专利名称：具有延迟补偿的回声/噪声消除器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种回声/噪声消除器，用于除去输入信号中的回声和噪声成份。
回声消除器和噪声消除器用在话音通信终端例如电视会议终端，安装在汽车上的免提式电话机，以及便携式电话机中。未审查的日本专利申请No.8789/1996叙述了一种话音通信系统，其中噪声消除器从回声消除器的输出中除去噪声成份，并且噪声消除器的输出被用于调整回声消除器中的自适应滤波系数。这一安排的理由是使用噪声消除器的输出调整自适应滤波系数能将残余回声降低到一个较低的水平。在这一安排的一个变例中，回声消除器的输出即噪声消除器的输入被用来调整自适滤波系数直到残余回声被降低到本地环境噪声水平为止，然后再用噪声消除器的输出获得进一步的降低。
这种安排的一个问题是噪声消除器的处理延迟。大多数最新的噪声消除器都把输入信号分成若干帧(frame)并一次处理一个帧。例如，使用频谱减法的噪声消除器就采用这种方式工作。频谱减法以及其他以帧为基础的噪声消除方法具有精度高的优点，但这些方法会生成一个不可避免的等于或大于帧长度的处理延迟。
在上面叙述的安排中，噪声消除器中的长处理延迟能妨碍回声消除器中自适应滤波系数的收敛或者能使得系数数值摆动。更详细的叙述将在下面给出。
因此，本发明的一个目的是提供一种补偿噪声消除器中处理延迟的回声/噪声消除器。
本发明的另一个目的是获得高水平的回声降低。
再另一个目的是节省功率。
本发明的回声/噪声消除器包括一个回声消除器和一个噪声消除器。回声消除器具有一个自适应滤波器，自适应滤波器根据被接收信号的多个最新样本使用多个系数生成一个回声拷贝(replica)。从本地输入信号减去这个回声拷贝以消除被接收信号的回声，从而生成一个第一残余信号。噪声消除器消除第一残余信号中的本地环境噪声，生成一个具有相对于第一残余信号的某种处理延迟的第二残余信号。
自适应滤波器具有一个存储上述被接收信号的最新样本数值的样本寄存器，一个存储被接收信号的多个较老样本数值的延迟样本寄存器，以及一个根据较老样本数值和第二残余信号调整上述系数的系数调整器。
回声消除器最好具有一个检测器，在本地环境噪声水平不高时，关闭噪声消除器并使得系数调整器使用第一残余信号和最新样本数值调整系数。
存储在样本寄存器中的样本数值和存储在延迟样本寄存器中的样本数值之间的延迟补偿噪声处理器的处理延迟，以使系数调整协调一致地进行。然后利用第二残余信号达到高水平的回声降低。
当本地环境噪声水平不高时，关闭噪声消除器可节省功率。
在附图中
图1是本发明第一实施例的方框图；图2是图1中自适应滤波器的一个更详细的方框图；图3是一个曲线图，示出回声降低的计算机模拟结果；图4是本发明第二实施例的方框图；以及图5是图4中的自适应滤波器的一个更详细的方框图。
将参照所附例图叙述本发明的诸实施例。
参照图1，第一实施例是一种工作在通信设备中的回声/噪声消除器，具有一个输入端子1接收来自远方通信设备的数字信号X(n)，一个数/模转换器(DAC)2将所接收的信号转换成模拟信号以及一个扬声3，通过它将模拟信号重放成声音信号。一部份重放信号被送话器4以回声E的形式捡拾起来，送话器4还检拾本地环境噪声N和语音S。一个模/数转换器(ADC)5将送话器输出信号Y转换成数字化的本地输入信号Y(n)供应给回声消除器6。
字母‘n’是一个不连续的时间变量，表示例如说Y(n)是Y的第n个样本。取样频率例如说对于附图所示的全部数字信号均为8千赫(8KHz)。
回声消除器6包括一个双方讲话检测器7，一个自适应滤波器8和一个加法器9。自适应滤波器8包括一个系数寄存器10，一个运算电路11，一个新型的延迟样本寄存器12，一个样本寄存器13以及一个系数调整器(COEF.ADJ)14。回声消除器6的输出就是第一残余信号Er1(n)，其中由于回声(E)引起的成份已被衰减掉。
第一残余信号Er1(n)供应给噪声消除器15，后者把由于本地环境噪声(N)引起的成份衰减掉，从而造出一个第二残余信号Er2(n)。第二残余信号Er2(n)供应到输出端子16并返回远方的通信设备。
图2详细示出自适应滤波器8的结构。
系数寄存器10存储m个抽头系数(其中m是某个正整数)。在时刻n存储的抽头系数表示为hj(n)，其中j是一个从零变到m-1的整数。
延迟样本寄存器12和样本寄存器13一起构成一个由D型触发器17组成的移位寄存器，每次将被接收的信号X(n)延迟一个样本。D型触发器17的数目等于d+m-1，其中d是一个等效于噪声消除器15的处理延迟的正整数。在附图中，处理延迟d大于抽头系数的数目m。前(m-1)D型触发器17构成样本寄存器13；其余的D型触发器17组成延迟样本寄存器12。
第一个D型触发器17的输出X1(n)等于X(n-1)。下一个D型触发器的输出X2(n)等于X(n-2)，等等。被接收信号X(n)也将表示为X0(n)。
运算电路11包括m个乘法器18将样本寄存器13中存储的样本数值Xj(n)乘以系数寄存器10中存储的抽头系数hj(n)，以及包括m个加法器19对所得到的乘积求和以生成一个回声拷贝E’(n)。
系数调整器14包括一个功率计算器20，一个除法器21和一个系数替换器22。
下一步，将叙述第一实施例的工作。
参照图1，ADC5的输出Y(n)包括由回声E引起的成份E(n)，由本地环境噪声N引起的成份N(n)以及当本地用户说话时由本地用户的语音S产生的成份S(n)。
Y(n)＝S(n)+E(n)+N(n)由被接收信号X(n)的m个最新样本，自适应滤波器8预测回声成份E(n)并根据下面的方程生成一个回声拷贝E’(n)。E′(n)=Σj=0m-1Xj(n)hj(n)]]>如果适当调整抽头系数hj(n)，则回声拷贝E’(n)基本上等回声成份E(n)。加法器9将回声拷贝E’(n)的二进制补余数加到ADC5的输出Y(n)上，从而由Y(n)减去E’(n)，得到第一残余信号Er1(n)。
Er1(n)＝Y(n)-E’(n)＝S(n)+E(n)+N(n)-E’(n)≅S(n)+N(n)]]>噪声消除器15使用以帧为基础的方法估算噪声成份N(n)并从第一残余信号Er1(n)中减去所估算的噪声成份N’(n)以得出第二残余信号Er2(n)。能用在噪声消除器15中的噪声消除方法的例子除了频谱减法之外，还包括使用滤波器群和自适应滤波器的方法。这些方法的详细叙述将被省略掉。不管处理延迟d的长度如何，噪声消除器15都能使用任何以帧为基础的方法。
噪声消除器15的处理延迟可以表示成一个数字运算子Zd{}，在花括弧内从诸成份的离散时间变量n减去数量d。通过使用Er2(n-d)表示噪声消除器15在接收到作为输入的Er1(n)的时刻的输出指明延迟也是方便的。于是，Er2(n-d)=Zd{S(n)+N(n)-N′(n)}≅S(n-d)]]>因此，远方用户接收到具有延迟等于d但掺有微不足道的回声和噪声的语音成份。
双方讲话检测器7接收被接收信号X(n)，已数字化的本地输入信号Y(n)以及第一残余信号Er1(n)。双方讲话检测器7计算出一个声音静噪因子ACOM，例如说等于被接收信号X(n)和第一残余信号Er1(n)之间的功率比。双方讲话检测器7将ACOM与一个预定的门限值THd相比较，将Er1(n)的功率与另一个预定的门限值THi相比较，将X(n)的功率与另一个预定的门限值THst相比较，并将本地输入信号Y(n)的功率与又另一个预定的门限值Dy相比较。在这些比较的基础上，双方讲话检测器7决定何时以及怎样调整自适应滤波器8中的抽头系数和噪声消除器15中使用的系数。
双方讲话指一种远方用户和本地用户两者同时说话的状态。这一状态在ACOM小于门限值THd并且Y(n)的功率超过门限值Dy时检测出来。在双方讲话的状态下，双方讲话检测器7向自适应滤波器8和噪声消除器15发出命令暂停调整系数。使用已有的系数数值继续进行回声消除和噪声消除。
如果Er1(n)的功率大于门限值THi并且Y(n)的功率小于门限值Dy，即出现回声通路具有无限大损耗时的情况，双方讲话检测器7送出一个命令给自适应滤波器8使抽头系数朝零值收敛，并送出一个命令给噪声消除器15将噪声消除器15中的系数清除为零。这些作法的目的是避免把虚假的环境噪声和虚假的回声引入到残余信号之中。暂时认为不存在从扬声器3至送话器4的回声通路。
如果ACOM大于门限值THd并且被接收信号X(n)的功率大于门限值THst，即出现仅有远方用户在说话的情况时，双方讲话检测器7命令自适应滤波器8和噪声消除器15调整各自的系数。自适应滤波器8使用稍后要叙述的归一化最小均方值(NLMS)调整算法。对噪声滤波器15中使用的算法的叙述将被省略。这一状态称为单方说话的状态。
如果ACOM小于门限值THd并且X(n)的功率小于门限值THst，即出现仅有本地用户讲话的情况时，双方讲话检测器7送出命令给自适应滤波器8和噪声消除器15暂停系数调整。使用已有的系数数值继续进行回声消除和噪声消除。
当存在从双方讲话的状态向单方讲话的状态过渡时，双方讲话检测器7不立即命令噪声消除器15开始调整其系数，而是等待一个等于处理延迟d的时间。理由是用这个延迟d的周期，噪声消除器15继续处理在双方讲话状态期间生成的第一残余信号Er1(n)。
当双方讲话检测器7命令调整抽头系数时，自适应滤波器8执行以下操作。
再一次参照图2，在时刻n，延迟样本寄存器12保持从Xm(n)至Xd+m-1(n)共d个样本数值。这些样本数值已经被用于生成过回声拷贝信号，不再需要用于该目的了。从Xd(n)至Xd+m-1(n)这m个最老的样本并行提供给功率计算器20和除法器21。功率计算器20通过对这m个样本数值的平方求和算出所接收的功率数值P(n)。于是，P(n)便根据下面的方程算出。P(m)=Σi=dd+m-1Xi(n)Xi(n)]]>除法器21将从Xd(n)至Xd+m-1(n)这m个样本数值的每一个都除以所接收的功率数值P(n)，从而将各样本数值归一化。因此，在时刻n，除法器21输出m个商数数值PXj(n)，其中j从0变到m-1。PXj(n)的数值由下面的方程给出。
PXj(n)＝Xi(n)/P(n) (j＝i-d)数值PXj(n)就是归一化的样本数值在时间轴上移动3d-补偿噪声消除器15的处理延迟d。这些样本的非归一化数值便是用于从在时刻n已经变成了噪声消除器15的输出Er2(n-d)的信号中除去回声的数值。
系数替代器22使用噪声消除器15的输出Er2(n-d)和归一化的样本数值PXj(n)并借助NLMS算法调整抽头系数hj(n)。调整由下面的方程给出，其中α是步长增益，最好大于零而小于1。
hj(n+1)＝hj(n)+αPXj(n)Er2(n-d)PXj(n)(j＝0至m-1)与Er2(n-d)的正确调准，可以通过观察Er2(n-d)，Er1(n-d)和Y(n-d)全都具有同一样的语音成份S(n-d)，观察Er1(n-d)系通过从Y(n-d)减去E’(n-d)得到，观察E’(n-d)系使用Xj(n-d)(j＝0至m-1)计算出来，观察PXj(n)(j＝1至m-1)是由Xi(n)(j＝i-d，即i＝j+d)求出，以及观察Xi(n)或Xj+d(n)和Xj(n-d)两者均等于X(n-j-d)来检验。前面的方程也可重写成下面的形式。P(n)=Σk=0m-1Xk(n-d)Xk(n-d)]]>PXj(n)＝Xj(n-d)/P(n)hj(n+1)＝hj(n)+αPXj(n)Er2(n-d)hj(n+1)=hj(n)+α{Xj(n-d)/Σk=0m-1Xk(n-d)Xk(n-d)}Er2(n-d)]]>虽然处理延迟d可以具有任何数值，但d的数值将不与噪声消除器15用在噪声消除中的帧长度相差很多。帧长度被选择得在一个帧周期期间本地环境噪声的特性不致于变化很大。在这一长度的一帧期间，从扬声器3至送话回4的回声通路特性也不致于变化很大，这样，用于调整抽头系数的数值Xj(n-d)和Er2(n-d)中的延迟d就不会妨碍自适应滤波器8造出一个精确的回声拷贝E’(n)。
发明人通过计算机模拟测试了第一实施例的效果，所得结果示于图3。水平轴表示离散的时间(以一个样本为单位或是以八千分之一秒为单位)。垂直轴表示回声静噪因子ACOM(以分贝为单位)。被接收的信号X是高斯噪声信号或白噪声信号。从扬声器3至送话器4的回声通路固有衰减定在15分贝(15dB)。正在行驶的汽车引擎声音被用作本地环境噪声N。在送话器4处，回声对噪声的功率比定在15分贝。通过使用256个样本的帧长度频谱减法来执行噪声消除，降低本地环境噪声功率15分贝。
为了把回声降低到存在于用来调整抽头系数的残余信号中的本地环境噪声的水平，NLMS算法是众所周知的。在模拟条件下，由于在送话器4处的回声/噪声比等于15分贝并且噪声消除器15将噪声水平再降低15分贝，因而回声消除器6可望将回声衰减30分贝。ACOM的期望数值等于这30分贝再加上回声通路的固有15分贝衰减，或者说等于45分贝。随着抽头系数的收敛，实际得到了这一期望结果，如最上面的曲线23所示。
模拟的准确性在噪声消除器15不起作用的第二试验中进行测试。因为抽头系数以残余信号(其中本地环境噪声水平比前面的高15分贝)为基础调整的关系，ACOM的期望数值仅有30分贝。这一结果也已得到进一步的证明，如中间的曲线24所示。
和现有技术的测试一样，第三种模拟在噪声消除器15起作用，但不使用延迟样本寄存器12的情况下进行。给功率计算器20和除法器21供给存储在样本寄存器13中的样本数值Xo(n)至Xm-1(n)，而不是延迟样本寄存器12输出的样本数值Xd(n)至Xd+m-1(n)。发现ACOM的数值从回声通路提供的原始15分贝衰减向下漂移，如最下面的曲线25所示。回声消除器不仅不能消除回声，而且它本身不产生所不希望的噪声。
能够从图3得出的结论是当存在有显著的处理延迟d时，第一实施例能够使抽头系数正确收敛，而现有技术则根本不允许抽头系数收敛。
下一步，将叙述本发明的第二实施例。
图4示出第二实施例，对于完全一样或等效的元件使用与图1中同一样的标号。第二实施例中的新元件是一个单刀双掷开关26，它或者选择第一残余信号Er1(n)或者选择第二残余信号Er2(n)用于输入到自适应滤波器8中的系数调整器14。选择系根据来自双方讲话检测器7的方式信号M进行。开关26选择第二残余信号Er2(n)的工作方式下面将称为第一方式。开关26选择第一残余信号Er1(n)的工作方式将称为第二方式。
图5示出第二实施例中的自适应滤波器8的详细结构，对于完全一样的元件使用和图2同一样的标号。系数调整器14除了图2示出的元件之外，还有四个m刀单掷开关27、28、29和30。在闭合状态时，开关27将样本寄存器13的输出耦合到功率计算器20，开关28将延迟样本寄存器12的输出耦合到功率计算器20，开关29将样本寄存器13的输出耦合到除法器21，并且开关30将延迟样本寄存器12的输出耦合到除法器21。在第一工作方式下，开关27和29打开并且开关28和30闭合。在第二工作方式下，开关27和29闭合并且开关28和30打开。
下一步，将叙述第二实施例的工作，从双方讲话检测器7决定第一和第二方式的方法开始叙述。
一开始，双方讲话检测器7选择第一方式。无论在第一还是第二方式工作期间，双方讲话检测器7都算出被接收信号X(n)的功率与第一残余信号Er1(n)的功率之比，并将这个比值与一个预定的门限值TH1例如说45分贝(45dB)相比较。如果这一比值超过门限值TH1，则双方讲话检测器7转换到第二方式。当这一比值掉到低于门限值TH1时，双方讲话检测器7转换回到第一方式。
在第一方式，系数调整器14接收来自开关26的第二残余信号Er2(n)，并且功率计算器20和除法器21接收来自开关28和30的样本数值Xd(n)至Xd+m-1(n)。因此，第二实施例以和第一实施例一样的方法工作，通过考虑处理延迟d保持时间轴上的一致性。
在第二方式，功率计算器20根据m个最新样本数值Xj(n)计算出被接收信号的功率P(n)，其中j从零变到m-1，这些数值由开关27得到。P(n)=Σj=0m-1Xj(n)Xj(n)]]>除法器21将从开关29得到的这m个最新样本数值除以P(n)得出归一化的数值PXj(n)，其中j从零变到m-1。
PXj(n)＝Xj(n)/P(n)系数替代器22借助NLMS算法(利用第一残余信号Er1(n)代替第二残余信号Er2(n-d))调整抽头系数hj(n)。仍然是，j从零变到m-1。
hj(n+1)＝hj(n)+αPXj(n)Er1(n)因Xj(n)(其中j从零变到m-1)是包括在Er1(n)的计算结果中的数值，所以第二方式中的工作在时间轴上也是一致的。
由于在第一残余信号Er1(n)中，噪声还没有消除掉，所以X(n)对Er1(n)的功率比的高数值表示一个相对较低水平的本地环境噪声。在这一比值超过门限值TH1的第二方式中，本地环境噪声的水平被认为低得不需要噪声消除。因此，双方讲话检测器7在第二方式中关闭噪声消除器15，使第二残余信号等于第一残余信号Er1(n)。
第二方式中其他方面的工作与第一方式中的一样。
在第一方式中，第二实施例通过补偿噪声消除器15的处理延迟提供和第一实施例同一样的效果。
在第二方式中，第二实施例工作得就好像不存在噪声消除器15一样。在第二方式中关断噪声消除器15可节省功率。在便携式电话机中通话时间就被延长了。
本发明并不局限于上面叙述的实施例。例如，噪声消除器15不是必须得使用以帧为基础的处理。本发明可应用其中存在处理延迟的任何类型噪声消除器。
自适应滤波器8不是必须得使用NLMS算法调整抽头系数。任何允许根据被接收到的信号X(n)和噪声消除器15的输出调整抽头系数的算法都可以用。
延迟样本寄存器12和样本寄存器13不是必须得构造成一连串的D型触发器形式。例如说，延迟样本寄存器12和样本寄存器13可以分开来构筑。
如果延迟d短于被接收信号X(n)的功率发生显著变化的时间，则在第一实施例中和第二实施例的第一工作方式中，被接收信号的功率P(n)可由最新的m个样本算出，不必使用延迟样本寄存器12输出的延迟样本数值。
在第一实施例中，双方讲话检测器7可以使用第二残余信号Er2(n)代替第一残余信号Er1(n)计算功率比ACOM。另一方面，不要功率比，双方讲话检测器7可以计算功率差，幅度电平比或者幅度电平差，或者执行能够识别单方讲话、双方讲话以及其他有关状态的任何其他计算。
在第二实施例中，双方讲话检测器7通过算出所接收信号X(n)对第二残余信号Er2(n)的功率比决定何时从第一方式转换到第二方式。另一方面，双方讲话检测器7通过将第一残余信号Er1(n)的功率电平直接与门限值相比较(不需要算出功率比)也能决定何时转换方式。
那些熟悉这一技术的人员将认识到，进一步的变动在下面权利要求的范围内是可以做得到的。
权利要求
1.一种调整回声/噪声消除器中系数的方法，回声/噪声消除器接收一个被接收信号和一个本地输入信号，使用所述系数和所述被接收信号的多个最新样本生成一个回声拷贝，从本地输入信号中减去该回声拷贝以造出一个第一残余信号并从第一残余信号中消除本地环境噪声而造出一个第二残余信号，在第一残余信号和第二残余信号之间产生一定的处理延迟，方法包括的步骤是把所述被接收信号的多个较老样本的数值存储起来，所述较老样本的数值相对于所述最新样本数值延迟一个相应于所述处理延迟的量；以及根据所述较老样本的数值和所述第二残余信号调整所述系数。
2.权利要求1的方法，其中所述存储步骤包括通过一个移位寄存器将所述被接收信号移位，所述最新样本数值和所述较老样本的数值都以所述移位寄存器的输出的形式求得。
3.权利要求1的方法，还包括的步骤是检测所述本地环境噪声的水平；以及当所述本地环境噪声的水平低于某个门限值时，根据所述最新样本数值和所述第一残余信号调整所述系数。
4.权利要求3的方法，还包括在所述本地环境噪声的水平低于所述门限值时，停止消除所述第一残余信号中的所述本地环境噪声的步骤。
5.一种具有一个回声消除器和一个噪声消除器的回声/噪声消除器，回声消除器接收一个被接收信号和一个本地输入信号，根据所接收的信号产生一个回声拷贝，从本地输入信号中减去回声拷贝造出一个第一残余信号；噪声消除器从第一残余信号中除去本地环境噪声造出一个第二残余信号，并且噪声消除器还在第一残余信号和第二残余信号之间产生一定的处理延迟；具有一个自适应滤波器的回声消除器包括一个样本寄存器，用于存储所述被接收信号的多个最新样本数值；一个系数寄存器，用于存储多个系数；一个耦连到所述系数寄存器和所述样本寄存器的运算电路，用于根据所述最新样本数值和所述系数生成所述回声拷贝；一个用于存储所述被接收信号的多个较老样本的数值的延迟样本寄存器，所述较老样本的数值相对于所述最新样本数值延迟了一个相应于所述处理延迟的量；以及一个耦连到所述系数寄存器、所述延迟样本寄存器以及所述噪声消除器的系数调整器，它至少以第一方式工作，在这一方式下，所述系数调整器根据所述较老样本的数值和所述第二残余信号调整所述系数。
6.权利要求5的回声/噪声消除器，其中所述延迟样本寄存器和所述样本寄存器一起组成一个单一的移位寄存器，所述被接收信号就通过它移位。
7.权利要求5的回声/噪声消除器还包括一个检测所述本地环境噪声的水平并生成一个指示所述本地环境噪声水平是高还是低的方式信号的检测器；以及一个耦连到所述检测器的开关，用于在所述噪声水平不高时选择所述第一残余信号，在所述噪声水平高时选择所述第二残余信号，并将所选出的残余信号供应到所述系数调整器；其中当所述方式信号指出所述本地环境噪声的水平不高时，所述系数调整器以第二方式工作，在这一方式下，所述系数调整器根据所述最新样本数值和所述第一残余信号调整所述系数。
8.权利要求7的回声/噪声消除器，其中所述检测器在所述本地环境噪声水平不高时关断所述噪声消除器。
全文摘要
一种回声/噪声消除器具有一个自适应滤波器,自适应滤波器具有被加到被接收信号最新样本上的系数以生成一个回声拷贝。从本地输入信号中减去回声拷贝造出一个第一残余信号,并从第一残余信号中消除掉本地环境噪声以造出一个第二残余信号。回声/噪声消除器还存储被接收信号的较老样本,并利用这些较老样本和第二残余信号调整自适应滤波器中的系数。最新样本和较老样本之间的延迟补偿第一残余信号和第二残余信号之间的噪声消除处理延迟。
文档编号H04B3/23GK1198620SQ9810748
公开日1998年11月11日 申请日期1998年4月29日 优先权日1997年4月30日
发明者高田真资, 有山义博 申请人:冲电气工业株式会社