专利名称：对滤波器的调整进行控制的方法
技术领域：
2本发明涉及一种对滤波器的调整进行控制的方法以及执行所述方法的控制器和计算机程序产品；特别地，其中的滤波器是自适应有限冲激响应滤波器，其用于对回波路径冲激响应进行建模以在电话连接中实现回波抵消。
背景技术：
回波会显著地降低电话语音通信的声音质量。在两个通话方也即远端说话者和近端说话者之间的电话语音通信中，如果远端说话者的语音信号被传回给他自己则他感觉到回波效应。根据回波产生的位置可以区分两种类型的回波声学回波，其是由于近端一侧的扬声器与麦克风之间(例如车内的免提电话装置)的耦合所引起的；以及电子或线路回波，其是由于在交换站进行2至4线转换期间线路阻抗不匹配所引起的。由此，回波抵消对于保持好的通信质量而言是很重要的。此外，随着增加了端到端传输延迟的VoIP电话的发展，回波抵消是必需的(VoIP＝使用互联网协议传输的语音)。
回波抵消器的任务是模拟回波信号，由此提供对回波信号的估计，并且从包括近端信号和远端信号的回波的组合信号中移除这个估计，产生理想地只包括近端说话者信号的剩余信号。所估计的回波信号也被称为回波路径估计。对于回波信号的建模，最普遍使用的是自适应有限冲激响应(＝FIR)滤波器。
然而，在来自近端和远端说话者的信号同时存在的双方讲话(doubletalk)期间回波抵消器的性能急剧恶化。由于近端话音的大的分量使得输出信号失真，所以由回波抵消器所确定的滤波器系数偏离它们的收敛状态。因此，真实的回波信号与由滤波器所生成的它的复本之间的误差增加了。双方讲话检测(＝DTD)模块的主要目标是检测远端说话者和近端说话者同时在说话的阶段，并且在这些阶段期间暂停回波估计，以便阻止滤波器发散。
现有的用于DTD的解决方案可分成三类。第一，诸如Geigel DTD或鲁棒型Geigel DTD之类的基于能量的算法，其需要很少的MIPS但是并不非常有效(MIPS＝每秒百万条指令)。第二，诸如互相关或相干方法之类的基于相关的算法，其在高的回波-噪声比的条件下是十分有效的，但是这些方法需要大量的存储器存储并且涉及很高的计算复杂度。第三，基于回波路径估计滤波器演化控制的方法具有比Geigel DTD方法更高的性能，但有与基于相关的方法几乎一样的计算复杂度。
当前，不存在任何一种在效率与复杂度之间提供较好折衷的解决方案。而且，现在的解决方案没有为漏检的情况作准备，漏检也即实际的双方讲话状态未被算法检测出来。这样，允许对整个滤波器长度进行调整将是无用的并且由此导致整个滤波器的发散。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的DTD解决方案。
本发明的目的通过一种对滤波器的调整进行控制的方法来实现，其中该滤波器是用于对回波路径冲激响应进行建模以在第一终端与第二终端之间的电信连接中实现回波抵消的自适应FIR滤波器，该第一终端在该电信连接的第一端处提供近端信号而该第二终端在该电信连接的另一端处提供远端信号，其中该方法包括以下步骤在多窗口方案中在时域上确定多个滤波器段和远端信号的段；将与远端信号的各个段相关联的能量级别同与近端信号的抽样相关联的能量级别进行比较；以及基于能量级别的比较的结果启动对与远端信号的各段相关联的各滤波器段的调整。本发明的目的还通过一种用于对滤波器的调整进行控制的控制器来实现，其中该滤波器是用于对回波路径冲激响应进行建模以在第一终端与第二终端之间的电信连接中实现回波抵消的自适应FIR滤波器，该第一终端在该电信连接的第一端处提供近端信号而该第二终端在该电信连接的另一端处提供远端信号，其中该控制器适于在多窗口方案中在时域上确定多个滤波器段和远端信号的段；将与远端信号的各个段相关联的能量级别同与近端信号的抽样相关联的能量级别进行比较；以及基于能量级别的比较的结果启动对与远端信号的各个段相关联的各个滤波器段的调整。本发明的目的还通过一种用于对滤波器的调整进行控制的计算机程序产品来实现，其中该滤波器是用于对回波路径冲激响应进行建模以在第一终端与第二终端之间的电信连接中实现回波抵消的自适应FIR滤波器，该第一终端在该电信连接的第一端处提供近端信号而该第二终端在该电信连接的另一端处提供远端信号，其中当由控制器运行该计算机程序产品时该计算机程序产品执行以下步骤在多窗口方案中在时域上确定多个滤波器段和远端信号的段；将与远端信号的各个段相关联的能量级别同与近端信号的抽样相关联的能量级别进行比较；以及基于能量级别的比较的结果启动对与远端信号的各个段相关联的各个滤波器段的调整。
使用该方法，在单方讲话(single-talk)阶段，工作在主要(或首要)回波上的滤波器的段被调整的概率非常高。对于滤波器的其它段，即使常常没有启动调整-例如如果所考虑的帧内的远端能量级别为低-它也不是关键问题，因为这些段不包含任何有用信息。由此，这个滤波器段处理保证了高收敛率。
通过将滤波器分段成子滤波器，滤波器的不期望的调整的风险就被最小化了。在双方讲话期间，当检测错误发生时，也即双方讲话的情况没有被检测出来时，滤波器的每个段被完全独立地处理的事实限制了发散扩展并不是所有的滤波器段都将同时发散，而仅仅是不满足能量差值条件的那些滤波器段将会发散。
除此之外，这种方法的可忽略的计算复杂度使得能够在实现其它现有的解决方案的同时实现这种方法以提高双方讲话检测的鲁棒性。
大量的DTD应用基于Geigel算法，本发明是该算法的一种增强。由此并且因为回波抵消器的整体质量极大地取决于它的DTD性能，所以本发明意味着在回波抵消领域中的大范围的显著的进步。
由从属权利要求所指示的本发明的实施例实现了其它优点。
根据本发明的优选的实施例，滤波器段是根据时域内的滤波器表示创建的，时域内的滤波器表示也即相对时间绘出的滤波器特性。时域内的滤波器表示被分成N个滤波器段，其中N＞1。同样，远端信号的段是根据时域内的远端信号表示创建的。抽取远端信号的N个抽样，其中远端信号的这N个抽样中的每个抽样对应着N个滤波器段中的一个段。根据远端信号的这N个抽样中的每个抽样，确定相应的能量级别。在时域内获取近端信号的当前抽样，该近端信号的当前抽样将针对不期望的回波进行纠正，并且确定相应的能量级别。接着，针对远端信号的N个段中的每个段，将远端信号的第i段的能量级别同近端信号的相应的能量级别进行比较，其中1≤i≤N。基于该能量级别比较的结果，相应的第i个滤波器段的调整被启动或禁止。
根据本发明的另一个优选实施例，相对时间，用远端信号和近端信号的能量的可比的表示来绘出远端信号和近端信号，并且根据这些表示确定了远端信号和近端信号的相应的能量级别。接着，计算远端信号的第i段的能量级别与近端信号的当前抽样的相应的能量级别的比值。所计算的比值被用于所述能量级别的比较。该比较包括所述比值与预定的阈值的比较。基于该比较，决定为对应着远端信号的第i段的第i个滤波器段的调整。如果该比值比阈值高，则允许对相应的第i个滤波器段进行调整然而，如果该比值比阈值低或等于阈值，则这就被用作双方讲话存在的指示，并且不允许对相应的第i个滤波器段进行调整。
根据本发明的另一个优选实施例，基于最小回波路径衰减的假设来定义用于所述能量级别的比较的阈值。在给定的电话连接中，回波路径衰减-也称为回波返回损耗(＝ERL)-取决于所交换的电话网络特性。在ITU-T G.168建议中，将6dB指定为大多数网络所遇到的典型的最差情况的值。由此，大多数回波抵消器的最小回波路径衰减被设成6dB，或者有时被设成3dB或0dB。
在优选实施例中，远端信号的N个段被确定为该远端信号的N个后续的等距的段，也即包括远端信号的当前抽样以及与远端信号的当前抽样相比邻的远端信号的N-1个过去的时域段。针对远端信号的这N个段中的每个段，确定相应的滤波器段，其中N＞1。
根据本发明的另一个优选实施例，将远端信号的N个段中的每个段的段尺寸选择成与近端信号的抽样尺寸相等。这样，在该方法中所使用的远端信号抽样的长度是近端信号抽样长度的N倍。
优选地，控制器适于与现有DTD单元并行工作。可将控制器实现在现有的DTD单元中或者安装在单独的地方。控制器可被用来检查DTD单元的结果。在现有DTD单元不对双方讲话做出判决并且由控制器对双方讲话做判决的情况下，控制器替代(overrule)现有DTD单元的判决。
优选地，控制器适于从现有的测量所述能量级别的双方讲话检测单元接收关于能量级别的数据。这样，控制器可以利用DTD单元的现有资源。
通过结合附图阅读后续的对目前优选的示例性实施例的详细说明，将更好地理解本发明的这些以及其它特征和优点，其中图1是根据本发明的实施例的电话连接的方框图。
图2是根据本发明消息的实施例的AEC的方框图。
图3a是根据本发明的实施例的回波路径估计FIR滤波器的示图。
图3b是根据本发明的实施例的远端信号的示图。
图3c是根据本发明的实施例的近端信号的示4是示出根据本发明的实施例的控制器的处理步骤的消息流程图。
为了简化说明，在后续章节中选取了声学回波抵消器(＝AEC)的例子，但是本发明可以内嵌于任何类型的回波抵消器中。
具体实施例方式
图1示出了在第一终端1与第二终端2之间的电话连接8，该第一终端1被分配给第一用户10，该第二终端被分配给第二用户20。该电话连接8包括穿过电信网3的电信号12b、21的交换。该电信网3可包括诸如PSTN(PSTN＝公共交换电话网)类型的传统电话网和/或诸如VoIP网络之类的分组交换电话网。终端1、2可以是传统电话装置和/或VoIP电话。
源自第二终端2的麦克风202的电信号21经由电信网3传输到第一终端1的扬声器101。源自第一终端1的麦克风102的电信号12b经由电信网3传输到第二终端2的扬声器201。第一终端1的麦克风102接收来自第一用户10的声学语音信号122，来自扬声器101的经由空气和第一终端1的外壳传输的声学回波信号121，以及声学和/或电信道噪声信号123。由麦克风102接收的信号121、122、123被麦克风102转换成电信号12a并且在被作为电信号12b传输给第二终端2之前由AEC4进行处理。在第二终端2处，借助扬声器201将电信号12b重新转换成声学信号。
与第一终端1类似，第二终端2的麦克风202也接收来自第二用户20的语音信号，来自扬声器201的回波信号，以及来自第二终端2的环境的信道噪声信号，然而其未在图1中示出以简化描述。由麦克风接收的信号被麦克风转换成电信号并被作为电信号21经由电信网3传输给第一终端1。
尽管第二终端2也可包括AEC，但是出于简化的原因，本发明的描述将局限于第一终端1中包括的AEC4。由于我们集中在第一终端1中的AEC4，所以在后续部分中将源自第一终端1的电信号12a、12b分别称为原始近端信号12a和剩余近端信号12b，而将源自第二终端2的电信号21称为远端信号21。
由于源自扬声器101的声波在围绕第一终端1的环境9内传播，并且在位于环境9中的不同表面处经历反射，所以到达麦克风102的声学回波信号121包括反射声波的不同分量，其中每个分量示出了相对于原始声波的各自的衰减和各自的延迟。
麦克风102所接收的回波信号121是由麦克风102所接收的信号121、122、123中的不想要的成分。为了防止第二用户20在接听来自其扬声器201的信号时察觉到声学回波，借助滤波器来调整激励扬声器101的远端信号21以尽可能像地模拟回波信号121，并且从声学和/或电信号121、122、123之外的由麦克风102所创建的原始近端信号12a中减去该远端信号21。在许多情况下，该滤波器是用于对回波路径冲激响应进行建模的自适应FIR滤波器。滤波和减法的处理步骤是在AEC4中实施的。
图2是示出AEC4的方框图。借助AEC4，根据如参考图1所描述的从麦克风202发送往扬声器101的远端信号21，对由麦克风102所产生的原始近端信号12a进行修改。源自扬声器101的声波121a由于回波效应120的缘故被修改并且作为回波信号121b与来自第一用户10的声学语音信号122以及信道噪声信号123一起到达麦克风102。麦克风102接收信号121b、122、123并将信号121b、122、123转换成原始电信号12a，其中回波信号121b表示电近端信号12a的成分。
AEC4包括DTD单元5、滤波单元6、以及减法单元7。滤波单元6包括滤波器调整单元61和加法单元62。滤波器调整单元61持续接收远端信号21的副本215并且借助分离器单元63将所接收的副本215分离成N个等距段。借助具有与远端信号215的这N个等距段相同的段尺寸的N个相应的滤波器段611至614，修改远端信号215的这N个段，结果得到滤波后的信号6110、6120、6130、6140。在加法单元62中，滤波后的信号6110、6120、6130、6140被重组并被作为信号620发送给减法单元7。在减法单元7中，从原始近端信号12a中减去信号620，结果得到剩余的近端信号12b。剩余的近端信号12b的一个副本被作为反馈信号126发送给滤波器调整单元61，在滤波器调整单元61中该反馈信号126被用于对滤波器段611至614进行调整。由此，滤波单元6表示自适应系统。
DTD单元5包括控制器50和用于确定原始近端信号12a的能量级别的模块51。控制器50包括计算器510、仲裁器520和分析器530。将原始近端信号12a的一个副本作为信号125提供给模块51，在模块51中确定近端信号125的能量级别。同样，将远端信号21的副本作为信号211至214发送给分析器530并且将其引导给模块531至534。模块531至534包括延迟电路和用于确定远端信号211至214的能量级别的单元。
分析器530将远端信号21分成N个等距段211至214，这N个等距段的尺寸与滤波器段611至614的尺寸相等。第一模块531接收并保存具有与等距滤波器段611至614的时间长度相等的时间长度的远端信号21的当前抽样。第二模块532保存具有与由第一模块531所保存的远端信号抽样的时间长度相等的时间延迟的远端信号的抽样。通过这种方式，每个模块531至534保存远端信号的另一个抽样，以致多个模块531至534保存远端信号21的过去的N个抽样211至214。
确定远端信号21的N个段211至214的能量级别并且将其作为信号5310、5320、5330、5340发送给计算器510。计算器510计算远端信号21的第i段的能量级别5330与原始近端信号12a的当前抽样125的相应的能量级别52的比值，并且将所计算的比值与控制器500基于最小回波路径衰减的假设所定义的阈值进行比较。
计算器510中的计算结果被发送给仲裁器520。如果所计算的比值比阈值高，则仲裁器520启动滤波器调整单元61中的对相应的第i个滤波器段613的调整。另一方面，如果该比值比阈值低或者等于阈值，则仲裁器520对双方讲话做出决定并且阻止滤波器调整单元61中的对相应的第i个滤波器段613的调整。分别将启动信号和阻止信号经由信号信道5061从控制器50传输给滤波器调整单元61。
图3a示出了回波路径估计FIR滤波器的示例性的表示，其中相对于时间80以任意单位81绘出了滤波器信号600的幅度。在时域中将滤波器信号600分成等距的段611至614。
对应于在图3a中示出的示图，图3b示出了远端信号21的过去的N个抽样。相对于时间80，以任意单位82绘出了远端信号21。在时域中将远端信号21分成N段211至214，这N个段具有与在图3a中所示出的段611至614相同的时间宽度并且为其中的每个段确定了能量级别。
图3c示出了原始近端信号12a的当前抽样的示图，其被相对于时间80以任意单位83绘出。抽样125的时域宽度具有与在图3a中所示出的段611至614中的每个段以及在图3b中所示出的段211至214中的每个段相同的尺寸。对于远端信号21的段211至214中的每个段以及对于原始近端信号12a中的段125，信号21、600的能量级别被确定。接着，将所确定的远端信号21的每个段211至214的能量级别与原始近端信号12a的段125的能量级别进行比较。这通过计算远端信号21的第i段213的能量级别与原始近端信号12a的当前抽样125的能量级别的比值来完成。如果所计算的比值比阈值高，则滤波器的相应的第i个段613被释放以便进行调整。否则，如果该比值比阈值低或等于阈值，则对滤波器的相应的第i个段613的调整被阻止。
图4示出了具有处理步骤401至408的消息流程图，这些步骤在控制器50中执行。在程序的起始401之后，在第一步骤402中将循环变量i设成初始值1。在接下来的步骤403中，计算远端信号21的第一段的能量级别与原始近端信号12a的段125的能量级别的比值，并且将该比值与阈值T进行比较。如果比较显示该比值比阈值T高，则在步骤405中释放第一个滤波器段611以便进行调整。另一方面，如果所计算的比值等于阈值T或者比阈值T低，则在步骤404中阻止对第一个滤波器段611的调整。
在任意一种情况下，在下一个步骤406中将循环变量i的值增加1。在将循环变量i的值增加到下一个更高的值之后，在步骤407中执行检查即该循环变量i的当前值是否比段N的总数高。如果不是这种情况，则针对循环值的当前值来循环运行相同的步骤403至407。在这种方式下，对于滤波器信号600的所有N个段611至614，确定是否打开N个滤波器段611至614的各自的段以便借助滤波器调整单元61进行调整。如果已经针对值等于N的循环变量i执行了循环步骤403至406，则判决步骤407为正，并且消息流已经到达结束408。
权利要求
1.一种对滤波器的调整进行控制的方法，其中所述滤波器是用于对回波路径冲激响应进行建模以在第一终端与第二终端之间的电信连接中实现回波抵消的自适应有限冲激响应滤波器，所述第一终端在所述电信连接的第一端处提供近端信号而所述第二终端在所述电信连接的另一端处提供远端信号，其中所述方法包括以下步骤在多窗口方案中在时域上确定多个滤波器段和所述远端信号的段；将与所述远端信号的各个段相关联的能量级别同与所述近端信号的抽样相关联的能量级别进行比较；以及基于所述能量级别的比较的结果启动对与所述远端信号的各个段相关联的各个滤波器段的调整。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括以下步骤通过将所述滤波器的时域表示分成N个滤波器段来生成所述滤波器段，其中N＞1；通过抽取所述远端信号的N个抽样来生成所述远端信号的段，所述N个抽样中的每个抽样对应着所述N个滤波器段中的一个段；将所述远端信号的第i段的能量级别与所述近端信号的当前抽样的相应的能量级别进行比较，其中1≤i≤N；以及基于所述能量级别的比较的结果，启动对相应的第i个滤波器段的调整。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括以下步骤针对所述能量级别的比较，计算所述远端信号的第i段的能量级别与所述近端信号的当前抽样的相应的能量级别的比值；将所述比值与阈值进行比较；如果所述比值比所述阈值高，则启动对相应的第i个滤波器段的调整；以及如果所述比值比所述阈值低或等于所述阈值，则对双方讲话做出判决，并且阻止对相应的第i个滤波器段的调整。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括以下步骤针对所述能量级别的比较，基于最小回波路径衰减的假设来定义阈值。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括以下步骤确定所述远端信号的N个后续的等距的段，所述N个段中的每个段对应着N个滤波器段中的一个段，其中N＞1。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括以下步骤确定所述远端信号的段尺寸等于所述近端信号的抽样尺寸。
7.一种用于对滤波器的调整进行控制的控制器，其中所述滤波器是用于对回波路径冲激响应进行建模以在第一终端与第二终端之间的电信连接中实现回波抵消的自适应有限冲激响应滤波器，所述第一终端在所述电信连接的第一端处提供近端信号而所述第二终端在所述电信连接的另一端处提供远端信号，其中，所述控制器适于在多窗口方案中在时域上确定多个滤波器段和所述远端信号的段；将与所述远端信号的各个段相关联的能量级别同与所述近端信号的抽样相关联的能量级别进行比较；以及基于所述能量级别的比较的结果启动对与所述远端信号的各个段相关联的各个滤波器段的所述调整。
8.根据权利要求7所述的控制器，其中，所述控制器适于与现有的双方讲话检测单元并行工作；以及如果所述现有的双方讲话检测单元不对双方讲话做出判决并且由所述控制器对双方讲话做判决，则该控制器替代现有的双方讲话检测单元。
9.根据权利要求7所述的控制器，其中，所述控制器适于从现有的测量所述能量级别的双方讲话检测单元接收关于所述能量级别的数据。
10.一种用于对滤波器的调整进行控制的计算机程序产品，其中所述滤波器是用于对回波路径冲激响应进行建模以在第一终端与第二终端之间的电信连接中实现回波抵消的自适应有限冲激响应滤波器，所述第一终端在所述电信连接的第一端处提供近端信号而所述第二终端在所述电信连接的另一端处提供远端信号，其中，当由控制器运行所述计算机程序产品时，所述计算机程序产品执行以下步聚在多窗口方案中在时域上确定多个滤波器段和所述远端信号的段；将与所述远端信号的各个段相关联的能量级别同与所述近端信号的抽样相关联的能量级别进行比较；以及基于所述能量级别的比较的结果启动对与所述远端信号的各个段相关联的各个滤波器段的调整。
全文摘要
本发明涉及一种对滤波器的调整进行控制的方法以及用来运行这种方法的控制器和计算机程序产品。该滤波器是用于对回波路径冲激响应进行建模以在第一终端与第二终端之间的电信连接中实现回波抵消的自适应有限冲激响应滤波器，该第一终端在该电信连接的第一端处提供近端信号而该第二终端在该电信连接的另一端处提供远端信号。在多窗口方案中在时域上确定多个滤波器段和远端信号的段。将与远端信号的各个段相关联的能量级别同与近端信号的抽样相关联的能量级别进行比较。基于能量级别的比较的结果，启动或禁止对与远端信号的各个段相关联的各个滤波器段的调整。
文档编号H04M3/24GK101026392SQ200710004230
公开日2007年8月29日 申请日期2007年1月18日 优先权日2006年2月22日
发明者穆莱·法迪利, 叙塔尔西尼·伊尔朗戈, 阿布德尔克里姆·穆勒伊阿夫伊 申请人:阿尔卡特朗讯