稀疏回声对消器的制作方法

专利名称：稀疏回声对消器的制作方法
技术领域：
本发明涉及回声对消器领域，尤其涉及具有减少数量的非零滤波器抽头权重的离散时间自适应滤波器的回声对消器。
背景技术：
已知令人烦恼的回声会在长距离操作或者在诸如数字蜂窝系统的系统中使用长处理延迟的诸如电话系统的通信系统内出现。由于混合电路内本地环线和平衡网络之间的阻抗不匹配，这些回声是在4至2线/2至4线混合电路中的电气泄漏的结果。为了减少回声，通信系统通常包括一个或多个回声对消器。
图1是连接至少两个订户12和14的通信系统10的示意性框图。第一订户12通常经由双线16和混合电路18连接至通信系统10。混合电路18将双线线路16连接至四线线路20和22。第一四线线路20经由第二混合电路24和双线线路26提供信号给第二订户。类似地，来自第二订户14的信号经过双线线路26、第二混合电路24以及四线线路20和22被路由至第一订户12、在一个应用中，混合电路可能位于电话公司的电话交换中心内。为了减少由混合电路阻抗不匹配所耦合的回声信号，回声对消器30和32可被包括用以衰减非期望的回声。
回声对消器通常包括生成回声估计并且从返回信号中减去该估计的自适应滤波器。类似于任何自适应离散时间滤波器，该滤波器的抽头加权是基于回声信号的估计和返回信号之间的差异来调整的。该自适应滤波器使用自适应控制例程来调整所述抽头加权以使得所述差异信号的值趋于零或者最小值。
现有回声对消器技术所存在的问题是按工业标准ITU G.168它们要求处理回声尾长达128毫秒。为了达到这一要求所述自适应滤波器必须要有1024个抽头。提供滤波器如此大量的抽头当然会导致与回声对消器相关联的相对较重的计算负担。在数字信号处理器(DSP)的实施例中，这一回声对消器将会占用该DSP可用处理能力(MIPS)的相对较大的百分比。例如，对大量抽头加权使用LMS算法要求很高的处理能力(例如24MIP)。类似地，如果在应用专用集成电路(ASIC)中实现该1024抽头自适应滤波器，就会需要大量的门。
因此就需要一种使用有效计算滤波器用于计算所述估计回声信号的回声对消器。

发明内容
根据本发明的一个方面简要地来说，回声对消器包括响应于(i)采样输入数据序列x[k]以及(ii)指示信号序列y[k]和估计回声序列 之间差异的误差信号序列e[k]生成估计的回声信号 的自适应数字滤波器。所述自适应滤波器包括各自提供相关抽头输出信号的N个滤波器抽头，其中所述自适应数字滤波器响应于时间延迟估计信号使用从N个滤波器抽头中选出的M个抽头的相关联的抽头输出信号生成估计回声序列 所述自适应滤波器使用来自N个滤波器抽头的M数目的相关联的抽头输出信号，为N个滤波器抽头的M数目的每一个计算滤波器系数。所述回声对消器还包括响应于采样输入数据序列x[k]和信号序列y[k]、在序列x[k]内估计延迟并提供指示了序列x[k]内延迟位置的时间延迟估计的时间延迟估计器。加法器计算信号序列y[k]和估计回声序列 之间的差异并提供在其中指示的输出信号。
本发明的回声对消器可被看做是稀疏回声对消器，因为该回声对消器的自适应滤波器选择性地使用可用滤波器抽头的子集(例如N个中的M个)来计算估计回声信号。滤波器抽头的选择是基于与回声相关联的时间延迟估计数据。例如，具有N个抽头的自适应滤波器可以处理来自N个滤波器抽头中的M个抽头的信号，其中这M个抽头的选择是基于所述时间延迟估计器的时间延迟估计。选出的M个抽头代表了包括有相对较大回声信号值的估计时间位置。
有利地是，本发明的装置和方法能够显著减少由自适应滤波器执行的处理量，因为时间延迟估计器提供与回声相关联的最似M个抽头的估计，并且自适应滤波器随后仅使用该M个抽头用来计算滤波器输出。例如在一个实施例中，1024个抽头的自适应滤波器(即N＝1024)可以仅仅使用32个抽头(即M＝32)来计算滤波器输出。
在依据了随后对附图中示出的较佳实施例的详细描述后，本发明的这些和其他目的、特性和方法将变得显而易见。


图1是包括了回声对消器的通信系统的示意性框图；图2是回声对消器的示意性框图；图3是在图2中回声对消器内使用的自适应滤波器的示意性框图；图4是延迟和滤波器抽头的第一逻辑块的示意性框图；图5是时间延迟估计器的示意性框图；以及图6是信号y[k]的简化图示。
具体实施例方式
图2是回声对消器31的示意性框图。回声对消器31在线路40上接收近端输入信号序列n[k]，并且由于混合电路非期望的阻抗不匹配，线路42上的回声信号序列z[k]被耦合至近端输入信号序列n[k]用于在线路44上提供返回信号序列y[k]。线路42上的回声信号序列z[k]等于线路45上远端信号序列x[k]和混合电路脉冲响应h46的乘积(即z[k]＝hT[k]x[k])。值得注意的是回声对消器31包括在线路49上提供经估计的回声信号序列 的自适应滤波器48。指出了信号序列y[k]和估计的回声信号序列 之间差异的差异信号e[k]被计算并在线路50上提供。
理想地，如果选择自适应滤波器48的系数使得自适应滤波器的脉冲响应 等于混合电路的脉冲响应h46，随后当近端输入信号序列n[k]不再时，线路50上差异信号e[k]的值将为零。因此，自适应滤波器48适应其抽头加权使得线路50上差异信号e[k]的值趋于最小/最优值(例如优选为零)。
图3是在图2中回声对消器内使用的自适应滤波器的示意性框图。自适应滤波器48包括在线路50上接收差异信号e[k]并且为该自适应滤波器的N个数目的每一个(即1024个)计算系数值 的自适应控制例程56。示出的所述时间延迟网络和自适应滤波器48的抽头加权乘法器被分区成多个逻辑块302至305。例如，M个逻辑块的每一个都包括例如8个滤波器抽头。图4是延迟和滤波器抽头的第一逻辑块的示意性框图，它接收线路45上的远端信号序列x[k]。线路45上的信号被输入并且与第一系数值 404相乘，而所得的乘积则是线路406上的输出。线路45上的远端信号序列x[k]和其过去的值被输入到自适应控制例程56(图3)。类似地，线路408上的远端信号序列的延迟版本x[k-1]与第二系数值 410相乘并且所得的乘积则是线路412上的输出。在所述第一延迟网络302内的与其余抽头相关联的其余乘积是线路414到419上的输出，它们各自与系数值 到 (421至426)相关联。
再次参见图3，类似于第一逻辑块302(图4)配置和安排延迟和滤波器抽头的后续逻辑块304至306。线路406、412和414至419上的输出信号由加法器308相加，加法器308在线路310上提供指示其中的第一总计信号。加法器312接收并相加来自第二逻辑块304的乘积输出314并且在线路316上提供第二总计信号。类似地，加法器320接收并相加来自第三逻辑块305的乘积输出322并且在线路324上提供第二总计信号。加法器326接收并相加乘积输出328并且在线路330上提供第二总计信号。每个逻辑块都提供总计信号给选择器/多路复用器332。对于具有1024个抽头的滤波器实施例，并且每个逻辑块都被分区为包括8个抽头，随后选择器/多路复用器332接收到128个总计信号。
选择器/多路复用器332也接收到线路340上的控制信号。该控制信号识别输入选择逻辑/多路复用器332的(例如128个)总计信号中的哪个信号应该是送至加法器342的输出。之后讨论的选择准则将涉及时间延迟估计器以及自适应控制例程。加法器342将其输入信号相加并且在线路49上提供指示估计的回声信号 的总计信号。在现有技术的实施例中，为了在128毫秒尾长内恰当衰减回声分量，自适应滤波器要求1024个抽头，这就要求1024次乘法和1024个信号值相加以提供所述估计回声信号。而本发明的稀疏回声对消器使用的自适应滤波器的抽头数大为减少。更具体地，时间延迟估计器确定信号x[k]内主导回声信号分量的位置，并在随后仅仅使用与所述回声分量位置相关联的非零抽头加权用以计算滤波器输出信号。结果并不是执行1024次乘法并相加1024个信号值(即1023次加法)，而是本发明的技术显著降低了用于每个样本k的计算量。我们现在将讨论用于在线路340上生成控制信号的计算方法。
再次参考图2，时间延迟估计器47接收在线路44上的信号y[k]以及在线路45上的远端信号x[k]。图5是时间延迟估计器47的一个实施例的示意性框图。时间延迟估计器47处理数据块以确定信号样本块的频谱中所述用于信号y[k]的回声信号分量的位置。例如，图6是在线路44上的信号y[k](图2)的简化图示。时间延迟估计器47处理信号y[k]以及远端信号x[k]为了估计所述信号序列中回声分量的位置并且提供信号y[k]内回声位置的指示(即一个估计)。
再次参考图5，各自在线路44和45上的信号y[k]和远端发送信号x[k]被分别输入抽取器502和504。所述抽取可能是用于实例2。本领域普通技术人员将认识到当然抽取器不是必须的，但是对信号的抽取会简化在时间延迟估计器47内的后续计算。在此实施例中，信号y[k]和远端发送信号x[k]包括1024个样本，并且如果抽取因数是2，那么在线路506和508上的抽取信号将包括512个样本。在线路506和508上的抽取信号被输入到将在线路512上提供输出信号序列的互相关器510。
在线路512上的输出信号包括指示了离散信号x[k]和y[k]之间时间延迟的信号值(例如线路512上信号的峰值)。因为话音信号是非平稳的，所以现有技术中仅使用互相关来确定时间延迟是相当困难的。时间延迟估计器47提供了确定非平稳离散信号的时间延迟的功能。
可以通过基于逐个样本来完成互相关。由基于逐个样本执行的相关计算可表达为Rr[n]=Σi=1nλn-ix[i]y[i-τ]]]>方程1其中n是样本指标值，λ是遗忘因数值，而τ是滞后指标值。所述样本指标与向下变频信号内的数据值的数目相关联。在此情况下，样本指标值n为512是因为在此实施例中线路506和508上的每个向下变频信号都具有512个数据值。
也可通过基于逐个块来完成互相关，其中每个块都包括超过特定时间量的信号值。由基于逐个块来执行的互相关器510的计算可表达为Rr[k]=Σj=1kλk-jΣi=(k-1)B+1kBx[i]y[i-τ]]]>方程2其中k是块指标值，B是块长度值，λ是遗忘因数值，而τ是滞后指标值。在一个实施例中，所述块长度可以是5ms。这种互相关给出了分析两信号x[k]和y[k]的空间维度。因为互相关器510也可优选地执行对其输入值的平均，所以就可示出如下的递归关系等效于方程2Rr[k]=λRr[k-1]+Σi=(k-1)B=1kBx[i]y[i-τ]]]>方程3用于执行基于逐个块的互相关。
互相关提供的输出平均值可以是正的也可以是负的。而且该互相关输出还可包括浸入信号x[k]和y[k]的时间延迟效应。该互相关的输出不提供时间延迟效应的精确描述是因为所述相关信号是展现出非平稳属性的话音信号。结果是为了计算所述时间延迟估计就需要进一步的分析。
互相关器510的输出信号是也可对数据块操作的滞后平滑滤波器514的输入。滞后平滑滤波器514对所述互相关器的输出信号执行平滑操作。例如，滞后平滑滤波器514可使用滑动窗对所述互相关器输出计算平均值。该滑动窗跨过所述的互相关器输出信号序列。该滤波方法产生了一组与相关于所述互相关器输出的数据值数目相比较小的输出数据值。在一个实施例中，滞后平滑滤波器514接收作为输入的512个数据值并且输出32个数据值。原因是本实施例中的滞后平滑滤波器514包括大小约为24数据值的滑动窗用以创建每个滞后平滑滤波器的输出信号序列。所述滑动窗还可使用对先前滞后平滑滤波输出的滞后与输入数据值交叠用以生成下一个滞后平滑滤波输出。滞后平滑滤波器514计算所述互相关器510输出的平均功率。这样，滞后平滑滤波器514的输出值就是正值。
滞后平滑滤波器514计算互相关输出的功率平均值并且利用滑动窗。在一个实施例中，滑动窗的大小为24个数据样本，当然也可选择不同的窗口大小S。互相关器510大约输出512个数据样本，所以对于大小为24的滞后平滑滤波器514来说就提供32个输出。
滞后平滑滤波器514也如下计算输出值R~r[k]=Σi=(r-1)L-PrL+PRi2[k]]]>方程4其中L是滑动窗大小，P是窗口交叠的大小，而r指示出了由所述滞后平滑滤波器产生的组的数目。在一个实施例中，r值覆盖的范围是1到32，其中每个值都与滞后平滑滤波器输出中的一个唯一地相关联。而且L值为16并且P值为4，这样滑动窗的大小就为24，并在滑动窗30的任一侧都有4个数据项的交叠。因为方程4中的表达式执行了对互相关输出的平方平均，所以滞后平滑滤波器514的输出为止。
来自滞后平滑滤波器514的输出被输入执行时间平均的时间平滑滤波器/滤波器516。例如某个块上的每个输入信号都可被输入到一个相关联的单极点低通滤波器(即一个IIR滤波器)。这些滤波器简化可所述滞后平滑滤波器输出的变化。时间平滑滤波器516是所述时间延迟估计器的一个可选(但可能是优选)的元件是因为它进一步地减少了方差，从而提供了所述时间延迟的更佳估计。
时间平滑滤波器包括接收来自滞后平滑滤波器的一个相关信号的多个滤波器。该时间平滑滤波操作可表达为Sr[k]=(1-α)Sr[k-1]+αR~r[k]]]>方程5其中α是多个滤波器中每个滤波器的有效存储器长度， 是与滞后平滑滤波器204相关联的集，而r对应于来自时间平滑滤波器输出的指标。在一个实施例中，r值的范围是1到32。所述时间平滑滤波器也通过计算其被平滑的输出来保持状态信息。
选择逻辑580在线路582上提供的输出数据是对信号y[k]序列中所述回声所处位置的估计。如果选择逻辑模块的输入来自时间平滑滤波器516，那么时间平滑滤波器516可以执行帮助选择逻辑580选择相关峰值的其他功能。例如如果离散信号x[k]和y[k]包括较低的信号值或者单独的信号噪声，那么这些信号通过互相关器510、滞后平滑滤波器514和时间平滑滤波器516产生的输出将会是零值或者可忽略的。因而，选择逻辑模块516有必要不用将具有零值或可忽略值的新峰值来替换其先前的峰值。在此情况下，所述时间平滑滤波器通知选择逻辑模块580保持其前一状态信息。另一情况是当送至时间平滑滤波器的输出具有相对类似的相同值时，因为时间平滑滤波器516的输出之间的扩展过小就使得这些输出产生可靠时间延迟估计的置信度较低。在此实例中，时间平滑滤波器通知选择逻辑模块580通过从其输出选择峰值而不改变状态。这就降低了选择逻辑模块580不可靠输出的似然性。
时间平滑滤波器516也可通过测量送至互相关器510的输入强度是否达到在选择逻辑模块580处选择峰值所足够的强度水平，确定送至时间平滑滤波器的输入对于选择逻辑模块580来说是否足够可靠。所述时间平滑滤波器确定在线路506和508上的信号强度，并且提供指示出所述强度水平是否达到适于继续对输入进行处理的水平的指示。线路520上的布尔信号值“0”表示送入时间平滑滤波器的输入产生可靠时间延迟估计的置信度较低。类似地，布尔信号值“1”表示送入时间平滑滤波器的输入将产生可靠时间延迟估计的置信度较高(即不低)。
滞后平滑滤波器514和时间平滑滤波器516的输出都帮助确定诸如话音信号的非平稳信号的时间延迟估计。滞后平滑滤波器和时间平滑滤波器的输出提供用于确定所述非平稳信号时间延迟估计的峰值。两个输出间的主要差别在于时间平滑滤波器的目的在于减少滞后平滑滤波器输出的方差以提供更为可靠的输出来确定所述时间延迟估计。
选择逻辑模块580能够接收来自时间平滑滤波器或者滞后平滑滤波器的输出。为了确定时间延迟估计，送入选择逻辑模块580的峰值输入是所述时间延迟估计的指示。选择逻辑模块580从其输入中选择一组可选的高/峰值。例如，选择逻辑模块可以选择四个信号值。可以存储这些峰值直到有一组带有峰值的新的数据值与那些存储值不同。
选择逻辑模块580在线路582上提供的输出是对于序列中回声位置的估计。例如在一个实施例中，所述选择逻辑可以提供数据以指示信号序列中回声所处的四个位置。每个位置都与图3中示出的延迟和抽头逻辑块的M个数目中的一个唯一地相关联。例如如果配置选择逻辑模块580用以提供指示回声四个估计的位置的输出信号，那么随后选择器/多路复用器332(图3)就选择与四个估计位置相关联的四个输入信号。也就是说如果由时间延迟估计器提供的四个估计位置指示了与逻辑块#1、#2、#3和#128相关联的序列位置，那么随后选择器/多路复用器332(图3)就选择在线路310、316、324和330上的信号(图3)。结果是在线路49上的估计回声信号 的输入来自被选的一定数目的逻辑块，而非来自全部逻辑块。
显著地，具有N个抽头的自适应滤波器处理来自N个滤波器抽头中M个抽头的信号。可以基于来自时间延迟估计器的时间延迟估计数据选择所述M个抽头。、被选的M个抽头表示了包括回声信号值的估计的时间位置。有利的是本发明的技术能够显著减少由自适应滤波器执行的处理量是因为所述时间延迟估计器提供了与回声相关联的最相似的M个抽头的估计，并且所述自适应滤波器随后仅仅使用该M个抽头来计算滤波器的输出。例如在一个实施例中，1024个抽头的自适应滤波器(即N＝1024)可以仅使用32个抽头(即M＝32)来计算所述滤波器输出。
本领域普通技术人员应该认识到选择器/多路复用器332(图3)可以被放置在多个不同的位置上。例如可以考虑将所述选择器/多路复用器332分区并放置在所述加法器308、312和320的上游等等。
虽然本发明是参考了若干较佳实施例示出和描述的，但是由其做出的对所述细节的各种改变、省略和附加都不背离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种回声对消器，包括响应于(i)采样输入数据序列x[k]以及(ii)指示信号序列y[k]和估计的回声序列 之间差异的误差信号序列e[k]而生成估计的回声信号 的自适应数字滤波器，所述自适应滤波器包括各自提供相关抽头输出信号的N个滤波器抽头，其中所述自适应数字滤波器响应于时间延迟估计信号使用从N个滤波器抽头中选出的M个抽头的所述相关联的抽头的输出信号生成所述估计的回声信号 并且所述自适应滤波器使用来自所述N个滤波器的所述M个的所述相关联的抽头输出信号，为所述N个滤波器抽头的所述M个中的每一个计算滤波器系数；响应于所述序列x[k]和所述序列y[k]的时间延迟估计器，它估计所述序列x[k]内的至少一个延迟并且提供指示出所述序列x[k]内的所述至少一个所述延迟位置的时间延迟估计；以及加法器，它计算所述信号序列y[k]和所述估计的回声信号 之间的差异并提供指示该差异的输出信号。
2.如权利要求1所述的回声对消器，其特征在于，所述自适应滤波器以一个可编程处理器件实现。
3.如权利要求1所述的回声对消器，其特征在于，所述自适应滤波器以一个专用集成电路实现。
4.一种稀疏回声对消器，包括响应于(i)采样输入数据序列x[k]以及(ii)指示信号序列y[k]和估计的回声信号 之间差异的误差信号序列e[k]而生成估计的回声信号 的自适应数字滤波器，所述自适应滤波器包括各自提供一个相关联的抽头输出信号的N个滤波器抽头，其中所述自适应数字滤波器响应于时间延迟估计信号使用从所选的N个滤波器抽头中选出的一定数目抽头的所述相关抽头输出信号生成所述估计的回声信号 响应于所述采样输入数据序列x[k]和所述信号序列y[k]的装置，它用于估计所述序列x[k]内多个回声的时间位置，并且用于提供指示出所述序列x[k]内所述回声的时间位置的所述时间延迟估计；以及加法器，它计算所述信号序列y[k]和所述估计回声信号 之间的差异并提供指示该差异的输出信号。
5.如权利要求4所述的稀疏回声对消器，其特征在于，所述N个滤波器抽头被配置并安排成M个组，每个组可由时间延迟估计信号选择。
6.如权利要求5所述的稀疏回声对消器，其特征在于，所述自适应滤波器包括使用随机梯度下降估计器为每个所述滤波器抽头计算系数值的自适应控制例程。
7.如权利要求6所述的稀疏回声对消器，其特征在于，所述随机梯度下降估计器包括最小均方估计器。
8.如权利要求1所述的回声对消器，其特征在于，所述自适应滤波器以一现场可编程门阵列实现。
全文摘要
一种回声对消器，包括响应于(i)采样输入数据序列x[k]以及(ii)指示远端信号序列y[k]和估计的回声序列[k]之间差异的误差信号序列e[k]而生成估计的回声信号[k]的自适应数字滤波器。所述自适应滤波器包括各自提供相关抽头输出信号的N个滤波器抽头，其中所述自适应数字滤波器响应于时间延迟估计信号使用从N个滤波器抽头中选出的M个抽头的所述相关抽头的输出信号生成所述估计的回声[k]。所述自适应滤波器使用来自所述N个滤波器的所述M的所述相关抽头输出信号，为所述N个滤波器抽头的所述M个的每一个计算滤波器系数。所述回声对消器还包括响应于所述采样输入数据序列x[k]和所述信号序列y[k]、在所述序列x[k]内估计多个延迟并且提供指示出所述序列x[k]内多个所述延迟位置的时间延迟估计的时间延迟估计器。加法器计算信号序列y[k]和估计的回声序列[k]之间的差异并提供在其中指示的输出信号。本发明的回声对消器可被看做是稀疏回声对消器，因为所述自适应滤波器选择性地使用可用滤波器抽头的子集来计算估计回声信号。滤波器抽头的选择是基于与回声相关联的时间延迟估计数据。例如，具有N个抽头的自适应滤波器可以处理来自N个滤波器抽头中的M个抽头的信号，其中这M个抽头的选择是基于所述时间延迟估计器的时间延迟估计。
文档编号G06F17/10GK1813418SQ200480018318
公开日2006年8月2日 申请日期2004年5月20日 优先权日2003年5月23日
发明者F·里斯, J·卡布洛特斯基 申请人:模拟设备股份有限公司