TWI354478B - Method and apparatus for echo cancellation - Google Patents

Description

354478 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於聲音互動裝置，尤其是有關於使用 不同遽波器來消除回音的方法。 【先前技術】 第1圖係為一習知的聲音互動裝置，例如行動電 話，包含一麥克風104和一揚聲器102。由遠端接收的一 φ 遠端訊號#311(：在揚聲器102中放大以產生輸出聲音 #OUT。麥克風104接收包含了輸入聲音#IN和環境噪音 #ENV的近端訊號#]^1乂。該輸出聲音#OUT也可能被麥克 風104接收到，所以會產生回音。傳統做法都是使用回 音消除電路110來消除近端訊號#]^以中的回音。回音消 除電路110可以是一個有限脈衝響應（FIR)濾波器，包 含一組從遠端訊號#SRC學習而來的係數組，近端訊號 #MIX輸入後回音的成份即可被消除，產生一目標訊號 • #DST供進一步的傳送。 語音通訊基本上是即時進行的，因此回音消除電路 110的效能好壞是關鍵。回音消除電路110中的係數組係 使用正規化最小均方法更新，包含一既定的步進階數 (step size )。舉例來說，一較大的步進階數可以使係數 組快速收斂，但是得到的過濾結果具有較差的訊噪比 (SNR)。相反的，較小的步進階數可以得到品質很好的 目標訊號#〇3了，但是收斂的速度過慢而不適用於即時通 0758-A31966TWF;MTKI-05-445;yeatsluo 6 ⑶4478 訊。所以無可避免的，在品質和速度之間必須做個取捨。 ’輸丨聲音#ουτ’輸入聲音刪定會同時發生。 又方同冓話時，稱為雙邊發話，回音消除電路 的效能會降低，產生有噪音的目標訊號#DST。因此 的回音消除技術是有待改良的。 【發明内容】

、、，本發明提出一種回音消除電路和實作於其上的回音 ^二:法，用於同時接收一近端訊號和輸出一遠端訊號 —语2互動裝置。該近端訊號包含由該遠端訊號產生的 —回音’而在該回音消除電路中，—第―毅器以一第 —速率學習該遠端訊號，產生—第—係數組，並以該第 :係數組過濾、該本地聲音以產生—第—遽過訊號。一第 二據波器以—第二速率學習該遠端訊號，產生-第二係 數組，並以該第二係數組過濾該本地聲音以產生一第二 據過訊號。波it包含-第三係數組，過濾、該本 地聲音中的回音以產生—第三_過訊號，作為—回音消 軋果。其巾該第三係I组係根據該第―、第二和 過訊號而更新。 、4回Θ消除電路尚包含一控制器，用以根據該遠端 和近端訊號’彳貞職端發話、近端發話和雙邊發話，藉 此调整，第二速率。該控制器偵測該第一和第二濾過訊 5虎的:b里位準。當該第一和第二濾過訊號的能量位準皆 超過及本地聲音的能量位準之—比例，則判定為雙邊發 0758-A31966TWF;MTKI-05-445;yeatslu〇 7 /δ -玄比，的值介於Ο和i之間。該第一和第二速率係 另〗由第一步進階數和—第二步進階數所決定。當偵 =到雙邊發話時，該控制器減少該第二步進階數。當雙 2話不成立時’該控制器増加該第二步進階數；其中 5亥卓t步進階數不超過該第一步進階數。 當該遠端訊號的能量位準超過一遠端臨界值時，該 判W端發話成立。t該近端訊號的能量位準超 端臨界值時’該控制器判定近端發話成立。當雙 X蛞不成iL時’該控制器根據下列條件設定該第二步 ，數的值。如果遠端發話和近端發話同時成立，該控 該第二步進階數設定為-第-值，低於該第一步 白 如果八有遠端發話成立，該控制器設定該第二 2階數至H ’低於該第-值。如果只有近端發 2立1控制器妓該第二步進階數至―第三值，小 於荨於該第二值。 5亥第一濾波器係為一消影濾波器，遞 化最小均方法（NLMS)更新竽第正規 哭总炎 〜更新°亥第一係數組。該第二濾波 為：可適性遽'波器’遞迴地以該正規化最小均方法 更新5亥第二係數組。該控制器根據該第―、第二和 濾過訊號的第一、第二和第三能量位準，判斷是否需： 更新該第三係數組。如果該第一能 旦仞、、隹άΑ咕 禾以弟恥罝位準低於該第三能 里位^的-第—倍率，而且小於該第二能量位準，則該 控制益將該第-係數組複製到該第三係數組。如果 二能量位準低於該第三能量㈣的—第二倍率，而且 0758-Α31966TWF;MTKI-05445;yeatsluo 8 1354478 於該第:能量位準，則該控制器將該第二係數組複製到 e亥第二係數組。而其他情況該第三係數組維持不變。該 第—和第二倍率的值介於〇到1之間。 【實施方式】 第2圖疋本發明實施例之一的回音消除電路2〇〇， 包含三個濾波器，第一濾波器21〇，第二濾波器22〇和第 三，波器230。該第一濾波器21〇和第二濾波器22〇是「試 籲$單it」’產生初步結果’而該第三滤波器23()則分析 這些初步結果而產生最終的過濾結果。第一濾波器210 ，有一個大的步進階數，以及較少的過濾匣。第二濾波 器220具有一較小但是可調整的步進階數，以及多一點 的過濾匣。該第一濾波器21〇可以快速的反應回音變化， 而第二濾波器220可提供較佳的過濾品質。本實施例欲 利用兩者的優點來合成最好的輸出結果。運用等步進階 數及正規化最小均方法運算，第一濾波器210和第二濾 #波器220根據遠端訊號#SRC各別訓練出第一係數組#C】 和第一係數組#€2，並藉其過濾麥克風1〇4輸入的近端訊 號#1^汊。第一濾過訊號#Y1和第二濾過訊號#γ2於是產 生。第二濾波器230中也包含第三係數組#C3，用以產生 第二濾過訊號#Y3作為目標訊號#〇3丁。其中第三係數組 #C3是根據第一濾過訊號#¥1和第二濾過訊號#γ2而動 態調整的，其設定方式將在稍後詳述。 一正規化最小均方法演算法可表示如下： 0758-Α31966TWF；MTKI-05-445;yeatsluo 9 1354478 C(0=C(Z’1)+M01^(0 其中C(l)代表現在的係數，由前一個時間點的係數 c(i-l)更新而來。〆即為步進階數，e(i)代表誤差值，經由 其他方式取得。而x(i)是輸入的訊號。 的步進階數個固定社數值，用㈣^速= 斂的效果。而第二濾波器220的步進階數μ2則是一個小 於μι的可調整值，根據第一濾過訊號#γι和第二濾過訊 號#丫2而調整。本架構可彈性的適用於許多狀況。舉例 來說，μ2可以隨著雙邊發話、近端發話和遠端發話來改 是在回曰'肖除電路200中，包含一第一控制器202，用 以根據遠端訊號#811(：，近端訊號#]\41又，第一濾過訊號 #Y1和第二遽過訊號#Υ2偵測雙邊發話，近端發話和遠 端發話。該第一控制器2〇2耦接第二濾波器22〇，根據偵 測結果調整步進階數μ2。首先，第—控制器搬量測第 一濾過訊號#Y1和第二濾過訊號#Υ2的能量位準。能量 位準的值可透過一動態平均法求得I 里 ^αν (0 = S'Em (/ - 1) + (1 - £·) . £(/) 其中Eav(i-1)代表前一時間點的能量位準，e⑴是目 前量測到的能量位準，❿Eav⑴是目前求得的平均結果。 倍率值ε是一個介於〇和1之間的值。 雙邊發話的意思就是遠端和近端同時有聲音，所以 輸出聲音#OUT和輸人聲音_都具有相當程度:能量位 準。第一濾波器210和第二濾波器22〇雖 除近端訊號麵中的回音，但是第-遽過訊L: 0758-A31966TWF;MTKI-05-445;yeatsluo 10 1354478 二濾過訊號#Y2中可能仍然帶著輸入聲音#IN所傳來的 • 能量。因此第一濾過訊號#Y1和第二濾過訊號#丫2的能 量位準也被列入考量。如果第一濾過訊號#Y1和第二濾 過訊號#Y2的能量位準超過近端訊號#MIX的一倍率，則 判定雙邊發話是成立的。這時，將第二濾波器220的步 進階數μ2降至一最小值β4，以獲取最佳的過濾結果。相 對的，如果雙邊發話不成立，則第一控制器202將μ2的 值加大，但是不超過μι。 • 此外，第一控制器202亦偵測遠端發話和近端發話 的存在。遠端發話的意思是遠端訊號#311(：的能量位準超 過一遠端臨界值。同理，近端發話的意思是近端訊號 #ΜΙΧ的能量位準超過一近臨界值。當雙邊發話不成立 時，步進階數μ2妁值則進一步根據遠端發話和近端發話 的情形來調整： € VAD(R) = 1 & VAD(L) = \,μ2= β, e VAD(R) = 1 & VAD(L) = 〇,μ2= β2 Φ e VAD(R) = 0& VAD(L) = \,μ2=β, 其中VAD(R)和VAD(L)表示遠端（remote)和近端 (local)的聲音活動情形，1為成立，而0為不成立。而 數值β之間的關係為： P4<P3 = β2<βΐ 其中這些值皆不超過第一濾波器210的步進階數 μ!。在本實施例中，第一濾波器210可以是一消影 (shadow )渡波器，而第二滤波器220是可適性（adaptive ) 075 8-A31966TWF;MTKI-05-445 ;yeatsluo 11 1354478 濾波器，兩者各產生初步結果以決定後續的第三係數組 • #C3。第三濾波器230則是以第三係數組#C3對近端訊號 #MIX進行過濾，而得到最終結果。 為了計算第三係數組#C3，一第二控制器204比較 第一濾過訊號#Y1，第二濾過訊號#Y2和第三濾過訊號 #Υ3的量能位準。從第一濾過訊號#Υ1，第二濾過訊號#Υ2 和第三濾過訊號#丫3中，第二控制器204選擇一個最好 的結果來決定第三係數組#C3。所謂最好的結果指的是具 • 有最低能量位準者。一開始的時候，第三係數組#C3係 由複製第一係數組#C1或第二係數組#C2而得，但是在過 濾的過程中不進行遞迴更新，而是維持定值。當有較佳 結果從第一濾波器210或第二濾波器220產生時，該第 三係數組#〇3才再次更新為第一係數組#C1或第二係數 組#02的複本。因此條件式可表示如下： e Er] < ax · Εγζ & Εγι < EY2, # C3 =# Cl e EY1 < a2 * EY3 &EY2 < EY3,#C3 =#C2 • 其中EY卜EY2和EY3代表第一濾過訊號#Y卜第 二濾過訊號#Y2和第三濾過訊號#丫3的能量位準，而α! 和α2表示介於0和1之間的係數。如上述二式都不符合， 則第三係數組#C3的值就不更新，維持原狀。藉此，目 標訊號#DST永遠是第一濾波器210，第二濾波器220， 第三濾波器230的結果中最好的那一個。不論輸出聲音 #OUT和輸入聲音#IN的變動如何的激烈，回音消除的品 質也可以一直保持穩定。 0758-A31966TWF;MTKI-05-445;yeatsluo 12 1354478 第3圖係為本發明實施例的回音消除方法之流程 圖。在步驟3(Π，302和303卜第2圖中的遠端訊號 ，透過學習而產生第一係數組#(：1，第二係數組#C2 和第三係數組#〇3，並藉其過濾近端訊號#Μιχ而產生第 -濾過訊號#Y1 ’第二濾過訊號#γ2矛口第三濾過訊號 #Υ3。在步驟31〇中，偵測發話情況，例如雙 端發話或近端發話。在步驟312中，根據步驟^的^ 測結果更新第二步進階數以。更新後步驟地中的學習 響。同時，在步驟320中，比較第-遽過 心虎，第二遽過訊號#γ2和第三渡過訊號州的能量 位^在步驟322中，能量位準的比較結果用來決定第 二係數組#C3。決定後的第三係數組紀3影塑了 如生第三絲訊號#γ3即為最佳的回音祕結果。 二步進x 則進行步驟412,將第 彳t42q’«是否存 二==設為\否則進行步驟43()，判斷是否只 階數μ⑽為〗牛如果疋，則進行步驟432，將第二步進 I是^牛驟4 4 G “只有近端發話存在。 果疋貝！知步觸442，將第 在本發實财，物嶋是㈣3^^為卜 本發施例可應用在行動雷今七〃 〃 Ρ2 μι 和揚聲器的裝置。第一控制器；同時包含麥克風 和第二控制器204可 〇758-A31966TWF;MTKI-〇5^45；yeatsluo 13 1354478 以是以電路實作的邏輯區塊，也可以是軟體程式。第一 濾波器210,第二濾波器220和第三濾波器230也可以是 用DSP搭配記憶體所實現的演算法。舉例來說，如果本 發明應用在VOIP系統，則回音消除電路200可能是安裝 在内嵌式系統如Linux中的軟體模組。 【圖式簡單說明】 第1圖係為一習知的聲音互動裝置； 第2圖是本發明實施例之一的回音消除電路200 ; 第3圖係為本發明實施例的回音消除方法之流程 圖；以及 第4圖係為決定步進階數的流程圖。 【主要元件符號說明】 102〜揚聲器； 110~回音消除器； 202〜第一控制器； 210〜第一濾波器； 230〜第三濾波器。 104〜麥克風； 200〜回音消除器； 204〜第二控制器； 220〜第二濾波器； 0758-A31966TWF;MTKI-05-445;yeatsluo 14

Claims (1)

1354478 - * 第96100900號之申請專利範圍修正本 100年1月19日修正替換頁 十、申請專利範圍： 1.一種回音消除電路，用於同時接收一近端訊號和輸 出一遠端訊號之一語音互動裝置，其中該近端訊號包含由 該遠端訊號產生的一回音，而該回音消除電路包含： 一第一濾波器，以一第一速率學習該遠端訊號，產生 一第一係數組，並以該第一係數組過濾該本地聲音以產生 一第一濾·過訊號； 一第二濾波器，以一第二速率學習該遠端訊號，產生 # 一第二係數組，並以該第二係數組過濾該本地聲音以產生 一第二濾過訊號； 一控制器，用以根據該遠端和近端訊號，偵測遠端發 話、近端發話和雙邊發話，藉此調整該第二速率；以及 一第三濾波器，包含一第三係數組，過濾該本地聲音 中的回音以產生一第三濾過訊號，作為一回音消除結果； 其中該第三係數組係根據該第一、第二和第三濾過訊號而 更新。 • 2.如申請專利範圍第1項所述之回音消除電路，其中： 該控制器偵測該第一和第二濾過訊號的能量位準；以 及 當該第一和第二濾過訊號的能量位準皆超過該本地 聲音的能量位準之一比例，則判定為雙邊發話；其中該比 例的值介於0和1之間。 3.如申請專利範圍第1項所述之回音消除電路，其中： 該第一和第二速率係各別由一第一步進階數和一第 0758-A31966TWF1 (20101124) 15 1354478 第96100900號之申請專利範圍修正本 100年1月19日修正替換頁 二步進階數所決定； 當偵測到雙邊發話時，該控制器減少該第二步進階 數； 當雙邊發話不成立時，該控制器增加該第二步進階 數；其中該第二步進階數不超過該第一步進階數。 4. 如申請專利範圍第3項所述之回音消除電路，其中： 當該遠端訊號的能量位準超過一遠端臨界值時，該控 制器判定遠端發話成立； 當該近端訊號的能量位準超過一近端臨界值時，該控 < 制器判定近端發話成立； 當雙邊發話不成立時，該控制器根據下列條件設定該 第二步進階數的值： 如果遠端發話和近端發話同時成立，該控制器將該第 二步進階數設定為一第一值，低於該第一步進階數； 如果只有遠端發話成立，該控制器設定該第二步進階 數至一第二值，低於該第一值；以及 _ 如果只有近端發話成立，該控制器設定該第二步進階 數至一第三值，小於等於該第二值。 5. 如申請專利範圍第4項所述之回音消除電路，其中： 該第一濾波器係為一消影濾、波器，遞迴地以一正規化 最小均方法更新該第一係數組；以及 該第二濾波器係為一可適性濾波器，遞迴地以該正規 化最小均方法更新該第二係數組。 6. 如申請專利範圍第1項所述之回音消除電路，其中 0758-A31966TWFl(20101124) 16 1354478 - ‘" 第96100900號之申請專利範圍修正本 100年1月19日修正替換頁 該控制器根據該第一、第二和第三濾過訊號的第一、第二 和第三能量位準，判斷是否需要更新該第三係數組。 7. 如申請專利範圍第6項所述之回音消除電路，其中： 如果該第一能量位準低於該第三能量位準的一第一 倍率，而且小於該第二能量位準，則該控制器將該第一係 數組複製到該第三係數組； 如果該第二能量位準低於該第三能量位準的一第二 倍率，而且小於該第一能量位準，則該控制器將該第二係 ® 數組複製到該第三係數組； 其他情況該第三係數組維持不變；以及 該第一和第二倍率的值介於〇到1之間。 8. —種回音消除方法，用於同時接收一近端訊號和輸 出一遠端訊號的語音互動裝置，其中該近端訊號包含由該 遠端訊號產生的一回音，而該回音消除方法包含： 以一第一速率學習該遠端訊號，產生一第一係數組， | 並以該第一係數組過濾、該本地聲音以產生一第一滤過訊 號； 以一第二速率學習該遠端訊號，產生一第二係數組， 並以該第二係數組過濾該本地聲音以產生一第二濾、過訊 號； 根據該遠端和近端訊號，偵測遠端發話、近端發話和 雙邊發話，藉此調整該第二速率；以及 提供一第三係數組，過濾該本地聲音中的回音以產生 一第三濾過訊號，作為一回音消除結果；其中該第三係數 0758-A31966TWF1 (20101124) 17 1354478 第96100900號之申請專利範ffi修正本 100年I月19日修正替換頁" 組係為該第一或第二係數組的複本，根據該第一、第二和 第三濾過訊號而決定。 9. 如申請專利範圍第8項所述之回音消除方法，其中 偵測雙邊發話的步驟包含： 偵測該第一和第二濾過訊號的能量位準；以及 當該第一和第二濾過訊號的能量位準皆超過該本地 聲音的能量位準之一比例，則判定為雙邊發話；其中該比 例的值介於0和1之間。 10. 如申請專利範圍第8項所述之回音消除方法，進一 < 步包含： 各別根據一第一步進階數和一第二步進階數決定該 第一和第二速率； 當偵測到雙邊發話時，該控制器減少該第二步進階 數；以及 當雙邊發話不成立時，增加該第二步進階數；其中該 第二步進階數不超過該第一步進階數。 I 11. 如申請專利範圍第10項所述之回音消除方法，進 一步包含： · 當該遠端訊號的能量位準超過一遠端臨界值時，判定 遠端發話成立； 當該近端訊號的能量位準超過一近端臨界值時，判定 近端發話成立； 當雙邊發話不成立時，根據下列條件設定該第二步進 階數的值： 0758-A31966TWF1 (20101124) 18 1354478 - * ' '* 第96100900號之申請專利範圍修正本 100年1月19日修正替換頁 如果遠端發話和近端發話同時成立，將該第二步進階 數設定為一第一值，低於該第一步進階數； 如果只有遠端發話成立，設定該第二步進階數至一第 二值，低於該第一值；以及 如果只有近端發話成立，設定該第二步進階數至一第 三值，小於等於該第二值。 12. 如申請專利範圍第11項所述之回音消除方法，進 一步包含遞迴地以一正規化最小均方法更新該第一及第二 @係數組。 13. 如申請專利範圍第8項所述之回音消除方法，進一 步包含根據該第一、第二和第三濾過訊號的第一、第二和 第三能量位準，判斷是否需要更新該第三係數組。 14. 如申請專利範圍第13項所述之回音消除方法，進 一步包含： 如果該第一能量位準低於該第三能量位準的一第一 $ 倍率，而且小於該第二能量位準，則該第一係數組複製到 該第三係數組； 如果該第二能量位準低於該第三能量位準的一第二 倍率，而且小於該第一能量位準，則將該第二係數組複製 到該第三係數組； 其他情況該第三係數組維持不變；以及 該第一和第二倍率的值介於〇到1之間。 0758-A31966TWFl(20101124) 19