專(zhuān)利名稱(chēng)：回聲排除裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種回聲排除裝置，并且特別涉及一種用來(lái)減少在產(chǎn)生的聲音從一個(gè)揚(yáng)聲器回繞到一個(gè)小型聲音產(chǎn)生通信終端，例如一個(gè)移動(dòng)電話(huà)，的麥克風(fēng)時(shí)所引起的回聲的回聲排除裝置。
隨著小型聲音產(chǎn)生通信終端，例如移動(dòng)電話(huà)，體積的縮小，在產(chǎn)生的聲音從聲音產(chǎn)生接收揚(yáng)聲器回繞到聲音產(chǎn)生發(fā)送麥克風(fēng)時(shí)，它所引起的回聲的影響變得很重要。為了排除聲音在發(fā)送器/接收器上回繞時(shí)所產(chǎn)生的回聲，一個(gè)如

圖1所示的回聲排除裝置或回聲消除器被采用。
參照?qǐng)D1，一個(gè)終端11接收一個(gè)從一個(gè)通信方發(fā)送到一個(gè)揚(yáng)聲器12的揚(yáng)聲器輸出信號(hào)x(k)，其中K表示離散信號(hào)的一個(gè)樣本數(shù)或一個(gè)時(shí)間位置。隨著從一個(gè)濾波電路15向減法器14提供一個(gè)偽回聲信號(hào)，一個(gè)由麥克風(fēng)13收集并被轉(zhuǎn)換成一個(gè)電信號(hào)的麥克風(fēng)輸入信號(hào)Y(k)被提供。減法器從麥克風(fēng)輸入信號(hào)中減去偽回聲信號(hào)以形成一個(gè)合成的回聲減少信號(hào)或一個(gè)殘留回聲信號(hào)e(k)，它被提供給一個(gè)輸入端16。在移動(dòng)電話(huà)中，揚(yáng)聲器12和麥克風(fēng)13一般相互距離很近。
一個(gè)濾波電路15由一個(gè)所謂的有限沖激響應(yīng)(FIR)濾波器構(gòu)成。該濾波器電路具有它的濾波系數(shù)或被一個(gè)分支系數(shù)估計(jì)電路17控制的ta系數(shù)。該分支系數(shù)估計(jì)電路根據(jù)作為輸入信號(hào)的揚(yáng)聲器輸出信號(hào)x(k)或根據(jù)作為輸出信號(hào)的殘留回聲信號(hào)e(k)利用合適的自適應(yīng)算法，順序地更新該濾波器的分支系數(shù)。對(duì)于自適應(yīng)算法，所謂的學(xué)習(xí)識(shí)別方法或歸一化最小均方(LMS)方法被廣泛應(yīng)用。
對(duì)于濾波器分支數(shù)L，如果作為一個(gè)濾波器分支輸入信號(hào)的揚(yáng)聲器輸出信號(hào)用如下一個(gè)矢量表示X(k)＝(x(k)，x(k－1)，…，x(k－L＋1))并且該濾波器分支系數(shù)用如下矢量表示H^(k)=(h^0(k),h^1(k),...,h^L-1(k))]]>則用如下等式將分支輸入信號(hào)乘以一個(gè)分支系數(shù)，就由濾波電路15(FIR濾波器)獲得了偽回聲信號(hào)y^(k)=Σi=0L-1hi(k)x(k-i)....(1)]]>這個(gè)偽回聲信號(hào)被從麥克風(fēng)輸入信號(hào)y(k)中減去以得到用如下等式表示的殘留回聲信號(hào)e(k)e(k)=y(k)-y^(k)]]>它表示回聲減少輸出信號(hào)或一個(gè)回聲消除器輸出信號(hào)。分支系數(shù)估計(jì)電路17根據(jù)殘留回聲信號(hào)e(k)和分支輸入信號(hào)X(k)估計(jì)和更新分支系數(shù)。
圖2表示一個(gè)采用了用上面提到的歸一化LMS方法作為分支系數(shù)估計(jì)電路17的算法的例子。
參照?qǐng)D2，分支系數(shù)估計(jì)電路17由一個(gè)平方和計(jì)算電路18和一個(gè)分支系數(shù)更新電路19組成。平方和計(jì)算電路18根據(jù)揚(yáng)聲器輸出信號(hào)的分支輸入，即X(k)＝(x(k)，x(k－1)，…，x(k－L＋1))計(jì)算平方和||X(k)||2=Σi=0L-1X(k-i)2……(2)]]>這個(gè)平方和等于輸入信號(hào)功率。利用這個(gè)平方和，殘留回聲信號(hào)e(k)和分支輸入信號(hào)X(k)，分支系數(shù)更新電路19將分支系數(shù)更新到由等式(3)所確定的值H^(k+1)=H^(k)+μe(k)X(k)||X(k)||2....(3)]]>其中μ是一個(gè)常數(shù)，0＜μ＜2。由等式(3)可知，每個(gè)分量表示如下h^i(k+1)=h^i(k)+μe(k)X(k-1)||X(k)||2....(4)]]>其中i＝0，1…，L。
到濾波器的分支輸入信號(hào)X(k)是一個(gè)產(chǎn)生的聲音信號(hào)，并且通常是一個(gè)具有一個(gè)音調(diào)周期結(jié)構(gòu)的周期函數(shù)，如圖3所示。如果取樣頻率是8KHz，則所產(chǎn)生的男聲和女聲的音調(diào)周期分別是50至90個(gè)取樣值和20至35個(gè)取樣值。從而，如果濾波器分支數(shù)L不足以大于音調(diào)周期的取樣值數(shù)，則通過(guò)等式(2)與圖3的a或b范圍相聯(lián)系的輸入信號(hào)功率將如圖4所示被顯著地改變。
如果輸入信號(hào)功率以這種方式產(chǎn)生有效變化，則通過(guò)等式(3)更新的分支系數(shù)產(chǎn)生波動(dòng)，從而達(dá)不到穩(wěn)定的回聲排除特性。
這就產(chǎn)生了一系列難題，例如，就一個(gè)排除聲音從移動(dòng)電話(huà)的揚(yáng)聲器12回繞到麥克風(fēng)13時(shí)產(chǎn)生的回聲的小型回聲排除裝置而論，其濾波器分支數(shù)是50或更少。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種回聲排除裝置，它能抑制輸入信號(hào)功率波動(dòng)以保證穩(wěn)定的回聲排除特性或回聲消除特性。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種回聲排除裝置，用來(lái)排除將聲音從聲音產(chǎn)生裝置回繞到與聲音產(chǎn)生裝置鄰近安置的聲音收集裝置時(shí)所產(chǎn)生的回聲。該回聲排除裝置包括用來(lái)輸出一個(gè)偽回聲信號(hào)，并估計(jì)一個(gè)來(lái)源于供給聲音產(chǎn)生裝置的產(chǎn)生聲音信號(hào)的回聲分量和回繞到所述收集裝置的回聲分量的濾波器裝置，用來(lái)從收集裝置供給的被收集信號(hào)中減去濾波器供給的偽回聲信號(hào)的減法裝置，以及利用所產(chǎn)生的聲音信號(hào)的平滑模型來(lái)估計(jì)和更新濾波器裝置的濾波系數(shù)的濾波系數(shù)估計(jì)裝置。
該濾波系數(shù)估計(jì)裝置利用對(duì)產(chǎn)生的聲音信號(hào)的前N個(gè)取樣值中的L個(gè)取樣值求出的平均功率，其中L是濾波器裝置的分支數(shù)，N是大于L的數(shù)。
該濾波系數(shù)估計(jì)裝置使用過(guò)去產(chǎn)生的聲音信號(hào)的指數(shù)平滑平方和作為平滑值。
通過(guò)在濾波器估計(jì)過(guò)程中采用一個(gè)平滑值，防止了濾波器系數(shù)或分支系數(shù)被抑制，從而達(dá)到了穩(wěn)定的回聲排除或回聲消除特性。
圖1是一個(gè)表示傳統(tǒng)回聲排除裝置的布置的簡(jiǎn)略方塊圖。
圖2是表示圖1所示的回聲排除裝置中采用的一個(gè)TA系數(shù)估計(jì)電路實(shí)例的方塊圖。
圖3表示一個(gè)輸入信號(hào)的音調(diào)周期和一個(gè)輸入信號(hào)功率的計(jì)算范圍之間的關(guān)系。
圖4表示在濾波器分支較少時(shí)輸入信號(hào)功率的波動(dòng)方式。
圖5是一個(gè)表示本發(fā)明的回聲排除裝置的布置的簡(jiǎn)略方塊圖。
圖6說(shuō)明了一個(gè)輸入信號(hào)功率的平滑過(guò)程。
圖7是表示圖1所示的回聲排除裝置的分支系數(shù)估計(jì)電路實(shí)例的電路方塊圖。
圖8表示回聲消除特性。
參照附圖，下面將詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。
圖5表示依據(jù)本發(fā)明的回聲排除裝置的一個(gè)實(shí)施例。
向終端11提供一個(gè)揚(yáng)聲器輸出信號(hào)x(k)，作為從通信對(duì)方向作為聲音產(chǎn)生裝置的揚(yáng)聲器12發(fā)送的產(chǎn)生聲音信號(hào)。隨著一個(gè)從濾波電路15向作為回聲排除裝置的減法器14提供的偽回聲信號(hào)，一個(gè)麥克風(fēng)輸入信號(hào)y(k)被提供，該信號(hào)被與作為聲音產(chǎn)生裝置的揚(yáng)聲器12相鄰近的收集裝置麥克風(fēng)13收集并被轉(zhuǎn)換成一個(gè)電信號(hào)。減法器14從麥克風(fēng)輸入信號(hào)y(k)中減去偽回聲信號(hào)以形成一個(gè)合成的回聲減小信號(hào)或一個(gè)殘留回聲信號(hào)e(k)，它被提供給一個(gè)輸入端16。
本發(fā)明回聲排除裝置作為一個(gè)例子被用做移動(dòng)電話(huà)的聲音產(chǎn)生通信終端。在該回聲排除裝置中，揚(yáng)聲器12和麥克風(fēng)13相互靠近被布置成一個(gè)移動(dòng)電話(huà)的手機(jī)。
濾波電路15由一個(gè)所謂的有限沖激響應(yīng)(FIR)濾波器構(gòu)成。該濾波器電路具有其濾波系數(shù)和分支系數(shù)，該分支系數(shù)由一個(gè)作為濾波器系數(shù)估計(jì)裝置的分支系數(shù)估計(jì)電路20控制。該分支系數(shù)估計(jì)電路通過(guò)一個(gè)合適的用揚(yáng)聲器輸出信號(hào)x(k)作為回聲排除裝置的一個(gè)輸入信號(hào)或用殘留回聲信號(hào)e(k)作為一個(gè)輸出信號(hào)的自適應(yīng)算法，順序更新該濾波器的分支系數(shù)。對(duì)于此自適應(yīng)算法，一個(gè)所謂的學(xué)習(xí)識(shí)別方法或一種歸一化最小均方(LMS)方法被廣泛應(yīng)用。
分支系數(shù)估計(jì)電路20由一個(gè)平滑功率值計(jì)算電路21和一個(gè)分支系數(shù)更新電路22構(gòu)成。平滑功率值計(jì)算電路21產(chǎn)生一個(gè)平滑輸入信號(hào)功率Px(k)作為發(fā)音信號(hào)的平滑模型，即一個(gè)作為回聲排除裝置輸入信號(hào)的揚(yáng)聲器輸出信號(hào)x(k)的平滑值，取代了現(xiàn)有系統(tǒng)中的L個(gè)分支的取樣平方和。來(lái)自平滑功率值計(jì)算電路21的平滑輸入信號(hào)功率Px(k)被提供給分支系數(shù)更新電路22。分支系數(shù)更新電路22根據(jù)一些相應(yīng)于揚(yáng)聲器輸出信號(hào)x(k)的分支數(shù)L的矢量X(k)＝(x(k)，x(k－1)…，x(k－L＋1))，殘留回聲信號(hào)e(k)和來(lái)自平滑功率值計(jì)算電路21的平滑輸入信號(hào)功率Px(k)來(lái)更新分支系數(shù)。
也就是說(shuō)，在學(xué)習(xí)識(shí)別方法的算法中，如果等式(3)分母中的平方和是‖X(k)‖2＝L*E[|x(k)|2]就足夠了，其中E[|x(k)|2]是|x(k)|2的期望值，等式(3)是現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)更新系數(shù)的等式H^(k-1)=H^(k)+Ie(k)X(k)||X(k)||2....(3)]]>因此，通過(guò)如此確定等式(3)的分母，一個(gè)用后面所述方法平滑的輸入信號(hào)功率代替了原有的多個(gè)揚(yáng)聲器輸出信號(hào)x(k)或L個(gè)輸入信號(hào)的平方和，消除了輸入信號(hào)級(jí)中的波動(dòng)。
圖6表示了一個(gè)平滑的輸入信號(hào)功率的實(shí)例，其中曲線a，b分別表示作為等式(3)分母的平方和的輸入信號(hào)功率和作為平滑輸入信號(hào)功率的平滑輸入信號(hào)功率Px(k)。由圖6可知，經(jīng)平滑，有波動(dòng)的曲線a的平方和沒(méi)有了波動(dòng)，如曲線b所示。
利用平滑輸入信號(hào)功率Px(k)，通過(guò)如下等式完成分支系數(shù)更新電路22對(duì)分支系數(shù)的更新H^(k+1)=H^(k)+μe(k)X(k)Px(k)....(5)]]>通過(guò)等式(5)計(jì)算的分支系數(shù)沒(méi)有波動(dòng)。
用這種方式，通過(guò)平滑輸入信號(hào)功率并采用該輸入信號(hào)功率或平滑輸入信號(hào)功率Px(k)，才可能阻止在估計(jì)分支系數(shù)時(shí)由于波動(dòng)導(dǎo)致的不良影響，達(dá)到穩(wěn)定的回聲排除特性或回聲消除特性，盡管作為輸入信號(hào)功率的平方和由于分支數(shù)較小而有所波動(dòng)，從而不能保證穩(wěn)定的回聲消除特性。此時(shí)，估計(jì)分支系數(shù)所需的處理音量依次等于現(xiàn)有技術(shù)中的學(xué)習(xí)識(shí)別方法所需的處理音量。
下面，將對(duì)圖5所示實(shí)施例的分支系數(shù)估計(jì)電路20中的平滑功率值計(jì)算電路21的最佳結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。
在平滑功率值計(jì)算電路21的一個(gè)結(jié)構(gòu)舉例中，為了排除輸入信號(hào)功率中的波動(dòng)，通過(guò)對(duì)過(guò)去輸入信號(hào)的N個(gè)平方和中的L個(gè)平方和取均值來(lái)計(jì)算作為回聲排除裝置生成聲音信號(hào)的揚(yáng)聲器輸出信號(hào)x(k)的功率，其中N＞L，取代了計(jì)算過(guò)去輸入取樣的L個(gè)平方和。
此時(shí)平滑輸入信號(hào)功率Px(k)確定于Px(k)=LNΣi=1N-1|X(k-i)|2....(6)]]>它等于對(duì)輸入信號(hào)的前N個(gè)取樣的平方和的L個(gè)取樣求均值或標(biāo)準(zhǔn)值。由等式(6)求出的平滑輸入信號(hào)功率Px(k)被代入等式(5)以從當(dāng)前的分支系數(shù)估計(jì)和更新下一個(gè)分支系數(shù)。
在平滑功率值計(jì)算電路21的第二結(jié)構(gòu)舉例中，通過(guò)指數(shù)平滑求出平滑輸入信號(hào)功率Px(k)。通過(guò)圖7說(shuō)明此實(shí)施例。
在第二實(shí)施例中，平滑輸入信號(hào)功率Px(k)由等式(7)求出Px(k)=Σi=0∞λi|X|(k-i)|2....(7)]]>其中λ是一個(gè)常數(shù)，0＜λ＜1。等式(7)計(jì)算的平滑輸入信號(hào)功率Px(k)是在一個(gè)時(shí)間常數(shù)1/(1-λ)下進(jìn)行指數(shù)平滑的前輸入信號(hào)取樣的平方和。實(shí)際上，等式(7)可用如下遞推公式表示PX(k)＝λPX(k－1)＋|X(k)|2…(8)在圖7中，向分支系數(shù)估計(jì)電路20的平滑功率值計(jì)算電路21提供揚(yáng)聲器輸出信號(hào)x(k)，作為回聲排除裝置個(gè)輸入信號(hào)。一個(gè)平方值計(jì)算電路23求出一個(gè)被送到加法器24的平方值|x(k)|2。加法器24的一個(gè)輸出通過(guò)一個(gè)一次取樣延遲元件25和一個(gè)系數(shù)乘法器26反饋到加法器24。該加法器24輸出一個(gè)平滑輸入信號(hào)功率Px(k)。即，一次取樣延遲元件25向系數(shù)乘法器26輸出一個(gè)延遲了一個(gè)取樣的平滑輸入信號(hào)功率Px(k－1)，在系數(shù)乘法器26中，它被乘以λ得到λPx(k－1)。這個(gè)λPx(k－1)值通過(guò)加法器與|x(k)|2相加，求得等式(8)的平滑輸入信號(hào)功率Px(k)。加法器24輸出的平滑輸入信號(hào)功率Px(k)被提供給分支系數(shù)更新電路22。
分支系數(shù)更新電路22利用來(lái)自平滑功率值計(jì)算電路21的平滑輸入信號(hào)功率Px(k)計(jì)算公式(5)，以更新濾波電路15的分支系數(shù)。
同時(shí)，給出等式(5)的分支系數(shù)矢量的各個(gè)分量h^i(k+1)=h^i(k)+μe(k)X(k-1)Px(k)]]>(i＝0，1，…，L－1)…(9)
圖8表示利用第二實(shí)施例的算法估計(jì)分支系數(shù)的回聲排除裝置的回聲消除特性(曲線a)和用傳統(tǒng)算法得到的回聲消除特性(曲線b)。在圖8所示實(shí)施例中，使用了一個(gè)分支數(shù)等于40的自適應(yīng)濾波器。
圖8上縱坐標(biāo)所表示的回聲消除特性ERLE決定于ERLE≡10log10input echo powerresidual echo power]]>=10log10E[||y(k)|2]E[||e(k)|2]....(10)]]>并且值越大，特性越好。等式(10)中的E[]是一個(gè)在括號(hào)[]中保存期望值的函數(shù)。
由圖7可知，該回聲排除裝置展示了比現(xiàn)有技術(shù)更穩(wěn)定，更令人滿(mǎn)意的回聲消除特性。
此外，該回聲排除裝置的分支系數(shù)估計(jì)只需要傳統(tǒng)學(xué)習(xí)識(shí)別方法所采用算法的一半處理音量。
因此，本回聲排除裝置更便于應(yīng)用到帶有數(shù)十個(gè)分支的自適應(yīng)濾波器的移動(dòng)式電話(huà)中。
本發(fā)明不應(yīng)受上述實(shí)施例的限制。例如，它可用于除移動(dòng)電話(huà)外的各種聲音產(chǎn)生通信終端。聲音產(chǎn)生裝置和收集裝置不僅限于揚(yáng)聲器或麥克風(fēng)，而且除FIR濾波器外，可以采用各種自適應(yīng)濾波器作為濾波器裝置。此外，可以采用各種自適應(yīng)算法來(lái)估計(jì)濾波器系數(shù)，而不限于學(xué)習(xí)識(shí)別方法。
權(quán)利要求
1.一種回聲排除裝置，用來(lái)排除在產(chǎn)生的聲音從聲音產(chǎn)生裝置旋轉(zhuǎn)到與聲音產(chǎn)生裝置相鄰的聲音收集裝置時(shí)所產(chǎn)生的回聲，包括濾波器裝置，用來(lái)輸出一個(gè)偽回聲信號(hào)，并估計(jì)一個(gè)供給聲音產(chǎn)生裝置的產(chǎn)生聲音信號(hào)的回聲分量，所述回聲分量回繞到所述收集裝置；減法裝置，用來(lái)從所述收集裝置供給的被收集信號(hào)中減去所述濾波器供給的偽回聲信號(hào)；以及濾波器系數(shù)估計(jì)裝置，它利用所產(chǎn)生的聲音信號(hào)的平滑模型來(lái)估計(jì)和更新所述濾波器裝置的濾波系數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的回聲排除裝置，其特征在于所述濾波系數(shù)估計(jì)裝置利用一個(gè)對(duì)產(chǎn)生的聲音信號(hào)的前N個(gè)取樣中的L個(gè)取樣求出的平均功率，其中L是所述濾波器裝置的分支數(shù)并且N是大于L的數(shù)。
3.如權(quán)利要求2所述的回聲排除裝置，其特征在于所述濾波器系數(shù)估計(jì)裝置使用一種學(xué)習(xí)識(shí)別方法估計(jì)濾波器的分支系數(shù)，并且對(duì)產(chǎn)生聲音信號(hào)的前N個(gè)平方和中的L個(gè)平方和求出的均值在通過(guò)學(xué)習(xí)識(shí)別方法估計(jì)分支系數(shù)所用的等式中被用作平方值和。
4.如權(quán)利要求1所述的回聲排除裝置，其特征在于所述濾波器系數(shù)估計(jì)裝置使用一個(gè)過(guò)去產(chǎn)生的聲音信號(hào)的指數(shù)平滑平方和作為平滑值。
5.如權(quán)利要求4所述的回聲排除裝置，其特征在于所述濾波器系數(shù)估計(jì)裝置使用一種學(xué)習(xí)識(shí)別方法估計(jì)濾波器的分支系數(shù)，當(dāng)前平滑輸入信號(hào)功率Px(k)由等式PX(k)＝λPX(k－1)＋|X(k)|2求出，x(k)是產(chǎn)生的聲音信號(hào)的當(dāng)前取樣，Px(k－1)是當(dāng)前取樣前一個(gè)取樣的平滑值且λ是一個(gè)系數(shù)，0＜λ＜1，其中平滑值Px(k)在通過(guò)學(xué)習(xí)識(shí)別方法估計(jì)分支系數(shù)所用的等式中，被用作平方值和。
全文摘要
一種回聲排除裝置。從終端送到揚(yáng)聲器的揚(yáng)聲器輸出信號(hào)X(k)被發(fā)送到分支系數(shù)估計(jì)電路的平滑功率值計(jì)算電路中，在那里求出一個(gè)作為平方和平滑輸入信號(hào)功率Px(k)并將其發(fā)送到分支系數(shù)更新電路。利用平滑輸入信號(hào)功率Px(k)，分支系數(shù)更新電路更新濾波電路的分支系數(shù)。濾波電路對(duì)揚(yáng)聲器輸出信號(hào)X(k)濾波以輸出一個(gè)被送到減法器的偽回聲信號(hào)，在減法器中，它從麥克風(fēng)收集的麥克風(fēng)輸入信號(hào)中被減去。
文檔編號(hào)H04M1/60GK1157522SQ9610606
公開(kāi)日1997年8月20日 申請(qǐng)日期1996年3月9日 優(yōu)先權(quán)日1995年3月9日
發(fā)明者井上晃 申請(qǐng)人:索尼公司