專利名稱：具有回波消除系統(tǒng)的揚(yáng)聲器－麥克風(fēng)系統(tǒng)和回波消除方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲音再現(xiàn)領(lǐng)域，并尤其涉及包括揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)的系統(tǒng)中的回波抑制。
本發(fā)明涉及一個(gè)雙向聲音再現(xiàn)系統(tǒng)(比如免提揚(yáng)聲器電話系統(tǒng))，該系統(tǒng)具有一個(gè)用于遠(yuǎn)端輸入信號的輸入端、一個(gè)揚(yáng)聲器、輸入端和揚(yáng)聲器之間的一個(gè)數(shù)-模轉(zhuǎn)換器、一個(gè)麥克風(fēng)、麥克風(fēng)之后的一個(gè)模-數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個(gè)回波消除系統(tǒng)(AEC)和一個(gè)用于遠(yuǎn)端輸出信號的輸出端。
本發(fā)明還涉及一個(gè)用于在具有揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)的雙向聲音再現(xiàn)系統(tǒng)中消除回波的方法，其中方法-從一個(gè)模擬遠(yuǎn)端輸入信號被接收或由此產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字遠(yuǎn)端輸入信號，-該數(shù)字遠(yuǎn)端信號被轉(zhuǎn)換成一個(gè)模擬信號，-被轉(zhuǎn)換的模擬信號經(jīng)由揚(yáng)聲器被發(fā)出，-麥克風(fēng)產(chǎn)生一個(gè)模擬麥克風(fēng)信號，-模擬麥克風(fēng)信號被轉(zhuǎn)換成一個(gè)數(shù)字麥克風(fēng)信號，-通過濾波該數(shù)字遠(yuǎn)端信號并從數(shù)字麥克風(fēng)信號減去所得結(jié)果來執(zhí)行回波消除。
諸如揚(yáng)聲器電話系統(tǒng)之類的雙向聲音再現(xiàn)系統(tǒng)包括一個(gè)通常稱作揚(yáng)聲器的輸出換能器，和一個(gè)通常稱作麥克風(fēng)的輸入換能器。揚(yáng)聲器響應(yīng)于從遠(yuǎn)程方接收的表示所期望聲壓波的輸入信號(遠(yuǎn)端輸入信號)來產(chǎn)生聲壓波，而麥克風(fēng)接收將被轉(zhuǎn)換成輸出信號并將經(jīng)由用于遠(yuǎn)端輸出信號的輸出端被傳輸?shù)皆撨h(yuǎn)程方的聲壓波。因?yàn)閾P(yáng)聲器把聲音發(fā)出到圍繞揚(yáng)聲器電話的環(huán)境中，所以從揚(yáng)聲器到麥克風(fēng)存在一個(gè)可能產(chǎn)生回波的聲學(xué)路徑。通常，這個(gè)聲學(xué)路徑包括多個(gè)傳播路徑(代表多個(gè)反射)以便多個(gè)回波能在不同的時(shí)間到達(dá)麥克風(fēng)。
如果不對這個(gè)聲學(xué)路徑采取補(bǔ)償，則揚(yáng)聲器產(chǎn)生的聲音將通過麥克風(fēng)回波返回到在遠(yuǎn)端的遠(yuǎn)程用戶。實(shí)際上，這意味著當(dāng)遠(yuǎn)程方講話時(shí)，他/她的談話將被揚(yáng)聲器發(fā)出并然后被發(fā)射回來從而使得會話很困難，因?yàn)檫h(yuǎn)程方聽見了他/她自己的聲音以及他/她的通信方的聲音。因此，在本技術(shù)領(lǐng)域中已經(jīng)開始嘗試著減少這些回波。
一個(gè)用于減少非期望的回波的方法是使用一個(gè)所謂的回波消除系統(tǒng)來抑制回波，其中，回波消除系統(tǒng)借助于自適應(yīng)濾波器從遠(yuǎn)端信號導(dǎo)出一個(gè)非期望分量(回波)的副本。從輸出信號中減去所述副本以便除去非期望的回波。
當(dāng)今電話中的大多數(shù)回波消除系統(tǒng)是基于線性回波路徑的假定。已經(jīng)認(rèn)識到，回波還包括非線性分量，而且這類非線性分量可能很難補(bǔ)償。
在美國專利US5,680,450中，一個(gè)模型以及基于這類模型的裝置和方法被給出以補(bǔ)償回波的非線性部分。
Stenger在2000年6月5-9日提出的ICASSP學(xué)報(bào)(聲學(xué)、語音和信號處理的國際會議)2000中的第II卷、第805-808頁中描述了一個(gè)AEC(自適應(yīng)回波消除器)，其中用一個(gè)非線性模型(第7階多項(xiàng)式)來消除回波。
這些已知的系統(tǒng)和模型的基礎(chǔ)是估算回波信號，包括對應(yīng)于回波的非線性部分的任何非線性分量。因此，當(dāng)從麥克風(fēng)產(chǎn)生的輸出信號中減去被估算的回波信號時(shí)，揚(yáng)聲器產(chǎn)生的回波的非線性部分可以被減少。從而，通?；谝粋€(gè)產(chǎn)生從揚(yáng)聲器到麥克風(fēng)的聲學(xué)路徑估算的聲學(xué)路徑模型，自適應(yīng)回波濾波器包括非線性分量的估算。
盡管存在以上提及的參考，然而在本技術(shù)領(lǐng)域中仍然需要改進(jìn)揚(yáng)聲器電話系統(tǒng)和方法來減少從揚(yáng)聲器到麥克風(fēng)的回波。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一個(gè)改進(jìn)回波消除的雙向聲音再現(xiàn)系統(tǒng)，其具有用于對雙向聲音再現(xiàn)系統(tǒng)改進(jìn)回波消除的方法。
為此，根據(jù)本發(fā)明的雙向聲音再現(xiàn)系統(tǒng)的特征在于該系統(tǒng)包括一個(gè)用于預(yù)處理遠(yuǎn)端輸入信號的預(yù)處理器，該預(yù)處理器包括一個(gè)用于放大遠(yuǎn)端輸入信號的放大器，和一個(gè)用于限制遠(yuǎn)端信號的最大振幅的裝置，其中限幅信號用作揚(yáng)聲器和回波消除系統(tǒng)的輸入。
用于限制的裝置例如是削波器、限幅器或壓縮器或其組合。
本發(fā)明是基于以下理解
雙向聲音再現(xiàn)系統(tǒng)，尤其是揚(yáng)聲器電話系統(tǒng)通常需要一個(gè)很大的動態(tài)范圍。尤其當(dāng)移動電話用于免提模式時(shí)，它不得不產(chǎn)生一個(gè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通常當(dāng)電話拿在耳邊時(shí)使用的聲級的高聲級。為了獲得這個(gè)高聲級，聲頻信號照慣例例如通過一個(gè)通常被剛好放置在揚(yáng)聲器前的模擬功率放大器而被極大地放大。聲頻信號事實(shí)上被放大到這樣的程度，即聲頻信號被電話系統(tǒng)(例如移動電話)的電源嚴(yán)重削波。這導(dǎo)致一個(gè)很不線性的失真的揚(yáng)聲器信號，其被電話系統(tǒng)的麥克風(fēng)拾音為一個(gè)回波。放大器的非線性行為通常是非線性的最重要的源頭。
例如在移動電話中，回波可以由雙向聲音再現(xiàn)系統(tǒng)中的回波消除系統(tǒng)減少。然而，回波消除通常是基于這樣的假定的，即是移動電話(即放大器、揚(yáng)聲器、外殼、麥克風(fēng))可以被看作一個(gè)關(guān)于回波的線性系統(tǒng)。因此，回波消除系統(tǒng)不能消除非線性失真的回波。
如上所述，已經(jīng)被描述了回波路徑中非線性分量的補(bǔ)償。為此，自適應(yīng)濾波器必須被擴(kuò)展以包括非線性分量。然而，為這類系統(tǒng)建立模型是一個(gè)非常困難的任務(wù)，只有當(dāng)存在一個(gè)可用于這些非線性的優(yōu)秀模型時(shí)才可能完成。然而，沒有用于所有移動電話的通用非線性模型。此外，非線性模型通常包括大量的系數(shù)，因此其適應(yīng)性非常困難并且會耗費(fèi)大量的存儲和計(jì)算功率。
本發(fā)明提出在數(shù)字域中，即在數(shù)-模轉(zhuǎn)換以及回波消除器之前預(yù)處理聲頻信號，因此數(shù)-模轉(zhuǎn)換器和模-數(shù)轉(zhuǎn)換器之間的系統(tǒng)部分是一個(gè)線性或近乎線性的系統(tǒng)，并且因此揚(yáng)聲器產(chǎn)生充足的聲壓級。
在根據(jù)本發(fā)明的包括一個(gè)預(yù)處理器的雙向聲音再現(xiàn)系統(tǒng)中，預(yù)處理器包括-一個(gè)用于把聲頻信號放大到足夠聲壓級的放大器-一個(gè)用于在數(shù)字域中限制聲頻信號的削波器/壓縮器/限幅器，以便移動電話基本上表現(xiàn)得像一個(gè)線性系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的雙向聲音再現(xiàn)系統(tǒng)包括一個(gè)回波消除系統(tǒng)。其與已知系統(tǒng)的差異在于添加了一個(gè)預(yù)處理器，該預(yù)處理器包括一個(gè)用于把聲頻信號限制到非線性分量相對較小的聲級的裝置。
本發(fā)明的缺點(diǎn)是聲級稍微被降低，因?yàn)閾P(yáng)聲器信號被減少。然而，這個(gè)缺點(diǎn)與改進(jìn)回波消除的優(yōu)點(diǎn)相比來說就顯得很小了。
在優(yōu)選實(shí)施例中，預(yù)處理器包括一個(gè)高通濾波器。
優(yōu)選地，高通濾波器的截止值在100-1000Hz的范圍內(nèi)，大多數(shù)優(yōu)選地在300-500Hz之間。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，限制裝置包括一個(gè)用于削波超出信號強(qiáng)度的遠(yuǎn)端信號的削波器。
削波是一個(gè)簡單的操作，其中，任何超出閾值信號強(qiáng)度的信號都被降低到所述的給定閾值信號強(qiáng)度，即設(shè)定一個(gè)最大信號強(qiáng)度。這類實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)是使用一個(gè)簡單的裝置，而缺點(diǎn)在于由于超出閾值信號的信號中任何細(xì)節(jié)都被丟失而造成遠(yuǎn)端信號失真。
在優(yōu)選實(shí)施例中，限制裝置包括一個(gè)限幅器或壓縮器，用于限制到揚(yáng)聲器的信號的最大振幅。在這些實(shí)施例中，信號的最大振幅被限制或者動態(tài)范圍被壓縮。
如果需要用衰減來防止削波，則限幅器掃描聲頻信號的峰值并衰減該峰值周圍的聲頻部分。
壓縮器減少任何聲頻信號的整個(gè)動態(tài)范圍。它由兩個(gè)元件組成一個(gè)電平檢測器和一個(gè)具有可變增益的放大器。與失真較少的削波器相比其具有一個(gè)更復(fù)雜的設(shè)計(jì)。
在實(shí)施例中，限制裝置可以包含一個(gè)削波器和一個(gè)限幅器/壓縮器以及一個(gè)功能間的切換裝置。
根據(jù)本發(fā)明的方法的特征在于數(shù)字遠(yuǎn)端信號在數(shù)-模轉(zhuǎn)換和回波消除之前被放大和限制。
在本發(fā)明概念內(nèi)，′削波器′、′壓縮器′、′限幅器′、′濾波器′、′轉(zhuǎn)換器′、′比較器′等等應(yīng)當(dāng)被廣義地理解，并且應(yīng)當(dāng)包括例如任何硬件塊(這樣的轉(zhuǎn)換器、壓縮器、限幅器等等)，設(shè)計(jì)用于執(zhí)行所述功能的轉(zhuǎn)換、壓縮、濾波等等的任何電路或子電路，以及任何軟件塊(計(jì)算機(jī)程序或子程序或計(jì)算機(jī)程序組，或(一個(gè)或多個(gè))程序代碼)，它們被設(shè)計(jì)或編程以執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換、削波、限制、濾波等等操作，以及硬件和軟件塊的任何一種組合以執(zhí)行這類單獨(dú)或結(jié)合的操作，并且沒有被限制在下面給出的可仿效實(shí)施例中。一個(gè)程序可以結(jié)合幾個(gè)功能。
本發(fā)明還具體表現(xiàn)為任何計(jì)算機(jī)程序，包括用于當(dāng)所述程序在計(jì)算機(jī)以及任何計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品中運(yùn)行時(shí)來執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明方法的程序代碼裝置，當(dāng)所述程序在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)，計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包括存儲在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的程序代碼裝置，以及包括用于根據(jù)本發(fā)明的電話系統(tǒng)的程序代碼裝置的任何程序產(chǎn)品，用于執(zhí)行具體用于本發(fā)明的功能。
本發(fā)明的這些及進(jìn)一步的方面將參考附圖并用舉例的方法來詳細(xì)地描述，其中

圖1是一個(gè)揚(yáng)聲器電話系統(tǒng)的示意圖，揚(yáng)聲器電話系統(tǒng)包括一個(gè)揚(yáng)聲器、一個(gè)麥克風(fēng)、和一個(gè)根據(jù)先有技術(shù)的回波消除系統(tǒng)。
圖2示出了一個(gè)放大器典型的飽和曲線。
圖3是一個(gè)揚(yáng)聲器電話系統(tǒng)的示意圖，揚(yáng)聲器電話系統(tǒng)包括一個(gè)揚(yáng)聲器、一個(gè)麥克風(fēng)、和一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的回波消除系統(tǒng)和預(yù)處理器。
圖4以圖形形式說明了添加預(yù)處理器的一個(gè)示例效果。
本發(fā)明現(xiàn)在將參考附圖在下面更全面地被描述，其中示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。然而，本發(fā)明可以具體表現(xiàn)為許多不同的形式并不應(yīng)該被看作是被限制于在此闡述的實(shí)施例；而是，這些實(shí)施例是被提供來深入并完成這個(gè)公開發(fā)明，并將充分地向本領(lǐng)域的技術(shù)人員傳達(dá)本發(fā)明的范圍。類似的附圖標(biāo)記指出全篇的類似元件。
圖1用示意圖說明了一個(gè)來自于先有技術(shù)的電話系統(tǒng)。這類系統(tǒng)可以例如是一個(gè)用于汽車中的免提揚(yáng)聲器蜂窩無線電話。當(dāng)作為免提蜂窩電話實(shí)現(xiàn)時(shí)，從遠(yuǎn)端(即從遠(yuǎn)程方)接收的語音信號從一個(gè)蜂窩基站(未示出)被發(fā)射，由蜂窩電話(未示出)的無線電收發(fā)機(jī)接收，并作為一個(gè)輸入波形W被應(yīng)用于遠(yuǎn)端輸入信號的輸入端2。在這個(gè)例子中，假定傳輸來回于諸如此例子的電話系統(tǒng)之類的系統(tǒng)之間，并假定遠(yuǎn)端是一個(gè)數(shù)字形式。如果原始信號是模擬形式，則系統(tǒng)包括模-數(shù)轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生一個(gè)模擬遠(yuǎn)端信號，然后將其輸入到輸入端2。
如圖1中所示，波形以數(shù)字形式被應(yīng)用在輸入端2，然后被數(shù)-模轉(zhuǎn)換器3轉(zhuǎn)換成模擬形式并且被放大器4放大以供揚(yáng)聲器5使用。表示遠(yuǎn)程方語音的聲壓波W1被揚(yáng)聲器5發(fā)出。因此，無線電話用戶聽到表示遠(yuǎn)程方語音的聲壓波形。
然而，聲音還沿著可能包括多個(gè)信道的聲學(xué)路徑6發(fā)出。結(jié)果，回波W2被諸如麥克風(fēng)7之類的輸入換能器接收。因此希望減少輸出信號中由麥克風(fēng)7產(chǎn)生的回波，以便遠(yuǎn)程方不被他自己語音的延遲回波所混淆，換言之即確保被發(fā)送到遠(yuǎn)端的信號表示信號W3、另一方的語音而非信號W3和W2的一些混合。混合信號被麥克風(fēng)7接收，然后被模-數(shù)轉(zhuǎn)換器8轉(zhuǎn)化成一個(gè)數(shù)字信號。這個(gè)回波減少通過使用自適應(yīng)回波消除器(″AEC″)9而被實(shí)現(xiàn)。自適應(yīng)回波消除器包括自適應(yīng)濾波器10，輸入信號2被饋送到自適應(yīng)濾波器10并被濾波。濾波系數(shù)是自適應(yīng)的，自適應(yīng)濾波器10提供一個(gè)估算的回波信號，在模-數(shù)轉(zhuǎn)換器8的模-數(shù)變換之后，然后在減法器11中，從來自于麥克風(fēng)7(模-數(shù)轉(zhuǎn)換器8中的模-數(shù)轉(zhuǎn)換之后)的信號中減去這個(gè)估算的回波信號。理想的最后結(jié)果是，從麥克風(fēng)接收的信號中減去回波信號使得只有一個(gè)表示語音W3的信號離開輸出端12。自適應(yīng)濾波器10的系數(shù)是一個(gè)聲學(xué)的脈沖響應(yīng)估算。自適應(yīng)濾波器可以用幾個(gè)算法來執(zhí)行歸一化最小均方誤差(NLMS)，頻域自適應(yīng)濾波器(FDAF)。自適應(yīng)濾波器的選擇取決于應(yīng)用、可用資源和用戶偏好。
取決于被用于聲學(xué)路徑的模型，被估算的回波信號粗略地為由麥克風(fēng)從揚(yáng)聲器接收的回波。
回波消除中使用的自適應(yīng)濾波器在提及的先有技術(shù)中被討論。不同自適應(yīng)濾波器的進(jìn)一步的例子在引用的先有技術(shù)中被提到。
然而，盡管存在許多用于回波消除的不同模型，然而實(shí)際上系統(tǒng)復(fù)雜性(加到成本)和回波消除作用之間的平衡遠(yuǎn)非最理想的。
如上所述，對于回波路徑中非線性分量的補(bǔ)償已經(jīng)被描述。為此，自適應(yīng)濾波器必須被擴(kuò)展以包括非線性分量。
通常，已知的系統(tǒng)和方法有一個(gè)主要的問題它們在系統(tǒng)中需要一個(gè)好的非線性模型。只有當(dāng)存在可用于這些非線性的良好模型時(shí)，用非線性自適應(yīng)濾波器來擴(kuò)展自適應(yīng)濾波器10才是可能的。然而，沒有用于所有移動電話的通用非線性模型。此外，非線性模型通常包括大量的系數(shù)，因此其適應(yīng)性非常困難并且會耗費(fèi)大量的存儲和計(jì)算功率。如果沒有好的模型可用，則衰減將不充分。
被用來產(chǎn)生揚(yáng)聲器信號的模擬放大器可以被建模為三個(gè)部分
1.通常，放大器包括一個(gè)高通濾波器。有時(shí)，這個(gè)濾波器只除去直流偏移量。然而在很多情況下，濾波器還除去不能被揚(yáng)聲器再現(xiàn)的遠(yuǎn)端信號的低頻。
2.遠(yuǎn)端信號的實(shí)際放大可以被建模為一個(gè)簡單的線性增益。
3.在高輸出電平的時(shí)候，輸出電平被受限的電源飽和。圖2中給出了一個(gè)典型的飽和曲線。它示出輸出O是輸入I的一個(gè)函數(shù)。在該圖中由矩形劃出的線性范圍中，輸出O是I線性函數(shù)，即O＝a*I。在線性范圍外，輸出電平由受限電源來限制并且存在非線性，而且輸出O是輸入I的更復(fù)雜的函數(shù)。
然而，在上面給出的放大器模型示出，我們正在處理一個(gè)線性系統(tǒng)(1和2)、非線性系統(tǒng)(3)以及準(zhǔn)線性系統(tǒng)(揚(yáng)聲器和聲學(xué)路徑)的級聯(lián)。為這類系統(tǒng)建立模型是一個(gè)非常困難的任務(wù)。
本發(fā)明提出在數(shù)字域中預(yù)處理聲頻信號，即在數(shù)-模轉(zhuǎn)換以及回波消除器之前預(yù)處理聲頻信號，因此移動電話又是一個(gè)線性或近乎線性的系統(tǒng)并且揚(yáng)聲器產(chǎn)生充足的聲壓級。
為了防止受限的電源使放大器輸出信號(即揚(yáng)聲器信號)飽和，輸入信號應(yīng)該被限制不超過某一限制值。這個(gè)電壓限制可以從圖2中的飽和曲線中推導(dǎo)。
然而，如果在放大器前面給出一個(gè)模擬高通濾波器，則還需要另一個(gè)限制。這歸因于以下事實(shí)，即濾波電壓限制的信號可能產(chǎn)生一個(gè)超出電壓限制的輸出信號。這個(gè)效應(yīng)被稱為Gibb效應(yīng)。
模擬高通濾波器可以被假定為第一級RC網(wǎng)絡(luò)。眾所周知，這類濾波器對于任意輸入信號的振幅放大總是小于或等于2。其原因在于所謂的濾波器脈沖響應(yīng)的L1范數(shù)等于2。從而，為了防止放大器輸出信號的任何飽和，高通濾波器的輸入信號應(yīng)該被限制為圖2如中所示電壓限制的一半。
實(shí)際上，為了發(fā)現(xiàn)足夠聲壓級和可以接受的非線性之間的折衷方案，輸入電壓應(yīng)該限于如圖2中所示的電壓限制的0.5和1.0倍之間的一個(gè)值。
因?yàn)檫h(yuǎn)端語音信號通常具有很強(qiáng)的低通特征，所以模擬放大器中的飽和主要?dú)w因于低頻信號分量。為了防止這個(gè)飽和，在數(shù)字域中需要導(dǎo)致可聽見的非線性失真的很重的削波。然而，揚(yáng)聲器不能再現(xiàn)這些低頻分量。所以更好的是在數(shù)字削波之前，通過應(yīng)用數(shù)字高通濾波器來除去這些低頻分量。其頻率響應(yīng)優(yōu)選地被選擇為對應(yīng)于揚(yáng)聲器的頻率響應(yīng)。
因?yàn)槟M高通濾波器的截止頻率通常較低，所以數(shù)字高通濾波器產(chǎn)生一個(gè)模擬HP濾波器的截止頻率周圍的頻率分量的減少。這使得Gibb現(xiàn)象減少。
從而，根據(jù)本發(fā)明的雙向聲音再現(xiàn)系統(tǒng)，即電話系統(tǒng)包括一個(gè)預(yù)處理器，預(yù)處理器包括-(選擇性地)一個(gè)高通濾波器，用于衰減揚(yáng)聲器所不能正確地再現(xiàn)的低頻。
-一個(gè)用于把聲頻信號放大到足夠聲壓級的放大器-一個(gè)用于在數(shù)字域中限制聲頻信號的削波器/壓縮器/限幅器，以便移動電話基本上表現(xiàn)得像一個(gè)線性系統(tǒng)，即把輸出O限制在線性范圍內(nèi)。
請注意，在預(yù)處理器和模擬功率放大器之間存在顯著的相似。數(shù)字削波器/壓縮器/限幅器的作用是減少模擬功率放大器中的飽和效應(yīng)。同樣地，數(shù)字高通濾波器也減少模擬高通濾波器的作用。結(jié)果，模擬功率放大器基本上運(yùn)行為一個(gè)線性系統(tǒng)。從而減少了先有技術(shù)的裝置和方法的問題。
本發(fā)明通過向聲回波消除器添加一個(gè)遠(yuǎn)端信號預(yù)處理器而提供了一個(gè)更好的平衡，因此移動電話(從數(shù)-模到模-數(shù)轉(zhuǎn)換器)又是一個(gè)線性系統(tǒng)。如同所解釋地，模擬系統(tǒng)的線性度對于好的和可靠的聲學(xué)回波消除是非常重要的。
圖3說明了一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的揚(yáng)聲器電話系統(tǒng)。揚(yáng)聲器電話系統(tǒng)包括預(yù)處理器30，預(yù)處理器30在這個(gè)例子中包括如下1.高通濾波器31。這是預(yù)處理器的可選和首選部分。
2.增益32，用于把遠(yuǎn)端信號放大到一個(gè)足夠的電平。
3.一個(gè)用于限制遠(yuǎn)端信號的最大振幅的削波器/限幅器/壓縮器33，因此電話系統(tǒng)基本上又是一個(gè)線性系統(tǒng)。
在這個(gè)例子中，元件的順序是1、2、3。然而這并不是一個(gè)限制。這三級的順序可以改變。其它可能的順序是2、1、3
1、3、2高通濾波和削波/限制/壓縮功能的順序不可以改變，因?yàn)樵谙鞑?限制/壓縮功能之后應(yīng)用高通濾波仍然將產(chǎn)生一個(gè)振幅超出要求電平的信號。這些振幅是信號相關(guān)的而且它們因此不可以被修正。
所示的可仿效電話系統(tǒng)在AEC內(nèi)包括一個(gè)處理器13。這在這個(gè)例子中被示出，因?yàn)槊鞔_地論及了，盡管本發(fā)明提供了線性化系統(tǒng)的可能性，然而不排除采取一些后處理。
一個(gè)測量信號中的非線性度的方法如下。噪聲信號通過揚(yáng)聲器以最高電平被播放，并且一個(gè)漫長而緩慢適應(yīng)的自適應(yīng)濾波器也在運(yùn)行以消除回波。在會聚之后，剩余回波的電平是信號非線性度的量度，并且這個(gè)級別通常關(guān)于回波級被給出。如果殘留回波是低于回波30dB，則非線性度被說成是在-30dB。
在本發(fā)明的概念內(nèi)，模擬系統(tǒng)中的非線性度通常至少是-20dB(關(guān)于線性信號)，但是優(yōu)選地在-30/-35dB。不需要把非線性度降低到-40dB以下，因?yàn)樵谠撉闆r下，近端場所中的噪音是對聲回波消除器的最大干擾。
圖4示出了預(yù)處理器的作用。曲線41示出了沒有預(yù)處理器的回波消除，曲線42示出了有預(yù)處理器的回波消除，平均起來獲得了大約額外的5-6dB的額外回波消除，這無疑是一個(gè)音響效應(yīng)。
就預(yù)處理器的元件被涉及而言，以下內(nèi)容被論及·高通濾波器31高通濾波器的選擇取決于揚(yáng)聲器和遠(yuǎn)端信號。在與移動裝置的免提通信中，信號是包括相當(dāng)多低頻分量的語音，很小的揚(yáng)聲器意味著它不能再現(xiàn)低頻。它們的尺寸確定了截止頻率在100和1000Hz之間，優(yōu)選地在300和1000Hz之間，更優(yōu)選地在300和500Hz之間。高通濾波器屬于優(yōu)選的設(shè)計(jì)，其使系統(tǒng)模擬部分能夠足夠得線性。高通濾波器的選擇還優(yōu)選地取決于揚(yáng)聲器放大器中模擬高通濾波器的存在和截止頻率。如果存在這樣的模擬高通濾波器，則數(shù)字高通濾波器的截止頻率優(yōu)選地大大超出其模擬對應(yīng)物的截止頻率。
高通濾波器可以用諸如有限脈沖響應(yīng)(FIR)或無限脈沖響應(yīng)濾波器之類的幾種方法來實(shí)施。
·增益32
該增益優(yōu)選地是一個(gè)簡單直接的增益，用于把遠(yuǎn)端信號x放大到一個(gè)足夠的電平。增益函數(shù)是y＝Ax，其中A是放大系數(shù)。這個(gè)函數(shù)優(yōu)選地與削波/限制/壓縮功能結(jié)合在一起。
·削波/限制/壓縮功能塊33削波/限制/壓縮功能塊限制遠(yuǎn)端信號的振幅，因此移動電話又是一個(gè)線性系統(tǒng)。這個(gè)功能可以用不只一個(gè)方法來實(shí)施。一個(gè)普通的削波功能可以在某些實(shí)施例中被使用。乍看起來可能會認(rèn)為在普通的揚(yáng)聲器上播放削波信號聽起來很可怕，這實(shí)際上是真實(shí)的，但是在免提移動裝置上播放削波信號不會比更先進(jìn)的方法聽起來更加可怕，這是因?yàn)槊馓嵋苿友b置的再現(xiàn)質(zhì)量是相當(dāng)差的。此外，聲音級比聲音質(zhì)量更加重要。更先進(jìn)的削波/限制/壓縮功能可以被用于優(yōu)選實(shí)施例，其對于移動再現(xiàn)能力來說是很有用的。該功能塊還可以同時(shí)包括削波器以及限幅器/壓縮器。
請注意，在根據(jù)本發(fā)明的電話系統(tǒng)中，在遠(yuǎn)端信號被發(fā)送給揚(yáng)聲器和濾波器之前在預(yù)處理器30中對其使用削波功能(或削波器)不應(yīng)該與在AEC濾波器的后處理器中使用中心削波器相混淆。后處理器中的這類功能的使用仍然有用，因?yàn)橛捎谑褂昧诉h(yuǎn)端預(yù)處理器30，所以不得不又測量系統(tǒng)線性度以查明它是否足夠線性。高通濾波和削波功能在遠(yuǎn)端信號中引入了嚴(yán)重的(線性和非線性)失真。這看起來是矛盾的，一方面系統(tǒng)更加線性，而另一方面信號卻較不線性。對此的解釋如下-通過削波到揚(yáng)聲器放大器的信號(即預(yù)處理信號)，到揚(yáng)聲器放大器的信號被保持低于飽和值，并且揚(yáng)聲器放大器總是工作在線性領(lǐng)域中，即它不被驅(qū)進(jìn)飽和。因此放大器線性地工作，并且揚(yáng)聲器產(chǎn)生的信號回波(其是在AEC中并由AEC補(bǔ)償?shù)?不包括或至多包括一個(gè)很小程度的非線性分量，即關(guān)于進(jìn)入揚(yáng)聲器放大器的信號來說的非線性分量。因此，回波消除相對較簡單并且可以使用一個(gè)簡單的AEC。獲得了相當(dāng)大程度的回波減少。然而，和遠(yuǎn)端信號對比，預(yù)處理器的確引入了較重的失真。簡言之，揚(yáng)聲器產(chǎn)生的聲音的質(zhì)量降低了。對于高保真應(yīng)用來說這是不能接受的，但是對于限制了再現(xiàn)的移動裝置來說這并沒有造成很大的差異。與被再現(xiàn)聲音中的其它不足相比較，回波是一個(gè)分外惱人的效應(yīng)。在許多系統(tǒng)、特別是移動電話系統(tǒng)中，對再現(xiàn)質(zhì)量的較小影響小于回波減少的正面效果。
簡言之遠(yuǎn)端預(yù)處理器30引入了(非)線性失真，但是系統(tǒng)從模-數(shù)到模-數(shù)轉(zhuǎn)換器看來是線性的，即已知對于自適應(yīng)濾波器來說是非線性的。因?yàn)檫h(yuǎn)端預(yù)處理器被放在自適應(yīng)濾波器的輸入端前面，所以自適應(yīng)濾波器只須要建模一個(gè)線性回波并且因此它可以實(shí)現(xiàn)很好的回波消除。這個(gè)回波消除的正面效果大于非線性失真的消極效果。
本發(fā)明可以在不同的裝置中使用。本發(fā)明特別地是對于移動電話上的免提聲回波消除器很有用。然而，它也適用于在具有限制電源和/或小揚(yáng)聲器的裝置上運(yùn)行的所有AEC?？赡艿膽?yīng)用列表如下-手持機(jī)(移動電話、DECT等等)；-免提終端-個(gè)人數(shù)字助理；-車載套件-具有音頻調(diào)制或通信的電視機(jī)；計(jì)算機(jī)、膝上計(jì)算機(jī)；-具有音頻調(diào)制或通信的網(wǎng)上終端；-電話答錄機(jī)；本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不受限于上文中特別地示出并描述的內(nèi)容。本發(fā)明是在于每個(gè)新穎的特征要素以及特征要素的每種結(jié)合。權(quán)利要求中的附圖標(biāo)記不限制它們的保護(hù)范圍。動詞″包括″及類似的詞語不排除在權(quán)利要求中那些列出的元件之外還存在別的元件。元件前面使用的冠詞″一個(gè)″不排除多個(gè)這類元件的存在。
本發(fā)明已經(jīng)依據(jù)具體的實(shí)施例被描述，其意在說明本發(fā)明而不是限制本發(fā)明。本發(fā)明可以在硬件、固件或軟件或其結(jié)合中實(shí)施。其它的實(shí)施例在后面的權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
簡而言之，本發(fā)明可以按如下描述諸如移動電話系統(tǒng)之類的雙向聲音再現(xiàn)系統(tǒng)具有用于遠(yuǎn)端輸入信號(W)的輸入端(2)、揚(yáng)聲器(5)、輸入端(2)和揚(yáng)聲器(5)之間的數(shù)-模轉(zhuǎn)換器(3)、麥克風(fēng)(7)、麥克風(fēng)(7)之后的模-數(shù)(8)轉(zhuǎn)換器、回波消除系統(tǒng)(AEC)和用于遠(yuǎn)端輸出信號的輸出端(12)。該系統(tǒng)包括一個(gè)在輸入端(2)和數(shù)-模轉(zhuǎn)換器(3)之間的預(yù)處理器(30)，包括-放大器(32)，用于把信號放大到一個(gè)足夠的聲壓級
-削波器或壓縮器或限幅器(33)，用于把信號限制在數(shù)字域中，以便系統(tǒng)在數(shù)-模轉(zhuǎn)換器(3)和模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(8)之間基本上表現(xiàn)得像一個(gè)線性系統(tǒng)。
在本發(fā)明概念內(nèi)做出許多變化是可能的。例如，本發(fā)明還具體表現(xiàn)為一個(gè)用于雙向聲音再現(xiàn)系統(tǒng)的裝置，其具有用于遠(yuǎn)端輸入信號(W)的輸入端(2)、用于揚(yáng)聲器的輸出端、輸入端(2)和揚(yáng)聲器(5)的輸出端之間的數(shù)-模轉(zhuǎn)換器(3)、用于麥克風(fēng)(7)的輸入端、在麥克風(fēng)(7)的輸入端之后的模-數(shù)(8)轉(zhuǎn)換器、回波消除系統(tǒng)(AEC)和用于遠(yuǎn)端輸出信號的輸出端(12)，其特征在于該裝置包括用于遠(yuǎn)端輸入信號(W)的輸入端(2)、回波消除系統(tǒng)(AEC)、用于遠(yuǎn)端輸出信號的輸出端(12)以及輸入端(2)和數(shù)-模轉(zhuǎn)換器(3)之間的預(yù)處理器(30)，預(yù)處理器(30)包括一個(gè)用于放大遠(yuǎn)端輸入信號的放大器(32)，以及一個(gè)用于限制遠(yuǎn)端信號最大振幅的裝置(33)，其中，限幅信號用作揚(yáng)聲器和回波消除系統(tǒng)的輸入。
例如在一個(gè)移動電話系統(tǒng)中，預(yù)處理器和AEC可以被并入移動電話，而麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器可以被并入移動電話的免提套件臺。這個(gè)可能性在圖3中用示意圖由虛線指出，這些虛線還可以被畫在模-數(shù)和模-數(shù)轉(zhuǎn)換器之前，取決于這些轉(zhuǎn)換器被合并進(jìn)入的項(xiàng)。假如系統(tǒng)包括許多物理斷開和分別出售的物品(例如移動電話的插入卡)，所示例子明確表示當(dāng)比如在移動電話或免提套件中考慮了一個(gè)免提套件-移動電話系統(tǒng)時(shí)，預(yù)處理器和AEC可以在本發(fā)明的寬廣概念內(nèi)被提供在其中其中一個(gè)分離物品中。
盡管本發(fā)明對于大多數(shù)的移動電話系統(tǒng)都有用，然而在本發(fā)明的寬廣概念內(nèi)，系統(tǒng)不被限制于這類系統(tǒng)并且遠(yuǎn)端信號不一定必須是電話信號。
權(quán)利要求
1.一個(gè)雙向聲音再現(xiàn)系統(tǒng)，具有用于遠(yuǎn)端輸入信號(W)的輸入端(2)、揚(yáng)聲器(5)、輸入端(2)和揚(yáng)聲器(5)之間的數(shù)-模轉(zhuǎn)換器(3)、麥克風(fēng)(7)、麥克風(fēng)(7)之后的模-數(shù)(8)轉(zhuǎn)換器、回波消除系統(tǒng)(AEC)和用于遠(yuǎn)端輸出信號的輸出端(12)，其特征在于該系統(tǒng)包括輸入端(2)和數(shù)-模轉(zhuǎn)換器(3)之間的預(yù)處理器(30)，預(yù)處理器(30)包括用于放大遠(yuǎn)端輸入信號的放大器(32)，和一個(gè)限制遠(yuǎn)端信號最大振幅的裝置(33)，其中，限幅信號用作揚(yáng)聲器和回波消除系統(tǒng)的輸入。
2.權(quán)利要求1中要求的雙向聲音再現(xiàn)系統(tǒng)，其特征在于預(yù)處理器還包括一個(gè)用于衰減遠(yuǎn)端信號(W)低頻的高通濾波器(31)。
3.權(quán)利要求3中要求的雙向聲音再現(xiàn)系統(tǒng)，其特征在于高通濾波器(31)的截止頻率在100和1000Hz之間，優(yōu)選地在300和1000Hz之間。
4.權(quán)利要求1中要求的雙向聲音再現(xiàn)系統(tǒng)，其特征在于限制裝置(33)包括對超出一個(gè)信號強(qiáng)度的遠(yuǎn)端信號進(jìn)行削波的削波器。
5.權(quán)利要求1中要求的雙向聲音再現(xiàn)系統(tǒng)，其特征在于限制裝置(33)包括一個(gè)用于限制到揚(yáng)聲器的信號最大振幅的限幅器或壓縮器。
6.權(quán)利要求1中要求的雙向聲音再現(xiàn)系統(tǒng)，其特征在于該雙向聲音再現(xiàn)系統(tǒng)是一個(gè)揚(yáng)聲器電話系統(tǒng)。
7.權(quán)利要求6中要求的雙向聲音再現(xiàn)系統(tǒng)，其特征在于揚(yáng)聲器電話系統(tǒng)是一個(gè)移動電話系統(tǒng)。
8.權(quán)利要求1中要求的雙向聲音再現(xiàn)系統(tǒng)，其特征在于雙向再現(xiàn)系統(tǒng)是下列設(shè)備組中的任意一個(gè)，手持機(jī)(移動電話、DECT等等)、免提終端、個(gè)人數(shù)字助理、車載套件、具有音頻調(diào)制或通信的電視機(jī)、計(jì)算機(jī)、具有音頻調(diào)制或通信的網(wǎng)上終端、電話答錄機(jī)。
9.一個(gè)用于雙向聲音再現(xiàn)系統(tǒng)的裝置，其具有用于遠(yuǎn)端輸入信號(W)的輸入端(2)、用于揚(yáng)聲器的輸出端、輸入端(2)和揚(yáng)聲器(5)的輸出端之間的數(shù)-模轉(zhuǎn)換器(3)、用于麥克風(fēng)(7)的輸入端、在麥克風(fēng)(7)的輸入端之后的模-數(shù)(8)轉(zhuǎn)換器、回波消除系統(tǒng)(AEC)和用于遠(yuǎn)端輸出信號的輸出端(12)，其特征在于該裝置包括用于遠(yuǎn)端輸入信號(W)的輸入端(2)、回波消除系統(tǒng)(AEC)、用于遠(yuǎn)端輸出信號的輸出端(12)以及輸入端(2)和數(shù)-模轉(zhuǎn)換器(3)之間的預(yù)處理器(30)，預(yù)處理器(30)包括一個(gè)用于放大遠(yuǎn)端輸入信號的放大器(32)，以及一個(gè)用于限制遠(yuǎn)端信號最大振幅的裝置(33)，其中，限幅信號用作揚(yáng)聲器和回波消除系統(tǒng)的輸入。
10.一個(gè)用于在雙向聲音再現(xiàn)系統(tǒng)中消除回波的方法，雙向聲音再現(xiàn)系統(tǒng)具有一個(gè)揚(yáng)聲器和一個(gè)麥克風(fēng)，其中該方法包括-從一個(gè)模擬遠(yuǎn)端輸入信號接收或據(jù)此產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字遠(yuǎn)端輸入信號，-該數(shù)字遠(yuǎn)端信號被轉(zhuǎn)換成一個(gè)模擬信號，-被轉(zhuǎn)換的模擬信號經(jīng)由揚(yáng)聲器發(fā)出，-麥克風(fēng)產(chǎn)生一個(gè)模擬麥克風(fēng)信號，-該模擬麥克風(fēng)信號被轉(zhuǎn)換成一個(gè)數(shù)字麥克風(fēng)信號，-通過濾波數(shù)字遠(yuǎn)端信號并從數(shù)字麥克風(fēng)信號減去所得結(jié)果來執(zhí)行一個(gè)回波消除，其特征在于在數(shù)-模轉(zhuǎn)換和回波消除之前，數(shù)字遠(yuǎn)端信號被放大并且被限制在一個(gè)限制值之下。
11.權(quán)利要求10中要求的方法，其特征在于數(shù)字遠(yuǎn)端信號被削波。
12.包括程序代碼裝置的計(jì)算機(jī)程序，當(dāng)所述程序在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)，它用于權(quán)利要求10或11中任何一個(gè)所要求的方法。
13.包括存儲在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上的程序代碼裝置的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，用于執(zhí)行權(quán)利要求10或11中任何一個(gè)所要求的方法。
全文摘要
諸如移動電話系統(tǒng)之類的雙向聲音再現(xiàn)系統(tǒng)具有用于遠(yuǎn)端輸入信號(W)的輸入端(2)、揚(yáng)聲器(5)、輸入端(2)和揚(yáng)聲器(5)之間的數(shù)－模轉(zhuǎn)換器(3)、麥克風(fēng)(7)、麥克風(fēng)(7)之后的模－數(shù)(8)轉(zhuǎn)換器、回波消除系統(tǒng)(AEC)和用于遠(yuǎn)端輸出信號的輸出端(12)。該系統(tǒng)包括一個(gè)在輸入端(2)和數(shù)－模轉(zhuǎn)換器(3)之間的預(yù)處理器(30)，包括用于把信號放大到足夠大聲壓級的放大器(32)，用于限制把信號限制在數(shù)字域中的削波器或壓縮器或限幅器(33)，以便數(shù)－模轉(zhuǎn)換器(3)和模－數(shù)轉(zhuǎn)換器(8)之間的電話系統(tǒng)基本上表現(xiàn)得像一個(gè)線性系統(tǒng)。
文檔編號H04M9/08GK1826797SQ200480014690
公開日2006年8月30日 申請日期2004年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月27日
發(fā)明者I·L·D·M·梅克斯, D·A·C·M·魯維斯, A·斯坦格 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司