CN101262530B - 一种消除移动终端回音的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除移动终端回音的装置，该装置包括回音抵消器、自动增益控制器和噪声抑制模块；其中，回音抵消器，用于根据上行信号和下行信号的相关，来消除其中部分回音信号后将输出信号发送给噪声抑制模块；噪声抑制模块，用于接收回音抵消器输出信号，滤除其中环境噪音和回音抵消器没有消除残留噪音，将输出信号发送给自动增益控制器；自动增益控制器，用于实时地比较下行信号和噪声抑制模块输出信号，得出一个衰减量，加到上行信号上消除其中残留回音。本发明解决了在消除回音的同时也破坏正常的语音信号，如语音衰减过大，工作模式变为单工，语音不连续，失真等问题。

Description

一种消除移动终端回音的装置

技术领域

本发明涉及一种消除移动终端回音的装置。 

背景技术

声学回音是客户投诉语音质量问题的重要部分。随着电信运营商越来越关注客户满意度，如何采用有效方法控制语音服务中的回音成为运营商们普遍关注的一个努力方向。 

回音抑制(Echo Suppression)技术基于语音驱动交换原理，有效地消除了回音。但缺点是，在同一时间只允许通话的一方说话，并且在一方说话期间不允许对方打断。据研究，在一般通话过程中，20％通话可能会发生谈话打断，我们一般称之为双向交谈(Double-talking)。虽然现代回音抑制设备采用了很多方法来解决双向交谈问题，但由于仍存在明显缺陷，目前的电信网络已经不再采用回音抑制技术。 

现有技术中消除回音的方法包括：非线性处理和平滑非线性处理。 

其中，对于硬件设备的非线性处理器(NLP，Non Linear Processor)分析回音消除的原理基于这样一个假设，即返回的回音信号(Sin)可以用客户A的语音信号(Rin)的线性公式来表示。在实际应用中，用户A的语音信号可能会经过编码/解码设备、一个混合器、满载或非满载的网络段，以及一些本地交换开关，最终才能到达回音消除设备的Sin接口。其结果是，到达Sin接口的信号会产生延迟、被扭曲、被发散、被解码和重新编码，并会混杂进相当多的噪音。幸运的是，Sin信号中非线性和随机成分不是太多，一个设计良好的回音消除设备可以降低回音信号强度达30dB。但是，如果回音信号在被延迟超过数百毫秒的情况下，回音被用户接收到的强度将达到-50dB或-60dB，这取决于用户A通话时周围环境的噪音强度。在双向交谈条件下，如果NLP交换开关闭合过快，就会有一个瞬间-30dB的残余回音信号传送回用户A，进而影响语音信号质量。 

平滑非线性处理(Smooth NLP)，尽管非线性处理器可以有效的消除残余回音，但是NLP交换开关的闭合还是会产生语音信号削波。最新的NLP研究技术放弃了高速的闭合操作，用渐进***的方法来消除残余回波信号。这种方法被称作平滑非线性处理，它可以有效地防止语音削波的产生。NLP中的柔和噪音***一般情况下，在用户端的模拟电路部分与全数字长途电路相比具有较高的背景噪音强度。这样，在回音消除设备NLP或回音抑制设备的开关闭合时(例如在双向交谈条件下)，用户A可以听到模拟线路端的噪音，在交换开关打开后，用户A听到的将是强度低得多的数字长途电路噪音。由于两种电路噪音差异特别大，用户A可能会怀疑通话线路已经被切断了。 

综上所述，目前消除回音方法在消除回音的同时也破坏正常的语音信号，如语音衰减过大，工作模式变为单工，语音不连续，失真等问题。 

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种消除移动终端回音的装置，以解决现有技术中在消除回音的同时也破坏正常的语音信号，如语音衰减过大，工作模式变为单工，语音不连续，失真等问题。 

为了解决上述问题，本发明提供了一种消除移动终端回音的装置，该装置内部包括回音抵消器、自动增益控制器和噪声抑制模块；其中， 

所述回音抵消器，用于根据上行信号和下行信号的相关，来消除其中的部分回音信号后将输出信号发送给所述噪声抑制模块； 

所述噪声抑制模块，用于接收所述回音抵消器输出信号，滤除其中的环境噪音和所述回音抵消器没有消除的残留噪音，将输出信号发送给所述自动增益控制器； 

所述自动增益控制器，用于实时地比较下行信号和所述噪声抑制模块输出信号，得出一个衰减量，加到所述噪声抑制模块输出信号上消除其中的残留回音。 

本发明所述的装置，其中，所述回音抵消器为一个基于最小标准均方差算法的自适应有限冲激响应FIR滤波器，该自适应FIR滤波器通过对上行信号和下行信号的相关来消除部分回音信号。 

其中，所述自适应FIR滤波器通过对上行信号和下行信号的相关来消除部分回音信号，进一步为所述自适应FIR滤波器通过对上行信号和下行信号的相关，得出回音信号估计值，并根据所述自适应FIR滤波器的系数，得到一个更为精确的滤波参数，将回音信号从传输信号中给予滤除。 

其中，所述噪声抑制模块为有限冲激响应FIR滤波器，该FIR滤波器接收所述回音抵消器输出信号，从频域分析噪声信号，滤除其中的环境噪音和所述回音抵消器没有消除的残留噪音，将输出信号发送给所述自动增益控制器。 

其中，所述自动增益控制器，由自动增益逻辑模块、背景噪声评估器、控制器和两个能量评估模块组成，其中， 

所述自动增益逻辑模块，用于接收所述背景噪声评估器评估后输出的残留噪声信号，同时比较所述两个能量评估模块评估后输出的能量，计算衰减增益，通过所述控制器将其计算的衰减增益加到所述噪声抑制模块输出信号中，以衰减所述残留噪声信号和残留回音； 

所述控制器，用于将所述自动增益逻辑模块计算的衰减增益加到所述噪声抑制模块输出信号中； 

所述背景噪声评估器，用于计算评估来自于所述噪声抑制模块的残留噪声信号，并将该残留噪声信号发送给所述自动增益逻辑模块； 

所述两个能量评估模块，用于分别接收下行信号和所述噪声抑制模块输出信号并评估其能量后输出给所述自动增益逻辑模块。 

与现有技术相比较，采用本发明的移动终端不但有效的解决了回音问题，同时也兼顾了语音的传输质量，即语音信号无明显衰减，连续，无失真的传输；尤其现在移动终端结构设计趋于小型化，受话器(Receiver)和传声器(Mic)之间的距离越来越近，更容易产生回音问题，此发明提供了一种有效的解决方法。 

附图说明

图1是本发明所述的消除移动终端回音的装置的整体框图； 

图2(a)是本发明所述装置的实例LRM***示意图； 

图2(b)是本发明所述装置中回音抵消器的等效框图； 

图3是本发明所述装置中回音抵消器的操作流程图； 

图4是本发明所述装置中噪声抑制模块的整体框图； 

图5是本发明所述装置中自动增益控制器的整体框图。 

具体实施方式

本发明在这里提供了一种消除移动终端回音的装置，以解决现有技术中在消除回音的同时也破坏正常的语音信号，如语音衰减过大，工作模式变为单工，语音不连续，失真等问题。以下对具体实施方式进行详细描述，但不作为对本发明的限定。 

移动终端的回音问题是一个比较普遍的问题，难点在于较高的计算复杂性，信号(包括近端语音信号，回音和环境噪声)复杂性和应用环境的差异性，这就要求解决方法中的算法本身具有自适应和处理声延时的能力。 

本发明的技术特点在于，将现有的功能模块合理的组合，各个模块之间通过一些参数建立联系，互相补充，协调工作，共同达到抑制回音，消减噪声，保证语音传输质量的目的。 

本发明的技术方案是以回音消除算法为基础，结合相关的辅助功能模块，提出了一种改进的回音消除的装置。主要由以下3个功能模块组成，分别是回音抵消器(Echo Canceller)，自动增益控制器(Automatic Gain Control)和噪声抑制模块(Noise Reduction)，如图1所示。麦克输入的近端信号首先经过回音抵消器，消除部分回音后再通过噪声抑制模块，滤除环境噪音和回音抵消器产生的噪音，最后自动增益控制器通过实时地比较下行信号和噪声抑制模块输出信号的能量，得出一个合适的衰减量，加到上行信号上，进一步消除残留回音，达到理想的回音抑制效果。 

下面利用一个典型的实例来说明本发明的工作原理。 

通话环境是办公室，即移动终端在一个封闭的房间，我们称之为LRM(Loudspeaker-Room-Microphone，喇叭-房间-麦克风)***，如图2(a)所示。 

回音抵消器通过一个基于NLMS(normalized last mean square，最小标准均方差)算法的自适应FIR滤波器来消除回声。自适应FIR(有限冲激响应，Finite Impulse Response)滤波器是通过上行信号y(n)和下行信号x(n)的相关来抑制回音的，所以它只能消除信号线性衰减后产生的回音信号，如果信号音量过大或者其它原因引入失真，会大大影响自适应FIR滤波器的能力，使回音抵消器中的算法失效引入不可知的噪声。 

如图1所示在本实施中回音抵消器的具体步骤是，麦克风输入信号首先通过回音抵消器，利用自适应FIR滤波器将上下行信号相关，得出回音信号估计值，并据此更新自适应FIR滤波器的系数C(n)，得到一个更为精确的滤波参数，将回音信号从上行信号中给予滤除，来达到消除回音的目的。具体操作如下，等效框图如图2(b)。 

首先回音抵消器内部需要计算误差信号e(n)，可以用下面公式(1)表示： 

$e\left(n\right)=y\left(n\right)-\stackrel{\‾}{d}\left(n\right)=d\left(n\right)+s\left(n\right)+v\left(n\right)-\stackrel{\‾}{d}\left(n\right)---\left(1\right)$

其中： 

C(n)表示自适应FIR滤波器的系数； 

h(n)表示LRM***的传递函数； 

d(n)表示回音信号； 

x(n)表示接收信号(下行信号)； 

y(n)表示传输信号(上行信号)； 

s(n)表示近端语音信号； 

v(n)表示噪声信号； 

e(n)表示误差信号； 

表示回音信号的估计值。 

上行传输信号y(n)包括近端语音信号s(n)，噪声信号v(n)和回音信号d(n)。这里h(n)和d(n)都是未知的，公式1的后面分解部分只是用来说明上行信号y(n)的具体组成，误差信号e(n)的计算是通过实测的上行信号y(n)与回音的估计值 之差得到。而d(n)是由x(n)通过h(n)函数得出的，也是未知的，所以回音抵消器作用是通过y(n)和x(n)信号进行自适应相关，得到回音的估计值 

误差信号e(n)作为NLMS算法的输入信号，来更新自适应FIR滤波器的系数C(n)。 

上述步骤的流程图如图3所示，具体步骤包括： 

步骤301，下行信号x(n)与上行信号y(n)通过自适应FIR滤波器进行相关，得出回音的估计值 

(图2(b)中x(n)和y(n)分别与C(n)相乘求和，再进行相关运算，得出 

步骤302，再由这个估计值算出误差信号 $e\left(n\right)(e\left(n\right)=y\left(n\right)-\stackrel{\‾}{d}\left(n\right));$

步骤303，计算步长参数μ(n)；注：μ(n)表示步长参数，也称学习因数，决定NLMS算法的收敛速度，失真度和噪声灵敏度。 

μ(n)≈K(n)*E{x²(n)}/E{e²(n)} 

其中：K(n)要达到的回音衰减；E{y}信号y(n)的能量。 

步骤304，判断自适应FIR滤波器系数是否需要更新，如果是，根据C(n)的计算公式更新滤波器系数C(n+1) 

$(c(n+1)=c\left(n\right)+\mathrm{\μ}\left(n\right)*\frac{e\left(n\right)*x\left(n\right)}{{\left|\right|x\left(n\right)\left|\right|}^2});$

步骤305，进入判断Block n(第n个采样块，每块时长20ms)是否完成；如果是，则直接跳入判断Block n是否大于总采样块数(n＝n+1)，如果是，结束流程；如果Block n未完成，则跳至流程开始，重新计算回音的估计值 

通过回音抵消器后，上行信号中的回音信号得到很大程度上的滤除，同时也会引入一些噪声，再有环境噪声的存在，为此便引入噪声抑制模块，其工作原理见图4所示。 

噪声抑制模块是从频域分析噪声信号，主要用来抑制背景噪声(环境噪音)和来自于冲击响应的没有被回音抵消器消除的残留噪声，增加语音信号的可知性，其中，环境噪音包括两大类噪声：一是突发性的，如滴答音，***音和其它冲击噪声，另一是宽带低声压级平稳噪声，如Hoth噪声。 

具体地，噪声抑制模块将语音信号(4000HZ以内)分成8个频段，0～250Hz为band0，250～3750Hz分别对应band1～7。由FIR滤波器来完成对不同频段噪声的滤除。值得注意的是，噪声抑制模块为了达到效果，需要把握一个度：衰减太多容易失去通话的真实性，导致对方不能确认通话环境，如果衰减不够又容易淹没语音信号，影响语音的可知性。 

上行的语音信号(这里的上行信号泛指麦克风的传输信号，y(n))经过两功能模块回音抵消器和噪声抑制模块处理后，确定时间抵达的回音和噪音得到衰减，但对于能量等级在噪声级别以下滞后的残留回音是无法滤除的，需要一个额外的处理器来实现，这就是自动增益控制器模块，其工作原理见图5所示。 

自动增益控制器的作用是提供补充的能量衰减，进一步消除回音抵消器没有消除的残留回音。自动增益控制器以压制整个信号的方式提供衰减，比较自动增益控制器输入和输出的信号曲线可以看到他们只是整体搬迁。自动增益控制器一方面是通过估计Rx和Tx信号的能量来纠正消除回音抵消器的残留回音，另一方面是通过背景噪声评估器对噪声抑制的增益调整进行优化。 

自动增益控制器具体结构，如图5所示，自动增益控制器中的背景噪声评估器作用是评估Tx语音信号中背景噪声的能量，而Rx和Tx链路的能量评估模块用于分别评估上下行信号的能量，三者同时作为AGC(自动增益控制器)逻辑模块的输入信号，AGC逻辑模块一是分析来自于噪声抑制模块的残留噪声信号，并将其衰减；另一作用是比较Rx和Tx信号的能量，进一步衰减残留回音，并通过控制器将其计算的衰减增益加到上行信号(传输)中。 

值得注意的是，自动增益控制器只是对语音衰减的增益进行修正，是附加的整体衰减，即信号的整体平移。所有级别的调整都是基于对数关系的， 因为人耳的对数特性，声压级增加6dB，相当于人耳感觉声音的响度增加一倍。另外，自动增益控制器衰减的上下限值需要谨慎的选择，确保语音自然的衰减，并且不低于正常的背景噪声(这里背景噪声的等级与终端使用的环境有关，是个动态值)。 

通过上述的本发明所述实施例，上行语音信号(这里的上行信号泛指麦克风的传输信号，y(n))经过回音抵消器，噪声抑制模块和自动增益控制器模块的处理，在保证信号连续，稳定，无明显衰减和失真前提下，有效的消除了回音和噪音，提升了语音信号的可知性。 

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。 

Claims (5)

1.一种消除移动终端回音的装置，其特征在于，所述装置内部包括回音抵消器、自动增益控制器和噪声抑制模块；其中，

所述回音抵消器，用于根据上行信号和下行信号的相关，来消除其中的部分回音信号后将输出信号发送给所述噪声抑制模块；

所述噪声抑制模块，用于接收所述回音抵消器输出信号，滤除其中的环境噪音和所述回音抵消器没有消除的残留噪音，将输出信号发送给所述自动增益控制器；

所述自动增益控制器，用于实时地比较下行信号和所述噪声抑制模块输出信号，得出一个衰减量，加到所述噪声抑制模块输出信号上消除其中的残留回音。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述回音抵消器为一个基于最小标准均方差算法的自适应有限冲激响应FIR滤波器，该自适应FIR滤波器通过对上行信号和下行信号的相关来消除部分回音信号。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述自适应FIR滤波器通过对上行信号和下行信号的相关来消除部分回音信号，进一步为所述自适应FIR滤波器通过对上行信号和下行信号的相关，得出回音信号估计值，并根据所述自适应FIR滤波器的系数，得到一个更为精确的滤波参数，将回音信号从传输信号中给予滤除。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述噪声抑制模块为有限冲激响应FIR滤波器，该FIR滤波器接收所述回音抵消器输出信号，从频域分析噪声信号，滤除其中的环境噪音和所述回音抵消器没有消除的残留噪音，将输出信号发送给所述自动增益控制器。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述自动增益控制器，由自动增益逻辑模块、背景噪声评估器、控制器和两个能量评估模块组成，其中，

所述自动增益逻辑模块，用于接收所述背景噪声评估器评估后输出的残留噪声信号，同时比较所述两个能量评估模块评估后输出的能量，计算衰减增益，通过所述控制器将其计算的衰减增益加到所述噪声抑制模块输出信号中，以衰减所述残留噪声信号和残留回音；

所述控制器，用于将所述自动增益逻辑模块计算的衰减增益加到所述噪声抑制模块输出信号中；

所述背景噪声评估器，用于计算评估来自于所述噪声抑制模块的残留噪声信号，并将该残留噪声信号发送给所述自动增益逻辑模块；

所述两个能量评估模块，用于分别接收下行信号和所述噪声抑制模块输出信号并评估其能量后输出给所述自动增益逻辑模块。

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