送話器陣列回聲消除系統的製作方法
2023-10-05 13:22:49
專利名稱：送話器陣列回聲消除系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及回聲消除技術領域，更為具體地，涉及一種送話器陣列回聲消除系統。
背景技術：
語音通訊中，受話器(又稱聽筒、receiver、SPK、EAR和EARPHONE)的信號經過線路反射和聲學反射，會串入送話器(又稱麥克風、咪頭、微音器、拾音器)接收信號中，並饋送到遠端，使遠端聽到回聲。回聲會給通話雙方造成極大幹擾，影響通話質量，嚴重時甚至引起嘯叫，不僅完全無法通話，還可能傷害通訊設備。因此，為了保證通話質量和設備安全， 通常需要在語音通訊中對回聲進行抑制。回聲信號是受話器信號經由電聲轉換為實際聲音信號播放出來、再經過環境反射產生的。受話器的電聲轉換過程和環境反射都可以視為濾波過程，因此回聲信號可以看作是受話器經過一個特定的濾波器產生的聲音信號。簡單的回聲抑制是使信道變成半雙工，任何時刻信道內只有單向的信號在傳送， 抑制回聲。但在遠近端雙講時，遠端在講話時聽不到近端的聲音，通話的流暢性受到幹擾。隨著對語音通訊要求的不斷提升，一般會採用自適應回聲消除技術來抑制回音， 同時保護近端語音，保證雙工效果。自適應回聲消除技術以自適應濾波器作為回聲路徑消除濾波器來進行回聲消除， 濾波器通過比較受話器信號和送話器信號，自動實時跟蹤回聲反射環境的變化，得到準確的回聲路徑，消除回聲。常規的可以去除大部分回聲，不會影響雙工性能。但是在實際系統中，由於受話器本身有失真，常規的自適應回聲消除技術無法消除全部回聲，而會有部分的回聲殘留。現有的抑制或消除殘留回聲技術主要有兩種方式，一種是監測殘留回聲強度，限制受話器的功率，使殘留回聲低於限定水平，但該種方式會導致受話器信號強度有較大起伏，影響近端使用者的聽感。另一種方式是在殘留回聲較強時，將信道轉為半雙工，顯而易見，這種方式在抑制殘留回聲時會對近端語音造成損傷，特別是對於一些便攜的小型免提通話設備，由於受話器的失真較大，而且由於結構緊湊，送話器和受話器距離很近，殘留回聲很強時，為抑制殘留回聲會使信道變為半雙工，導致通話的流暢性受到影響。
實用新型內容鑑於上述問題，本實用新型結合陣列處理與回聲抑制，充分利用小型免提通話設備的聲學結構，提出一種送話器陣列回聲消除系統，用以在降低殘留回聲時減輕對近端語音的損傷，提升雙工性能。本實用新型提供的一種送話器陣列回聲消除系統，包括自適應回聲濾波單元，接收受話器信號和送話器陣列信號，基於所接收的受話器信號分別對送話器陣列中的每一個送話器信號進行回聲濾波，以得到回聲濾波信號陣列；[0011]殘留回聲濾波單元，與所述自適應回聲濾波單元級聯，基於所接收的受話器信號， 對所述回聲濾波信號陣列進行殘留回聲濾波；其中，所述殘留回聲濾波單元包括陣列濾波器，用於與回聲濾波信號陣列中的一個相卷積，所述陣列濾波器的權值由所述受話器與所述送話器陣列之間的相對位置確定；第一加法器，用於從所述回聲濾波信號陣列中的一個回聲濾波信號中減去另一個回聲濾波信號與陣列濾波器相卷積所產生的信號，以輸出第一殘留回聲濾波信號。時頻變換器，用以將所述回聲濾波信號陣列中的每一回聲濾波信號以及所述第一殘留回聲濾波信號分別從時域變換到頻率域；語音概率估計器，用於確定所述回聲濾波信號陣列中語音和回聲分布區域的頻域語音概率信息；乘法器，用於將所述頻域語音概率信息與所述從時域變換到頻率域的第一殘留回聲濾波信號相乘，得到第二殘留回聲濾波信號。其中，優選的方案是，所述語音概率估計器通過比較經時頻域變換後的所述回聲濾波信號陣列中的每一路回聲濾波信號的時間和相位關係，確定所述回聲濾波信號陣列中的語音和回聲分布區域的頻域語音概率信息。此外，優選的結構是，所述殘留回聲濾波單元進一步包括頻譜濾波器，基於所接收的受話器信號和所述第二殘留回聲濾波信號確定回聲估計信號；第二加法器，用於從所述第二殘留回聲濾波信號中減去所述回聲估計信號，得到分離的語音信號；頻時變換器，用於將所述分離的語音信號從頻率域變換到時域。此外，優選的方案是，所述頻譜濾波器在基於所接收的受話器信號和所述第二殘留回聲濾波信號確定回聲估計信號的過程中，將所述受話器信號和所述第二殘留回聲濾波信號進行頻譜包絡形狀匹配，然後乘以一因子進行能量匹配，並與所述第二殘留回聲濾波信號做相位匹配，得到匹配回聲，然後再根據所得到的匹配回聲確定回聲估計信號。此外，優選的方案是，所述自適應回聲濾波單元採用時域或者頻域或者時頻域混合的濾波方式分別對所述送話器陣列信號中的每一送話器信號進行自適應回聲濾波。此外，優選的方案是，所述送話器陣列包括兩個送話器。此外，優選的方案是，所述陣列濾波器的權值為幅度為D2ZiD1,時延為(D1-D2Vc, 其中，D2為所述受話器與所述送話器陣列中的較近的一個送話器之間的距離，D1為所述受話器與所述送話器陣列中的較遠的一個送話器之間的距離，c為聲速。此外，優選的方案是，所述自適應回聲濾波單元由分別與所述送話器陣列的每一送話器相對應的濾波器、濾波控制器、加法器組構成。根據本實用新型的送話器陣列回聲消除系統，藉助新的回聲消除技術將殘留回聲濾波設計與陣列空間濾波相結合，充分利用小型免提通話設備的聲學特性以及送話器和受話器的位置信息，利用回聲和近端語音到送話器的時間和相位差異，提取語音概率信息，將語音區域和回聲區域劃分開來，有效濾除殘留回聲，並保護近端語音。為了實現上述以及相關目的，本實用新型的一個或多個方面包括後面將詳細說明並在權利要求中特別指出的特徵。下面的說明以及附圖詳細說明了本實用新型的某些示例性方面。然而，這些方面指示的僅僅是可使用本實用新型的原理的各種方式中的一些方式。 此外，本實用新型旨在包括所有這些方面以及它們的等同物。
通過參考
以下結合附圖的說明及權利要求書的內容，並且隨著對本實用新型的更全面理解，本實用新型的其它目的及結果將更加明白及易於理解。在附圖中圖1為本實用新型所應用的受話器和送話器陣列相對位置實施例示意圖；圖2為本實用新型所應用的小型免提通話設備使用場景的實施例示意圖；圖3為本實用新型實施例的送話器陣列回聲消除系統的方框示意圖；圖4為送話器信號與近端語音成分的能量對比示意圖；圖5為根據本實用新型實施例的陣列濾波器的形狀示意圖；圖6為本實用新型實施例的經陣列濾波器濾波後的效果示意圖；圖7為根據本實施例的語音概率抑制後的信號能量對比示意圖；圖8為受話器信號和殘留回聲頻譜的對比示意圖；圖9為匹配回聲和殘留回聲頻譜的對比示意圖；圖10為本實用新型進行回聲濾波後的最終效果比較示意圖。在所有附圖中相同的標號指示相似或相應的特徵或功能。
具體實施方式
以下將結合附圖對本實用新型的具體實施例進行詳細描述。本實用新型採用送話器陣列消除殘餘回聲，因此適用於有多個送話器和單個受話器的小型免提通話設備。圖1和圖2分別為本實用新型所應用的受話器和送話器陣列相對位置以及小型免提通話設備使用場景的實施例示意圖，如圖1和圖2所示，在這種通話設備中，一般受話器放置在送話器陣列90度方向，使用者在送話器陣列0度方向。這與某些應用場景一致，比如車載免提carkit，使用者正對送話器陣列，位置較為固定。圖1和圖2 演示的是雙送話器的例子，兩個以上多送話器陣列的擺放與之類似。對於使用者來說，使用者到送話器的距離接近相等，也就是說，送話器陣列中的每一個送話器所接收到的使用者發出的語音信號是基本相同的。但是對於受話器而言，受話器到各個送話器的距離不等，以雙送話器陣列為例，如果送話器和受話器1的距離是D1,與受話器2的距離是D2，並且D1 >= 2D2，例如D1 = 9cm, D2 = 4cm。由於受話器發出的回聲， 到兩個送話器之間有相位差，而使用者發出的語音到兩個送話器是同相的，因此根據相位關係的差異，可以區分語音和回聲，達到分離語音和回聲的目的。本實用新型正是利用這一相位關係的差異來進行語音和回聲的分離。圖3為本實用新型實施例的送話器陣列回聲消除系統的方框示意圖。如圖3所示，本實用新型所提供的送話器陣列回聲消除系統300主要由自適應回聲濾波單元320和殘留回聲濾波單元340兩部分組成，其中自適應回聲濾波單元320和殘留回聲濾波單元340在結構上為級聯關係，自適應回聲濾波單元320的輸入是受話器信號和送話器陣列的兩路送話器信號，殘留回聲濾波單元340的輸入信號是受話器信號和自適應回聲濾波單元320的兩路輸出，殘留回聲濾波單元340的輸出信號是送話器陣列回聲消除系統的輸出，即分離了回聲的語音信號。[0046]從送話器陣列回聲消除系統300的整體應用來說，本實用新型所提出的送話器陣列回聲消除系統連接在送話器和受話器之間，受話器信號X和送話器信號d(包括送話器陣列的所有信號屯、d2. . . dM)是系統輸入，送話器信號d由回聲信號y以及近端語音信號ν 組成。兩路送話器信號經過自適應回聲濾波單元320，回聲成分被大部分濾除，僅有部分的殘留回聲進入殘留回聲濾波單元340，經殘留回聲濾波單元340後，殘留回聲也被濾除，最後得到的是只有近端語音信號V，作為分離了回聲的語音信號被送話器陣列回聲消除系統 300輸出送到語音通訊的遠端。圖4為送話器信號與近端語音成分的能量對比示意圖。如圖4所示，在典型應用中，實線表示送話器信號Cl1，虛線表示送話器信號中的近端語音成分Vl，點線表示回聲成分 yi。可以看到，送話器信號中，近端語音成分的能量很低，完全被淹沒在回聲中。下面分別對自適應回聲濾波單元320和殘留回聲濾波單元340的組成結構和信號處理過程進行示例性說明。自適應回聲濾波單元320接收受話器信號和送話器陣列信號，基於所接收的受話器信號分別對送話器陣列中的每一個送話器信號進行回聲濾波，以得到回聲濾波信號陣列。在圖3所示的實施例中，自適應回聲濾波單元320的輸入有三路，受話器信號χ和兩路送話器信號屯、d2，輸出為自適應濾波後的回聲濾波信號陣列，在圖3所示的實施例中為ei 與％。在本實用新型中，自適應回聲濾波單元320部分的工作原理與通用的自適應回聲濾波相似，可以採用時域或者頻域或者時頻域混合的濾波形式。在本實施例中，自適應回聲濾波單元320包括與送話器陣列中的每一送話器分別對應設置的一組濾波器321、濾波控制器322和加法器323構成。其中，濾波器和濾波控制器分別為自適應濾波器和自適應濾波控制器，通過比較受話器信號和送話器信號的相似性，自適應匹配出回聲信號並從藉助加法器323送話器信號中濾除回聲信號，得到相應的回聲濾波信號。殘留回聲濾波單元340與自適應回聲濾波單元320級聯，基於所接收的受話器信號，對自適應回聲濾波單元320輸出的回聲濾波信號陣列進行殘留回聲濾波。也就是說，殘留回聲濾波單元340的輸入有三路，受話器信號χ和自適應回聲濾波單元320輸出的回聲濾波信號陣列ei和％，輸出為去除所有回聲成分的語音信號e。ut。本實施例中的殘留回聲濾波單元340主要包括陣列濾波器341、第一加法器342、時頻變換器343、語音概率估計器 344和乘法器345，另外還可以包括頻譜濾波器346、第二加法器347以及頻時變換器348。在殘留回聲濾波單元340收到受話器信號和自適應回聲濾波單元320輸出的回聲濾波信號陣列後，時頻變換器343會將回聲濾波信號陣列中的每一路回聲濾波信號ei和％ 分別從時域變換到頻率域，以便進行頻率域的語音概率估計。時頻變換可以採用傅立葉變換實現，也可以用改進離散數字餘弦變換等方式實現。其中，陣列濾波器341與回聲濾波信號陣列中的％相卷積，以利用卷積結果初步消除ei中的殘留回聲成分。由於受話器和送話器陣列之間的位置差異，送話器1中的回聲，近似於送話器2中的回聲與一個陣列濾波器相卷積，因此，將這樣一個陣列濾波器與送話器2的回聲濾波信號％卷積，再從送話器1中減去，就會減小送話器1中的殘留回聲成分，獲得第一殘留回聲濾波信號emi，該第一殘留回聲濾波信號emi在每一路回聲濾波信號ei和％的基礎上初步濾除了部分殘留回聲。下面對陣列濾波器341的權值做如下分析推導 在如圖1所示的通話設備中，送話器和受話器的位置是確定的，根據聲傳播的物理特性，回聲到兩個送話器之間的相對關係也是確定的，若受話器發聲時，受話器中心的聲音為s，則傳播到兩個送話器上的信號S1和&近似為 S.
權利要求1.一種送話器陣列回聲消除系統，包括自適應回聲濾波單元，接收受話器信號和送話器陣列信號，基於所接收的受話器信號分別對送話器陣列中的每一個送話器信號進行回聲濾波，以得到回聲濾波信號陣列；殘留回聲濾波單元，與所述自適應回聲濾波單元級聯，基於所接收的受話器信號，對所述回聲濾波信號陣列進行殘留回聲濾波；其中，所述殘留回聲濾波單元包括陣列濾波器，用於與回聲濾波信號陣列中的一個相卷積，所述陣列濾波器的權值由所述受話器與所述送話器陣列之間的相對位置確定；第一加法器，用於從所述回聲濾波信號陣列中的一個回聲濾波信號中減去另一個回聲濾波信號與陣列濾波器相卷積所產生的信號，以輸出第一殘留回聲濾波信號；時頻變換器，用以將所述回聲濾波信號陣列中的每一回聲濾波信號以及所述第一殘留回聲濾波信號分別從時域變換到頻率域；語音概率估計器，用於確定所述回聲濾波信號陣列中語音和回聲分布區域的頻域語音概率信息；乘法器，用於將所述頻域語音概率信息與所述從時域變換到頻率域的第一殘留回聲濾波信號相乘，得到第二殘留回聲濾波信號。
2.如權利要求1所述的送話器陣列回聲消除系統，其中，所述語音概率估計器通過比較經時頻域變換後的所述回聲濾波信號陣列中的每一路回聲濾波信號的時間和相位關係，確定所述回聲濾波信號陣列中的語音和回聲分布區域的頻域語音概率信息。
3.如權利要求1所述的送話器陣列回聲消除系統，所述殘留回聲濾波單元進一步包括頻譜濾波器，基於所接收的受話器信號和所述第二殘留回聲濾波信號確定回聲估計信號；第二加法器，用於從所述第二殘留回聲濾波信號中減去所述回聲估計信號，得到分離的語音信號；頻時變換器，用於將所述分離的語音信號從頻率域變換到時域。
4.如權利要求3所述的送話器陣列回聲消除系統，其中，所述頻譜濾波器在基於所接收的受話器信號和所述第二殘留回聲濾波信號確定回聲估計信號的過程中，將所述受話器信號和所述第二殘留回聲濾波信號進行頻譜包絡形狀匹配，然後乘以一因子進行能量匹配，並與所述第二殘留回聲濾波信號做相位匹配，得到匹配回聲，然後再根據所得到的匹配回聲確定回聲估計信號。
5.如權利要求1 4中任一項所述的送話器陣列回聲消除系統，其中，所述自適應回聲濾波單元採用時域或者頻域或者時頻域混合的濾波方式分別對所述送話器陣列信號中的每一送話器信號進行自適應回聲濾波。
6.如權利要求1所述的送話器陣列回聲消除系統，其中，所述送話器陣列包括兩個送話器ο
7.如權利要求6所述的送話器回聲陣列消除系統，其中，所述陣列濾波器的權值為幅度為D2ZiD1,時延為(D1-D2)/c，其中，D2為所述受話器與所述送話器陣列中的較近的一個送話器之間的距離，D1為所述受話器與所述送話器陣列中的較遠的一個送話器之間的距離，c為聲速。
8.如權利要求1所述的送話器陣列回聲消除系統，其中，所述自適應回聲濾波單元由分別與所述送話器陣列的每一送話器相對應的濾波器、濾波控制器、加法器組構成。
專利摘要本實用新型提供了一種送話器陣列回聲消除系統，包括級聯的自適應回聲濾波單元和殘留回聲濾波單元，殘留回聲濾波單元基於所接收的受話器信號自適應回聲濾波後的信號陣列進行殘留回聲濾波；其中，所述殘留回聲濾波單元包括陣列濾波器、第一加法器、時頻變換器、語音概率估計器和乘法器，分兩個層次對自適應回聲濾波後的信號陣列進行殘留回聲濾波。本實用新型利用回聲和近端語音到送話器的時間和相位差異，將語音和回聲的區域劃分開來，有效濾除殘留回聲，並保護近端語音。
文檔編號H04M9/08GK202197344SQ20112024100
公開日2012年4月18日 申請日期2011年7月8日 優先權日2011年7月8日
發明者劉崧, 李波, 樓廈廈 申請人:歌爾聲學股份有限公司