CN1145710A - 具有一个带转入频域的变换的自适应滤波器的声回波消除器 - Google Patents

Abstract

回波消除器包括一个自适应滤波器，它接收转入频域的正向离散变换系数，根据输入信号逐块进行计算，并经过一个反变换电路馈到一个加法器的减法输入端以形成一个送往网络的输出信号；以及一个适配器电路用来适配滤波器的系数。适配器电路经过降噪器接收输出信号样本块的逐块变换的系数。

Description

具有一个带转入频域的变换的自适应 滤波器的声回波消除器

本发明涉及在输出到电话线的信号受声回波(往往伴有环境噪声)影响的条件下使用的电话终端用的声回波消除器。一个主要应用是可以包括便携式，免提终端的电话设备和电话会议设备。

在声回波消除器中经常使用工作在时域的自适应横向滤波器。其实施碰到许多困难。为建立一个声回波路径的脉冲响应的模型所要求的系数数目很高。语音信号具有一种高度自相关性而且都是非稳态的，最后一点是通过输入传感器(通常是话筒)所接收的信号不仅包括声回波，而且在语音并存的情况下，还包括室内口噪音和近端扬声器语音。

考虑到脉冲响应的长度和高相关度，已有建议使用执行一种工作在该频域的算法的滤波器。但是，问题又归到抗室内噪音和考虑近端扬声器和远端扬声器两者同时讲话时的情况。

为改进工作在该时域或频域中的自适应横向滤波器的特性，已经做过一些努力。在时域中，已特别提出建议将随机梯度算法(也称为的最小均方值-LMS)应用于样本块而不是一个一个的样本。然后再逐块地估算该梯度并提供一个有关在相应的块上的输入信号和错误信号之间的相关性的指标。在交叠保存型(OLS)或交叠相加型(OLA)的快速卷积技术基础上，自适应回声消除器被建议工作于频域。图1是一个能用在这类回声消除器中的自适应滤波器的方框图。输入的数字信号x(n)(此处n是采样序列)经模-数转换ADC和放大器10放大后加到扬声器12。声回波经过路径13到达通常由一个话筒构成的检测器14。该话筒也接收室内噪音和在某些时刻来自附近扬声器的语音信号。通过模-数转换器22使在16放大的信号转为数字形式Z(n)。

近终端回波消除器安插在接收输入信号的接收线LR和提供出局信号的发送线LE之间。因为滤波器是成块地工作的，它包括在发送线LE上的一个输入串-并转换器23和一个输出并-串转换器24，和一个插在它们之间的加法器26，其加输入端接收输入样本块，其减输入端接收由自适应滤波器28所产生的校正信号块。

图1所示的回波消除器工作在频域中并使用一种分块一交叠方法。这相当于计算一种大小等于所做算的脉冲响应长度N的二倍的付里叶变换(或更一般地说是从时域到频域的变换)。滤波器28经由一个能建立起块的串-并转换器32，一个用来分割成带有交叠的块的电路34，以及一个计算离散付里叶变换(DFT)的电路36接收输入(进网)信号X(n)。与此相对称，滤波器28的输出加到计算付里叶反变换(DFT^-1)的电路38，然后经由用于恢复最新块的交叠电路40加到加法器26。

用于适配频率滤波器28系数的装置是众所周知的一般结构。它们包括一个乘法器42，该乘法器一是经由分块装置和一个DFT计算电路46接收加法器26的输出样本，二是接收由电路36产生的DFT的共轭值48。乘法器42的输出被加到用于适配滤波器28的系数的电路50；这个电路可以使用一种普通算法，例如频率随机梯度算法(或频率最小均方值(FLMS)算法)。

在图1所示的实施例中，由电路52提供一种对梯度的附加约束。这个电路包括一个反向DFT54和一个正向DFT56。要求它们迫使该脉冲响应的末端样本为零(变换系在2N上，即在所估算的脉冲响应两倍长度上计算)。梯度约束可以用插在反向和正向变换之间的电路58以一种约束矩阵的形式存贮起来。

可以使用其他变换例如余弦变换或快速哈脱莱变换代替付里叶变换转入频域。具有图1所示的一般结构的声滤波器的各种实施例已经有人作了说明。例如，可以参考由Borrallo等人发表在1992年6月《信号处理》第27卷第3期301-315页题为“论用于长声回波消除的分块频域自适应滤波器(PBFDAF)的实现”一文。

当脉冲响应不长时，特别是应用于车辆中的免提电话机时，可以使用一种不用进行块划分(为减少复杂性所需的)的块交叠技术。例如，执行一种(被约束的)FLMSO算法或一种(非约束的)UFLMSO算法。

要给出上述足以抗噪音的这类频率回波消除器是困难的。普通算法对增量步长长度值也很敏感。在小信-噪比情况下，需要减小这个值，从而降低适配性；甚至在这样的情况下，能开始出现反常急剧上升。使用一个工作在时域的可编程滤波器和一个工作在频域的自适应滤波器，通过一个加长传输延迟的级联组合的数字回波消除器也已为众人所知(EP-A-0 301 627)。

一种宽带回波消除器也已从J.M.Paez Borrallo等人发表在1992年“信号处理”第27卷301-315页(由Elsevier，科学出版社出版)的论文中知道，在频域中应用滤波以前先在时域中使用脉冲响应分块(区)。

本发明特别寻求提供一种从适配速度的观点改进的频率回波消除器，虽然还引起极少量的传输延迟和改善了回波消除特性。

为此目的，本发明建议使用一种频谱减法技术，利用转入频域的变换已经用在上面定义的那种回波消除器这一事实，该技术的使用已经出现在其他领域例如语音识别中。

因此，本发明提出一种适用于安放在免提声音接口和通信网络之间的声回波消除器，它包括：

一个接收该频域中正向离散变换的系数的自适应滤波器，按逐块的输入信号方式进行计算，并经由一个反变换电路加到加法器的减法输入端以便形成进入网络的输出信号，以及

一个适配器电路用于适配该滤波器系数；

回波消除器的特征在于，所述适配器电路经由一个降噪器接收输出信号样本块的逐块变换的系数。这个降噪器是一个方便的频谱减法器，它的减法输入端接收表示被估算的噪音频谱的系数。

依据环境条件，可能使用各种噪音模型。该模型可以事先被估算，或者更一般地说它可以在沉静期间(近的和远的扬声器的语音都暂停)确定。噪音频谱减法装置和所执行的算法的结构可以是Lockwood和Boudy J.的论文中所说明的结构，该论文题为“关于一种非线性频谱减法器(NSS)实验。用于汽车中的加强语音识别的隐含马尔可夫模型和设计”，发表在1992年6月《语音通信》第11卷第2-3期215-228页，或者可以是在文献EP-A-0 534 837中所说明的结构。

适配滤波器系数的权重的算法工作在该频域中，因而可以是： $\stackrel{o}{H}(K+1)=\stackrel{o}{H}\left(K\right)+2F\·g\·F^{-1}\·m\left(k\right)\·{\stackrel{o}{X^H}}_{\left(k\right)}\·\mathrm{SPS}\left[\stackrel{o}{E}\left(k\right)\right]$ 式中：

K是该电流块的序数；

F表示离散傅里叶变换矩阵；

g是梯度约束矩阵；

m是使增量步长归一化的输入功率的对角矩阵；

是自适应滤波器的系数矢量；

SPS表示频谱减法算子；

是输入样本x(n)的矢量；以及

是不存在双语音时输出样本e(n)的矢量。

无论使用什么样的适配算法，频谱减法都不会增加明显的复杂性；因为在任何情况下都需要正向变换和反向变换。

无论是在频域还是在时域中，适配一种自适应滤波器的过程均受到在近端终端和远端终端同时出现话音活动(称作双语音或对讲的情况)的干扰。

为避免这样的干扰，通常中断或放慢在万一出现双语音时适配滤波器系数的过程。但是，大多数现有的双语音检测器都是慢响应的，并且通常不能将双语音的存在用增加回波由于的回波通道的变化区分开来，以及/或者因为它们均以观测能量为基础的关系，均不工作在噪音严重的环境。

因此，本发明提供一种可用在上面那种回波消除器中的双语音检测器，从而使用一种可靠的标准来识别近端扬声器语音的存在。这个检测器通过将从接口的输出信号(由远端扬声器造成的)中提取的频谱参数与从输入信号(由噪音、回波以及在出现双语音时的近端扬声器造成的)提取的相应的频谱参数进行比较来进行频谱失真的测量。信号之间失配的突然增加则表明由于近端语音或噪音而出现高能干扰。因此，建议回波消除器包括用于提取频谱参数的装置和用于通过比较所述参数评估失真并在出现高失真时使得适配停止的装置。

失真可以通过使用各种不同的标准来评估。

第一个可行标准是在计算输入和输出信号的两个自回归模型(组成参数提取)之间测量板仓西户(ltakura-saito)意义的距离。

另一个方法在于使用倒频谱距离，就像已经用于语音识别那样使用倒频谱参数。例如，就像Alexandre等人于1993年发表在《语音通信》第12卷277-288页的题为“根倒频谱分析：一个种统一的观点-应用于汽车噪音环境中的语音处理”的论文所描述的那样。

通过阅读由非限定性例子给出的一个特别实施例的以下说明，本发明将更好地被理解。该说明参照附图，其中：

图1已知上所述表示频域中的一种回波消除器的基本结构；以及

图2类似于图1的一部分，并且是一个表示在本发明一个方面的应用中图1的回波消除器可以被改进的一种方法的方框图。

在图2中，对相应于图1中的那些元件给以相同的参改标号，以下假定，消除器供免提电话装置之用，它准备以84千赫采样工作在从300赫扩展到3.4千赫的频带中。但是，同样的结构可以用于预定工作在宽带中16千赫的免提终端中。作为举例，这些块可以是256个样品的块，相当于在8千赫公共采样频率时的32毫秒持续时间。

图2的回波消除器不包括用来将约束强加给梯度的装置，然而它包括一个频谱减法器60，该减法器60不仅接收计算一块时的正向变换系数，而且接收来自估算器62的表示噪音的相应系数。该估算器可以通过例如，在上述文献中所说明的装置(未示出)在无话音活动期间更新。因此，减法器60向适配滤波器系数的电路50提供校正过噪音影响的正向变换系数矩阵相适应。

通过其它熟悉的装置，例如根据在一个确定的频率范围内的测量到达扬声器12的信号和由话筒输出的信号的能量就能确定没有话音活动。

然而，在检测一种双语音情况时，估算器62也可能通过测量加到扬声器上的信号的能量首先被截止。这种情况可以由用于测量频谱失真的方框64详细检测出来，这个方框包括两个频谱参数抽取器66和68，一个接收由模/数变换器22输出的信号Z(n)，而另一个接收输入的信号X(n)。最后，该方框包括用来测量信号x(n)和Z(n)的表示参数之间的相似性的电路69。特别是这些参数可以就是上述那些参数。当检测出表示高度失真的差信号时，电路68将一个信号加到电路50的输入端70以便停止或放慢包括该滤波器的适配步长的对角矩阵m的适配。

仅仅通过实现一个附加的反变换72和一个并-串转换器电路74，该回波消除器可以很容易地被设计得提供去噪的语音信号。

Claims (8)

1。一种被设计得安放在免提(hands-free)声学接口和通信网络之间的声回波消除器，消除器包括：

一个自适应滤波器接收频域中的正向离散变换系数，逐块计算输入信号，并经由反变换电路加到加法器的减法输入端以形成向网络传送的输出信号；以及

一个适配器电路用来适配滤波器系数；

回波消除器的特征在于，所述适配的电路经过降噪器接收输出信号样本块的逐块变换系数。

2。根据权利要求1的回波消除器，其特征在于降噪器是一个其减法输入端接收表示被估算的噪音频谱系数的频谱减法器。

3。根据权利要求2的回波消除器，其特征在于用来适配系数的电路执行以下算法： $(K+1)=\stackrel{o}{H}\left(K\right)+2F\·g\·F^{-1}\·m\left(k\right)\·{\stackrel{o}{X^H}}_{\left(k\right)}\·\mathrm{SPS}\left[\stackrel{o}{E}\left(k\right)\right]$ 式中：

K是该电流块的序数；

F表示离散傅里叶变换(DFT)矩阵；

g是梯度约束矩阵；

m是使增量步长归一化的输入功率的对角矩阵；

是是用于该自适应滤波器(28)的系数矢量；

是输入样本x(n)的矢量；以及

SPS表示该频谱减法算子；

是不存在双语言时输出样本的矢量。

4。根据权利要求1，2或3的回波消除器，其特征在于出现由于噪音或双语言状态引起高能干扰时，用于控制适配性的装置。

5。根据权利要求4的回波消除器，其特征在于它包括提取频谱参数的装置和通过比较所述的输入信号(近端扬声器)的参数和接口的输出信号(远端扬声器)参数的估算失真的比较器装置。

6。根据权利要求5的回波消除器，其特征在于所述比较器装置执行在两个自回归模型之间板仓西户(ltakura saito)意义的距离测量，以构成根据输入和输出信号计算的参数提取。

7。根据权利要求5的回波消除器，其特征在于所述的比较器装置使用输入和输出信号的倒频谱参数。

8。根据权利要求1-6中任何一条的回波消除器，其特征在于它还包括一个用来供给近端扬声器的已去噪的语言信号的电路，所述电路被提供用来执行一个由频域的反向变换(72)以及一个并-串转换器(74)。

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