專利名稱：一種回聲消除方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及移動通信技術(shù)，尤其涉及一種回聲消除方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
移動通信中手持終端的回聲會影響通話質(zhì)量，尤其是當(dāng)手持終端使用免提功能時，回聲問題就更加嚴重。因此，移動通信中的回聲問題已困擾人們已久，解決方案一直為業(yè)界所關(guān)注。
目前只有少數(shù)3G手機具有回聲消除功能，雖然采用的回聲消除方法各不相同，但是原理基本大體一致。如圖1所示為現(xiàn)有典型的實現(xiàn)方案之一，通過回聲預(yù)測和控制單元101自適應(yīng)預(yù)測估計回聲，得到回聲瞬時期望值，并從終端的返回語音中通過數(shù)字減法器單元102減去該期望值，從而實現(xiàn)回聲消除。其中，回聲預(yù)測和控制單元實際上是一組線性抽頭橫向濾波器，通常采用最小均方誤差(NLMS，Normalized Least Mean Square)方法自適應(yīng)調(diào)整濾波器系數(shù)。由于該方案無法徹底消除回聲，總會留下較大的剩余回聲，因此實際中通常會增設(shè)非線性處理單元103，用以對剩余回聲進行非線性運算，從而使得剩余回聲變成背景噪聲。
然而，上述現(xiàn)有回聲消除的實現(xiàn)方案存在以下問題 1、只能消除本機自身產(chǎn)生的短時延近端回聲，不能消除由于網(wǎng)絡(luò)等產(chǎn)生的長時延遠程回聲。由于方法本身的缺陷，使其難以消除長時延的遠端回聲。
2、不能徹底消除回聲，產(chǎn)生較大剩余回聲。雖然現(xiàn)有方案通過非線性處理來噪化剩余回聲，但是在處理中，有用語音信號也會不可避免在一定程度上被噪化。顯然，這種采用非線性處理來噪化剩余回聲的方式是以犧牲有用語音信號的信噪比來換取回聲削弱的。因此，該方式代價很大，效果又不好。
3、所需硬件資源多。由于方法本身的原因，決定了濾波器階數(shù)與回聲延遲成正比，當(dāng)回聲延遲很大時，濾波器階數(shù)巨大，從而所需存儲器件等硬件資源很多。
4、運算量大，大大增加處理器運算負荷。專門從事語音信號處理的著名美國公司Alango推出的手持終端回聲消除算法對采樣率為8KHz語音信號進行自適應(yīng)濾波(濾波器長度為64ms)時需要21MIPS，可見運算量非常巨大。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題在于提供一種回聲消除方法及系統(tǒng)，能夠完全消除本地回聲和遠程回聲，并且運算量大大減小。
實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案如下 一種回聲消除方法，包括步驟 基于輸入信號短時能量判斷回聲狀態(tài) 回聲淹沒狀態(tài)下，由鎖定濾波器消除回聲； 回聲激活狀態(tài)下，更新滑動窗偏移量和跟蹤濾波器系數(shù)，及根據(jù)判斷準則判斷所述跟蹤濾波器是否完成鎖定若完成鎖定，則直接由跟蹤濾波器消除回聲，并將鎖定系數(shù)賦值給鎖定濾波器；若未完成鎖定，則轉(zhuǎn)由鎖定濾波器消除回聲。
優(yōu)選的，如果濾波器系數(shù)矢量中最大者ωi(n+1)的位號i＞(L+1)/2且滑動窗偏移量小于滑動窗最大偏移上限時，滑動窗偏移量增加一個單位，同時跟蹤濾波器系數(shù)矢量左移一個單位，其中L為濾波器階數(shù)。
優(yōu)選的，如果濾波器系數(shù)矢量中最大者ωi(n+1)的位號i＞(L+1)/2且滑動窗偏移量等于滑動窗最大偏移上限時，滑動窗偏移量置零，同時濾波器系數(shù)矢量更新為無滑動窗偏移量濾波器系數(shù)矢量，其中L為濾波器階數(shù)。
優(yōu)選的，所述滑動窗最大偏移上限取值為不小于實際最大回聲延遲除以采樣率的正整數(shù)。
優(yōu)選的，如果濾波器系數(shù)矢量中最大者ωi(n+1)的位號i＜(L+1)/2且滑動窗偏移量為正時，滑動窗偏移量減少一個單位，同時跟蹤濾波器系數(shù)矢量右移一個單位，其中L為濾波器階數(shù)。
優(yōu)選的，如果滑動窗偏移量為零，則濾波器系數(shù)矢量更新為無滑動窗偏移量濾波器系數(shù)矢量；否則無滑動窗偏移量濾波器系數(shù)矢量保持不變。
優(yōu)選的，所述濾波器消除回聲是根據(jù)對應(yīng)的濾波器鎖定系數(shù)和滑動窗偏移量對輸入信號進行濾波。
優(yōu)選的，所述跟蹤濾波器是否完成鎖定的判斷準則為連續(xù)收斂長度個跟蹤濾波器系數(shù)矢量中每一個矢量滿足，濾波器系數(shù)中最大者ωi(k)的位號i＝(L+1)/2且收斂值小于設(shè)定的收斂門限，其中L為濾波器階數(shù)。
優(yōu)選的，所述收斂門限取值大于噪音最大幅度的估計值。
此外，本發(fā)明也提供一種回聲消除的系統(tǒng)，包括 近端回聲消除裝置，包括濾波器、回聲狀態(tài)機及控制器，用于消除近端回聲； 及遠端回聲消除裝置，包括濾波器、回聲狀態(tài)機及控制器，用于消除遠端回聲； 所述遠端回聲消除裝置根據(jù)回聲消除的需求選擇工作狀態(tài)或是旁路狀態(tài)。
優(yōu)選的，所述濾波器是由鎖定濾波器和跟蹤濾波器構(gòu)成的雙濾波器結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選的，所述控制器根據(jù)回聲狀態(tài)機的反饋結(jié)果，及跟蹤濾波器完成鎖定的情況，選擇是由鎖定濾波器消除回聲或是由跟蹤濾波器消除回聲。
優(yōu)選的，所述回聲狀態(tài)機根據(jù)輸入信號短時能量的變化而切換為回聲淹沒狀態(tài)或回聲激活狀態(tài)。
本發(fā)明還提供一種回聲消除裝置，包括 回聲狀態(tài)機，用于根據(jù)更新輸入信號的短時能量，判斷是回聲淹沒狀態(tài)還是回聲激活狀態(tài)； 跟蹤濾波器及鎖定濾波器，用于對輸入信號濾波，消除回聲； 控制器，用于根據(jù)回聲狀態(tài)機反饋的回聲狀態(tài)，及跟蹤濾波器完成鎖定的情況，選擇是由鎖定濾波器消除回聲或是由跟蹤濾波器消除回聲。
優(yōu)選的，所述跟蹤濾波器根據(jù)設(shè)定的判斷準則確定是否完成鎖定如果完成鎖定，則將跟蹤濾波器鎖定系數(shù)矢量和滑動窗偏移量賦值給鎖定濾波器，由跟蹤濾波器消除回聲；如果未完成鎖定，由鎖定濾波器消除回聲。
優(yōu)選的，所述跟蹤濾波器是否完成鎖定的判斷準則為連續(xù)收斂長度個跟蹤濾波器系數(shù)矢量中每一個矢量滿足，濾波器系數(shù)中最大者ωi(k)的位號i＝(L+1)/2且收斂值小于設(shè)定的收斂門限，其中L為濾波器階數(shù)。
優(yōu)選的，所述收斂門限取值大于噪音最大幅度的估計值。
對比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果歸納如下 1、本發(fā)明回聲消除方法-滑動窗增強型NLMS方法，改變了傳統(tǒng)NLMS方法濾波器系數(shù)的迭代方式，通過很少的有限次迭代即可使濾波器系數(shù)無限逼近實際回聲路徑參數(shù)的實際值，從而能夠完全消除回聲，并且避免采用非線性噪化剩余回聲的措施。另外，本發(fā)明方法通過滑動窗，能夠徹底消除長時延回聲，而且運算量大大減小，從而極大節(jié)省存儲器件等硬件資源。
2、本發(fā)明通過鎖定濾波器和跟蹤濾波器聯(lián)合工作以確?；芈曄膹氐?、穩(wěn)定。通過跟蹤濾波器自適應(yīng)調(diào)整濾波器系數(shù)，逐步逼近回聲路徑，并將收斂后的濾波器鎖定系數(shù)矢量和滑動窗偏移傳給鎖定濾波器；而鎖定濾波器在跟蹤濾波器未啟動或未收斂時，以最新得到的濾波器鎖定系數(shù)矢量和滑動窗偏移對輸入信號濾波，從而消除回聲。雙濾波器在邏輯控制下協(xié)調(diào)工作，從而更好的解決了噪聲誤鎖的問題，確保回聲消除處理的平穩(wěn)效果。
3、此外，本發(fā)明通過將狀態(tài)機的狀態(tài)簡化為回聲淹沒和回聲激活兩個狀態(tài)，極大簡化了回聲消除的實現(xiàn)過程，保證了實際工作的可靠性。
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步描述。



圖1是現(xiàn)有技術(shù)回聲消除的實現(xiàn)框圖； 圖2是本發(fā)明回聲消除系統(tǒng)框圖； 圖3是本發(fā)明回聲消除的實現(xiàn)流程圖； 圖4是本發(fā)明方法的原理框圖； 圖5是本發(fā)明雙濾波器結(jié)構(gòu)框圖； 圖6是本發(fā)明近端回聲消除狀態(tài)機示意圖； 圖7是本發(fā)明遠端回聲消除狀態(tài)機示意圖； 圖8是本發(fā)明回聲消除裝置框圖； 圖9是本發(fā)明本地回聲消除軟件實現(xiàn)流程圖； 圖10是本發(fā)明與現(xiàn)有方法的收斂性比較示意圖； 圖11是本發(fā)明與現(xiàn)有方法的回聲消除收斂速度比較示意圖； 圖12是本發(fā)明與現(xiàn)有方法的回聲消除結(jié)果比較示意圖； 圖13是本發(fā)明實施例模擬真實通話狀態(tài)下的回聲消除質(zhì)量示意圖。

具體實施例方式 本發(fā)明提供一種新的回聲消除方法，突破了傳統(tǒng)NLMS方法的局限，基于滑動窗增強型NLMS方法進行回聲消除，解決了傳統(tǒng)方法無法解決的問題。本發(fā)明的基本思想是基于滑動窗增強型NLMS方法自適應(yīng)調(diào)整線性抽頭橫向濾波器系數(shù)，通過很少的有限次迭代即可無限逼近回聲原形，并將其從真實回聲信號中減去，從而實現(xiàn)本地回聲和遠程回聲的消除。如圖2所示，為本發(fā)明回聲消除系統(tǒng)框圖。該系統(tǒng)包括近端回聲消除裝置和遠端回聲消除裝置，每個裝置都包括雙濾波器、回聲狀態(tài)機及控制器。近端回聲消除裝置和遠端回聲消除裝置分別用于實現(xiàn)本地回聲和遠程回聲的消除。兩者的消除方法相同，可以同時實現(xiàn)，也可以只選擇實現(xiàn)本地回聲的消除。當(dāng)遠程回聲已經(jīng)被消除(比如遠程終端本身具有回聲消除功能或局端已安裝回聲消除器)，則虛線框內(nèi)部分(即遠程回聲消除方法及相關(guān)狀態(tài)邏輯)可以被旁路，從而進一步節(jié)省資源。
下面，結(jié)合圖3、4和圖9對本發(fā)明所述方案的實現(xiàn)過程具體進行闡述。由于本地回聲與遠程回聲的消除實現(xiàn)過程相同，只是輸入、輸出信號不同而已，即本地回聲消除是從真實的本地回聲y(n)中減去本地語音信號x(n)的本地回聲估計，在此過程中，輸入信號為x(n)、y(n)，輸出信號是r(n)；而遠程回聲消除是從接收語音信號c(n)中減去本地講話語音信號s(n)的遠程回聲估計，在此過程中，輸入信號為s(n)、c(n)，輸出信號是x(n)。
首先需要根據(jù)實際情況確定幾個常量的最佳值，合適取值會在不影響性能的前提下最大限度的減少運算量，這幾個常量是滑動窗最大偏移上限Max_Offset、濾波器階數(shù)L、n時刻的收斂值d(n)、收斂門限d_GATE，d(n)收斂最小長度d_L，很小的常數(shù)e。設(shè)實際回聲延遲為DT，采樣率為Fs，常量取值規(guī)則分別說明如下 Max_Offset取值為大于實際最大回聲延遲/Fs的最小正整數(shù)。一般情況下，本地回聲延遲較小，遠程回聲延遲較長，會達到幾百毫秒。
如果DT/Fs較大(例如大于9)，L選擇小于DT/Fs的奇數(shù)。此時方法工作在滑動窗模式，通常情況下遠程回聲消除工作在此模式。
如果DT/Fs較小(例如小于或等于9)，L選擇大于DT/Fs的最小奇數(shù)。此時方法工作在無窗模式，通常情況下本地回聲消除工作在此模式。
d(n)收斂門限d_GATE取值應(yīng)大于噪音最大幅度的估計值。
d(n)收斂最小長度d_L應(yīng)取較大值，通常取大于28的正整數(shù)。
e取很小的正數(shù)，比如0.0001。
其次，對本發(fā)明涉及的迭代公式說明如下 (1)y^(n)＝W(n)T(n-m(n))，為回聲估計。
其中W(n)＝[ω0(n)，ω1(n)，...ωL-1(n)]T，ωi(n)為濾波器系數(shù)。通常W(0)＝
。
X(n-m(n))＝[x(n-m(n))，x(n-1-m(n))，x(n-2-m(n))，...x(n-L+1-m(n))]。
當(dāng)工作在滑動窗模式時，m(n)為濾波器n時刻滑動窗口的偏移，通常m(0)＝0； 當(dāng)工作在無窗模式時，m(n)恒值為0。
(2)e(n)＝y(tǒng)(n)-y^(n)，為誤差信號。
(3)d(n)＝d(n-1)/2+|e(n)|，通常d(0)＝0。
(4)為接收信號短時能量。當(dāng)工作在滑動窗模式時，m(n)為濾波器n時刻滑動窗口偏移，通常m(0)＝0；當(dāng)工作在無窗模式時，m(n)恒值為0。
(5)其中e為很小的正數(shù)。
(6)W(n+1)＝W(n)+u(n)*X(n-m(n))，為濾波器系數(shù)矢量。
當(dāng)工作在滑動窗模式時，m(n)為濾波器n時刻滑動窗口偏移，通常m(0)＝0。
當(dāng)工作在無窗模式時，m(n)恒值為0。
(7)窗口滑動(此過程僅適用于滑動窗模式，當(dāng)工作在無窗模式下時，忽略此過程) ①更新滑動窗偏移m(n+1)，更新濾波器系數(shù)矢量 如果{ω0(n+1)，ω1(n+1)，...，ωL-1(n+1)}中最大者ωi(n+1)的位號i＞(L+1)/2且m(n)＜Max_Offset時，m(n+1)＝m(n)+1，同時矢量W(n+1)左移一個單位，即ω1(n+1)→ω0(n+1)，ω2(n+1)→ω1(n+1)，...，ωL-1(n+1)→ωL-2(n+1)，0→ωL-1(n+1)。
如果{ω0(n+1)，ω1(n+1)，...，ωL-1(n+1)}中最大者ωi(n+1)的位號i＞(L+1)/2且m(n)＝Max_Offset時，m(n+1)＝0，W(n+1)＝Wm＝0。
如果{ω0(n+1)，ω1(n+1)，...ωL-1(n+1)}中最大者ωi(n+1)的位號i＜(L+1)/2且m(n)＞0時，m(n+1)＝m(n)-1，同時矢量W(n+1)右移一個單位，即ωL-2(n+1)→ωL-1(n+1)，ω1-3(n+1)→ω1-2(n+1)，...，ω1(n+1)→ω2(n+1)，0→ω1(n+1)。
否則，m(n+1)＝m(n)。
②更新無滑動窗偏移濾波器系數(shù)矢量Wm＝0 如果m(n+1)＝0，則Wm＝0＝W(n+1)；否則保持Wm＝0不變。
(8)更新鎖定狀態(tài) 收斂判定準則連續(xù)d_L個矢量中每一個W(k)(k＝n+1，n，...，n-d_L+2)滿足{ω0(k)，ω1(k)，...ωL-1(k)}中最大者ωi(k)的位號i＝(L+1)/2且d(n)＜d_GATE。
如果滿足上述收斂判定準則，則更新鎖定狀態(tài)dlock＝d(n)，Wlock＝W(n+1)，mlock＝m(m+1)。通常dlock的初始值為0，Wlock的初始值為零矢量(0，0...0)T，mlock的初始值為0。
若將圖4和圖9中的x(n)替換為r(n)、y(n)替換為c(n)、y^(n)替換為c^(n)、r(n)替換為x(n)，則就成為遠程回聲消除的實現(xiàn)過程，此處不再累述。
濾波器階數(shù)L的取值決定著是在滑動窗模式工作還是無窗模式工作。本地回聲消除工作在滑動窗模式的軟件實現(xiàn)流程如圖9所示，而將虛線框內(nèi)的部分(即窗口滑動部分)去掉就改成無窗模式的實現(xiàn)流程，此時滑動窗偏移m恒為0。
如圖9所示，回聲消除的具體實現(xiàn)流程如下 首先，完成一個新采樣點，更新本地回聲的短時能量Px(n)∶Px(n)＝Px(n-1)+x2(n)-x2(n-K)，或更新遠端回聲的短時能量Pr(n)∶Pr(n)＝Pr(n-1)+r2(n)-r2(n-K)；由Px或Pr和當(dāng)前狀態(tài)判定是否有狀態(tài)變遷，如果有，則將狀態(tài)機變遷至新狀態(tài)，即m(n)→mlock，u(n)→ulock，W(n)→Wlock； 然后，判斷回聲狀態(tài)如果為回聲淹沒態(tài)，則依次更新回聲估計ylock(n)＝Wlock(n)TX(n-mlock)、更新誤差信號elock(n)＝y(tǒng)(n)-ylock(n)、r(n)＝elock(n)，由鎖定濾波器消除回聲，結(jié)束一次回聲消除，并等待下一個采樣點到來。
如果為回聲激活態(tài)，則依次更新回聲估計y^(n)＝W(n)TX(n-m)、更新誤差信號e(n)＝y(tǒng)(n)-y^(n)、更新d(n)＝d(n-1)/2+|e(n)|、更新接收信號短時能量、更新、及更新跟蹤濾波器系數(shù)W(n+1)＝W(n)+u(n)*X(n-m(n))； 再次，當(dāng)工作在滑動窗模式下(當(dāng)工作在無窗模式下時，忽略此過程) ①更新滑動窗偏移m(n+1)，更新濾波器系數(shù)矢量 如果{ω0(n+1)，ω1(n+1)，...，ωL-1(n+1)}中最大者ωi(n+1)的位號i＞(L+1)/2且m(n)＜Max_Offset時，m(n+1)＝m(n)+1，同時矢量W(n+1)左移一個單位，即ω1(n+1)→ω0(n+1)，ω2(n+1)→ω1(n+1)，...，ωL-1(n+1)→ωL-2(n+1)，0→ωL-1(n+1)。
如果{ω0(n+1)，ω1(n+1)，...，ωL-1(n+1)}中最大者ωi(n+1)的位號i＞(L+1)/2且m(n)＝Max_Offset時，m(n+1)＝0，W(n+1)＝Wm＝0。
如果{ω0(n+1)，ω1(n+1)，...ωL-1(n+1)}中最大者ωi(n+1)的位號i＜(L+1)/2且m(n)＞0時，m(n+1)＝m(n)-1，同時矢量W(n+1)右移一個單位，即ωL-2(n+1)→ωL-1(n+1)，ω1-3(n+1)→ω1-2(n+1)，...，ω1(n+1)→ω2(n+1)，0→ω1(n+1)。
否則，m(n+1)＝m(n)。
②更新無滑動窗偏移濾波器系數(shù)矢量Wm＝0 如果m(n+1)＝0，則Wm＝0＝W(n+1)；否則保持Wm＝0不變。
最后，判定跟蹤濾波器是否完成鎖定若跟蹤濾波器已完成鎖定，更新鎖定狀態(tài)mlock＝m、dlock(n)＝d(n)、Wlock＝W(n+1)，更新鎖定濾波器系數(shù)后，更新r(n)＝e(n)，由跟蹤濾波器消除回聲，結(jié)束一次回聲消除，并等待下一個采樣點到來。
若跟蹤濾波器未完成鎖定，更新回聲估計ylock(n)＝Wlock(n)TX(n-mlock)、更新誤差信號elock(n)＝y(tǒng)(n)-ylock(n)、r(n)＝elock(n)，由鎖定濾波器消除回聲，結(jié)束一次回聲消除，并等待下一個采樣點到來。
上述圖9的實現(xiàn)流程簡化敘述為如圖3所示的步驟，即 301、完成一個新采樣點； 302、更新輸入信號短時能量； 303、判斷回聲狀態(tài)是否變遷，并判定狀態(tài)機當(dāng)前所處狀態(tài)； 304、若狀態(tài)機處于回聲淹沒狀態(tài)，由鎖定濾波器消除回聲，結(jié)束一次回聲消除，并等待下一個采樣點到來。
305、若狀態(tài)機處于回聲激活狀態(tài)，更新跟蹤濾波器系數(shù)，接著滑動窗口； 306、判定跟蹤濾波器是否完成鎖定； 307、若跟蹤濾波器未完成鎖定，由鎖定濾波器消除回聲，結(jié)束一次回聲消除，并等待下一個采樣點到來。
308、若跟蹤濾波器已完成鎖定，更新鎖定濾波器系數(shù)，由跟蹤濾波器消除回聲，結(jié)束一次回聲消除，并等待下一個采樣點到來。
本發(fā)明的雙濾波器包含一個跟蹤濾波器和一個鎖定濾波器，其中跟蹤濾波器的主要任務(wù)是通過自適應(yīng)調(diào)整濾波器系數(shù)，逐步逼近回聲路徑，并將收斂后的濾波器鎖定系數(shù)矢量和滑動窗偏移傳給鎖定濾波器；而鎖定濾波器的主要任務(wù)是在跟蹤濾波器未啟動或未收斂時，以最新得到的濾波器鎖定系數(shù)矢量和滑動窗偏移對輸入信號濾波，以消除回聲。基于這種雙濾波器結(jié)構(gòu)如圖5所示，如果將x(n)替換為r(n)、y(n)替換為c(n)、r(n)替換為x(n)，就變成遠程回聲消除雙濾波器結(jié)構(gòu)。雙濾波器結(jié)構(gòu)在邏輯控制下協(xié)調(diào)工作?？刂七壿嫺鶕?jù)回聲狀態(tài)決定是否啟動跟蹤濾波器，如不須啟動，停止跟蹤濾波器，并立即啟動鎖定濾波器消除回聲；如需啟動，立即啟動跟蹤濾波器自適應(yīng)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，并時刻以事先確定的判定準則判定當(dāng)前跟蹤濾波器是否已完成鎖定，如果未完成鎖定，則立即啟動鎖定濾波器，并由鎖定濾波器濾除回聲產(chǎn)生輸出；如果完成鎖定，則更新鎖定濾波器系數(shù)，由跟蹤濾波器消除回聲產(chǎn)生輸出。無論何時，只要鎖定濾波器工作，則總是以最新得到的濾波器參數(shù)對輸入信號進行濾波。
回聲消除過程存在二種工作狀態(tài)回聲激活狀態(tài)和回聲淹沒狀態(tài)。實際工作時，當(dāng)回聲能量足夠大，強于背景噪音時則視為回聲激活狀態(tài)；相反，當(dāng)回聲能量很小，接近或小于背景噪音時則視為回聲淹沒狀態(tài)?；芈暊顟B(tài)切換貫穿于整個通話過程。狀態(tài)切換基于x(n)與r(n)的短時能量變化而發(fā)生，二者的短時能量估計定義為 x(n)的短時能量 其中常數(shù)K取值應(yīng)滿足遠遠小于人耳能辨別最短音節(jié)持續(xù)時間的采樣點數(shù)。通常情況下，持續(xù)時間大于20ms的聲音信號就可以被人耳覺察，如果采樣率Fs＝8KHz，則K＜＜160。
r(n)的短時能量 其中常數(shù)K取值應(yīng)滿足不小于最低頻語音半周期采樣點數(shù)。一般情況下，語音頻率在300Hz～3KHz范圍內(nèi)，如果采樣率Fs＝8KHz，則K≥14。
實現(xiàn)時應(yīng)采用迭代公式，減小運算量，上述兩式分別為 Px(n)＝Px(n-1)+x2(n)-x2(n-K)，且 Pr(n)＝Pr(n-1)+r2(n)-r2(n-K)，且 本地回聲消除狀態(tài)機如圖6所示，Px_up為本地回聲激活上限，Px_down為本地回聲激活下限。實際使用時可根據(jù)本地模擬語音通道增益和本地回聲路徑損耗等因素為Px_up、Px_down取合適的值，但必需滿足Px_up＞Px_down。通常情況下Px_up取值不大于最大噪音幅度平方與K的乘積，但應(yīng)遠大于噪音平均幅值平方與K的乘積，Px_down取值略小于Px_up。
遠端回聲消除狀態(tài)機如圖7所示，Pr_up為遠程回聲激活上限，Pr_down為遠程回聲激活下限。實際使用時可根據(jù)遠程模擬語音通道增益和遠程回聲路徑損耗等因素為Pr_up、Pr_down取合適的值，但必需滿足Pr_up＞Pr_down。通常情況下Pr_up取值不大于最大噪音幅度平方與K的乘積，但應(yīng)遠大于噪音平均幅值平方與K的乘積，Pr_down取值略小于Pr_up。
值得注意的是，每當(dāng)狀態(tài)機發(fā)生狀態(tài)變遷時，必需將m(n)、d(n)、W(n)恢復(fù)至最近收斂值，即mlock→m(n)，dlock→d(n)，Wlock→W(n)。
如圖8所示，為本發(fā)明回聲消除的裝置框圖，包括 回聲狀態(tài)機，根據(jù)更新近端輸入信號x(n)或遠端輸入信號r(n)的短時能量，判斷回聲狀態(tài)是回聲淹沒狀態(tài)還是回聲激活狀態(tài)； 控制器，根據(jù)回聲狀態(tài)機的反饋結(jié)果，及跟蹤濾波器是否完成鎖定，選擇是由鎖定濾波器消除回聲或是由跟蹤濾波器消除回聲； 如果是回聲淹沒狀態(tài)，則由鎖定濾波器消除回聲； 如果是回聲激活狀態(tài)，則更新跟蹤濾波器系數(shù)，判斷所述跟蹤濾波器是否完成鎖定若跟蹤濾波器已完成鎖定，則更新鎖定濾波器系數(shù)，由跟蹤濾波器消除回聲；若跟蹤濾波器未完成鎖定，由鎖定濾波器消除回聲。
近端回聲消除裝置和遠端回聲消除裝置一樣，都是根據(jù)狀態(tài)機中當(dāng)前工作狀態(tài)及跟蹤濾波器的鎖定情況，由邏輯控制器決定雙濾波器工作方式。此外，還可以同時參見表1結(jié)合前述的具體說明來理解回聲消除裝置的運作情況。
表1 下面，通過仿真實現(xiàn)將本發(fā)明的滑動窗增強型NLMS方法與傳統(tǒng)NLMS方法進行比較，以展示本發(fā)明獨有的優(yōu)勢。
1、所需硬件資源比較 傳統(tǒng)NLMS方法需要最少濾波器的階數(shù)Lmin≥ΔT/Fs，其中Fs為采樣率，ΔT為回聲延遲。
而本發(fā)明滑動窗增強型NLMS方法所需濾波器階數(shù)與ΔT無直接關(guān)系，即使ΔT很大(如幾百毫秒)，L也可以很小(例如可以取L＝7)。
若采樣率為8KHz，回聲延遲ΔT＝100ms，傳統(tǒng)NLMS方法所需濾波器階數(shù)L應(yīng)大于800。而本發(fā)明滑動窗增強型NLMS方法濾波器階數(shù)可以取大于5的任何奇數(shù)。由此可見，本發(fā)明滑動窗增強型NLMS方法濾波器階數(shù)遠小于傳統(tǒng)NLMS方法所需濾波器階數(shù)，從而本發(fā)明方法所需存儲單元遠小于傳統(tǒng)方法。
2、運算量比較 假設(shè)回聲延遲時間量化Δn為大于ΔT/Fs的最小整數(shù)，其中Fs為采樣率，ΔT為回聲延遲。每過一個采樣時間T，傳統(tǒng)方法和本發(fā)明方法單位采樣時間內(nèi)運算量比較如表2所示 表2 在表2中，L為傳統(tǒng)NLMS方法濾波器階數(shù)，最小取值為大于回聲延遲時間量化(ΔT/Fs)的最小整數(shù)?？梢妭鹘y(tǒng)方法運算量隨著回聲延遲ΔT增大而成倍增大，當(dāng)ΔT很大(如大于10ms)時，運算器非常大。L’為本發(fā)明滑動窗增強型NLMS方法濾波器階數(shù)，與ΔT無關(guān)，可以取很小的值，從而運算量非常小。
3、濾波器系數(shù)W(n)的收斂性比較 由濾波器系數(shù)迭代公式W(n+1)＝W(n)+u(n)*X(n)知，濾波器系數(shù)W(n)收斂條件是u(n)隨著時間n趨近于零。
在采樣頻率Fs＝8KHz，回聲延遲ΔT＝10ms，輸入信號x(n)為單位的余弦信號條件下，本發(fā)明方法與傳統(tǒng)方法u(n)的收斂性比較如圖10所示傳統(tǒng)方法由于u(n)始終不能收斂于零，所以濾波器系數(shù)W(n)始終不能真正鎖定，隨著輸入信號x(n)變化不斷產(chǎn)生剩余噪聲。本發(fā)明方法恰恰克服了傳統(tǒng)方法的缺陷，u(n)迅速趨近于零，濾波器系數(shù)W(n)能迅速鎖定，從而不會產(chǎn)生剩余噪聲。
4、回聲消除收斂速度比較 在采樣頻率Fs＝8KHz，回聲延遲ΔT＝10ms，e取0.0001，輸入信號x(n)為單位的余弦信號條件下對于傳統(tǒng)方法，步長常數(shù)取0.05，濾波器階數(shù)取81；對本發(fā)明方法，濾波器階數(shù)取81(在無窗模式下工作)。二者回聲消除收斂速度比較如圖11所示。顯然，本發(fā)明方法的回聲消除收斂速度明顯大于傳統(tǒng)方法。
5、回聲消除結(jié)果比較 在采樣頻率Fs＝8KHz，回聲延遲ΔT＝10ms，e取0.0001，輸入信號x(n)為單位的真實語音信號條件下對于傳統(tǒng)方法，步長常數(shù)取0.5，濾波器階數(shù)取81；對于本發(fā)明方法，濾波器階數(shù)取7(在滑動窗模式下工作)。二者回聲消除結(jié)果比較如圖12所示。顯然，本發(fā)明滑動窗增強型NLMS方法回聲消除能力遠優(yōu)于傳統(tǒng)NLMS方法。
在模擬真實通話狀態(tài)下的回聲消除質(zhì)量如圖13所示。其中，采樣頻率Fs＝8KHz，回聲延遲ΔT＝10ms，e取0.0001，濾波器階數(shù)取7(在滑動窗模式下工作)，輸入信號x(n)為真實語音信號。
以上所述的本發(fā)明實施方式，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護范圍的限定。任何在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種回聲消除方法，其特征在于，包括步驟
基于輸入信號短時能量判斷回聲狀態(tài)
回聲淹沒狀態(tài)下，由鎖定濾波器消除回聲；
回聲激活狀態(tài)下，更新滑動窗偏移量和跟蹤濾波器系數(shù)，及根據(jù)判斷準則判斷所述跟蹤濾波器是否完成鎖定若完成鎖定，則直接由跟蹤濾波器消除回聲，并將鎖定系數(shù)賦值給鎖定濾波器；若未完成鎖定，則轉(zhuǎn)由鎖定濾波器消除回聲。
2、如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，如果濾波器系數(shù)矢量中最大者ωi(n+1)的位號i＞(L+1)/2且滑動窗偏移量小于滑動窗最大偏移上限時，滑動窗偏移量增加一個單位，同時跟蹤濾波器系數(shù)矢量左移一個單位，其中L為濾波器階數(shù)。
3、如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，如果濾波器系數(shù)矢量中最大者ωi(n+1)的位號i＞(L+1)/2且滑動窗偏移量等于滑動窗最大偏移上限時，滑動窗偏移量置零，同時濾波器系數(shù)矢量更新為無滑動窗偏移量濾波器系數(shù)矢量，其中L為濾波器階數(shù)。
4、如權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述滑動窗最大偏移上限取值為不小于實際最大回聲延遲除以采樣率的正整數(shù)。
5、如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，如果濾波器系數(shù)矢量中最大者ωi(n+1)的位號i＜(L+1)/2且滑動窗偏移量為正時，滑動窗偏移量減少一個單位，同時跟蹤濾波器系數(shù)矢量右移一個單位，其中L為濾波器階數(shù)。
6、如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，如果滑動窗偏移量為零，則濾波器系數(shù)矢量更新為無滑動窗偏移量濾波器系數(shù)矢量；否則無滑動窗偏移量濾波器系數(shù)矢量保持不變。
7、如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述濾波器消除回聲是根據(jù)對應(yīng)的濾波器鎖定系數(shù)和滑動窗偏移量對輸入信號進行濾波。
8、如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述跟蹤濾波器是否完成鎖定的判斷準則為連續(xù)收斂長度個跟蹤濾波器系數(shù)矢量中每一個矢量滿足，濾波器系數(shù)中最大者ωi(k)的位號i＝(L+1)/2且收斂值小于設(shè)定的收斂門限，其中L為濾波器階數(shù)。
9、如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述收斂門限取值大于噪音最大幅度的估計值。
10、一種回聲消除的系統(tǒng)，其特征在于，包括
近端回聲消除裝置，包括濾波器、回聲狀態(tài)機及控制器，用于消除近端回聲；
及遠端回聲消除裝置，包括濾波器、回聲狀態(tài)機及控制器，用于消除遠端回聲；
所述遠端回聲消除裝置根據(jù)回聲消除的需求選擇工作狀態(tài)或是旁路狀態(tài)。
11、如權(quán)利要求10所述的回聲消除系統(tǒng)，其特征在于，所述濾波器是由鎖定濾波器和跟蹤濾波器構(gòu)成的雙濾波器結(jié)構(gòu)。
12、如權(quán)利要求11所述的回聲消除系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器根據(jù)回聲狀態(tài)機的反饋結(jié)果，及跟蹤濾波器完成鎖定的情況，選擇是由鎖定濾波器消除回聲或是由跟蹤濾波器消除回聲。
13、如權(quán)利要求10所述的回聲消除系統(tǒng)，其特征在于，所述回聲狀態(tài)機根據(jù)輸入信號短時能量的變化而切換為回聲淹沒狀態(tài)或回聲激活狀態(tài)。
14、一種回聲消除裝置，其特征在于，包括
回聲狀態(tài)機，用于根據(jù)更新輸入信號的短時能量，判斷是回聲淹沒狀態(tài)還是回聲激活狀態(tài)；
跟蹤濾波器及鎖定濾波器，用于對輸入信號濾波，消除回聲；
控制器，用于根據(jù)回聲狀態(tài)機反饋的回聲狀態(tài)，及跟蹤濾波器完成鎖定的情況，選擇是由鎖定濾波器消除回聲或是由跟蹤濾波器消除回聲。
15、如權(quán)利要求14所述的回聲消除裝置，其特征在于，所述跟蹤濾波器根據(jù)設(shè)定的判斷準則確定是否完成鎖定如果完成鎖定，則將跟蹤濾波器鎖定系數(shù)矢量和滑動窗偏移量賦值給鎖定濾波器，由跟蹤濾波器消除回聲；如果未完成鎖定，由鎖定濾波器消除回聲。
16、如權(quán)利要求15所述的回聲消除裝置，其特征在于，所述跟蹤濾波器是否完成鎖定的判斷準則為連續(xù)收斂長度個跟蹤濾波器系數(shù)矢量中每一個矢量滿足，濾波器系數(shù)中最大者ωi(k)的位號i＝(L+1)/2且收斂值小于設(shè)定的收斂門限，其中L為濾波器階數(shù)。
17、如權(quán)利要求16所述的回聲消除裝置，其特征在于，所述收斂門限取值大于噪音最大幅度的估計值。
全文摘要
本發(fā)明提供一種回聲消除的方法，包括基于輸入信號短時能量判斷回聲狀態(tài)回聲淹沒狀態(tài)下，由鎖定濾波器消除回聲；回聲激活狀態(tài)下，更新滑動窗偏移量和跟蹤濾波器系數(shù)，及根據(jù)判斷準則判斷所述跟蹤濾波器是否完成鎖定若完成鎖定，則直接由跟蹤濾波器消除回聲，并將鎖定系數(shù)賦值給鎖定濾波器；若未完成鎖定，則轉(zhuǎn)由鎖定濾波器消除回聲。此外，本發(fā)明還提供能消除近端回聲和遠端回聲的回聲消除系統(tǒng)，及回聲消除裝置。本發(fā)明既能消除手持終端自身產(chǎn)生的近端回聲，也能同時消除由于網(wǎng)絡(luò)等原因產(chǎn)生的遠端回聲。此外，本發(fā)明通過采用新的濾波器系數(shù)迭代方法，使濾波器以最快速度無限逼近實際回聲路徑，從而真正做到徹底回聲消除，并徹底解決了傳統(tǒng)上長時延回聲難以消除的問題，極大節(jié)省了軟硬件資源。
文檔編號H04Q7/32GK101102126SQ20061008954
公開日2008年1月9日 申請日期2006年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月3日
發(fā)明者范團寶 申請人:大唐移動通信設(shè)備有限公司, 上海大唐移動通信設(shè)備有限公司