专利名称：一种用于小型免提语音通讯系统中的回声消除装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及回声消除技术领域，特别涉及一种用于小型免提语音通讯系统中的回声消除装置。
背景技术：
语音通讯中常有回声问题，受话端信号由受话器(也称为听筒、receiver, SPK或earphone等)播放后，经过线路和声学反射串入送话端(也称为麦克风或拾音器等)的接收信号中，并馈送到远端，使远端的通讯联络人听到回声。回声会给通话双方造成极大干扰，影响通话质量。回声很大时还可能导致受话器嘯叫并损伤受话器。为保证通话质量和设备安全，需要在语音通讯中对回声进行抑制。回声从产生机制上分可以分为线性回声成分和非线性回声成分两类，其中线性回声成分是由电声线路放大和声学传输产生，非线性回声成分是由受话器的非线性失真和声学传输产生。线性回声成分消除通常采用自适应回声消除技术，这种技术是应用很广泛的成熟技术，可以消除线性回声成分且不会损伤近端语音。但是非线性回声成分的消除很容易造成近端语音受损，致使双工性能变差，甚至会使信道变成半双工。半双工现象在小型免提语音通讯设备上很常见，如具有免提功能的手机或对讲电话(speakerphone)中，因为这类设备的受话器非线性失真和非线性回声成分都较大。随着对语音通讯流畅度和舒适度需求的不断提升，需要在抑制回声的同时保护近端语音，保证双工效果。由于双工的损失主要出现在非线性回声成分消除中，因此特别需要对非线性回声成分消除技术做改进。在小型免提语音通讯设备上的回声消除，提升双工性能的一类做法是借助送话器阵列，将回声滤波与阵列空间滤波相结合，利用回声传播到各个送话器的信号差异，实现回声提取并与语音分离，如中国 专利申请号为201110326010.0的实用新型专利申请中提到的方法，应用阵列信号处理和回声消除，可以实现接近全双工的通话。但是这种方法需要精确判定回声和近端语音到送话器阵列的波达方向，因而对送话器一致性要求很高，不仅需要送话器灵敏度一致，更需要相位的一致性，因此需要严格的声学设计，而在小型免提设备上，由于结构紧凑，尺寸有限，很难完全满足声学设计尤其是相位一致性的要求，因此限制了其应用。
发明内容本实用新型提供一种小型免提语音通讯系统中的回声消除装置，在降低回声时减轻对近端语音的损伤，提升双工性能，同时不严格要求送话器的相位一致性。本实用新型公开了一种用于小型免提语音通讯系统中回声消除的装置，所述小型免提语音通讯系统包括受话器、主送话器和辅送话器，主送话器与受话器之间的距离大于辅送话器与受话器之间的距离，其中，该装置包括在结构上依次级联的:阵列回声消除单元、自适应回声消除单元以及残留回声消除单元，阵列回声消除单元的输入是主送话器信号和辅送话器信号，通过阵列滤波，去除主送话器信号中的部分线性回声成分和部分非线性回声成分，得到一路输出信号；自适应回声消除单元的输入信号是受话器信号和阵列回声消除单元的输出信号以及辅送话器信号，通过自适应滤波，分别从阵列回声消除单元的输出信号中去除主送话器信号中的残余线性回声成分和从辅送话器信号中去除辅送话器信号中的线性回声成分，得到两路输出信号；残留回声消除单元的输入信号是自适应回声消除单元的两路输出信号，通过语音概率估计和回声匹配，去除主送话器信号中的残余非线性回声成分，得到一路输出信号作为消除回声后的语音信号。本实用新型实施例的有益效果是:根据本实用新型的用于小型免提语音通讯系统中回声消除的装置，通过充分利用小型免提语音通讯系统的声学特性以及送话器和受话器的位置信息，通过对不同送话器信号进行总体轮廓匹配和幅度匹配，得到幅度匹配回声；利用回声到不同送话器的幅度差异，由于不同送话器信号幅度差异越大，近端语音概率越小，则能够提取指示语音和回声在各个时频区域的比例语音概率信息，将语音区域和回声区域划分开来，有效去除残留回声，并保护近端语音，提升双工性能，同时不严格要求送话器的相位一致性。
图1为本实用新型用于小型免提语音通讯系统中回声消除的装置所应用的受话器和送话器位置的示意图；图2为本实用新型用于小型免提语音通讯系统中回声消除的装置所应用的桌面小型免提语音通讯 系统的使用示意图；图3为本实用新型用于小型免提语音通讯系统中回声消除的装置所应用的车用小型免提语音通讯系统的使用示意图；图4 Ca)为两送话器信号中回声成分能量曲线示意图；图4 (b)为主辅送话器信号中的近端语音成分能量曲线示意图；图4 (c)为主送话器中回声成分和近端语音成分的能量曲线示意图；图5 Ca)为主送话器信号能量曲线示意图；图5 (b)为主送话器回声成分能量曲线示意图；图5 (c)为主送话器近端语音成分能量曲线示意图；图6为本实用新型较佳实施例提供的用于小型免提语音通讯系统中回声消除的装置在使用状态下的方框示意图；图7为辅送话器到主送话器的各个信号成分的传递函数示意图；图8为主送话器信号和阵列滤波后的输出信号的能量曲线示意图；图9为阵列滤波组件输出信号与自适应回声滤波得到的第一自适应滤波信号的能量曲线示意图；图10为第一自适应滤波信号和第二自适应滤波信号的非线性回声成分的能量曲线示意图；图11为第一自适应滤波信号的非线性回声的能量曲线和匹配回声的能量曲线示意图；图12 Ca)为主送话器信号的能量曲线示意图；[0025]图12 (b)主送话器信号中的近端语音成分的能量曲线示意图；图12 (c)为消除回声之后的输出信号的能量曲线示意图；图13为本实用新型较佳实施例提供的用于小型免提语音通讯系统中回声消除的装置的使用方法的流程图。图14为本实用新型较佳实施例提供的用于小型免提语音通讯系统中回声消除的装置的使用方法的详细的流程图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步的详细描述。图1为本实用新型用于小型免提语音通讯系统中回声消除的装置所应用的受话器和送话器位置的示意图。图2为本实用新型用于小型免提语音通讯系统中回声消除的装置所应用的小型免提语音通讯系统的使用示意图。图3为本实用新型用于小型免提语音通讯系统中回声消除的装置所应用的车用免提小型免提语音通讯系统的使用示意图。对于使用者来说，使用者到送话器(例如麦克风)的距离接近相等，也就是说，每一个送话器所接收到的使用者发出的近端语音信号是基本相同的。但是对于受话器(例如扬声器)而言，受话器到各个送话器的距离不等，如果受话器和主送话器的距离是D1，与辅送话器的距离是D2，当D1>D2时两个送话器接收的受话器发出的回声之间有功率差异，而两个送话器收到的使用者发出的近端语音是几乎相同的，因此根据功率关系的差异，可以区分语音和回声，达到分离语音和回声的目的。本实用新型正是利用这一功率的差异来进行语音和回声的分离。本实施例中，D1>=2D2，例如Dl=13cm，D2=4cm，此时由于Dl与D2的明显不同，两个送话器接收的受话器发出的回声之间功率差异明显，效果更佳。图4 Ca)为两送话器信号`中回声成分能量曲线示意图；图4 (b)为主送话器信号和辅送话器信号中的近端语音成分能量曲线示意图；图4 (c)为主送话器中回声成分和近端语音成分的能量曲线示意图。图5 (a)为主送话器信号能量曲线示意图；图5 (b)为主送话器回声成分能量曲线示意图；图5 (c)为主送话器近端语音成分能量曲线示意图。归纳起来，送话器信号有如下特性:第一，由图4 (a)、图4 (b)可知两个送话器信号中的回声成分有明显能量差异，辅送话器信号中的回声成分比主送话器信号中的回声成分高6dB以上。这是由于回声能量近似反比于送话器与受话器的距离，辅送话器距离受话器更近，接收到的回声更大。第二，由图4 (b)可知送话器信号中近端语音成分能量接近，这是由于在一般应用中，近端说话人的嘴距离两个送话器接近等距，因此两送话器接收到的近端语音能量也接近。第三，由图4 (C)可知在主送话器中，近端语音比回声能量略低，约低3到6dB。此外在图5 (a)_图5 (C)的语谱图上可见，当近端语音和回声同时出现时，在一些时频区域，近端语音会被回声掩盖。图6为本实用新型较佳实施例提供的用于小型免提语音通讯系统中回声消除的装置在使用状态下的方框示意图。图7为辅送话器到主送话器的各个信号成分的传递函数示意图。图8为主送话器信号和阵列滤波后的输出信号的能量曲线示意图。图9为阵列滤波组件输出信号与自适应回声滤波得到的第一自适应滤波信号的能量曲线示意图。图10为第一自适应滤波信号和第二自适应滤波信号的非线性回声成分的能量曲线示意图。图11为第一自适应滤波信号的非线性回声的能量曲线和匹配回声的能量曲线示意图。图12(a)为主送话器信号的能量曲线示意图。图12 (b)为主送话器信号中的近端语音成分的能量曲线示意图。图12 (c)为消除回声之后的输出信号的能量曲线示意图。本实用新型所提供的用于小型免提语音通讯系统中回声消除的装置由阵列回声消除单元610、自适应回声消除单元620和残留回声消除单元630组成，阵列回声消除单元610、自适应回声消除单元620和残留回声消除单元630在结构上为级联关系，阵列回声消除单元610的输入是主送话器信号dl和辅送话器信号d2，一路输出信号dl’，通过阵列滤波，去除主送话器信号中的部分线性回声成分和部分非线性回声成分；自适应回声消除单元620的输入信号是受话器信号X和阵列回声消除单元610的输出信号dl’以及辅送话器信号d2，两路输出信号el和e2，通过自适应滤波，分别从阵列回声消除单元610的输出信号dl’中去除主送话器信号中的残余线性回声成分和从辅送话器信号d2中去除辅送话器信号中的线性回声成分；残留回声消除单元630的输入信号是自适应回声消除单元620的两路输出信号el和e2，通过语音概率估计和回声匹配，去除主送话器信号中的残余非线性回声成分，输出信号是消除回声后的输出，即分离回声后的语音信号。经过阵列回声消除单元610、自适应回声消除单元620和残留回声消除单元630的处理，回声会被消除，而近端语音信号V会被较完整保留。更具体地，该装置包括:一个阵列滤波组件，两个自适应滤波组件，两个时频变换组件,一个语音概率估计组 件,一个频谱滤波组件和一个频时变换组件。其中的阵列滤波组件，包括阵列滤波器611和减法器612，阵列滤波器611用于对辅送话器信号d2进行阵列滤波得到第二阵列滤波信号，减法器612用于对主送话器信号dl减去第二阵列滤波信号，以去除主送话器信号中的部分线性回声和部分非线性回声，得到输出信号dl’。阵列滤波器具有空间指向性，可以将从受话器位置发出的声音检出，经减法器后将从受话器位置发出的声音消除掉一部分。由于线性回声成分和非线性回声成分都是从受话器位置发出的，因此在阵列滤波器与减法器处理后，线性回声成分和非线性回声成分都会被去除一部分。dl’相对于dl，回声成分的能量会明显衰减，而语音能量则不会有明显变化。这样的原理是，受话器与两个送话器的位置很近，且距离有显著差异，近端语音距离两个送话器较远，且距离接近。近端语音与回声传到送话器的传播特性完全不同，这种不同反映在两个送话器信号的传递函数中。通过传递函数的差异，可以区分语音和回声。根据回声成分之间的传递函数设计阵列滤波器611，用阵列滤波消除的方式去除回声，而近端语音成分则不受影响。设CU51为主送话器中的回声成分，dsphl为主送话器信号中的近端语音成分。CU52为辅送话器中的回声成分，dsph2s辅送话器信号中的近端语音成分。则主辅送话器信号可以表示为:(Ii = dechoi+dsphi, i = I, 2 (I)设h为回声成分之间的传递函数，hN为近端语音成分之间的传递函数，则有关系式:
权利要求1.一种用于小型免提语音通讯系统中回声消除的装置，其特征在于，所述小型免提语音通讯系统包括受话器、主送话器和辅送话器，主送话器与受话器之间的距离大于辅送话器与受话器之间的距离，其中，该装置包括在结构上依次级联的:阵列回声消除单元、自适应回声消除单元以及残留回声消除单元， 阵列回声消除单元的输入是主送话器信号和辅送话器信号，通过阵列滤波，去除主送话器信号中的部分线性回声成分和部分非线性回声成分，得到一路输出信号； 自适应回声消除单元的输入信号是受话器信号和阵列回声消除单元的输出信号以及辅送话器信号，通过自适应滤波，分别从阵列回声消除单元的输出信号中去除主送话器信号中的残余线性回声成分和从辅送话器信号中去除辅送话器信号中的线性回声成分，得到两路输出信号； 残留回声消除单元的输入信号是自适应回声消除单元的两路输出信号，通过语音概率估计和回声匹配，去除主送话器信号中的残余非线性回声成分，得到一路输出信号作为消除回声后的语音信号。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于， 所述阵列回声消除单元包括一个阵列滤波组件，所述阵列滤波组件，包括阵列滤波器和减法器，阵列滤波器用于对辅送话器信号进行阵列滤波得到第二阵列滤波信号，减法器用于对主送话器信号减去第二阵列滤波信号，以去除主送话器信号中的部分线性回声成分和部分非线性回声成分； 所述自适应回声消除单元包括两个自适应滤波组件，所述两个自适应滤波组件，用于分别对辅送话器信号进行自适应滤波得到第二自适应滤波信号以去除辅送话器信号中的线性回声成分，以及对主送话器信号减去第二阵列滤波信号后的信号进行自适应滤波得到第一自适应滤波信号以去除主送话器信号中的残余线性回声成分； 所述残留回声消除单元包括两个时频变换组件、一个语音概率估计组件、一个频谱滤波组件，和一个频时变换组件，所述两个时频变换组件，用于分别对第一自适应滤波信号进行时频变换得到第一自适应频域信号以及对第二自适应滤波信号进行时频变换得到第二自适应频域信号； 所述语音概率估计组件，用于根据第一自适应频域信号与第二自适应频域信号的幅度进行频域语音概率估计得到频域语音概率信号，所述频域语音概率信号表示第一自适应频域信号之中近端语音信号所占的比例；所述频谱滤波组件，包括回声匹配器、减法器和乘法器，回声匹配器用于根据第一自适应频域信号和第二自适应频域信号的幅度，对第二自适应频域信号进行回声匹配；减法器用于将第一自适应频域信号与回声匹配后的结果相减以去除非线性回声成分信号；乘法器用于将相减得到的结果与频域语音概率信号相乘以抑制回声信号且保护近端语音信号；所述频时变换组件，用于将相乘得到的结果进行频时变换，以输出回声消除的结果。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，D1>2D2 且 Dl-D2>6cm ； 其中，Dl是主送话器与受话器之间的距离，D2是辅送话器与受话器之间的距离； 阵列滤波器的传输函数由如下公式确定:
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述语音概率估计组件，用于根据如下公式计算频域语音概率信号:
5.根据权利要求2至4任一权利要求所述的装置，其特征在于， 所述回声匹配器，用于将全频率划分为M个子带，子带边界为B1 BM+1，在每个子带内进行如下的计算: 计算匹配函数Hm:
专利摘要本实用新型公开了一种用于小型免提语音通讯系统中回声消除的装置，该系统包括受话器、主送话器和辅送话器，主送话器与受话器之间的距离大于辅送话器与受话器之间的距离。装置包括在结构上依次级联的阵列回声消除单元、自适应回声消除单元以及残留回声消除单元。阵列回声消除单元的输入是主送话器信号和辅送话器信号，通过阵列滤波得到一路输出信号；自适应回声消除单元的输入信号是受话器信号和阵列回声消除单元的输出信号以及辅送话器信号，通过自适应滤波得到两路输出信号；残留回声消除单元的输入信号是自适应回声消除单元的两输出信号，通过语音概率估计和回声匹配得到消除回声的语音信号；可提升双工性能且不严格要求送话器的相位一致性。
文档编号H04M9/08GK203104592SQ201220710608
公开日2013年7月31日 申请日期2012年12月20日 优先权日2012年12月20日
发明者刘崧, 楼厦厦, 李波 申请人:歌尔声学股份有限公司