专利名称：回声消除器的自适应步长及其实现方法
技术领域：
本发明涉及回声消除器，尤其是涉及其中的自适应步长。
双向免提通信装置诸如双向无线电装置，通常被称为免提电话的免提式电话机，电话会议装置以及车载蜂窝电话，其操作要求管理由耦合到话筒的声频扬声器所发出的各种信号。这种装置用于具有通信通道的系统中，所述通信通道诸如电缆，绞合线，光纤或用于通过空气传输的信号的频带宽度等等，这些通道将本地装置，或“近端”装置连接到远程装置或“远端”装置。通过该装置的话筒探测到的由装置的扬声器输出的信号通常称为回声，在通信链路一端发生的回声对于另一端的用户来说一般是干扰。在严重的情况下，回声可以导致被称为“嗥鸣”的现象，这种现象对于通信链路两端的用户都不愉快。
已经研制出回声消除器来消除回声信号。回声消除器采用一个滤波器来估计通信装置中的回声信号。回声消除器从话筒输出的信号中减去回声估计值，以产生回声抑制信号。
尽管回声消除器在某些环境中工作得很好，但是在免提车载环境中回声信号的有效消除尤其提出了挑战。最小均方(LMS)误差极小化递归滤波器经常用于回声控制。尽管这些滤波器非常稳定，但非线性系统效应以及算法的局限性及算术的精度限制了装有这种滤波器的回声消除器的有效性。因而采用后处理级用于抑制残余回声。后处理可以包括利用一个可变的增益控制器或滤波器，或者其他已知的后处理技术来衰减输出信号。
遗憾的是，后处理可以导致有影响的降质及所需要传输信号的衰减，所述的降质及衰减在两端用户同时说话(通话重叠状态)时出现。例如，后处理衰减可以导致被消除的回声以半双工特征进行通话，以至于一次只有一个用户可以说话。此外，后处理一般会引入可感觉到的背景噪声的改变或衰减，这些背景噪声在诸如车内的噪声环境中出现。当该噪声变量与语音活动在远端接收的信号中相关时，对远端用户是不能接受的。
已经研制出各种方法来改进回声消除器的性能。这些方法包括存储回声消除器的初始抽头值。存储这种初始抽头值在初始化时可以加速回声消除器的操作。然而，如果当前的初始状态明显地不同于以前的初始状态，从以前状态的开始将不会有益。
另一种改进回声消除器操作的已知方法是采用自适应步长，以便反馈给自适应滤波器的错误信号增益随着错误信号的振幅而变化。如果错误信号很大，步长也将很大。如果错误信号很小，步长也将很小。尽管工作在这种方式的回声消除器通过更快地调整来提供改进的性能，但是回声消除器的调整在不具备只有回声消除器的环境才有的初始状态时仍然必须发生。
因此，需要一种根据回声消除器的环境来提供更加快速收敛的改进的回声消除器。
图1为说明包括回声消除器的通信装置的方框图形式的示意图；图2为说明回声消除器的方框图形式的示意图；图3为说明回声消除器操作的流程图。
在回声消除器中，用于消除回声信号的自适应滤波器抽头位置的步长根据环境的概况被分别地选择。一个训练信号在训练间隔或周期期间注入回声消除器及回声路径。自适应滤波器在注入训练信号期间得出回声路径的概况。如上所述产生的系数的各自步长作为产生的回声概况的函数。因而产生的各个抽头的步长是这些系数的函数，以便期望具有大的振幅的抽头位置将具有允许快速调整的大的步长，而期望具有小的系数的抽头位置将具有允许精确调整的小的步长。
图1示出了通信装置100。通信装置100可以是双向无线电装置，通常被称为免提电话的免提式电话机，电话会议装置，手提式无线电话，卫星电话，车载蜂窝电话，或类似的装置。
该通信装置包括一个扬声器102及一个话筒104。扬声器102连接到装置100的接收路径，该接收路径包括一个连接到转换开关108的数模(D/A)转换器106。转换开关108可选择地将D/A转换器连接到接收来自噪声源112的信号或收发信机114的接收机(未示出)。收发信机114将经过天线116从远程通信装置接收的信号作为输出传送到扬声器102。噪声源112产生数字化的训练信号，并且例如可以产生随机信号，白噪声或者任何其他合适的训练信号。
话筒104连接到通信装置100的传输路径。通信装置100传输路径包括模数(A/D)转换器120，它输出代表来自话筒104的模拟信号的数字化信号。从A/D转换器120输出的信号在减法器126中与回声消除器125的自适应滤波器124的输出组合。减法器从A/D转换器120的输出中减去自适应滤波器124的回声估计值输出，以在减法器的输出中产生基本上无噪声的信号。
减法器连接到由控制器128控制的转换开关126。除了当噪声源发生器112在训练模式期间连接到D/A转换器106，控制器128始终将减法器的输出连接到收发信机。这使得将被训练的自适应滤波器不会向收发信机114输入噪声，该收发信机与远端或远程用户通信。
控制器128也被连接以接收来自自适应滤波器124的系数，并且向增益控制装置130提供增益控制信号。增益控制装置130分别调节回声消除器的每个抽头或系数的调整步长，如下文所述。
训练可以在安装装置100时由用户启动手动转换开关140(图2)，或者在周期性的基础上自动地启动。预见到如果在车载安装中用户移动了话筒104和/或扬声器102的位置，用户可以通过启动转换开关140来启动训练。另一种方法是，如果免提部件是在手提电话中，每当在车辆中电话被挂起时，用户可以初始化该装置，或者转换开关140可以仅在电话被安装在永久位置上的第一次时被启动。另一种方法时，控制器128可以自动地进入训练模式，例如以周期性为基础。
参照图2，在训练模式期间，转换开关108连接到噪声信号发生器112，噪声信号发生器产生用来训练回声消除器的信号，诸如上述的白噪声。第二转换开关126打开。用于更新自适应滤波器的各个系数的标准最小均方(LMS)算法在方程式1中给出，其中hn[k]代表在抽样时间n时自适应滤波器的第k个抽头位置的系数(在移位寄存器132的输出中，h[1]用于第一个抽头位置，h[2]用于第二个抽头位置，h[M]用于第M个抽头位置，其中自适应滤波器具有M个抽头)，固定参数α是步长常数(比1小的多)，Xn是接收的信号，e是从减法器126输出的错误信号，c是一个值远小于|Xn|的期望值的常数hn[k]＝hn-1[k]+(α/(‖xn‖+c))enxn-k(1)在训练模式期间，相同的预设步长α用于所有的系数。
在回声消除模式中，转换开关108连接到收发信机114的接收机，转换开关126连接到收发信机114的发射机，以接收其输出信号。在回声成形(profiling)系统中，如训练模式中所确定的，步长常数α[k]是抽头位置的函数，并且示于下面的方程中hn[k]＝hn-1[k]+(αk[k]/(‖xn‖+c))enxn-k(2)特定抽头位置的步长被选择作为靠近在训练期间产生的抽头位置的系数值的函数。因而，第n个抽头的步长将从一组系数中得到，这些系数集中在训练间隔末端的第n个抽头附近。通过利用在训练模式期间得到的这些系数，靠近大的系数的抽头将具有大的步长，不靠近大的系数的抽头将具有小的步长。利用从回声消除器所使用的环境中得到的信息，可以增加回声消除器的效率，并且改进回声估计值的精度。
如上简述，对于自适应滤波器的每个抽头，步长α[k]可以利用下述方法独立地产生。首先，在训练周期期间注入训练信号，如图3的框302所示。一个标准的最小均方(LMS)算法在训练周期期间用于滤波器124中，在训练周期中滤波器124的系数h[n]利用单个共用步长α来调整，如框304所示。调整将会继续，直到回声残余信号降到低于预定的门限电平，如步骤306所示。另一种方法是，这种调整可以为诸如所期望的训练周期的预定时间周期而发生。在训练周期末端的系数h[n]的值被输入到控制器128。这些系数如步骤308所示被存储，并且存储的脉冲响应估计值被称为h’[n]。
脉冲响应h’[n]用于产生回声概况矢量，如步骤310所示。尽管抽头位置的各个步长可以根据许多估计技术来设置，但是优先地利用这些系数的和来产生这些步长，并且最好是从邻近系数的和中产生。通过利用邻近系数的和，步长根据平均电平而不是单个步长而产生。
产生回声消除器的抽头位置的各个步长的一个尤其有利的方法在下文中描述。首先从邻近的系数中产生一个和，其中α[k]为
因而为了计算系数步长，自适应滤波器末端的系数值被给定为零值，而自适应滤波器里面的系数具有存储在训练结论中的值。接着每个求和被除以最大求和maxα‘(k)，结果是α[k]＝(2α‘[k])/(max(α‘(k)). (4)通过由最大求和除该求和的值，步长被定标为最大值为2，以提供稳定性。
在回声消除模式中，有限脉冲响应(FIR)滤波器124的系数h1至hn利用在训练期间产生的各个系数来调整，因而与来自训练模式的概况信息相关。在这种方式中，回声消除系数的调整利用只有回声消除器所位于的环境独有的信息来加速。在成形期间用大的值产生一个求和值的系数范围中的系数将产生一个成比例的大的步长。用成比例的小的值产生一个求和值的系数范围中的系数将具有一个成比例的小的步长。
因而在训练模式期间回声消除器124的声学环境的回声成形用于在增益控制装置130中以每个抽头每个抽头逐个进行为基础初始化步长。这个系统工作在两个模式，即训练模式及消除模式。训练模式在诸如车辆或房间的环境中安装装置100期间，或者当用户启动转换开关时仅花费几秒钟。消除模式用于除这种简短训练模式期间之外的期间。
一个免提电话可以包括话筒，扬声器以及回声消除器。回声消除器衰减由扬声器输出并且由话筒探测到的信号的回声。它包括具有各自步长的多个自适应系数，每个步长是在训练期间产生的回声消除器相关系数值的函数。免提电话最好可以包括至少一个转换开关，用于启动回声消除器的训练以产生代表免提电话所工作的环境的相关系数。
因而可以看出在这里公开了一种改进的系统，该系统的性能比现有系统的性能更好，却保持了LMS自适应滤波器的低复杂性和稳定性。当在免提电话，尤其是在诸如无线免提电话的手提电话中采用时，可以为电话所使用的环境提供有效且效率高的调整方法。
权利要求
1.一种为回声消除器中自适应滤波器的各个系数分别设置步长以消除通过回声路径传送的回声信号的方法，该方法包括以下步骤在训练周期期间将训练信号注入到回声消除器及回声路径；注入训练信号期间在自适应滤波器中绘出回声路径的轮廓，即进行成形；选择多个系数的各自步长，作为所产生的回声轮廓的函数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中注入步骤包括将白噪声注入到回声消除器及回声路径。
3.根据权利要求1所述的方法，其中成形步骤包括训练自适应滤波器以基本上消除从回声路径输出的回声信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其中成形步骤包括在训练模式期间利用预定的步长来调整该滤波器。
5.根据权利要求3所述的方法，其中在训练模式中成形的步骤在训练期间利用相同的步长用于自适应滤波器的所有系数。
6.根据权利要求1所述的方法，其中选择步长的步骤包括对自适应滤波器的多个系数求和。
7.根据权利要求6所述的方法，其中选择步长的步骤包括对多个自适应滤波器的系数求和，以产生一个和。
8.根据权利要求7所述的方法，其中还包括产生多个来自各个自适应滤波器系数的和值，并且每个和值被除以所产生的最大一个和值。
9.根据权利要求8所述的方法，其中每个和值是系数值范围内的和值。
10.根据权利要求9所述的方法，其中求和的步骤执行如下的公式
其中h’[j]是在训练模式期间产生的自适应滤波器的脉冲响应系数，M是自适应滤波器中系数的数目。
全文摘要
在回声消除器中用于消除回声信号的自适应滤波器(124)抽头位置的步长根据回声环境的概况而被分别选择。一个训练信号(112)在训练间隔或周期期间注入到回声消除器及回声路径。自适应滤波器在训练间隔期间成形回声路径。抽头位置的各自步长α[κ]被作为所产生的回声概况的函数而产生。
文档编号H04M9/08GK1267141SQ0010387
公开日2000年9月20日 申请日期2000年3月10日 优先权日1999年3月11日
发明者詹姆斯·艾伦·斯蒂芬斯, 詹姆斯·布莱恩·布克特, 陈培菁, 叶俊雄 申请人:摩托罗拉公司