專利名稱：用級聯(lián)的自適應濾波器進行回波消除的方法和回波消除器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及借助于一系列級聯(lián)的自適應濾波器進行回波消除，每一個自適應濾波器產(chǎn)生各自的輸出信號，供消除出現(xiàn)在四線回路的線路中的回波信號的相應部分。
現(xiàn)有技術簡介最近，隨著數(shù)字流動電話的引用，回波消除器變得更加重要了。數(shù)字流動電話會產(chǎn)生促使任何可能產(chǎn)生的回波、干擾性極大的長時延。回波消除器調整自己消除回波所需要的調整時間叫收斂時間。回波消除器的收斂時間是主觀衡量通話質量的一個重要參數(shù)，有時被認為是衡量回波消除器質量的最重要的依據(jù)。起碼在大多數(shù)情況下(例如在本地呼叫的情況下)快速收斂的回波消除器，無論在任何場合下都會成為該場合的一個因素。
回波消除器最常用的自適應算法是歸一化的最小均方算法NLMS。通常采用長的FIR(有限持續(xù)時間脈沖響應)濾波器來滿足實際上所有出現(xiàn)的脈沖響應的需要。濾波器的一般長度為512個分接頭，其提供的可能總的脈沖響應持續(xù)時間為64毫秒。按周知的方式從含有回波的信號中減除濾波器的輸出信號之后，用如此得出的差值信號來更新濾波器。應用NLMS法時，濾波器的收斂時間約為300毫秒。
但實際上在大多數(shù)情況下，當濾波器業(yè)已收斂時，只有一部分濾波器系數(shù)偏離零值。這特別是在進行本地呼叫時，尤其如此，因為實際上這時回波路徑的整個脈沖響應會處在頭10-30個分接頭處。在某些情況下，脈沖響應之前會有一段叫做平緩時延的長時延。漸變窗口法是目前提出的減少復雜程度和縮短收斂時間的一種方法。這種方法試圖估計平緩時延的長短，再借助于可調時延把濾波器安置在回波路徑響應所處的位置。這種方法的好處是，有一個較短的也能快速收斂的濾波器就足夠了。缺點是時延不容易快速估計，而且還可能把多次反射的回波(即，時延值彼此不同的若干回波)消除掉。
19893年3月的《IBM技術公開簡報》第31卷第10期第157-158頁上介紹了一種多次反射回波消除器。這種回波消除器有一系列較短的濾波器彼此級聯(lián)耦合。每一個這種濾波器產(chǎn)生從含回波的信號中減除的輸出信號，從而經(jīng)過每一個濾波器之后，回波會按脈沖響應相繼減少。這樣就產(chǎn)生了一系列差值信號，用每一個差值信號來更新產(chǎn)生差值的濾波器。然后，回波消除器消除回波的能力受到一定的限制，因為各濾波器的收斂并不是始終令人滿意的。這是因為級聯(lián)連接濾波器鏈路中的濾波器有時會受該濾波器所不能消除的、但必須為處在更遠的濾波器鏈路中的一個或多個濾波器所消除的回波的干擾所致。
發(fā)明簡介本發(fā)明的目的是提供借助于一系列級聯(lián)的自適應濾波器消除回波的一種方法和回波消除器。這些濾波器應該起碼在脈沖響應較短的回波路徑的情況下能夠快速收斂，而且應能在產(chǎn)生不同的脈沖響應(例如長度彼此不同的脈沖響應和多次反射回波引起的脈沖響應)時有效地消除回波。按照周知的原理，快速收斂可以用穩(wěn)定而可靠的收斂代替。因此，采用本發(fā)明時，還可以使收斂既穩(wěn)定，可靠，同時又較為快速。
上述目的是通過計算每一個濾波器的特殊質量測定值實現(xiàn)的，計算該測定值的目的是確保在只有那些來自這類濾波器的輸出信號起作用或處在耦合狀態(tài)時須用哪一些濾波器可以有效地減少有關的回波。因此，根據(jù)含回波的原信號和這些在當時能及時有效消除回波的那些濾波器輸出信號的和，產(chǎn)生等于該含回波原信號與該輸出信號和的差值的回波減少信號。所有這些濾波器都用此回波減少信號加以更新，而對當時沒有投入使用的那些濾波器則用等于回波減少信號與各濾波器輸出信號之間的差值信號加以更新。
從下面的專利申請說明書中可以清楚了解到本發(fā)明的特點。
附圖簡介現(xiàn)在參看附圖更詳細地說明本發(fā)明的內容。附圖中，

圖1示出了四線回路中用以消除回波的一般回波消除器；圖2示出了周知的裝有許多級聯(lián)連接的濾波器的回波消除器；圖3示出了本發(fā)明回波消除器的一個實施例；圖4示出了控制信號供應裝置，用以給裝在本發(fā)明回波消除器中的一系列開關中之一提供控制信號。
發(fā)明的最佳實施例圖1示出了一般用以消除四線回路中的回波的回波消除器。編號11和12表示四線回路中的兩條線路?；夭ǔ霈F(xiàn)在以方框13表示的回波路徑中。數(shù)字自適應濾波器14的輸入端也是加到回波路徑13的信號x。濾波器14中產(chǎn)生回波評估值y，在減法器15中從線路12上的含回波信號d減除，從而產(chǎn)生含回波的信號e。濾波器按周知的方式進行自我調整，即借助于差值信號e按適當?shù)淖赃m應算法更新濾波器系數(shù)。
圖2示出了有一系列級聯(lián)連接的濾波器的周知回波消除器。該回波消除器應與上述《IBM技術公開簡報》中所述的回波消除相同。和圖中所示的回波消除器的情況一樣，上線路11上出現(xiàn)信號x，下線路12上出現(xiàn)含回波的信號d，回波路徑和早先的情況一樣用方框13表示。各濾波器用編號21-23表示，其輸出信號y1-y3分別在減法裝置24-26中從含回波的信號中減除，從而用各濾波器根據(jù)回波路徑的脈沖相繼減少回波。于是產(chǎn)生一系列差值信號e1-e3，用這些信號更新它們各自的濾波器。差值信號得出下列各值e1＝d－y1，e2＝d－y1－y2等等。
但如前面說過的那樣，各濾波器由于有時受到實際上應由其它濾波器中之一加以消除的回波的干擾因而不能始終令人滿意地收斂。
圖3示出了本發(fā)明回波消除器的一個例子。圖中與圖1和圖2中相當?shù)难b置按所述裝置同樣的方式編號。所示的回波消除器有許多級聯(lián)的濾波器311-31N，這些濾波器輸出信號y1-yN。各濾波器最好基本上按圖2各濾波器同樣的方式接于上線路，即線路11，但也可以按其它方式連接。例如，圖2中各濾波器應通過彼此長度不同的時延與線路11連接。
各濾波器輸出信號加到相應的可控開關321-32N上。各開關配備有減法裝置331-33N，減法裝置的負輸入端與其相應的開關連接，其正輸入端接于線路34。開關的轉換位置在右邊的濾波器(例如開關32)，其輸出信號并非能動地用來減少回波，而只是起產(chǎn)生更新濾波器的誤差信號的作用。減法裝置33中形成有有關開關處于其右手位置的濾波器的誤差信號，該誤差信號等于線路34上的信號與濾波器輸出信號之間的差值。在所舉的事例中，這適用于誤差信號e2和eN的情況。在收斂過程的開始階段，例如在新的電話呼叫開始時，所有的開關處在其右邊的轉換位置。于是得出下列誤差信號e1＝d－y1，e2＝d－y2等等，因為線路12上含回波的信號d在開始階段也出現(xiàn)在線路34上。此線路上的這個信號叫做1tot，其原因以后自然明白。
在初始階段，即濾波器起作用，用以積極消除回波時，各濾波器調整的目的是想消除全部回波。在這一點上，每一個濾波器收斂到一定的程度，因為級聯(lián)的各濾波器的任一個濾波器通常會受實際上應由一個或多個其它濾波器加以消除的總回波的某些部分的干擾。
為了能夠確定哪一個濾波器進行了有用的工作，對每一個濾波器要連續(xù)不斷地計算出特殊質量測定值。質量測定結果或測定值又用來產(chǎn)生開關控制信號s1-sN。以后參照圖4將更詳細地說明質量測定和產(chǎn)生控制信號的過程。當濾波器的質量測定值超過超過某給定值時，應將有關濾波器耦合進來或使其起消除回波的積極作用，即應啟動它，使其減少回波，在所示的情況下就是說開關應取其左手側的轉換位置。接著，若質量測定值下降到第二較低值以下時，則可以作出使濾波器停止作用的選擇，即可以作出使開關恢復到其右手側的轉換位置。但也可以令起作用的濾波器在其余持續(xù)下去的呼叫的過程中仍然起作用。
這時起作用減少回波的那些濾波器的輸出信號都加到一系列加法裝置351-35N－1上。得出的和值信號在減法裝置中從含回波信號d中減除，因而在線路34上會出現(xiàn)回波減少信號etot。在所舉的實例中，令濾波器311和31N－1起作用，以減少出現(xiàn)在信號d中的回波。在此情況下，起作用各濾波器的輸出信號的和為y1＋yN－1，就是說，回波減少信號etot變成等于d－(y1－yN－1)。不言而喻，起作用各濾波器的各輸出信號也可以在一系列在線路12和34之間串聯(lián)連接的減法裝置中從信號d中減除。
由于減法裝置33的各輸入端上沒有出現(xiàn)起作用的各濾波器的信號，因而所有起作用的濾波器獲得與線路34上的回波減少信號etot相同的同大小誤差信號。在所舉的實例中，這適用于濾波器311和31N－1。每一個不起作用的濾波器312和31N，其誤差信號等于信號etot減去濾波器輸出信號。在所舉的實例中，得出e1＝eN－1＝etot＝d－(y1＋yN－1)
e2＝eN－1＝y(tǒng)2＝d－(y1＋y2＋yN－1)eN＝eN－1＝y(tǒng)N＝d－(y1＋yN－1＋yN)這樣，當一個濾波器起作用時，其輸出信號也用以新其余的濾波器。由于所有起作用的濾波器收到的誤差信號etot一樣大，因而可經(jīng)使這些濾波器的所有誤差信號下降到零或零附近，從而有效消除回波。所有的濾波器都不會受理應由其它濾波器濾除的總回波的任何部分的干擾。
圖4示出了用以給圖3所示的其中一個開關32產(chǎn)生控制信號的一個方案的實例。例如，這一種方案要求圖3的回波消除器中都裝上各濾波器。圖4所示的方案中都加上了回波減少信號etot、濾波器輸入信號yn和濾波器誤差信號en。某些信號的絕對值在絕對值發(fā)生裝置411-413中產(chǎn)生。接著，各信號在其各自的低通濾波器421-423中經(jīng)過濾波。從信號etot和yn得出的信號在乘法器43中相乘，從而得到信號|etot|*|yn|。從信號en得出的信號在平方裝置44中平方起來，于是得出信號|en|*|en|。來自乘法器43的信號在除法裝置45中為來自平方裝置44的信號所除。于是得出稱作qn的質量測定值。忽略絕對值的形成時，質量測定值就成為qn＝(etot/en)*(yn/en)。
質量測定值qn加到比較器461的輸入端，并加到比較器462的輸入端。質量測定值在比較器461中與用以啟動有關濾波器的閾值tr1相比較，同時在比較器462與使濾波器不起作用的較低閾值tr2相比較。各比較器的輸出信號加到邏輯裝置47上，由邏輯裝置47產(chǎn)生控制信號sn，并將該信號傳送給濾波器。例如，應啟動濾波器時產(chǎn)生邏輯“1”，應使濾波器停止作用時產(chǎn)生邏輯“0”。
上面說過，在呼叫進行過程中，無須使啟動中濾波器停止工作。因此，可就比較器46和邏輯47進行修改，就是說可以取消例如比較器462。
測定能消除最大回波的濾波器的質量的對象應為超過閾值tr1的第一濾波器。這是因為有關的濾波器，例如濾波器311，其輸出信號y1較大，其誤差信號e＝d－y1較小所致。啟動第一濾波器或將第一濾波器耦合進來的結果，使其余濾波器的誤差信號減少一個等于經(jīng)啟動的濾波器的輸出信號y1的值，因為這個輸入信號是在減法裝置36中從含回波的信號d減除的。于是其余濾波器的質量測定值增加。因此，那些未經(jīng)啟動的濾波器的誤差信號當然也會因每一個起動了的隨第一濾波器之后啟動的新濾波器而減少，從而使不起作用的濾波器的質量測定值相繼增加。因此可以說，較大的回波開始時便將較小的回波隱蔽起來。而工作效果沒有任何實用意義的濾波器，即只能消除較小回波的濾波器，其收到的輸出信號小到它們的質量測定值永遠不會超過濾波器的啟動閾值tr1。因此始終是不會啟動這些濾波器的。
濾波器一經(jīng)啟動，其質量測定值會稍微減小，這是因為線路34上的信號etot因濾波器輸出信號而有所減小的緣故。然而，適當選用濾波器啟動閾值tr1和濾波器止動閾值tr2。可以避免濾波器因質量測定值減小而不能加以啟動的情況。
但質量測定值也可以用與上述提到的不同的方法計算出來。在這方面可采用的方法有只將濾波器的輸出信號，例如y1用濾波器誤差信號(例如e1)來除，或者只研究濾波器的系數(shù)值。后一種方法可通過例如求出系數(shù)值絕對的和或所述系數(shù)值的平方和來實現(xiàn)。當然，計算質量測定值時也可以插入適當?shù)谋壤?shù)。此外，還可以按與計算不起作用的濾波器的質量測定不同的方法來計算起作用的濾波器的質量測定值。然而，無論用哪一種方法計算質量測定值，質量測定值總是體現(xiàn)了有關濾波器在目前回波消除過程中的重要性，即它是衡量濾波器在回波消除過程中所能起的或已經(jīng)起的良好作用的依據(jù)。
由于只啟動那些在消除回波過程中能起良好作用的濾波器來減少回波，因而起碼在大多數(shù)情況下會獲得快速的收斂效果，而由于所有起作用的濾波器接收完全相同的誤差信號，因而回波消除總是會發(fā)揮作用的。因此，個別濾波器的收斂將不會受由另一個濾波器實際加以消除的回波的影響。這就是說，所有的誤差信號會變小。此外，實際上，總會有足量的濾波器起作用，就是說，脈沖響應長的回波也會消除掉。當然，起作用濾波器的數(shù)目取決于有關的回波?？梢赃@樣說，當所有的濾波器都起作用時，就相當于使用一個長濾波器。從以上所述，顯然除極特殊情況下是不需要這種濾波器的，因為收斂時間通常會長到不必要的程度。
級聯(lián)濾波器的數(shù)目以8或16個為宜。若濾波器分接頭的數(shù)目最多為512，則每一個濾波器需要64或32個分接頭。
上面說過，快速收斂可以用穩(wěn)定可靠的收斂代替，因而本發(fā)明能獲得穩(wěn)定而可靠同時起碼又較快的收斂。
本發(fā)明并不受上述和所舉的實施例的限制，在不脫離下面權利要求書范圍的前提下是可以進行種種修改的。除上述修改之外，還可以例如與所有濾波器一樣，采用圖4所示的單一裝置。然后可以按時分多路復用的原理使用此裝置，每一次給一個開關產(chǎn)生控制信號。當業(yè)已起作用的濾波器在進行下去的呼叫過程中繼續(xù)保持起作用時，當然就無須計算那些業(yè)已起作用的濾波器的新的質量測定值。
當然，實際上也可以考慮將上述功能實施于數(shù)字信號處理裝置中，以代替如圖示的分立裝置。而實際上這種數(shù)字信號處理在結合自適應回波消除中是正常的。
權利要求
1.一種用回波消除器消除回波的方法，所述回波消除器有多個級聯(lián)的自適應的濾波器(311-N31)，每一個濾波器產(chǎn)生各自的輸出信號(y1-yN)供消除出現(xiàn)在四線回路線路(12，14)上的回波信號的相應部分，其中各濾波器借助于更新信號(e1-eN)加以更新，更新信號(e1-eN)則是在收斂過程的初始階段通過從含有回波信號且出現(xiàn)在所述線路上含回波的同一個信號(d)減除濾波器輸出信號而形成的，其特征在于，計算每一個濾波器的質量測定值(qn)，這是衡量濾波器在有關的回波消除過程中所起或已起的良好作用的依據(jù)；積極采用按質量測定值選取的濾波器來消除回波，例如，在線路(34)上產(chǎn)生等于含回波的信號(d)與來自當時在消除回波的過程中積極消除回波的所有那些濾波器的輸出信號(y1，yN-1)的和之間的差值的回波減少信號(etot)，并采用該回波減少信號(etot)作為所有那些當時積極用以消除回波的濾波器(31，31N-1)的更新信號，并通過從回波減少信號減除各濾波器的輸出信號(y2，yN)以產(chǎn)生其余各濾波器(312，31N)的更新信號。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，質量測定值(qn)是濾波器輸出信號(例如y1)和濾波器誤差信號(例如e1)的函數(shù)。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，質量測定值(qn)也是回波減少信號(etot)的函數(shù)。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，質量測定值(qn)是濾波器系數(shù)值的函數(shù)。
5.如權利要求1-4任一項所述的方法，其特征在于，將每一個濾波器的質量測定值(qn)與預定值(tr1)相比較；且積極使用質量測定值超過該值(tr1)的濾波器(31，31N-1)來消除回波。
6.一種回波消除器，具有多個級聯(lián)的自適應濾波器(311-31N)，每一個濾波器的輸出端上分別產(chǎn)生輸出信號(y1-yN)，供消除四線回路線路(12，34)上出現(xiàn)的回波信號的相應部分，其中各濾波器借助于更新信號(e1-eN)加以更新，該更新信號(e1-eN)則是在收斂過程的初始階段通過從含回波信號且出現(xiàn)在同一線路上的同一個含回波信號(d)減除濾波器的輸出信號產(chǎn)生的其特征在于，回波消除器具有計算裝置(41，45)，供計算每一個濾波器的質量測定值(qn)之用，質量測定值(qn)是衡量濾波器在當前消除回波的過程中所能起或已起的良好作用的依據(jù)；每一個濾波器具有開關裝置(321-32N)，用以根據(jù)質量測定值將濾波器的輸出端與第一特定點或第二特定點連接起來；回波消除器還具有回波減少信號發(fā)生裝置，用以在所述線路(34)上產(chǎn)生等于含回波的信號(d)與來自輸出端都與所述第一特定點相連接的所有濾波器的信號(例如，y1，yN－1)的和之間的差值的回波減少信號(etot)；且回波消除器的每一個濾波裝置(331-33N)用來在濾波器輸出信號(例如y2)之間的差值的更新信號。
7.如權利要求6所述的回波消除器，其特征在于，所述更新信號發(fā)生裝置有一個減法裝置(例如331)，減法裝置的正輸入端接有回波減少信號(etot)出現(xiàn)的線路(34)，減法裝置的負輸入端接近所述第二點。
8.如權利要求6或7所述的回波消除器，其特征在于，所述質量測定值為濾波器輸出信號(例如y1)和濾波器誤差信號(例如，e1)的函數(shù)。
9.如權利要求8所述的回波消除器，其特征在于，質量測定計算裝置(41-45)構制得使所述質量測定值也為回波減少信號的函數(shù)。
10.如權利要求6或7所述的回波消除器，其特征在于，所述質量測定計算裝置(41-45)構制得使質量測定值為濾波器系數(shù)值的函數(shù)。
11.如權利要求6-10的任一項所述的回波消除器，其特征在于，它有一個控制信號施加裝置(461-462，47)、閾值檢測裝置(461-462)和邏輯裝置(47)，控制信號施加裝置(461-462，47)上加有濾波器的質量測定值(qn)，所述裝置構制得使其將控制信號(s1-sN)加到開關裝置(321-32N)上，閾值檢測裝置(461-462)和邏輯裝置(47)構制得使每一個控制信號在濾波器質量測定值超過某預定值(tr1)時取第一控制值；且每一個開關裝置構制得使與開關裝置有關的濾波器的輸出在所述控制信號取第一控制值時與所述第一點連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及借助于一系列級聯(lián)的自適應濾波器(3文檔編號H04B3/23GK1123072SQ9419210
公開日1996年5月22日 申請日期1994年5月2日 優(yōu)先權日1993年5月14日
發(fā)明者T·M·安德烈 申請人:艾利森電話股份有限公司