專利名稱：回聲消除器的自適應步長及其實現(xiàn)方法
技術領域：
本發(fā)明涉及回聲消除器，尤其是涉及其中的自適應步長。
雙向免提通信裝置諸如雙向無線電裝置，通常被稱為免提電話的免提式電話機，電話會議裝置以及車載蜂窩電話，其操作要求管理由耦合到話筒的聲頻揚聲器所發(fā)出的各種信號。這種裝置用于具有通信通道的系統(tǒng)中，所述通信通道諸如電纜，絞合線，光纖或用于通過空氣傳輸?shù)男盘柕念l帶寬度等等，這些通道將本地裝置，或“近端”裝置連接到遠程裝置或“遠端”裝置。通過該裝置的話筒探測到的由裝置的揚聲器輸出的信號通常稱為回聲，在通信鏈路一端發(fā)生的回聲對于另一端的用戶來說一般是干擾。在嚴重的情況下，回聲可以導致被稱為“嗥鳴”的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象對于通信鏈路兩端的用戶都不愉快。
已經(jīng)研制出回聲消除器來消除回聲信號?；芈曄鞑捎靡粋€濾波器來估計通信裝置中的回聲信號?；芈曄鲝脑捦草敵龅男盘栔袦p去回聲估計值，以產(chǎn)生回聲抑制信號。
盡管回聲消除器在某些環(huán)境中工作得很好，但是在免提車載環(huán)境中回聲信號的有效消除尤其提出了挑戰(zhàn)。最小均方(LMS)誤差極小化遞歸濾波器經(jīng)常用于回聲控制。盡管這些濾波器非常穩(wěn)定，但非線性系統(tǒng)效應以及算法的局限性及算術的精度限制了裝有這種濾波器的回聲消除器的有效性。因而采用后處理級用于抑制殘余回聲。后處理可以包括利用一個可變的增益控制器或濾波器，或者其他已知的后處理技術來衰減輸出信號。
遺憾的是，后處理可以導致有影響的降質(zhì)及所需要傳輸信號的衰減，所述的降質(zhì)及衰減在兩端用戶同時說話(通話重疊狀態(tài))時出現(xiàn)。例如，后處理衰減可以導致被消除的回聲以半雙工特征進行通話，以至于一次只有一個用戶可以說話。此外，后處理一般會引入可感覺到的背景噪聲的改變或衰減，這些背景噪聲在諸如車內(nèi)的噪聲環(huán)境中出現(xiàn)。當該噪聲變量與語音活動在遠端接收的信號中相關時，對遠端用戶是不能接受的。
已經(jīng)研制出各種方法來改進回聲消除器的性能。這些方法包括存儲回聲消除器的初始抽頭值。存儲這種初始抽頭值在初始化時可以加速回聲消除器的操作。然而，如果當前的初始狀態(tài)明顯地不同于以前的初始狀態(tài)，從以前狀態(tài)的開始將不會有益。
另一種改進回聲消除器操作的已知方法是采用自適應步長，以便反饋給自適應濾波器的錯誤信號增益隨著錯誤信號的振幅而變化。如果錯誤信號很大，步長也將很大。如果錯誤信號很小，步長也將很小。盡管工作在這種方式的回聲消除器通過更快地調(diào)整來提供改進的性能，但是回聲消除器的調(diào)整在不具備只有回聲消除器的環(huán)境才有的初始狀態(tài)時仍然必須發(fā)生。
因此，需要一種根據(jù)回聲消除器的環(huán)境來提供更加快速收斂的改進的回聲消除器。


圖1為說明包括回聲消除器的通信裝置的方框圖形式的示意圖；圖2為說明回聲消除器的方框圖形式的示意圖；圖3為說明回聲消除器操作的流程圖。
在回聲消除器中，用于消除回聲信號的自適應濾波器抽頭位置的步長根據(jù)環(huán)境的概況被分別地選擇。一個訓練信號在訓練間隔或周期期間注入回聲消除器及回聲路徑。自適應濾波器在注入訓練信號期間得出回聲路徑的概況。如上所述產(chǎn)生的系數(shù)的各自步長作為產(chǎn)生的回聲概況的函數(shù)。因而產(chǎn)生的各個抽頭的步長是這些系數(shù)的函數(shù)，以便期望具有大的振幅的抽頭位置將具有允許快速調(diào)整的大的步長，而期望具有小的系數(shù)的抽頭位置將具有允許精確調(diào)整的小的步長。
圖1示出了通信裝置100。通信裝置100可以是雙向無線電裝置，通常被稱為免提電話的免提式電話機，電話會議裝置，手提式無線電話，衛(wèi)星電話，車載蜂窩電話，或類似的裝置。
該通信裝置包括一個揚聲器102及一個話筒104。揚聲器102連接到裝置100的接收路徑，該接收路徑包括一個連接到轉(zhuǎn)換開關108的數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器106。轉(zhuǎn)換開關108可選擇地將D/A轉(zhuǎn)換器連接到接收來自噪聲源112的信號或收發(fā)信機114的接收機(未示出)。收發(fā)信機114將經(jīng)過天線116從遠程通信裝置接收的信號作為輸出傳送到揚聲器102。噪聲源112產(chǎn)生數(shù)字化的訓練信號，并且例如可以產(chǎn)生隨機信號，白噪聲或者任何其他合適的訓練信號。
話筒104連接到通信裝置100的傳輸路徑。通信裝置100傳輸路徑包括模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器120，它輸出代表來自話筒104的模擬信號的數(shù)字化信號。從A/D轉(zhuǎn)換器120輸出的信號在減法器126中與回聲消除器125的自適應濾波器124的輸出組合。減法器從A/D轉(zhuǎn)換器120的輸出中減去自適應濾波器124的回聲估計值輸出，以在減法器的輸出中產(chǎn)生基本上無噪聲的信號。
減法器連接到由控制器128控制的轉(zhuǎn)換開關126。除了當噪聲源發(fā)生器112在訓練模式期間連接到D/A轉(zhuǎn)換器106，控制器128始終將減法器的輸出連接到收發(fā)信機。這使得將被訓練的自適應濾波器不會向收發(fā)信機114輸入噪聲，該收發(fā)信機與遠端或遠程用戶通信。
控制器128也被連接以接收來自自適應濾波器124的系數(shù)，并且向增益控制裝置130提供增益控制信號。增益控制裝置130分別調(diào)節(jié)回聲消除器的每個抽頭或系數(shù)的調(diào)整步長，如下文所述。
訓練可以在安裝裝置100時由用戶啟動手動轉(zhuǎn)換開關140(圖2)，或者在周期性的基礎上自動地啟動。預見到如果在車載安裝中用戶移動了話筒104和/或揚聲器102的位置，用戶可以通過啟動轉(zhuǎn)換開關140來啟動訓練。另一種方法是，如果免提部件是在手提電話中，每當在車輛中電話被掛起時，用戶可以初始化該裝置，或者轉(zhuǎn)換開關140可以僅在電話被安裝在永久位置上的第一次時被啟動。另一種方法時，控制器128可以自動地進入訓練模式，例如以周期性為基礎。
參照圖2，在訓練模式期間，轉(zhuǎn)換開關108連接到噪聲信號發(fā)生器112，噪聲信號發(fā)生器產(chǎn)生用來訓練回聲消除器的信號，諸如上述的白噪聲。第二轉(zhuǎn)換開關126打開。用于更新自適應濾波器的各個系數(shù)的標準最小均方(LMS)算法在方程式1中給出，其中hn[k]代表在抽樣時間n時自適應濾波器的第k個抽頭位置的系數(shù)(在移位寄存器132的輸出中，h[1]用于第一個抽頭位置，h[2]用于第二個抽頭位置，h[M]用于第M個抽頭位置，其中自適應濾波器具有M個抽頭)，固定參數(shù)α是步長常數(shù)(比1小的多)，Xn是接收的信號，e是從減法器126輸出的錯誤信號，c是一個值遠小于|Xn|的期望值的常數(shù)hn[k]＝hn-1[k]+(α/(‖xn‖+c))enxn-k(1)在訓練模式期間，相同的預設步長α用于所有的系數(shù)。
在回聲消除模式中，轉(zhuǎn)換開關108連接到收發(fā)信機114的接收機，轉(zhuǎn)換開關126連接到收發(fā)信機114的發(fā)射機，以接收其輸出信號。在回聲成形(profiling)系統(tǒng)中，如訓練模式中所確定的，步長常數(shù)α[k]是抽頭位置的函數(shù)，并且示于下面的方程中hn[k]＝hn-1[k]+(αk[k]/(‖xn‖+c))enxn-k(2)特定抽頭位置的步長被選擇作為靠近在訓練期間產(chǎn)生的抽頭位置的系數(shù)值的函數(shù)。因而，第n個抽頭的步長將從一組系數(shù)中得到，這些系數(shù)集中在訓練間隔末端的第n個抽頭附近。通過利用在訓練模式期間得到的這些系數(shù)，靠近大的系數(shù)的抽頭將具有大的步長，不靠近大的系數(shù)的抽頭將具有小的步長。利用從回聲消除器所使用的環(huán)境中得到的信息，可以增加回聲消除器的效率，并且改進回聲估計值的精度。
如上簡述，對于自適應濾波器的每個抽頭，步長α[k]可以利用下述方法獨立地產(chǎn)生。首先，在訓練周期期間注入訓練信號，如圖3的框302所示。一個標準的最小均方(LMS)算法在訓練周期期間用于濾波器124中，在訓練周期中濾波器124的系數(shù)h[n]利用單個共用步長α來調(diào)整，如框304所示。調(diào)整將會繼續(xù)，直到回聲殘余信號降到低于預定的門限電平，如步驟306所示。另一種方法是，這種調(diào)整可以為諸如所期望的訓練周期的預定時間周期而發(fā)生。在訓練周期末端的系數(shù)h[n]的值被輸入到控制器128。這些系數(shù)如步驟308所示被存儲，并且存儲的脈沖響應估計值被稱為h’[n]。
脈沖響應h’[n]用于產(chǎn)生回聲概況矢量，如步驟310所示。盡管抽頭位置的各個步長可以根據(jù)許多估計技術來設置，但是優(yōu)先地利用這些系數(shù)的和來產(chǎn)生這些步長，并且最好是從鄰近系數(shù)的和中產(chǎn)生。通過利用鄰近系數(shù)的和，步長根據(jù)平均電平而不是單個步長而產(chǎn)生。
產(chǎn)生回聲消除器的抽頭位置的各個步長的一個尤其有利的方法在下文中描述。首先從鄰近的系數(shù)中產(chǎn)生一個和，其中α[k]為
因而為了計算系數(shù)步長，自適應濾波器末端的系數(shù)值被給定為零值，而自適應濾波器里面的系數(shù)具有存儲在訓練結論中的值。接著每個求和被除以最大求和maxα‘(k)，結果是α[k]＝(2α‘[k])/(max(α‘(k)). (4)通過由最大求和除該求和的值，步長被定標為最大值為2，以提供穩(wěn)定性。
在回聲消除模式中，有限脈沖響應(FIR)濾波器124的系數(shù)h1至hn利用在訓練期間產(chǎn)生的各個系數(shù)來調(diào)整，因而與來自訓練模式的概況信息相關。在這種方式中，回聲消除系數(shù)的調(diào)整利用只有回聲消除器所位于的環(huán)境獨有的信息來加速。在成形期間用大的值產(chǎn)生一個求和值的系數(shù)范圍中的系數(shù)將產(chǎn)生一個成比例的大的步長。用成比例的小的值產(chǎn)生一個求和值的系數(shù)范圍中的系數(shù)將具有一個成比例的小的步長。
因而在訓練模式期間回聲消除器124的聲學環(huán)境的回聲成形用于在增益控制裝置130中以每個抽頭每個抽頭逐個進行為基礎初始化步長。這個系統(tǒng)工作在兩個模式，即訓練模式及消除模式。訓練模式在諸如車輛或房間的環(huán)境中安裝裝置100期間，或者當用戶啟動轉(zhuǎn)換開關時僅花費幾秒鐘。消除模式用于除這種簡短訓練模式期間之外的期間。
一個免提電話可以包括話筒，揚聲器以及回聲消除器?；芈曄魉p由揚聲器輸出并且由話筒探測到的信號的回聲。它包括具有各自步長的多個自適應系數(shù)，每個步長是在訓練期間產(chǎn)生的回聲消除器相關系數(shù)值的函數(shù)。免提電話最好可以包括至少一個轉(zhuǎn)換開關，用于啟動回聲消除器的訓練以產(chǎn)生代表免提電話所工作的環(huán)境的相關系數(shù)。
因而可以看出在這里公開了一種改進的系統(tǒng)，該系統(tǒng)的性能比現(xiàn)有系統(tǒng)的性能更好，卻保持了LMS自適應濾波器的低復雜性和穩(wěn)定性。當在免提電話，尤其是在諸如無線免提電話的手提電話中采用時，可以為電話所使用的環(huán)境提供有效且效率高的調(diào)整方法。
權利要求
1.一種為回聲消除器中自適應濾波器的各個系數(shù)分別設置步長以消除通過回聲路徑傳送的回聲信號的方法，該方法包括以下步驟在訓練周期期間將訓練信號注入到回聲消除器及回聲路徑；注入訓練信號期間在自適應濾波器中繪出回聲路徑的輪廓，即進行成形；選擇多個系數(shù)的各自步長，作為所產(chǎn)生的回聲輪廓的函數(shù)。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中注入步驟包括將白噪聲注入到回聲消除器及回聲路徑。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中成形步驟包括訓練自適應濾波器以基本上消除從回聲路徑輸出的回聲信號。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其中成形步驟包括在訓練模式期間利用預定的步長來調(diào)整該濾波器。
5.根據(jù)權利要求3所述的方法，其中在訓練模式中成形的步驟在訓練期間利用相同的步長用于自適應濾波器的所有系數(shù)。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中選擇步長的步驟包括對自適應濾波器的多個系數(shù)求和。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中選擇步長的步驟包括對多個自適應濾波器的系數(shù)求和，以產(chǎn)生一個和。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其中還包括產(chǎn)生多個來自各個自適應濾波器系數(shù)的和值，并且每個和值被除以所產(chǎn)生的最大一個和值。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中每個和值是系數(shù)值范圍內(nèi)的和值。
10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其中求和的步驟執(zhí)行如下的公式
其中h’[j]是在訓練模式期間產(chǎn)生的自適應濾波器的脈沖響應系數(shù)，M是自適應濾波器中系數(shù)的數(shù)目。
全文摘要
在回聲消除器中用于消除回聲信號的自適應濾波器(124)抽頭位置的步長根據(jù)回聲環(huán)境的概況而被分別選擇。一個訓練信號(112)在訓練間隔或周期期間注入到回聲消除器及回聲路徑。自適應濾波器在訓練間隔期間成形回聲路徑。抽頭位置的各自步長α[κ]被作為所產(chǎn)生的回聲概況的函數(shù)而產(chǎn)生。
文檔編號H04M9/08GK1267141SQ0010387
公開日2000年9月20日 申請日期2000年3月10日 優(yōu)先權日1999年3月11日
發(fā)明者詹姆斯·艾倫·斯蒂芬斯, 詹姆斯·布萊恩·布克特, 陳培菁, 葉俊雄 申請人:摩托羅拉公司