CN1127813C - 在电话系统内重话和回声路径改变的检测 - Google Patents

Abstract

重话和回声路径改变检测器用来在回声消除器内确定残余信号中是回声还是“近端”信号占优势。为了作出这样的确定，计算出残余信号与回声估计之间的线性相关性的第一度量和计算出残余信号与所需信号之间的线性相关性的第二度量。然后，将这两个结果相互比较，如果它们具有相同的量级，就不需要采取进一步的行动。然而，如果比较结果确定残余信号与所需信号之间的相关性比残留信号与回声估计之间的相关性强得多，本检测器就认为检测到了重话，从而输出一个表示这个结果的信号。另一方面，如果残余信号与所需信号之间的相关性比残余信号与回声估计之间的相关性弱得多，检测器就认为检测到了回声路径改变，从而输出一个表示这个结果的信号。这样，就提供了一种可靠而计算上又非常有效的方法和设备，为回声消除器提供有关已发生重话还是回声路径改变的有用信息。

Description

在电话系统内重话和回声路径改变的检测

本发明属电信技术领域，具体地说，与电话系统内回声消除技术有关。

“回声“是在电话系统内每当有一部分发送的语音信号能量反射回发送方时可能发生的现象。这些反射是由于电话网模拟部分阻抗不匹配引起的。有许多不同的回声源，例如，在公众电话交换网(PSTN)用户接口内将4线线路变换为2线线路的混合电路，或者在移动无线电话内的声串话。有回声再加上有相当的延迟(例如实际距离或处理延迟)会严重地影响正在处理的语音信号的质量。

回声消除器是一种在电话系统内抑制和消除长距离话务中的回声的常用装置。例如，在蜂窝式公众陆地移动网(PLMN)内，移动业务交换中心(MSC)用回声消除器来抑制或消除话务中的回声。回声消除器也在移动无线电话和“免提”电话装置中用来抵消声回声。现有的回声消除技术的一般情况可参见Gansler等人的“基于相干技术的重话检测器”(“A Double Talk Detector Based on Coherence”，Signal ProcessingGroup，Dept.of Elec.Eng.and Comp Science，Lund University，Sweden)。

图1为常用的回声消除器(10)的简化原理方框图。这种回声消除器的主要组成部分是一个自适应有限冲激响应(FIR)滤波器12。在自适应算法(例如在软件中)的控制下，滤波器12模拟回波路径的冲激响应。有一个非线性处理器(NLP)14，用来除去在对输入信号进行线性处理后可能还剩下的残余回波。重话检测器(DTD)16用来控制自适应过程和在回声信号与“近端”信号之比达到再调整滤波器12也不能进一步改善回声路径估计的值时阻止自适应过程。方框18表示电话系统内的回声源，它产生作为“远端”信号x(t)的函数的“所需”信号y(t)和“近端”信号v(t)。

所进行的回声估计的质量主要取决于自适应算法中所采用的步长。为了使估计误差小，可以采用小的步长。然而，采用小步长自适应速度就慢，但在自适应的初始阶段总希望自适应快。一种现实的折衷方案是，在自适应的初始阶段采用大步长(以获得高的自适应速度)，而在一段预定时间后，减小步长(以获得小的估计误差)。

现有的一些方法中任何一种方法都能用来解决重话检测问题。标准的方法是使用一种基于比较如图1所示的“远端”信号x(t)和“所需”信号y(t)的信号电平的算法。这两个信号电平x_L和y_L可以用表示如下的指数“加窗”技术来测量：

x_L(t+1)＝(1-τ)x_L(t)+τ|x(t)|                 (1)

y_L(t+1)＝(1-τ)y_L(t)+τ|y(t)|                 (2)

如果“所需”信号电平y_L(t)超过在一个等于滤波器“长度”的窗“长度”内的最大“远端”信号电平乘以预期的混合电路衰减，就认为存在重话。也就是说，如果

y_L(t)≥α(max){x_L(t)，…x_L(t-N)}              (3)

就认为有重话。通常假设混合电路的衰减为6dB，因此α等于1/2。

解决重话检测问题所用的另一种方法是确定在“远端”信号与“所需”信号之间是否有什么线性相关性。如果这两个信号之间线性相关性很强，就认为“所需”信号主要是回声，因此需要增强FIR滤波器(12)的自适应。如果发现这两个信号之间只是有点相关或者不相关，就认为有重话，于是停止FIR滤波器(12)的自适应调整。

重话检测器的一个重要的性能是它应该能将真正的重话与回声路径冲激响应的改变(以下称为“回声路径改变”区分开来。应注意的是，无论是重话还是回声路径改变都呈现为残余回声功率增大。然而，这两个结果却要求采取相关的自适应行动。例如，在有重话时，应停止自适应过程；但在回声路径改变时，就应增大自适应调整速度，使得FIR滤波器(12)能迅速模拟新的信号环境。不幸，现有的重话检测方法并不能提供有关回声路径改变的有用信息。

本发明的一个目的是将电话网内的重话与回声路径改变区分开来。

本发明的另一个目的是为消除回声提供重话和回声路径改变的可靠、有用的信息。

本发明的又一个目的是提供一种在计算上非常有效的方法，为回声消除器提供进行回声消除所需的有关重话和回声路径改变的有用信息。

本发明的再一个目的是提供一种实现重话和回声路径改变检测的数字方法。

按照本发明，上述这些和其他一些目的是用一种确定残余信号是以回声为主还是以“近端”信号为主的重话和回声路径改变检测器来达到的。为了作出这样的确定，首先，计算出残余信号与回声估计之间的线性相关性的第一度量和计算出残余信号与所需信号之间的线性相关性的第二度量。然后，将这两个结果相互比较，如果它们具有相同的量级，就不需要采取进一步的行动。然而，如果比较结果确定残余信号与所需信号之间的相关性比残余信号与回声估计之间的相关性强得多，这种检测器就认为检测到了重话，从而输出一个表示这个结果的适当信号。另一方面，如果残余信号与所需信号之间的相关性比残余信息与回声估计之间的相关性强得多，这种检测器就认为检测到了回声路径改变，从而输出一个表示这个结果的适当信号。这样，就提供了一种可靠而计算上又非常有效的方法和设备，为回声消除器提供有关已发生重话还是回声路径改变的有用信息。

本发明提供了一种重话和回声路径改变检测器，所述检测器包括：一个第一测量单元，用来确定一个第一输入信号与一个第二输入信号之间的第一线性相关性；一个第二测量单元，用来确定所述第一输入信号与一个第三输入信号之间的第二线性相关性；一个比较器，用来将所述第一线性相关性与所述第二相关性进行比较，根据比较结果产生一个输出信号；一个门限单元，用来将所述输出信号与一个第一预定门限电平和一个第二预定门限电平进行比较，从而相应指示发生重话和回声路径改变；以及

一个定时器，用来在一预定时间内断开在所述比较器与所述门限单元间的信号。

本发明提供了一种用来检测在电话网内的重话和回声路径改变的方法，包括以下步骤：计算在所述第一输入信号和第二输入信号之间的第一线性相关性；计算在所述第一输入信号和第二输入信号之间的第二线性相关性；将所述第一线性相关性与所述第二线性相关性进行比较，根据比较结果产生一个输出信号；和将所述输出信号与第一预定门限电平和第二预定门限电平相比较，由此指示重话状态，回声路径改变状态，和既无重话状态和又无回声路径改变状态三种情形之一的出现。

通过参照以下结合附图所作的详细说明可以对本发明的方法和设备有更完整的理解。在这些附图中：

图1为常用回声消除器的简化原理方框图；以及

图2为能用来实现本发明的设备和方法的重声和回声路径改变检测器的原理方框图。

从图1和2可以看到本发明的优选实施例和它的优点，不同图中的相同标号用来标记相同或相应的部分。

就实质上来说，本发明所提供的是一种重话和回声路径改变检测器，主要是确定残余信号e(t)中占优势的是回声还是“近端”信号。为了确定这个，首先计算出残余信号e(t)与回声估计

之间的线性相关性的度量，再计算出残余信号e(t)与所需信号y(t)之间的相关性的度量。然后，将这两个结果相互比较，如果它们具有相同的数量级，就采取进一步的行动。然而，如果比较结果确定e(t)与y(t)之间的相关性比e(t)与

之间的相关性强得多，就检测到重话。另一方面，如果e(t)与y(t)之间的相关性比e(t)与

之间的相关性弱得多，就检测到回声路径改变。虽然这些判决只是在所处理的信号具有一定功率时得出的。

线性相关性的度量可以通过考虑两个平稳随机过程x(t)和y(t)之间的相关函数r_xy ²(f)得出，r_xy ²(f)定义为： ${{\mathrm{\γ}}^2}_{\mathrm{xy}}\left(f\right)=\frac{{\left|S_{\mathrm{xy}}\left(f\right)\right|}^2}{S_{\mathrm{xx}}\left(f\right)S_{\mathrm{yy}}\left(f\right)}---\left(4\right)$

其中：S_xy(f)＝1/T*E[x^*(f)y(f)]为x(t)与y(t)之间互谱密度，而S_xx(f)和S_yy(f)分别为x(t)和y(t)的自谱密度。相关函数是所涉及的平稳随机过程之间的可能线性关系的度量，下界为零而上界为1。如果这两个随机过程之间在某个频率上存在完全的线性关系，那么相关函数在这个频率上就为1。如果不存在这种线性关系，那么相关函数就等于零。通过计算这相关函数的均值就能得到一个标量的线性相关性度量。

一个能用来检测回声路径改变的途径是基于：在正交性原理下如果回声估计

是由一个最佳估计器作出的，残余信号e(t)与回声估计

之间就能没有线性关系，因关相关函数等于零。在一个FIR滤波器利用自适应算法模拟回声路径的情况下，如果自适应算法收敛，则相关函数将接近于零。然而，如果发生回声路径改变，在信号e(t)与 之间就会出现强的线性关系，因此相关函数就大。

考虑所需信号y(t)与残余信号e(t)之间的相关性，如果自适应算法收敛而“近端”信号v(t)弱，则相关函数就小。如果“近端”信号强，则残余信号中“近端”分量v(t)占优势，从而相关函数将接近于1。应注意的是，如果FIR滤波器的系数都初始化为零，则在自适应的初始阶段残余信号与所需信号之间将存在线性关系。

为了检测重话和回声路径改变，可以利用以下测试变量d $d=\frac{1}{f_2-f_1}\underset{f_1}{\overset{f_2}{\∫}}{{\mathrm{\γ}}^2}_{\mathrm{ye}}\left(f\right)\mathrm{df}-\frac{1}{f_2-f_1}\underset{f_1}{\overset{f_2}{\∫}}{{\mathrm{\γ}}^2}_{\mathrm{se}}\left(f\right)\mathrm{df}---\left(5\right)$

其中，f₁和f₂分别为所关心的频带的下界和上界。测试变量d的值在检测器正常工作期间(例如没有检测到重话或回声路径改变时)将接近于零。然而，测试变量d在检测到重话时将接近于1，而在检测到回声路径改变时成为负的。因此，按照本发明，在回声消除器内FIR滤波器(例如滤波器12)所用的自适应算法可以将测试变量d与两个预定门限th1和th2(其中，0＜th1＜1，而-1＜th2＜0)进行比较。如果测试变量d＞th1，就认为检测到了重话。如果d＜th2，就认为检测到了回声路径改变。th1和th2的绝对值可用来控制检测器的灵敏度。在这个优选实施例中，门限电平选为th1＝0.8，而th2＝-0.5。

图2为能用来实现本发明的设备和方法的重话和回声路径改变检测器的原理方框图。检测器100包括一个第一相关性测量单元102和一个第二相关性测量单元104。第一相关性测量单元102计算残余信号e(t)与回声路径估计

之间的线性相关性。第二相关性测量单元104计算残余信号e(t)与所需信号y(t)之间的线性相关性。这两个测量单元的输出送至比较器106进行比较。这个比较按上述的式5进行。比较器106的输出送至第一测试单元110和第二测试单元112的输入端。第一测试单元110将比较器106的输出值(例如测试变量d)与一个第一预定门限电平th1进行比较。第二测试单元112将比较器106的输出值(d)与一个第二预定门限电平th2进行比较。如上所述，测试变量d的值在正常工作期间接近于零，因此不进行滤波器的自适应调整。然而，如果测试变量d的值大于门限电平th1，第一测试单元110就输出一个表示检测到了重话的信号(最好送至回声消除器12内的一个适当的级)。结果，就停止FIR滤波器(12)的自适应算法。

如果测试变量d的值小于门限电平th2，第二测试单元112就输出一个表示检测到了回声路径改变的信号(最好送至回声消除器12内的一个适当的级)。结果，就增强FIR滤波器(12)的自适应算法。定时器108用来断开比较器106的输出，以保证在初始测试这段时间内执行滤波器自适应过程。对于这个实施例来说，定时器108设置为所用的IFR滤波器“长度”的20倍左右。

在这个优选实施例的数字实现中，可以通过用时间平均代替数字期望和用离散付立叶变换(或其他正交变换)计算频谱来估计相关函数。以上式5中的积分可以用对离散频率求和来代替。

具体地说，由于检测到的回声路径改变由自适应算法过程在一段时间内加以补偿，因此最好选择较短的窗长度。这样，对于这个优选实施例而言，自适应算法利用8点快速付立叶变换(FFT)来计算相关函数。然而，本发明并不局限于任何具体的FFT点数，可以使用任何合适的点数来代替8点。最好所用的点数便于执行FFT算法(例如为2的某次方)。在这个实施例中，时间平均取为对相继的64个各有7个样点交叠的变换执行(利用一个矩形滑窗)。应指出的是，其他类型的滑窗(例如指数型滑窗)也可用来进行平均。

在解这些回声消除问题中，所涉及的信号都是实信号，因此它们的付立叶变换的实部是对称的，而虚部是反对称的。这样，对于这个实施例来说，N＝8的N×N变换矩阵为： $F=\left[\begin{array}{cccccccc}{c}_{00}& c_{01}& c_{02}& c_{03}& c_{04}& c_{05}& c_{06}& c_{07}\\ c_{10}& c_{11}& c_{12}& c_{13}& c_{14}& c_{15}& c_{16}& c_{17}\\ c_{20}& c_{21}& c_{22}& c_{23}& c_{24}& c_{25}& c_{26}& c_{27}\\ c_{30}& c_{31}& c_{32}& c_{33}& c_{34}& c_{35}& c_{36}& c_{37}\\ c_{40}& c_{41}& c_{42}& c_{43}& c_{44}& c_{45}& c_{46}& c_{47}\\ s_{30}& s_{31}& s_{32}& s_{33}& s_{34}& s_{35}& s_{36}& s_{37}\\ s_{20}& s_{21}& s_{22}& s_{23}& s_{24}& s_{25}& s_{26}& s_{27}\\ s_{10}& s_{11}& s_{12}& s_{13}& s_{14}& s_{15}& s_{16}& s_{17}\end{array}\right]---\left(6\right)$

其中C_nk＝cos2πnk/N，而S_nk＝sin2πnk/N。将这些C_nk和S_nk的值代入式6的矩阵，就可以得到以下矩阵：

其中 $c=\sqrt{2}/2.$

信号x的最后N个样点x(t)＝[x(t)，…，x(t-N+1)]^T的变换由矩阵向量积Fx(t)给出。用

       U_xy(t)＝E[diag(Fx(t)diag(Fy(t)))]，            (8)

的对角线元代替S_xy就可在这个变换域内确定离散相关函数，式(8)中的diag()为根据自变量向量形成一个对角线矩阵的算子。

用u_xy(t)表示U_xy(t)的对角线元构成的向量，离散相关向量的元可以定义为 $\mathrm{\γ}\left(n\right)=\frac{{\left|u_{\mathrm{xy}}\left(n\right)\right|}^2}{u_{\mathrm{xx}}\left(n\right)u_{\mathrm{yy}}\left(n\right)+a}----\left(9\right)$

其中a为一个调整常数，用来控制除法在分母否则为很小时所引起的误差。这个调整常数可以是一个设计变量，用来度量对检测器灵敏度的控制。调整常数的值最好与预期的信号电平的四次方可比拟。

式9所描述的相关向量是根据向量的元对元相除得出的，这些向量的元具有相应信号的四次方量纲。也就是说，这些元的动态范围为所涉及的信号的动态范围的四倍。如果上述数学处理用定点运算实现，这结果就可以理解。因此，可用以下标准化向量代替。 ${\mathrm{\γ}}_1\left(n\right)=\frac{\left|u_{\mathrm{xy}}\left(n\right)\right|}{u_{\mathrm{xx}}\left(n\right)+u_{\mathrm{xy}}\left(n\right)+a_1}---\left(10\right)$

调整常数a₁的值应选为与预期要涉及的信号的功率电平可比拟。

虽然以上结合附图对本发明的方法和设备的优选实施例作了详细说明，但可以理解本发明并不局限于所揭示的实施例。在不背离如以下权利要求所提出和给定的本发明的精神实质情况下，本发明能予以种种重排，修改和替代。

Claims (13)

1.一种重话和回声路径改变检测器，所述检测器包括：

一个第一测量单元，用来确定一个第一输入信号与一个第二输入信号之间的第一线性相关性；

一个第二测量单元，用来确定所述第一输入信号与一个第三输入信号之间的第二线性相关性；

一个比较器，用来将所述第一线性相关性与所述第二相关性进行比较，根据比较结果产生一个输出信号；

一个门限单元，用来将所述输出信号与一个第一预定门限电平和一个第二预定门限电平进行比较，从而相应指示发生重话和回声路径改变；以及

一个定时器，用来在一预定时间内断开在所述比较器与所述门限单元间的信号。

2.权利要求1的重话和回声路径改变检测器，其中所述第一测量单元包括一个相关函数测量单元。

3.权利要求1的重话和回声路径改变检测器，其中所述第二测量单元包括一个相关函数测量单元。

4.权利要求1的重话和回声路径改变检测器，其中所述第一测量单元可用来接收一作为所述第一输入信号的残余信号。

5.权利要求1的重话和回声路径改变检测器，其中所述第一测量单元可用来接收作为所述第二输入信号的回声估计信号。

6.权利要求1的重话和回声路径改变检测器，其中所述第二测量单元可用来接收作为所述第三输入信号的所要求的信号。

7.一种用来检测在电话网内的重话和回声路径改变的方法，包括以下步骤：

计算在所述第一输入信号和第二输入信号之间的第一线性相关性；

计算在所述第一输入信号和第二输入信号之间的第二线性相关性；

将所述第一线性相关性与所述第二线性相关性进行比较，根据比较结果产生一个输出信号；以及

将所述输出信号与第一预定门限电平和第二预定门限电平相比较，由此指示重话状态，回声路径改变状态，和既无重话状态和又无回声路径改变状态三种情形之一的出现。

8.权利要求7的方法，其中所述的将所述输出信号与第一预定门限电平和第二预定门限电平比较并由此指示重话状态，回声路径改变状态，和既无重话状态和又无回声路径改变状态三种情况之一的出现的步骤包括：

确定是否所述输出信号比所述第一预定门限电平大；

如果不是，确定是否所述输出信号比所述第二预定门限电平小；

如果是，指示所述回声路径改变状态的出现；

否则，指示所述既无重话又无路径改变状态的出现。

9.权利要求7的方法，其中所述计算第一线性相关性的步骤还包括计算第一相关函数的步骤和其中所述计算第二线性相关性的步骤还包括计算第二相关函数的步骤。

10.权利要求9的方法，其中计算第一相关函数的步骤还包括利用时间平均和使用正交变换估测所述第一相关函数的步骤和其中所述计算第二相关函数的步骤包括利用时间平均和使用正交变换来估测所述第二相关函数的步骤。

11.权利要求10的方法，其中计算第一相关函数和计算第二相关函数的步骤还包括采用一个调整常数来控制灵敏度的步骤。

12.权利要求11的方法，其中采用一个调整常数控制灵敏度的步骤还包括选择所述调整常数以便与电话网内的功率电平可相比较的步骤。

13.权利要求12的方法，其中指示一个重话状态，一个回声路径改变状态，和既无重话又无回声路径改变状态三种情形至少之一的出现的步骤还包括向相关联的回声消除器指示所述出现的步骤。

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