CN101087320A - 声学回波消除器中检测回波路径变化的改进方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种回波消除器包括：第一自适应滤波器，其具有N_long个系数，用于收敛到回波路径；非自适应滤波器，其代表由第一自适应滤波器捕捉到的直接回波路径部分并且具有N_short个默认系数，其中N_long＞N_short，用于在启动时回波消除器的迅速收敛，其中响应于第一自适应滤波器的回波返回损耗增强(ERLE)的提高，默认系数被来自第一自适应滤波器的前N_short个系数所替换；第二自适应滤波器，其具有N_short个默认系数，用于模拟直接回波路径并且提供关于双重谈话和回波路径变化的指示；判决逻辑，用于接收从第一和第二自适应滤波器和非自适应滤波器输出的误差信号，并且作为响应区分回波路径变化和双重谈话；以及非线性滤波器，用于响应于判决逻辑的输出而衰减信号。

Description

声学回波消除器中检测回波路径变化的改进方法和装置
技术领域
本发明一般地涉及回波消除器中的回波路径变化的检测，更具体而言涉及检测全双工免提(FDHF)扬声器电话(speakerphone)中的回波路径变化(EPC)，并且掩蔽由回波路径变化引起的增大的误差。
背景技术
在现代通信系统中有两类回波是较为普遍的：线路回波和声学回波。线路回波出现在四线到二线接口或者说“混合器(hybrid)”处，而声学回波发生在来自电话免提扬声器的声音直接反馈到麦克风或被诸如墙壁、桌子等等不同表面反射时。当经由二线/四线公共交换电话网络PSTN转换点处的混合连接将语音信号传输经过网络时，会产生混合回波。
被反射回的信号的实际量取决于许多因素，其中包括房间的大小、反射扬声器信号的材料的“硬度”、扬声器信号的响度以及扬声器和麦克风之间的距离。大多数回波是由于扬声器信号被麦克风直接拾取而引起的。
用于定义回波衰减的效力的参数是回波返回损耗(ERL)。较高的ERL表明回到谈话者的反射信号较低，反之亦然。
对回波的有效去除是维持和提高呼叫的感知语音质量的一个关键。这导致了对回波消除领域的深入研究，其目的是提供能够减小声学回波的回波消除器，从而提高整体话音质量。回波消除器去除回波的能力的度量是ERL增强(ERLE)。为了从电路中完全去除回波，回波消除创建回波路径模型、合成回波的复制估计，并通过从真正回波中减去估计回波来消除回波。该过程允许了近处呼叫者和远处呼叫者之间的全双工话音，并得到了自然且交互的话音。
通常，当回波消除器确定不存在近端话音时，非线性处理器(NLP)被激活，这导致对所有话音信号(真实的近端话音和来自会话远端的回波)的完全衰减。
现有技术中已经知道在回波消除器内采用自适应滤波。在自适应滤波器中，滤波器系数部分基于滤波器输出的反馈。归一化的最小均方(NLMS)自适应滤波是回波消除中流行的一种用于解决电话系统中的反射的方法。
在这种回波消除器中，自适应滤波器的系数收敛到某个回波路径。在理想状况下，一般可接受的收敛时间要求回波消除器在0.5秒中实现27dB的ERLE(回波返回损耗增强)。一旦系数被收敛，回波就被从输入信号中消除。当回波路径变化时(即呼叫转移、会议或者电话用户在免提呼叫进行过程中触摸电话显示屏或按键)，回波消除器必须迅速重新收敛到新的回波路径，否则回波就会被用户感知到。线路回波路径变化较少发生，并且持续时间相对较长。声学回波路径变化较常发生，并且持续时间相对较短。在声学回波路径变化之后，回波路径通常返回到先前状态(即，在用户停止触摸触摸屏LCD或按下按钮之后，回波路径与用户触摸该屏或按下按钮之前相同)。
因此，本领域中已知将关于声学回波路径的恒定部分(或者说通过电话的塑料外壳的声学反馈)的必需信息保存为默认系数以供启动时使用，以便迅速收敛回波消除器。此技术的示例在美国专利6,768,723和已公布加拿大专利申请2,451,417中阐述。如前述现有技术中所公开的，两个滤波器被使用。第一“短”滤波器使用非自适应默认系数(N_short个系数)来保存捕捉到的恒定回波路径的信息。第二“长”滤波器使用自适应滤波器系数(N_long个系数)来不断地朝着当前回波路径的最佳解答进行调适(其中N_long＞N_short)。每当长滤波器的收敛改进时，来自长滤波器的前N_short个系数就被传送到短滤波器以替换默认系数。
检测回波路径变化是一个困难的问题，因为来自收敛后的自适应滤波器的由旧的回波路径生成的回波和由新的回波路径造成的回波可能很容易被误解为双重谈话(double talk)。
对于此问题的现有技术解决方案可在题为“Double talk and EchoPath Change Detection in a Telephony System”的美国专利No.6,035,034(Trump，Tonu)中找到和题为“Method of Distinguishing Between EchoPath Change and Double Talk Conditions in an Echo Canceller”的美国专利No.6,226,380(Heping，Ding)中找到。
在解决前述问题时，已公布加拿大专利申请No.2,494,500阐述了一种用于检测回波路径变化的方法，该方法使用回波消除行为的统计信息(即信号和性能信息)来区分新线路和双重谈话状况。就语音动态而言，双重谈话状况的持续时间相对较短，而新线路状况会保持活动。利用移动计数器(参考CA 2,494,500中的回波路径变化计数器或EPC计数器)，评估回波消除器行为正在对回波路径变化而不是双重谈话场景作出响应的可能性。通过监视ERL(回波返回损耗)、ERLE(回波返回损耗增强)、噪声级别和信号能量，回波路径变化计数器被递增或递减。当计数器达到指示持续的不良回波性能的预定阈值时，确定可能存在新线路状况。该回波路径变化信息随后被传递到回波消除器以允许重收敛。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了与CA 2,494,500中的默认滤波器具有相同长度的额外的短自适应滤波器。该长度仅覆盖电话的直接回波路径，这对于大多数应用来说都足够了(即基于典型回波路径变化场景，其中电话用户按压键盘或触摸电话的LDC屏幕，使得仅直接回波路径中发生回波路径变化)。每当参考信号存在时，短自适应滤波器都会非常迅速地调适。但是，取代提供回波消除，该额外短滤波器的输出馈送到回波路径变化(EPC)检测器，作为响应该EPC检测器：(1)迅速确定残余回波/误差的任何增大，(2)区分由回波路径变化引起的NLMS发散和由双重谈话引起的发散(即存在近端话音)，并且(3)每当检测到回波路径变化时就向残余回波应用NLP。
这些以及在后面将显现出来的其他方面和优点存在于在下文更全面地描述和在权利要求中要求保护的构造和操作细节中，其中参考了构成说明书的一部分的附图，在所有附图中类似的标号指代类似的部件。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例示出具有回波变化检测的回波消除器的框图；
图2是根据本发明一个实施例示出用于检测回波路径变化的方法步骤的流程图；以及
图3是根据替换实施例示出图2的用于检测回波路径变化的方法步骤和用于检测双重谈话的额外步骤的流程图。
具体实施方式
参考图1，图1根据本发明一个实施例示出了自适应回波消除器。参考信号(FE_signal)作为输入被施加到回波消除器和声学回波路径(即信号经由电话扬声器被广播)。回波路径造成回波返回损耗(ERL)，该ERL是反射信号的实际量的度量。如上所述，较高的ERL表明只有相对较少的信号被反射回了谈话者，反之亦然。自适应滤波器(长滤波器100)利用公知的NLMS算法(但也可利用其他自适应算法)来模拟对由回波路径引起的回波的估计，并且经由第一减法器110从包含不合需要的回波的近端输入信号(即经由电话麦克风接收的NE_signal)中减去回波信号。倘若自适应滤波器100所提供的回波路径的模型的转移函数与回波路径的转移函数相同，那么误差信号就会变为零，并且滤波器会收敛到正确的转移函数，从而得到理想的回波消除。长滤波器100中使用的系数的数目定义了其长度(Length＝N_long，代表估计的回波路径长度)。
短默认系数滤波器120(Default_Length＝N，系数数目，代表直接回波路径的估计长度)代表由长自适应滤波器100捕捉的直接回波路径。正如从上面引用的已公开加拿大专利申请2,451,417中所知的，滤波器120是非自适应的，因而其不跟踪回波路径变化并且在双重谈话期间也不会发散。减法器125输出由经由滤波器120的回波消除而得到的误差信号。
根据本发明的一个方面，提供了另一个短自适应滤波器130(Short_Length＝Default_Length)，用于只模拟直接回波路径并且每当存在参考信号即迅速调适。这与在存在参考信号时缓慢调适的滤波器100形成对照。滤波器130不被用于回波消除，而只被用于回波路径检测。具体而言，滤波器130在双重谈话期间迅速发散，并且能够提供关于任何回波路径变化的及早指示。减法器135输出由滤波器130得到的误差信号。
判决逻辑140基于来自所有三个滤波器100、120和130的估计误差信号和参考信号区分回波路径变化和双重谈话，如下文更详细描述的。
最后，按照自适应回波消除器中传统上的作法，提供了非线性处理器150(NLP)。
向主要(直接)回波路径变化应用短自适应滤波器130使得对正常FDHF(全双工免提)行为的影响最小化。通常，在FDHF应用中，直接回波路径反射是对回波作出主要贡献的因素。由于次级回波路径变化因房间中的衰减而小得多，因此它们对FDHF性能的影响并不严重，从而使得NLP 150能够处理它们。
非自适应默认滤波器120和短自适应滤波器130之间的一个差异在于滤波器130每当参考信号(FE_signal)存在时就进行调适，而默认滤波器120静态地模拟先前捕捉的回波路径而从不进行调适。另一方面，短自适应滤波器130和长自适应滤波器100之间的差异在于短滤波器130是欠模拟系统(即短自适应滤波器130只覆盖直接回波路径，而当其处于稳定/收敛状态时或者当不存在回波路径变化时它决不会像长NLMS滤波器100那样收敛得那么深)。因此，在单一谈话场景中，在短自适应滤波器130和长自适应滤波器100之间将会存在可测量的ERLE差异(即长滤波器100的性能要好于短滤波器130)。通过监视来自滤波器100和130的两个误差能量之间的差异，EPC检测器逻辑140指示状态从单一谈话到回波路径变化(EPC)或双重谈话(DT)之一的变化。
在回波路径变化期间，短自适应滤波器130比长自适应滤波器100更迅速地收到新的回波路径，如上所述。因此，从滤波器100和130输出的两个误差信号之间的差异将会较小或者甚至是负的，因为短滤波器130收敛得比滤波器100要更好。
转到图2，其中根据本发明一个方面示出了EPC检测逻辑140的操作。首先，来自减法器110、125和135的误差信号和参考信号(FE_signal)作为输入被施加到EPC检测逻辑140(步骤200)。EPC检测逻辑140随后计算从滤波器100输出的误差信号的能量(Elong)、从滤波器120输出的误差信号的能量(Edef)和从滤波器130输出的误差信号的能量(Eshort)。
在步骤250中，每当回波路径变化(EPC)被检测到时，EPC定时器就被设置到预定的值(EPC_DECISION_HOLD)。EPC检测逻辑140保持处于检测到EPC(EPC detected)状态，直到该定时器期满。在EPC被检测到(定时器被设置)和定时器期满之间的时间期间，NLP 150保持接通，以使得回波被掩蔽。值EPC_DECISION_HOLD被用于保持检测到EPC状态。在一个成功的典型中，该常数被选择为600样本(即或者说75ms)。
如果在步骤210状态保持定时器期满(或者是期满了，或者是从其上次期满之后从未被设置过)，EPC_decision被设置到FLASE(假)(步骤225)。这确保了EPC检测逻辑140的默认状态是其中未检测到回波路径变化的状态。
接下来，在步骤230，确定参考信号是否存在(即参考信号的能量超过阈值(例如-32dBmo))并且长滤波器100的测得ERLE超过预定值(例如12dB)。如果不满足这些条件中的任何一个，算法则退出(步骤220)，表明不存在回波或者算法尚未收敛，从而不存在就回波路径变化作出判决的良好条件。
如果在步骤230处作出“是”判决，则确定(步骤235)是否Elong＞＝(Thresh_activity*Eshort)，其中在本发明实施例的一个成功实现中，Thresh_activity例如是-6dB。该条件是基于以下事实的：在稳定/收敛单一谈话场景中，长滤波器100对回波的消除比短滤波器130要好。但是，在双重谈话或EPC场景中，长滤波器100不会实现像稳定/收敛单一谈话状态中那样好的ERLE。这使得长滤波器100和短滤波器130之间的关系大大变化，从而使得长滤波器100不会实现比短滤波器130好6dB的性能。步骤235处的“否”事件表明不存在双重谈话或EPC。算法退出(步骤220)。
如果在步骤235作出“是”判决，则确定(步骤245)是否Eshort＜＝(Thresh_epc*Edef)，其中在本发明实施例的一个成功实现中，Thresh_epc例如是-5dB。该条件是基于以下事实的：短滤波器130迅速地调适到新的回波路径，而默认滤波器130不会。在回波路径变化的情况下，短滤波器130实现的ERLE要比默认滤波器120的好5dB。步骤245处的“否”事件表明从步骤235检测的活动不是针对EPC的。算法退出(步骤220)。
如果在步骤245作出“是”判决，则在步骤250，将EPC_decision设置为TRUE(真)，并且检测到回波路径变化(EPC)。如上所述，该状态将会被保持至少EPC_DECISION_HOLD个样本(例如600个样本)，并且NLP 150被设置为掩蔽误差(即提供对信号的完全衰减)，并且算法结束(步骤220)。或者，不是控制NLP 150以掩蔽由于回波路径变化引起的不合需要的回波，而是将EPC检测逻辑140用于控制NLMS调适。具体而言，EPC检测逻辑140可被用于在双重谈话被检测到时冻结或减慢长滤波器100的调适，以及在回波路径变化(EPC)被检测到时加快长滤波器的调适。
如图3所示，对固定滤波器120和短自适应滤波器130之间的行为的分析可用于确定何时进入双重谈话状态。图3的EPC步骤与图2的步骤相同，并且相同的标号被用于表示等同的步骤。在公共步骤210之后，DT算法确定DT定时器是否尚未期满，然后双重谈话被检测到，据此标志(DT_decision)被设置到TRUE。在步骤310 DT定时器被更新，并且算法结束(步骤220)。
在双重谈话场景中，默认系数继续有效，并且可被用于消除回波信号。另一方面，短自适应滤波器130基于NE_signal(回波+近端话音)更新其系数，从而使得系数发散。如果在一段时间中自适应滤波器误差与固定滤波器误差相比始终较坏，则双重谈话状况被识别出。
在双重谈话期间，近端(NE)话音对残余回波作出贡献。即：
回波＝Real_Echo+NE_Speech；以及
Energy_residue_echo＝Energy_of_Echo_NLMS滤波器100的估计回波。
近端信号的存在造成长自适应滤波器100和短自适应滤波器130的ERLE都减小，从而两个滤波器之间的误差能量之比不再达到上述可测量差异(即单一谈话场景中两个滤波器之间的差异(以dB为单位))。通过监视两个误差能量之间的差异，EPC检测器逻辑140能够识别回波路径变化(如上文联系图2所述)或双重谈话状况之一。具体而言，每当滤波器100和130之间的误差能量比大于Thresh_activity(例如-6dB)时，那么按照在步骤235作出的“是”判决，就存在某个活动(DT或者EPC)。步骤330、335和340处的进一步处理区分DT和EPC。从而，在步骤245，默认非自适应(固定)滤波器120的误差和短自适应滤波器130的误差被比较。
在回波路径变化期间，固定滤波器120中的默认系数不再有效，而短自适应滤波器130收敛到新的回波路径变化。因此，来自短自适应滤波器130的误差变得比来自默认固定滤波器120的误差要小得多。因此，当自适应滤波器130和固定滤波器120之间的误差能量比小于Thresh_epc(例如-5dB)时，回波路径变化被标记，如上文联系图2所述。
另一方面，如果Eshort＜＝(Thresh_epc*Edef)非真，则EPC_decision被设置到FALSE，并且进而确定(步骤330)是否Eshort＞＝(Thresh_dt*Edef)，其中根据本发明的一个成功典型，Thresh_dt是+1dB。为了作出关于双重谈话的可靠判决，此状况必须被连续实现至少DECISION_TIMER_THRESH次。根据一个成功的典型，DECISION_TIMER_THRESH被选择为16个样本。如果双重谈话状态最终被检测到，则此状态将至少被保持DT_DECISION_HOLD个样本。为了保持DT状态，DT_hold_timer被设置到DT_DECISION_HOLD。该定时器在步骤300被检查，并且在步骤310根据需要被更新。
从详细说明中可以明白本发明的许多特征和优点，因此所附权利要求想要覆盖本发明的所有这样的落在其真实精神和范围之内的特征和优点。此外，由于本领域的技术人员易于想到许多修改和变化，因此不希望将本发明局限于所示出和描述的确切构造和操作，并因此可以采取所有合适的落在本发明范围之内的修改和等同。

Claims (12)

1.一种用于从近端信号中消除回波的回波消除器，包括：
第一自适应滤波器，其具有N_long个系数，用于收敛到所述近端信号的回波路径；
非自适应滤波器，其代表所述回波路径的直接回波路径部分并且具有N_short个默认系数，其中N_long＞N_short，用于在启动时所述回波消除器的迅速收敛，响应于所述第一自适应滤波器的回波返回损耗增强的提高，所述默认系数被来自所述第一自适应滤波器的前N_short个系数所替换；
第二自适应滤波器，其具有N_short个默认系数，用于模拟所述直接回波路径；
连接到所述第一和第二自适应滤波器和所述非自适应滤波器的判决逻辑，用于检测和区分回波路径变化和双重谈话；以及
对由所述判决逻辑检测到的所述回波路径变化作出响应的非线性处理器，用于衰减所述近端信号。
2.如权利要求1所述的回波消除器，其中所述判决逻辑通过以下步骤来检测所述回波路径变化：(i)计算从所述第一和第二自适应滤波器和所述非自适应滤波器输出的信号各自的能量级别，(ii)如果所述第一和第二自适应滤波器之间的信号能量比等于或大于第一阈值，则指示所述回波路径变化和双重谈话之一，并且(iii)如果所述第二自适应滤波器和所述非自适应滤波器之间的信号能量比等于或小于第二阈值，则指示所述回波路径变化。
3.如权利要求2所述的回波消除器，其中所述第一阈值约为-6dB，所述第二阈值约为-5dB。
4.如权利要求1所述的回波消除器，其中所述判决逻辑通过以下步骤来检测所述双重谈话：(i)计算从所述第一和第二自适应滤波器和所述非自适应滤波器输出的信号各自的能量级别，(ii)如果所述第一和第二自适应滤波器之间的信号能量比等于或大于第一阈值，则指示所述回波路径变化和双重谈话之一，并且(iii)如果所述第二自适应滤波器和所述非自适应滤波器之间的信号能量比大于第二阈值并且等于或大于第三阈值，则指示所述回波路径变化。
5.如权利要求4所述的回波消除器，其中所述第一阈值约为-6dB，所述第二阈值约为-5dB，所述第三阈值约为+1dB。
6.一种从近端信号中消除回波的方法，包括：
根据第一自适应滤波器对所述近端信号进行滤波，该第一自适应滤波器具有N_long个系数，用于收敛到所述近端信号的回波路径；
根据非自适应滤波器对所述近端信号进行滤波，该非自适应滤波器代表所述回波路径的直接回波路径部分并且具有N_short个默认系数，其中N_long＞N_short，用于在启动时所述回波消除器的迅速收敛，响应于所述第一自适应滤波器的回波返回损耗增强的提高，所述默认系数被来自所述第一自适应滤波器的前N_short个系数所替换；
根据第二自适应滤波器对所述近端信号进行滤波，该第二自适应滤波器具有N_short个默认系数，用于模拟所述直接回波路径；
检测和区分回波路径变化和双重谈话；以及
响应于检测到所述回波路径变化，衰减所述近端信号。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述回波路径变化是通过以下步骤来检测的：(i)计算从所述第一和第二自适应滤波器和所述非自适应滤波器输出的信号各自的能量级别，(ii)如果所述第一和第二自适应滤波器之间的信号能量比等于或大于第一阈值，则指示所述回波路径变化和双重谈话之一，并且(iii)如果所述第二自适应滤波器和所述非自适应滤波器之间的信号能量比等于或小于第二阈值，则指示所述回波路径变化。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述第一阈值约为-6dB，所述第二阈值约为-5dB。
9.如权利要求6所述的方法，其中所述双重谈话是通过以下步骤来检测的：(i)计算从所述第一和第二自适应滤波器和所述非自适应滤波器输出的信号各自的能量级别，(ii)如果所述第一和第二自适应滤波器之间的信号能量比等于或大于第一阈值，则指示所述回波路径变化和双重谈话之一，并且(iii)如果所述第二自适应滤波器和所述非自适应滤波器之间的信号能量比大于第二阈值并且等于或大于第三阈值，则指示所述回波路径变化。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述第一阈值约为-6dB，所述第二阈值约为-5dB，所述第三阈值约为+1dB。
11.如权利要求2所述的回波消除器，还包括定时器，用于使所述判决逻辑响应于最初对所述回波路径变化的检测在一段时间中持续衰减所述近端信号，而不考虑从所述第一和第二自适应滤波器和所述非自适应滤波器输出的信号的所述能量级别的波动。
12.如权利要求6所述的方法，还包括响应于最初对所述回波路径变化的检测在一段时间中持续衰减所述近端信号，而不考虑从所述第一和第二自适应滤波器和所述非自适应滤波器输出的信号的所述能量级别的波动。
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