一種有效的回波抑制器的製作方法

2023-05-10 00:09:46

專利名稱：一種有效的回波抑制器的製作方法
技術領域：
該發明涉及一種電信設備，更確切地說，它介紹了一種有效的回波消除和抑制的方法。
背景技術：
回波消除器
回波消除器可以是一種設備，也可以是一種軟體，它通過使用參考信號來消除回波信號。 參考信號又稱為接收信號(Rx信號)。回波信號又稱為回波返回信號，混雜在傳輸信號(Tx 信號)裡。回波消除器有兩種主要類型 一種稱為聲音回波消除器(AEC),另一種稱為線性 回波消除器(LEC)。顯然，聲音回波消除器是用於消除聲音回波，而線性回波消除器則是用 於消除線性回波。
線性回波產生的原因是由於混合電路與阻抗在二到四線信號變換時存在不平衡性。聲音 回波出現在電信設備裡，它的產生是由於聲音結合的回波在提供全雙工連接的同時被傳輸回 接收方；這個問題也出現在電話會議中一如何在搭建兩個或多人通話橋梁的同時消除由其他 人傳來的噪聲。在語音交流過程中，有些回聲是可以接受的，但是用戶通常不願意聽到自己 的講話聲；即受到系統往返時間的影響而有所遲滯的回音。
回波消除器通常是一個自適應濾波器，並且結合了一個最小均方(LMS)算法，這種算法 可以產生近似於回波信號的回波複製信號。在回波返回信號和回波自製信號之間還存在一個 減法，用於消除回波返回信號。由於種種原因，複製信號不能完全複製回波返回信號，因此 在傳輸信號裡還會存在一些殘餘的回波。回波信號抑制器是一種可以有效地減少或消除回波 的設備，它尤其用於減少或消除經回波消除器處理過的信號中的殘餘回波。由於回波消除器 本身存在的問題，各種解決方案都非常依賴添加回波信號抑制器。
回波信號抑制器
回波抑制器可以是一種設備，也可以是一種軟體，它可以有效地減少(殘餘)回波能量 而不會使非回波語音信號明顯失真。儘管回波抑制器可以獨立於回波消除器工作，但它通常 還是要與回波消除器結合使用。回波抑制器不僅可以有效地抑制殘餘回波能量，而且還可以 藉助一些有用的參數來消除背景噪聲能量。回波抑制可以被認為是一種獨立的功能或者僅僅 是回波消除系統的一個部分。現有的回波抑制方法大多通過以下途徑而實現
頻譜回聲抑制是常使用的方法之一。這種方法比較簡單，它通過FFT操作將時間域信
號轉換為頻域。在實際運用時，它需要細緻地調整所有參數，從而在修正的頻譜被轉換回 時間域前避免可能出現的"音樂噪聲"。
另一種比較常用的方法稱為非線性處理器方法(NLP)，這種方法用隨機噪聲來替換殘 餘回波信號，或者在只有一個人講話的情況下切斷信號的反向傳輸。NLP方法簡單，但需 要對雙端聲音(Double Talk)和殘餘回波進行比較精確的檢測。由於難以獲得一個比較精 確的雙端聲音檢測器或比較完美的殘餘回波檢測方式，因此這種方法在噪聲環境裡通常會 產生"不連續性"。

發明內容
本發明的目的是為了克服上述現有的回波信號抑制方法的不足之處，提出一種既可以抑 制殘餘回波又可以抑制背景噪聲，甚至可以適用於雙端聲音環境，並且在實際應用時不引入 任何"不連續性"，也不會聽到明顯的語音失真的效用高且易於實現的一種有效的回波抑制 器。
本發明的一種有效的回波抑制器，包含有兩個自適應增益因子&體5矽和C^AS 人 一個
自適應零點濾波單元Arw和一個自適應極點濾波單元^(k;，其特徵在於
增益因子G保SW由W5y 控制； 增益因子G休S形由A57 控制；
濾波單元A(^由LSF;換算而來；LSF,是基於初始設置LS/^的第一次修改； 濾波單元A(W由LS7^換算而來；LS^是基於初始設置LSFf的第二次修改。 所述W5^為殘餘回波電平與信號電平的比值;信號電平是指當前幀或副幀的Tx信號電平； 殘餘回波電平由WiW與當前接收信號(Rx)電平的乘積計算得出。 所述A5W是殘餘回波電平與接收信號(Rx)電平的平均比值。 所述A5ff為背景噪聲電平與當前信號(Tx)電平的比值。 所述LSF是指線性譜頻Uine Spectral凡equencies)。 上述的在修改前的初始設置LS7^是基於Tx信號的LPC分析得出。
所述初始設置的第一次修改和初始設置Z5"/^的第二次修改受iP5^、 A57P、 LS/^。 和LS7^的控制。
所述LSF^的估測可以藉助在Tx信號的純粹殘餘回波區內￡57=^和LS/^之間的關係得出; 這裡LS/^是基於Rx信號的LPC分析得出。
所述背景噪聲的ASF^是基於在Tx信號背景噪聲區的LPC分析得出。本發明具有既可以抑制殘餘回波又可以抑制背景噪聲，甚至可以適用於雙端聲音環境， 並且在實際應用時不引入任何"不連續性"等優點，從而也不會聽到明顯的語音失真。是一 種效用高且易於實現的有效的回波抑制器。


圖1是聲音回波消除器(AEC)112的一個範例的方框圖； 圖2是線性回波消除器(LEC)209的一個範例的方框圖3是一個雙端語音信號頻譜包絡的示意圖，其中的殘餘回波信號混合於非回波語音信
號；
圖4是參考信號Rx波形示意圖5是回波抑制器前的輸入(殘餘)信號Tx的波形示意圖； 圖6是回波抑制器後輸出信號Tx的波形示意圖。
具體實施例方式
結合附圖對本發明作進一步描述如下-
下述內容對這種回波抑制器的特殊相關信息進行了說明。但內行的人會明白該發明可以 結合不同的算法應用於一些不同的場合。 一些行業內一般專業人士都了解的細節將不在此討 論，以免模湖了本發明的重點。
本文附圖及其相關說明介紹的內容僅僅是本發明的一些具體應用範例。為求簡要，本發 明涉及的其他相同應用原理的範例在此不作詳細的圖示及說明。
圖1是聲音回波消除器(AEC)系統112的一個範例。回波信號111由揚聲器110傳來並返 回至麥克風101。送至揚聲器的信號稱為接收信號109或聲音回波消除器103和回波抑制器 105的參考信號。進入聲音回波消除器(AEC)並由麥克風(MIC) 101傳出的信號稱為傳輸信號 102 (Tx信號)，這一傳輸信號帶有回波返回信號(源自揚聲器)。聲音回波消除器(AEC) 103 和回波抑制器105負責消除或抑制回波信號。聲音回波消除器(AEC)藉助參考信號Rx 109來 產生類似於回波返回信號的複製信號，從而對回波返回信號進行消除或抑制。殘餘回波信號 104將被一個後處理模塊105進行進一步抑制，該模塊可以是回波抑制器或非線性處理器 (NLP)。
圖2是線性回波消除器(LEC)系統209的一個範例。這是一個典型的範例，其中，回波 信號211來自電話混合器210的返射:發送信號Txl 201含有回波返回信號;然後由LEC系統 209的回波消除器202和回波抑制器204對這一回波返回信號211進行消除或抑制。LEC的工 作原理與AEC相似。其中一個主要的差別在於回波路徑的不同。而且其回波遲滯範圍也可能 有所不同。回波消除器藉助參考信號Rx208來產生類似於回波返回信號的複製信號，從而對回波返回信號進行消除或抑制。殘餘回波信號Tx2 203將被一個後處理模塊204進行進一步 抑制，該模塊可以是回波抑制器或非線性處理器(NLP)。
圖3是一個雙端語音範例的信號頻譜包絡的示意圖，其中的殘餘回波信號混合於非回波 語音信號。302顯示的是混合信號的譜包絡。301是假設無回波語音信號的譜包絡。大多情況 下，殘餘信號共振峰303要小於語音共振峰304。比起單獨存在的殘餘信號，如果雙端語音 區內的殘餘回波混合在語音信號裡，則更難對其進行抑制；這是因為既要抑制殘餘回波信號 又要保證語音信號不會失真。
圖4-6介紹了 3個信號範例圖4是表示Rx信號(參考信號)401,圖5是輸入(殘 餘)回波抑制器(圖2中的202)前的Tx信號402，圖6是從(殘餘)回波抑制器(圖2中 的204)輸出的Tx信號406。如圖5所示，403為雙端語音區， 一個有效的(殘餘)回波抑 制器在運行正常的情況下既可以清除殘餘回波信號404，又可以清除背景噪聲405。
本發明提出了一種效用高且易於實現的回波抑制方法。它由增益控制的濾波處理實現， 可以用以下濾波模型解釋
屍(z) = W順)G"雄)^^ ①
其中，6L0是一個增益，這個增益是WM(或5W)的一個函數，ASP定義為背景噪聲電 平與信號電平的比值。AS^的數值可以通過測量回波抑制器前的Tx信號並結合VAD (語音活 動檢測)信息獲得。GO也是一個增益，這個增益是W5y 的一個函數，^KOT定義為Tx信號裡 殘餘回波電平與信號電平的比值估計，這一估計比較複雜，本文後邊會對其進行詳釋。Afe> 和ArW均為線性預測器，由LPC係數組成，而LPC係數則是從LSK和L5F,換算而來，其 中，Z5F指的是線性譜頻aine逸ectral斤equencies) 。 LPC係數和LSF均為語音信號處理 領域內眾所周知的參數，它們經常用於表示譜包絡。A5^由LS7^的首次修改得出，其中，LSFft 根據Tx信號進行LPC分析計算得出；Z5F,由LSF^的第二次修改得出。LSF的修改受參數5M>、 AIW和另一組LS7^的控制，這一組LS"/^是根據對Rx信號進行LPC分析計算得出。
在方程式(1)中，增益通常不會降到O，但在純粹的回波區要足夠小，這樣，純回波就 無法被聽見；增益的主要貢獻在於對非雙端語音區可以顯著地減少回波或噪聲能量。在正常 語音區或雙端語音區，增益因子通常比1小，而且取決於參數ASP和W5W。由於A5ff和 的變化比較平滑而且緩慢，而且增益因子的變化也與其保持一致，這樣就能避免產生"不連 續性"。
方程式(1)中的LPC濾波單元A&,和主要用於抑制雙端語音區的殘餘回波共振 峰(如圖3)或者減小低SNR語音區的噪聲或頻譜幅度。由於LPC濾波單元A (W和A(W的參數變化比較平滑而且緩慢，因此就避免了 "不連續性"，從而也不會聽到明顯的語音失真。 上述內容對本發明的基本原理進行了闡述。後文將對本發明作出詳細解釋。
AS (或5W)的估計，該值被定義為背景噪聲電平與當前Tx信號電平的比值。這一 參數藉助一個常用的方法便可確定。背景噪聲指的是Tx信號中僅存在背景噪聲時的近期 平均背景噪聲電平。信號電平指的是Tx信號的當前幀或副幀信號電平。當只有背景噪聲 存在時，A5V 值大約為1，在dB域內大約為O dB。在語音區內，AS 值要小於1。
殘餘回波信號檢測，指在只有殘餘回波信號和噪聲存在的情況下檢測大部分殘餘回波 信號區。這一檢測單元無須精確，因為它將僅僅用於估算回波能量相比Rx信號能量的平 均損失。在Rx信號和回波返回信號之間的遲滯被檢測到後，Rx信號和殘餘返回信號均已 在回波消除器內被同步化。如果不存在雙端語音，與原始Rx信號能量相比，在基本回波 消除器後殘餘回波信號的能量減小非常顯著。這一信息可以用於探測大部分殘餘回波信 號。
^OT的估計值，該值被定義為殘餘回波電平與當前Tx信號電平的比值。信號電平依 然指的是Tx信號的當前幀或副幀信號電平。計算殘餘回波電平比較複雜。如果沒有殘餘 回波，則殘餘回波電平為0。首先，僅在殘餘回波存在的情況情況下，殘餘回波的平均能 量損失(能量減小)在相應的區域內估算，它被定義為殘餘回波電平與對應接收信號電平
(Rx信號電平)的一個比值。能量電平可以直接表示，也可以在dB域內表示。其平均比 值(或滑動平均值)的計算表達式如下
屋-平均j殘餘回，電J } (2) 1 Rjc信號能電平J 、'
因此，當前殘餘回波能量電平可以通過下式估算
當前殘餘回波能ft平=(/y / )《當前Rx信號能te平) (3) 根據以上公式，即使在雙端語音區，也能對當前殘餘回波能量電平進行估算。因此，ASP
可根據下式計算
formula see original document page 7
根據上式，RST值在純粹的殘餘回波區內約為1，在雙端語音區內要小於l。
增益G(NSR)人它可以是參數A57 的線性函數或非線性函數。以下為線性函數的一個範
formula see original document page 7(5) 其中，G是一個常數o<r。o
例: 增益ft0Sff人可以是參數必況的線性函數或非線性函數。以下為線性函數的一個 範例
formula see original document page 8 (6)
其中，c一個常數ocrx/
Tx信號的LSF，表達為LS"&6'入 /， …，#—人它的估算是基於對Tx信 號的LPC分析。在採樣率為8kHz的情況下，對於窄頻帶信號來說，階數(刺的典型值大約 為10。
噪聲信號的ASF，表達為LSF一6'人i嚙厶…，厶它的估算是基於Tx信 號背景噪聲區中^57^,"的平均值(或滑動平均值)。
Rx信號的LSK表達為LS/^C /， …，#一7;它的估算是基於對Rx信 號的LPC分析。
(殘餘)回波信號LSF，表達為L57^。6V， 厶 、 #一7;當殘餘回波信號 混雜在語音信號內時，L5F^W在雙端語音區內的估算更為困難。例如，LS"/^。W可 以通過藉助LS^O;進行推算得出。首先，估算推算因子/Y/入它是在純粹殘餘回波區內 L5"/^^ 和L57^6V之間的近期平均比值(或滑動平均比)
屍(/)=平均
瑪①、
formula see original document page 8 (7)
然後，根據下式估算殘餘回波的當前LS7^。0)值
formula see original document page 8 (8)
其中，LS7^(i 是Rx信號的當前線性譜頻。
LPC預測因子A W和A W分別由6V和O;換算而來，這裡/-ft厶…， #一厶LSF"^和LSFZ"的估算都是基於"&6V的修改。修改主要受Z5/^6'入 Z5F^6'入A5V ，以及W幼的影響。舉例來說，Z:5F,6V和L5^(X)的構成可用如下所示方 式
丄S柳=v，"') +夂謬』+ "掘』，
formula see original document page 8 (9) formula see original document page 8 (10)
其中
formula see original document page 8， (11)formula see original document page 9
(12) C。和C,均為常數它們的值均大於0但遠遠小於1。、和乂,根據以下方式確定-A=l—/ —a ， (13)
EC濾波發散保護指的是避免在回波消除器和回波抑制器後的Tx信號電平大於回波消 除器之前的電平(注名為Txl信號)。可以通過對等式(1)中的兩個增益因子6L和&進 行簡單的調整方式來確保回波抑制器的輸出能量小於或等於Txl信號的能量。 本發明在不偏離本質的前提下，可以延伸到其他一些特定形式並加以應用。本文中的具 體實例僅作為本發明的示範，且本發明不局限於這些範例。以上內容只是對本發明的一些說 明，而下文權利要求則是本發明的根本內容。下述各項權利要求包含與其等效範圍內的各種 解釋和變更。
權利要求
1.一種有效的回波抑制器，包含有兩個自適應增益因子Gr(RSR)和Gn(NSR)，一個自適應零點濾波單元A1(z)和一個自適應極點濾波單元A2(z)，其特徵在於增益因子Gr(RSR)由RSR控制；增益因子Gn(NSR)由NSR控制；濾波單元A1(z)由LSF1換算而來；LSF1是基於初始設置LSFTx的第一次修改；濾波單元A2(z)由LSF2換算而來；LSF2是基於初始設置LSFTx的第二次修改。
2. 如權利要求1所述的一種有效的回波抑制器，其特徵在於所述) 5y 為殘餘回波電平與 信號電平的比值；信號電平是指當前幀或副幀的Tx信號電平；殘餘回波電平由Affi 與當前接 收信號(Rx)電平的乘積計算得出。
3. 如權利要求2所述的一種有效的回波抑制器，其特徵在於所述A!W 是殘餘回波電平與 接收信號(Rx)電平的平均比值。
4. 如權利要求1所述的一種有效的回波抑制器，其特徵在於所述A(^為背景噪聲電平與 當前信號(Tx)電平的比值。
5. 如權利要求1所述的一種有效的回波抑制器，其特徵在於所述ASF是指線性譜頻Uine 逸ectral /frequencies)。
6. 如權利要求1所述的一種有效的回波抑制器，其特徵在於修改前的初始設置LS7^是 基於Tx信號的LPC分析得出。
7. 如權利要求1所述的一種有效的回波抑制器，其特徵在於所述初始設置Z5F;v的第一 次修改和初始設置LS"/^的第二次修改受jKSy 、 A5y 、 "/^。和Z57L的控制。
8. 如權利要求7所述的一種有效的回波抑制器，其特徵在於所述LS/^。的估測可以藉助 在Tx信號的純粹殘餘回波區內Z5F敘和Z5^之間的關係得出這裡LS/^是基於Rx信號的 LPC分析得出。
9. 權利要求7所述的一種有效的回波抑制器，其特徵在於所述背景噪聲的LSF^是基 於在Tx信號背景噪聲區的LPC分析得出。
全文摘要
本發明的一種有效的回波抑制器，包括兩個自適應增益單元Gr(RSR)和Gn(NSR)，一個自適應零點濾波單元A1(z)和一個自適應極點濾波單元A2(z)；其中，增益單元Gr(RSR)由RSR(殘餘回波電平與信號電平之比)控制；增益單元Gn(NSR)由NSR(噪聲信號電平與當前信號(Tx)電平之比)控制；濾波單元A1(z)由LSF1換算而來，LSF1是基於對LSFTx(Tx信號的線性譜頻)的首次修改；濾波單元A2(z)由LSF2換算而來，LSF2是基於對LSFTx的另次修改。這種抑制器既可以抑制回波又可以抑制背景噪聲，而且在實際應用時不產生任何「不連續性」，從而也不會聽到明顯的語音失真，是一種效用高且易於實現的有效的回波抑制器。
文檔編號H04B3/23GK101286763SQ20071019427
公開日2008年10月15日 申請日期2007年12月12日 優先權日2006年12月26日
發明者揚 高 申請人:揚 高