专利名称：限制接收音频的系统的制作方法
技术领域：
本发明提供了一种通信系统中的改进的回音消除技术。
背景技术：
在很多通信系统(诸如汽车中的扬声器电话或免提移动电话)中，音频信号是从远端位置接收到并通过扬声器播放的。相反，本地发出的声音是由放置在扬声器附近的本地环境中的一个或多个麦克风进行拾音的。麦克风转换出的音频信号被传回远端位置，并在远端位置为了通信对端处的远端通信方播放出来。通常，扬声器放置得非常接近麦克风。在一些情况下，扬声器的输出可能会被麦克风所拾音，并且实际上最初在远端位置发出的声音可能会被合并入到传回给远端位置的音频信号中。结果是，远端通信方可能会听到被轻微延迟的他或她已说出的话的回音。这种声学回音会严重损害通信双方之间通信质量。
在通信系统中利用回音消除来从麦克风拾音信号中除掉扬声器输出。典型的回音消除系统将用来驱动扬声器的线路输出(Line-Out)信号作为参考，用于估计在已由扬声器播放、通过局域环境；由麦克风拾音，和转换回电子音频信号之后的扬声器输出的情况。然后从麦克风拾音信号中减掉该回音信号估计。回音估计信号与麦克风处转换的实际回音信号之间匹配得越接近，则回音消除将越精确和越彻底。
回音消除通常是线性技术(proposition)。扬声器输出的变化将以预计方式反映在麦克风拾音信号上。然而，当扬声器包围麦克风(LEM)系统中引入非线性时，复杂度就会增加。回音消除系统的普遍问题是当扬声器放置得距离麦克风太近时或是扬声器输出播放得太大声时，在任一种情况下，麦克风处的音量可能会超过通信系统拾音级(stage)的能力。麦克风处过大的音量可能会在麦克风自身或在A/D增益级处造成限幅(clipping)。当由于过大的音量而使扬声器输出被限幅时，回音消除系统将不可能预计出麦克风处将转换的实际回音信号。这种LEM转移函数的非线性使其不可能有效地从麦克风拾音信号中除掉回音。
因此，存在对在通信系统中进行回音消除的改进系统的需求。在扬声器放置得非常接近麦克风的通信系统中，这种需求尤其迫切。当通信系统放置在诸如办公室或汽车这样的受限空间(在这种受限空间中，存在许多能将扬声器输出反射回麦克风的邻近表面)中时，这种需求会进一步增强。改进的回音消除系统必须能够预计出将导致麦克风处的限幅的扬声器的输出音量，并将扬声器输出限制在限幅开始出现的输出功率阈值以下的水平。通过选择性地限制扬声器输出，能够将扬声器的动态范围限制在LEM系统转移函数的线性范围以内。没有了扬声器输出信号的限幅造成的非线性，就能够有效地从麦克风拾音信号中除掉声学上的扬声器回音。
发明内容
本发明提供了一种在通信系统中为改善声学回音消除而限制接收到的音频信号的系统。本发明尤其适合在包括扬声器、麦克风和收发器的通信系统中使用，其中，扬声器用于播放自远端信源接收的音频信号，麦克风用于转换本地声音，而收发器用于将音频信号发送到远端装置和从远端装置接收音频信号。
为了保证当麦克风对扬声器的输出拾音时，源自扬声器的声音输出不会在麦克风处被限幅，根据本发明的系统在扬声器播放接收到的音频信号之前，有选择地限制这些音频信号。麦克风处的限幅将非线性引入到扬声器包围麦克风系统(loudspeaker enclosure microphonesystem)转移函数中，因而不能实现令人满意的回音消除。通过将扬声器输出维持在已知的不会造成限幅的范围以内，能够使用传统方法来执行有效的回音消除。
除了收发器、扬声器、和麦克风以外，本发明所利用的通信系统还可包括自适应回音消除滤波器，该滤波器用来从麦克风拾音信号中除掉扬声器输出从而消除声学回音。在接收到的音频信号的信号路径中设置有软限幅器，以在需要时选择性地限制接收到的音频信号。低阶无线脉冲响应(IIR)滤波器模拟LEM系统转移函数，并且将接收到的音频信号作为参考使用，生成在接收到的音频信号通过扬声器播放时，将被麦克风拾音的回音信号的估计。短期功率估计是根据音频信号估计计算出来的，并被用来确定接收到的音频信号如果在扬声器上播放时，是否会在麦克风处被限幅。如果会，则调节软限幅器的增益，以充分衰减接收到的音频信号，使得扬声器输出不会在麦克风处被限幅。
本发明也包括消除通信系统中的声学回音的改进方法。根据该改进方法，当接收到音频信号时，基于接收到的信号生成短期功率估计。该短期功率估计与当不加限制地通过扬声器播放接收到的音频信号时在麦克风处接收到的估计的音频功率相对应。然后将短期功率估计与已知功率阈值相比较，其中，如果大于该已知功率阈值则信号会在麦克风处被限幅。如果短期功率超过限幅阈值，则限制接收到的音频信号，使得由扬声器输出的和在麦克风处接收到的音频功率减小到已知限幅阈值以下。
通过研究以下附图和详细说明，对于本领域的技术人员来说，本发明的其他系统、方法、特征和优点将变得很明显。所有这些附加系统、方法、特征和优点都将包含在此描述以内，都应在本发明的范围以内，且由以下权利要求所保护。
通过参考以下附图和说明，将会更好地理解本发明。附图中元件的重点只是在于说明本发明的原理，而并不一定按照比例绘制。此外，在这些附图中，所有不同视图中的相同附图标记表示相应的部分。
图1是为了改进回音消除采用了接收音频限幅器的通信系统的框图。
图2是比较扬声器包围麦克风系统的频率响应，和无限脉冲响应滤波器的扬声器包围麦克风系统的低阶频谱模型的频率响应的图。
图3是比较来自无限脉冲响应滤波器的扬声器输出功率估计，和对应的实际在麦克风处记录的扬声器输出的短期功率的图。
图4示出了本发明实施例使用的无限脉冲响应滤波器的结构。
具体实施例方式
本发明涉及通信系统中的改进的回音消除。图1中示出了采用根据本发明的改进回音消除系统的通信系统100。通信系统100包括收发器102、扬声器104、和麦克风106。收发器102用于向类似的远端收发器装置发送音频信号以及从其接收音频信号。当收发器102参与和另一个远端收发器的通信会话时，这两个收发器在对应收发器102的本地通讯方和对应远端收发器的远端通信方之间提供双向通信。例如，收发器102可以是移动电话、扬声器电话座机、或一些其他用于提供本地和远端通信方之间的双向通信的装置。从远端装置接收到的音频信号通过扬声器104来播放。被麦克风106拾音的声音被转换成音频信号，该信号由收发器102回传给远端装置。这样，通过利用通信系统100，本地和远端通信方可以相互进行音频通信。
如已述的那样，当扬声器104的输出被麦克风106所拾音并被重传回其原始信源端时，在如通信系统100那样的通信系统中将产生回音问题。远端通信方所听到的合成的回音可能对通信双方参与的通信质量造成严重的负面影响。
回音消除滤波器108被提供用来从麦克风106转换出的音频信号中出除掉扬声器104输出的影响。回音消除滤波器108是自适应滤波器，其模拟扬声器包围麦克风(LEM)系统的性能。通过使用用于驱动扬声器104的线路输出信号126，回音消除滤波器108模拟LEM系统的脉冲响应。回音消除滤波器108产生回音信号估计130，其表示预计由麦克风106转换出的音频信号。回音消除滤波器108基于参考信号和已知的LEM系统性能产生回音信号估计130。在相加节点(summing junction)120处，回音信号估计130被从实际的麦克风拾音信号128中减去。
最理想的情况是，回音信号估计130精确匹配麦克风106所拾音的实际回音信号。这种情况下，当从麦克风拾音信号128中减掉回音信号估计130时，残留误差信号将为零，并且扬声器回音将被彻底从发送音频信号124中消除掉，其中该发送音频信号124是由收发器102发送给通信对端处的远端收发器的。在大多数情况下，回音信号估计130不会与实际回音信号精确匹配。必须频繁地进行重新计算自适应回音消除滤波器108的系数，从而改进和保持LEM系统的回音消除滤波器模型。回音信号估计和实际回音信号之间的差异形成了误差信号，该误差信号可以被反馈到自适应回音消除滤波器108中，并可以用于重新计算滤波器的系数，并改善LEM系统的回音消除滤波器模型。一旦校准了自适应回音消除滤波器的系数，则扬声器104输出的回音将被从传输音频信号124中基本上除掉。这样，当发送音频信号124由远端收发器接收到且为了远端通信方而被再现时，远端通信方将只会听到本地通信方发出的声音。回音的所有痕迹将被基本上除掉。
只要LEM系统的回音响应路径的转移函数保持线性，则此意义上描述的通信系统100的回音消除特征就会有效。但如果到达麦克风的扬声器输出过大而使麦克风无法控制时，麦克风106接收到的回音信号就可能被限幅。在麦克风106处由于限幅造成的非线性使得回音消除滤波器108不可能预计出实际上将被并入到麦克风拾音信号128中的回音信号。这种情况下，因为回音消除滤波器108不再能精确预计出扬声器回音信号的情况，所以其将不能有效地从麦克风拾音信号128中除掉扬声器回音。LEM系统转移函数的非线性的一个直接结果是，回音可能会返回(creep back)到音频发送信号124中。
通过将扬声器104的输出限制到不会造成麦克风106处限幅的已知水平，通信系统100解决了这个问题。软限幅器118放置在接收到的音频信号122的信号路径中，以限制线路输出信号126的动态范围，从而控制了扬声器104的音量输出。软限幅器118由低阶无限脉冲响应(IIR)滤波器112的输出来控制。低阶IIR滤波器112模拟LEM系统的增益和频谱包络。如以下将描述的那样，低阶IIR滤波器112的系数是从回音消除滤波器108推导出来的。为了节省处理时间和资源，LEM系统的IIR滤波器频谱模型仅需要是LEM系统的真实频率响应的过程表示法(course representation)。例如，图2示出了，由诸如自适应回音消除滤波器108这样的自适应回音消除滤波器测量出的LEM系统频率响应，和由诸如IIR滤波器112这样的低阶无限脉冲响应滤波器生成的相同LEM系统的频谱包络的低阶(N＝10)模型的比较。可以观察到，第一曲线200具有尖锐的峰值和陡峭的下降。为了从麦克风拾音信号中精确而彻底得除掉扬声器回音，模拟LEM系统的频率响应时的这种详细程度是有必要的。第二曲线202比详细的频率响应曲线200要平滑得多，但仍然保持了与详细的频率响应曲线200大致相同的形状。这种较为粗糙的模型足以为了限制扬声器的输出，估计出将到达麦克风106的扬声器输出的功率。
返回到图1，象回音消除滤波器108这样的低阶IIR滤波器112输出扬声器输出估计信号132，该信号代表了对将由麦克风106所拾音的扬声器输出的估计。当然，由于LEM系统的IIR滤波器模型没有回音消除滤波器108的模型精确，比起自适应回音消除滤波器108输出的回音信号估计130，扬声器输出估计132将是粗糙得多的回音信号估计。
软限幅器118包括短期功率估计级114和增益计算级116。自低阶IIR滤波器112输出的扬声器输出估计132首先被输入到短期功率估计级114。短期功率估计级114计算扬声器输出估计132的短期功率。短期功率估计级114对扬声器输出估计132进行平方计算，并将估计的平方输入到第一阶IIR滤波器来将其平滑。合成信号提供了对将在麦克风106处接收到的扬声器104输出功率的足够精确的估计。图3示出了如刚才所述那样计算出的短期功率估计204与对应的在麦克风106处接收到的实际短期功率206之间的比较。可以观察到，这两条曲线匹配得很接近，从而证实了所述用于生成扬声器输出短期功率估计的方法的可靠性。
由于具有可靠的短期功率估计，因此就有可能确定出被估计的扬声器输出信号是否会超出麦克风级的限幅阈值，以及如果是这样的话超出了多少。基于短期功率估计和其与限幅阈值的关系，可以确定将扬声器输出限制到不会造成限幅的水平所必需的衰减。增益计算级116计算出这样的信号增益，该信号增益在接收到的音频信号122可以通过扬声器104播放而不必担心其会在麦克风106处被限幅以前，由软限幅器118应用到接收到的音频信号122上。
软限幅器118按照增益计算级116确定的那样来衰减接收到的音频信号122。软限幅器输出将线路输出信号126供应给扬声器104，并将参考信号供应给回音消除滤波器108。这样，扬声器104的输出被限制到不会造成麦克风106处的限幅的水平。LEM系统的转移函数保持线性，而声学回音在由收发器102传送到远端装置之前被有效地从音频发送信号124中除掉。
如上所述，可以从自适应回音消除滤波器108中推导出低阶IIR滤波器112的系数。这由图1中的系数计算级110来表示。低阶IIR滤波器112的结构在图4中示出。IIR滤波器112具有反向预测误差滤波器的结构。可以使用Levinson-Durbin递归算法来计算滤波器系数，以保证滤波器的可靠性。
计算滤波器系数首先要计算由自适应回音消除滤波器108生成的回音消除向量h(n)的滤波器系数的滞后i时的自相关函数ri(n)。在时间域的回音消除的情况下ri(n)=1N-1Σm=0N-1-ihm(n)hm+i(n)]]>其中h(n)＝[h0(n)，h1(n)，...，hN-1(n)]T通过解出线性等式系统，系数ri(n)被转换成低阶滤波器系数 该等式可以使用Levinson-Durbin递归算法来解出。
如果通过使用分析和综合滤波器组来在子频带中进行回音消除，系数ri(n)的计算首先要计算回音消除滤波器108的每个子频带中所有系数的平方值的和。此运算结果是无负元素的向量。这个向量经由IDFT被转换到时间域。由于实元素(real elements)，只需要计算旋转(twiddle)因子的余弦项。此外，只需要计算第一组M(M＝IIR滤波器的滤波器阶数)段(bin)。然后，执行与时间域的回音消除滤波器情况中相同的计算。
对于需要减少计算数目的实现方法，可以考虑另一种计算IIR滤波器系数的方法。可以用标量值来代替IIR滤波器，从而不用为计算指定输入参考信号y(n)对x(n)的扬声器输出估计132而计算低阶IIR滤波器系数。例如，该标量可以是回音消除滤波器108中的所有滤波器系数平方的和。
在另一种可选方案中，可以将上述实施方案中的全频带实现方案延伸成单个的频带。利用这种方法，就可以仅限制那些超过了临界限幅阈值的频率。在此方式中，除了在这个多频带变形中存在有为每个低阶子频带(例如，有关心理声学的子频带)配置独立的限幅器之外，软限幅器18的结构与图1所示的相同。在每个临界频带中，LEM系统由一个标量来表示，该标量为所有属于该临界频带的子频带的回音消除滤波器系数的平方的和。
为了获得更高的频率分辨率，可以为在参考信号的频率子带的分析中计算的每个子频带配备独立的限幅器。然后，LEM子频带将是这样一个标量，该标量为该频带中回音消除滤波器系数的平方的和。
尽管已经对本发明的不同实施例进行了描述，但对于本领域的普通技术人员来说，很明显有更多的实施例和实施方案可能落在本发明的范围之内。因此，除了符合权利要求和其等同意义的限制之外，本发明并不受其他限制。
权利要求
1.一种在具有扬声器和麦克风的通信系统中用于限制送到扬声器的输出信号的系统，该系统包括回音功率估算器，其用于估计在所述扬声器再现所述输出信号时在所述麦克风处接收到的音频功率；和限幅器，其用于在所述估计出的在所述麦克风处接收到的音频功率超过阈值时，限制传到所述扬声器的所述输出信号。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述阈值与一个音频功率水平相对应，其中经所述麦克风转换的音频信号在超过该音频功率水平时被限幅。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述回音功率估算器包括从扬声器到麦克风的转移函数的模型。
4.如权利要求3所述的系统，其中，所述模型包括低阶无限脉冲响应滤波器。
5.如权利要求4所述的系统，其中，所述低阶无限脉冲响应滤波器的系数是通过自适应回音消除滤波器推导得出。
6.如权利要求3所述的系统，其中，所述模型包括标量，该标量是通过对多个自适应回音消除滤波器系数的每一个的平方求和计算而得出。
7.如权利要求1所述的系统，其中，所述回音功率估计用来估计不同频率子带的扬声器输出的音频功率，而所述限幅器用于限制传到所述扬声器的输出信号的各个频率子带。
8.一种通信系统，包括收发器，用于接收和发送音频信号；扬声器，用于再现所述收发器接收的音频信号；麦克风，用于将声音转换成音频信号，从而由收发器发送；功率估计电路，用于在所述扬声器再现接收到的音频信号时，生成预计将要在所述麦克风处接收到的音频功率估计的音频功率；和限幅器，用于在所述音频功率估计超过阈值时限制所述接收到的音频信号。
9.如权利要求8所述的通信系统，其中，所述阈值对应一个音频功率水平，由所述麦克风转换的音频信号在此音频功率水平时将被限幅。
10.如权利要求8所述的通信系统，还包括回音消除电路，该回音消除电路用于对由所述麦克风转换的音频信号的一部分进行滤波，以去除部分经转换的音频信号，该经转换的音频信号是所述麦克风对所述扬声器输出拾音的结果。
11.如权利要求10所述的通信系统，其中，所述限幅器用来将所述扬声器输出限制到一个动态范围内，在该动态范围内从所述扬声器到所述麦克风的音频传输性保持线性。
12.如权利要求10所述的通信系统，其中，所述回音消除电路包括自适应滤波器。
13.如权利要求12所述的通信系统，其中，所述功率估计电路包括低阶无限脉冲响应滤波器，该滤波器具有从所述回音消除自适应滤波器推导出的系数。
14.如权利要求8所述的通信系统，其中，所述功率估计电路用来估计不同频率子带的在所述麦克风处接收到的音频功率，而所述限幅器用于分别限制传到所述扬声器的输出信号的多个频率子带。
15.一种回音消除系统，包括收发器；扬声器，其用于再现由所述收发器接收到的接收音频信号；麦克风，其用于将本地声音转换成将由所述收发器发送的发送音频信号；回音消除电路，其被配置成去除包括由所述扬声器再现且由所述麦克风拾音的声音的回音信号，以从由所述麦克风转换的所述音频信号中确定音频传输信号；和限制电路，其被配置成限制由所述扬声器再现的音频信号，使得所述回音信号不会在所述麦克风处被限幅。
16.如权利要求15所述的回音消除系统，其中，所述回音消除电路包括自适应滤波器。
17.如权利要求16所述的回音消除系统，还包括扬声器包围麦克风系统的频谱包络模型，其中该扬声器包围麦克风系统包括所述扬声器、所述麦克风，和它们被放置于其中的周围环境。
18.如权利要求17所述的回音消除系统，其中，所述扬声器包围麦克风系统的频谱包络模型包括低阶无限脉冲响应滤波器，该滤波器具有根据所述回音消除自适应滤波器推导出的系数。
19.如权利要求17所述的回音消除系统，其中，所述扬声器包围麦克风系统的频谱包络模型包括标量值，该标量值是通过将所述回音消除自适应滤波器的系数进行平方和求和计算出来的。
20.如权利要求15所述的回音消除系统，其中，所述限制电路用于分别限制在所述接收到的音频信号内的不同频率子带。
21.一种回音消除系统，包括扬声器，用于再现接收到的音频信号；麦克风，用于转换本地音频信号；回音消除滤波器，用于基于由所述扬声器再现的由所述麦克风拾音的音频信号估计回音信号，并对来自所述本地音频信号的回音信号进行滤波；和限制电路，用于将所述接收到的音频信号限制到低于会在所述麦克风处造成限幅的水平。
22.如权利要求21所述的回音消除系统，其中，所述限制电路包括低阶无限脉冲响应滤波器，该滤波器具有从所述回音消除滤波器推导出来的系数。
23.如权利要求21所述的回音消除系统，其中，所述限制电路包括所述扬声器和麦克风之间的音频转移函数的模型。
24.如权利要求23所述的回音消除系统，其中，所述模型包括从所述回音消除滤波器的系数推导出来的标量。
25.如权利要求21所述的回音消除系统，其中，所述限制电路用于分别限制所述接收到的音频信号的多个不同频率子带。
26.一种在具有扬声器和麦克风的通信系统中消除回音的方法，该方法包括接收音频信号；将所述接收到的音频信号作为参考，以估计所述麦克风将会拾音的所述扬声器的回音信号；按需要限制所述接收到的音频信号，以确保所述扬声器和麦克风的信号传输性能和周围环境保持线性；通过所述扬声器播放经限制的接收音频信号；和从所述麦克风拾音的音频信号中滤除所述估计出的回音信号。
27.如权利要求26所述的方法，其中，限制所述接收音频信号包括限制所述接收到的音频信号的单个频率子带。
28.如权利要求26所述的方法，其中，从所述麦克风拾音的音频信号中滤除所述估计出的回音信号的步骤，包括从所述麦克风拾音信号中减掉自适应回音消除滤波器的输出。
29.一种在具有扬声器和麦克风的通信系统中消除回音的方法，该方法包括接收音频信号；如果通过所述扬声器播放所述接收到的音频信号，确定将在所述麦克风处接收到的音频功率的短期功率估计；将所述短期功率估计与已知会在麦克风处造成限幅的接收功率阈值进行比较；如果所述短期功率估计超过所述接收功率阈值，则限制所述接收到的音频信号。
30.如权利要求29所述的方法，其中，限制所述接收到的音频信号包括，限制所述接收到的音频信号的单个频率子带。
31.如权利要求29所述的方法，其中，估计将由所述麦克风拾音的来自所述扬声器的回音信号，包括将所述接收到的音频信号应用于低阶无限脉冲响应。
32.如权利要求29所述的方法，其中，从所述麦克风拾音的音频信号中滤除所述估计出的回音信号的步骤，包括从所述麦克风拾音信号中减掉所述自适应回音消除滤波器的输出。
全文摘要
本发明提供了一种在通信系统中用于限制接收到的音频信号的系统。接收音频信号在通过扬声器播放以前被限制，以确保扬声器输出在被附近的连接在通信系统上的麦克风拾音时不会被限幅。通过避免了在麦克风处扬声器输出的限幅，扬声器包围麦克风系统的转移函数保持线性，从而便于在通信系统中进行精确的回音消除。
文档编号G10L21/00GK1798217SQ20051013433
公开日2006年7月5日 申请日期2005年12月14日 优先权日2004年12月14日
发明者G·U·施密特, T·豪利克, C·朱, D·吉泽布雷希特 申请人:哈曼贝克自动系统-威美科公司