TW453098B - Methods and apparatus for adaptive signal gain control in communications systems - Google Patents

Description

453 09 8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ______B7______ 五、發明說明（1 ) 發明領域 本發明是有關於一種通訊系統，特別的是，—種通訊系 統内的適應性增益控制。 發明背景 最近，網際網路電話有成爲主流產品的趨勢。透過網際 網路對高品質的音頻信號作即時的傳送與接收可以提供消 費者很好的經濟效益，並且可以解決目前仍然無解的通訊 問題，特別是在多媒體電腦上。但是，目前網際網路電話 應用上的困難是在音頻信號的增益控制上。特別的是，實 際上’很難利用調整音頻信號（例如，麥克風輸出信號）的 準位來確保語音編碼器以及其他網際網路上傳送音頻信號 時常用的信號處理演算法的正確操作。換言之，多數的信 號處理演算法是根據全部的特殊^態輸△範国來作舉佳化 的’因此，需要精準的信號準位校正來讓輸入信號填滿但 是不超過此範園。 慣例上，當該應用在首次安裝或首次使用時，使用者必 須作信號準位校正或是該應用自動作校正。舉例來説，使 用者經常會被指示要作多媒體電腦語音卡的增益控制校正 ，如此，線控輸入（line-in)或麥克風信號才能正確地處理 後傳送。或是，在安裝的時候使用者會被指示提供—校正 仏號（例如，從麥克風講話或是提供—線控輸入音頻信號） ’讓語音卡自動作增益控制。 但是，因爲使用者聽不到麥克風或是線控輸入信號，而 且，沒有任何的信號增益設定可以解釋之後在信號準位上 私紙張尺度適用中國國家標準<CNS) A4規格（210 X 297公釐 -----------i------:!訂· (清先閱績背面之注意事項再填寫本頁) 453 09 8 Α7 Β7 五、發明說明（2 ) 的變化（例如，是因爲麥克風位置的變化或是使用者之間音 量差異的變化）’所以，解決的方式並不足夠。有時候，語 音卡的增益設定太低，造成語音編碼器以及/或是其他信號 處理演算法的準確性偏低。結果，接收端的使用者便會增 加遠端的增益’如此一來’便會造成所接收到的語音信號 的化號雜訊比非常差，並且可能會包括干擾量測的雜訊。 在其他時候，語音卡的增益設定可能太高，造成信號飽和 ’如此便會阻礙語音編碼器以及/或是其他信號處理演算法 典法如預期般的運作β雖然，接收端的使用者可以降低遠 端的増显’但是’這便會造成所接收到的語音信號的失眞。 因此’必須有一改善的方法和裝置來調整通訊系統中的 信號準位。 發明概要 本發明提供了 一適應性增益控制技術來達到上述以及其 他的需求。優點是，在此揭露的技術中，可以在通話時， 正確地調整信號準位，並且可以抑制背景雜訊以及喇队回 音。另外’在此揭露的技術中，將會對多重近端喇队以及 近端環境的變化（例如，使用者以及麥克風位置的變化）作 一説明3 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ----------- 裝--------訂- (請先閱讀背面之;i意事項再填寫本貢> 根據本發明的適應性增益控制器，包括了 一根據麥克風 輸出信號的量測値以及喇队輸入信號的量測値來調整麥克 風輸出信號上的類比增益的増益控制處理器。舉例來説， 可以利用估算麥克風信號内語音準位的平均値以及峰値， 以及判斷麥克風的輸出信號是否飽和，來調整類比增益。 -5- 本紙張尺度適用申國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 4 53 09 8 A7 —------_ 五、發明說明（3 ) 在具體的實例中，當麥克風輸出信號内語音準位的平均作 接近一目標平均値並且麥克風信號内語音準位的峰値沒^ 超過最大的峰値時，便會調整類比增益。爲了改善其效能 ’必須更新平均値以及峰値的預測値，在具體的實例中: 只有在語音偵測器偵測到在麥克風輪出信號内有語音但 是’在制队輸入信號内沒有語音時，才會進行更新。 在信號透過類比數位轉換器作數位化之前，調整其類比 增益的方法包括的步驟有：判斷類比數位轉換器的數位輸 出是否飽和；如果飽和，降低類比增益；如果沒有飽和， 將所量測到的通訊信號的平均値與目標平均値作比較；如 果所量測到的平均値遠大於目標平均値的話，降低類比増 益；如果所量測到的平均値遠小於目標平均値的話，將所 量測到的通訊信號的峰値與通訊信號的最大峰値作比較，· 如果所量測到的峰値小於最大値的話，增加類比增益。 以上所述關於本發明的各種特點以及優點在之後會參考 附圖的實例作更詳細的説明。在此技術的各項技藝中可以 發現，所有的具體實例都是爲了對本發明作一圖解與說明 ，而且多數的等效具體實例都是經過仔細地設計。 圖示簡單説明 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ------------ _t------.丨丨-T. {請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 圖1係一含有根據本發明的適應性增益控制組的通訊系统 的方塊圖。 圖2 —描述根據本發明的適應性增益控制的流程圖。 本發明的細部説明 圖1係一含有根據本發明的適應性增益控制組的網際網路 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4堤格（210 X 297公釐) 453 09 8

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（ 電話系統1GG。在-多媒體的個人電腦中可能便含有此一系 統°在此技術的各項技藝中可以發現，以下所提到的關於 圖1中系統100各個元件的功能都可以利用已知的類比與數 位信號處理硬體以及/或是一般的數位電腦來達成。 如圖所示系統100包括了，一個麥克風〗，一個喇叭 ，一個增益可調式擴大機13〇，—個類比數位轉換器14〇, 一個數位類比轉換器145 ,第一與第二聲音感測器 (VADs) 150，155，以及一個控制處理器16〇。遠端的數位信 號x(n)(例如，經由網際網路所接收到的數位化的遠端語音 與雜訊）會進入數位類比轉換器145與第二聲音感測器 數位類比轉換器145會將遠端信號x(n)轉換成類比信號，轉 換後的類比信號x(t)會進入喇叭120呈現給近端的使用者。 此外’麥克風Π0所接收到的近端語音V|(t)，近端雜訊 vz(t)以及遠端回音s(t)，所形成的近端類比信號以丨）會被 增益可調式擴大機130放大’以及被類比數位轉換器14〇數 位化。轉換後的數位近端信號y(n)會進入第一聲音感測器 150以及控制處理器160,同時也會傳送到遠端（例如，透過 網際網路）。從聲音感測器150，155的輸出信號都會進入到 控制處理器160。 運作上，控制處理器160會監控近端數位信號y(n)，以及 聲音感測器150’ 155的.輸出信號，並且調整擴大機130的增 益，讓近端數位信號y ( η )適合輸入到用來傳送近端數位信 號y(n)的語音编碼器（不在圖中）以及/或是其他的數位信號 處理演算器中。雖然，在經過類比數位轉換之後以及進入 本紙張尺度適用t國國家標準（CNS)A4規格（21〇χ 297公釐） ----------- -t--------訂· <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 453 09 8 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（5 語音編碼器或是其他的演算器之前，還是可以對數位信號 準位進行微調，不過，擴大機130還是會進行較大的調整， 以防止量測噪音的過度放大，並且可以避免因爲信號在類 比數位轉換器14〇中箝止（clipping)而產生失眞。 通常，控制處理器160會量測近端信號y (η)内近端語音的 平均値，並且調整擴大機130的增益，以便持續地將所量測 到的平均値調整到目標値（例如，-22dBoV，如S ubscriber Loop Signaling and Transmission Handbook, Whitman D. Reeve, IEEE Press, 1992, pp. 95-97中所定義的）。爲了讓該增益控 制系統更完整，可以視聲音感測器150，155的輸出以及信 號飽和測試的結果，來作增益調整，之後會有細部説明。 另外，也可以根據近端語音的峰値來作增益調整，以防止 當有兩個或是更多的近端使用者在講話時會有增益誤差， 之後也會有細部説明。 根據具體實例’近端信號y (n)内近端語音平均値的預估 値會在每一次一連_的近端信號取樣方塊結束時作更新（例 如，在每160個取樣的GSM語音框結束時）。然而，爲了避 免當近端使用者不講話時會有增益誤差，所以，只有在聲 音感測器150偵測到近端信號y(n)内含有語音的時候’才會 對近端語音平均値的預估値作更新。另外，在近端使用者 沒有講話時，聲骨感測器1 5〇還是會因爲遠端回音而偵測到 有語音的存在，所以，只有在第二聲音感測器155偵測到遠 端信號x(n)内沒有語音的時候，才會對此預估値作更新。 聲音感測器150，155的結構已經爲大家所熟知，在ETSI， ------------ « ^--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) )1SJ· 4 53 09 8 A7 -----B7________ 五、發明說明（6 ) GSM 06 ： 32 » European Digital Cellular Telecommunication System Voice Activity Detection，4.3.1版，1998年 4 月中亦有 所描述。 當近端只有單一個説話者時（聲音感測器15〇，155的感測 結果）’可以利用計算取樣框内全部的近端信號y ( n )的平均 値ry便可以在每一個取樣方塊結束時更新近端語音平均値 ry的預估値（例如，在每個GSM語音框結束時）。換言之， 對於一個有N個（例如，160個）取樣的方塊框來説，近端信 號的平均値ry的計算方式如下： 接著，將計算出來的近端信號減去近端雜訊預估値（此步 驟可以在聲音感測器150，155沒有偵測到任何的近端語音 以及遠端語音的時候來進行）便可以得到方塊框的近端語音 準位。換言之，近端語音準位Γν1是近端信號ry與近端雜 訊rv2之間的差： 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 --------------裝------：il-tr· (諝先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 計算出方塊框的近端語音準位之後，接著便要更新每一 個方塊框的近端語音平均値的預估値rav。換言之，更新平 均値預估値r a v的方式如下： -9 · 本紙張尺度適用甲國國家標準（CNS)A4埤格（210 X 297公釐） 4 53 09 8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（7 ) rav = αΓ3ν + (1-α)Γν1 其中，α是更新係數（實數），用來取得增益適應性的速 度與系統穩定度之間的平衡。經驗上，〇 995是一是當的係 數。 利用此種方塊框的方式來監控近端語音平均値，可以將 近端語音平均値維持在目標値或是接近目標値（例如，在目 標値的一定範圍附近）^舉例來説，可以根據移動預估平均 値r a V與目標値（例如， 22dBo V)的比較結果，以遞增的方 式，每隔幾個方塊框（例如，每30至50 GSM框）便調整一 次增益。換言之，如果每隔幾個方塊框之後，移動預估値 r a v遠大於或小於目標値的話，便可以將放大增益往下或往 上調整一定的量（例如，l_3dB)。利用這種每隔幾個方塊框 便以漸進的方式將增益調整接近目標値得方式，便可以避 免不當的增益產生。優點是，增益調整的間格（例如，方塊 框的數量）可以隨著時間來改變。舉例來説，在初期的訓練 期可經常的作調整，之後便可以降低調整的次數。 上述的技術提供了在只有單一個近端使用者時的增益控 制’但是如果有多個近端使用者同時講話的話，其結杲便 不盡理想。換言之，當有兩個或更多的使用者以不同的音 量同時講話時，上述平均値預估的方式便會將所有的音量 合併在一起，結果在音量最大的使用者講話時，便會發生 過度放大以及箝止的現象。 不過，在另外一個具體實例中，將近端語音的峰値考慮 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 χ 297公釐） ---------- !^------^--訂- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 4 53 09 8 A7 _________B7________ 五、發明說明（8 ) 進去便可以解決這個問題。特別之處是，近端語音岭値的 移動預估値是以下列的方塊框方式來計算的： rpeak = Max(/J rpeaic + (1-々)rvl，rV|) 其中’ /3是實數的更新係數（例如，0.995 )，而其中方塊框 的語音準位r v i的計算方式則如上所述。類似平均預估値 ra V的方式，只有在聲音感測器15〇，155偵測單一的近端語 音存在時，才會更新峰値預估値rpeat。如果可以保證峰値預 估値不超過目標値（例如，-16dBov)的話，當有多個近端使 用者時存在時，便能夠避免發生過度放大的現象。舉例來 説’控制處理器160可以在只有當峰値預估値小於目標峰値 的時候，才提高增益。 優點是’考慮到類比數位轉換器14〇的飽和之後，上述的 增益控制技術還是相當完整。舉例來説，如果只有在轉換 器140未達飽和（例如’輸出信號y(n)等於轉換器輸出的最 小値或取大値）才提高増益（例如，利用上述的平均値與峰 值預枯値）’或是在轉換器丨40達飽和的時候降低增益的話 ’便可以將彳έ號箝止以及所產生的失眞現象減少到最低程 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -----------:裝------訂. f锖先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 度。 根據具體實例，可以藉由操作一動態飽和計數器來監控 飽和的狀態。在每一個方塊框結束的時候便會決定方塊框 飽和取樣的數目L (例如’具有最小或最大的轉換輸出取樣 便必須計數）。如果，方塊框飽和取樣的數目L大於或等於 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210x 297公 453 09 8 Α7 _ Β7 五、發明說明（9 ) 每一方塊框的飽和上限τ 1 (例如，2 )的話，那麼便將飽和 計數器増加飽和取樣的數目L。但是，如果，方塊框炮和 取樣的數目L小於每一方塊框的飽和上限T1的話，那麼便 將飽和計數器減少一預先設定的數目Μ (例如，1 - 5之間的 整數）。當飽和計數器變得比整體的飽和上限Τ 2 (例如， 50)還要大或是等於的話，那麼便將放大器增益降低並且重 置飽和計數器。但是，只要飽和計數器小於整體的飽和上 限Τ 2的話，便可以依照適當的方式來調整放大器增益（例 如，依照上述的平均値以及峰値的預估値）。要注意的是， 如果是連續的飽和取樣的話，可以賦予比單一的飽和取樣 較大的權値（例如，2 )(因爲接收端的使用者可能聽不到單 一的飽和取樣’但是卻會被連續的飽和取樣所困擾）。由經 驗上顯示，在維持適當的增益控制時，上述的方式是一個 有效而穩定的技術來防止飽和情形的產生。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ---------- ---------訂 <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 一般而言’根據本發明，利用上述的平均値，峰値以及 飽和係數的任一组合方法簪來作增益調整的話，可以達到 有效的增益控制。圖2中描述了一增益調整的演算法範例 200。舉例來説，此演算法範例可以用來對每隔幾個（例如 ，30-50)方塊框（已爲熟知的，上述的平均値預估値，峰 値預估値以及飽和計數器都是在每一個方塊框結束的時候 才作更新的）作放大器增益調整。 該判斷演算法從步驟210開始’在步骤220會判斷已放大 的數位化信號y (η)是否飽和（例如，動態飽和計數器是否大 於飽和上限Τ2) ^如果是的話，在步驟23〇降低放大器增益（ -12- 本紙張尺度適用令國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公餐） 4 53 09 8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（10 ) 例如，l-3dB)，然後在步驟240結束整個判斷演算。如果不 是的話，判斷（在步驟250)信號準位是否太高（例如，平均 語音準位預估値是否遠大於目標平均値）。如果是的話，在 步驟230降低放大器增益，然後在步驟24〇結束整個判斷演 算。如果不是的話，判斷（在步驟260)信號準位是否太低（ 例如，平均語音準位預估値是否遠小於目標平均値）。如果 不是的話，不對放大器增益作任何的增益，然後在步驟24〇 結束整個判斷演算。如果是的話，判斷（在步驟27〇)信號峰 値準位是否在適當的範圍内（例如，語音峰値準位預估値是 否小於目標峰値）。如果不是的話’不對放大器増益作任何 的增益，然後在步驟240結束整個判斷演算。如果是的話， 在步驟280提高放大器增益（例如’ ，然後在<步驟以〇 結束整個判斷演算。 如上所述，在此揭露的增益控制技術可以提供 ’正確地調整其音頻信號準纟，並且可以抑制背景雜訊以 及喇叭回音。另外，在此揭露的技術中，會説明多重近端 喇叭以及近端環境的變化（例如，使用者以及麥克風位置 變化）。 ^ 優點是’在此揭露的技術可以與其他的適應性信號處理 演算器連接使用，例如，雜訊抑制演算器以及/或是適應性 遽波回音消除演算器。舉例來説，在此技術中爲人所熟知 的，雜訊消除器會使用一適應性演算器（例如，最小平方平 均法（Least Mean Squares)，或是標準化最小平方平均去 (Normalized Least Mean Squares))來計算回音預估値 s⑴， -13 - 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公餐 -----------it-----ί —訂. (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 4 53 09 8 A7 --------- 五、發明說明（11 ) 將近端信號y (η)減去此回音預估値之後便可以得到回音消 除信號。根據本發明，利用上述技術所算出的增益變化會 直接通知這類的回音消除器，以便回音消除器的適應性遽 波係數可以做立即的調整。如此，回音消除器便不需要頦 外的時間來調整適應上述技術所作的任何改變3如果，在 類比數位轉換器140以及增益控制處理器160之間放置一儲 存緩衝器的話（例如’如此，增益控制處理器160才能對儲 存的取樣作處理）’當通知回音消除器（或是其他的適應性 演算器）增益變化時’會將所造成的信號延遲（換言之，就 是在放大器130中的類比增益變化在輸出信號y(n)内反射所 需的時間）考慮進去。 熟知此技術的人可以理解，本發明並不僅限適用在此處 所描述的具體實例範例’其他許多的具禮實例亦同時適用 。舉例來説，雖然具體實例是關於即時的網際網路電話， 但是所揭露的觀念同樣適用在任何需要信號適應信增益控 制的通訊上（例如，語音彳s Id以及其他的數位電話應用）。 在附錄的申請專利中定義的是本發明的範園，而不是前面 的敍·述’其他與申清專利意義相符者皆包含於其中。 -----------'裝------：——訂. f靖先閱讀背面之;1意事項再填寫本頁；> 經濟部智慧財產局員X消費合作社印製 適 度 尺 張一紙 本 (cl 準 標 固 格 規 A4 I公 i 7 29

Claims (1)

1. A8B8C8D8 4 53 09 8 六、申請專利範圍 1.種用在含有麥克風與喇队的通訊裝置中的適應性增益 控制器，包括了： 一個根據$裝1的麥克風輸出信號以及伽\輸入信號 來調整m裝£的麥克風輸m的類比增益的增益控 制處理器。 2 .如中請專利範圍第i嚷中的適應性增益控制器，其中， 該增益控制器會根據麥克風輸出信號的平均値預估値來 調整類比增益。 3 ·如中請專利範®第2項中的適應性増益控制器，其中， 該增益控制器會調整類比增益讓麥克風輸出_中的語 音準位接近目標平均値β 4. 如中請專利範圍第2項中的適應性増益控制器，另外還 包括了 ’-個第-聲音感測器用來偵測在麥克風輸出信 號中是否含有語音信號。 5. 如中請專利範㈣4項中的適應性增益控制器，其中， 只有在該第-聲音感測器制到在麥克風輸出信號中含 有語音的時候，才會對語音平均値的預估値作更新。 6. 如申請專利範圍第4項中的適應性増益控制器，另外還 包括了 ’-個第二聲音感測器用來偵測在料輸入 中是否含有語音信號， ° 7. 如中請專利範圍第6项中的適應性增益控制器，其中， 只有在該第-聲音感測器偵測到在麥克風輸出信號中丄 有語音以及該第二聲音感測器偵測到在㈣輸 ： 沒有任何語音的時候’才會對語音平均値的預估値作更 _____-15- 本紙張尺度適齡國國家標準（CNS_)A4规格咖χ挪公爱- I - - i^i In n t I t n - I - - - 一。1 I n n n t— ^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 453 09 8 A8 R8 C8 D8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 新0 8 ·如申請專利範圍第1項中的適應性増益控制器，其中， 該增益控制器會根據麥克風輸出信號的峰值預估値來調 整類比増益。 9. 如申請專利範圍第8項中的適應性增益控制器，其中， 該增益控制器會調整類比增益讓麥克風輸出信號中的語 音峰値準位使其不會超出最大的峰値準位。 10. 如申請專利範圍第i項中的適應性增益控制器，其中， 菽增益控制器會根據麥克風的輸出信號是否飽和來調整 類比増益。 11 .如申請專利範圍第1 〇項中的適應性增益控制器，其中， 當麥克風的輸出信號飽和的時候，該增益控制器會降低 類比增益。 1 2 ·如申請專利範園第2項中的適應性増益控制器，其中， 語音平均値的預估値會被調整以補償麥克風輸出信號中 的雜訊。 1 3 .如申請專利範園第2項中的適應性增益控制器，其中， 該增益控制器會將增益調整的結果通知該通訊裝置中的 另一個適應性處理器。 1 4 .如申請專利範圍第1 3項中的適應性増益控制器，其中， 另一個適應性處理器是一個適應性回音消音器。 1 5 .如申請專利範圍第1 3項中的適應性增益控制器，其中， 另一個適應性處理器是一個適應性雜訊消除器。 1 6 .如申請專利範園第丨3項中的適應性增益控制器，其中， 衣紙張&度適用家標準（CNS)A4規格（210: •16- 297公釐） — 1111 謂 — — II ! — I I___—‘丁 · <請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 453 09 8 ---------、申請專利範圍 888^Ό ABCS 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 麥克風輸出信號中的數位取樣會儲存在—緩衝器中，其 中，該増益控制器會對已儲存的麥克風輸出信號的取樣 作運算，而且其中該增益控制器在將增益調整的結果通 知該另一個適應性處理器的時候，會將延遲效應補償來 達到類比增益調整的效果β 17 如申請專利範圍第i項中的適應性增益控制器，其中， 該增益控制器會根據至少是，麥克風信號中的平均値預 估値麥克風彳5就的峰値預估値以及麥克風的輸出信號 疋否飽和之判定三者中的一個，來調整類比増益。 18.—種方法，用來在類比數位轉換器將通訊信號數位化之 钿’調整通訊信號上的類比增益，包括了下列的步驟： 判斷類比數位轉換器的數位輸出是否飽和； 如果數位輸出飽和，降低類比増益； 如果數位輸出沒有飽和，將所量測到的通訊信號的平 均値與目標平均値作比較； 如果所量測到的平均値遠大於目標平均値的話，降低 類比增益； 如果所量測到的平均値遠小於目標平均値的話，將所 量測到的通訊信號的峰値與通訊信號的最大峰値作比較 :以及 如果所量測到的峰値小於最大峰値的話，則増加類比 增益。 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準<CNS)A4規格（210 X 297公爱〉 ----------- ! ---------訂 T (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)