確定揚聲器非線性響應函數的方法和裝置的製作方法

2023-05-01 17:34:06

專利名稱：確定揚聲器非線性響應函數的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及揚聲器，更具體地說，涉及用於確定揚聲器響應函數的技術和結構。
背景技術：
在汽車和其它車輛中使用的移動揚聲器電話會在車內產生回聲。亦即，由電話揚聲器產生的聲音會在車內混響而以回聲的形式被電話的送話器檢測到。為避免這種回聲返回給遠程用戶用戶，常採用回聲消除技術。為進行回聲消除，通常產生從揚聲器的輸入到送話器的輸出這整個通道上的響應函數。這個通道的特點通常是有一組三個濾波器揚聲器濾波器、回聲濾波器和送話器濾波器。知道了揚聲器的輸入信號，就可利用響應函數來估算將出現在送話器輸出信號中的回聲。然後將這些估算的回聲從送話器輸出信號中減去，以顯著降低其中的回聲電平。
在過去，揚聲器濾波器、回聲濾波器和送話器濾波器都被當作線性濾波器。後來發現把揚聲器，特別是小型的較廉價的揚聲器，當成非線性濾波器更為精確。當揚聲器電話在車內工作時，車廂的回聲響應會不斷改變。於是，需要在線(即在通話期間)修改回聲消除技術所使用的響應函數。但在線修改非線性響應函數很困難。為此，揚聲器的非線性響應函數(系統工作時變化不大)可以離線確定，然後與回聲和送話器的在線修改的響應函數相組合。過去確定揚聲器的非線性響應函數的方法很複雜且需要昂貴的裝備(例如無回聲室裝備)來實施。因此需要有一種簡單而廉價的方法和結構來確定揚聲器非線性響應函數。
附圖簡要說明

圖1是說明可以用於在車輛內提供乘車人和遠程用戶之間的免提無線話音通信的移動揚聲器電話系統的方框圖；圖2是說明為了產生相應的響應函數而模擬圖1的揚聲器輸入端和送話器輸出端之間通道的技術的方框圖；圖3是說明按照本發明的實施例確定揚聲器非線性響應函數的方法的流程圖；圖4是說明按照本發明的實施例具有揚聲器校準功能的移動揚聲器電話的方框圖。
詳細說明在以下的詳細說明中，需參考附圖，附圖以圖解說明的方法示出可實施本發明的具體實施例。對這些實施例均作了足夠詳細的說明，以使本專業的技術人員能夠實施本發明。顯然，本發明的各種實施例雖然不同但並不相互排斥。例如，結合一個實施例說明的具體特性、結構或特徵。也可以在其它實施例中實現而不背離本發明的精神和範圍。此外，顯然，在每個公開的實施例中的各個元件的位置和結構也可以改動而不背離本發明的精神和範圍。因此以下說明不應認為是一種限制，本發明的範圍僅由所附權利要求書定義並恰當詮釋，包括權利要求書有權決定的全部等效物。
本發明涉及以比較簡單而廉價的方式確定揚聲器非線性響應函數的方法和結構。利用本發明的原理，可以不用昂貴的測試裝備來確定揚聲器的非線性響應函數。此外，本發明的原理很簡單，可以在終端用戶的裝置中實現，這樣終端用戶就能在現場進行揚聲器的再校準。在優選方法中，採用一種迭代過程，在此過程中揚聲器的響應函數以及回聲和送話器的組合響應函數反覆和交替地更新和精調。在一種技術中，使用價值函數最小化過程來更新響應函數。當滿足預定條件時停止所述迭代過程。所述發明原理可以使用在要求知道揚聲器響應函數的任何應用中。
圖1是說明可以用於在車輛內提供乘車人和遠程用戶之間的免提無線話音通信的移動揚聲器電話系統10的方框圖。系統10例如可以作為安裝在車輛內的專用獨立裝置來實現。或者，系統10可以作為其中插入手持無線通信裝置(如蜂窩電話)的塢站來實現。也可有其它實現方法。如圖所示，系統10包括天線12；無線收發信機14；語音處理器16；揚聲器18和送話器20。無線收發信機14和關聯的天線12用於支持通過無線通信信道與遠程用戶收發信機(例如，在蜂窩基站內，通信衛星等)通信。語音處理器16，除了別的以外，主要用於處理在本地用戶和遠程用戶之間傳送的語音信號。揚聲器18和送話器20分別用來在車廂22中產生和檢測聲頻信號。
在呼出通信時，送話器20根據車輛內用戶的語音在其輸出端產生電語音信號。電語音信號發送到語音處理器16，它將所述信號轉換成無線收發信機14要求的格式。發送到語音處理器16的信號可以是數位訊號，也可以是模擬信號。無線收發信機14利用從語音處理器16收到的語音信號產生RF發射信號，通過天線12將此信號發射到無線信道中。在呼入通信時，天線12從無線信道接收RF信號並將其發送到無線收發信機14。無線收發信機14將RF信號恢復成語音信息並將語音信息發送到語音處理器16。語音處理器16利用所述語音信息產生模擬語音信號，發送到揚聲器18。揚聲器18根據從語音處理器16接收的模擬語音信號在車廂22中產生聲頻語音信號。揚聲器18產生的聲頻語音信號常在車廂22內混響。如圖1所示，部分聲頻信號會返回到送話器20並以回聲信號24的形式被檢測到。如果忽略不管，回聲信號就會被作為呼出無線信號的一部分發送回遠程用戶。為避免這種情況發生，通常採用回聲消除技術。在一種回聲消除技術中，產生一種以從揚聲器18的輸入端到送話器20的輸出端的響應為特徵的響應函數。一旦產生了這種響應函數，就可以用來根據揚聲器18的已知輸入信號計算在送話器20輸出端的估算回聲成分。然後將所述估算的回聲成分從送話器20的實際輸出信號中減去，以降低信號中的回聲電平。
圖2是說明為了產生進行回聲消除所需要的響應函數而模擬圖1的揚聲器18的輸入端和送話器20的輸出端之間通道的技術的方框圖。如圖示，所述通道以級聯的三個濾波器來表示即，揚聲器濾波器30、回聲濾波器32和送話器濾波器34。在過去，所述濾波器部件中每一個的特徵通常都是線性濾波器，因此對於整個通道可以產生單一的線性函數。但是，最近已表明揚聲器，特別是小型的較廉價的揚聲器的響應函數性質上是非線性的。這些裝置更恰當地說是例如非線性沃特拉(Volterra)濾波器。由於車內的條件通常隨時間而變(例如，乘客進、出、走動、開窗關窗等)，回聲濾波器32的響應也隨時間而變。因此，回聲消除所使用的響應函數在系統工作時需要修改。通常當系統在線時(即在與遠程用戶通話期間)要修改非線性響應函數非常困難。所以，在一種方法中，當系統10在線時，僅對回聲濾波器32和送話器濾波器34的組合線性響應函數進行修改。揚聲器濾波器30的非線性響應函數通常不隨時間而變，則作離線確定並加以存儲。然後將揚聲器18的非線性響應函數與回聲/送話器的在線修改的響應函數相組合(例如利用卷積)，以產生回聲消除所需的響應函數。
圖3是說明按照本發明的實施例確定揚聲器非線性響應函數的方法的流程圖。所述方法可以用在需要知道揚聲器響應函數的任何應用中，不限於行動電話應用。值得注意的是，所述方法不需要使用昂貴的測試裝備或無回聲室。在一種方法中，所述方法在製造環境中進行，在揚聲器安裝到成品中之前或之後確定揚聲器的響應函數。另一種方法是，在現場(例如在汽車內)校準或再校準作為終端用戶裝置的一部分的揚聲器。
首先，將揚聲器和送話器配備在具有回聲的環境中(方框50)。揚聲器應是需要其響應函數的揚聲器。送話器不需要是在現場和揚聲器一起使用的同樣或甚至類似的送話器。同理，校準環境中的回聲響應不需要類似於現場體驗的回聲響應，也不需要事先知道回聲響應。然後假定一個初始的揚聲器非線性響應函數。最好，所述初始非線性響應函數據信近似於揚聲器的實際響應函數。例如，在一個實施例中，用同類型揚聲器(例如同一型號)的平均非線性響應函數作為初始非線性響應函數。在一種方法中，對揚聲器使用非線性沃特拉濾波器響應。3階沃特拉濾波器響應表示如下yn=i=0p1bixn-1+i>j=0p2bijxn-ixn-j+i>j>k=0p3bijkxn-ixn-jxn-k]]>式中yn為濾波器輸出，x為濾波器輸入，b是濾波器係數，p1、p2、p3是各濾波器部分的長度。
然後將輸入信號加到揚聲器上(方框54)。在一種方法中，用噪聲發生器將聲頻範圍內的噪聲信號加到揚聲器上。也可使用其它類型的輸入信號。揚聲器對輸入信號作出響應，產生聲頻輸出信號，部分聲頻輸出信號以回聲的形式被送話器檢測到。結果，送話器在其輸出端產生回聲信號。這個回聲信號可以數位化並存儲起來以後使用。
然後利用最新的非線性揚聲器響應函數確定回聲和送話器組合的線性響應函數(方框56)。此時，所述揚聲器最新的非線性響應函數就是原先假定的初始非線性響應函數。在一個實施例中，線性響應函數可表示為zn=i=0paiyn-i]]>式中zn為送話器輸出，yn為揚聲器輸出，an是響應函數係數，p為響應函數的長度。在優選方法中，通過價值函數最小化過程來確定線性響應函數係數(ai)。送話器的輸出信號(zn)已知(例如已測量)。為求出回聲/送話器的線性響應函數的係數(ai)，求以下價值函數的最小值F1=n(zn-iaiYa-i)2]]>這是一個求凹函數最小值的標準線性最小化問題，可以利用已知的方法求解。
確定了回聲/送話器的線性響應函數之後，利用最新的線性響應函數來確定揚聲器更新的非線性響應函數。如前，最好使用價值函數最小化過程來確定揚聲器的修正的非線性響應函數的係數bn。前述沃特拉濾波器響應可以表示如下Yi=BXi=mBmXim]]>式中B代表非線性響應函數的全部係數，X代表參與Y的計算的全部x的組合。現定義Tam=jajXa-j,m]]>此定義允許求價值函數的最小值，表示為F2=n(zn-mbmTam)2]]>這又是一個可以利用已知方法求解的標準最小化問題。
在迭代過程反覆和交替地重新確定回聲/送話器的線性響應函數和揚聲器的非線性響應函數，直到滿足預定的條件(方框60)。每一次迭代，回聲/送話器的線性響應函數和揚聲器的非線性響應函數均各自向實際響應收斂。在一個實施例中，更新過程反覆進行，直到價值函數F2在連續迭代後已不能再有改善為止。在另一實施例中，更新過程反覆進行，直到價值函數F2已達預定數值。在還有一個實施例中，進行預定次數的迭代。可以理解，可以使用許多不同的條件或條件組合來結束迭代過程。迭代過程結束後(方框62)，記錄所得到的揚聲器的非線性響應函數。
圖4是說明按照本發明的實施例具有揚聲器校準功能的移動揚聲器電話的方框圖。如圖示，圖4的行動電話系統70與圖1的系統10類似。但系統上加有一個揚聲器校準單元72，使揚聲器18的非線性響應函數能在現場更新。如果原來的揚聲器18已經過修理或被更換，則通常需要新的非線性響應函數來進行精確的回聲消除。同理，隨著揚聲器18老化，揚聲器18的響應會漂移，這也要求產生新的非線性響應函數。可以對揚聲器校準單元72編程，使之在系統70離線期間自動啟動。或者，或此外，可提供終端用戶啟動能力，使終端用戶發起再校準。
在優選方法中，可將揚聲器校準單元72編程為實施迭代揚聲器校準技術，如圖3的方法。揚聲器校準單元72可以例如作為軟體例行程序實現，所述軟體例行程序在系統70內的數字處理裝置中執行。硬體實現或混合硬體/軟體實現也可以。在一個實施例中，揚聲器校準單元72包括信號源(例如噪聲源)，用於在校準活動中向揚聲器18提供輸入信號。在產生了揚聲器18的新非線性響應函數後，揚聲器校準單元72通常將所述函數(例如沃特拉濾波器係數)存儲起來供以後回聲消除操作時使用。在需要揚聲器響應函數的精確模型的其它類型的系統中，例如靜止(臺式)揚聲器電話和對講機系統中，也可實現類似的揚聲器校準功能。
雖然已結合某些實施例對本發明作了說明，但是顯然，可以進行修改和變化而不背離本發明的精神和範圍，本專業的技術人員很容易理解這一點。這種修改和變化更應認為在本發明和所附權利要求書的權限和範圍之內。
權利要求
1.一種確定揚聲器非線性響應函數的方法，所述方法包括把揚聲器和送話器設置在具有回聲的環境中；假定所述揚聲器的一個初始非線性響應函數；利用所述揚聲器的最新非線性響應函數確定所述回聲和所述送話器組合的線性響應函數；以及利用所述組合的最新線性響應函數確定所述揚聲器的修正的非線性響應函數。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於還包括反覆確定線性響應函數並且反覆確定修正的非線性響應函數，直到滿足預定條件為止。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於確定所述揚聲器的修正的非線性響應函數包括求價值函數的最小值，其中，所述預定條件包括達到所述價值函數的預定值。
4.如權利要求2所述的方法，其特徵在於確定所述揚聲器的修正的非線性響應函數包括求價值函數的最小值，其中，所述預定條件包括每次附加重複沒有獲得所述價值函數的進一步減小。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於確定線性響應函數包括求第一價值函數的最小值，並且確定修正的非線性響應函數包括求第二價值函數的最小值。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述揚聲器的所述初始非線性響應函數是沃特拉濾波器響應。
7.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述方法在製造設施中執行。
8.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述揚聲器用於車輛的通信裝置中，所述方法在所述車輛中執行。
9.一種確定揚聲器非線性響應函數的方法，所述方法包括把揚聲器和送話器設置在具有回聲的環境中；假定所述揚聲器的一個初始非線性響應函數；把輸入信號加到所述揚聲器上；根據估算的所述揚聲器的輸出信號和所述送話器的輸出信號確定所述回聲和所述送話器組合的線性響應函數；以及利用所述組合的所述線性響應函數確定所述揚聲器的修正的非線性響應函數。
10.如權利要求9所述的方法，其特徵在於還包括反覆確定線性響應函數並且反覆確定修正的非線性響應函數，直到滿足預定條件為止。
11.如權利要求9所述的方法，其特徵在於確定所述回聲和所述送話器組合的線性響應函數包括求第一價值函數的最小值。
12.如權利要求11所述的方法，其特徵在於所述第一價值函數為F1＝∑n(Zn-∑iaiYn-i)2式中Zn為所述送話器的輸出信號，an是所述組合的線性響應函數係數，而Yn是所述揚聲器的估算輸出信號。
13.如權利要求9所述的方法，其特徵在於確定所述揚聲器的修正的非線性響應函數包括求第二價值函數的最小值。
14.如權利要求13所述的方法，其特徵在於所述第二價值函數為F2=n(Zn-mbmTnm)2]]>式中Zn為所述送話器的輸出信號，bm是所述揚聲器的非線性響應函數係數，以及Tnm=jajXa-j,m]]>式中aj是所述組合的線性響應函數的係數，X是所述揚聲器的輸入信號。
15.如權利要求9所述的方法，其特徵在於所述揚聲器的所述初始非線性響應函數是沃特拉濾波器響應。
16.一種通信裝置，它包括揚聲器，它利用從遠程用戶實體接收的信息在一個區域內產生聲頻信號；送話器，它根據在所述區域內的聲音產生輸出信號，所述輸出信號包括要向所述遠程用戶實體發送的信息；回聲抑制單元，它降低所述送話器的所述輸出信號中的回聲，所述回聲抑制單元利用所述揚聲器的非線性響應函數來降低所述回聲；以及校準單元，它確定所述揚聲器的所述非線性響應函數，供所述回聲抑制單元使用。
17.如權利要求16所述的通信裝置，其特徵在於所述校準單元在現場確定所述揚聲器的所述非線性響應函數。
18.如權利要求16所述的通信裝置，其特徵在於所述校準單元包括信號源，用於把輸入信號加到所述揚聲器上。
19.如權利要求18所述的通信裝置，其特徵在於所述信號源包括噪聲發生器。
20.如權利要求16所述的通信裝置，其特徵在於所述校準單元包括迭代模塊，用以以迭代和交替的方式更新回聲和所述送話器組合的線性響應函數和所述揚聲器的所述非線性響應函數，直到滿足預定條件為止。
21.如權利要求16所述的通信裝置，其特徵在於所述校準單元包括線性響應模塊，用以根據假定的所述揚聲器的非線性響應函數確定回聲和所述送話器組合的線性響應函數。
22.如權利要求21所述的通信裝置，其特徵在於所述線性響應模塊包括用於求第一價值函數的最小值的最小化模塊。
23.如權利要求21所述的通信裝置，其特徵在於所述校準單元包括非線性響應模塊，用以利用所述組合的所述線性響應函數確定所述揚聲器的更新的非線性響應函數。
24.如權利要求23所述的通信裝置，其特徵在於所述非線性響應模塊包括用於求第二價值函數的最小值的最小化模塊。
25.如權利要求16所述的通信裝置，其特徵在於所述通信裝置是用在車輛內的行動電話。
全文摘要
通過迭代過程來確定揚聲器的非線性響應函數，在所述迭代過程中，交替地對所述非線性響應函數和與回聲和送話器關聯的線性響應函數進行修正。
文檔編號H04R3/04GK1593072SQ02823348
公開日2005年3月9日 申請日期2002年8月30日 優先權日2001年9月25日
發明者M·格裡尼亞斯蒂 申請人:英特爾公司