一种有效的回波抑制器的制作方法

专利名称：一种有效的回波抑制器的制作方法
技术领域：
该发明涉及一种电信设备，更确切地说，它介绍了一种有效的回波消除和抑制的方法。
背景技术：
回波消除器
回波消除器可以是一种设备，也可以是一种软件，它通过使用参考信号来消除回波信号。 参考信号又称为接收信号(Rx信号)。回波信号又称为回波返回信号，混杂在传输信号(Tx 信号)里。回波消除器有两种主要类型 一种称为声音回波消除器(AEC),另一种称为线性 回波消除器(LEC)。显然，声音回波消除器是用于消除声音回波，而线性回波消除器则是用 于消除线性回波。
线性回波产生的原因是由于混合电路与阻抗在二到四线信号变换时存在不平衡性。声音 回波出现在电信设备里，它的产生是由于声音结合的回波在提供全双工连接的同时被传输回 接收方；这个问题也出现在电话会议中一如何在搭建两个或多人通话桥梁的同时消除由其他 人传来的噪声。在语音交流过程中，有些回声是可以接受的，但是用户通常不愿意听到自己 的讲话声；即受到系统往返时间的影响而有所迟滞的回音。
回波消除器通常是一个自适应滤波器，并且结合了一个最小均方(LMS)算法，这种算法 可以产生近似于回波信号的回波复制信号。在回波返回信号和回波自制信号之间还存在一个 减法，用于消除回波返回信号。由于种种原因，复制信号不能完全复制回波返回信号，因此 在传输信号里还会存在一些残余的回波。回波信号抑制器是一种可以有效地减少或消除回波 的设备，它尤其用于减少或消除经回波消除器处理过的信号中的残余回波。由于回波消除器 本身存在的问题，各种解决方案都非常依赖添加回波信号抑制器。
回波信号抑制器
回波抑制器可以是一种设备，也可以是一种软件，它可以有效地减少(残余)回波能量 而不会使非回波语音信号明显失真。尽管回波抑制器可以独立于回波消除器工作，但它通常 还是要与回波消除器结合使用。回波抑制器不仅可以有效地抑制残余回波能量，而且还可以 借助一些有用的参数来消除背景噪声能量。回波抑制可以被认为是一种独立的功能或者仅仅 是回波消除系统的一个部分。现有的回波抑制方法大多通过以下途径而实现
频谱回声抑制是常使用的方法之一。这种方法比较简单，它通过FFT操作将时间域信
号转换为频域。在实际运用时，它需要细致地调整所有参数，从而在修正的频谱被转换回 时间域前避免可能出现的"音乐噪声"。
另一种比较常用的方法称为非线性处理器方法(NLP)，这种方法用随机噪声来替换残 余回波信号，或者在只有一个人讲话的情况下切断信号的反向传输。NLP方法简单，但需 要对双端声音(Double Talk)和残余回波进行比较精确的检测。由于难以获得一个比较精 确的双端声音检测器或比较完美的残余回波检测方式，因此这种方法在噪声环境里通常会 产生"不连续性"。

发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有的回波信号抑制方法的不足之处，提出一种既可以抑 制残余回波又可以抑制背景噪声，甚至可以适用于双端声音环境，并且在实际应用时不引入 任何"不连续性"，也不会听到明显的语音失真的效用高且易于实现的一种有效的回波抑制 器。
本发明的一种有效的回波抑制器，包含有两个自适应增益因子&体5矽和C^AS 人 一个
自适应零点滤波单元Arw和一个自适应极点滤波单元^(k;，其特征在于
增益因子G保SW由W5y 控制； 增益因子G休S形由A57 控制；
滤波单元A(^由LSF;换算而来；LSF,是基于初始设置LS/^的第一次修改； 滤波单元A(W由LS7^换算而来；LS^是基于初始设置LSFf的第二次修改。 所述W5^为残余回波电平与信号电平的比值;信号电平是指当前帧或副帧的Tx信号电平； 残余回波电平由WiW与当前接收信号(Rx)电平的乘积计算得出。 所述A5W是残余回波电平与接收信号(Rx)电平的平均比值。 所述A5ff为背景噪声电平与当前信号(Tx)电平的比值。 所述LSF是指线性谱频Uine Spectral凡equencies)。 上述的在修改前的初始设置LS7^是基于Tx信号的LPC分析得出。
所述初始设置的第一次修改和初始设置Z5"/^的第二次修改受iP5^、 A57P、 LS/^。 和LS7^的控制。
所述LSF^的估测可以借助在Tx信号的纯粹残余回波区内￡57=^和LS/^之间的关系得出; 这里LS/^是基于Rx信号的LPC分析得出。
所述背景噪声的ASF^是基于在Tx信号背景噪声区的LPC分析得出。本发明具有既可以抑制残余回波又可以抑制背景噪声，甚至可以适用于双端声音环境， 并且在实际应用时不引入任何"不连续性"等优点，从而也不会听到明显的语音失真。是一 种效用高且易于实现的有效的回波抑制器。


图1是声音回波消除器(AEC)112的一个范例的方框图； 图2是线性回波消除器(LEC)209的一个范例的方框图3是一个双端语音信号频谱包络的示意图，其中的残余回波信号混合于非回波语音信
号；
图4是参考信号Rx波形示意图5是回波抑制器前的输入(残余)信号Tx的波形示意图； 图6是回波抑制器后输出信号Tx的波形示意图。
具体实施例方式
结合附图对本发明作进一步描述如下-
下述内容对这种回波抑制器的特殊相关信息进行了说明。但内行的人会明白该发明可以 结合不同的算法应用于一些不同的场合。 一些行业内一般专业人士都了解的细节将不在此讨 论，以免模湖了本发明的重点。
本文附图及其相关说明介绍的内容仅仅是本发明的一些具体应用范例。为求简要，本发 明涉及的其他相同应用原理的范例在此不作详细的图示及说明。
图1是声音回波消除器(AEC)系统112的一个范例。回波信号111由扬声器110传来并返 回至麦克风101。送至扬声器的信号称为接收信号109或声音回波消除器103和回波抑制器 105的参考信号。进入声音回波消除器(AEC)并由麦克风(MIC) 101传出的信号称为传输信号 102 (Tx信号)，这一传输信号带有回波返回信号(源自扬声器)。声音回波消除器(AEC) 103 和回波抑制器105负责消除或抑制回波信号。声音回波消除器(AEC)借助参考信号Rx 109来 产生类似于回波返回信号的复制信号，从而对回波返回信号进行消除或抑制。残余回波信号 104将被一个后处理模块105进行进一步抑制，该模块可以是回波抑制器或非线性处理器 (NLP)。
图2是线性回波消除器(LEC)系统209的一个范例。这是一个典型的范例，其中，回波 信号211来自电话混合器210的返射:发送信号Txl 201含有回波返回信号;然后由LEC系统 209的回波消除器202和回波抑制器204对这一回波返回信号211进行消除或抑制。LEC的工 作原理与AEC相似。其中一个主要的差别在于回波路径的不同。而且其回波迟滞范围也可能 有所不同。回波消除器借助参考信号Rx208来产生类似于回波返回信号的复制信号，从而对回波返回信号进行消除或抑制。残余回波信号Tx2 203将被一个后处理模块204进行进一步 抑制，该模块可以是回波抑制器或非线性处理器(NLP)。
图3是一个双端语音范例的信号频谱包络的示意图，其中的残余回波信号混合于非回波 语音信号。302显示的是混合信号的谱包络。301是假设无回波语音信号的谱包络。大多情况 下，残余信号共振峰303要小于语音共振峰304。比起单独存在的残余信号，如果双端语音 区内的残余回波混合在语音信号里，则更难对其进行抑制；这是因为既要抑制残余回波信号 又要保证语音信号不会失真。
图4-6介绍了 3个信号范例图4是表示Rx信号(参考信号)401,图5是输入(残 余)回波抑制器(图2中的202)前的Tx信号402，图6是从(残余)回波抑制器(图2中 的204)输出的Tx信号406。如图5所示，403为双端语音区， 一个有效的(残余)回波抑 制器在运行正常的情况下既可以清除残余回波信号404，又可以清除背景噪声405。
本发明提出了一种效用高且易于实现的回波抑制方法。它由增益控制的滤波处理实现， 可以用以下滤波模型解释
尸(z) = W顺)G"雄)^^ ①
其中，6L0是一个增益，这个增益是WM(或5W)的一个函数，ASP定义为背景噪声电 平与信号电平的比值。AS^的数值可以通过测量回波抑制器前的Tx信号并结合VAD (语音活 动检测)信息获得。GO也是一个增益，这个增益是W5y 的一个函数，^KOT定义为Tx信号里 残余回波电平与信号电平的比值估计，这一估计比较复杂，本文后边会对其进行详释。Afe> 和ArW均为线性预测器，由LPC系数组成，而LPC系数则是从LSK和L5F,换算而来，其 中，Z5F指的是线性谱频aine逸ectral斤equencies) 。 LPC系数和LSF均为语音信号处理 领域内众所周知的参数，它们经常用于表示谱包络。A5^由LS7^的首次修改得出，其中，LSFft 根据Tx信号进行LPC分析计算得出；Z5F,由LSF^的第二次修改得出。LSF的修改受参数5M>、 AIW和另一组LS7^的控制，这一组LS"/^是根据对Rx信号进行LPC分析计算得出。
在方程式(1)中，增益通常不会降到O，但在纯粹的回波区要足够小，这样，纯回波就 无法被听见；增益的主要贡献在于对非双端语音区可以显著地减少回波或噪声能量。在正常 语音区或双端语音区，增益因子通常比1小，而且取决于参数ASP和W5W。由于A5ff和 的变化比较平滑而且缓慢，而且增益因子的变化也与其保持一致，这样就能避免产生"不连 续性"。
方程式(1)中的LPC滤波单元A&,和主要用于抑制双端语音区的残余回波共振 峰(如图3)或者减小低SNR语音区的噪声或频谱幅度。由于LPC滤波单元A (W和A(W的参数变化比较平滑而且缓慢，因此就避免了 "不连续性"，从而也不会听到明显的语音失真。 上述内容对本发明的基本原理进行了阐述。后文将对本发明作出详细解释。
AS (或5W)的估计，该值被定义为背景噪声电平与当前Tx信号电平的比值。这一 参数借助一个常用的方法便可确定。背景噪声指的是Tx信号中仅存在背景噪声时的近期 平均背景噪声电平。信号电平指的是Tx信号的当前帧或副帧信号电平。当只有背景噪声 存在时，A5V 值大约为1，在dB域内大约为O dB。在语音区内，AS 值要小于1。
残余回波信号检测，指在只有残余回波信号和噪声存在的情况下检测大部分残余回波 信号区。这一检测单元无须精确，因为它将仅仅用于估算回波能量相比Rx信号能量的平 均损失。在Rx信号和回波返回信号之间的迟滞被检测到后，Rx信号和残余返回信号均已 在回波消除器内被同步化。如果不存在双端语音，与原始Rx信号能量相比，在基本回波 消除器后残余回波信号的能量减小非常显著。这一信息可以用于探测大部分残余回波信 号。
^OT的估计值，该值被定义为残余回波电平与当前Tx信号电平的比值。信号电平依 然指的是Tx信号的当前帧或副帧信号电平。计算残余回波电平比较复杂。如果没有残余 回波，则残余回波电平为0。首先，仅在残余回波存在的情况情况下，残余回波的平均能 量损失(能量减小)在相应的区域内估算，它被定义为残余回波电平与对应接收信号电平
(Rx信号电平)的一个比值。能量电平可以直接表示，也可以在dB域内表示。其平均比 值(或滑动平均值)的计算表达式如下
屋-平均j残余回，电J } (2) 1 Rjc信号能电平J 、'
因此，当前残余回波能量电平可以通过下式估算
当前残余回波能ft平=(/y / )《当前Rx信号能te平) (3) 根据以上公式，即使在双端语音区，也能对当前残余回波能量电平进行估算。因此，ASP
可根据下式计算
<formula>formula see original document page 7</formula>
根据上式，RST值在纯粹的残余回波区内约为1，在双端语音区内要小于l。
增益G(NSR)人它可以是参数A57 的线性函数或非线性函数。以下为线性函数的一个范
<formula>formula see original document page 7</formula>(5) 其中，G是一个常数o<r。o
例: 增益ft0Sff人可以是参数必况的线性函数或非线性函数。以下为线性函数的一个 范例
<formula>formula see original document page 8</formula> (6)
其中，c一个常数ocrx/
Tx信号的LSF，表达为LS"&6'入 /， …，#—人它的估算是基于对Tx信 号的LPC分析。在采样率为8kHz的情况下，对于窄频带信号来说，阶数(刺的典型值大约 为10。
噪声信号的ASF，表达为LSF一6'人i嚙厶…，厶它的估算是基于Tx信 号背景噪声区中^57^,"的平均值(或滑动平均值)。
Rx信号的LSK表达为LS/^C /， …，#一7;它的估算是基于对Rx信 号的LPC分析。
(残余)回波信号LSF，表达为L57^。6V， 厶 、 #一7;当残余回波信号 混杂在语音信号内时，L5F^W在双端语音区内的估算更为困难。例如，LS"/^。W可 以通过借助LS^O;进行推算得出。首先，估算推算因子/Y/入它是在纯粹残余回波区内 L5"/^^ 和L57^6V之间的近期平均比值(或滑动平均比)
尸(/)=平均
瑪①、
<formula>formula see original document page 8</formula> (7)
然后，根据下式估算残余回波的当前LS7^。0)值
<formula>formula see original document page 8</formula> (8)
其中，LS7^(i 是Rx信号的当前线性谱频。
LPC预测因子A W和A W分别由6V和O;换算而来，这里/-ft厶…， #一厶LSF"^和LSFZ"的估算都是基于"&6V的修改。修改主要受Z5/^6'入 Z5F^6'入A5V ，以及W幼的影响。举例来说，Z:5F,6V和L5^(X)的构成可用如下所示方 式
丄S柳=v，"') +夂谬』+ "掘』，
<formula>formula see original document page 8</formula> (9) <formula>formula see original document page 8</formula> (10)
其中
<formula>formula see original document page 8</formula>， (11)<formula>formula see original document page 9</formula>
(12) C。和C,均为常数它们的值均大于0但远远小于1。、和乂,根据以下方式确定-A=l—/ —a ， (13)
EC滤波发散保护指的是避免在回波消除器和回波抑制器后的Tx信号电平大于回波消 除器之前的电平(注名为Txl信号)。可以通过对等式(1)中的两个增益因子6L和&进 行简单的调整方式来确保回波抑制器的输出能量小于或等于Txl信号的能量。 本发明在不偏离本质的前提下，可以延伸到其他一些特定形式并加以应用。本文中的具 体实例仅作为本发明的示范，且本发明不局限于这些范例。以上内容只是对本发明的一些说 明，而下文权利要求则是本发明的根本内容。下述各项权利要求包含与其等效范围内的各种 解释和变更。
权利要求
1.一种有效的回波抑制器，包含有两个自适应增益因子Gr(RSR)和Gn(NSR)，一个自适应零点滤波单元A1(z)和一个自适应极点滤波单元A2(z)，其特征在于增益因子Gr(RSR)由RSR控制；增益因子Gn(NSR)由NSR控制；滤波单元A1(z)由LSF1换算而来；LSF1是基于初始设置LSFTx的第一次修改；滤波单元A2(z)由LSF2换算而来；LSF2是基于初始设置LSFTx的第二次修改。
2. 如权利要求1所述的一种有效的回波抑制器，其特征在于所述) 5y 为残余回波电平与 信号电平的比值；信号电平是指当前帧或副帧的Tx信号电平；残余回波电平由Affi 与当前接 收信号(Rx)电平的乘积计算得出。
3. 如权利要求2所述的一种有效的回波抑制器，其特征在于所述A!W 是残余回波电平与 接收信号(Rx)电平的平均比值。
4. 如权利要求1所述的一种有效的回波抑制器，其特征在于所述A(^为背景噪声电平与 当前信号(Tx)电平的比值。
5. 如权利要求1所述的一种有效的回波抑制器，其特征在于所述ASF是指线性谱频Uine 逸ectral /frequencies)。
6. 如权利要求1所述的一种有效的回波抑制器，其特征在于修改前的初始设置LS7^是 基于Tx信号的LPC分析得出。
7. 如权利要求1所述的一种有效的回波抑制器，其特征在于所述初始设置Z5F;v的第一 次修改和初始设置LS"/^的第二次修改受jKSy 、 A5y 、 "/^。和Z57L的控制。
8. 如权利要求7所述的一种有效的回波抑制器，其特征在于所述LS/^。的估测可以借助 在Tx信号的纯粹残余回波区内Z5F叙和Z5^之间的关系得出这里LS/^是基于Rx信号的 LPC分析得出。
9. 权利要求7所述的一种有效的回波抑制器，其特征在于所述背景噪声的LSF^是基 于在Tx信号背景噪声区的LPC分析得出。
全文摘要
本发明的一种有效的回波抑制器，包括两个自适应增益单元G_r(RSR)和G_n(NSR)，一个自适应零点滤波单元A₁(z)和一个自适应极点滤波单元A₂(z)；其中，增益单元G_r(RSR)由RSR(残余回波电平与信号电平之比)控制；增益单元G_n(NSR)由NSR(噪声信号电平与当前信号(Tx)电平之比)控制；滤波单元A₁(z)由LSF₁换算而来，LSF₁是基于对LSF_Tx(Tx信号的线性谱频)的首次修改；滤波单元A₂(z)由LSF₂换算而来，LSF₂是基于对LSF_Tx的另次修改。这种抑制器既可以抑制回波又可以抑制背景噪声，而且在实际应用时不产生任何“不连续性”，从而也不会听到明显的语音失真，是一种效用高且易于实现的有效的回波抑制器。
文档编号H04B3/23GK101286763SQ20071019427
公开日2008年10月15日 申请日期2007年12月12日 优先权日2006年12月26日
发明者扬 高 申请人:扬 高