CN1797545B - 采用自适应iir和fir滤波器的回声消除 - Google Patents

Abstract

公开了适于接收来自远端传输的输入信号、接收近端返回信号并在发送返回信号给远端之前，将修正信号注入返回信号的方法和***，这样，例如可以减小或消除返回信号中的回声。第一示例性实施例包括一个或多个自适应无限冲激响应(IIR)滤波器，以及一个或多个自适应有限冲激响应(FIR)滤波器，它们并行工作，基于滤波器性能的确定，每一个滤波器的输出都可能会被选择为修正信号。第二示例性实施例包括一个自适应FIR滤波器，在针对修正信号选择了该自适应FIR滤波器之后，该自适应FIR滤波器输出修正信号，基于滤波器性能的确定，选择一个或多个自适应IIR滤波器的输出或者经调节的返回信号作为基准。

Description

采用自适应IIR和FIR滤波器的回声消除

技术领域

本发明涉及回声消除的方法和***，更具体地说，本发明涉及采用自适应无限冲激响应(IIR)滤波器和自适应有限冲激响应(FIR)滤波器实现回声消除的方法和***。

背景技术

在传输或通信***中，在通信电路近端接收来自电路远端的信号。接收的信号，不管是电信号还是声信号，都可以与近端输入一起找到回程路径。近端输入的远端接收可能包括原远端输入信号经衰减和延时的反射，也就是回声。在电话***中，不管是有线还是无线***，这些回声现象都会使通话无法理解。在数据通信***中，同样不管是有线还是无线***，这种回声会导致传输差错，或降低吞吐量性能。

在许多应用中，采用自适应滤波器来消除信号中不希望出现的频率内容，这些自适应滤波器用于电信***，例如回声消除***中，以便从信号中消除因输入信号的反射和/或不希望出现的耦合而返回输入信号的发起者所导致的信号回声。例如，回声出现在从扬声器发出的信号随后通过麦克风接收并重发的情况下，也就是声音回声，或者出现在传输过程中沿阻抗失配的线路连接点产生远端信号的反射时，也就是线路回声。

目前，自适应有限冲激响应(FIR)滤波器可以用于减少或消除回声，其回声消除特性由国际电联标准组(ITU-T)建议G.165和G.168定义，前述ITU建议的每一个的内容通过引用在此纳入，就像作为整体提出的一样。图1说明了位于电信***100的远端和近端之间的回声消除电路150的功能框图，其中回声消除电路工作在近端102。示出到返回信号132的近端输入130，它与近端回声信号122合成，后者表示为经z域回声传递函数120——H(z)滤波(也就是衰减和延迟)的远端输入信号110。得到的返回信号132随后被表示为近端输入信号130和近端回声信号122的线性组合。这样，在回声传递函数的数字表示为自适应FIR 156的形式时，调整增益，使之模仿回声传递函数120，当远端输入信号110由自适应FIR 156滤波时，得到的信号158可以与返回信号132有差别，以消除来自返回线路信号132的回声。如图1所示，为了实现这种消除效果，消除后的返回线路信号140被送到非线性处理模块152，后者可以对背景或环境噪声进行预滤波，并确定一个阈值，在该阈值之上，几乎不允许或完全不允许IIR滤波器的自适应。阈值逻辑用于解决含混语音情况，其中返回信号可能同时具有近端输入和时间上接近的回声。如果经预滤波的返回线路信号低于该阈值，则可以在每一步骤k将它作为误差信号154e_k来驱动FIR滤波器156的增益适配。FIR滤波器可能需要若干延迟状态，每一个输出或输入状态被分流、乘上增益并累加。可以选择FIR滤波器的增益，使其代表最可能的回声传递函数120H(z)，之后，利用误差信号e_k所驱动的关系调整这些增益。在自适应消除设备中，普遍采用了最小均方(LMS)自适应算法来调整自适应FIR滤波器的增益。FIR滤波器可以表示成：

$H_k\left(z\right)=\underset{n=0}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{n,k}\·z^{-n}---\left[1\right]$

FIR滤波器增益适配或调整的一种典型规则是利用误差信号154、归一化输入信号和步长大小或适配增益β的乘积来调整增益。例如，对每个滤波器系数n，其中n＝0，1，2，...L：

h_n，k+1＝h_n，k+β*e(k)*x_k-1/x_max。              [2]

FIR滤波器一般需要长抽头延迟来对回声返回路径进行有效建模。FIR滤波器虽然能稳定表示全零传递函数，但一般适配较慢，需要的存储器比递归滤波器存储器多，并且根据抽头的数量，在计算上可能相当繁复。

特定类型的输入信号——例如人类的语音——其特征在于，明显的峰值之后是长时间的衰减。大多数的计算用于信号长衰减部分的FIR系数更新，而它实际上对实际回声能量几乎没有什么影响。此外，对这些低能量衰减进行积极地自适应滤波实际上导致许多类型的自适应FIR滤波器——例如归一化LMS滤波器的估计误差，并降低了整体回声消除性能。

无限冲激响应(IIR)滤波器，或者递归滤波器，被实现为不需要长抽头延迟的极点零点传递函数的形式。IIR滤波器一般用于从数字上模拟非常特殊的回声返回路径，在前述路径中，极点零点传递函数的稳定性在适配期间可以得到保证。此外，这些极点必须被适当地以数字化表示，从而数字信号处理的实际实施例需要高精度实现，因为小的比特误差会导致大的滤波器误差，其包括不稳定性。本领域一般技术人员熟知适配机制的方法，对它们的描述可以参见Bernard Widrow和Samuel D.Stearns 1985年所著Adaptiv Signal Processing，Prentice-Hall公司，Englewood Cliffs，New Jersey，尤其参见第99-101页和154-161页。

这样，仍然需要在回声消除中应用IIR滤波器的快速收敛和FIR滤波器的稳定性。本发明在若干实施例中，采用自适应IIR滤波器和自适应FIR滤波器来提供回声消除。

发明内容

在若干实施例中，本发明提供了一种适于接收输入信号、接收返回信号以及在返回信号中注入修正信号的方法和***，它通过示例性地应用，明显地消除了通信***中的回声。第一示例性***包括一个令返回信号调节模块，它适于接收返回信号并输出经调节的返回信号，以及一个自适应IIR滤波器，它适于接收输入信号，其中自适应IIR滤波器还适于从IIR增益适配机构接收一个或多个增益调整，IIR增益适配机构本身适于接收IIR滤波器误差信号，后者根据自适应IIR滤波器输出和经调节的返回信号之差得出。第一示例性实施例还包括一个自适应FIR滤波器，它适于接收输入信号，其中自适应FIR滤波器还适于从其FIR增益适配机构接收一个或多个增益调整，FIR增益适配机构本身适于接收FIR滤波器误差信号，后者最好根据自适应FIR滤波器输出和经调节的返回信号之差得出。此外，第一示例性实施例包括一个选择器，或者选择器子***或选择模块，适于接收IIR滤波器误差信号和FIR滤波器误差信号，并适于优选地根据一个或多个得到的性能指标，从FIR滤波器输出和IIR滤波器输出中选择修正信号。示例性第一实施例可以包括一个或多个自适应IIR滤波器和一个或多个自适应FIR滤波器，根据它们选择修正信号。

第二示例性***包括：非线性处理模块，适于接收返回信号并输出经调节的返回信号，以及一个自适应IIR滤波器，适于接收输入信号，其中自适应IIR滤波器还适于根据其IIR增益适配机构接收一个或多个增益调整，IIR增益适配机构本身适于接收根据自适应IIR滤波器输出和经调节的返回信号之差得出的IIR滤波器误差信号。第二示例性***实施例还包括一个自适应FIR滤波器，它适于接收输入信号，输出修正信号，其中自适应FIR滤波器还适于根据其FIR滤波器增益适配机构接收一个或多个增益调整，FIR滤波器增益适配机构本身适于接收FIR滤波器误差信号，后者最好根据修正信号和以下信号之差得出，该信号最好根据一个或多个得到的性能指标，从自适应FIR滤波器输出和经调节的返回信号中选择。

附图说明

下面通过例子，结合附图描述本发明，但本发明并不局限于附图，在附图中：

图1是现有技术的功能框图；

图2是本发明一种示例性实施例的功能框图；以及

图3是本发明另一种示例性实施例的功能框图。

具体实施方式

在对声信号进行建模过程中，自适应IIR滤波器被长期广泛应用，这主要是因为它们能有效地模拟特定衰减行为。在回声消除应用中没有采用一个或多个自适应IIR滤波器来排除其他滤波器结构，是因为公共回声返回路径中各个条件的变化范围很大。但是，在与自适应FIR滤波器组合时，这些滤波器提供了回声消除所需要的许多优点。

图2说明了以回声消除设备200的形式给出的本发明的一种示例性实施例，其中输入信号110，x_k送到自适应IIR滤波器210F_k(z)，以及自适应FIR滤波器220G_k(z)。自适应FIR滤波器220G_k(z)可以表示成通过可调权重加权的L个抽头的总和，或者一个或多个延迟状态，对n＝0，1，2，...L，每个状态具有一个前馈增益g_n。例如，在每个时间步k，对L+1个系数，自适应FIR滤波器220G_k(z)可以表示成：

$G_k\left(z\right)=\underset{n=0}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{g}_{n,k}\·z^{-n}.---\left[3\right]$

自适应IIR滤波器可以表示成极点和0点或者对n＝0，1，2，...L表示成前馈增益b_n，对n＝1，2，...L，表示成反馈增益a_n。例如，在每个时间步k，对L+1个前馈系数和L个反馈系数，自适应IIR滤波器210F_k(z)可以表示成：

$F_k\left(z\right)=\frac{\underset{n=0}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{n,k}\·z^{-n}}{1+\underset{n=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{n,k}\·z^{-n}}.---\left[4\right]$

虽然图2的例子已经说明了一个自适应FIR滤波器和一个自适应IIR滤波器，但本实施例也可以容易地扩展到多于一个具有适配机构的自适应FIR滤波器，以及多于一个具有适配机构的自适应IIR滤波器。

在回声消除设备200操作期间，自适应滤波器210和220的系数都可以调整或适配。返回信号132通过非线性处理(NLP)模块230发送，用于利用NLP模块使之调节，优选地执行包括线路噪声滤波和含混语音阈值测试的功能。从调节的返回信号232减去自适应IIR滤波器的输出212，作为IIR滤波器的误差信号提供给自适应IIR滤波器适配机构216。类似地，自适应FIR滤波器220利用远端输入信号110作为输入产生一个输出信号222。从有条件的返回信号232减去自适应FIR滤波器输出212，作为FIR滤波器误差信号提供给自适应FIR滤波器适配机构226。优选地，IIR误差信号用来评估FIR滤波器的实时性能，FIR误差信号

用来评估IIR滤波器的实时性能。得到的性能指标最好用于从自适应滤波器的输出中选择信号，注到返回信号路径以消除回声。

得到的性能指标可能还需要返回信号。回声返回损耗增强(ERLE)一般定义为回声信号——例如y_k——和误差信号之间回声信号的减少量

所以，例如可以按照以下公式计算K时间步的ERLE(dB)：

$\mathrm{ERLE}\left(\mathrm{dB}\right)=10\log \left(\frac{E\left[y^2\left(k\right)\right]}{E\left[e^2\left(k\right)\right]}\right).---\left[5\right]$

误差信号减少较少多半表明与回声信号的匹配差，并可能表示滤波器的行为不规律，对IIR滤波器而言，可能以一组不稳定的系数工作。

可以建立基于性能的选择规则的其他性能指标包括时间步上的滤波器系数调整量。例如，通过表明变化与最佳匹配不一致的调整系数的时间历史记录，则可以清楚地看出不稳定的调整机制的指示。

在性能基础上，例如选择ERLE、IIR滤波器输出212或者FIR滤波器输出222，用作回声信号估计

假定该信号是具有回声信号122y_k的最佳估计的信号(图1)，因此从返回信号132中减去该信号，产生近端输入信号估计

但本发明并不限于选择ERLE、IIR滤波器输出212或者FIR滤波器输出222。IIR误差信号

可以用作评估和检测IIR滤波器210稳定性的状态，例如采用均方误差算法。一旦检测到自适应IIR滤波器210不稳定，优选地是将开关260关上，选择FIR滤波器输出222作为回声信号估计

选择了FIR滤波器输出222之后，IIR滤波器最好重置，可以采用从矩阵中选出的一组新的增益，前述矩阵具有初始增益集，存储在成分矢量(constituent vector)中，IIR适配步长大小可以调整。也可以对估计的输入信号应用附加噪声滤波，最好在发送估计输入信号

给远端之前。

优选地，FIR适配机构226还可以用于确定自适应IIR滤波器210及其适配机构216的稳定性。例如，稳定性检测器240可以连续监控248自适应FIR滤波器的滤波器系数及其ERLE的相对变化，以确定FIR适配机构226已变得稳定，否则就以很小且始终如一的步长进行自我调整。同时，最好向稳定性检测器240提供IIR滤波器增益系数值的相对变化246。如果IIR适配机构216正在大范围更新其参数，并产生变化的ERLE，而FIR的适配机构226已被设置成一组不随时间改变的增益值，则最好重置自适应IIR滤波器。稳定性检测器240可以采用ERLE和或者其他性能指标来评估优选滤波器输出，作为修正信号262从返回信号132中减去，或者注入返回信号132。稳定性检测器240可以包含在交换机构或选择器子***或者选择器中，以实现修正信号的选择，或者交换机构也可以是单独的模块260。

优选地，在未选中的滤波器的适配机构中，对自适应滤波器210、220的输出212、222F_k(z)和G_k(z)之一的选择与步长大小或β或者适配增益值的增加相关联244，并且优选地，在选中的滤波器的适配机构中，与步长大小β或者适配增益值的减小相关联244。这些步长大小优选地存储于适配增益表250中。因此，如果发送选择242以关闭开关260，那么可以提供自适应FIR适配机构254的新适配增益和自适应IIR适配机构252的新适配增益。

自适应FIR滤波器适配机构226最好有一组初始增益。这些增益可以作为增益矢量存储在表250中，其中可以为选择多个滤波器增益的初始集合而提供这些增益矢量的一个矩阵。初始增益集合可以按照适配处理流程，在每个时间步上调整。例如，可以通过在上一系数值上加上步长大小β、误差信号

归一化远端输入信号X_k/X_max的乘积来增减每个FIR滤波器系数。此外，如果对返回信号

的含混语音阈值测试检测到含混语音状态(DT_k)234，那么适配机构226可以中止或者临时减小步长大小。

自适应IIR滤波器适配机构216也最好具有一组初始增益。采用自适应FIR滤波器220，增益可以作为增益矢量存储，其中可以为从表250中选择多个滤波器增益的初始集合而提供这些增益矢量的一个矩阵。初始增益集合可以按照适配处理流程，在每个时间步上调整。递归自适应滤波器算法最好包括LMS算法、超稳定自适应递归滤波器算法以及有序回归算法。为了使执行次数最少，目前优选LMS算法。此外，如果对返回信号r_k+y_k的阈值测试检测到含混语音状态(DT_k)234，那么IIR适配机构可以中止或者临时减小步长大小。

图3说明了本发明一种可选实施例300的示例性功能框图。在该例中，将远端输入信号110X_k送到自适应FIR 320G_k(z)，以及自适应IIR 310F_k(z)。自适应FIR滤波器的输出假定是回声信号122的最佳估计，并从返回信号中减去，以产生估计输入信号

在发送该估计输入信号给远端之前，对估计的输入信号370可以应用附加噪声滤波。

返回信号132具有近端输入信号r_k和回声信号y_k，它被送到非线性处理模块330使之调节，其中最好从返回信号132中过滤噪声，并最好应用含混语音阈值测试。从经调节的返回信号332中减去自适应IIR滤波器的输出312，得到IIR滤波器误差信号314，

其中IIR滤波器误差信号又部分地驱动IIR适配机构316。IIR机构316最好采用考虑了远端输入信号110X_k以及IIR滤波器误差信号

的LMS算法，也可以替换成用于递归滤波器的其他适配算法，或者组合使用，例如超稳定自适应递归滤波器算法和有序回归(sequential regression)算法。通过这个自适应IIR滤波器级302，回声消除器300准备将自适应IIR滤波器310作为自适应FIR滤波器320的一种回声模型基准。相应地，可以采用多个自适应IIR滤波器，其中自适应FIR滤波器320的基准的选择基于所有自适应IIR滤波器确定的性能特征。

从FIR滤波器输出322中减去自适应IIR滤波器输出312，得到FIR滤波器误差信号其中该FIR滤波器误差信号322又部分地驱动FIR适配机构326。FIR适配机构326最好采用考虑了远端输入信号110X_k以及FIR滤波器误差信号

的上述LMS算法，也可以替换成其他适配算法，或者组合使用。FIR适配机构326的适配增益、步长大小β最好从表350中得出352，其中在采用自适应IIR滤波器310作为回声基准来积极驱动自适应FIR 320收敛，也就是驱动FIR滤波器误差信号为0时，FIR适配机构326可以采用较大的适配增益。因此，最好利用稳定性检测模块340监控IIR滤波器误差信号并监控344IIR适配机构316所产生的IIR滤波器增益的调整。一旦稳定性检测模块已经确定IIR滤波器310正在稳定地进行处理，一般就会驱动IIR滤波器误差信号

为0或接近0，并恒定地保持在该值。最好基于稳定性检测模块340的判定342，增加352最好由适配增益表350提供的FIR适配机构326的步长大小，减小354最好由适配增益表350提供的IIR适配机构315的步长大小。

如果非线性处理模块330指示含混语音状态334，那么IIR适配机构316和FIR适配机构326最好基于非线性处理模块330提供的含混语音状态(DT_k)334，减少或中止它们各自的适配机构，前述非线性处理模块330具有基于含混语音阈值的检测。此外，最好利用例如与稳定性阈值相近的均方差监控IIR误差信号

的稳定性。此外，IIR适配机构316可以将IIR增益的连续较大调整提供344给稳定性检测模块344，以确定IIR适配机构的稳定性。选择器子***可以包括稳定性检测模块430和开关360，或者选择器子***可以分布在***内部。如果达到了不稳定性阈值，稳定性检测模块340最好通知342开关360，从而从经调节的返回信号332中减去FIR滤波器322的输出，并重置IIR增益，提供从矩阵中选择的一组新增益，前述矩阵具有矢量所表示的增益。一旦重置了IIR，开关360就可以重置，以便从IIR输出中得到FIR误差信号。此外，可以从表350中选择该IIR适配增益，其步长大小值低于先前在不稳定状态中采用的步长大小。

应当理解，本说明书用来描述本发明及其各种实施例的文字不仅仅在于它们一般定义的意义，而且根据本说明书的特殊限定包含一般定义的意义范围之外的结构、材料或者效果。因此，如果在本说明书上下文中可以理解一个元素包含多个意义，那么它在权利要求书中的使用必须被理解为对说明书和文字本身所支持的所有可能的意义都通用。

在不偏离这里公开的本发明及其若干实施例精神和范围的前提下，本领域一般技术人员可以做出许多变化和改动。因此，必须理解，给出的实施例只是为了举例说明，不应当理解为对本发明做出限制，本发明由后附权利要求书来限定。

Claims (10)

1.一种回声消除方法，包括：

通过求经调节的返回信号和自适应有限冲激响应FIR滤波器滤波后的输入信号之差，生成FIR误差信号，其中所述自适应FIR滤波器包括至少一个适于通过FIR适配机构调整的前馈增益，其中所述FIR适配机构适于接收所述生成的FIR误差信号；

通过求所述经调节的返回信号和自适应无限冲激响应IIR滤波器滤波后的输入信号之差，生成IIR误差信号，其中所述自适应IIR滤波器包括至少一个前馈增益和至少一个反馈增益，所述前馈增益和反馈增益适于通过IIR适配机构调整，其中所述IIR适配机构适于接收所述生成的IIR误差信号；以及

从一组滤波后的输入信号中选择一个信号，所述滤波后的输入信号包括所述自适应FIR滤波器滤波后的所述输入信号和所述自适应IIR滤波器滤波后的所述输入信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述选择基于一组误差信号，所述一组误差信号包括所述生成的IIR误差信号和所述生成的FIR误差信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述选择基于自适应IIR滤波器增益调整的量值，以及自适应FIR滤波器增益调整的量值。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括从返回信号中减去所述选择的信号的步骤。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述FIR适配机构具有至少一个FIR适配增益或者FIR增益调整步长大小，所述至少一个FIR适配增益或者FIR增益调整步长大小与所述选择相关联，其中所述IIR适配机构具有至少一个IIR适配增益或者IIR增益调整步长大小，所述至少一个IIR适配增益或者IIR增益调整步长大小与所述选择相关联。

6.一种适于接收输入信号、接收返回信号以及在所述返回信号中注入修正信号的***，包括：

非线性处理模块，适于接收所述返回信号并输出经调节的返回信号；

自适应无限冲激响应IIR滤波器，适于接收所述输入信号，其中所述自适应IIR滤波器还适于接收来自IIR适配机构的一个或多个增益调整，其中所述IIR适配机构适于接收IIR误差信号，所述IIR误差信号根据所述自适应IIR滤波器的输出和所述经调节的返回信号之差得出；

自适应有限冲激响应FIR滤波器，适于接收所述输入信号，其中所述自适应FIR滤波器还适于接收来自FIR适配机构的一个或多个增益调整，其中所述FIR适配机构适于接收FIR误差信号，所述FIR误差信号根据所述自适应FIR滤波器的输出和所述经调节的返回信号之差得出；以及

选择器，适于接收所述IIR误差信号和所述FIR误差信号，并适于根据得到的性能指标，从一组滤波器输出中选择修正信号，这组滤波器输出包括所述自适应FIR滤波器输出和所述自适应IIR滤波器输出。

7.根据权利要求6所述的***，

其中所述非线性处理模块还适于调节所述返回信号以及确定并输出含混语音状态；

其中所述IIR适配机构还适于接收所述含混语音状态，并基于接收的含混语音状态改变IIR适配增益；以及

其中所述FIR适配机构还适于接收所述含混语音状态，并基于接收的含混语音状态改变FIR适配增益。

8.根据权利要求6所述的***，其中所述FIR适配机构具有至少一个FIR适配增益或者FIR增益调整步长大小，所述至少一个FIR适配增益或者FIR增益调整步长大小与所述修正信号的选择相关联，其中所述IIR适配机构具有至少一个IIR适配增益或者IIR增益调整步长大小，所述至少一个IIR适配增益或者IIR增益调整步长大小与所述修正信号的选择相关联。

9.根据权利要求6所述的***，其中所述选择器还适于接收自适应IIR滤波器增益调整的多个量值，以及自适应FIR滤波器增益调整的多个量值。

10.根据权利要求6所述的***，其中所述选择器还适于接收自适应IIR滤波器增益以及自适应FIR滤波器增益。