CN1177455C - 一种控制通信信道中回声消除器的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种控制一个通信信道中的回声消除器的方法，其中首先把来自通信信道的信号形成一个子带，然后使用子带自适应滤波器识别子带内的回声位置，该回声位置用来控制回声消除器；本发明还公开了一种控制回声消除器控制器的装置，其包括一子带形成器、自适应滤波器、检测器和一输出器。一般来说，回声消除器将是一个具有自适应滤波器的全带回声消除器，在该情况下，回声位置被用于控制滤波系数。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，特别是涉及一种通信系统中的定位回声和检测通话重叠(即，双方同时讲话，为了简便，以下称之为‘通话重叠’)的方法。本发明的方法可以用来检测和跟踪一个通信信道中的三个不同回声，并且提供了不需要任何额外计算的通话重叠的自动检测。这些是供回声消除系统使用的重要功能。
背景技术
回声是电话信道中的一个严重问题。当一个人对电话机说话时，话音信号传送到接收机，其中信号的一部分作为回声返回到源发电话机。这可能对通话各方造成显著的干扰，尤其是如果在延时变得明显的情况下。
回声消除已经被广泛地用于电信应用，以重建各种各样的信号，比如话音、数据传递和视频。执行回声消除的算数算法的搜索已经产生了若干种不同的方法，它们分别具有复杂性、成本和性能的不同等级。
传统的回声消除方法是使用长度为L的自适应滤波器，其中L等于恰好扩展到回声持续时间之外所需的抽头数量。例如，参见S.Haykin，Adaptive Filter Theory，Prentice-Hall，Upper SaddleRiver，NJ(1996)。在过去，处理64ms回声的能力已经是标准，尽管现在128ms正在成为更高的标准。在每秒8000样值的传统电话比特速率上，64ms回声拖尾容量需要L＝512，以及128ms需要L＝1024。
创建能够消除成百或者成千的回声信道的超密度回声消除部件的愿望带来了巨大的设计挑战。作为一个实例，使用流行的LMS(最小均方差)算法消除T3线路的672信道中的128ms回声拖尾将需要至少每秒11千兆多重累积(MACs)。从实践和经济方面看，这确实超出了可以在单个芯片上实施的能力。
作为补偿，利用非常低的计算回声定位器辅助LMS滤波器。回声定位器告诉LMS滤波器何时运行以及更新那些抽头。LMS滤波器只需要在信道的回声路径改变时运行。在电话系统中，例如，这通常只是在呼叫开始时发生。在T3实例中，它非常不可能使所有信道将需要同时会聚。因此，不需要672个LMS滤波器。而是，每个信道具有一个低计算回声定位器，这些信道分配一个非常小的LMS滤波器环路以会聚所需的信道。
低计算回声定位器通常利用子带形成(subbanding)。参见，例如由M.Vetterli和J.Kovacevic于1995年在新泽西发表的“Wavelets and subband Coding，Prentice-Hall，Upper SaddleRiver”。子带形成包括使用带通滤波器隔离频率范围。该处理之后进行下采样(减少信号的采样速率)。它能够对已成子带的信号运行LMS，用非常少的计算跟踪回声。
通话重叠是所有回声消除器面临的一个附加问题。当存在从回声消除器的两侧的同时发送时，就出现通话重叠情况。在这种环境下，返回的回声路径信号，SIN(参见图1)包含来自回声源信号的返回回声和通话重叠信号。通话重叠阻止基于LMS的回声消除器会聚在校正回声路径上。它还将造成一个预会聚回声消除器偏离到不可预知的状态。在偏离之后，回声消除器将不再消除回声，并且必须重新会聚到校正方案上。这种特性是非常不可取的，并且应当在实际装置中避免出现。因此需要某些装置来检测通话重叠和避免偏离。
使用全带和子带方法估算单个回声反射的大块延时和跨距的回声定位器已经在题为“快速线路回声消除”的PCT公报WO0105053中披露。该专利申请的目的是在回声跨距检测器之后使用一个大块延时估算器，以便使用工作于“增强模式”的全带自适应滤波器消除回声。使用多个子带滤波器发现回声反射。只有一个回声反射可以被发现和被消除。该专利申请没有提供回声路径中多反射的预防措施，没有给出阻止通话重叠发散的方法。
发明内容
根据本发明的方法具有检测通话重叠和自动跟踪路径变化的能力，该能力是任何强有力的回声消除器的重要特征。
根据本发明，这里提供了一种控制一个通信信道中的一个回声消除器的方法，包括：将来自通信信道的输入信号形成一个子带；使用一个子带自适应滤波器处理已成子带的信号以确定子带内的回声位置；和使用已成子带的信号的回声位置控制回声消除器。
本发明在许多方面不同于现有技术。本发明的目的是向回声消除器提供回声位置、通话重叠和路径变化的信息。其重点不是像已知技术那样消除回声，而是控制这样一种回声消除器。一旦得知回声反射的位置，就可以利用该位置信息修改回声消除的现有方法。与将可能不知道这种信息的方法相比，本发明的上述方法可以更有效地消除回声。此外，这种信息是通过一个子带的分析提供的，以最小化计算并允许最大化的信道密度。
在本发明的一个优选实施例中，输入信号通过子带滤波器并且被下采样。然后对子带信号运行归一化的LMS(NLMS)算法，以消除子带内的回声。然后为跟踪回声使用峰值检测方法分析自适应滤波器抽头。可以识别和跟踪直至三个不同的回声反射。此外，以回声返回损失增加(ERLE)方式计算平均抽头值。平均抽头值用来宣称通话重叠。ERLE估算自适应滤波器正在消除多少回声，该ERLE指示路径变化是否已经发生。然后将该信息从回声定位器传送到(例如)全带回声消除器。
本发明的方法仅分析一个子带，以便最小化计算负载；该方法可以定位和跟踪相同回声路径的多个回声反射。它可以自动的检测通话重叠并且把上述信息报告给外部装置，比如回声消除器。
另一方面，本发明提供了一种控制回声消除器控制器的装置，包括：一个子带形成器，用于将输入信号形成一个子带；一个自适应滤波器，用于处理子带内的信号；一个检测器，用于依据自适应滤波器中的滤波系数确定回声位置；和一个输出器，用于输出代表所述子带内的所述回声位置的信号。
附图简要说明
下面结合附图仅以举例方式详细说明本发明。
图1是使用LMS自适应滤波的一个回声消除电路的方框图；
图2是显示两个混合的回声路径的示意图；
图3是本发明优选实施例的回声定位器块的方框图；
图4是显示一系列已成子带的NLMS滤波器系数曲线的曲线图；和
图5是显示关于LNLM滤波器系数的通话重叠地影响的曲线图。
具体实施方式
定义某些在回声消除技术中共同使用的某些术语对理解本发明将是有帮助的。
自适应滤波器是可以在操作期间调整系数的一个滤波器。自适应滤波器用来估算未知参数，例如，估算一个未知的回声路径。
会聚是当一个LMS滤波器已经精确模仿回声路径并且不再经历明显变化时实现的情况。在会聚时，LMS滤波器消除最大量的回声。
发散是LMS滤波器系数离开实际回声路径进入错误和不可预知解法的处理。在发散期间，消除回声的量变得越来越小。
通话重叠是从回声消除器的两侧同时传送信号时发生的一种情况。
回声路径是把一个回声赋予一个信号的处理的数学描述。
ERL或者回声返回损失是一个信号沿着从ROUT到SIN的回声路径传播时经历的损失。
ERLE或者回声返回损失增强是一个测量回声消除器性能的一般方法。该测量表示从SIN到SOUT已经减少的回声信号的量。
混合是一个在电话电路中共同使用的2至4线复用装置。混合电路中的阻抗失配是回声的一般源。
LMS算法或者最小均方算法是一种普通适应的滤波方法。
NLMS算法或者归一化最小均方算法是标准化LMS的变体，其中抽头加权更新项由输入信号功率的倒数换算。
形成子带是先带通滤波然后下采样一个信号的处理方法。
本发明涉及作为控制回声消除自适应滤波的集成的回声定位、通话重叠和路径变化检测单元的使用。这样一个系统在图1中示出，并且包括自适应滤波器10和回声定位器12。除了回声定位器块之外，图中的那些常见技术将承认标准的回声消除技术。
在一个电话系统中，回声路径通常为零，但是在不同位置具有短回声反射。这些反射通常由2至4线混合电路中的沿信号路径的不同位置出现的阻抗失配造成，一个或两个反射是很普通的，但是在很少的情况下具有三个反射。图2示出了包含来自两个混合的反射的回声路径的一个实例。
回声路径稀少(通常为零，但是具有短暂、隔离的反射)的事实意味着在回声的整个长度运行一个自适应滤波器是非常浪费的。抽头将为零的80％至90％是很普通的，所以这些抽头不需要更新。当抽头应当被更新时，回声定位器12通过控制全带自适应滤波器来减少不必要的计算。定位器12用比全带滤波器更少量的计算来运行。
本发明的优选实施例被显示在图3中。信号RIN和SIN进入回声定位器，并且在抽取器14中进行下采样，然后由子带滤波器16滤波。在优选实施例中，子带滤波器是96个抽头单面FIR滤波器。它们是使用多相DFT方法实现的。参见，例如，由Qu Jin，Zhi-Quan(Tom)Uuo和Max Max Wong于IEEE Trans.Sig.Proc.，Vol.44，pp.1669-1679，July 1996发表的“Optimum Filter Banks for SignalDecomposition and Its Application in Adaptive EchoCancellation”，这里引用这些内容以供参考。这允许在滤波之前进行下采样，并且需要最少的计算。子带滤波器被设计来只通过混叠的近似-25dB的525Hz与725Hz之间的频率。K＝32的下采样率予以使用。
来自RIN的已成子带的信号随后进入子带NLMS滤波器18。为了定位达到128ms延时的回声，全带自适应滤波器应当需要1024个抽头，所以子带自适应滤波器具有32个抽头，因为1024/K＝32。子带形成将回声的有效长度减少到已成子带域中的K因子。回声长度的减少与依据下采样的比特率减少成对，该回声长度的减少提供了一个计算的极大减少。在该实施例中，与可兼容的全带滤波器相比，子带NLMS滤波器使用322＝1024次少量计算。
子带NLMS滤波器18生成一个回声拷贝，然后再从来自SIN的子带信号中减去该拷贝。所得到的误差信号被用来更新NLMS滤波器18中的抽头。
来自NLMS滤波器的32抽头输入峰值检测器20。该检测器分析滤波器系数的绝对值，以确定回声反射被定位的位置。这里存在许多这样的作法，但是该处理的本质是定位滤波包络中的峰值。峰值指向定位反射的回声区。本实施例中的峰值检测单元可以定位和跟踪三个反射，但是可以被修改成发现任何数量的峰值。为了协助处理，计算系数的平均值。低于该值的任何系数被设置为零。这有助于防止抽头噪声和混叠影响峰值检测处理。
图4示出了峰值检测处理。上曲线图显示了来自图2的具有两个混合的回声路径，一个在15ms处，另一个在90ms处。中间曲线图显示了在该回声路径的子带版本上会聚之后的NLMS滤波器系数的绝对值。实线显示了平均抽头值。下曲线图显示了峰值检测的结果。非零系数的两个簇指示使用子带NLMS滤波系数已经成功地定位混合。它们的位置与上曲线图的反射的位置对齐(一致)。
为了检测通话重叠，通话重叠和路径变化检测器22使用了平均滤波系数值。该平均值已经由峰值检测器计算，所以不需要为得到它而进一步计算。由于回声路径稀少，所以平均抽头值接近于零。滤波器抽头中的大值对应于回声，所以通常只有2-3个大系数。剩余的都是小系数。如图5所示，只有回声不出现的时候通话重叠才是可懂的。上曲线图显示了通话重叠期间的NLMS系数，具有如经过它们的线段绘出的平均值。下曲线图显示了通话重叠期间的系数。大多数系数现在是大系数，因此平均抽头值非常高。
在优选实施例中，取最高峰值与平均抽头值之间的比值。比值越小通话重叠就越多。如果比值下降到某一门限值，则调整通话重叠的标志(图3中的DT线段)。在图5中，对于单方通话，最高峰值与平均抽头值之间的比值约为6∶1，对于通话重叠则仅为2∶1。低于3∶1或者4∶1的任何值都是通话重叠的良好指示。
路径变化采用两种方式跟踪。如果反射改变位置，则NLMS系数中的峰值移动。这是一种容易执行的路径变化检验。只要峰值移动位置就调整△路径标志。
更难于处理的情况不是反射改变位置，而是改变类型，例如，电路切换到一个不同的混合电路。峰值不移动，但是ERLE急剧降低。实际上，ERLE在路径改变的任何时候下降。通过计算SIN对SOUT的比值监视ERLE。大RELE意味着良好消除，当ERLE突然下降时，表明路径变化或者通话重叠。如果当ERLE下降时没有调整DT标志，则调整△路径标志。
在本发明的说明中已经给出用于每种情况的优选实施例。但是仍然存在设计变化。
由M.Vetterli和J.Kovacevic于1995年在新泽西发表的“Wavelets and Subband Coding Prentice-Hall，Upper SaddleRiver”；和由G.Strang和T.Nguyen于1996年在Addison Wesley，Cambridge，MA发表的“Wavelets and Filter Banks”；以及由P.P.Vaidyanathan于1993年在新泽西发表的“Multirate Systemsand Filter Banks，Prentice Hall，Upper Saddle River”举例说明了许多不同的子带滤波器设计方案，本发明可以使用其中的任何一种。替代的实施例可以使用IIR滤波器、双面滤波器、级联或多级实施、微波分解、或者许多其他方法之任何一种。
由S.Haykin于1996年在新泽西发表的“Adaptive FilterTheory，Prentice-Hall，Upper Saddle River”公开了几种这里将使用的自适应滤波器算法，除NLMS之外，还存在仿射几何学的投影(Affine Projection)，RLS，和最小平方方法以及它们的派生物。
用来检测回声位置、通话重叠以及路径变化的方法利用了NLMS滤波结果的性质。其他技术当然也是可能的。例如，通过对突破平均数的NLMS抽头计数来检测通话重叠。如图5所示，对单方通话只有6个突破平均数，而在通话重叠期间则有15个超出平均数。
本说明中所包含的方法不是穷举，而只是已经考虑或实验的那些方法。本领域的熟练技术人员将会明白在不背离本发明所定义的本发明精神的条件下还可以使用其他方法。
Claims (25)
1、一种控制通信信道中回声消除器的方法，所述方法包括：
将来自通信信道的输入信号形成一个子带；
使用一个子带自适应滤波器处理已成子带的信号，以确定子带内的回声位置；和
使用已成子带的信号的回声位置控制回声消除器。
2、根据权利要求1所述的方法，其中回声位置是通过分析自适应滤波器的系数来确定。
3、根据权利要求2所述的方法，其中所述自适应滤波器生成一个从输入信号中减去的回声拷贝，以更新自适应滤波器的滤波系数。
4、根据权利要求2所述的方法，其中所述系数的绝对值被分析。
5、根据权利要求4所述的方法，其中依据绝对值的峰值确定回声位置。
6、根据权利要求2至5任一项所述的方法，其中所述自适应滤波器是NMLS滤波器。
7、根据权利要求4所述的方法，其中所述回声位置被传送给具有自适应滤波器的全带回声消除器，并且被用来控制所述全带回声消除器中的自适应滤波器的滤波系数的值。
8、根据权利要求1所述的方法，其中输入信号由单面子带滤波器形成子带。
9、根据权利要求8所述的方法，其中单面子带滤波器是FIR滤波器。
10、根据权利要求1所述的方法，其中所述自适应滤波器的系数被分析，以检测通话重叠。
11、根据权利要求1所述的方法，其中所述系数的平均值被分析，以检测通话重叠。
12、根据权利要求11所述的方法，其中所述通话重叠通过检查最高峰值与平均滤波系数值之间的比值以及确定所述比值何时超过预定门限值予以检测。
13、根据权利要求10所述的方法，还包括通过检测子带内的回声位置的变化来指示路径变化。
14、根据权利要求10所述的方法，还包括通过检测子带内的ERLE的变化来指示路径变化。
15、根据权利要求10至12任一项所述的方法，其中子带内的通话重叠的检测还用来控制回声消除器。
16、根据权利要求13或14所述的方法，其中子带内的路径变化还用来控制回声消除器。
17、一种控制回声消除器控制器的装置，所述装置包括：
一个子带形成器，用于将输入信号形成一个子带；
一个自适应滤波器，用于处理子带内的信号；
一个检测器，用于依据自适应滤波器中的滤波系数确定回声位置；和
一个输出器，用于输出代表所述子带内的所述回声位置的信号。
18、根据权利要求17所述的装置，其中所述自适应滤波器生成一个回声拷贝，并且一个减法器从所述子带中减去所述回声拷贝，以生成一个更新所述自适应滤波器中的滤波系数的信号。
19、根据权利要求17所述的装置，其中所述自适应滤波器是一个NMLS滤波器。
20、根据权利要求17所述的装置，其中所述检测器为峰值检测器，其用于依据所述自适应滤波器的滤波系数中的峰值确定回声的位置。
21、根据权利要求17所述的装置，还包括通话重叠和路径变化检测器，所述检测器用于依据所述自适应滤波器的滤波系数检测通话重叠。
22、根据权利要求21所述的装置，其中所述通话重叠和路径变化检测器通过比较滤波系数的峰值与平均值来检测通话重叠。
23、根据权利要求22所述的装置，其中所述通话重叠和路径变化检测器还检测路径变化。
24、根据权利要求23所述的装置，其中所述通话重叠和路径变化检测器通过检测回声位置来检测路径变化。
25、根据权利要求24所述的装置，其中所述通话重叠和路径变化检测器通过检测ERLE的变化来检测路径变化。
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