抑制輸入信號中幹擾成分的設備的製作方法
2023-09-12 03:57:40
專利名稱：抑制輸入信號中幹擾成分的設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及抑制輸入信號中的幹擾成分的設備，該設備包括用於獲取幹擾成分估計值的裝置，和用於確定輸入信號與幹擾成分估計值之間差值信號的裝置。
本發明還涉及一個揚聲電話。
上文中所述的設備可參見US5,390,250該設備在諸如聲回波消除器和噪聲消除器方面具有廣泛的用途。在這些應用設備的輸入信號中均有幹擾成分存在。
幹擾成分，例如可能是揚聲電話系統中從遠端接收的信號。這種遠端信號經揚聲器重現後與例如來自本地說話人的近端信號一同進入話筒。輸入信號現為從話筒輸出信號中所得的一種信號。由於傳送路徑中包含放大器，對特定頻率的環路增益可能大於1，從而引起振蕩。如果聲反饋係數小於1，雖然不會出現振蕩，但經過一定延遲後附加到發送路徑輸入端的信號回波會經過遠端回波路徑出現在接收路徑的輸出端。在打電話時這意味著送話人會在一段特定時間延遲後聽到自己的聲音。特別是當延遲時間很長時這種現象很令人煩惱。
為避免這種不希望的反饋，在聲回波消除器中利用一個自適應濾波器從遠端信號中獲取該多餘成分的複製信號。並且將該複製信號從輸入信號中減去，從而消除該多餘成分信號。
如果是噪聲消除系統，多餘成分是來自某噪聲源的噪聲，例如汽車發動機運轉時的噪聲。為消除該噪聲信號，利用一個自適應濾波器由從一個參考傳感器接收的參考噪聲信號中獲取其複製信號。同樣，也將該複製信號從輸入信號中減去。
自適應濾波器的一個問題在於它跟蹤要重現的傳輸函數的快速變化的能力有限。這種快速變化可能起因於放置回波消除器或噪聲消除器的房間內有人走動。這會導致對多餘成分的抑制能力下降，目前該問題尚未找到令人滿意的解決方案。
本發明的目的在於提供一種前文所述的設備，該設備能大幅度地提高自適應濾波器處理要重現的傳輸函數的變化的能力。
與該發明相應的設備的特徵在於它包括一個用於確定幹擾信號的頻譜估計值的裝置，此裝置包含一個對幹擾成分的頻譜內至少一個頻段具有縮減傳遞函數的濾波器。
通過確定幹擾成分的頻譜以及使用濾波器對對應所確定頻率的頻段進行選擇性衰減，可以獲得對幹擾成分的附加抑制。令人驚奇的是，實驗表明上述濾波器的使用對輸入信號中的有用成分幾乎沒有能感覺到的影響。實驗還表明對多餘成分的附加抑制允許在要重現的傳輸函數中的快速變化而幾乎沒有可感覺到的影響。
該發明的一個實施例的特徵在於濾波器被配置用於從差值信號中獲取輸出信號。
如果濾波器用於從差值信號中獲取輸出信號，那麼獲取多餘信號的複製信號的過程是與濾波過程完全去耦的。其優點在於用來獲取多餘信號的複製信號的裝置，其收斂特性與附加濾波無關。
該發明的另一個實施例的特徵在於用於確定幹擾成分頻譜估計值的裝置被用來從幹擾成分的估計值中導出幹擾成分頻譜的估計值。
在估算幹擾成分的裝置的輸出端通常會得到該幹擾成分的較好估計值。利用該信號來確定頻譜範圍，會得到可靠的頻譜估計值。
該發明的另一個實施例的特徵在於濾波器的傳輸函數具有一個由輸入信號的頻譜幅度與幹擾成分估計值的頻譜幅度的差值決定的絕對值。
導出濾波器傳輸函數的一個簡便方法是用輸入信號的振幅譜減去多餘成分的振幅譜。該減法操作通常在頻域內實現，但本發明並不僅限於此。
該發明的一個簡單實施例的特徵在於用於確定幹擾成分的頻譜估計值的裝置被用來確定頻譜內至少一個峰值的頻率，其特徵還在於濾波器用於對至少一個峰值的頻率周圍的頻率範圍內成分進行衰減。
頻率峰值可由例如線性預測參數的計算來確定。濾波器可以有根據預測參數決定的傳遞函數。
現參照附圖對該發明做出解釋。
如下
圖1，根據該發明的用於回波消除器的設備的第一種實施例。
圖2，根據該發明的用於噪聲消除器的設備的第二種實施例。
圖3，圖2所示實施例中話筒的位置。
圖4，圖1或圖2所示實施例中用於獲取噪聲信號的複製信號的裝置的實施例。
圖5，將用於估算幹擾成分頻譜的裝置與濾波器相結合的第一種實施例。
圖6，將用於估算幹擾成分頻譜的裝置與濾波器相結合的第二種實施例。
圖1所示的回波消除器中，信號x[k]連接至信號處理裝置6的第一個輸入端。在裝置6中，信號x[k]加到放大器2的一個輸入端和用於獲取幹擾成分估計值的裝置的輸入端，該裝置是一個自適應濾波器10。放大器2的輸出端與揚聲器4的輸入端相連接。
載送該裝置的輸入信號z[k]的話筒的輸出端被耦合至減法器14的第一輸出端。自適應濾波器10的輸出端與減法器14的第二輸入端相連接，並且還連接到用於確定幹擾信號頻譜估計值的裝置的輸入端，即頻譜確定裝置12的輸入端。減法器14的輸出耦合至濾波器16的輸入端。頻譜確定裝置12的輸出端與濾波器16的控制輸入端相連接。在濾波器16的輸出端存在信號s[k]的估計值r』[k]。
圖1所示的回波消除器1中，輸入信號z[k]的幹擾成分為信號e[k]。信號e[k]為遠端信號經揚聲器4重現產生的回波信號。自適應濾波器10用於獲取e[k]的複製信號 。這通常通過對自適應濾波器的係數的選擇以儘量減小信號r[k]與信號x[k]的相關程度來實現。有幾種用於調整自適應濾波器的係數的常用的時域算法，例如LMS(最小均方)算法，NLMS(規一化最小均方)算法和RLS(遞歸最小平方)算法。自適應濾波器也可以在頻域內工作。
頻譜確定裝置12用於確定自適應濾波器10的輸出信號的頻譜。用該頻譜可以確定濾波器16的設置。濾波器16被配置用於抑制減法器輸出信號中的頻譜成分，其中幹擾信號佔很高比例。可以想像，頻譜確定裝置的輸入端與自適應濾波器10的輸入端而非輸出端相連接，因為信號x[b]也是輸入信號中幹擾成分的合理估計值。在沒有信號s[k]時，也能估計幹擾成分的值。在這種情況下，必須在該裝置上附加一個語音探測器。就濾波器16的位置而言，它位於話筒8和減法器14之間是可能的。
在圖2所示的噪聲消除器當中，載送輸出信號z[k]的話筒20的輸出端連接至信號處理裝置28的第一個輸入端。信號z[k]是該裝置的輸入信號。在裝置28中信號z[k]加在減法器38的第一個輸入端。
載送輸出信號x1[k]的話筒22的輸出端連接至自適應濾波器30的輸入端。自適應濾波器30的輸出端與加法器36的第一個輸出端相連接。載送輸出信號x2[k]的話筒24的一個輸入端連接至自適應濾波器32的一個輸入端。濾波器32的輸出端與加法器36的第二個輸入端相連接。載送輸出信號x3[k]的話筒26的一個輸出，連接至自適應濾波器34的一個輸入端。自適應濾波器34的輸出端與加法器36的第三個輸入端相連接。
加法器36的輸出端與減法器38的第二個輸入端以及頻譜確定裝置42的一個輸入端相連接。載送輸出信號x[k]的減法器38的輸出端與濾波器40的一個輸入端相連結。頻譜確定裝置24的一個輸出端與濾波器40的控制輸入端相連接。濾波器輸出基本不含幹擾信號的信號r』[k]。
圖2所示的噪聲消除器包括四個話筒20，22，24和26。其中20為主話筒，它用於接收來自講話人的信號。話筒22，24，26分配給其他競爭者，他們的話音將不傳送至輸出端，話筒22，24，26也可以是位於三個不同空間位置用於接收信號的參考話筒。無疑本發明並不限於用三個話筒接收幹擾信號。可能用一個話筒接收幹擾信號已經足夠了，但增加話筒數量可以提高噪聲消除器的性能。話筒22，24，26後面分別相應地連接有自適應濾波器30，32，34。在減法器38中信號z[k]與來自自適應濾波器30，32，34的複合信號y[k]相減。為儘量減小減法器38的輸出信號與其各輸入信號的相關程度，須對自適應濾波器30，32，34單獨調節。與圖1中自適應濾波器10相同的算法也可以使用。頻譜確定裝置42用於確定加法器36中輸出信號的頻譜。所確定的頻譜用來控制濾波器40從而對減法器38輸出信號中的幹擾成分進行附加抑制。
圖3表示將話筒20，22，24，26用於圖2裝置所示的一種可能方案。該方案適用於多用戶情況。由於每個話筒的方向性，話筒22，24，26不接收信號本身而只接收反射信號。這就導致了對噪聲消除器輸出信號中的幹擾成分的抑制。如上所述，通過使用自適應濾波器30，32和34以及濾波器40，來自其他送話者的幹擾信號由於以上原因得到了有效的抑制。
圖4所示自適應濾波器的使用中，信號xi[k]加在頻域自適應濾波器50的一個輸入端和一個時域可編程濾波器的一個輸入端。輸入信號z[k]加在減法器58的第一個輸入端和減法器56的第一個輸入端。時域可編程濾波器54的輸出端與減法器58的第二個輸入端相連接。在減法器的輸出端為輸出信號。
頻域自適應濾波器50的一個輸出端與減法器56的第二個輸入端相連接。減法器56的輸出端與頻域自適應濾波器50的第二輸入端相連接。頻域自適應濾波器的第二輸出端與反向快速傅立葉變換器52的一個輸入端相連接。頻域自適應濾波器50的輸出端載送該頻域濾波器的參量。反向快速傅立葉變換器的輸出端與時域可編程濾波器54的一個輸入端相連接。
自適應濾波器50是在頻域內實現的，這是由於對於實現必需寬度的脈衝響應，時域自適應濾波器要比頻域自適應濾波器複雜得多。除此而外，時域自適應濾波器的缺點還在於用於信號有很強的自相關性，因而調節信號回波路徑的脈衝響應需要比頻域自適應濾波器長很多的時間，頻域自適應濾波器中的解相關技術易於實現。而時域自適應濾波器採用解相關技術要複雜得多。
在頻域濾波器50中，對信號xi[k]和r」[k]的取樣值進行正交變換，例如快速傅立葉變換得到信號xi[p；m]和R」[p；m]，其中P是歸一化頻率，m是碼組編號。在頻域濾波器50中相關度xi*[p；m]·R」[p；m]計算可得。進而濾波器50的頻域係數W[p；m]可依照LMS算法修正。頻域係數可寫為W[p；m]＝W[p；m-1]-μ[p；m]Xi*[p；m]·R″[p，m](1)在(1)當中，μ為增益因數，它取決於xi[p；m]功率。通過將信號xi[p；m]與ω[p；m]相乘進行實際濾波。進而濾波後的信號再經快速傅立葉變換後得到時域濾波信號，該信號加在減法器56的第二個輸入端。自適應濾波器50的頻域係數變換為時域濾波係數。這些時域濾波係數加至時域可編程濾波器54上，該濾波器用於確定幹擾成分的複製信號。濾波9是在時域中實現的，這是因為要濾波的信號未經過附加的延遲，而在頻域濾波器中特定附加延遲是難以避免的。
如圖5所示，用於確定幹擾成分頻譜的裝置12與濾波器16相結合，信號y[k]加在窗處理器60上。窗處理器60的輸出端與快速傅立葉變換器62的輸入端相連接。窗處理器60與快速傅立葉變換器62相結合構成確定幹擾成分頻譜估計值的裝置。快速傅立葉變換器的輸出端與振幅探測器64相連接。振幅探測器64的輸出端與計算器78的第一個輸入端相連接。
信號y[k]加在窗處理器66的輸入端。窗處理器66的輸出端與快速傅立葉變換器68的輸入端相連接。快速傅立葉變換器68的輸出端與振幅探測器74的一個輸入端以及計算器78的第二個輸入端相連接。振幅探測器74的輸出端與計算器78的第三個輸出端相連接。
信號z[k]加在窗處理器70上。窗處理器70的輸出端與快速傅立葉變換器72相連接。快速傅立葉變換器72與振幅探測器76相連接。振幅探測器76的輸出端與計算器78的第四個輸入端相連接。
計算器78的輸出端與反向快速傅立葉變換器80的輸出端相連接。反向快速傅立葉變換器80的輸出端為輸出信號r』[k]。
在窗處理器66中，由信號r[k]最近的128個取樣值組成的碼組及其其後128個取樣值組成的碼組一起存入能裝256個取樣值的緩存器。用所謂哈明窗對該緩存器的內容進行加窗處理。隨後信號r[k]的最近128個取樣值組成碼組被存貯起來供下次加窗操作使用。窗處理器60、70的操作過程與窗處理器66的操作過程相同。
快速傅立葉變換器62，68和72對其各自輸入信號進行256點快速傅立葉變換得到信號Y(ω)，R(ω)和Z(ω)。振幅探測器64、74和76用於確定頻譜幅度，公式如下
在公式(2)，(3)，(4)中，
表示x的實部，
表示x的虛部。(2)(3)(4)頻譜幅度的估算值用於簡化運算。
計算器78從計算信號S的頻譜幅度的第一個估算值開始。S的頻譜幅度的一個可能表示式為Sa=MAX
----(5)]]>在(5)中，α、β為值介於0.5和2之間的常數。γ為值在1左右或者大於1的常數。一個適當的值為1.5。(5)中的函數MAX是為了防止頻譜幅度出現負值。實驗表明通過選擇常數α、β等於1對公式(5)進行簡化不會造成可聽度下降。因此(5)變為Sa(ω)＝Max
(6)在自適應濾波器10提供對幹擾成分足夠的抑制的情況下，為減小根據(6)的濾波作用，公式(6)中採用了頻譜基底。如下ωSa(ω)＝MAX[Sa(ω)，C·Za(ω)](7)在(7)中，C為值約等於0.003的常數。
因為濾波信號γ』[k]的頻譜幅度R』(ω)≈S(ω)等於H(ω)·Ra(ω)，由於H(ω)可寫為H(ω)＝Sa(ω)/Ra(ω)。為限定H(ω)的最大值，將H(ω)設定為MIN(1，Sa(ω)/Ra(ω))。在將H(ω)用於濾波信號r[k]之前，依下面導出平滑型H(ω)。
在(8)中m是碼組編號，μ是值等於0.7的常數。
Hm(ω)＝μHm-1(ω)+(1-μ)H(ω)(8)信號γ』[k]的頻譜由下式決定R′(ω)＝R(ω)·Hm(ω) (9)256點反向快速傅立葉變換器80將計算器78的輸出信號轉換到時域。反向快速傅立葉變換的前128點與已經計算好的反向傅立葉變換的後128點相加。當前反向快速傅立葉變換的最後128點存貯起來並與下次反向快速傅立葉變換的前面128點進行加法運算。
在設備5中，信號Ya(ω)由自適應濾波器10的輸出信號y[k]直接確定。但獲得更好的Ya(ω)的估算值是可能的。通常自適應濾波器的脈衝響應的長度將被限定。結果信號Z[k]中包含的回波信號將顯示一個拖尾，它並不是由自適應濾波器重現形成的。但是，可以將該拖尾包含在Ya(ω)的估算式中，下面將做出解釋。
由於回波信號的頻譜幅度可以寫為Ya(ω)＝Yaf(ω)+Ytail(ω)(10)在(10)中，Yaf(ω)是自適應濾波器的輸出信號的頻譜幅度，Ytail(ω)是殘餘回波的頻譜幅度。如果假定回波途徑的脈衝響應按指數衰減，殘餘回波信號的頻譜幅度可由自適應濾波器的輸出信號按下式估算出來Ytail[m](ω)＝α·Ytail[m-1](ω)+β·Yaf[m-p](ω)(11)在(11)中，α和β為常數，m為指示隨後確定的頻譜幅度Yaf(ω)的標誌，P是表現在大量Yaf(ω)的更新周期中的自適應濾波器的長度。在信號Y是固定的情況下，(11)可以概略表示為Ytail[m](ω)＝α·Ytail[m-1](ω)+β·Yaf[m](ω)(12)對於具有1024個取樣值的脈衝響應的濾波器，如果將128個取樣的更新周期用於Yaf(ω)，則α和β的適當的值為0.79和0.04。
在用於估算幹擾成分的頻譜的裝置12與濾波器16的組合中，信號y[k]加在線性預測分析器84上。線性預測分析器確定多個預測係數a[i]。變換器86對預測係數進行變換，例如a』[i]＝a[i]-δ1所示的帶寬擴展，其中δ為小於1的數。轉換的預測係數用於控制濾波器16，用以抑制含有顯著能量的幹擾成分的頻率成分。一個合適的濾波器應具有傳遞函數H(z)=1-i=1npia[i]z-i(1+z-i)(1-i=1nqiz-i)----(13)]]>在(10)中，p.q和μ為小於1的常數，而且p小於q。(10)是基於用於語音編碼的後置濾波器的反向傳輸函數。後置濾波器的目的是增強語音信號所在的那部分頻譜，並且抑制不含語音信號成分的那部分頻譜的噪聲成分。通過使用具有反向傳輸函數的濾波器，不含幹擾成分的那部分頻譜得到增強，而包含很強幹擾成分的那部分頻譜受到衰減。
權利要求
1.用於抑制輸入信號中幹擾成分的設備，該設備包括獲取幹擾成分估計值的裝置，還包括用於從輸入信號和幹擾成分的估計值確定差值信號的減法裝置，其特徵在於該設備包括確定幹擾成分頻譜估計值的裝置，還在於該設備包括一個對幹擾成分的頻譜內至少一個頻段具有縮減傳輸函數的濾波器。
2.根據權利要求1的設備，其特徵在於濾波器用於從差值信號中獲取輸出信號。
3.根據權利要求1或2的設備，其特徵在於用來確定幹擾成分頻譜估計值的裝置被配置用於由幹擾成分的估計值中導出幹擾成分頻譜的估計值。
4.根據以上權利要求之一的設備，其特徵在於濾波器的傳輸係數為一個絕對值，該絕對值由輸入信號的頻譜幅度與幹擾信號估計值的頻譜幅度之間的差值決定。
5.根據權利要求1，2或3其中之一的設備，其特徵在於用來確定幹擾成分頻譜估計值的裝置被配置用於確定頻譜範圍內至少一個峰值的頻率，還在於濾波器被配置用於衰減至少一個峰值兩端頻段範圍內的成分。
6.包括權利要求1，2，3，4或5其中之一的設備的揚聲器電話。
全文摘要
在一聲回波消除器(6)中,回波信號的估計值通過一個自適應濾波器(10)來確定,並通過減法器(14)由輸入信號中減去。頻譜估算器(12)確定回波信號的估計值的頻譜,濾波器(16)對減法器(14)的輸出信號濾波,濾波器有一個取決於估算器(12)所確定頻譜的傳輸函數。以上組合的使用導致顯著改善對回波信號的抑制。
文檔編號H04B3/23GK1198283SQ97190969
公開日1998年11月4日 申請日期1997年5月16日 優先權日1996年5月31日
發明者C·P·雅瑟 申請人:菲利浦電子有限公司