专利名称：用于回波估算和抑制的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于电话系统中的回波估算和抑制的方法和设备。
背景技术：
回波是关系到有长延迟的电话系统中的感觉到的语音质量的问题，这样的电话系统例如远程上的电话或使用长时间处理延迟的电话系统。回波击现在PSTN/用户接口的4到2线变换中(PSTN＝公共交换电话网)。为消除这种回波，在长途话务的转接电话交换局和蜂窝应用的移动业务交换中心通常配备有回波消除器。
由于回波消除器固定在一区域，并且是自适应性的，所以同一回波消除器用于许多PSTN中的不同用户。由于传输网络的不固定的特性，例如，相位滑移、三方呼叫等，这种自适应性不仅在不同的呼叫间是必要的，而且在每个呼叫期间也是必要的。
回波消除器的主要部分是个自适应滤波器。该滤波器产生一个从近端信号减去的回波拷贝。由于不完全了解回波产生系统，计算的回波信号总是包含误差。因此，实际上利用自适应滤波器获得的回波衰减通常最大约为30dB。对于长时间延迟这样的衰减是不够的，因而为使这些误差的可听效应最小，使用残余回波抑制器。该回波抑制器的用途是凡在这个信号被回波估算中的误差占优势时进一步抑制残余信号。这通过对于某些输出信号电平阻塞回波消除器的输出来进行。
参考文献[1]描述了备有自适应中心限幅器形式的回波抑制器的回波消除器。由回波消除器产生的回波估算用于通过信号处理装置控制阈值，从而控制这个自适应限幅器的限制窗口。如果残余信号的功率落在自适应阈值以下，则残余信号被阻塞或被限幅；否则，残余信号无变更地通过自适应限幅器。然后，残余信号不仅包含残余的回波，也包含在近端用户旁产生的背景噪声。有时残余回波抽样和背景噪声抽样在构成上相加，从而合成的残余信号会超过阈值。结果是不希望有的含有残余回波的残余信号的时有时无传输，这会是很令人烦恼的。
在转接电话交换局或移动交换中心的回波消除器是共享装置，可用于任何多的用户线或回波路径。这些回波路径的特性会实质上各不相同。尤其回波的延迟、功率电平和线性会各不相同。这种情况在确定对于回波抑制器或非线性处理器(NPL)的适当固定值上造成很大困难。因此，希望动态地估算传递到回波抑制器的回波功率的数量。
回波的另一个起因是电话手持送收话器中扬声器和送话器的声和机械耦合。对于模拟和数字混合网络，例如，有2条模拟线的用户线路的PSTN，这种回波通常不引起可听干扰。之所以这样是因为在4到2线转换中通常很强的电回波掩盖了从手持送收话器来的回波。此外，将回波消除器应用于后者的回波也将控制从手持送收话器来的回波。
另一方面，如果传输延迟很大，在数字电话系统中即使低电平的声和机械的串音也会成为可闻的。在一些数字系统的规范中已承认这一点。例如，GSM规范(GSM＝全球移动通信系统)要求如在交换系统中测量的至少46dB的扬声器和送话器间回波损耗。应该在手持送收话器的听筒封住耳朵和电话的音量控制调到最大的条件下测量回波损耗。然而，在正常使用中通常在耳朵和听筒之间有间隙造成较低的回波损耗。这样，尽管手持送收话器可以满足GSM规范，但实际上仍有会在正常使用期间观测到回波的可能性。因此，也从交换系统中检测和消除这种回波会是合乎需要的。
发明概要本发明的目的是提供避免上述问题的回波功率估算和抑制的方法和设备。
此目的通过按照所附的权利要求的方法和装置来达到。
简言之，本发明是基于发现在被延迟的回波功率和产生回波的信号功率之间有相关性。这种相关性用于建立能估算回波返回损耗和延迟的模型。这些参数用于形成用作控制回波抑制器的动态阈值的限制电平。该方法在计算上也是有效的。
附图的简要说明参照结合附图的以下说明，可以最好地了解本发明及进而其目的和优点。在这些附图中
图1是个回波产生系统的方块图；图2是个回波消除系统的方块图；
图3是个以前知道的有可变中心限幅器的回波消除器的方块图。
图4是说明图3的回波消除器的中心限幅器的传递函数的图；图5是蜂窝电话系统中回波产生系统的方块图；图6是说明信号间有零延迟的蜂窝电话系统中的上行线路和下行线路信号的功率之间的相关性的散布图；图7是说明信号间有延迟的蜂窝电话系统中的上行线路和下行线路信号的功率之间的相关性的散布图；图8是说明信号间有延迟的蜂窝电话系统中的上行线路和下行线路信号的功率之间的相关性模型的图；图9是用于估算控制回波抑制非线性处理器的动态阈值的装置的方块图；图10是配备有控制非线性处理器的阈值估值器的蜂窝电话系统的方块图；图11是配备有在回波消除器后面提供的控制非线性处理器的阈值估值器的电话系统的方块图；图12是配备有在回波消除器后面提供的控制非线性处理器的阈值估值器的电话系统的改进实施例的方块图；以及图13是说明按照本发明的阈值估算方法的流程图。
优选实施例的详细说明在下面的说明中，完成相同或同样功能的部件附以相同的标号。
在详细描述本发明前，将更充分地描述利用本发明的2个环境。
图1描述电话系统中回波产生过程。用户A，在下面称之为远端用户，在2线线路上连接到一个混合电路(如在本技术中众所周知的，混合电路形成4线和2线连接间的接口)。同样地，用户B，在下面称之为近端用户，在2线线路上连接到另一个混合电路。2线线路既传递入局语音信号又传递出局语音信号。来自远端用户A的出局语音在图1中的上2线线路传递到近端用户B。同样地，来自近端用户B的出局语音在图1中的下2线线路传递到远端用户A。但是，从用户B到用户A的下2线线路也包含来自用户A的出局语音的回波，在用户B的混合电路不能完全抑制该回波。同样地，图1中上2线线路包含从来自用户B的出局语音的回波。
图2说明如何在近端侧消除返到用户A的回波(在远端侧提供同
以及语音编码传送到用于在天线24上发射的射频单元22。发射的信号在移动站的天线26和射频单元28上接收。接收的语音编码在语音译码器30译码，译码的语音传送到扬声器(耳机)32。如图5的弯曲箭头所示，从扬声器32来的声音也将部分地到达移动站的送话器34。包含来自送话器34的信号的回波在语音编码器36编码，经过射频单元28、天线26、24和射频单元22到达语音译码器38。译码的信号y(n)，在下面指为上行线路信号，传送到回波抑制器NLP40。
图5上的系统也可以在回波抑制器40之前包含一个回波消除器。但是，由于回波消除器是线性滤波器只移出线性回波，语音编码/译码又是个很强的非线过程，所以也可以如图5那样省略回波消除器。
本发明解决的问题是如何以一个有效的方式控制回波抑制器18、40，现在将参照图6-13详细描述该解决方案。
图6是说明在忽略信号间延迟时图5的上行线路信号y(n)的功率Ry对下行线路信号x(n)的功率Rx的依赖关系的散布图。按照下列方程式计算这些功率Rx(n)=Σk=0N-1x2(n-k)]]>Ry(n)=Σk=0N-1y2(n-k)]]>(也可以使用其他功率计算方法，例如使用指数窗口。)对每个第N个语音抽样(例如，N＝64)计算功率。图表示许多抽样(480000个抽样即60秒的语音)。在任何给定点的强度表示在该点的功率抽样数。从图6可见，如果忽略延迟几乎没有或没有功率间的相关性。
图7是基于相同的数据，但在这种情况下在下行线路和上行线路信号之间假定有208ms的延迟。差别是明显的。在这种情况下，至少对于Rx＞-30dBmO的情况下在功率量度Rx和Ry之间有很强的相关性。对于Rx＜-30dBmO的情况，Ry为-60dBmO，与Rx值无关。图7暗示着某种模型可以用于描述上行线路和下行线路信号间的关系。如开始时刻指出
Ry(n)＝Rs(n)+Rv(n)其中，Rs表示回波功率，Rv表示在近端(移动的)产生的信号功率。按定义功率Rs是Rs(n)=RS(n)10ERL10]]>因此，Ry(n)可写作Ry(n)=RN(n)10ERL10+Ry(n)]]>计算两边的对数，上式可按如下近似
其中，γ＝log(10)/(10)和C≈1是预定的常数。C的用途是当logRv＝logRx-rERL时提供较好的近似。在这个近似中认为Rv和ERL是未知的。引进按如下定义的参数a(n)和b(n)a(n)＝log(Rx(n))b(n)＝γERL+a(n)在这些定义下，上面的近似可写作log(Ry(n))＝a(n)+C·max(O，log(Rx(n))-b(n))其中，必须动态地估计参数a(n)和b(n)。在图8上图示地说明这个模型。
上述方程给不出明显的有关回波延迟信息。为确定延迟，对许多不同的延迟计算模型的参数a(n)和b(n)，选取对应最小的b(n)估算量的延迟作为实际回波延迟的估算量。按照ERL＝(b(n)-a(n))/γ估算ERL，其中a(n)和b(n)是对应估算延迟的参数。参数的估算最好按递归算法完成。对于有，例如，N＝64的矩形窗口计算功率估算量Rx和Ry。存储下行线路功率估算量Rx的延迟的估算量直到对应于预期的最大回波延迟的延迟。例如，如果已知回波延迟最大是264ms，则总计33个延迟的功率估算量需要被存储(33×64＝2112个抽样，对于8000抽样/秒的采样频率来说，它对应264ms。)然后，按以下LMS型算法对于每个延迟的每第N个抽样递归计算参数a和b的估算量
其中i是由i·N个离散时间步进延迟的指数；imax是由imax·N个离散时间步进表示最大延迟的整数；ai(n)和bi(n)表示对应i个抽样的延迟的模型估算量；ei(n)表示与i个抽样的延迟有关的估算误差，以及μa和μb表示算法的步进参数。
为进一步减小复杂性，在算法中可以按2对数的整数部分完成“log”。
在图9的阈值估算器50中的方块42完成这种算法。在方块44中，按给出最小bi(n)值的离散时间延迟识别回波延迟。这个最小值也用作当前参数值b(n)。因此，延迟Δ按如下计算Δ(n)＝delay(bmm(n))确定的指数i和相应的参数值b(n)现在被方块46用以按照下式估算回波返回损耗ERLERL(n)=a(n)-b(n)γ]]>其中，a(n)是具有与b(n)相同的延迟(相同的指数i)的值ai(n)。
最后，方块48利用估算的延迟Δ和回波返回损耗ERL按照下式估算动态阈值或限制电平
其中，K是为考虑在ERL的估算量中的不确定度而引进的常数，最好约为10。
阈值估算器50的各方块的功能最好由一个或几个微/信号处理器来完成。
图10说明类似于图5系统的数字蜂窝电话系统，但该系统配备有用于控制回波抑制器40的按照本发明的阈值估算器50。如上所述，阈值估算器50估算动态限制电平。该限制电平传送到回波抑制器40。如果上行线路信号y(n)降到该限制电平以下，则信号被假定为由回波占优势并被阻塞；否则，它被假定为由来自移动站的近端信号占优势并无改变地通过回波抑制器40。如果信号被阻塞，则附加舒适噪声。用抽样原理按抽样进行与动态限制电平比较。
与上述相同类型的关于蜂窝电话系统的回波抑制器控制器也可以用在正规的PSTN中。在图11和12上说这一点。
图11是个电话系统的方块图，该系统配备有阈值估算器50，用于控制在回波消除器后面提供的非线性处理器或回波抑制器18。在该实施例中，“下行线路”信号相应于从远端用户来的信号x(n)，而“上行线路”信号由残余回波信号e(n)表示。在这些假定下回波抑制器18以与图10的回波抑制器40相同的方式被控制。
图12是另一个电话系统的实施例，它配备有阈值估算器50，用于控制在回波消除器后面提供的非线处理器或回波抑制器18。在该实施例中，“下行线路”信号相应于回波估算信号
，而不是相应于远端用户信号x(n)。其理由是，由于无论如何为控制回波消除器必须计算回波估算量和由于它显然与信号x(n)很强地相关，它也会再用于阈值的估算。
图13是说明按照本发明的阈值估算方法的流程图。在步骤S1计算当前估算量Rx和Ry。步骤S2递归地确定用于延迟的Rx值的模型参数候选ai和bi。在步骤S3选择具有最小值的bi作为模型参数b，在步骤S4识别相应的延迟Δ(指数i)作为当前回波延迟。在步骤S5选择具有相同延迟的模型参数候选ai作为模型参数a。步骤S6根据a、b和延迟的估算的值估算当前回波返回损耗ERL。在步骤S7根据ERL的估算值和先前测量的Δ时间步进的Rx的估算值估算当前限制电平。最后，过程返回到步骤S1确定下一个Rx和Ry的估算量(同时丢掉最老的Rx值)。
本发明是用于检测和估算低电平回波的功率级别和延迟的在计算上有效的方法。低电平回波例如起源于移动终端中的声串扰的回波或在回波消除器的线性滤波器后面留下的残余回波。所确定的参数可用于控制开关(NLP)的操作，当回波出现时它阻塞传输。
由于可以用动态控制的回波抑制开关代替标准的回波消除器，为消除串音回波本发明可以导致很大的计算上的节省。由于在这种应用中回波路径的非线性，所提出的方法的主观性能与复杂得多的回波消除器的性能类似。
本专业技术人员会理解到，不偏离所附的权利要求所规定的其精神和范围，可以对本发明做各种修改和变化。
参考文献[1]US，A，4577071，转让给英国通信公司[2]D.T.M.Slock，“On the Convergence Behavior of theLMS and the Normalized LMS Algorithms”，IEEE on SignalProcessing，41(9)2811-2825，1993年9月。
权利要求
1.一种电话系统中的回波功率估算方法，特征是形成回波信号的回波功率估算量Ry(n)，所述回波功率估算量按照以下近似依赖于输入信号的输入功率估算量Rx(n)log(Ry(n))＝a(n)+C·max(O，log(Rx(n))-b(n))其中，n表示离散时间，a(n)和b(n)是动态更新模型参数，以及c是个预定的常数。
2.权利要求1的方法，特征是用递归算法确定所述的模型参数a(n)和b(n)。
3.权利要求2的方法，特征是，按照以下方程式的递归算法
其中，N是预定的整数；i是按i·N个离散时间步进表示延迟的指数，imax·N个离散时间步进表示最大延迟的整数，ai(n)和bi(n)表示与i个抽样的延迟对应的模型参数估算量，ei(n)表示与i个抽样的延迟相关的估算误差，以及μa和μb表示算法的步进参数；以及选取与给出最小bi(n)值的指数i有关的模型参数估算量ai(n)和bi(n)作为当前模型参数a(n)和b(n)。
4.权利要求3的方法，特征是，按照以下方程式计算所述输入功率估算量Rx(n)=Σk=0N-1x2(n-k)]]>其中x(n)是所述输入信号；以及按照以下方程式计算所述回波功率估算量Ry(n)=Σk=0N-1y2(n-k)]]>其中y(n)是所述的回波信号。
5.上述权利要求1～4中的任何一个的方法，特征是，估算回波延迟Δ用作所选取的当前模型参数b(n)的延迟。
6.上述权利要求1～4中的任何一个方法，特征是，按照以下方程式估算回波返回损耗ERLERL(n)=a(n)-b(n)γ]]>其中γ是log(10)/10。
7.上述权利要求1～6中的任何一个的方法，特征是，所述回波信号是在回波消除器后面留下的残余回波信号。
8.上述权利要求1～6中的任何一个的方法，特征是，所述输入信号是到移动站的下行线路信号，而所述回波信号是来自所述移动站的上行线路信号。
9.一种电话系统中的回波抑制方法，特征是，形成回波信号的回波功率估算量Ry(n)，所述回波功率估算量按照以下近似依赖于输入信号的输入功率估算量Rx(n)log(Ry(n))＝a(n)+C·max(O，log(Rx(n))-b(n))其中，n表示离散时间，a(n)和b(n)是动态更新模型参数，以及C是预定的常数；按模型参数b(n)估算回波延迟Δ；按照以下方程式估算回波返回损耗ERLERL=a(n)-b(n)γ]]>其中γ是log(10)/10；按照以下方程式估算动态限制电平
其中K是个预定常数，以及凡在其功率降到所述限制电平以下时抑制所述回波信号。
10.权利要求9的方法，特征是用递归算法确定所述模型参数a(n)和b(n)。
11.权利要求10的方法，特征是，按照以下方程式的递归算法
其中，N是个预定的整数；i是按i·N个离散时间步进表示延迟的指数，imax是按imax·N个离散时间步进表示最大延迟的整数，ai(n)和bi(n)表示与i个抽样的延迟对应的模型参数估算量，ei(n)表示与i个抽样的延迟有关的估算量误差，以及μa和μb表示算法的步进参数；以及选取与给最小bi(n)值的指数i有关的模型参数估算量ai(n)和bi(n)作为当前模型参数a(n)和b(n)。
12.权利要求11的方法，特征是，按照以下方程式计算所述输入功率估算量Rx(n)=Σk=0N-1x2(n-k)]]>其中x(n)是输入信号；以及按照以下方程式计算所述回波功率估算量Ry(n)=Σk=0N-1y2(n-k)]]>其中y(n)是所述回波信号。
13.上述权利要求9～11中的任何一个的方法，特征是所述回波信号是在回波消除器后面留下的残余回波信号。
14.上述权利要求9～11中的任何一个的方法，特征是所述输入信号是到移动站的下行线路信号，所述回波信号是来自所述移动站的上行线路信号。
15.一种电话系统中的回波功率估算设备，特征是，用于形成回波信号的回波功率估算量Ry(n)的装置(42)，所述回波功率估算量按照以下近似依赖于输入信号的输入功率估算量Rx(n)log(Ry(n))＝a(n)+C·max(O，log(Rx(n))-b(n))其中，n表示离散时间，a(n)和b(n)是动态更新模型参数，以及C是个预定的常数。
16.权利要求15的设备，特征是用于递归确定所述模型参数a(n)和b(n)的装置(42)。
17.权利要求16的设备，特征是，用于按照以下方程式递归确定所述模型参数a(n)和b(n)的装置(42)
其中，N是个预定的整数，i是按i·N个离散时间步进表示延迟的指数，imax是按imax·N个离散时间步进表示最大延迟的整数，ai(n)和bi(n)表示与i个抽样的延迟对应的模型参量参数估算量，ei(n)表示与i个抽样的延迟相关的估算误差，以及μa和μb表示算法的步进参数；以及用于选取与给出最小bi(n)值的值数i有关的模型参数估算量ai(n)和bi(n)作为当前模型参数a(n)和b(n)的装置(42)。
18.权利要求17的设备，特征是，用于按照以下方程式计算所述输入功率估算量的装置(42)Rx(n)=Σk=0N-1x2(n-k)]]>其中x(n)是所述输入信号；以及用于按照以下方程式计算所述回波功率估算量的装置(42)。Ry(n)=Σk=0N-1y2(n-k)]]>其中y(n)是所述回波信号。
19.上述权利要求15～18中的任何一个的设备，特征是用于估算回波延迟Δ作为所选取的当前模型参数b(n)的延迟的装置(44)。
20.上述权利要求15～18中的任何一个的设备，特征是用于按照以下方程式估算回波返回损耗ERL的装置(46)ERL(n)=a(n)-b(n)γ]]>其中γ是log(10)/10。
21.一种电话系统中的回波抑制器，特征是，用于形成回波信号的回波功率估算量Ry(n)的装置(42)，所述回波功率估算量按照以下近似依赖于输入信号的输入功率估算量log(Ry(n))＝a(n)+C·max(O，log(Rx(n))-b(n))其中，n表示离散时间，a(n)和b(n)是动态更新模型参数，以及C是预定的常数；用于按模型参数b(n)估算回波延迟Δ的装置(44)；用于按照以下方程式估算回波返回损耗ERL的装置(46)ERL(n)=a(n)-b(n)γ]]>其中γ是log(10)/10。用于按照以下方程式估算动态限制电平的装置(48)。
其中K是预定的常数；以及用于凡在其功率降在所述限制电平以下时抑制所述回波信号的非线性处理器(18)。
22.权利要求21的回波抑制器，特征是用于递归确定所述模型参数a(n)和b(n)的装置(42)。
23.权利要求22的回波抑制器，特征是，用于按照以下方程式递归确定所述模型参数a(n)和b(n)的装置(42)
其中，N是预定的整数，i是被i·N个离散时间步进表示延迟的指数，imax是按imax·N个离散时间步进表示最大延迟的整数，ai(n)和bi(n)表示与i个抽样的延迟相对应的模型参数估算量，ei(n)表示与i个抽样的延迟有关的估算误差，以及μa和μb表示算法的步进参数；以及用于选取与给出最小bi(n)值的指数i有关的模型参数估算量ai(n)和bi(n)作为当前模型参数a(n)和b(n)的装置(42)。
24.权利要求23的回波抑制器，特征是，用于按照以下方程式计算所述输入功率估算量的装置(42)Rx(n)=Σk=0N-1x2(n-k)]]>其中x(n)是所述输入信号；以及用于按照以下方程式计算所述回波功率估算量的装置(42)Ry(n)=Σk=0N-1y2(n-k)]]>其中y(n)是所述回波信号。
全文摘要
一种电话系统中阈值估算方法估算(S1)下行线路功率R
文档编号H04B3/20GK1269926SQ98808949
公开日2000年10月11日 申请日期1998年8月10日 优先权日1997年9月10日
发明者A·艾利森 申请人:艾利森电话股份有限公司