单换能器全双工通话电路的制作方法

专利名称：单换能器全双工通话电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及单换能器(single-transducer)全双工通话电路。
背景技术：
最近一些年，全双工通话设备——诸如无线免提耳麦一一的微小型化已经取得了 进展，而，由于耳麦中使用的扬声器和麦克风之间的物理距离的减小，更趋于可能发生诸如 反馈或回声之类的影响。除此之外，因为将耳机贴近耳朵放置是必要的，所以，由于麦克风 和发声的嘴之间的距离的增大，有必要提高麦克风的灵敏度。这导致了由于外部噪声或大 风引起的风噪的影响而非常难以听见的状况。为了解决这些问题，诸如包含了回声阻止电 路或噪声降低电路的超小型免提耳麦之类的装置已经被开发出来。然而，在具有独立耳机和麦克风的全双工通话装置中，尤其是，由于产生发送信号 (transmission signal)的麦克风被放置在具有不断变化的环境声学特性的露天场所，所 以防碍通信的因素可以被预测以及在实用水平上降低的程度是有限的。即使使用了对于回 声阻止或噪声降低电路必要的电路和算法，实际使用的范围也受限于真实的外部噪声或由 大风引起的风噪的影响。因此，已经开发出通过将麦克风集成进耳机来消除外部噪声影响的单换能器型通 话装置。例如，全双工通话电路包括数字信号处理电路，其与包含单换能器的模拟桥接电路 结合，以实现这样的回声消除功能在几乎所有语音频带上除去与该单换能器的发送信号 混合的接收信号。然而，各种特性——包括发送信号强度——一般会随时间而变化，而且被输入进 该单换能器的发送信号是已经经过了人体各器官——包括耳膜——的声音信号。因此，有 必要对频率特性由于人体的声学传递特性而显著减损这一事实进行补偿。在周围声音环境以此方式变化的实际情况中，在常规的全双工通话电路中，不仅 回声消除功能不能适宜地(adequately)运行，而且发送信号有时也难以被听见。


图1是示出本发明的单换能器全双工通话电路的一个实施方案的框图。图2是示出本发明的单换能器全双工通话电路的一个实施方案中的信号处理的进行的图。图3是示出本发明的单换能器全双工通话电路的一个实施方案中的信号处理的 效果的图。本申请提供了一种单换能器全双工通话电路，其使用具有接收和发送功能的单换 能器将模拟桥接电路和数字信号处理电路相结合。该换能器在一定程度上与外部环境隔 离，因此能够阻挡会妨碍通话的外部噪声和风噪。如上所述，有可能充分补偿该发送信号的 频率特性的恶化，其中，即使在包括发送信号强度在内的各种特性随时间而变化的情况下， 以及在被输入进单换能器的发送信号的频率特性由于人体的声音传递特性而显著减损的 情况下，回声消除功能仍能够适宜地运行。
具体实施例方式一种单换能器全双工通话电路，其具有接收和发送功能，连同模拟信号处理 电路、数字信号处理电路、系数更新算法、系统识别和学习修正强度补偿算法(system identification and learningcorrection intensity compensation algorithm) > 误 差修正检测禾口同时通话检测算法(erroneous correction detection andsimultaneous talking detection algorithm)，以及使得该全双工通话电路能够运转的识别和学习算 法。该模拟信号处理电路包括含有τ 的桥接电路，并且该数字信号处理电路用传递函 数(transfer function)识别滤波器——其对包括该模拟信号处理电路的传递特性在内的 传递特性进行模拟——来消除回声(通过4进入发送信号的接收信号泄漏)。该数字信号 处理电路还包括一系列算法(系数更新算法、系统识别修正强度计算算法、误差计算检测 和同时通话检测算法，以及传递函数识别滤波器学习算法)，其通过重复的收敛来确定传递 函数识别滤波器系数。标记的解释
ADI(模拟)差分输入放大器
Ad〇(模拟)差分输出放大器
ACD模拟/数字转换器
ADD法器
ALDBL误差修正检测和同时通话检测算法
ALLN传递函数识别滤波器学习算法
ALmu系统识别修正强度计算算法
ALupd系数更新算法
DAC数字/模拟转换器
Din输入终端
DLl、DL2和DL3 第一、第二和第三信号延迟器和功率计
DL4第四信号延迟器
Dout输出终端
err误差信号
FILeq均衡滤波器
FILid传递函数识别滤波器Ha[k] 第一滤波器系数存储器(和第一滤波器系数)Heq [k] 第二滤波器系数存储器(和第二滤波器系数)HPFl和HPF2 第一和第二高通滤波器Iln学习激活输入终端mu修正系数MUL1、MUL2、MUL3 和 MUL4 第一到第四乘法器PW1、PW2和PW3第一到第三移动平均功率值R1、R2和R3第一到第三电阻器(和其电阻)Rexv 接收量系数寄存器(和接收量系数)Rsgv 信号量系数寄存器(和信号量系数)Rtxv发送量系数SG信号发生器SUB减法器Xa[k] 延迟信号存储器(和延迟信号)Zt单换能器该单换能器全双工通话电路包括用于连接到外部数字电路的连接终端、数字信 号处理电路、数字/模拟转换器DAC、模拟/数字转换器ADC，以及模拟信号处理电路。该用 于外部数字电路的连接终端包括输入终端Din，数字接收输入信号从该输入终端输入；输 出终端D·，数字发送输出信号从该输出终端输出；以及学习激活输入终端Ιω。进一步，该模拟信号处理电路包括模拟差分输出放大器Αμ，其放大来自该数字/ 模拟转换器DAC的输出；桥接电路，其由第一、第二和第三电阻器R1、R2和R3组成；以及单 换能器，其被该模拟差分输出放大器AmW输出所驱动。模拟差分输入放大器Adi放大该桥 接电路的均衡信号输出，其中该模拟差分输入放大器Adi的模拟输出信号被供应至该模拟/ 数字转换器(ADC)。除此之外，该数字信号处理电路设有信号发生器(SG)；第二乘法器(MUU)，其将 来自该信号发生器SG的输入与信号量系数寄存器I SCT相乘。第一高通滤波器(HPFl)通 过该输入终端Din接收该数字接收输入信号。第一乘法器(MULl)将该高通滤波器HPFl的 输出与接收量系数Rkxv相乘。该加法器ADD将该第一乘法器MULl的输出与该第二乘法器 MUL2的输出相加。加法器ADD的输出被供应至该数字/模拟转换器DAC，该DAC将它转换 成模拟信号。第一延迟器和功率计算器DLl对该加法器ADD的输出信号进行延迟，并计算 移动平均功率。第二信号延迟器和功率计算器DL2对第一信号延迟器和功率计算器DLl的 输出进行延迟，并计算移动平均功率。延迟信号(delayedsignal)存储器)(A[k]依序地存储 该第二信号延迟器和功率计算器DL2的输出。传递函数识别滤波器FILid接收该延迟信号 存储器)(A[k]的输出，并且第一滤波器系数存储器Ha[k]存储该传递函数识别滤波器FILid 的滤波器系数Ha[k]。第二高通滤波器HPF2接收该模拟/数字转换器ADC的输出，并且第 四信号延迟器DL4接收该第二高通滤波器HPF2的输出。减法器(SUB)从该第四信号延迟 器DL4的输出中减去该传递函数识别滤波器FILid的输出，并且第四乘法器MUL4将该减法 器SUB的输出与发送量系数I^txv相乘。第三信号延迟器和功率计算器DL3对该第四乘法器MUL4的输出进行延迟，并计算移动平均功率。均衡滤波器FILeq接收该第三信号延迟器和功 率计算器DL3的输出，并且第二滤波器系数存储器Heq [k]存储该均衡滤波器FILeqW滤波器 系数HEQ[k]。发送输出终端Dot被从该均衡滤波器FILeq输出的数字发送输出信号所驱动。对应于该传递函数识别滤波器FILid的第一滤波器系数(下文也称作HJk])被存 储在该第一滤波器系数存储器HA[k]中，并对从该数字/模拟转换器DAC的输入端经由该 模拟信号处理电路到该第二高通滤波器HPF2的输出端的传递函数进行识别。在该模拟信号处理电路中，使用该接收信号的信号带(signalband)中的平均阻 抗的绝对值(该模拟差分输出放大器Am的差分输出信号)—其当该换能器τ 处于运行 中时驱动该换能器Zt—将该桥接电路设置成均衡条件(equilibrium condition) 0该第 三电阻器R3被配置成具有固定电阻、可变电阻或电可变电阻，以满足均衡条件。该数字接 收输入信号被从该差分输出放大器的差分输出经由该数字/模拟转换器DAC的电阻进行分 压，并被该换能器τ 从电信号转换成声信号。 在该模拟信号处理电路中，通过用该第一电阻器Rl和该第二电阻器R2对该差分 输出放大器Am的输出进行分压而获得的电压被用作一个输入信号。通过用该第三电阻器 R3和该换能器τ 对该差分输出放大器的输出进行分压而获得的电压与被该换能器τ 从发 送声振动转换成电动势的电压之和被用作另一个输入信号。这些信号的差分信号被该差分 输入放大器Adi放大。该数字信号处理电路具有这样的功能当换能器&处于运行中时，对应于该传递 函数识别滤波器FILid的第一滤波器系数HJk]，按照由声阻抗变化引起的传递函数变化， 而被动态地修正。在该数字信号处理电路中，存储在第二滤波器系数存储器HEQ[k]中的对应于均衡 滤波器FILeq的第二滤波器系数(下文也称作HeqR])是抽头系数(tap coefficient)，其 对该换能器4产生的电信号的由发送声振动(acoustic vibration)导致的声不一致性 (acousticinconsistencies)进行修正。该发送信号被调节，以使得其具有与从实际声源 (换言之，说话人的嘴附近)产生的声振动相似的声学特性。该数字信号处理电路也包括修正强度系数寄存器Rmu，其存有修正系数mu。第三乘 法器MUL3将该修正系数mu与误差信号err相乘，该误差信号err是该减法器SUB的输出。 基于该第三乘法器的输出，系数更新算法ALupd更新对应于该传递函数识别滤波器FILid的 第一滤波器系数HJk]。该系数更新算法ALupd将该第一滤波器系数Ha [k]供应至该传递函 数识别滤波器FILid,并作为该重复计算的收敛的结果来更新该第一滤波器系数Ha[k]。该数字信号处理电路还设有系统识别修正强度计算算法ALmu,其使用该第一移动 平均功率值PWl来动态地控制该传递函数识别滤波器FILid的滤波器系数Ha [k]的重复计 算的收敛时间和收敛误差。该数字信号处理电路还设有误差修正检测和同时通话检测算法ALdb，其具有这样 的功能当更新该第一滤波器系数Ha [k]时，通过比较该第二移动平均功率值PW2和该第三 移动平均功率值PW3来评估是否要动态地更新该系数，并检测误差修正。该数字信号处理电路还设有传递函数识别滤波器学习算法ALu，其具有这样的功 能当该误差信号err超过特定常量值时，由于处于误差修正状态而被强制激活，或者通过 学习激活输入终端1 而从外部被强制激活。该学习算法使用该信号发生器SG来产生标准
8信号，重新激活该系数更新算法ALupd，并重新计算对应于该传递函数识别滤波器FILid的滤 波器系数HJk]。该单换能器全双工通话电路包括相对小规模的模拟信号处理电路。该数字信号处 理电路还设有诸如系数更新算法、系统识别修正强度计算算法、误差修正检测和同时通话 检测算法、传递函数识别滤波器学习算法以及均衡滤波器之类的部件。回声消除功能充分 补偿发送信号频率特性的恶化，甚至在包括发送信号强度在内的各种特性随时间而变化的 情况下，以及在频率特性由于人体声音传递特性而显著减损的情况下。此外，近期在模拟/ 数字技术方面的进步使得实现所有这些的硬件能够被包含在耳机中。下面将参考附图更详细地描述实现该单换能器全双工通话电路的最优模式。单换能器全双工通话电路配置实施例将参考图1描述本发明的模拟信号处理电路和数字信号处理电路。图1是框图， 其示出了该模拟信号处理电路和该数字信号处理电路的一个实施例。接收和发送电路使用 具有接收和发送功能的单换能器，该换能器允许全双工通话，并具有用于连接到外部数字 电路的连接终端。所述接收和发送电路包括用于数字接收输入信号的输入终端Din、用于数 字发送输出信号的输出终端D·、学习激活输入终端I『数字信号处理电路、数字/模拟转 换器DAC以及模拟/数字转换器ADC。模拟信号处理电路包括差分输出放大器Am、差分输 入放大器Adi，以及由三个电阻器R1、R2和R3及换能器ττ组成的桥接电路。所述数字信号处理电路具有第一高通滤波器HPF1、第一乘法器MUL1、接收量系数 寄存器RKXV、信号发生器SG、第二乘法器MUL2、信号量系数寄存器I SCT，以及加法器ADD。所 述数字信号处理电路也包括第一信号延迟器和功率计算器DL1、第二信号延迟器和功率计 算器DL2、传递函数识别滤波器FILid、第一延迟信号存储器)(A[k]，以及第一滤波器系数存 储器HA[k]。还包括第二高通滤波器HPF2、第四信号延迟器DL4、减法器SUB、第四乘法器 MUL4、发送量系数寄存器Rtxv、第三信号延迟器和功率计算器DL3、均衡滤波器FILeq,以及第 二滤波器系数存储器Heq [k]。还包括第三乘法器MUL3、修正强度系数寄存器Rmu、误差修正 检测和同时通话检测算法AL-、系数更新算法ALupd、系统识别修正强度计算算法ALmu，以及 传递函数识别滤波器学习算法AL 。在接下来的描述中，代表诸如接收量系数寄存器Rkxv和第一延迟信号存储器)(A[k] 之类的部件的电路块，以及构成这些部件的内容的信号，为了方便起见用相同的符号表示 (例如，Rkxv 和)Uk])。施加到输入终端Din的数字接收输入信号经第一高通滤波器HPFl被输入进第一乘 法器MUL1，并且，该信号在与接收量系数Rkxv相乘之后被输入进加法器ADD，并与第二乘法 器MUL2的输出相加，以形成信号spk。信号spk被分成两部分；一部分被输入进数字/模 拟转换器DAC，另一部分被输入进第一信号延迟器和功率计算器DLl。第一信号延迟器和功 率计算器DLl计算第一移动平均功率值PWl，该PWl是经过DLl的信号的移动平均功率。该数字/模拟转换器DAC的输出被输入进差分输出放大器Am，在此处被放大到足 够驱动换能器4的功率电平(power level)，并且被输出到差分输出“ + ”和差分输出“_。 差分输出“ + ”被分成两部分，并且一个信号路径(pattway)从差分输出“ + ”经由电阻器R 3 经过换能器τ 连接到差分输出“-。另一个信号路径从差分输出“ + ”经由电阻器Rl和R2连接到差分输出“_。除此之外，差分输入“ + ”和差分输入“_”是差分输入放大器Adi的两个输入终端，并且分别连接到 电阻器R3和换能器τ 的连接点(junction point)以及电阻器Rl和电阻器R2的连接点。 差分输入放大器Adi的输出终端被输入进模拟/数字转换器ADC。第一信号延迟器和功率计算器DLl的输出经过第二信号延迟器和功率计算器DL2 以形成信号src，并更新第一延迟信号存储器)(A[k]。这是由传递函数识别滤波器FILid使用 第一延迟信号存储器)(A[k]和第一滤波器系数存储器Ha[k]来处理的，并且该输出成为信号 out.第二信号延迟器和功率计算器DL2计算第二移动平均功率值PW2，该PW2是经过DL2 的信号的移动平均功率。模拟/数字转换器ADC的输出信号被输入进第四信号延迟器和功率计算器DL4以 形成信号ref。减法器SUB从信号ref中减去信号out以形成信号err，该信号err被输入 进第四乘法器MUL4并乘以接收量系数I^txv以形成信号mic。信号mic被输入进第三信号延 迟器和功率计算器DL3，并且第三信号延迟器和功率计算器DL3计算第三移动平均功率值 PW3,该PW3是经过DL3的信号的移动平均功率。被均衡滤波器FILeq使用第三信号延迟器 和功率计算器DL3的输出以及第二滤波器系数存储器Heq[k]处理后的输出被输出进数字发 送输出信号终端D·。系统识别修正强度计算算法ALmu使用第一移动平均功率值PWl来执行计算，并更 新信号量系数寄存器I^sct和修正强度系数寄存器Rmu。误差修正检测和同时通话检测算法 ALdbl使用第二移动平均功率值PW2和第三移动平均功率值PW3来执行计算，并据此向系数 更新算法ALupd指示这些系数是否已经被更新，并检测误差修正状态。信号err被输入进第 三乘法器MUL3，在此处与修正强度系数Rmu相乘，并且第一滤波器系数存储器Ha[k]被系数 更新算法ALupd更新。分别用模拟/数字转换器ADC和数字/模拟转换器DAC来代替用作外部连接电路 的数字接收输入终端Din和数字发送输出终端Dott，也使得能够使用模拟信号的外部连接。所有上述数字信号处理按采样时钟(sample clock)同步(in sync)执行。相应 地，在数字信号处理中，所有操作针对每个采样时钟执行一次。因此，只要使用的方法是在 一个采样周期内能够完成所有数字信号处理的，该数字信号处理电路就可以配置有一个或 多个随机逻辑单元、FPGA、ASIC、DSP或CPU，并且该数字信号处理电路的每个电路块可以用 硬件或软件实现。音频数字输入信号被输入进数字接收信号Din。直流部件中和音频输入信号中包含 的低通噪声被第一高通滤波器HPFl从该音频输入信号中去除，并且被存储在接收量系数 寄存器Rkxv中的值和乘法器MULl修正到适合于此后阶段信号处理的信号幅度电平(signal amplitudelevel)0与此同时，信号发生器SG产生扫描信号(swe印signal)，其扫描白噪声或者在必 要时扫描该信号经过的整个带(band)。这被存储在接收量系数寄存器I SCT中的值和第二乘 法器MUL2修正到适合于此后阶段信号处理的信号幅度电平。这两个信号被加法器ADD相 加，以产生传号spk。加法器ADD的输出信号spk被分成两个信号路径，其中一个成为数字/模拟转换 器DAC的输入数据，并且在这之后经历数字/模拟转换，并被差分输出放大器Aiw放大到能 够适宜地驱动该桥接电路的信号电平，它被输出进该桥接电路。差分输出放大器Am用于在以低电压驱动时向该桥接电路供应大量信号功率，并且只要能够确保充足的驱动电压就可 以使用任何单输出放大器(single output amplifier)。在这种情况下，可以通过将该差分 输出放大器的差分输出“_”接地来使用它。桥接电路的均衡条件和差分输出放大器的输出抑制该桥接电路由电阻器R1、R2和R3及换能器τ 组成。用于使该差分输出放大器的 输出对该从桥接电路输入进差分输入放大器Adi的正输入信号和负输入信号(差分输入“ + ” 和差分输入“_”)的影响最小化的条件是满足下式(数学公式1)。这里，电阻器R1、R2和 R3及换能器&的阻抗水平(impedance level)用与这些器件相同的名字表示。(数学公式1) Rl R2 = R3 Zt由于使用了与动圈(moving coil)或动芯(moving core)型接收器类似的器件， 一般的换能器4的阻抗不是纯电阻，而是电阻分量和电抗分量的复合阻抗，并且该复合阻 抗依赖于频率以非线性方式变化。因此，该桥接电路在信号经过的整个带中并非是完全的 均衡状态。然而，对于一般的换能器&，电抗分量与电阻分量相比是微小(miniscule)的，所 以差分输入放大器Adi的输入电压中缘自差分输出放大器Aiw的那部分能够从差分输出放大 器Adq的输出电压被抑制近似30-50dB。在这个实施方案中，该桥的所有三个电阻器R1-R3被表示为纯电阻，但是其中每 个电阻器(特别是电阻器Rl)可以是包括电阻器和电容器的串联-并联电路，并且包括电 阻器和电容的串联-并联电路也可以被并联地插入换能器4中。通过对电阻和电容进行 精调(fine-timing)以适应环境和用户，能够更有效地实现稍后描述的数字电路操作的收敛。另一方面，作为到换能器τ 的发送的结果而产生的电动势被R 3和4的并联电阻 所减小，但是在换能器4两端产生的电压直接被提取到该桥接电路的差分输出。因此，差分 输出放大器Ado的基本衰减的输出电压与在换能器τ 两端产生的电压被相加，并且以此形 式它们被输入进差分输入放大器Adi，并被放大，以形成模拟/数字转换器ADC的输入信号。由于在换能器&两端产生的电压非常弱，所以差分输出放大器Am的衰减的输出 电压有时在该点具有较大幅度。R3和τ 的比值影响换能器&的相对于差分输出放大器Adq的输出的能量效率。当 R3和τ 相等时，该输入能量效率是50%，并且当R3大于4时，该接收信号的声压转换能量 效率急剧下降。相反地，当R3小于τ 时，由发送电压压力信号在换能器τ 两端产生的电压 急剧下降。考虑到这些因素，接近于Rl = R2且R = 4的设置被认为是理想的。此外，由 于热噪声随着电阻增大而变得显著，Rl和R2的并联电阻降低了该发送信号的信噪比。在 实际设置中，考虑到这些因素来经验性地选择Rl、R2和R3的最优电阻。进一步，如果使用的换能器&的个体差异小，则固定电阻器也可以用作R3。然而， 如果使用的换能器τ 的个体差异大，则有可能通过将半固定电阻器用作R3来调节桥平衡， 或者通过将电可控半固定电阻器用作R3来添加这样的自动调节功能，该自动调节功能确 保使该第三移动平均功率值PW3——其是通过用第三信号延迟器和功率计算器DL3测量信 号发生器SG产生的信号功率来获得的——最小化。另一方面，从加法器ADD输入进第一信号延迟器和功率计算器DLl的信号spk与
11输入进数字/模拟转换器DAC的输入信号相同，并且这被延迟了与由数字/模拟转换器 DAC (转换延迟)、桥接电路(群延迟)、模拟/数字转换器ADC (转换延迟)和高通数字滤波 器HPF2 (群延迟)组成的路径产生的信号延迟时间相等的信号延迟时间，以形成信号src。 与该延迟同时，第一信号延迟器和功率计算器DLl计算第一移动平均功率值PW1，作为对于 系统识别学习修正强度算法ALmu必要的参考信号。第二信号延迟器和功率计算器DL2、第三信号延迟器和功率计算器DL3以及第四 信号延迟器和功率计算器DL4具有相同的延迟时间。由第二信号延迟器和功率计算器DL2 计算的第二移动平均功率值PW2以及由第三信号延迟器和功率计算器DL3计算的第三移 动平均功率值PW3被用作用于误差修正检测和同时通话检测算法ALim的操作评估准绳 (criteria)。由于传递函数识别滤波器而与发送信号混合的差分输出放大器输出信号的抑制传递函数识别滤波器？11^是从数字HR滤波器形成的滤波器，并且由延迟信号存 储器)Uk]——其中存有延迟信号数据spk——和第一滤波器系数存储器HJk]——其中存 有该滤波器的抽头系数——组成，对两份数据执行卷积积分的结果从此被输出。该卷积积 分由下式给出(数学公式2)。(数学公式2) ΣΧΑ[ΦΗΑ^]
k=0这里，η是存储器元的个数加1。传递函数识别滤波器FILid的第一滤波器系数Ha [k]是该HR滤波器的抽头系数， 其对从数字/模拟转换器DAC到桥接电路、模拟/数字转换器ADC和第二高通滤波器HPF2 的信号路径的传递函数进行识别。因此，传递函数识别滤波器FILid的输出out是这样的 信号，其识别从模拟/数字转换器经过第二高通滤波器HPF2和第四信号延迟器DL4的信号 ref中剩余的桥驱动信号(换言之，上述“差分输出放大器Aiw的基本衰减的输出电压”)进 行识别，所以能够通过使用减法器SUB对该信号执行减法来抑制该残余信号——其没有必 要被发送，这使得能够仅提取由到换能器τ 的发送而产生的信号。换能器τ 产生的发送信号——其作为减法器SUB相减的结果而被提取一被第 四乘法器MUL4使用发送量系数寄存器Rtxv的值调节到适合此后阶段直到数字发送输出信 号终端Dqut的信号处理的信号幅度电平，以形成信号mic，并且这在经第三信号延迟器和功 率计算器DL3延迟后被输入进均衡滤波器FILeq。换能器τ 的发送信号被该均衡滤波器修 正，以使得其具有与从实际声源产生的声振动的声频特性相似的声频特性，并且随后被输 出到数字发送输出信号终端Dot。图2从信号分贝强度电平方面和延迟时间方面组织了上述信号处理的进行。下面 的描述是为了阐明信号处理的流程，并假定了一般设置中的标准条件。因此，每个信号的实 际电平数因设置而异。当从输入终端Din输入的数字接收输入信号是-OdB时，换言之，当以全刻度(full scale)输入时，经过第一高通滤波器和数字/模拟转换器DAC的信号spk形成了差分输出 放大器Ado的输出信号，并经由电阻器R3来驱动换能器τ 。进一步，当电阻器Rl和R2被设 置成相同的值而电阻器R3被设置成换能器τ 工作频率内的平均复合阻抗的绝对值(转换 成电阻分量)并且差分输出放大器Aiw的输出信号的全刻度被假设为OdBm时，施加到换能
12器τ 接收信号衰减一半成为-ecffim。另一方面，假设换能器τ 产生的发送信号是-sodBm， 则在换能器4两端产生的接收和发送信号的比值成为74dB。换言之，在换能器4的两端 存在近似为该发送信号的5000倍的残余接收信号。如果该桥接电路完全平衡，则在该桥输出的差分中不会出现该接收信号，但是由 于不能达到完全平衡，所以残余接收和发送信号作为差分信号被输入进差分输入放大器Adi 的两端。假定该桥接电路中的接收信号抑制比为40dB，该接收信号维持在_46dBm的电平， 而换能器τ 产生的发送信号是-80dBm，所以该残余接收信号仍比该发送信号大近似34dB。当差分输入放大器Adi的增益被假设为40dB并且模拟/数字转换器ADC的全刻度 被假设为OdBm时，该残余接收信号是_6dB并且该发送信号是_40dB。该信号在经过第二高 通滤波器HPF2以及第四信号延迟器DL4时产生信号ref。如上所述，加法器ADD的输出spk经过第一信号延迟器和功率计算器DLl以及第 二信号延迟器和功率计算器DL2，以形成信号src，并且，当接收到该信号，传递函数识别滤 波器FILid就依序地识别从数字/模拟转换器DAC到第二高通滤波器HPF2的信号路径的传 递特性，并产生信号out，该信号out与该残余接收信号大致相等。作为减法器SUB从第二 高通滤波器HPF2的输出中减去信号out的结果，该残余接收信号被抑制了近似60dB，并且 从减法器SUB输出的几乎仅是该发送信号。在该状况下，该发送信号是_40dB而该残余接收信号是_66dB，并且该发送信号和 该残余接收信号的比值近似为_26dB，所以本质上有可能独独取得该发送信号。进一步，为 了使减法器SUB的输出适配于数字发送信号Dot的幅度电平，它被输入进第四乘法器MUL4， 在此它被乘以发送量系数I 并被放大近似35dB，以形成信号mic。继而，在换能器τ 的音 频特性被均衡滤波器调节之后，该信号被输出到该数字发送输出信号的输出终端Dott。换言之，虽然对于一般的用于回声消除的系统识别方法，接收信号抑制近似为 20-40dB，但是本发明能够在单换能器全双工通话电路中，通过结合简单的模拟信号处理和 上述改进的数字信号处理，将妨碍发送信号的接收信号抑制90dB或更多。系数更新算法ALupd是这样的算法，它使用延迟信号)(A[k]以及用第三乘法器MUL3 将误差信号err——其是减法器SUB的输出——与修正强度系数寄存器Rmu中存有的修正系 数mu相乘而获得的值，来依序地修正传递函数识别滤波器FILid的第一滤波器系数Ha[k]。 将本延迟信号存储器的与被假设为具有恒定信号强度和具备稳定高斯分布的随机过程的 输入相对应的每个元定义为)(Jk]，将本第一滤波器系数的每个元定义为Hjk]n，并将更新 后第一滤波器系数的每个元定义为Hjk]n+1，使用下面的数学公式3的算法来执行单个抽头 系数更新。(数学公式⑴Ha[k] n+1 = Ha [k]n+XA [k] X err · mu通过重复该计算，第一滤波器系数HA[k]收敛到第一滤波器系数——其识别目标 信号路径的传递函数。mu的值与收敛时间和收敛误差有关，并且如果mu增大，则收敛时间 加快但是收敛误差增大。进一步，如果)(A[k]不满足稳定随机过程，则Ha[k]可以无收敛地 发散，或者收敛时间可以变长，取决于mu的值。此外，系数更新算法ALupd不限于这个公式， 而是能够被替换为各种基于其他随机过程的系统识别算法。系统识别修正强度计算算法々!^是这样的算法，它计算修正强度系数寄存器Rmu中存有的修正系数mu的适当值，该值被系数更新算法ALupd使用。普通数字接收输入信号Din 一般是音频信号，其具有随时间而变化的信号强度，并具有不具备稳定高斯分布的有色谱， 所以不能假设其延迟信号)(A[k]会具有恒定信号强度和具备稳定高斯分布的随机过程。因此，为了保持信号强度常量的参与度(degree ofparticipation)，用下面的数
学公式4示出的计算算法，使用第一信号延迟器和功率计算器DLl的第一移动平均功率值
PWl，来执行上述第一滤波器系数HaDO的计算。
权利要求
1. 一种单换能器全双工电路，其包括连接终端，其用于连接至外部数字电路，该连接终端包括输入终端(DIN)，数字接收输 入信号从该输入终端输入；输出终端(D。UT)，数字发送输出信号从该输出终端输出；以及学 习激活输入终端αω)；模拟信号处理电路，其包括模拟差分输出放大器(Aiw)，其放大来自数字/模拟转换器(DAC)的输出； 桥接电路，其由第一、第二和第三电阻器(R1、R2和旧)组成，以及单换能器( )，其被 所述模拟差分输出放大器(Am)的输出所驱动；以及模拟差分输入放大器(Adi)，其放大所述桥接电路输出的均衡信号，其中所述模拟差分 输入放大器(Adi)的模拟输出信号被供应至模拟/数字转换器(ADC)； 数字信号处理电路，其包括 信号发生器(SG)；第一高通滤波器(HPFl)，所述数字接收输入信号经所述输入终端(Din)被输入进该第 一高通滤波器；第一乘法器(MULl)，其将所述第一高通滤波器(HPFl)的输出与接收量系数(Rkxv)相乘；第二乘法器(MUL2)，其将来自所述信号发生器(SG)的输入与信号量系数寄存器(Rsct) 相乘；加法器(ADD)，其将所述第一乘法器(MULl)的输出与所述第二乘法器(MUU)的输出相 加，其中所述加法器(ADD)的输出被供应至所述数字/模拟转换器(DAC)，该数字/模拟转 换器将它转换成模拟信号；第一信号延迟器和功率计算器(DLl)，其对所述加法器(ADD)的输出信号进行延迟，并 计算第一移动平均功率值(PWl)；第二信号延迟器和功率计算器(DL2)，其对所述第一信号延迟器和功率计算器(DLl) 的输出进行延迟，并计算第二移动平均功率值(PW2)；延迟信号存储器OUk])，其依序地存储所述第二信号延迟器和功率计算器(DU)的输出；传递函数识别滤波器(FILid),所述延迟信号存储器OCJk])的输出被输入进该传递函 数识别滤波器；第一滤波器系数存储器(HJk])，其存储对应于所述传递函数识别滤波器(FILid)的滤 波器系数；第二高通滤波器(HPF2)，所述模拟/数字转换器(ADC)的输出被输入进该第二高通滤 波器；第四信号延迟器(DL4)，所述第二高通滤波器(HPF2)的输出被输入进该第四信号延迟器；减法器(SUB)，其从所述第四信号延迟器(DL4)的输出中减去所述传递函数识别滤波 器(FILid)的输出；第四乘法器(MUL4)，其将所述减法器(SUB)的输出与发送量系数(Rtxv)相乘； 第三信号延迟器和功率计算器(DL3)，其对所述第四乘法器(MUL4)的输出进行延迟，并计算第三移动平均功率值(PW3)；均衡滤波器(FILeq),所述第三信号延迟器和功率计算器(DU)的输出被输入进该均衡 滤波器；以及第二滤波器系数存储器，其存储所述均衡滤波器(FILeq)的滤波器系数(HeqDO)， 其中，该发送输出终端(Dott)被从所述均衡滤波器(FILeq)输出的数字发送输出信号 所驱动，并且，对应于所述传递函数识别滤波器(FILid)的第一滤波器系数(HJk])对从所 述数字/模拟转换器(DAC)的输入端经由所述模拟信号处理电路到所述第二高通滤波器 (HPF2)的输出端的传递函数进行识别。
2.根据权利要求1的单换能器全双工电路，其中使用所述模拟差分输出放大器(Am)的输出——其当所述换能器(Zt)处于运行中时驱 动所述换能器(Zt)——将所述模拟信号处理电路中的所述桥接电路设置成均衡条件；所述第三电阻器(R3)被配置成具有固定电阻、可变电阻或电可变电阻，以满足该均衡 条件；且所述数字/模拟转换器(DAC)的输出被来自所述差分输出放大器的差分输出的电阻所 分压，并被所述换能器(Zt)从电信号转换成声信号。
3.根据权利要求1的单换能器全双工电路，其中第一电压是通过用所述第一电阻器(Rl)和所述第二电阻器(似)对所述差分输出放大 器(Am)的输出进行分压而获得的，该第一电压被用作所述差分输入放大器(ADI)的第一输 入；第二电压是通过用所述第三电阻器0 )和所述换能器(Zt)对所述差分输出放大器的 输出进行分压而获得的；第三电压是通过将该第二电压与被所述换能器(Zt)从发送声振动转换成电动势的电 压相加而获得的，该第三电压被用作所述差分输入放大器(Adi)的第二输入；且该第一输入和该第二输入上的电压的差分信号被所述差分输入放大器(Adi)放大。
4.根据权利要求1的单换能器全双工电路，其特征在于，所述数字信号处理电路具有 这样的功能当所述换能器(Zt)处于运行中时，对应于所述传递函数识别滤波器(FILid)的 第一滤波器系数(HJk])按照声阻抗的变化而被动态地修正。
5.根据权利要求1的单换能器全双工电路，其中，存储在所述第二滤波器系数存储器 中的对应于所述均衡滤波器(FILeq)的第二滤波器系数(HeqDO)是抽头系数，其对所述换 能器(Zt)产生的电信号的由发送声振动导致的声不一致性进行修正，该第二滤波器系数 (HeqDO)将该数字发送输出信号调节成具有与从实际声源产生的声振动相似的声学特性。
6.根据权利要求1的单换能器全双工通话电路，其中所述数字信号处理电路还包括 修正强度系数寄存器(Rmu)，其存有修正系数(mu)；第三乘法器(MUL3)，其将所述修正系数(mu)与误差信号(err)相乘，该误差信号 (err)是所述减法器(SUB)的输出，其中，系数更新算法(ALupd)基于所述第三乘法器的输出来重复计算对应于所述传递函 数识别滤波器(FILid)的第一滤波器系数(HJk])，并且所述系数更新算法(ALupd)将该第一 滤波器系数(HJk])供应至所述传递函数识别滤波器(FILid)，并作为针对该第一滤波器系 数(HJk])的计算的收敛的结果来更新所述第一滤波器系数(HJk])。
7.根据权利要求6的单换能器全双工电路，其中，所述数字信号处理电路中的系统识 别修正强度计算算法(ALmu)根据所述第一移动平均功率值(PWl)来动态地控制所述传递函 数识别滤波器(FILid)的所述滤波器系数(HJk])的重复计算的收敛时间和收敛误差。
8.根据权利要求6的单换能器全双工电路，其中，所述数字信号处理电路中的误差修 正检测和同时通话检测算法(ALdb)更新所述第一滤波器系数(HJk])，并通过比较所述第 二移动平均功率值(PW2)和所述第三移动平均功率值(PW3)来评估是否要动态地更新该第 一滤波器系数OUk])。
9.根据权利要求6的单换能器全双工电路，其中，当所述误差信号(err)超过特定值 时所述数字信号处理电路中的传递函数识别滤波器学习算法(ALm)被强制激活，于是，ALu 使用该信号发生器(SG)来产生标准信号、更新该系数更新算法(ALupd)并重新计算对应于 所述传递函数识别滤波器(FILid)的第一滤波器系数(HJk])。
10.一种音频电路，其包括模拟电路，其包括差分输出放大器、差分输入放大器以及联结在该差分输出放大器和 该差分输入放大器之间的桥接电路；以及数字信号处理电路，其被配置成从输入进该模拟电路的第一信号产生一个或多个第 一组信号滤波器系数，并从自该模拟电路输出的第二信号产生一个或多个第二组滤波器系 数，该数字信号处理电路从该第一和第二组滤波器系数产生传递函数，并从该传递函数产 生输出信号，该输出信号被施加到自该模拟电路输出的第二信号。
11.根据权利要求10的音频电路，还包括数字/模拟转换器DAC，其经由第一高通滤波器将该第一信号输入联结到所述差分输 出放大器；以及模拟/数字转换器(ADC)，其将自该模拟电路输出的第二信号联结到该数字信号处理 电路中的第二高通滤波器。
12.根据权利要求11的音频电路，其中该第二组滤波器系数与这样的信号路径的传递 函数关联该信号路径从该DAC经过该模拟电路和ADC到达该第二高通滤波器。
13.根据权利要求11的音频电路，还包括减法器；在该第二信号经过该第二高通滤波 器之后，该减法器从该第二信号中减去来自该传递函数的输出信号，以借助该模拟电路中 的换能器来提取在该第二信号中产生的发送信号。
全文摘要
一种使用单换能器ZT的全双工通话音频电路，该电路即使当包括发送信号强度在内的各种特性随时间而变化时，也使得回声消除功能能够适宜地运行，并充分补偿由于人体声学传递特性而导致的发送信号频率特性恶化。
文档编号H04M1/00GK102067571SQ200980116842
公开日2011年5月18日 申请日期2009年3月24日 优先权日2008年3月24日
发明者G·北角, M·增田 申请人:马帝克公司