CN1139501A - 确定回声消除器中回声区间的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在回声消除器中自适应于回声区间的方法，回声消除器包括，一个输出端口、一个输入端口，一个可调延时单元(43)，用于补偿在回声区间和回声消除器的输出端口之间的回声路径中的纯延时成分，一个数字滤波器(40)，从输出到回声路径的信号计算回声区域估计值，这个估计值比回声路径的最大允许长度要短。回声区间是通过计算回声路径区域确定的，在该回声路径区域处，输出到回声路径的信号和返回的回声之间有高度相关。该相关是在具有数字滤波器的长度的滑动窗口中计算的。

Description

确定回声消除器中回声区间的方法

本发明涉及一种在回声消除器中能自适应回声区间(location)的方法，这种回声消除器包括：一个输出端口，一个输入端口，一个可调延时单元用以补偿在回声消除器的输出端口和回声区间之间的回声路径中的纯延时成份，一个数字滤波器，从输出到回声路径的信号计算出回声区间估计值，该回声区间估计值小于回声路径的最大允许长度。

在数据传输***的端对端连接中，如电话网，会经常遇到长距离传播延时。从而，如在正常通话情况下当信号从连接线路的远端反射回讲话方时，回声就会被感觉到。

回声的产生因素有两个：电话装置的耳机与麦克风之间的声音回声，连接线路的发送和接收方的传输***中的电气回声。

固定网络的远程用户级的混合电路(二-四线变换器)是电回声的主要根源。固定网络中的用户线考虑经济原因通常是二线的。而局间线是四线的。

CCITT推荐的G.131标准规定了计及回声大小与延时的比率的回声容限曲线。实际中发现所有具有超过20ms的单向延时的连接线路都需要用回声消除设备来消减回声大小。图1表示一个需要回声消除的传输***框图。图1中混合器B造成讲话者A的语音被作为回声反射回来，该回声被回声消除器B消除。相应地，混合器A造

De＝Dt＋Dr

其中

Dt＝从回声消除器B到混合器B的延时

Dr＝从混合器B到回声消除器B的延时

因此整个回声路径的脉冲响应是

D＝D_e＋D_hybrid

其中

D_hybrid＝混合器B的脉冲响应

图3表示回声路径的脉冲响应，表示出纯延时成份De和回声区间D_hybrid。如前所述，自适应滤波器必须能处理整个回声路径范围内的延时，这就需要具有较大时间间隔的滤波器，这还要包括大量必须基于一个标准基数来计算和更新的滤波器系数。这需要大计算量并导致滤波器的自适应速度减慢，精度降低。滤波器要求的存储能力和计算能力与滤波器的调节范围几乎成正比。计算输出到回声路径的信号和从回声路径返回的输入信号的互相关时尤其需要大的计算能力。计算直接互相关时，每次采样区间中，从回声路径返回的样本都同M个输出到回声路径的样本相比较，并更新M个互相关估计值。回声路径上M＝512个样本的最大延时需要大量的计算。

为解决这一问题，欧洲专利说明书0199879号公开了一种回声消除的方法，该方法在呼叫刚开始时确定回声区间。它使用了一个基准(training)信号。回声消除器的数字滤波器仅与这一特定回声区间接近，所以较短(Shorter)的滤波器可以使用。

另一欧洲专利说明书0375015也公开了一种回声消除器，其短成讲话者B的语音被作为回声反射回来，该回声被回声消除器A消除。

回声消除器是一个信号处理器，例如，语音信号处理器，被用于通过从连接线路中出现的回声(信号)中减去回声估计值来减小回声。回声消除器可以是数字的，也可以是模拟的。现在回声消除器增加了数字信号处理功能，使之能建立有很长传播延时的回声路径。由于回声路径在每次呼叫时都基本不同，所以有必要在回声消除器中使用一种始终能在呼叫开始时就自适应新的回声路径的方法。数字信号处理使自适应滤波器作为了解决这个问题的一个方案。当一个信号出现或达到一定电平，自适应过程就开始，其中滤波器的系数基于语音信号和返回的回声信号的互相关作更新。

图2所示为用于实施图1的回声消除器B的一个这种方案。讲话者A的语音信号RIN这样传给混合器B，从该混合器出来的SIN信号包含了讲话者A的语音的回声。自适应滤波器20为这个回声求出一个估计值，将该估计值反相后与从混合器B中发出的信号SIN在加法器21中相加，这样得到的信号LRET只包含讲话者B的语音信号。并且，回声消除器中还有一个衰减器22，它可将残留的回声衰减掉。也就是说当足以确定从混合器B来的信号SIN只包含讲话者A的语言回声而不包括讲话者B的语音时信号LRET将被衰减掉。

回声消除器的自适应滤波器20的基本条件是其调节范围能覆盖整个回声路径的延时。值得指出的是在回声消除器B和混合器B之间存在不可忽视的延时。图2中的延时方框23、24表示这样的延时，因此在该回声路径上的延时(De)是：的横向滤波器的抽头系数被计算以便只接近没有纯延时成份的有效回声成份。回声路径上的延时在通话呼叫开始时确定，但该申请中未公开实现方法。

美国专利4823382中，数字滤波器的抽头系数仅在有效回声区间被计算，而其他位置的抽头系数都设为0。

英国发布的申请2135558公开了一种回声消除器，装有一个与短滤波器相串联的可调延时器用于补偿回声路径上的恒定延时。其目的在于寻找回声路径上的延时，这种方法计算量最小。通过低通滤波器和抽取用于计算互相关的回声路径中的输入和输出信号，使计算互相关中要求的大工作量减少了。换言之，该现有技术采用的是二次采样。如果抽取率DS＝8，上述由计算线性相关得到的回声路径上最大延时为M＝512/8＝64。所需计算量也以相同比率减少。然而这一现有技术方法只处理初始回声信号的最低的500Hz的频段。

欧洲专利申请0221221中短回声消除器的前端加入了一个可调延时器。在确定回声路径的延时的过程中，计算相关时通过将采样间隔由125微秒改为2毫秒减少了计算量。不仅使用二次取样，初始2毫秒内的信号功率(powers)也被用来计算互相关。如这个申请中第四页49-50行所述，抽取降低了延时估算的精度。而且使用功率代替初始信号损害了算法的性能，尤其是当回声信号混合了近端语音和背景噪音时。

在数据调制解调器中回声路径上的延时位置是由基准信号确定的。但这种已知的方法仅适用于数字调制解调器，因为从语音信号中判断延时位置是很难的。延时位置必需在呼叫刚开始时仅根据语音信号迅速可靠的确定下束。

本发明的一个目的是仅用语音信号将回声消除器的自适应滤波器调整到回声区间。本发明的该方法同样适用于其他信号，如噪声信号和信令音。

使用绪论中公开的方法将自适应滤波器调整到延时位置，根据本发明，其特征在于该方法包括如下步骤：

a)采集N个输出到回声路径的语音信号样本，并存入存储器。

b)采集N个从回声路径输入的语音信号样本，并存入存储器。

c)计算存储的N个输入信号样本和N个输出信号样本间的互相关。

d)从回声路径中采集一个输入信号的新样本，并从存储器中删除那个最旧的样本，这样N个输入信号的最新样本被存储。

e)重复步骤c)和d)M次，这对应于至少是所述延时的最长允许时间间隔和实际回声区间的组合长度。

f)在计算相关的基础上确定回声中心。

g)在计算出的相关值的基础上确定是否已经以足够的确定性找到了延时位置，如未找到，回到步骤a)。

h)调整所述延时装置的延时，使数字滤波器调整到如此确定的回声中心。

本发明中计算互相关的大工作量通过在一个较长的时间间隔上分配计算并没有任何为降低计算量而作抽取就被减少，于是允许每个采样区间上的计算量保持相对小。输出到回声路径的N个语音信号样本作为第一个矢量存入存储器，从回声路径输入的N个语音信号样本作为第二个矢量存入存储器。此后对取自输入和输出信号的样本求相关。其间第一个矢量总保持不变，第二矢量更新，这样每次都能将最新的N个返回样本存入存储器。换言之，当得到一个输入信号的新样本后，将它存储起来并将最早的一个删除，以便每次存储的都是最新的N个输入信号样本。存入一个新样本后，重复求相关，直到重复M次，这样得到一个相关值的集合，由这个集合确定相关最大所在处的位置，这里假设回声的中心是位于此点。回声中心是通过将几个连续的相关结果(如8个)的平方求和得到矢量从而找到几个(如8个)元素的最大和来确定。接下来在和矢量中将构成最大和的相关结果置0，接下来再求几个相关结果的各个平方的和。由于已将起初构成最大和的相关结果置为0，新的最大和将与第一个的位置不同。如果第一次比第二次的和大的足够多将认为第一次给出了最高和的相关结果的位置被认为是回声的中心。如果第一和第二和之间的比值不是足够大，继续计算输入信号的相关。当回声消除器的自适应滤波器已通过设置延时器的延时为确定值的方法调整在回声范围的中心时，输入计算使自适应滤波器适应于回声信号的滤波系数。

下面将利用实施例并参照附图对本发明进行进一步详细说明，图中：

图1是一个使用回声消除器的传输***的示意框图。

图2是一个已知的回声消除器的框图。

图3是回声路径的脉冲响应。

图4是本发明的回声消除器的框图。

图5A和5B是本发明的延时定位方法流程图。

图4是本发明的回声消除器的框图。如图4中回声消除器的操作将以作为图1中所示的回声消除器B的情况作讲解。图4的回声消除器在RIN端口接到讲话者A的语音信号并原样将它传送到回声路径和混合器B，混合器B对讲话者A来说是远端。语音信号和被混合器B反射回来的一部分讲话者A的语音信号，即回声，由讲话者B在回声消除器B的SIN端口处被接收。在RIN端口接收到的讲话者A的语音信号通过一个可调延时器43被传给了自适应滤波器40，自适应滤波器40因此得到了回声估计值。此回声估计值被反相后与SIN端口收到的信号在加法器41中相加。这样回声估计值和实际回声信号至少部分互相抵消，使加法器41输出的LRET信号中的回声电平降低。信号LRET通过衰减器42衰减后输出到输出口SOUT，信号将从那里被传给讲话者A。这时讲话者A就能听到讲话者B的话音而不必受他自己的远端回声的影响。自适应滤波器40可以是一个基于规定算法的数字滤波器。回声路径随线路连接和话音情况而变化。因此，当话音信号到达回声消除器的RIN端口时，回声消除器必须通过建立一个新的回声路径模型(滤波器40的传递函数)以求出回声估算值的办法在相对短的时间内自我调整。滤波器40的系数基于输出到回声路径的语音信号和从回声路径输入到SIN口的回声信号之间的相关而被更新，该相关在滤波器40中计算。由图3所示，回声路径通常可以由脉冲响应表示，一般由纯延时De和回声信号构成。这些成份的和就是回声路径的总脉冲响应。例如，根据GSM推荐的3.50标准，最大延时可到60ms，但可允许的最大扩散，即混合器的脉冲响应为16ms。本发明中，自适应滤波器40的长度选择能覆盖在其中能遇到回声的范围。这样一个16ms的滤波器需要128个系数(目前的电话***用8000Hz的采样频率，因此系数的个数是16ms×8000Hz＝128)，所以建模(modelling)整个回声路径需要一个具有480个系数的60ms滤波器。当可调延时器在自适应滤波器前使用时，可使自适应滤波器40调节到由混合器产生的回声区间的中心的延时单元43的延时值在呼叫开始时就作了计算。接下来是使自适应滤波器40能自适应回声信号，即，计算滤波系数。在此，自适应滤波器40在长度至少等于回声范围D_hybrid的窗口中消除回声。

为确定回声路径的延时成份，回声消除器B包括采样装置45和46用于对信号RIN和SIN采样，计算单元44使用所取的样值计算信号RIN和SIN的相关并把它们存入存储器47，接下来计算单元44分析计算出的相关并据此确定回声区间。

接下来描述延时搜索和将自适应滤波器40设在回声区间。延时是在通话开始时有了语音后确定的，利用了语音信号(本发明的方法也适用于其他信号，但为了便于说明，假设信号为语音信号)，即，信号RIN和SIN。

现在参考图5A和5B的流程图用本发明的最佳实施例解释搜索过程。

在步骤51，呼叫开始的信号从电话交换机获得，它使用于延时搜索的变量初始化，例如矢量CORR和电平记数器Level_RIN被置0。延时搜索开始。

首先，在步骤52采样电路45对RIN信号采样，每次N(例如N为128)个最新样本被存入存储器。类似地，采样电路46采集了SIN信号样本，每次将N个最新SIN样本存入存储器。在步骤53中根据Level_RIN(1)方程，基于所取的RIN样本，计算电路44计算出信号RIN的电平。

Level_RIN＝gain^*Level_RIN＋(1-gain)^*|RIN(i)|(1)

其中

gain是常数，如0.992

|RIN(i)|＝RIN(i)的绝对值

RIN(i)是RIN信号的最新存储值。

在步骤54中，将求得的RIN信号电平同设定的阈值，如-35dBm0(dBm0单位是CCITT推荐的G.711中规定的)相比较。如果Level_RIN未超过阈值，则认为信号未包含任何语音信号，于是回到步骤52。当Level_RIN超过预设的阈值，则认为信号RIN包含语音信号，转到步骤55。在步骤56中，计算电路44根据公式(2)算出SIN信号的电平： $\mathrm{Level}\_\mathrm{SIN}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{SIN}\left(i\right)*\mathrm{RIN}\left(i\right)--\left(2\right)$

在步骤57中，计算电路44根据公式(3)计算存储器中的RIN和SIN样本间的相关C。 $C=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{SIN}\left(i\right)*\mathrm{RIN}\left(i\right)--\left(3\right)$

在步骤58中，从公式(3)中得到的相关按公式(4)被RIN和SIN信号的电平除，得到比例相关C′。 $C\text{'}=\frac{C}{\mathrm{Level}\_\mathrm{RIN}*\mathrm{Level}\_\mathrm{SIN}}--\left(4\right)$

接下来，在步骤58中由(4)式得到的相关C′根据公式(5)被存入CORR矢量

CORR(n)＝a^*CORR(n)＋(1－a)^*C′    (5)

其中a是常数，例如，0.875

步骤59要查看步骤56、57、58是否已经对整个回声路径的延时范围被重复，即M次。例如，M可以是512，假设可能的延时De和混合器B的响应长度一起有一个64ms的最大值，这对应8KHz采样频率的512个采样样本。如相关中少于M次采样，将在步骤60中采一个新的SIN信号样本并将搜索过程跳转回57。该循环一直重复到步骤59检测到相关被计算过M次，此后跳转到图5B的步骤B。

图5B表示对搜索过程结果的分析步骤。由于语音信号尤其是话音是有序的，在其中某些点是不可能确定延时位置的。因此，语音分析断定何时延时位置被确切得到，何时需继续相关计算以得到正确结果是很重要的。

根据图5A求出SIN和RIN信号间的相关并存入矢量CORR后，所述矢量包含M个元素，相关结果C′根据公式(5)存入其中，该结果的分析就开始了。首先，在步骤62中，根据公式(6)求出矢量CORR_Sum，其中的每个元素都是矢量CORR的X个元素的平方和。公式(6)随整数i重复，i从1到M/X。M和X的选择最好能使M/X是整数。 $\mathrm{CORR}\_\mathrm{Sum}\left(i\right)=\underset{\mathrm{nX}*(i+1)+1}{\overset{X^{*}1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{CORR}\left(n\right)*\mathrm{CORR}\left(n\right)--\left(6\right)$

其中，X为常数，如8。

接下来是步骤63，根据公式(7)从CORR_Sum矢量中寻找一个Win_Max1窗口，其中的矢量CORR_Sum的Y个连续元素之和为最大。 $\mathrm{Win}\_\mathrm{Maxl}=\mathrm{MAX}(\underset{1=n}{\overset{n+y}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{CORR}\_\mathrm{Sum}\left(i\right))--\left(7\right)$

其中Y为常数，如8。

MAX()是确定变量n的函数，以使和得到最大可能值。

一旦Win_Max1窗口被确定，在步骤64中，CORR_Sum矢量在这个窗口内的元素都设为0。接下来的步骤65中根据公式(8)求出第二个Win_Max2窗口，其中CORR_Sum矢量的Y个连续元素之和为最大。 $\mathrm{Win}\_\mathrm{Max}2=\mathrm{MAX}(\underset{1=n}{\overset{n+y}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{CORR}\_\mathrm{Sum}\left(i\right))--\left(8\right)$

这个第二个Win_Max2窗口与第一个Win_Max1窗口的位置不同，因为win_Max1窗口中CORR_Sum矢量的元素被置为0。

在步骤66中将Win_max1窗口与Win_max2窗口的值相比较，若Win_Max2窗口的值足够大，例如大一个系数K，则可以以足够的确定性断定被搜索的延时已得到。可见系数K很容易显示出延时被认可的程度，如可用整数2作为系数K的值。实际上，矢量CORR_Sum中的Win_Max1窗口包含混合器B的脉冲响应中心，即实际延时范围的中心。由于矢量CORR的X个连续值的平方已在矢量CORR_Sum中算出，以CORR矢量表示的延时中心是在X乘以自该矢量的起点的距离处。因此，在步骤67中，提供的延时单元，其具有的延时值依据公式(9)使混合(器脉冲)响应的中心调整在自适应滤波器的中心处，

V＝X^*1－a/2    (9)

其中

V＝在延时单元中设定的延时值

a＝自适应滤波器的长度(例如，128)

1＝矢量CORR_Sum确定的Win_Max1的中心。

如果根据公式(9)得出的延时值V小于0，就设V为0。当计算电路44已经如此确定了延时V时，计算单元44在步骤66中将可调延时器43的延时设为值V，这样有N个样本的长度的自适应滤波器的窗口的中心就成了前面算出的Win_Max1窗口的中心。在本发明的基本实施例中呼叫过程中可在自适应滤波器40中使用滑动窗口(换言之，延时单元43的延时可稍加变动)。因此在这一级不必以绝对精度确定延时De。一旦自适应滤波器由上述过程调节到了回声范围的中心，为使滤波器能自适应于回声路径就在步骤69中开始滤波系数的常规运算。如果在步骤66中，Win_Max1窗口的值未能足够大于Win_Max2窗口的值，该过程转到图5A中的步骤52，也就是说继续求SIN和RIN信号的相关C。值得指出的是先前求得的相关仍存在矢量CORR中。也就是说，当过程转到方框62，所有原先的相关计算都包含其中。

由于延时搜索通常从检测RIN信号中的语音信号开始需要100-300毫秒，在延时搜索期间衰减器42对电平超过预定阈值，例如-35dBm0的RIN信号进行衰减。例如衰减器42的衰减可以是18dB。例如，衰减器42的工作时间被限定在400ms，这可以避免未能迅速确定延时的情况下衰减器的误动作。延时搜索过后，自适应滤波器40自适应回声信号的时间大约为100ms，这取决于语音电平和干扰。同时还进行额外衰减。该衰减只发生在，例如，Level_RIN大于2^*Level_SIN时。这时，例如，衰减器42的可能衰减时间被限定在1.25秒。

这里的有关附图和描述只是企图说明本发明。本发明的修改和变化会呈现给熟悉本领域的人，但不会偏离所附的权利要求限定的本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种在回声消除器中能自适应回声区间的方法，该回声消除器包括：一个输出端口，一个输入端口，一个可调延时器用以补偿在回声消除器的输出端口和回声区间间的回声路径中的纯延时成份，一个数字滤波器，从输出到回声路径的信号中计算出回声区间的估计值，该估计值小于回声路径所能允许的最大宽度值，其特征在于该方法包括以下步骤：

a)采集N个输出到回声路径的语音信号样本，并把它们存入存储器。

b)采集N个从回声路径输入的语音信号样本，并把它们存入存储器。

c)计算所存储的N个输出信号的样本和所存储的N个输入信号的样本间的互相关。

d)采集一个从回声路径输入的信号的新样本并从存储器中删除最旧的那个样本，N个最新的输入信号的样本被存储。

e)重复步骤c)和d)M次，这至少对应于所述延时的最长允许时间间隔和实际回声区间的组合长度。

f)在计算出的相关的基础上确定回声中心。

g)在计算出的相关值的基础上确定是否已经以足够的确定性找到了延时位置，如未找到，回到步骤a)。

h)调整所述延时装置的延时，使滤波器的中心调整到如此确定的回声的中心。

2.如权利要求1的方法，其特征在于相关的计算包括计算N个输出信号的样本和N个输入信号的样本的标量积。

3.如权利要求2的方法，其特征在于确定回声中心的步骤包括：

计算X个连续相关结果的平方和；

在平方和中找出其中Y个连续值的最大和；

将组成所述最大和的平方和置0；

在平方和中重新找出Y个连续值的最大和；

比较第一个确定的和最后一个确定的最大和；

如果第一个确定的和最后一个确定的最大和的比值大于预定的阈值，将回声中心调整到由第一个确定的和组成的相关结果的位置上；

如果第一确定的和最后一个确定的最大和的比值小于预定的阈值，进行新的相关结果的计算。

4.如上述的任一个权利要求的方法，其特征在于N是128，M是512。

5.如上述的任一个权利要求的方法，其特征在于X是8，Y是8。

6.如上述的任一个权利要求的方法，其特征在于输出信号的电平被进行了测量，并且当输出信号的电平超过一个预定的阈值时，采样就开始。

7.如上述的任一个权利要求的方法，其特征在于输入信号的电平被作了测量并且在搜索回声区间的过程中当输入信号电平超过预定阈值时对输出信号电平作衰减。

8.如上述的任一个权利要求的方法，其特征在于当从电话交换机获得呼叫开始的信息时就开始搜索回声区间。

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