用于电声通信设备的回声消除方法和总成的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于电声通信设备的反馈消除总成。所述反馈消除总成包括:信号传输路径，其通过电动式扬声器产生并且发射输出声音信号至外部环境；和信号接受路径，其包括麦克风，所述麦克风用于产生对应于从外部环境接收的声音的麦克风输入信号。信号接受路径在音频信号接受路径的求和节点上产生对应于麦克风输入信号的数字麦克风信号。输出声音信号经由具有不变或时变传递函数的外部反馈路径声耦合至麦克风。所述反馈消除总成的电子反馈消除路径耦合在信号传输路径的分接节点与音频信号接受路径的求和节点之间以产生反馈消除信号至求和节点。电子反馈消除路径包括非线性数字扬声器模型，其包括多个扬声器参数，包括导出自电动式扬声器的音圈电流和/或音圈电压的至少一个非线性扬声器参数。至少一个非线性扬声器参数由至少一个非线性扬声器参数与预定扬声器变量之间的非线性函数表示。电子反馈消除路径包括自适应数字滤波器，其与非线性数字扬声器模型串联耦合且被配置来至少对外部反馈路径的不变或时变传递函数进行建模。
【背景技术】
[0002]本发明涉及一种反馈或回声消除总成和方法，其可用于改进一系列电声通信设备中的反馈消除性能。反馈或回声消除总成可用于便携式通信装置(诸如智能电话、膝上型计算机、平板电脑或其它类型的支持音频的便携式计算装置)中。反馈或回声消除总成也可一体化在机动车辆(诸如汽车，即汽车应用)的电声通信设备中。在后一种情况下，电声通信设备可形成具有内置免提扬声器功能的车载音乐娱乐和通信系统的部分。反馈或回声消除总成通过确定相反相位反馈消除信号并且将其添加至电声通信设备的信号接受路径的求和节点而经由电声通信设备的扬声器与麦克风之间的外部反馈路径抑制声耦合。
[0003]在现有技术反馈或回声消除系统和方法中，反馈消除信号已通常由电子反馈消除路径的线性自适应数字滤波器产生。线性自适应数字滤波器对外部声反馈路径的固定和不变或时变频率响应特性进行建模或追踪并且产生相反的相位反馈消除信号。虽然适当配置的线性自适应数字滤波器本身可能够因外部声反馈路径通常表现为大体上线性而能够对所述外部声反馈路径的特性进行准确建模，但是线性自适应数字滤波器无法对在信号的所要运行范围内表现为非线性的电声通信设备的反馈或回声消除总成的电、声或电声分量准确建模。缺乏对电声通信设备的电、声或电声分量准确建模的能力导致不准确的反馈消除信号，因此劣化反馈消除总成的性能。劣化反馈消除性能可能导致重现声音的各种非预期伪音，诸如电声通信设备的回声或不稳定。
[0004]因此，需要一种改进的反馈或回声消除总成和方法，其能够对电声通信设备的反馈消除总成的电、声或电声分量的非线性表现准确建模。能够至少对反馈或回声消除总成(诸如扬声器)的主导非线性分量进行建模的改进的反馈或回声消除总成会特别有利。扬声器，尤其是电动式扬声器通常甚至在其公称声压输出范围内的高声压水平下是高度非线性的装置。因此，扬声器因此通常将构成反馈或回声消除总成的主导非线性分量。
[0005]本发明凭借电子反馈消除路径提供改进的反馈或回声消除总成，所述电子反馈消除路径包括非线性数字扬声器模型，所述非线性数字扬声器模型能够对扬声器的非线性表现准确建模，导致反馈消除性能的显著改进。非线性数字扬声器模型包括导出自扬声器的音圈电流和/或音圈电压的至少一个非线性扬声器参数。至少一个非线性扬声器参数由至少一个非线性扬声器参数(例如，B*1乘积)与预定扬声器变量(诸如振膜偏位)之间的非线性函数表示。技术人员将了解，非线性数字扬声器模型可包括由各自非线性函数表示的几个非线性扬声器参数以将其准确度改进至任意所要性能水平。
[0006]进一步有利地提供一种非线性数字扬声器模型，其可在无需在制造本反馈或回声消除总成期间对每个个别扬声器的非线性扬声器参数的表现进行耗时及耗成本的个别特征化的情况下校准。还需要使实施非线性数字扬声器模型的(多个)非线性函数的数字信号处理器的计算资源开支量最小化。
【发明内容】
[0007]本发明的第一方面涉及一种用于电声通信设备的反馈消除总成。反馈消除总成包括信号传输路径，其用于通过电动式扬声器产生和发射输出声音信号至外部环境。反馈消除总成包括信号接受路径，其包括麦克风，所述麦克风用于产生对应于从外部环境接收的声音的麦克风输入信号及在音频信号接受路径的求和节点上产生相应的数字麦克风信号。输出声音信号经由具有不变或时变传递函数的外部反馈路径声耦合至麦克风。反馈消除总成的电子反馈消除路径耦合在信号传输路径的分接节点与信号接受路径的求和节点之间以产生反馈消除信号至求和节点。电子反馈消除路径包括非线性数字扬声器模型，其包括多个扬声器参数，包括导出自电动式扬声器的音圈电流和/或音圈电压的至少一个非线性扬声器参数。至少一个非线性扬声器参数由至少一个非线性扬声器参数与预定扬声器变量之间的非线性函数表示。反馈消除总成的自适应数字滤波器与非线性数字扬声器模型串联耦合且被配置来至少对外部反馈路径的不变或时变传递函数进行建模。
[0008]本反馈消除总成可用于各种应用(诸如汽车或扩音装置应用)中的一系列电声通信设备中。反馈或回声消除总成可一体化在便携式通信装置(诸如智能电话、移动电话或支持音频的平板电脑)中。反馈或回声消除总成可一体化在机动车辆(诸如汽车，即汽车应用)的电声通信设备中。
[0009]本反馈消除总成凭借能够对电动式扬声器的非线性表现准确建模的电子反馈消除路径的非线性数字扬声器模型提供改进的反馈或回声消除。这种非线性建模能力导致回声消除性能的显著改进，因为电子反馈消除路径对来自信号传输路径的分接节点且穿过电动式扬声器和外部反馈路径回到麦克风的信号特性的信号特性更准确地建模。反馈消除信号优选地在信号接受路径的求和节点上从数字麦克风信号中减去以在求和节点的输出上产生反馈补偿的麦克风信号。反馈补偿的麦克风信号是数字信号，其可传输至电声通信设备的话音/语音输入通道。
[0010]技术人员将了解，非线性数字扬声器模型可包括由各自非线性函数表示的两个或更多个非线性扬声器参数以将其模型准确度改进至任意所要性能水平。通过各自非线性函数表示大量多个扬声器参数将大致改进非线性数字扬声器模型中的扬声器参数的计算值的准确度且因此改进回声消除的准确度。但是，这种改进的准确度可能以增大的计算负载为代价达成。因此，非线性扬声器参数的数量可有利地根据特定应用相关性能要求定制。在优选的实施方案中，非线性数字扬声器模型包括电动式扬声器的非线性状态空间模型。技术人员将了解，至少一个非线性函数可形成电动式扬声器的非线性状态空间模型的组成部分或可在应用于扬声器的非线性状态空间模型之前，通过单独的预处理块或步骤计算。在第一实施方案中，非线性函数可表达为非线性状态空间模型的非线性方程。在第二实施方案中，非线性函数可在单独的预处理块或步骤中应用于扬声器参数值以及预定扬声器变量(例如振膜位移或音圈电流)的相应值。在后一种情况下，非线性数字扬声器模型被配置来计算至少一个非线性扬声器参数的至少一个非线性补偿值。如下文参考附图更详细说明，这种非线性补偿的参数值随后可输入至电动式扬声器的线性状态空间模型。后一个实施方案减小与非线性状态空间模型的计算相关的计算负载。
[0011]外部反馈路径的传递函数可依据其中一体化反馈消除总成的特定类型的电声通信设备显著地变化。外部反馈路径可包括声传递函数或振动传递函数或两者的组合。在反馈消除总成一体化在便携式通信装置(诸如智能电话、平板电脑和其它类型的支持音频的便携式计算装置)中的情况下，传递函数通常因外部环境的时变声音(例如来自用户的头部和身体的反射)而将是时变的。在反馈消除总成一体化在耳机或听力仪器中的情况下，情况是相同的。自适应数字滤波器对外部反馈路径的这种时变性质进行建模及追踪。在其它类型的设备中，外部反馈路径的传递函数可能大体上固定但事先未知。在这种情况下，自适应数字滤波器能够对外部反馈路径的传递函数进行识别及建模并且抑制从扬声器行进至麦克风的反馈声音或振动信号。
[0012]多个扬声器参数优选地包括选自一组{力因子悬吊系统柔度或刚度、音圈电阻、总机械阻尼、总移动质量、音圈电感}的一个或更多个扬声器参数。此外，至少一个扬声器参数优选地是自适应的以允许非线性数字扬声器模型对相关扬声器参数的值的缓慢地时变变动进行追踪或建模。扬声器参数值的这种缓慢地时变变动通常由变化的环境条件和/或扬声器中的机制诸如材料老化和/或扬声器的声负载的变化(例如，外壳泄漏)导致。为了确定或计算(多个)自适应扬声器参数，非线性数字扬声器模型优选地包括线性自适应数字扬声器模型。线性自适应数字扬声器模型可包括二阶或更高阶的自适应IIR滤波器，其包括多个可调适模型参数，从中导出自适应扬声器参数的参数值。自适应IIR滤波器对跨预定音频范围(例如，1Hz与1kHz之间)的扬声器的随时间变化及频率相关阻抗进行建模或追踪。如下文参考附图更详细说明，探测到的音圈电流和探测到的音圈电压优选地分别由数字音圈电流信号和数字音圈电压表示。为了协助线性自适应数字扬声器模型的适当调适，除一个或更多个可调适或自由模型参数外，后者优选地包括至少一个固定扬声器参数，诸如扬声器的总移动质量。
[0013]在反馈消除总成的一个实施方案中，非线性函数表示至少一个非线性扬声器参数与预定扬声器变量之间的电动式扬声器的个别测量的非线性函数。个别测量的非线性函数可在反馈消除总成安装在电声通信设备中时进行出厂校准期间测量或确定。非线性函数因此可由个别校准测量确定，其揭示反馈消除总成的特定电动式扬声器中扬声器参数的非线性表现。非线性函数过程的这种个别测量可以高准确度提供非线性数字扬声器模型。但是，个别校准测量对于特定类型的批量生产及成本敏感的电声通信设备而言可能是复杂且耗时的。
[0014]根据反馈消除总成的若干替代实施方案，非线性函数表示至少一个非线性扬声器参数与从有关多个代表性电动式扬声器的非线性测量确定的预定扬声器变量之间的平均非线性关系。这可包括5个与50个之间的与