專利名稱：嵌入式無線可視門鈴中的回音抵消方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線可視門鈴領域，尤其是一種嵌入式無線可視門鈴中的回音抵消方法。

背景技術：
語音是多媒體通信終端服務中的重要部分。語音傳輸從最初的“傻瓜”電話到后來的數(shù)字電話、無線電話，再到綜合語音、數(shù)據(jù)、視頻的多媒體通信歷經了一個多世紀，一直以來語音傳輸都有一個問題，就是語音回音。語音回音問題一直困擾著用戶，它嚴重影響了語音傳輸業(yè)務的QoS(Quality of Service)。因此回音抵消就成了主要的設計問題之一，也是在語音解決方案的整體設計中相當重要的一部分。語音回音主要包括聲學回音和電學回音，而隨著通信的數(shù)字化以及半導體技術的發(fā)展，電學回音在物理器件上能得到很好的控制，然而聲學回聲仍然嚴重影響語音業(yè)務的QoS。聲學回聲是指揚聲器播出的聲音在被接收方聽到的同時，也通過多種路徑被麥克風拾取到。
近些年來針對語音回音問題，各種回音抵消技術飛速發(fā)展，歸納起來大概有三種一是網絡衰減法，二是語音回音抑制法，三是現(xiàn)代自適應濾波技術。第一種方法是在發(fā)送和接收方向上分別插入一個衰減器，所以，回音的衰減比話音的衰減大2倍。然而，話音衰減隨著傳輸距離的增加而增加，最后可能導致話音電平降到無法聽清楚的地步。第二種方法通過開啟發(fā)送路徑或在發(fā)送路徑上插入較大的衰減來達到控制回音的目的。理想情況下，回音抑制器應在遠端用戶說話時開啟發(fā)送路徑而在遠端用戶接收時關閉發(fā)送路徑，但是這很難做到。第三種方法是估計回音路徑的特征參數(shù)，產生一個模擬的回音路徑，得出模擬回音信號，從接收信號中減去該信號，實現(xiàn)回音抵消。這種技術依靠自適應算法，自適應算法的好壞決定了回音抵消效果的好壞。要保證語音業(yè)務傳送穩(wěn)健性的自適應算法通常有非常復雜的計算度和較長的收斂時間。
在回音抵消器自適應濾波中應用最多的是有限沖擊響應(FIR)濾波器，而對于自適應FIR系統(tǒng)由于簡單且計算代價小，最小均方(LMS)和歸一化最小均方(NLMS)算法應用最多。然而這兩種算法雖然計算代價相對較小，但是其收斂太慢。遞歸最小平方(RLS)算法收斂快，但是其計算代價太大?；匾舻窒鬟€包括雙端通話檢測器，在雙端通話發(fā)生時它能保證通話質量。通常DTD算法有三類基于能量的檢測、基于相關性的檢測和基于回聲路徑的檢測?；谀芰康臋z測算法簡單，復雜度低，但在低信噪比的情況下誤判率高；基于相關性的檢測判斷較為準確，但其計算復雜度太高；基于回聲路徑的檢測復雜度稍低，但其在回聲路徑改變時容易誤判。其中回聲路徑沖激響應方差檢測算法具有較低的計算復雜度，并且通過收斂因子的調節(jié)避免了對于回聲路徑改變時的敏感性。但由于其檢測過程基于濾波器系數(shù)的波動，在自適應濾波器未收斂時，極容易發(fā)生誤判。并且其檢測閾值過小，實際中不易選取?？梢?，實現(xiàn)一種計算代價小同時又保證其收斂性能的回音抵消技術十分必要。


發(fā)明內容
為了克服已有的嵌入式無線可視門鈴的回音抵消DTD算法的計算代價大、收斂性能差的不足，本發(fā)明提供一種計算代價小、能有效改善收斂性能的嵌入式無線可視門鈴中的回音抵消方法。
本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是 一種嵌入式無線可視門鈴中的回音抵消方法，所述回音抵消方法包括以下步驟 1)、初始化濾波器系數(shù)為c(n)，其向量為C(n)，表示為[c(n)c(n-1)c(n-2)...c(n-L+1)]T；向量長度L為濾波器長度，并確定濾波器的迭代次數(shù)M和調整步長因子μ，平滑因子門限α、β，回音路徑失配閾值；2)、獲取n時刻無線可視門鈴的遠端信號為x(n)，其向量為X(n)，表示為[x(n)x(n-1)x(n-2)...x(n-L+1)]T；真實回音路徑為h(n)，其向量為H(n)，表示為[h(n)h(n-1)h(n-2)...h(n-L+1)]T；近端語音信號為z(n)，其向量為Z(n)，表示為[z(n)z(n-1)z(n-2)...z(n-L+1)]T；背景噪聲為w(n)，其向量為W(n)，表示為[w(n)w(n-1)w(n-2)...w(n-L+1)]T；近端麥克風輸入信號為y(n)，其向量為Y(n)，表示為[y(n)y(n-1)y(n-2)...y(n-L+1)]T；誤差信號為e(n)，濾波器輸出為估計出的回聲副本信號s(n)，近端麥克風輸入信號y(n)等于背景噪聲w(n)、近端信號z(n)和回音信號x(n)×h(n)之和； 3)、判斷是否發(fā)生雙端通話，如否，則直接計算誤差信號并輸出，其中 濾波器輸出s(n)＝CT(n)x(n)(1) 回音估計誤差e(n)＝y(tǒng)(n)-s(n) (3) 如是，則更新自適應濾波器系數(shù)，再計算誤差信號，其中 濾波器系數(shù)調整C(n+1)＝C(n)+μe(n)X(n)(2) 在n時刻進行i次迭代運算，i的范圍為
，共迭代M次。經推導得到的FIANLMS公式如公式(4)所示 其中 4)、白化遠端信號，得到xw(n)，白化誤差信號，得到ew(n)；計算白化后的遠端信號和誤差信號的協(xié)方差，并計算回音路徑失配值ΔH(n)，計算公式如下 其中 平滑因子門限α、β在0.9～1之間； 5)、判斷計算得到的ΔH(n)是否超過回音路徑失配閾值？如果超過，則置發(fā)生雙端通話標志，并判斷是否結束處理，如果否，返回到步驟2)，如果是，則結束處理；如果沒有超過，直接判斷是否結束處理，如果否，返回到步驟2)，如果是，則結束處理。
本發(fā)明的技術構思為其自適應濾波器采用一種計算代價小而能改善收斂性能的算法快速迭代調整NLMS(FIANLMS)算法，其雙端通話檢測采用一種回聲路徑失配方差DTD算法，該算法能有效提高檢測性能?；匾舻窒K在整個軟件系統(tǒng)中處于語音壓縮模塊之前、語音解壓縮模塊之后，屏蔽了語音壓縮和解壓縮的影響。該回音抵消模塊在嵌入式無線可視門鈴系統(tǒng)中取得了較好的效果。
本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在節(jié)省計算代價，更容易獲得好的收斂性能且模塊一致性更好。



圖1為回音抵消器結構圖。
圖2為回音抵消器軟件模塊在系統(tǒng)軟件的層次圖。
圖3為回音抵消程序流程圖。

具體實施例方式 下面結合附圖對本發(fā)明作進一步描述。
參照圖1～圖3，一種嵌入式無線可視門鈴中的回音抵消方法，所述回音抵消方法包括以下步驟 1)、初始化濾波器系數(shù)為c(n)，其向量為C(n)，表示為[c(n)c(n-1)c(n-2)...c(n-L+1)]T；向量長度L為濾波器長度，并確定濾波器的迭代次數(shù)M和調整步長因子μ，平滑因子門限α、β，回音路徑失配閾值； 2)、獲取n時刻無線可視門鈴的遠端信號為x(n)，其向量為X(n)，表示為[x(n)x(n-1)x(n-2)...x(n-L+1)]T；真實回音路徑為h(n)，其向量為H(n)，表示為[h(n)h(n-1)h(n-2)...h(n-L+1)]T；近端語音信號為z(n)，其向量為Z(n)，表示為[z(n)z(n-1)z(n-2)...z(n-L+1)]T；背景噪聲為w(n)，其向量為W(n)，表示為[w(n)w(n-1)w(n-2)...w(n-L+1)]T；近端麥克風輸入信號為y(n)，其向量為Y(n)，表示為[y(n)y(n-1)y(n-2)...y(n-L+1)]T；誤差信號為e(n)，濾波器輸出為估計出的回聲副本信號s(n)，近端麥克風輸入信號y(n)等于背景噪聲w(n)、近端信號z(n)和回音信號x(n)×h(n)之和； 3)、判斷是否發(fā)生雙端通話，如否，則直接計算誤差信號并輸出，其中 濾波器輸出s(n)＝CT(n)x(n)(1) 回音估計誤差e(n)＝y(tǒng)(n)-s(n) (3) 如是，則更新自適應濾波器系數(shù)，再計算誤差信號，其中 濾波器系數(shù)調整C(n+1)＝C(n)+μe(n)X(n)(2) 在n時刻進行i次迭代運算，i的范圍為
，共迭代M次。經推導得到的FIANLMS公式如公式(4)所示 其中 4)、白化遠端信號，得到xw(n)，白化誤差信號，得到ew(n)；計算白化后的遠端信號和誤差信號的協(xié)方差，并計算回音路徑失配值ΔH(n)，計算公式如下 其中 平滑因子門限α、β在0.9～1之間； 5)、判斷計算得到的ΔH(n)是否超過回音路徑失配閾值？如果超過，則置發(fā)生雙端通話標志，并判斷是否結束處理，如果否，返回到步驟2)，如果是，則結束處理；如果沒有超過，直接判斷是否結束處理，如果否，返回到步驟2)，如果是，則結束處理。
圖1中n時刻遠端信號為x(n)，其向量為x(n)(可表示為[x(n)x(n-1)x(n-2)...x(n-L+1)]T)；真實回音路徑為h(n)，其向量為H(n)(可表示為[h(n)h(n-1)h(n-2)...h(n-L+1)]T)；近端語音信號為z(n)，其向量為Z(n)(可表示為[z(n)z(n-1)z(n-2)...z(n-L+1)]T)；背景噪聲為w(n)，其向量為W(n)(可表示為[w(n)w(n-1)w(n-2)...w(n-L+1)]T)；近端麥克風輸入信號為y(n)，其向量為Y(n)(可表示為[y(n)y(n-1)y(n-2)...y(n-L+1)]T)。誤差信號為e(n)，自適應濾波器系數(shù)為c(n)，其向量為C(n)(可表示為[c(n)c(n-1)c(n-2)...c(n-L+1)]T)，濾波器輸出為估計出的回聲副本信號s(n)，以上向量長度為L即濾波器長度。
濾波器輸出s(n)＝CT(n)x(n)(1) 濾波器系數(shù)調整C(n+1)＝C(n)+μe(n)X(n)(2) 其中μ稱為調整步長因子，控制自適應濾波器系數(shù)調整的幅度。
回音估計誤差e(n)＝y(tǒng)(n)-s(n) (3) 在n時刻進行i次迭代運算，i的范圍為
，共迭代M次。經推導得到的FIANLMS公式如公式(4)所示。
其中 當只有單端通話時自適應濾波算法能夠保證通話質量，但當雙端同時說話時由于原來已經收斂的e(n)疊加一近端語音信號而變化很大似的濾波器發(fā)散，這樣對回音路徑的估計會產生較大的誤差，因此需要進行雙端通話檢測，這里采用回聲路徑失配方差DTD算法。
回聲路徑失配方差DTD算法在其相關歸一化的基礎上采用平滑估計來近似計算，避免了平方根計算，在每個采樣點減少L次乘法運算，大大降低計算代價。經推導得到的回聲路徑失配方差DTD公式如公式(5)所示。
路徑失配 其中 平滑因子門限α、β在0.9～1之間，xw(n)和ew(n)分別為x(n)和e(n)白化后的信號。
系統(tǒng)語音為雙全工，因此語音部分室內外機基本一致。如圖2所示，語音輸入經過語音采集后，進行回音抵消，再進行語音壓縮，語音收發(fā)控制，語音解壓縮，再進行回音抵消，語音播放?；匾舻窒谡Z音壓縮之前，語音解壓縮之后處理，這樣可以使得整個軟件系統(tǒng)層次更加分明，模塊移植性更好，而且回音抵消可以單獨調試，屏蔽了語音壓縮和解壓縮的影響。
參照圖3，嵌入式無線可視門鈴系統(tǒng)的回音抵消模塊先對參數(shù)、白化濾波器響應及一些語音幀的數(shù)據(jù)結構進行初始化。FIANLMS自適應濾波器中的迭代次數(shù)(M)選定為8，因為每幀語音為1024Bytes，是2Bytes采樣，因此濾波器長度(L)選定為512，步長因子(μ)取0.3；在基于回音路徑失配雙端通話檢測(DTD)算法中的平滑因子門限α＝0.93，β＝0.91，回音路徑失配閾值ΔHTH＝0.25。然后獲取近端語音幀和遠端語音幀，再按照公式(4)進行FIANLMS計算。語音幀buffer取3幀，語音能夠比較流暢，即最大延遲3幀時間，一般1.2～1.8幀就能計算完成，大概70～80ms(16fps)。如判定發(fā)生雙端通話則原自適應濾波器系數(shù)不適用，需更新。然后按照公式(3)計算誤差信號e(n)并輸出。再計算遠端語音x(n)的方差，然后通過白化濾波器白化遠端語音和誤差信號。再按照公式(6)和公式(7)計算白化后的遠端語音和白化后的誤差信號方差，從而按照公式(5)計算回音路徑失配值。如判定回音路徑失配值超過閾值(ΔHTH＝0.25)則置發(fā)生雙端通話標志。當語音通話結束時對初始化獲得的所有資源進行釋放。
權利要求
1.一種嵌入式無線可視門鈴中的回音抵消方法，其特征在于所述回音抵消方法包括以下步驟
1)、初始化濾波器系數(shù)為c(n)，其向量為C(n)，表示為[c(n)c(n-1)c(n-2)...c(n-L+1)]T；向量長度L為濾波器長度，并確定濾波器的迭代次數(shù)M和調整步長因子μ，平滑因子門限α、β，回音路徑失配閾值；
2)、獲取n時刻無線可視門鈴的遠端信號為x(n)，其向量為X(n)，表示為[x(n)x(n-1)x(n-2)...x(n-L+1)]T；真實回音路徑為h(n)，其向量為H(n)，表示為[h(n)h(n-1)h(n-2)...h(n-L+1)]T；近端語音信號為z(n)，其向量為Z(n)，表示為[z(n)z(n-1)z(n-2)...z(n-L+1)]T；背景噪聲為w(n)，其向量為W(n)，表示為[w(n)w(n-1)w(n-2)...w(n-L+1)]T；近端麥克風輸入信號為y(n)，其向量為Y(n)，表示為[y(n)y(n-1)y(n-2)...y(n-L+1)]T；誤差信號為e(n)，濾波器輸出為估計出的回聲副本信號s(n)，近端麥克風輸入信號y(n)等于背景噪聲w(n)、近端信號z(n)和回音信號x(n)×h(n)之和；
3)、判斷是否發(fā)生雙端通話，如否，則直接計算誤差信號并輸出，其中
濾波器輸出 s(n)＝CT(n)x(n)(1)
回音估計誤差 e(n)＝y(tǒng)(n)-s(n)(3)
如是，則更新自適應濾波器系數(shù)，再計算誤差信號，其中
濾波器系數(shù)調整C(n+1)＝C(n)+μe(n)X(n) (2)
在n時刻進行i次迭代運算，i的范圍為
，共迭代M次。經推導得到的FIANLMS公式如公式(4)所示
其中
4)、白化遠端信號，得到xw(n)，白化誤差信號，得到ew(n)；計算白化后的遠端信號和誤差信號的協(xié)方差，并計算回音路徑失配值ΔH(n)，
計算公式如下
其中
平滑因子門限α、β在0.9～1之間；
5)、判斷計算得到的ΔH(n)是否超過回音路徑失配閾值？如果超過，則置發(fā)生雙端通話標志，并判斷是否結束處理，如果否，返回到步驟
2)，如果是，則結束處理；如果沒有超過，直接判斷是否結束處理，如果否，返回到步驟2)，如果是，則結束處理。
全文摘要
一種嵌入式無線可視門鈴中的回音抵消方法，包括以下步驟1)初始化；2)獲取n時刻無線可視門鈴的遠端信號、真實回音路徑、近端語音信號、背景噪聲、近端麥克風輸入信號、誤差信號和濾波器輸出為估計出的回聲副本信號；3)判斷是否發(fā)生雙端通話，如否，則直接計算誤差信號并輸出，如是，則更新自適應濾波器系數(shù)，再計算誤差信號；4)白化遠端信號和誤差信號，計算回音路徑失配值；5)判斷計算得到的ΔH(n)超過回音路徑失配閾值，置發(fā)生雙端通話標志，并判斷是否結束處理，如果否，返回到步驟2)，如果是，則結束處理。本發(fā)明計算代價小、能有效改善收斂性能。
文檔編號H04M9/08GK101826328SQ201010158859
公開日2010年9月8日 申請日期2010年4月29日 優(yōu)先權日2010年4月29日
發(fā)明者孟利民, 徐志江 申請人:浙江工業(yè)大學, 杭州普諾科技有限公司