば、デュアルトーン多重周波数（ＤＴＭＦ）がエコーチャネルに存在する場合、誤集束を引き起こす可能性がある。特に、トーンしか存在しない場合、適応フィルタはトーン周波数に対するチャネル応答を迅速に学習するとともに迅速に集束し、トーンを消去する。しかしながら、トーン周波数だけではチャネルが搬送する周波数の全範囲を示さない。人間の声および他の音声信号は非常に広範な周波数を含む。したがって、トーンしか存在しない場合にエコーキャンセラがチャネルに集束するとともにフィルタの適応ステップサイズを小さくすると、エコーキャンセラは、新しい周波数がチャネルに出現したとき、トーン周波数とは異なる周波数のエコー信号を直ちに消去することができない可能性がある。その理由は、適応ステップサイズが小さいことによって、新しい周波数に対する適応フィルタの応答が遅くなるからである。

［従来の技術］で説明された従来技術に対して、本願発明では誤集束を検出するとともに回避するため、比較回路が設けられる。適応フィルタのタップ値（フィルタ係数とも言う）は未知のエコーチャネルの現状の推定値を構成するので、タップはチャネルに存在した周波数に関する情報を含む。比較回路を用いて、フィルタタップ値のスペクトル(spectral)の内容を分析し、集束処理時にトーンしか存在していなかったかどうか、または、音声のような他の音声情報も存在していたかどうかを判定することができる。トーンしか存在しない場合、比較回路はエコーキャンセラがその適応ステップサイズを小さくすることを抑制し、ステップの大きさを大きい状態のままにする。このような大きな適応ステップサイズを用いる場合、音声のような音声情報がエコーチャネルに出現したとき、エコーキャンセラは迅速に集束し、末端の話者がエコーを聞く前にエコーを消去することができる。

本発明の１つの観点に従って、適応フィルタが入力信号に集束できるように制御された適応ステップサイズを備える該適応フィルタを有するエコーキャンセラにおいて誤集束を抑制するシステムであって，前記エコーキャンセラによって受信された前記入力信号がトーンのみを含むかどうかを判定する手段と；そして、該入力信号がトーンのみ含む場合、該エコーキャンセラが該適応フィルタの該適応ステップサイズを小さくすることを防ぐ手段と、を備えることを特徴とする誤集束を抑制するシステムが提供される。

このシステムにおいて、前記判定する手段は、フィルタタップ信号を濾過し、濾過信号を形成する濾過手段と；前記濾過信号のエネルギ量を判定する第１のエネルギ判定手段と；濾過されていないフィルタタップ信号のエネルギ量を判定する第２のエネルギ判定手段と；及び前記濾過信号の前記エネルギ量と前記濾過されていないフィルタタップ信号の前記エネルギ量とを比較し、該入力信号がトーンのみを含むどうかを判定する比較手段と、を備えることが好ましい。

このシステムにおいて、前記比較手段は、前記濾過信号の前記エネルギ量が前記濾過されていないフィルタタップ信号の前記エネルギ量よりはるかに小さい場合、該入力信号はトーンのみを含むことを示す手段，を備えることが好ましい。

このシステムにおいて、前記比較手段は、前記濾過信号の前記エネルギ量が前記濾過されていないフィルタタップ信号の前記エネルギ量とかなり異なる場合、前記入力信号はトーンのみを含むことを示す手段，を備えることが好ましい
本発明の他の観点に従って、帰還信号からの望ましくないエコー信号を消去し、第１のユーザに送信されるエラー信号を形成するエコーキャンセラであって，未知のエコーチャネルの周波数応答を推定し、前記エコーキャンセラが第１のユーザから受信した入力信号を用いて形成される前記エコー信号の推定値を求める適応フィルタ手段と；前記エコー信号の前記推定値を前記帰還信号から減じ、前記エラー信号を形成する手段と；そして、前記帰還信号、前記入力信号および前記エラー信号を監視し、前記適応フィルタ手段の適応ステップサイズを制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記適応フィルタ手段の前記入力信号がトーンのみを含むどうかを判定する手段と、前記入力信号がトーンのみを含む場合、前記適応フィルタの前記適応ステップサイズの小さくすることを抑制する手段と、を有することを特徴とするエコーキャンセラが提供される。

このエコーキャンセラーにおいて、前記判定手段は、前記適応フィルタ手段の１組のフィルタタップを濾過し、濾過信号を形成する濾過手段と；
前記濾過信号のエネルギ量を判定する第１のエネルギ判定手段と；前記１組のフィルタタップのエネルギ量を判定する第２のエネルギ判定手段と；及び前記濾過信号の前記エネルギ量を前記１組のフィルタタップの前記エネルギ量と比較し、前記入力信号がトーンしか含まないかどうかを判定する比較手段と、を備えることが好ましい。

本発明の他の観点から、適応フィルタが入力信号に集束できるように制御された適応ステップサイズを備える該適応フィルタを有するエコーキャンセラにおいて誤集束を抑制するシステムであって，前記エコーキャンセラによって受信された前記入力信号がトーンのみを含むかどうかを判定する手段と；そして該入力信号がトーンのみ含む場合、該エコーキャンセラが該適応フィルタの該適応ステップサイズを小さくすることを防ぐ手段と、
を備えることを特徴とする誤集束を抑制するシステムが提供される。

このシステムにおいて、前記比較手段は、前記濾過信号の前記エネルギ量が前記濾過されていないフィルタタップ信号の前記エネルギ量より小さい場合、該入力信号はトーンのみを含むことを示す手段，を備えることが好ましい。

このシステムにおいて、前記比較手段は、前記濾過信号の前記エネルギ量が前記濾過されていないフィルタタップ信号の前記エネルギ量と異なる場合、前記入力信号はトーンのみを含むことを示す手段，を備えることが好ましい。

本発明の他の観点に基づいて、帰還信号からの望ましくないエコー信号を消去し、第１のユーザに送信されるエラー信号を形成するエコーキャンセラであって，未知のエコーチャネルの周波数応答を推定し、前記エコーキャンセラが第１のユーザから受信した入力信号を用いて形成される前記エコー信号の推定値を求める適応フィルタ手段と；前記エコー信号の前記推定値を前記帰還信号から減じ、前記エラー信号を形成する手段と；そして、前記帰還信号、前記入力信号および前記エラー信号を監視し、前記適応フィルタ手段の適応ステップサイズを制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記適応フィルタ手段の前記入力信号がトーンのみを含むどうかを判定する手段と、前記入力信号がトーンのみを含む場合、前記適応フィルタの前記適応ステップサイズの小さくすることを抑制する手段と、を有することを特徴とするエコーキャンセラが提供される。
このエコーキャンセラにおいて、前記判定手段は、前記適応フィルタ手段の１組のフィルタタップを濾過し、濾過信号を形成する濾過手段と；前記濾過信号のエネルギ量を判定する第１のエネルギ判定手段と；前記１組のフィルタタップのエネルギ量を判定する第２のエネルギ判定手段と；及び、前記濾過信号の前記エネルギ量を前記１組のフィルタタップの前記エネルギ量と比較し、前記入力信号がトーンしか含まないかどうかを判定する比較手段と、を備えることが好ましい。

このキャンセラーにおいて、前記濾過手段は，高域フィルタであり、前記比較手段は、前記１組のフィルタタップの前記エネルギ量が前記濾過信号の前記エネルギ量を上回る場合、前記入力信号がトーンのみを含むことを示す手段を備えることが好ましい。

本発明の他の観点に従って、エコーチャネルが形成したエコー信号を帰還信号から消去するエコーキャンセラにおいて、前記エコーキャンセラは、前記エコーチャネルの周波数応答を推定して前記エコー信号の推定値を求める適応フィルタと、前記エコー信号の前記推定値を前記帰還信号から減じる手段とを有し、前記エコーキャンセラにおいて誤集束を抑制する方法であって，フィルタタップを濾過し、濾過信号を形成する濾過ステップ；
該濾過信号のエネルギ量を判定するステップ；フィルタタップ中のエネルギ量を判定するステップ；濾過信号の該エネルギ量を該フィルタタップのエネルギ量と比較し、該入力信号がトーンのみを含むどうかを判定する比較ステップ；及び前記入力信号が1つ以上のトーンを含むとき、該エコーキャンセラが引き続く誤集束を生起することを防止するステップ，と、を備えることを特徴とする前記エコーキャンセラにおいて誤集束を抑制する方法が提供される。

このエコーキャンセラーにおいて、前記濾過ステップは前記フィルタタップを高域濾過するステップを具備し，そして前記防止するステップは、前記フィルタタップの前記エネルギ量が前記濾過信号の前記エネルギ量を上回る場合、前記適応フィルタの適応ステップサイズを小さくすることを防止するステップを具備する，ことが好ましい。

本発明の他の観点に従って、エコーチャネルが形成したエコー信号を帰還信号から消去するエコーキャンセラであって，前記エコーチャネルの周波数応答を推定して前記エコー信号の推定値を求める適応フィルタと、前記エコー信号の前記推定値を前記帰還信号から減じる手段とを有する前記エコーキャンセラにおいて，誤集束を抑制する方法であって，前記適応フィルタのフィルタタップを濾過し、濾過信号を形成するステップと；前記濾過信号のエネルギ量を判定するステップと；前記フィルタタップのエネルギ量を判定するステップと；前記濾過信号の前記エネルギ量と前記フィルタタップの前記エネルギ量と比較し、前記適応フィルタに対する入力信号がトーンのみを含むどうかを推定する比較ステップと；及び前記比較ステップによって前記入力信号がトーンしか含まないと判定された場合、前記適応フィルタの適応ステップサイズを小さくすることを防止するステップと、を具備することを特徴とする誤集束を抑制する方法が提供される。

この方法において、前記濾過ステップは、フィルタタップを高域濾過するステップを具備することが好ましい。

本発明の他の観点に従って、１組のフィルタタップ値が集束できるように制御された適応ステップサイズを備え、動作周波数範囲全域にわたってチャネル応答を推定する適応フィルタを有するエコーキャンセラにおいて，誤集束を回避するシステムであって、前記１組のフィルタタップ値のスペクトルの内容を判定する手段と；及び前記１組のフィルタタップ値の前記スペクトルの内容に応じて、前記適応フィルタの前記適応ステップサイズを制御する手段と、を具備することを特徴とする誤集束を回避するシステムが提供される。

このシステムにおいて、前記スペクトルの内容を判定する手段は高速フーリエ変換であることが好ましい。

このシステムにおいて、前記スペクトルの内容を判定する手段は、前記動作周波数範囲の部分集合であるところの限定周波数範囲に対応する前記１組のフィルタタップ値のエネルギを判定する第１の濾過手段と；前記動作周波数範囲の前記１組のフィルタタップ値のエネルギを判定する手段と；前記限定周波数範囲に対応する前記エネルギと前記動作周波数範囲に対応する前記エネルギとを比較する手段と、を具備することが好ましい。

このシステムにおいて、前記第１の濾過手段は高域フィルタであり、前記限定周波数範囲は所定の遮断周波数を越える周波数に対応することが好ましい。

このシステムにおいて、前記第１の濾過手段は帯域フィルタであり、前記限定周波数範囲は、低い遮断周波数と高い遮断周波数との間の周波数に対応することが好ましい。

このシステムにおいて、前記前記第１の濾過手段は低域フィルタであり、前記限定周波数範囲は所定の遮断周波数未満の周波数に対応することが好ましい。

このシステムにおいて、前記スペクトルの内容を判定する手段は、前記１組のフィルタタップ値が前記チャネルにトーン周波数のみが存在することを示すかどうかを判定する手段を具備することが好ましい。

このシステムにおいて、前記適応ステップサイズを制御する手段は、前記スペクトルの内容が誤集束を引き起こしうる状態を示す場合、前記適応ステップサイズを小さくすることを防止する手段を具備することが好ましい。

本発明の他の観点に従って、１組のフィルタタップ値が集束できるように制御される適応ステップサイズを備え、動作周波数範囲の全域にわたってチャネル応答を推定する適応フィルタを有するエコーキャンセラにおいて誤集束を回避する方法であって，前記１組のフィルタタップ値のスペクトルの内容を判定するステップと；前記１組のフィルタタップ値の前記スペクトルの内容に応じて、前記適応フィルタの前記適応ステップサイズを制御するステップと、を具備することが好ましい。

本発明の種々の実施の形態の構造および動作とともに、本発明の別の特徴および利点については、添付図面を参照しながら以下に詳細に説明する。

発明の実施の形態

本発明について添付図面を参照して説明する。図面において、同様の符号は同一または機能的に同様な要素を示す。さらに、符号の左端の桁は符号が最初に示された図面を示す。

１．発明の概観および検討
本発明は、伝送トーンから生じる誤集束を検出するとともに回避する比較回路を有する改良されたエコーキャンセラに向けられている。本発明によると、時間領域エコーキャンセラは比較回路を含み、比較回路はチャネルの周波数応答の累積推定値を観察し、トーンしかチャネルに存在していなかったかどうかを判定する。トーンしか存在していなかった場合、エコーキャンセラはその適応ステップサイズを小さくすることを抑制し、誤集束を回避する。

２．発明の環境
本発明を詳細に説明する前に、本発明が実施される環境例を説明することが有効である。本発明は改良されたエコーキャンセラ技術を図るので、本発明は、特に、長距離電話通信システムの環境で有効である。図１はこのような環境の１つを示す。

図１を参照すると、長距離通信システムは電話機１０４を備え、電話機１０４は、それぞれ、関連する中央局１２０で関連するハイブリッド１２２に接続されている。この接続は加入者ループ１６２と呼ばれる２線ラインを介して行われる。ある中央局１２０から他の中央局への長距離ネットワークにわたる通信の場合、接続は４線区画１６４であるロングホールネットワークを介して行われる。

本発明が有効な別の環境はセルラ電話通信回線の環境である。図２は、通常のセルラ電話通信回線を示すブロック図である。セルラ電話通信回線は、セルラ電話２０４および基地局２０８を含む。基地局２０８はセルラ電話２０４を中央局１２０にインタフェース接続し、電話機１０４とセルラ電話２０４との間の呼を行う。

これらの環境の両方ともハイブリッド１２２を供給し、ハイブリッド１２２はローカル２線加入者ループ１６２を４線区画１６４にインタフェース接続する。上記のとおり、ハイブリッド１２２のインピーダンス不整合によってエコーが生じる可能性がある。これらの環境におけるエンド・ツー・エンド通信に関連する待ち時間に起因して生じるエコーは望ましくない影響になりかねない。したがって、これらの環境は改良されたエコーキャンセラからの利益に理想的に適している。

本発明をこれらの環境例によって説明する。このような説明は集束にのみなされる。本発明がこれらの環境例における適用に限定されるわけではない。実際、以下の説明を読んだ後、当業者には本発明を代替の環境で実施する方法が明らかになるであろう。

３．時間領域エコーキャンセラ
図３は、簡単な時間領域エコーキャンセラ３００を示すブロック図である。時間領域エコーキャンセラ３００は、適応フィルタ３０４、状態機３０８および総和合流点(summing junction)３１２からなる。また、図３には未知のエコーチャネル３６０が示され、エコーチャネル３６０はハイブリッド１２２によって導入された望ましくないエコー信号源を示す。

入力信号３２２は４線区画１６４の他端で末端ユーザから受信される。入力信号３２２は、例えば、ユーザ音声から末端のセルラ電話２０４または電話機１０４に送信される音声信号である。また、入力信号３２２は４線区画１６４の末端から受信されたモデムデータまたは他の音声データでもある。

インピーダンス不整合がある環境では、入力信号３２２は未知のエコーチャネル３６０を通過して、エコー信号３６２を形成する。末端近傍の音声３３２（例えば、ローカルユーザからの音声）と混合されるのがエコー信号３６２である。エコー信号３６２と末端近傍の音声３３２との総和は帰還信号３２４からなる。エコーキャンセラ３００を用いない場合、末端近傍の音声３３２およびエコー信号３６２の両方を含む帰還信号３２４は末端ユーザにフィードバックされる。しかしながら、エコーキャンセラは適応フィルタ３０４および総和合流点３１２を用いて、エコー信号３６２が帰還信号３２４に及ぼす影響を消去する。

適応フィルタ３０４は入力信号３２２を用いて、実際のエコー信号３６２の推定値である推定信号３２８を形成する。推定信号３２８を帰還信号３２４から減じ、エラー信号３２６を形成する。また、適応フィルタ３０４はエラー信号３２６を用い、最小２乗平均（ＬＭＳ）法のような適応アルゴリズムにしたがってそのフィルタタップ（係数とも言う）を更新する。実質的に、適応フィルタ３０４は、入力信号３２２で受信された周波数に対する応答を観察することによって、未知のエコーチャネル３６０の周波数応答を学習する。

状態機３０８は、入力信号３２２、エラー信号３２６および帰還信号３２４を監視することによって適応フィルタ３０４の動作を制御し、適応フィルタ３０４を更新すべきときを判定する。特に、状態機３０８は適応フィルタ３０４の適応ステップサイズを変化させ、適応フィルタ３０４がどのくらいの速さで集束するかを制御する。大きな適応ステップサイズの場合、適応フィルタ３０４は未知のエコーチャネル３６０に迅速に適応する。しかしながら、ステップサイズが大きいので、エラー信号３２６の周波数応答がわずかな変化しても、適応フィルタ３０４の応答が大きく変化する。

適応フィルタの集束を決定するために用いられる重要なパラメータの１つは、エコー帰還損エンハンスメント(echo return loss enhancement)（ＥＲＬＥ）である。ＥＲＬＥは下式のように定義される。

ＥＲＬＥ（ｄＢ）＝１０ｌｏｇ（σ^２ _ｙ／σ^２ _ｅ）
ここで、σ^２ _ｙはエコー信号３６２の分散を示し、σ^２ _ｅはエラー信号３２６の分散を示し、これらの分散は、それぞれ、帰還信号３２４およびエラー信号３２６の短期エネルギ平均値を用いて接近する。ＥＲＬＥは、帰還信号３２４がエコーキャンセラ３００を通過した後に帰還信号３２４から除去されるエネルギ量を示す。ＥＲＬＥが２５〜３０ｄＢに達する場合、状態機３０８は、適応フィルタ３０４が集束したこと、すなわち、適応フィルタ３０４が未知のエコーチャネル３６０の周波数応答を学習したことを仮定する。次に、状態機３０８は、適応フィルタ３０４が未知のエコーチャネル３６０により接近するように、適応フィルタ３０４の適応ステップサイズを小さくする。このような適応ステップサイズの変更はギアシフティング(gearshifting)と呼ばれる。

図３に示されるものと同様で、集束測定およびダブルトーク検出のためにＥＲＬＥを用いる時間領域フィルタについては、上記米国特許第５，３０７，４０５号に完全に開示され、開示全体が本願の援用文献である。

上記のとおり、状態機３０８は、適応フィルタ３０４の適応ステップサイズを調整することによって適応フィルタ３０４の集束を制御する。大きな適応ステップサイズを用いる場合、適応フィルタ３０４は未知のエコーチャネル３６０の周波数応答に迅速に適応する。しかしながら、適応ステップサイズが大きい状態のままの場合、エコーチャネル３６０の応答の変化によって、適応フィルタ３０４の適応は大きくなる。大きな適応ステップサイズを用いることによって、未知の適応フィルタ３０４の応答は未知のエコーチャネル３６０および／または入力信号３２２のわずかな変化に対して過度に補正する可能性がある。このため、大きな適応ステップサイズは粗雑な調整として考えられる。すなわち、入力が小さく変化しても応答は大きく変化してしまう。これは正しいエリアに迅速に到達するためには理想的であるが、目標に正しく方向づけるには理想的ではない。

適応フィルタ３０４を精密に調整するため、小さな適応ステップサイズを設けることができる。しかしながら、適応フィルタ３０４が未知のエコーチャネル３６０の周波数応答から離れている場合、適応ステップサイズが小さいので、適応フィルタ３０４は未知のエコーチャネル３６０の周波数応答を学習するためかなりの時間を要する。

したがって、最適な解決法では、最初は、適応ステップサイズを大きく設定することによって、適応フィルタ３０４は未知のエコーチャネル３６０の周波数応答に迅速に集束することができる。いったん適応フィルタ３０４が集束したら、適応ステップサイズを小さくすることによって、適応フィルタ３０４は未知のエコーチャネル３６０および入力信号３２２の変化を正確に検知することができる。

しかしながら、トーンが存在する場合にＥＲＬＥを集束測定値として用いると、問題が生じる。入力信号３２２が１つの周波数トーンまたは１対のトーンの場合、適応フィルタ３０４はこれらの周波数に対する未知のエコーチャネル３６０のチャネル応答を迅速に学習する。このとき、周波数は消去され、ＥＲＬＥは３０ｄＢを越えて増加する。これに応じて、状態機３０８は、適応フィルタ３０４が集束されたと判断するので、適応ステップサイズを小さくする。実際には、適応フィルタ３０４はチャネルの完全な周波数応答に対して集束しておらず、受信トーン周波数に対して集束したにすぎない。

このような誤集束を引き起こし得る電話呼において通常発生するこのようなトーンの例として、呼進行トーン(call-progress) （例えば、リングバック(ringback)）およびデュアルトーン多重周波数（ＤＴＭＦ）があり、これらはキーパッド(keypad)入力から生じる。

この誤集束から生じる小さな適応ステップサイズの場合、エコーキャンセラ３００は動作定常状態モードになる。実際の集束の場合、適応ステップサイズが小さいとき、適応フィルタ３０４の精密な調整しか行えない。しかしながら、フィルタはトーン周波数に対するチャネル応答を学習しただけなので、フィルタは実際には集束していない。その結果、末端の話者が話し始めるとき、エコー信号３６２は適応フィルタ３０４が消去しない新しい周波数を含み、適応フィルタ３０４は、適応ステップサイズが小さいので、新しい周波数に対するチャネル応答をなかなか学習しない。

誤集束によって引き起こされる別の問題は、状態機３０８が帰還信号３２４の音声がダブルトークであると誤解することである。例えば、両者側が離している場合、また、末端近傍の音声３３２およびエコー信号３６２の両方が音声信号を含む場合にダブルトークが発生する。ある実施例において、状態機３０８は、適応フィルタ３０４の適応を無効にすることによってダブルトークを収容するようにプログラムすることができる。

４．フィルタタップ周波数比較器
トーンが上記誤集束状態を作り出すことを防ぐため、フィルタタップ周波数比較回路が設けられている。フィルタタップ周波数比較回路はエコーキャンセラ３００とともに実施され、上記ＥＲＬＥ計算とともに用いられる。フィルタタップ周波数比較回路は適応フィルタ３０４のタップ値のスペクトルの内容を調べ、誤集束に至る状態が存在していたかどうかを判定する。

図４は、本発明に係るフィルタタップ周波数比較器４００の一実施の形態を示すブロック図である。本実施の形態において、フィルタタップ周波数比較器４００は、高域フィルタ（ＨＰＦ）４０４、エネルギ算出回路４０８Ａおよび４０８Ｂおよび比較器４１２からなる。フィルタタップ周波数比較器４００は、好適な実施の形態では、状態機３０８内部に設けられている。

フィルタタップ周波数比較器４００の動作を概略的に説明する。図５は、誤集束を検出する際、フィルタタップ周波数比較器４００によって続いて行われる処理を示す動作フロー図である。

図４および図５を参照すると、ステップ５０４において、フィルタタップ周波数比較器４００はフィルタタップ値４２６を受信し、フィルタタップ値４２６は、上記のように、エラー信号３２６および入力信号３２２を用いて導出された１組の周波数に対応する整列された値である。ステップ５０８では、フィルタタップ値４２６は高域フィルタで濾過され、周波数エネルギを望ましい遮断周波数未満に減衰させる。遮断周波数を選択して、高域フィルタ４０４はトーンに対応する周波数を遮断するが、最高のトーン周波数を越える他の信号周波数は通過させる。このため、高域フィルタ４０４を透過した周波数はトーン周波数以外の周波数に対応する。通常、トーン周波数は音声周波数スペクトルの底端で生じるので、フィルタ処理は効果的である。その結果は、高域フィルタタップ値４３４と呼ばれる第２の組のフィルタタップである。

例えば、通常の電話システムにおいて、音声スペクトルは０〜４ｋＨｚの範囲であり、すべてのトーンは２ｋＨｚ近傍または未満で生じる。このような環境では、高域フィルタ４０４の遮断周波数は２ｋＨｚに設定される。本実施の形態では、２〜４ｋＨｚの周波数しか通過されない。

ステップ５１２において、高域フィルタタップ値４３４のエネルギはエネルギ算出装置４０８Ａによって算出され、Ｅ_HIGH値４３６を求める。Ｅ_HIGH値４３６は高域フィルタタップ値４３４のエネルギ量を示す。好適な実施の形態では、Ｅ_HIGH値４３６は、高域フィルタタップ値４３４の２乗の総和を計算することによって算出される。

同様に、ステップ５１６において、フィルタタップ値４２６のエネルギはエネルギ算出装置４０８Ｂによって算出される。エネルギ算出装置４０８ＢはＥ_TOT値４３８を求め、Ｅ_TOT値４３８は通信システムの音声周波数帯全体にわたるフィルタタップ値４２６のエネルギを示す。好適な実施の形態では、Ｅ_TOT値４３８は、フィルタタップ値４２６の２乗の総和を計算することによって算出される。

ステップ５２０において、Ｅ_HIGH値４３６はＥ_TOT値４３８と比較され、適応フィルタ３０４が実際に集束しているかどうか（または、適応フィルタ３０４が真に集束しているかどうか）、または、トーンが存在することによって誤集束の問題が発生し得る状態になっているかどうかを判定する。入力信号３２２がトーンのみから構成される場合、フィルタタップ値４２６のすべてのエネルギは高域フィルタ４０４の遮断周波数未満である。したがって、Ｅ_HIGH値４３６はＥ_TOT値４３８の総数のごく一部であり、これは入力信号３２２がトーンのみから構成されることを示す。このように、フィルタタップ値４２６のスペクトルの内容を用いて、入力信号３２２に現在存在するトーンを検出する。

トーンの存在が検出された場合、状態機３０８によって、エコーキャンセラ３００はその適応ステップサイズを小さくしない。一方、入力信号３２２がトーンから構成されていない場合（すなわち、Ｅ_HIGH値４３６がＥ_TOT値４３８のごく一部より大きい場合）、エコーキャンセラ３００は、判定ブロック５２４およびステップ５２６、５２８に示されるように、そのステップサイズを小さい値にギアシフトする。例えば、一実施の形態において、Ｅ_HIGH値４３６がＥ_TOT値４３８の１５％より大きい場合、キャンセラはギアシフトを行う。

一実施の形態では、比較器４１２は、Ｅ_HIGH値４３６／Ｅ_TOT値４３８比が所定のしきい値を越えるかどうかを判定するにすぎない。越える場合は、エコーキャンセラ３００は定常状態に入る。しきい値レベル、遮断周波数および他の動作パラメータの選択は本発明が実施される環境に左右される。動作パラメータに影響を及ぼす要素は、発生しうるトーンの強度、所要時間および周波数を含む。さらに、要素は、入力信号（例えば、末端の話者の音声）で予測される音声データの種類、レベルおよび周波数範囲も含む。

上記実施の形態において、フィルタタップ周波数比較器はフィルタタップの周波数応答を観察し、エコーキャンセラにその適応ステップサイズを小さくされるかどうかを判定する。代替の実施の形態において、周波数比較回路は入力信号を観察し、入力信号がトーンのみからなるかどうかを判定する。

フィルタタップ周波数比較器４００の実施例は多数ある。例えば、１つの信号路を高域フィルタで濾過する代わりに、信号を低域フィルタで濾過し、Ｅ_LOWとＥ_TOTとの関係を判定する。

さらに、比較器４１２の実施例も多数ある。一実施の形態では、比較器４１２は、Ｅ_HIGH値４３６／Ｅ_TOT値４３８比を観察する簡単な比較回路にである。より複雑な実施例では、比較器４１２はプロセッサを用いて実施され、Ｅ_HIGH値４３６／Ｅ_TOT値４３８比を判定するとともに、しきい値を越えるかどうかを判定することができる。この実施例は、同一のプロセッサを用いて比較器４１２を実施できるので、プロセッサを用いて状態機３０８を実施する場合に理想的である。

本発明のようなシステムにおいて基本的なことは、ハードディスク媒体上またはシリコン、ガリウム砒素、または他の半導体基板の集積回路媒体内に原子または超原子レベルで充填した粒子を設けるとともに構成することによって情報を記憶する種々の情報記憶装置（多くの場合、「メモリ」と呼ばれる）を用いることと、電気信号、電磁信号および電荷に応じて状況および状態を変更する種々の情報処理装置（多くの場合、「マイクロプロセッサ」と呼ばれる）を用いることである。また、特定の光学特性を有する光エネルギまたは粒子またはその組み合わせを記憶するとともに処理するメモリおよびマイクロプロセッサが図られ、メモリおよびマイクロプロセッサを用いることはに記載の発明の動作に矛盾しない。例えば、好適な実施の形態では、比較器４１２を含むフィルタタップ周波数比較器４００は、ディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）チップを用いて実施できる。さらに、本好適な実施の形態では、状態機３０８および適応フィルタ３０４は同一のＤＳＰチップとともに実施することができる。なお、上記ＤＳＰを用いる実施の形態の機能的構造は図３に示されるエコーキャンセラ３００によって示され、フィルタタップ周波数比較器４００は状態機３０８の一部として実施される。

本発明の種々の代替の実施の形態および実施例が想定される。例えば、より複雑な例として、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いてフィルタタップ値の周波数応答を求めてもよい。また、本発明において２つの帯域の比較に拡張してもよいし、３つ以上の異なる周波数帯を調べてもよい。代替の実施の形態においてより簡単なのは、高域フィルタの代わりに低域フィルタまたは帯域フィルタを用いてもよい。上記代替の実施の形態の多くと組み合わせて用いられるさらに別の実施の形態では、状態機は、上記のようにステップサイズを小さくするのを抑制する代わりにステップサイズを小さくした後、適応フィルタ処理のステップサイズを大きくしてもよい。

５．結論
本発明の種々の実施の形態を以上に説明してきたが、これらは一例にすぎず、本発明を限定するものでないことは理解されるであろう。これらの実施の形態に対する様々な修正は当業者には容易に明らかになり、本明細書に記載の一般的な原理は、発明的能力を用いることなく、他の実施の形態に適用できる。本発明の広さおよび範囲は上記実施の形態のいずれによっても限定されず、以下の請求の範囲およびその等価物によってのみ定義される。

図１は、長距離電話通信システムを示す。図２は、セルラ電話通信システムを示す。図３は、時間領域エコーキャンセラを示す。図４は、フィルタタップ比較回路を示す。図５は、フィルタタップ比較回路の動作を示す動作フロー図である。

符号の説明

１２０‥中央局，１６２‥加入者ループ，１６４‥４線区画，３００‥時間領域エコーキャンセラー，３２２‥入力信号，３２４‥帰還信号，４００‥フィルタタップ周波数比較器。

Claims

適応フィルタが、トーン信号及び非トーン信号を搬送するように構成された入力信号に集束できるように制御された適応ステップサイズを備える該適応フィルタを有するエコーキャンセラにおいて誤集束を抑制するシステムであって，
前記入力信号を、前記入力信号の濾過されたものと比較することにより、前記エコーキャンセラによって受信された前記入力信号がトーンのみを含むかどうかを判定する手段と、ここにおいて、該濾過されたものは、入力信号の周波数ごとに対応して導出されたフィルタタップ値を高域フィルタで濾過し、遮断周波数未満の周波数のエネルギーを減衰した信号である；そして
該入力信号がトーンを含む場合、該エコーキャンセラが該適応フィルタの該適応ステップサイズを小さくすることを防ぐ手段と、
を備えることを特徴とする誤集束を抑制するシステム。
前記判定する手段は、
フィルタタップ値を濾過し、濾過信号を形成する濾過手段と；
前記濾過信号のエネルギ量を判定する第１のエネルギ判定手段と；
濾過されていないフィルタタップ値のエネルギ量を判定する第２のエネルギ判定手段と；及び
前記濾過信号の前記エネルギ量と前記濾過されていないフィルタタップ値の前記エネルギ量とを比較し、該入力信号がトーンのみを含むどうかを判定する比較手段と、を備えることを特徴とする請求項１記載の誤集束を抑制するシステム。
前記比較手段は、
前記濾過信号の前記エネルギ量が前記濾過されていないフィルタタップ値の前記エネルギ量より小さい場合、該入力信号はトーンのみを含むことを示す手段，を備えることを特徴とする請求項２に記載の誤集束を抑制するシステム。
前記比較手段は、
前記濾過信号の前記エネルギ量が前記濾過されていないフィルタタップ値の前記エネルギ量と異なる場合、前記入力信号はトーンのみを含むことを示す手段，を備えることを特徴とする請求項２に記載の誤集束を抑制するシステム。
帰還信号からの望ましくないエコー信号を消去し、第１のユーザに送信されるエラー信号を形成するエコーキャンセラであって，
未知のエコーチャネルの周波数応答を推定し、前記エコーキャンセラが第１のユーザから受信した入力信号を用いて形成される前記エコー信号の推定値を求める適応フィルタ手段と；
前記エコー信号の前記推定値を前記帰還信号から減じ、前記エラー信号を形成する手段と；そして
前記帰還信号、前記入力信号および前記エラー信号を監視し、前記適応フィルタ手段の適応ステップサイズを制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記適応フィルタ手段の前記入力信号がトーンのみを含むどうかを判定する手段と、ここにおいて、該判定する手段は、前記入力信号を前記入力信号の濾過されたものと比較することにより、前記入力信号がトーンのみを含むどうかを判定する、ここにおいて、該濾過されたものは、入力信号の周波数ごとに対応して導出されたフィルタタップ値を高域フィルタで濾過し、遮断周波数未満の周波数のエネルギーを減衰した信号である、
前記入力信号がトーンのみを含む場合、前記適応フィルタの前記適応ステップサイズの小さくすることを抑制する手段と、を有することを特徴とするエコーキャンセラ。
前記判定手段は、
前記適応フィルタ手段の１組のフィルタタップ値を濾過し、濾過信号を形成する濾過手段と；
前記濾過信号のエネルギ量を判定する第１のエネルギ判定手段と；
前記１組のフィルタタップ値のエネルギ量を判定する第２のエネルギ判定手段と；及び
前記濾過信号の前記エネルギ量を前記１組のフィルタタップ値の前記エネルギ量と比較し、前記入力信号がトーンしか含まないかどうかを判定する比較手段と、を備えることを特徴とする請求項５に記載のエコーキャンセラ。
前記濾過手段は，高域フィルタであり、
前記比較手段は、前記１組のフィルタタップ値の前記エネルギ量が前記濾過信号の前記エネルギ量を上回る場合、前記入力信号がトーンのみを含むことを示す手段を備えることを特徴とする請求項６に記載のエコーキャンセラ。
エコーチャネルが形成したエコー信号を帰還信号から消去するエコーキャンセラにおいて、前記エコーキャンセラは、前記エコーチャネルの周波数応答を推定して前記エコー信号の推定値を求める適応フィルタと、前記エコー信号の前記推定値を前記帰還信号から減じる手段とを有し、前記エコーキャンセラにおいて誤集束を抑制する方法であって，
フィルタタップ値を濾過し、濾過信号を形成する濾過ステップ、ここにおいて、該濾過信号は、入力信号の周波数ごとに対応して導出されたフィルタタップ値を高域フィルタで濾過し、遮断周波数未満の周波数のエネルギーを減衰した信号である；
該濾過信号のエネルギ量を判定するステップ；
フィルタタップ値中のエネルギ量を判定するステップ；
濾過信号の該エネルギ量を該フィルタタップ値のエネルギ量と比較し、該入力信号がトーンのみを含むどうかを判定する比較ステップ；及び
前記入力信号が1つ以上のトーンを含むとき、該エコーキャンセラが引き続く誤集束を生起することを防止するステップ，
と、を備えることを特徴とする前記エコーキャンセラにおいて誤集束を抑制する方法。
前記濾過ステップは前記フィルタタップ値を高域濾過するステップを具備し，そして前記防止するステップは、前記フィルタタップ値の前記エネルギ量が前記濾過信号の前記エネルギ量を上回る場合、前記適応フィルタの適応ステップサイズを小さくすることを防止するステップを具備する，ことを特徴とする請求項８に記載の誤集束を抑制する方法。
エコーチャネルが形成したエコー信号を帰還信号から消去するエコーキャンセラであって，前記エコーチャネルの周波数応答を推定して前記エコー信号の推定値を求める適応フィルタと、前記エコー信号の前記推定値を前記帰還信号から減じる手段とを有する前記エコーキャンセラにおいて，誤集束を抑制する方法であって，
前記適応フィルタのフィルタタップ値を濾過し、濾過信号を形成するステップと、ここにおいて、該濾過信号は、入力信号の周波数ごとに対応して導出されたフィルタタップ値を高域フィルタで濾過し、遮断周波数未満の周波数のエネルギーを減衰した信号である；
前記濾過信号のエネルギ量を判定するステップと；
前記フィルタタップ値のエネルギ量を判定するステップと；
前記濾過信号の前記エネルギ量と前記フィルタタップ値の前記エネルギ量と比較し、前記適応フィルタに対する入力信号がトーンのみを含むどうかを推定する比較ステップと；及び
前記比較ステップによって前記入力信号がトーンしか含まないと判定された場合、前記適応フィルタの適応ステップサイズを小さくすることを防止するステップと、
を具備することを特徴とする誤集束を抑制する方法。
前記濾過ステップは、フィルタタップ値を高域濾過するステップを具備することを特徴とする請求項１０に記載の誤集束を抑制する方法。
１組のフィルタタップ値が集束できるように制御された適応ステップサイズを備え、動作周波数範囲全域にわたってチャネル応答を推定する適応フィルタを有するエコーキャンセラにおいて，誤集束を回避するシステムであって、
入力信号の周波数ごとに対応して導出されたフィルタタップ値の内容を判定する手段と、ここにおいて、該判定する手段は、前記入力信号を前記入力信号の濾過されたものと比較することにより、前記入力信号がトーンのみを含むどうかを判定する、ここにおいて、該濾過されたものは、入力信号の周波数ごとに対応して導出されたフィルタタップ値を高域フィルタで濾過し、遮断周波数未満の周波数のエネルギーを減衰した信号である、及び
前記１組のフィルタタップ値の内容に応じて、前記適応フィルタの前記適応ステップサイズを制御する手段と、
を具備することを特徴とする誤集束を回避するシステム。
前記フィルタタップ値の内容を判定する手段は高速フーリエ変換であることを特徴とする請求項１２に記載の誤集束を回避するシステム。
前記フィルタタップ値の内容を判定する手段は、
前記動作周波数範囲の部分集合であるところの限定周波数範囲に対応する前記１組のフィルタタップ値のエネルギを判定する第１の濾過手段と；
前記動作周波数範囲の前記１組のフィルタタップ値のエネルギを判定する手段と；
前記限定周波数範囲に対応する前記エネルギと前記動作周波数範囲に対応する前記エネルギとを比較する手段と、
を具備することを特徴とする，請求項１２に記載の誤集束を回避するステム。
前記第１の濾過手段は高域フィルタであり、前記限定周波数範囲は所定の遮断周波数を越える周波数に対応することを特徴とする，請求項１４に記載の誤集束を回避するシステム。
前記第１の濾過手段は帯域フィルタであり、前記限定周波数範囲は、低い遮断周波数と高い遮断周波数との間の周波数に対応することを特徴とする，請求項１４に記載の誤集束を回避するシステム。
前記第１の濾過手段は低域フィルタであり、前記限定周波数範囲は所定の遮断周波数未満の周波数に対応することを特徴とする，請求項１４に記載の誤集束を回避するシステム。
前記フィルタタップ値の内容を判定する手段は、前記１組のフィルタタップ値が前記チャネルにトーン周波数のみが存在することを示すかどうかを判定する手段を具備することを特徴とする，請求項１２に記載の誤集束を回避するシステム。
前記適応ステップサイズを制御する手段は、前記フィルタタップ値の内容が誤集束を引き起こしうる状態を示す場合、前記適応ステップサイズを小さくすることを防止する手段を具備することを特徴とする，請求項１２に記載の誤集束を回避するシステム。
１組のフィルタタップ値が集束できるように制御される適応ステップサイズを備え、動作周波数範囲の全域にわたってチャネル応答を推定する適応フィルタを有するエコーキャンセラにおいて誤集束を回避する方法であって，
前記１組のフィルタタップ値の内容を判定するステップと、ここにおいて、該判定するステップは、前記入力信号を前記入力信号の濾過されたものと比較することにより、前記入力信号がトーンのみを含むどうかを判定する、ここにおいて、該濾過されたものは、入力信号の周波数ごとに対応して導出されたフィルタタップ値を高域フィルタで濾過し、遮断周波数未満の周波数のエネルギーを減衰した信号である
前記１組のフィルタタップ値に応じて、前記適応フィルタの前記適応ステップサイズを制御するステップと、
を具備することを特徴とする，誤集束を回避する方法。