CN1510891A - 回声的检测和监视 - Google Patents

Abstract

本发明提供了回声检测与监视的***和方法。根据本发明，语音通信的输出和输入语音承载信道受到监视。对输出和输入信号进行时间校准，然后进行测量来确定信号中是否存在回声。根据本发明的一个实施例，输出信号是经由一个自适应滤波器来馈送的。

Description

回声的检测和监视

技术领域

本发明针对的是语音通信***中的回声检测。特别地，本发明涉及对实际使用的语音通信***中的回声进行检测。

背景技术

对语音通信网络来说，回声的存在是一个已知问题。这种回声可能是由于通信硬件内部的混合失衡条件所引起的。此外，声反馈也有可能引起回声。回声是否可以由用户察觉通常是根据回声返回的信号电平以及回声返回相对于原始信号所产生的时间偏移来确定的。而使用分组数据网络则加重了语音通信中的回声问题。特别地，对用户来说，在结合分组数据网络的情况下，所经历的增加的传输延迟可能会使回声更加明显。

为了在一个通信网络中检测回声的存在，可以使用那些利用了合成测试回声的设备。然而，常规测试设备需要在可以执行测试之前使网络切断服务。此外，常规测试设备难以校准和使用。由于通信网络的实际用户所进行的抱怨，也可以对回声进行检测。然而，当回声上升到用户或顾客抱怨的等级时，那么这时将会太晚而不可能防止出现不满意的顾客。

发明内容

本发明针对的是这些和其他问题以及现有技术的缺点。通常，根据本发明，对语音通信信号的输出部分进行监视。此外还对语音通信信号的输入部分进行监视。输出信号与输入信号进行时间校准，并且执行一个相关过程。根据相关过程的结果而产生一个语音通信信号中是否存在回声的判定。

根据本发明的一个实施例，使用了一个自适应滤波器来过滤通信信号的输出部分。响应于一个误差信号，可以对自适应滤波器的参数加以改变，其中误差信号是从经过过滤的语音通信信号输出部分与经过时间校准的语音通信信号输入部分之间的差值中计算得到的。特别地，为了减少观察到的差错，将会改变那些与自适应滤波器相关联的分支。然后将会计算经过时间校正的输入信号的功率与误差信号功率之间的比值；如果计算得到的比值大于预定数量，那么将会发出信号来通知存在一个回声。根据本发明的另一个实施例，对在语音通信信号输出部分与语音通信信号输入部分之间观察到的时间延迟进行计算。然后，时间延迟以及计算得到的输入信号与差值信号的功率比值可用于表征在一个语音通信***中检测到的回声的严重性。

根据本发明的另一个实施例，输出信号与输入信号进行时间校准。然后，信号监视器确定该信号的周期是否小于预定数量。如果所述周期小于预定数量，那么接下来将会判定回声功率是否大于一个预定功率。如果回声超出预定功率，那么将会产生一个指示通信中存在回声的信号。

仍旧根据本发明的另一个实施例，对输出和输入语音信号进行时间校准并将它们提供给一个信号监视器。然后，信号监视器确定是MEL频率倒谱系数是否大于预定数量。如果超出预定数量，那么将会产生一个指示通信中存在回声的信号。

根据本发明的另一个实施例，可以执行多个时间校准步骤。举例来说，在粗略的时间校准的步骤之后可以跟随一个精确的时间校准步骤。

根据本发明的一个实施例，提供了一种用于对使用中的语音通信网络的回声进行检测的***。该***通常包含一个第一电子信号路径，所述路径可***作，以便接收语音通信信号的一个输出分量。该设备还包含一个第二电子信号路径，所述路径可***作，以便接收语音通信信号的一个输入分量。并且提供了一个时间校准部件，用于对输出分量与输入分量进行校准。自适应滤波器对经由第一电子信号路径接收的语音通信信号的输出分量进行过滤。并且提供了一个求和部件，用于从经过过滤以及已被校准的语音通信信号的输出分量和输入分量之间的差值中计算一个误差信号。此外，信号监视器接收输入信号和误差信号，从中可以产生一个关于回声存在的判定。根据本发明的另外一个实施例，提供了一条反馈信号线路，用于将求和部件计算的误差信号发送到自适应滤波器。而在另一个实施例中，该设备可以包含一个通信网络接口，用于将第一和第二电子信号路径互连到一个通信网络。根据本发明的一个实施例，所述接口可以包括一个与网际协议电话网络相对接的接口。

根据本发明的另一个实施例，提供了一个用于对使用中的语音通信网络的回声进行检测的***，在这个***中提供了时间校准。作为输入，时间校准单元接收那些与语音通信相关联的输出信号和输入信号。时间校准单元互连到一个信号监视器。信号监视器具有经过时间校准的输出信号和输入信号，从中可以产生一个关于回声存在的判定。

附图说明

本发明的这些和其他优点以及特征将从以下的论述中变得清楚，尤其是在与附图相结合的时候。

图1描述了一个可以与本发明的一个实施例一起使用的通信***；

图2描述了一个根据本发明的一个实施例的回声检测设备；

图3描述了根据本发明的一个实施例的回声检测器；

图4描述了根据本发明的一个实施例的时间校准单元；

图5A描述了根据本发明一个实施例的信号时间校准的流程图；

图5B描述了根据本发明另一个实施例的信号时间校准的流程图；

图6描述了根据本发明一个实施例的回声检测的流程图；

图7描述了根据本发明另一个实施例的回声检测器；

图8描述了根据本发明另一个实施例的回声检测的流程图；以及

图9描述了根据本发明另一个实施例的回声检测的流程图。

具体实施方式

本发明针对的是使用中的语音通信***的回声检测。

图1描述了一个适于与本发明的一个实施例结合使用的通信***100。通常，通信***100包括一个通信网络104，一个第一通信设备108以及一个第二通信设备112。通信网络104可以包括一个或多个不同形式的网络。举例来说，通信网络104可以包括公用交换电话网。根据本发明的另一个实施例，通信网络104包括一个分组数据网络，在这个网络上是根据网际协议电话来发送语音通信的。通信设备108、112可以包括任何类型的通信设备，这些设备适于与语音通信结合使用。因此，通信设备108、112的实例包括电话、软电话以及无线语音通信设备。

如本领域技术人员众所周知的那样，在第二通信设备112，从第一通信设备108发送的语音通信是作为原始语音通信的失真版本而被接收的。特别地，语音通信在时间上被延迟，并且***100的组件可能会引入失真。此外，在第一108与第二112通信设备之间进行的发送语音通信的过程中，***100引入了不同的回声源。举例来说，通信设备108或112中的声音回响可能会在通信设备108、112之间的语音通信传输中产生回声。此外，在***100的组件之间的相互连接上，混合失衡条件有可能会引入回声。***100的其他特性可能会增加回声在音质上的效果。举例来说，通信网络104引入的交换和传输延迟可能会使存在于***100中的回声更加明显。在与利用了网际协议电话(VoIP)传输技术的通信网络104相结合的情况下，传输延迟尤其是有问题的。

现在参考图2，其中结合通信网络104而对回声检测***200进行了描述。根据本发明的一个实施例，回声检测***200可以作为通信设备108、112的一部分来提供。根据本发明的另一个实施例，回声检测***200可以作为网关的一部分而提供给通信网络104，其中包括一个网际协议电话的网络。根据本发明的这个实施例，通信设备108、112通常经由引入回声检测***200的网关而与通信网络104相连。

如图2所示，回声检测***200通常包括一个回声检测器204和一个回声监视器208。通常，在通信***100受到回声检测***200监视的地点，回声检测***200将会检测语音通信中的回声的存在。回声检测器204通常行使职责，以便监视语音通信的输出分量或输出部分212以及同一语音通信的输入分量或输入部分216。回声监视器208可以作为回声检测设备200的一部分来提供，但这并不是必需的，所述回声监视器208通常行使职责，以便提供一个所检测回声的幅度的指示。根据本发明的一个实施例，回声监视器208对那些关于所检测回声的振幅或功率的信息以及回声信号相对于基准信号所偏移的时间量进行检测。通过使用该信息，回声监视器208可以表征回声在正在进行的语音通信上的效果。

现在参考图3，其中描述了回声检测器204的各个方面。如图3所示，在将输出语音信号212提供给通信网络104的时候，回声检测器204监视输出的语音信号212。回声检测器204把输出语音信号212提供给时间校准单元304。此外，回声检测器204对来源于通信网络104的输入语音信号216进行监视。并且还将输入语音信号216提供给时间校准单元304。如上所述，输出212和输入216语音信号通常包括了处于最接近回声检测器204的通信网络104末端的第一通信设备108与通信网络104远端的第二通信设备112之间的语音通信的输出和输入部分。并且可以提供一个延迟缓存器308来延迟那些由时间校准单元304输出的经过时间校准的输出信号312。然后，可以将延迟缓存器308的输出316提供给一个自适应滤波器320。求和部件324从自适应滤波器320接收一个已被过滤和时间校准的输出语音信号328，并且从通信网络104接收输入语音信号。求和部件324的输出是一个误差信号332。误差信号332可以通过一条反馈信号线路336而被反馈到自适应滤波器320。根据本发明的另一个实施例，并没有提供延迟缓存器308，并且时间校准单元304的输出端直接连接到自适应滤波器320的输入端。

时间校准单元304通常进行操作而在时间上校准输出212和输入216信号，并且确定所发送或输出信号212与所接收或输入信号216之间的时间延迟。因此，时间校准单元304接收输出语音信号212并以此作为第一输入，此外还接收输入语音信号216并以此作为第二输入。通常，时间校准可以包括一个粗略的时间校准过程，其后则跟随着一个精确的时间校准过程。

根据本发明的一个实施例并且参考图5A，时间校准单元304所执行的粗略时间校准过程500包括一个对输出信号212和输入信号216进行预强调的步骤(步骤504)。在这个对各个信号进行预强调的过程中，将一个简单的一阶滤波器应用于所述信号，以便参与语音发声的识别。在步骤508，提取输出212和输入216信号的短期能量分布曲线。由此提供了作为时间函数而在各个信号中包含的能量的平滑包络或粗略外形。然后，使用短期能量分布曲线来校准这两个信号212、216(步骤512)。特别地，通过提取各个信号的短期能量分布曲线而获取的两个平滑包络是互相关的。然后，信号212、216分成单个发声，并对来自输出信号212的发声与来自输入信号216的发声进行校准(步骤516)。本领域技术人员可以了解，与无声相反，发声是有效语音的分段。这个步骤对单个发音进行辨别和分段。发声的校准是使用互相关技术来执行的。在信号212、216的粗略校准500之后，使用节距(pitch)计算和周期来执行精确的时间校准(步骤520)  。

现在参考图4和5B，其中描述了根据本发明一个实施例的输出212和输入216信号的精确时间校准。根据这个实施例，时间校准单元304的部件404通过为输入语音信号216的一个取样缓存计算节距周期来计算时间延迟(步骤524)。然后，在关于每个延迟周期的一个延迟范围上计算输入信号216的节距与输出信号212的节距之间的相似性(步骤528)。一旦在延迟范围内为每个延迟确定了相似性，那么，将会把所计算周期中在已被接收和发送的信号内部产生了最大相似性的延迟选择为实际延迟(步骤532)。然后，将由此确定的延迟周期提供给时间校准单元304内部的一个缓存器408，并且缓存器408在这个延迟周期将会保持输出信号(步骤536)。时间校准单元304的输出是一个经过校准的输出信号版本，在这里也将其称为一个经过时间校准的输出信号。对涉及根据本发明实施例的时间校准单元304操作的附加公开和信息来说，可以对2002年5月22日提交并且转让给本申请的申请人的美国专利申请10/152,716加以参考，该申请的内容在此引入作为参考。

通常提供一个延迟缓存器308来确保一个因果***。特别地，将诸如大约10毫秒这样的很小延迟添加到经过时间校准的信号312，以确保它无法在输入信号216之前出现。因此，延迟缓存器308引入的延迟会确保自适应滤波器320的正常运行。

自适应滤波器320通常进行操作，它通过过滤输出信号而使输入信号216与输出的经过时间校准的信号之间的差错减至最小。通过将经过过滤的输出语音信号328与输入信号216之间的差错或差值332减至最小，存在于输入语音信号216中的任何回声都会更加明显。特别地，如果输入信号216与经过过滤的输出信号328相似，那么误差信号332将会很小，由此输入信号216与误差信号332的比值将会很大。此外，由于自适应滤波器320具有作为反馈336的误差信号332，因此可以更加精确的过滤那些与时间校准输入信号320不同的部分输出信号，由此误差信号332是输入信号216中存在回声或是没有回声的一个更好的指示符。

信号监视器340也是作为回声检测器204的一部分来提供的。通常，信号监视器340接收输入语音信号216和误差信号332。然后，信号监视器340计算输入信号216与误差信号332的功率比值。根据本发明的一个实施例，如果计算得到的比值大于预定门限值，那么信号监视器340会在回声信号线路344上产生一个指示存在回声的信号。根据本发明的一个实施例，回声信号线路344与回声监视器208互连。并且还可以提供一个时间延迟信号线路348，以便把时间校准单元304确定的延迟周期(也就是输出信号212与输入信号216之间的时间偏移)传递到回声监视器208。

现在参考图6，其中显示了根据本发明一个实施例的回声检测***200的操作。最初，在步骤600，获取和解码那些与语音通信相关联的输入216与输出212语音承载信道。在步骤604，应用一种例如参考图4、5A和5B所描述的时间校准算法来补偿输出212与输入216信号之间的延迟。接下来显示了将一个很小的附加延迟应用于经过时间校准的语音信号312的可选步骤(步骤608)。通常，向经过时间校准的信号312添加延迟是合乎需要的，由此确保得到一个因果关系的回声检测***200。

在步骤612，将自适应滤波器320应用于经过时间校准的输出语音信号212。通常，响应于误差信号332，可以改变自适应滤波器320的分支。特别地，在反馈信号线路336上提供以误差信号332为形式的反馈将会允许改变自适应滤波器320，这样一来，误差信号332将会减至最小。在步骤616，通过在求和部件324获取输入信号216与经过时间校准的已过滤输出信号328之间的差值来计算误差或差值信号332。然后对输入信号216与误差信号332的功率比值进行计算(步骤620)。根据本发明的一个实施例，所获取的比值是回声返回损耗增益值(ERLE)，它由以下等式给出：

$\mathrm{ERLE}=10\mathrm{lo}{g}_{10}\left[\frac{\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left[d\right[n\left]\right]}^2}{\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left[e\right[n\left]\right]}^2}\right],$ 其中d[n]是输入信号216，e[n]是误差信号332。

在步骤624，判定输入信号328的功率与误差信号332的功率的比值是否大于一个预定门限。如果计算得到的比值并不大于预定门限，则没有检测到输入回声(步骤628)。如果计算得到的比值大于选定门限，则认为检测到了输入回声(步骤632)。

图7描述了一个根据本发明另一个实施例的回声检测器204的各个方面。如图7所示，在将输出语音信号212提供给通信网络104的时候，回声检测器204对其进行监视。输出语音信号212提供给一个时间校准单元304。此外，回声检测器204对来源于通信网络104的输入语音信号216进行监视。输入语音信号216还提供给了时间校准单元304。如上所述，输出212与输入216语音信号可以包括处于紧邻回声检测器204的通信网络104末端的第一通信设备108与处于通信网络104远端的第二通信设备112之间的语音通信的输出和输入部分。然后，时间校准单元304将一个经过时间校准的输出语音信号312提供给信号监视器704。根据本发明的一个实施例，信号监视器704通过对信号周期以及回声功率进行评估，以便确定是否在***100中检测到了回声。根据本发明的另一个实施例，信号监视器704通过评估Mel频率倒谱系数(MFCC)来确定***100中是否存在回声。像708这样的回声信号可以将信号监视器704与回声监视器208互连。此外，像712这样的时间延迟信号可以将时间校准单元304确定的延迟周期提供给回声监视器208。

现在参考图8，其中显示了根据如图7所示的本发明的一个实施例的回声检测***200的操作。最初，在步骤800，获取和解码那些与语音通信相关联的输入216与输出212语音承载信道。在步骤804，应用了一种时间校准算法来补偿输出212与输入216信号之间的延迟。在步骤808，将信号周期与一个门限值进行比较。本领域技术人员可以了解，周期即为信号是周期性还是非周期性的一个量度。举例来说，音调或正弦波是周期的，而白噪声则是非周期的。由于诸如语音这种现实世界的信号出现在绝对周期信号音调末端与白噪声之间的某个地方，因此对信号周期性所进行的测量给出了一个关于接收信号是否更加类似周期信号音调或非周期噪音的指示。根据本发明的一个实施例，周期是通过以下过程给出的：

假设x[n]是输出信号的取样，y[n]是输入信号的取样。假设d是输出与输入信号之间的延迟，T是节距周期。所述周期性是在两个步骤中计算的：

$\left(1\right)----A=\frac{\underset{n=0}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\left[x\right[n-d\left]y\right[n\left]\right]}{\underset{n=0}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{\left[x\right[n-d\left]\right]}^2}$

$\left(2\right)----P=\frac{\underset{n=0}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\left[y\right[n]-\mathrm{Ax}[n-d\left]\right]}{\underset{n=0}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{\left[x\right[n\left]\right]}^2}$

根据本发明的这个实施例，如果周期(P)大于或等于0.4，则可以认为信号中没有回声(步骤812)。

如果周期大于或等于所述阈值，则判定回声功率是否大于所述阈值(步骤816)。根据本发明的一个实施例，回声功率是用以下等式给出的：

$\mathrm{Echo\; Power}=10l{\mathrm{og}}_{10}\left[\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left[d\right[n\left]\right]}^2\right],$ 其中d[n]表示输入信号216。如果回声功率不大于所述阈值，则认为信号中不存在回声(步骤820)。如果回声功率大于所述阈值，则认为检测到输入回声(步骤824)。根据本发明的一个实施例，如果计算得到的回声功率大于50分贝，则认为输入信号216中存在回声。

现在参考图9，其中描述了根据本发明另一个实施例的回声检测器204的操作。最初，在步骤900，获取和解码那些与语音通信相关联的输入216与输出212语音承载信道。在步骤904，应用了一种时间校准算法来补偿这两个信号212、216之间的延迟。在步骤908，对在经过时间校准的输出信号312与输入信号216之间测得的Mel频率倒谱系数距离进行计算。在步骤912，判定MFCC距离是否大于一个阈值。如果MFCC距离并不大于所述阈值，则没有检测到回声(步骤916)。如果MFCC距离大于所述阈值，则检测到了输入回声(步骤920)。根据本发明的一个实施例，如果MFCC距离量度大于0.82，则认为存在输入回声。

从上文给出的描述可以了解，本发明顾及了结合语音通信所进行的回声检测，同时通信***100处于一个实际操作。如果希望的话，也可以响应于存在回声的判定来进行测量，从而缓解回声。

为了进行说明和描述，因而给出了本发明的以上论述。此外，该描述并不意图将本发明限制于这里公开的形式。因此，在相关技术的技能和知识以内，与上述教导相当的变化和修改也处于本发明的范围以内。上文描述的实施例还意图说明目前已知的实施本发明的最佳方式，并且能使本领域其他技术人员以这种或其他实施例并且结合其特有应用以及本发明的用途所需要的不同修改来使用本发明。附加的权利要求意图包括替换实施例，以便达到现有技术允许的范围。

Claims (21)

1.一种用于在使用中的网络上检测回声的方法，包括：

对一个输出信号和输入信号进行时间校准，以便获取一个经过时间校准的输出信号；

过滤所述经过时间校准的输出信号，以便获取一个已被过滤和时间校准的输出信号；

确定所述已被过滤并经过时间校准的输出信号与所述输入信号之间的差值，以便创建一个差值信号；

计算包含了所述输入信号与所述差值信号之间的功率的一个比值；以及

当所述比值大于预定数量时，用信号来通知回声的存在。

2.权利要求1的方法，还包括：

对所述已被时间校准的输出信号进行时间延迟。

3.权利要求1的方法，其中所述过滤步骤包括：

响应于所述差值信号，改变至少一个第一滤波器参数。

4.权利要求3的方法，其中改变所述至少一个第一滤波器参数，以便减少所述已被过滤和时间校准的输出信号与所述输入信号之间的所述差值。

5.权利要求1的方法，其中所述输入信号是从一个包含了网际协议电话的通信网络中接收的。

6.权利要求1的方法，还包括：

确定所述输出信号与所述输入信号之间的时间延迟。

7.权利要求1的方法，其中所述输出和输入信号包括语音通信信号。

8.一种用于在使用中的语音网络上检测回声的***，包括：

用于接收所输出的第一语音通信信号以及所输入的第一语音通信信号的装置，其中所述输出的第一语音通信信号与所述输入的第一语音通信信号是作为全双工语音通信的两个分量相关联；

用于校准所述输出的第一语音通信信号与所述输入的第一语音通信信号的装置；

用于过滤的装置，其中对所述输出第一语音通信信号进行过滤，以便创建一个经过过滤的信号；

用于从所述输入语音通信信号与所述经过过滤的信号之间的差值中确定一个误差信号的装置；

用于计算所述输入的第一信号与所述经过过滤的信号的功率比值；以及

如果所述比值至少处于一个第一预定值，则指示回声存在的装置。

9.权利要求8的方法，还包括：

用于延迟所述输出第一信号的装置。

10.权利要求8的***，还包括：

用于将所述误差信号提供给所述用于进行过滤的装置的装置。

11.权利要求10的***，其中所述用于进行过滤的装置包括一个自适应滤波器。

12.权利要求8的***，其中所述输入第一语音通信信号是从包含了网际协议电话的通信网络中接收的。

13.权利要求8的***，其中所述用于接收的装置包括至少一个第一解码器。

14.一种计算组件，用于执行一系列方法步骤，该方法包括：

对语音通信的输出分量进行时间偏移，以便获取所述语音通信的经过时间偏移的输出分量，其中所述输出分量与所述语音通信的输入分量进行时间校准；

对所述语音通信的所述经过时间偏移的输出分量进行过滤，以便获取所述语音通信的已被过滤和时间偏移的输出分量；

从所述语音通信的所述输入分量与所述已被过滤和时间偏移的输出分量之间的差值中计算误差信号；

对所述语音通信的所述输入分量功率与所述误差信号功率之间的比值进行计算；以及

响应于计算得到大于一个门限值的比值，提供了一个回声存在于所述语音通信的指示。

15.权利要求14的方法，还包括：

将所述误差信号提供给所述滤波器；

响应于所述误差信号中的变化，改变所述滤波器的至少一个第一参数。

16.权利要求14的方法，还包括：

对所述语音通信的所述输出分量与所述语音通信的至少一部分所述输入分量之间的时间延迟进行计算。

17.权利要求14的方法，其中所述计算组件包括一个计算机可读存储介质，其上携带了用于执行所述方法的指令。

18.用于检测回声存在的设备，包括：

一个时间校准部件，其中语音通信的输出分量在时间上与所述语音通信的输入分量进行校准，以便获取一个经过时间校准的输出分量；

一个自适应滤波器，其中对所述经过时间校准的输出分量进行过滤，以便获取一个已被过滤和时间校准的输出分量；以及

一个求和部件，其中误差信号是从所述已被过滤和时间校准的输出分量与所述输入分量之间的差值中计算得到的，其中对输入信号功率与误差信号功率的比值大于一个门限值做出响应而产生一个回声检测信号。

19.权利要求18的设备，还包括：

一个误差信号反馈信号线路，其中将所述误差信号提供给所述自适应滤波器。

20.权利要求18的设备，还包括：

一个通信网络接口，由此所述第一和第二电子信号路径与一个通信网络互连。

21.权利要求20的设备，其中所述通信网络接口包括一个与网际协议电话网络相对接的接口。

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