專利名稱：用于網(wǎng)絡(luò)回聲消除器的禁止音頻信號檢測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及用于電話系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)回聲消除器，更具體地講，涉及用來決定回聲消除器何時(shí)被禁止的禁止音頻信號探測器。
背景技術(shù)：
回聲是一種在電話系統(tǒng)中當(dāng)話音的一部分信號能量從電話網(wǎng)絡(luò)的模擬元件中的阻抗不匹配處反射時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象。典型的例子是在公用交換電話網(wǎng)絡(luò)(PSTN)用戶接口中的4到2線轉(zhuǎn)換。
每個(gè)現(xiàn)在的陸基電話都是利用二線通訊線與總局連接，該通訊線支持雙向傳輸。但是對于超過約35英里遠(yuǎn)的電話、傳輸?shù)膬蓚€(gè)方向必須在物理上分開的導(dǎo)線上分隔開來，結(jié)果形成回線通訊線。接口二線段與四線段的器件稱之為混合器。一個(gè)典型的長途電話線路能夠被描述為在用戶環(huán)路至本地混合器范圍內(nèi)是二線，到遠(yuǎn)處的混合器的整個(gè)長距離網(wǎng)絡(luò)是四線，然后至遠(yuǎn)端的電話是二線。
雖然混合器的應(yīng)用有利于長距離的話音傳輸，但在此變換器上的阻抗失配可能產(chǎn)生回聲。講者A的話音從電話網(wǎng)絡(luò)中的遠(yuǎn)端的混合器(最接近講者B的混合器)上被反射回來朝向講者A，使得講者A聽到他/她自己聲音的吵鬧的回聲。因此網(wǎng)絡(luò)回聲消除器被用到陸基電話網(wǎng)絡(luò)中以消除由于在混合器的阻抗失配所引起的回聲并且一般與混合器一起被配置在總局里。位于最接近講者A或B的回聲消除器就是這樣用來消除該電話另一端上的混合器所產(chǎn)生的回聲。
但是，通常建議對于使用V-系列調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行高比特速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B接，應(yīng)該關(guān)掉回聲消除器，V-系列調(diào)制解調(diào)器擁有自己的回聲消除器。為了禁止網(wǎng)絡(luò)回聲消除器，在數(shù)據(jù)通訊對話的開始期間，調(diào)制解調(diào)器發(fā)送一個(gè)2100Hz的音頻信號，并且每450毫秒在此音頻信號中插入周期性的相位倒轉(zhuǎn)。如果這樣一種音頻信號被發(fā)送，回聲消除器應(yīng)被禁止，而如果無相位倒轉(zhuǎn)的2100Hz音頻信號被發(fā)送，回聲消除器不應(yīng)被禁止。禁止音頻信號的特性在ITU-T推薦G165中被詳細(xì)說明，若干特性如下。音頻信號檢測器必須檢測頻率范圍為2079-2121Hz且具有范圍為155-205°的周期性相位改變的音頻信號。音頻信號檢測器不應(yīng)檢測頻率范圍為1900-2350Hz以外的音頻信號。此外音頻信號禁止器不要檢測音頻信號中小于110°的相位改變、白噪聲能量應(yīng)不大于這音頻信號的能量以防止被檢測，音頻信號檢測器不應(yīng)檢測低于-35dB的電平的音頻信號。
檢測噪聲中的純正弦波是一個(gè)具有許多已知解的經(jīng)曲的信號處理問題。另一方面關(guān)于帶有周期性相位倒轉(zhuǎn)的正弦波的檢測的已知的文章并不多。此問題的最佳解決方法是增補(bǔ)一個(gè)用于禁止信號的匹配濾濾器。然而這會導(dǎo)致一個(gè)具有不可接受的高度計(jì)算復(fù)雜性的算法和長的處理延遲。
在實(shí)踐中已使用的已知的音頻信號檢測器包括某些形式的工作在輸入信號上的鎖相環(huán)。然后將鎖相環(huán)的輸出與可能時(shí)間移動了的輸入信號相比較。如果無相位倒轉(zhuǎn)出現(xiàn)，鎖相環(huán)的輸出接近輸入信號。如果發(fā)生相位倒轉(zhuǎn)，鎖相環(huán)的輸出將會在由鎖相環(huán)相關(guān)的時(shí)間常數(shù)所決定的時(shí)間內(nèi)偏離輸入信號。這個(gè)差別于是被用來檢測相位倒轉(zhuǎn)。與此解決方法相聯(lián)系的一個(gè)問題是相位倒轉(zhuǎn)的檢測是基于包括帶外噪聲信號的信號上被完成的，這降低了正確檢測的概率。如果在方案中引入帶通濾波器，則除了去掉帶外噪聲外，它還會去掉相位倒轉(zhuǎn)的尖銳性并且鎖相環(huán)將會可能跟蹤光滑了的相位改變。這會導(dǎo)致輸入和輸出信號之間的差別減小并因此損害其探測。
所以，需要一種音頻信號檢測器的技術(shù)，它能克服上面所列舉的現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。
發(fā)明概要本發(fā)明的目的是提供一個(gè)音頻信號禁止器，其中通過使用一個(gè)具有同相和90°相移通道的正向饋送接收機(jī)裝置去代替鎖相環(huán)和相位倒轉(zhuǎn)檢測來克服所列舉的現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，決定何時(shí)應(yīng)該禁止電話系統(tǒng)中的回聲消除器的方法和裝置被揭示。首先從輸入信號測定第一個(gè)功率估算值。而且，輸入信號被分為同相和90°相移分量。然后同相和90°相移分量被二次采樣并被用來決定第二個(gè)功率估算值。比較第一和第二功率估算值以確定是否出現(xiàn)預(yù)定的音頻信號。當(dāng)預(yù)定的音頻信號被檢測到時(shí)，本發(fā)明利用同相和正交分量來確定在預(yù)定的音頻信號中是否出現(xiàn)相位倒轉(zhuǎn)。當(dāng)檢測到相位倒轉(zhuǎn)時(shí)，回聲消除器被禁止。
附圖的簡要說明對一個(gè)本專業(yè)的普通技術(shù)人員而言，不難從下面結(jié)合附圖所寫的說明中明白本發(fā)明的種種特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，在這些附圖中

圖1表示一個(gè)按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的音頻信號出現(xiàn)檢測器；圖2表示該音頻信號出現(xiàn)檢測器的頻率鑒別；圖3表示一個(gè)按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的相位倒轉(zhuǎn)探測器；圖4表示按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的音頻信號檢測器的結(jié)構(gòu)的方塊圖；圖5表示描述按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的音頻信號檢測器的工作的流程圖；圖6表示低通濾波器的幅度特性；以及圖7(a)-(d)表示帶有相位改變的輸入信號。
詳細(xì)說明。
與現(xiàn)有技術(shù)不同，本發(fā)明不使用鎖相環(huán)來探測相位倒轉(zhuǎn)，而是用一個(gè)帶有同相和正交相位通道的正向饋送接收機(jī)裝置來檢測音頻信號。相同的低通濾波過的和二次采樣的同相的和正交的分量于是被用來計(jì)算所接收的音頻信號的相位估計(jì)值。
音頻信號探測器能夠被分成三個(gè)主要部分用于檢測音頻信號是否出現(xiàn)的部分；用于檢測無聲的第二部分；和用于檢測相位倒轉(zhuǎn)的第三部分。檢測音頻信號的部分圖示在圖1中。探測器10檢測特殊的音頻信號而對包含在2100Hz上功率的話音信號不反應(yīng)。輸入信號S通過兩條路徑被發(fā)送。第一條路徑經(jīng)受在計(jì)算器12中的寬帶功率計(jì)算和低通濾波，結(jié)果產(chǎn)生寬帶功率Ps，而第二條路徑經(jīng)受在計(jì)算器14中的窄帶功率計(jì)算和低通濾波結(jié)果為窄帶功率Pt。窄帶功率Pt在比較器16中與寬帶功率Ps作比較。當(dāng)確定Pt＞Ps時(shí)，2100Hz的音頻信號被認(rèn)為是出現(xiàn)。
如果輸入信號是掃頻的純音頻信號，則Pt和Ps的電平將隨頻率如圖2所示那樣變化。探測器的帶寬是由窄帶濾波器和兩條路徑的相對增益來決定的。如果信號電平被增大，在圖2中的Pt和Ps曲線二者都將向上移動，但是探測器的帶寬將保持不變。對于低的電平，Ps值在對應(yīng)于Pt=-33dBmO的閾值上飽和。
如果信號包含音頻信號+噪聲，則窄帶Pt曲線將只受輕微的影響而Ps曲線將會明顯地向上移動。在一定的噪聲電平上，檢測器將停止檢測音頻信號。這個(gè)效應(yīng)將防止由那樣一些可能包含了2100Hz，但也包含了其它頻率的有效功率的話音和數(shù)據(jù)信號所引起的偽探測。
對于靜音探測器，寬帶功率Ps被用來探測固定帶中的能量。但寬帶功率下降到低于閾值，例如-34dBmO時(shí)，音頻信號探測器被斷路。
相位倒轉(zhuǎn)探測器的工作表示在圖3中，由于輸入信號頻率可能偏離2100Hz的正常頻率，相角將隨時(shí)間線性地變化。為了容易地得到所探測的信號，使用了相角的二次微商，有如下面將要進(jìn)一步說明的那樣。輸入信號用2100Hz參考信號，被正交解調(diào)，以產(chǎn)生輸入信號的正弦和余弦分量并且在相角計(jì)算器18中計(jì)算其相角。
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的音頻信號檢測器被圖示于圖4中并且現(xiàn)在將要參考圖5說明該音頻信號檢測器的工作。輸入信號在其進(jìn)入探測器時(shí)被分成幾個(gè)分支。在一個(gè)分支中，輸入信號被加到功率估量計(jì)22中，該估量計(jì)計(jì)算輸入信號的功率估算值，使用如下遞歸公式Ps(n+1)=(1-α)Ps(n)+αs2(n+1)式中0＜α＜1在探測器20的主要部分中，輸入信號分別地由乘法器24,30與一個(gè)正弦波sin(2π2100t)和余弦波con(27π2100t)相乘，由乘法器24和30輸出的乘積然后在低通濾波器26和32中被低通濾波。最后，低通濾波過的信號在二次采樣器28-34中以m的倍率被二次采樣。為了得到一個(gè)計(jì)算上有效的算法，同相的和正交的分量的二次采樣被引入。M的合適的值為16，但是另一些值滿足在低通濾波后Nyquist采樣定理并因此也是可能的。
通過對四十八個(gè)相繼的采樣求和，能夠容易地完成低通濾波。這樣的濾波器的脈沖響應(yīng)由下式給出
此濾波器的頻率響應(yīng)能夠通過計(jì)算其脈沖響應(yīng)的付氏變換來求出。H(ejω)=Σ∫=-∞∞h(t)e-jωt=sin24ωsinω/2e-(j47ω)/2]]>因此，此濾波器具有線性的相位特性曲線和低通的輻度特性曲線，這些特性曲線畫在圖6中。正如在圖6中所表示的，幅度特性曲線的零值位于fs/48Hz的倍數(shù)上。此處fs為采樣頻率。這相當(dāng)于矩形窗口的FIR濾波器設(shè)計(jì)，它給出一個(gè)窄的帶有相對高的邊波瓣電平的立波瓣。但是注意在本發(fā)明中邊波瓣電平不是主要關(guān)心的事情。由于正好低通濾波過的輸出信號的每個(gè)第十六次采樣是所需要的，利用三個(gè)子求和每個(gè)復(fù)蓋16個(gè)相繼的采樣，就能夠自然地完成求和。參考音頻信號能夠容易地產(chǎn)生，所用的是cosf(n+1)=cosfncosf-sinfnsinfsinf(n+1)=sinfncosf+cosfnsinf于是，利用下式，探測器估算2100Hz附近一個(gè)小的頻帶內(nèi)的功率Pt(n+1)=(1-β)Pt(n)+βsq2(n+1)+si2(n+1))式中Si和Sq分別是二次采樣的同相的和正交的分量，且0＞β＞1。所估算的音頻信號功率Pt必須與所估算的輸入信號功率Ps相比較，以決定音頻信號是否出現(xiàn)。如果在一個(gè)預(yù)定的時(shí)間周期例如260ms內(nèi)下面的兩個(gè)條件同時(shí)被滿足，2100Hz的音頻信號被決定是存在1)音頻信號功率Pt大于-33dBmO；并且2)Pt＞0.5Ps，第一個(gè)條件是用來確定音頻信號是否有足夠高，按照ITU-TG165的指標(biāo)是有意義的功率。第二個(gè)條件進(jìn)行確認(rèn)，與作為純的音頻信號被探測的總的信號功率相比較、音頻信號有足夠大的功率。
如果音頻信號的出現(xiàn)被確定，此時(shí)探測器必須確定是否也有180°的相位倒轉(zhuǎn)發(fā)生。為此目的，探測器計(jì)算現(xiàn)行采樣信號的相角。在一個(gè)定點(diǎn)執(zhí)行程序中，利用由下式給出的Pade近似，能夠容易地計(jì)算反正切atanx=x1+0.28x2,-1<x<1]]>結(jié)果，相角由下式求得atanab=abb2+0.28a2,|a|<|b|]]>atanab=π2ab0.28b2,|a|>|b|]]>式中a和b分別是當(dāng)前的正交的和同相的分量。由上式得到的結(jié)果能夠進(jìn)一步根據(jù)a和b的符號通過加或減180°移入-180°,180°區(qū)間內(nèi)。
對于一個(gè)純粹的音頻信號，相位估計(jì)值是時(shí)間的線性函數(shù)，由下式給出φ(t)=2π(θ-2100)t式中θ是輸入音頻信號的頻率。如果相位倒轉(zhuǎn)出現(xiàn)，相位估計(jì)值包含不連續(xù)性，此不連續(xù)性能夠通過微分相位估計(jì)值并與一個(gè)閾值相比較被探測到。此不連續(xù)性以導(dǎo)數(shù)中的一個(gè)脈沖的形式出現(xiàn)，但是，相位的一階導(dǎo)數(shù)包含一個(gè)未知的常數(shù)分量2π(θ-2100)，其應(yīng)該被考慮進(jìn)閾值中。在二階和更高階的導(dǎo)數(shù)中這個(gè)分量不出現(xiàn)，因此二階導(dǎo)數(shù)為了檢測的目的而被選擇但并不限于此。當(dāng)相位倒轉(zhuǎn)發(fā)生時(shí)二階導(dǎo)數(shù)包含兩個(gè)相鄰的具有相反極性的脈沖，否則它接近為0。如果人們用相應(yīng)的差分來近似求導(dǎo)數(shù)，脈沖的高直接與出現(xiàn)的相位改變相關(guān)聯(lián)。二階差分能夠被計(jì)算為d(t)=φ(t)-2φ(t-τ)+φ(t-2τ)式中τ差分標(biāo)符的整數(shù)基數(shù)值。
為了檢測相位倒轉(zhuǎn)，探測器因此計(jì)算相位的二階差分并且將結(jié)果轉(zhuǎn)換到(-180,180)度區(qū)間內(nèi)并且將結(jié)果的絕對值與閾值在比較器46中進(jìn)行比較。在一個(gè)實(shí)施例中，閾值被設(shè)為132.5°，也即110到155°的平均值。如果輸出有兩個(gè)相鄰的峰，在時(shí)間上被差分算符的基數(shù)值分開，則可確定相位倒轉(zhuǎn)發(fā)生。
如果音頻信號的相位改變180度，就像圖7(a)-(b)中所示那樣，一次差分，φ(t)-φ(t-τ)，包括由音頻信號的頻率所決定的常數(shù)以及高度為180度的峰。第二次差分由兩個(gè)180度的峰組成。常數(shù)分量被去掉。然后二階差分與閾值作比較。為了簡化此比較，二階導(dǎo)數(shù)首先被轉(zhuǎn)換進(jìn)入反函數(shù)的主值的區(qū)間，也就是如果需要通過加減360度進(jìn)入(-180,180)度。進(jìn)一步的簡化是通過對二階導(dǎo)數(shù)取絕對值來達(dá)到。所以，只有一個(gè)正閾值被需要。但是，注意這正好是執(zhí)行程序的一個(gè)簡化。如果二階導(dǎo)數(shù)在二個(gè)分開為τ的時(shí)刻上超過閾值，則判定相位倒轉(zhuǎn)發(fā)生。
低通濾波以這樣一種方式影響信號，即在解調(diào)器輸出中的相位躍變在幾個(gè)相繼采樣范圍上被平滑，甚至在二次采樣信號中也一樣。為了降低這種伸展的負(fù)效應(yīng)，二階差必須以一個(gè)足夠大的基數(shù)τ被比較。按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，等于八個(gè)采樣的基值能夠被采用。
本專業(yè)的普通技術(shù)人員將會意識到，本發(fā)明能夠在其它不偏離它的精神和主要特點(diǎn)的具體形式下被實(shí)施?，F(xiàn)在所揭示的實(shí)施例因此在各個(gè)方面被考慮為說明性的而不是限制性的。本發(fā)明的范圍是由附加的權(quán)利要求而不是由前面的說明來指明的，并且所有來自等價(jià)的方法范圍內(nèi)的改變因此被意味著包含在其中。
權(quán)利要求
1．用于控制電話系統(tǒng)中回聲消除器的音頻信號檢測器，包括測定輸入信號的第一功率估算值的裝置；將所說的輸入信號分成同相的和90°相移的分量的裝置；二次采樣所說的同相的和90°相移的分量的裝置；利用所說的二次采樣的同相的和90°相移的分量測定第二個(gè)功率估算值的裝置；比較所說的第一功率估算值和第二功率估算值以確定預(yù)定的音頻信號是否出現(xiàn)的裝置；利用所說的同相的和90°相移的分量檢測所說的預(yù)定的音頻信號中的相位倒轉(zhuǎn)的裝置。
2．按照權(quán)利要求1的音頻信號檢測器，其中大約155至205度的相位倒置在大約420至480ms的時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生在禁止的音頻信號中。
3．按照權(quán)利要求1的音頻信號檢測器，其中所說的預(yù)定的音頻信號大約為2100Hz。
4．按照權(quán)利要求1的音頻信號檢測器，其中所說的預(yù)定的音頻信號在2079至2121Hz的范圍內(nèi)。
5．按照權(quán)利要求1的音頻信號檢測器，其中所說的用來探測相位倒轉(zhuǎn)的裝置包括確定所說的相位估算值的高階導(dǎo)數(shù)的裝置；轉(zhuǎn)換所說的導(dǎo)數(shù)為-180,180度之間的區(qū)間的第一值的裝置；將所說的第一值的絕對值與閾值進(jìn)行比較以確定相位倒轉(zhuǎn)的出現(xiàn)的裝置。
6．按照權(quán)利要求5的音頻信號檢測器，其中所說的高階導(dǎo)數(shù)是二階導(dǎo)數(shù)。
7．按照權(quán)利要求5的音頻信號檢測器，其中所說的閾值是132.5度。
8．探測電話系統(tǒng)的回聲消除器中的禁止音頻信號的方法，包括的步驟有測定輸入信號的第一個(gè)功率估算值；將所說的輸入信號分成同相的和正交的分量；二次采樣所說的同相的和正交的分量；利用所說的二次采樣的同相的和正交的分量測定第二個(gè)功率估算值；比較所說的第一和第二功率估算值以確定預(yù)定的音頻信號是否出現(xiàn)；利用所說的同相的和正交的分量探測所說的預(yù)定的音頻信號中的相位倒轉(zhuǎn)。
9．按照權(quán)利要求8的方法，其中大約155至205度的相位倒置在大約420至480ms的時(shí)間內(nèi)發(fā)生在禁止音頻信號中。
10．按照權(quán)利要求8的方法，其中所說的預(yù)定的音頻信號近似為2100Hz。
11．按照權(quán)利要求8的方法，其中所說的預(yù)定的音頻信號在2079至2121Hz的范圍內(nèi)。
12．按照權(quán)利要求8的方法，其中所說的探測相位倒轉(zhuǎn)的步驟包括的步驟有確定所說的相位估算值的高階導(dǎo)數(shù)；轉(zhuǎn)換所說的導(dǎo)數(shù)值為-180至180度區(qū)間內(nèi)的第一值；將所說的第一值的絕對值與閾值進(jìn)行比較以確定相位倒轉(zhuǎn)的存在。
13．按照權(quán)利要求12的方法，其中所說的高階導(dǎo)數(shù)是二階導(dǎo)數(shù)。
14．按照權(quán)利要求12的方法，其中所說的閾值是132.5度。
全文摘要
用于決定在電話系統(tǒng)中的回聲消除器應(yīng)該在何時(shí)被禁止的方法和裝置被揭示。首先從輸入信號測定第一個(gè)功率估測值。另外輸入信號被分為同相的和90°相移的分量、然后同相的和90°相移的分量被二次采樣并被用來測定第二個(gè)功率估測值。第一和第二功率估測值被比較以確定預(yù)定的音頻信號是否出現(xiàn)。當(dāng)預(yù)定的音頻信號被檢測到時(shí),本發(fā)明通過利用同相的和90°相移的分量來決定在預(yù)定的音頻信號中是否出現(xiàn)相位倒轉(zhuǎn)。當(dāng)相位倒轉(zhuǎn)被探測到時(shí),回聲消除器被禁止。
文檔編號H04Q1/444GK1214818SQ9719328
公開日1999年4月21日 申請日期1997年1月28日 優(yōu)先權(quán)日1996年1月31日
發(fā)明者T·特魯姆普 申請人:艾利森電話股份有限公司