專利名稱：用于耐噪聲回聲抵消的可變塊大小自適應算法的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通信系統(tǒng)。尤其涉及一種新的和改進的自適應濾波器，在該自適應濾波器中，為調節(jié)濾波器的抽頭值(tap value)而被平均處理的連續(xù)采樣數目根據自適應濾波器工作信道的噪聲量發(fā)生變化。
背景技術：
在衛(wèi)星電話會議和免提電話應用中，用回聲抵消器(AEC)抵消揚聲器和傳聲器之間的聲反饋。在車輛乘客使用免提電話的移動式電話系統(tǒng)中，移動臺用回聲抵消器提供全雙工通信。
為便于參考，約定駕駛員為近端發(fā)話人，而另一連接端為遠端發(fā)話人。遠端發(fā)話人的話音從移動裝置中的揚聲器播出。如果傳聲器采拾到該話音，則遠端發(fā)話人會聽到他或她自己聲音的騷擾回聲?；芈暤窒饔米赃m應濾波器識別揚聲器和傳聲器之間未知的回波信道，產生回聲的復制，并將它從傳聲器輸入中減去，以抵消遠端發(fā)話人的話音。


圖1示出了傳統(tǒng)的回聲抵消器的方框圖，其中用虛線表示回聲通路。遠端話音x(n)作為揚聲器輸出被播出，并通過未知回波信道6，從而產生回波信號y(n)，雖然回波信道6的存在僅是近端傳聲器與近端揚聲器位置相同的人為現象，但圖中將其示為一個單元。近端傳聲器的輸入端接收回波信號y(n)、信道噪聲w(n)和近端話音v(n)的總和，求和方式用加法單元8和10示出，它們純屬于說明之用。近端的接收信號r(n)是回波信號y(n)，信道噪聲w(n)和近端話音v(n)的總和。
當遠端發(fā)話人是唯一的話源時，由矢量 表示的濾波器系數自適應跟蹤未知回波信道的脈沖響應。自適應控制單元2接收誤差或殘留信號e(n)和遠端話音x(n)，并作出響應，向自適應濾波器4提供抽頭校正信號(tap correction signal)。自適應濾波器4接收抽頭校正信號，并根據抽頭校正信號來校正濾波器抽頭值。適應濾波器4根據自適應濾波器系數 和遠端話音信號x(n)產生一個回聲的復制品， ，提供給減法單元12。減法單元12將被估計的回聲 (n)從近端接收到的信號r(n)中減去。
一般用來更新用于跟蹤回波通道響應的濾波器抽頭系數的算法是最小均方(LMS)自適應算法。濾波器的階數用N表示，并將遠端話音矢量 表示為x→(n)=[x(n)x(n-1)x(n-2)···x(n-N+1)],--(1)]]>而濾波器抽頭系數矢量表示為h→(n)=[h0(n)h1(n)h2(n)···hN-1(n)]---(2)]]>每當接收到一個新的采樣r(n)時，所述算法根據當前的濾波器的抽頭值計算回聲估計量 y^(n)=<h→(n)x→(n)>=Σi=0N-1hi(n)x(n-i).-----(3)]]>將此估計得到的回波信號 從近端接收到的信號r(n)中減去，因此回波殘留表示為e(n)=r(n)-y^(n).-------(4)]]>當近端發(fā)話人說話時，該自適應算法不工作，以便將抽頭系數矢量更新為h→(n+1)=h→(n)+αe(n)x→(n)-----(5)]]>其中α為自適應步長，并且不存在近端話音v(n)和噪聲w(n)時的誤差信號為e(n)=y(n)-y^(n)-------(6)]]>LMS算法因其試圖按下式使誤差平方的平均值最小而得名MSE(n)＝E[e2(n)].
(7)LMS算法也稱為“隨機梯度”法，因為MSE(n)對抽頭矢量的梯度近似表示為∂MSE(n)∂h→(n)=-2e(n)x→(n).-------(8)]]>由于該梯度表示均方誤差增長最快方向，所以通過使抽頭值自適應于反向梯度，按梯度的反方向控制每一抽頭更新。
LMS算法的主要優(yōu)點在于，它比其他自適應方法所需的計算要少，并且適當選擇步長可以保證其穩(wěn)定性。該算法在一次次采樣的基礎上進行，即隨著每次新的采樣，更新抽頭矢量 。
更新抽頭矢量的另一種方法稱為塊式LMS算法，它使用L次采樣組成的塊。與上述相同，當接收每次新的采樣r(n)時，算法計算回波估計量 和回波殘留信號e(n)。但是，該算法并不馬上更新諸濾波器系數，而是對負梯度e(n) 的L次連續(xù)的狀況取平均(梯度表達式中的“2”已被吸納至步長α中)，并且對每個L-采樣塊更新一次系數矢量 。因此塊式LMS算法可表示為h→((n+1)L)=h→(nL)+αLΣj=0L-1e(nL+j)x→(nL+j).----(9)]]>注意，如果L＝1，則該式化簡為式5表示的采樣LMS，因此可把采樣LMS算法看成塊式LMS算法的退化情況。當存在噪聲時，選擇塊的大小L大于1的好處便能體現出來。如圖1所示，回波信道中存在的任何噪聲w(n)被加至回波信號y(n)，并由此出現在誤差信號中e(n)=y(n)+w(n)-y^(n).-------(10)]]>因此，噪聲將對每個采樣梯度的方向進行騷擾，使采樣(L＝1)LMS算法的收斂時間更長，漸近均方差更大。但通過L＞1的選擇，我們對梯度的L次連續(xù)狀況取平均，由于在平均過程中正的和負的噪聲采樣將趨于彼此抵消，所以可獲得更準確的估計量。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種新的和改進的自適應濾波器，它更耐用于具有不同噪聲能量的各種環(huán)境。在回聲抵消器的一個實施例中提供了本發(fā)明的一種實施方法。
當噪聲w(n)與回聲的大小相比為小時，對于相同的步長α，采樣LMS(L＝1)比塊式LMS(L＞1)算法收斂得更快。當噪聲幅度增大時，關于最大收斂速度的最佳塊大小L也增大。
在本發(fā)明中，提供了一種根據信道中的噪聲量調節(jié)塊大小L的方法和設備。在一較佳實施例中，根據瞬時信噪比(SNR)調節(jié)塊的大小L。在本發(fā)明的該實施例中，回聲抵消器包括一自適應濾波器，濾波器的抽頭自適應于本發(fā)明的塊大小可變的LMS方法。
在本發(fā)明回聲抵消器的實施例中，自適應濾波器產生一估計回波信號 ，將該信號從近端接收到的信號r(n)中減去，從而提供一殘留信號e(n)。監(jiān)視信道的噪聲成分，并根據信道的噪聲成分選擇自適應塊的大小L。然后根據遠端話音x(n)校正或自適應于自適應濾波器的抽頭值，殘留信號e(n)和自適應塊的大小L如式9所示。
盡管本發(fā)明的實施采用了回聲抵消的形式，但可以看出本發(fā)明的范圍可在任何使用自適應濾波器和信道噪聲特性易于變化的場合下擴大使用。
附圖概述結合附圖，閱讀以下敘述的詳細描述將更加清楚本發(fā)明的特點、目的和長處，附圖中相同的參考標記自始至終相應地視為等同，附圖有圖1一回聲濾波器的方框圖，它使用塊大小固定的常規(guī)LMS算法；以及圖2是本發(fā)明一實施例的方框圖，給出了回聲抵消器內塊大小可變的LMS算法。
本發(fā)明的較佳實施方式在本發(fā)明中，提供了一種根據信道上的噪聲量調節(jié)塊大小L的方法和設備。在一較佳實施例中，根據瞬時信噪比(SNR)調節(jié)塊的大小L。理想情況下，瞬時SNR中參照的信號為回波信號，從而如下計算時刻n時信噪比SNR(n)SNR(n)(dB)＝10log10[Ey(n)/Ew(n)]，(11)其中Ey(n)為時刻n時回波信號的能量，而Ew(n)為時刻n時噪聲信號的能量。但是，由于濾波器不知道y(n)的實際值，所以回波信號能量Ey(n)在只有遠端發(fā)話人說話的時間期間可近似表示為E^y(n)=Σi=0N[r(n-i)]2--------(12)]]>同樣，由于濾波器不知道噪聲信號w(n)，所以當遠端發(fā)話人和近端發(fā)話人都不說話時，噪聲能量Ew(n)可如下計算E^w(n)=Σi=0N[r(n-i)]2--------(13)]]>利用式10和式11的近似計算，可按下式計算式11中信噪比的近似值SN^R(n)=10log10[E^y(n)/E^w(n)]----------(14)]]>現參照圖2，話音檢測單元30監(jiān)視信號x(n)、r(n)和e(n)的能量，確定何時只有遠端發(fā)話人在說話，何時兩個發(fā)話人都不說話。話音檢測單元30向SNR計算單元22提供控制信號。SNR計算單元22還接收從近端接收到的信號r(n)，并根據來自話音檢測單元30的控制信號如上所述計算 和 。SNR計算單元22將 提供給塊大小選擇單元20，選擇單元20根據 選擇自適應塊的大小L。塊大小選擇單元20將自適應塊的大小L提供給自適應控制單元26。
自適應控制單元26接收遠端話音x(n)、誤差信號e(n)和自適應塊的大小L，并根據這些輸入信號如下確定濾波器的抽頭校正值 c→(nL)=αLΣj=0L-1e(nL+j)x→(nL+j).-------(15)]]>自適應控制單元26將濾波器的抽頭校正值 提供給自適應濾波器28。根據濾波器的抽頭校正值 ，自適應濾波器28按下式產生校正后的濾波器抽頭值 ；h→((n+1)L)=h→(nL)+c→(nL).-----(16)]]>自適應濾波器28還接收遠端話音信號x(n)，并根據校正后的濾波器抽頭值 和遠端話音信號x(n)產生回波信號 的估計。然后減法單元36將估計得到的回波信號 從近端接收到的信號r(n)中減去。
在本實施例中，已在回聲抵消器的前后關系中描述了本發(fā)明。由于汽車中的噪聲會隨車輛速度、路面平整度、氣候條件、變化的外界噪聲以及汽車車窗是否搖起等許多因素連續(xù)變化，所以這是本發(fā)明一個特別有用的應用。例如，當駕駛員坐在靜泊的汽車中開始呼叫時，為了獲得最快的收斂，本發(fā)明的設備將把L設為1。當駕駛員啟動汽車并旋轉發(fā)動機時，設備將檢測SNR的下降并自動增大L，比如至32。當駛過一安靜的住宅區(qū)時，本發(fā)明的設備會使L下降至16，而當駛入顛簸的快速干道時，本發(fā)明的設備會再把L增大至64。因為自適應濾波器必須不斷更新以計及揚聲器和傳聲器間聲信道中的變化，所以這種為獲得最快收斂而對塊大小進行的自動選擇是很重要的。
本發(fā)明的另一實施例包括多個自適應濾波器，每個濾波器用不同的平均長度來自適應濾波器的系數。于是從自適應濾波器組的諸多輸出中動態(tài)地選擇一個輸出源。在又一個實施例中，并不直接改變塊的大小，而是使用某一大小的時間上交錯的塊。
盡管本發(fā)明的實施例是在回聲抵消器的場合下給出的，但它能在任何使用自適應濾波器和信道噪聲特性易于變化的場合下應用，諸如網絡回波抵消和信道均衡(channel equalization)等情況。
上述對本發(fā)明較佳實施例的描述可使本領域的技術人員完成或使用本發(fā)明。對這些實施例的各種改變對本領域的熟練技術人員而言是顯而易見的，并且無需使用創(chuàng)造性的技能便可將文中定義的一般原理應用到其他實施例中。因此，不應將本發(fā)明限制于本文中所示的實施例，而應賦予與本文揭示的原理和新特點相一致的最寬范圍。
權利要求
1.一種自適應濾波器，其特征在于，包括塊大小選擇裝置，用于確定并提供可變的自適應塊大小值；濾波器系數計算裝置，用于接收所述可變的自適應塊大小值，并根據可變的自適應塊大小值至少確定和提供一個濾波器系數值；和濾波器裝置，用于接收所述至少一個濾波器系數值，并根據所述至少一個濾波器系數值對信號濾波。
2.如權利要求1所述的自適應濾波器，其特征在于，還包括噪聲計算裝置，它用于計算通信信道中噪聲量，并提供所述通信信道中噪聲量的信號表示；并且其中的所述塊大小選擇裝置對所述通信信道中噪聲量的所述信號表示作出響應。
3.一種用于抵消遠端話音信號中回波信號的回聲抵消器，其特征在于，包括塊大小選擇裝置，用于確定并提供可變的自適應塊大小值；濾波器系數計算裝置，用于接收所述可變的自適應塊大小值，并根據可變的自適應塊大小值至少確定和提供一個濾波器系數值；和濾波器裝置，用于接收所述至少一個濾波器系數值和所述遠端話音信號，并根據所述遠端話音信號和所述至少一個濾波器系數值提供所述回波信號的估計；和求差裝置，用于將所述回波信號的估計從近端接收到的信號中減去，以提供一殘留信號。
4.如權利要求3所述的回聲抵消器，其特征在于，還包括噪聲計算裝置，它用于計算通信信道中噪聲量，并提供所述通信信道中噪聲量的信號表示；并且其中的所述塊大小選擇裝置對所述通信信道中噪聲量的所述信號表示作出響應。
5.如權利要求4所述的回聲抵消器，其特征在于，還包括話音檢測裝置，用于檢測所述遠端話音信號和一近端話音信號，并響應于所述遠端話音信號和所述近端話音信號的存在提供一控制信號；并且其中的所述噪聲計算裝置對所述控制信號作出響應。
6.一種對信號進行自適應濾波的方法，其特征在于，包括下列步驟確定可變的自適應塊大小值；根據所述可變的自適應塊大小值確定并提供至少一個濾波器系數值；并且根據所述至少一個濾波器系數值對信號進行濾波。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，還包括監(jiān)視通信信道中噪聲量的步驟，和提供所述通信信道中所述噪聲量之信號表示的步驟；并且其中確定可變自適應塊大小值的所述步驟對所述通信信道中噪聲量的所述信號表示作出響應。
8.一種用于抵消遠端話音信號中回波信號的方法，其特征在于，包括下列步驟確定并提供可變的自適應塊大小值；根據所述可變的自適應塊大小值確定并提供至少一個濾波器系數值；根據所述遠端話音信號的所述至少一個濾波器系數值提供所述回波信號的估計；并且將所述回波信號估計從近端接收到的信號中減去，以提供回波抵消的近端信號。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，還包括監(jiān)視通信信道中噪聲量的步驟，和提供所述通信信道中所述噪聲量之信號表示的步驟；并且其中確定并提供可變自適應塊大小值的所述步驟對所述通信信道中噪聲量的所述信號表示作出響應。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，還包括根據所述遠端話音信號和一近端話音信號的存在而提供一控制信號的步驟；并且其中提供所述通信信號中噪聲量之信號表示的所述步驟對所述控制信號作出響應。
全文摘要
一種根據輸入信噪比(SNR)對最小均方(LMS)自適應濾波器的自適應塊大小進行自動調節(jié)的設備。該設備監(jiān)視瞬時的SNR并連續(xù)調節(jié)塊大小，以提供高的抗噪聲度，從而提高濾波器的收斂速度并降低漸近均方誤差。在回聲抵消器的上下文中描述了本發(fā)明的一個實施例，但應注意，本發(fā)明的自適應濾波器在任何噪聲特性易于變化的場合下都能使用。
文檔編號H03H21/00GK1133655SQ94193947
公開日1996年10月16日 申請日期1994年10月27日 優(yōu)先權日1993年11月1日
發(fā)明者吉爾伯特·C·西赫, 福蘭克林·P·安東尼奧 申請人:夸爾柯姆股份有限公司