專利名稱：通信系統(tǒng)的子帶回聲定位和通話重疊檢測的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，特別是涉及一種通信系統(tǒng)中的定位回聲和檢測通話重疊(即，雙方同時(shí)講話，為了簡便，以下稱之為‘通話重疊’)的方法。本發(fā)明的方法可以用來檢測和跟蹤一個(gè)通信信道中的三個(gè)不同回聲，并且提供了不需要任何額外計(jì)算的通話重疊的自動檢測。這些是供回聲消除系統(tǒng)使用的重要功能。
回聲是電話信道中的一個(gè)嚴(yán)重問題。當(dāng)一個(gè)人對電話機(jī)說話時(shí)，話音信號傳送到接收機(jī)，其中信號的一部分作為回聲返回到源發(fā)電話機(jī)。這可能對通話各方造成顯著的干擾，尤其是如果在延時(shí)變得明顯的情況下。
回聲消除已經(jīng)被廣泛地用于電信應(yīng)用，以重建各種各樣的信號，比如話音、數(shù)據(jù)傳遞和視頻。執(zhí)行回聲消除的算數(shù)算法的搜索已經(jīng)產(chǎn)生了若干種不同的方法，它們分別具有復(fù)雜性、成本和性能的不同等級。
傳統(tǒng)的回聲消除方法是使用長度為L的自適應(yīng)濾波器，其中L等于恰好擴(kuò)展到回聲持續(xù)時(shí)間之外所需的抽頭數(shù)量。例如，參見S.Haykin，Adaptive Filter Theory，Prentice-Hall，Upper SaddleRiver，NJ(1996)。在過去，處理64ms回聲的能力已經(jīng)是標(biāo)準(zhǔn)，盡管現(xiàn)在128ms正在成為更高的標(biāo)準(zhǔn)。在每秒8000樣值的傳統(tǒng)電話比特速率上，64ms回聲拖尾容量需要L＝512，以及128ms需要L＝1024。
創(chuàng)建能夠消除成百或者成千的回聲信道的超密度回聲消除部件的愿望帶來了巨大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。作為一個(gè)實(shí)例，使用流行的LMS(最小均方差)算法消除T3線路的672信道中的128ms回聲拖尾將需要至少每秒11千兆多重累積(MACs)。從實(shí)踐和經(jīng)濟(jì)方面看，這確實(shí)超出了可以在單個(gè)芯片上實(shí)施的能力。
作為補(bǔ)償，利用非常低的計(jì)算回聲定位器輔助LMS濾波器。回聲定位器告訴LMS濾波器何時(shí)運(yùn)行以及更新那些抽頭。LMS濾波器只需要在信道的回聲路徑改變時(shí)運(yùn)行。在電話系統(tǒng)中，例如，這通常只是在呼叫開始時(shí)發(fā)生。在T3實(shí)例中，它非常不可能使所有信道將需要同時(shí)會聚。因此，不需要672個(gè)LMS濾波器。而是，每個(gè)信道具有一個(gè)低計(jì)算回聲定位器，這些信道分配一個(gè)非常小的LMS濾波器環(huán)路以會聚所需的信道。
低計(jì)算回聲定位器通常利用子帶形成(subbanding)。參見，例如由M.Vetterli和J.Kovacevic于1995年在新澤西發(fā)表的“Wavelets and subband Coding，Prentice-Hall，Upper SaddleRiver”。子帶形成包括使用帶通濾波器隔離頻率范圍。該處理之后進(jìn)行下采樣(減少信號的采樣速率)。它能夠?qū)σ殉勺訋У男盘栠\(yùn)行LMS，用非常少的計(jì)算跟蹤回聲。
通話重疊是所有回聲消除器面臨的一個(gè)附加問題。當(dāng)存在從回聲消除器的兩側(cè)的同時(shí)發(fā)送時(shí)，就出現(xiàn)通話重疊情況。在這種環(huán)境下，返回的回聲路徑信號，SIN(參見

圖1)包含來自回聲源信號的返回回聲和通話重疊信號。通話重疊阻止基于LMS的回聲消除器會聚在校正回聲路徑上。它還將造成一個(gè)預(yù)會聚回聲消除器偏離到不可預(yù)知的狀態(tài)。在偏離之后，回聲消除器將不再消除回聲，并且必須重新會聚到校正方案上。這種特性是非常不可取的，并且應(yīng)當(dāng)在實(shí)際裝置中避免出現(xiàn)。因此需要某些裝置來檢測通話重疊和避免偏離。
使用全帶和子帶方法估算單個(gè)回聲反射的大塊延時(shí)和跨距的回聲定位器已經(jīng)在題為“快速線路回聲消除”的PCT公報(bào)WO0105053中披露。該專利申請的目的是在回聲跨距檢測器之后使用一個(gè)大塊延時(shí)估算器，以便使用工作于“增強(qiáng)模式”的全帶自適應(yīng)濾波器消除回聲。使用多個(gè)子帶濾波器發(fā)現(xiàn)回聲反射。只有一個(gè)回聲反射可以被發(fā)現(xiàn)和被消除。該專利申請沒有提供回聲路徑中多反射的預(yù)防措施，沒有給出阻止通話重疊發(fā)散的方法。
根據(jù)本發(fā)明，該方法具有檢測通話重疊和自動跟蹤路徑變化的能力，該方法是任何強(qiáng)回聲消除器的重要特征。
根據(jù)本發(fā)明，這里提供了一種控制一個(gè)通信信道中的一個(gè)回聲消除器的方法，包括將來自通信信道的輸入信號形成一個(gè)子帶；對已成子帶的信號進(jìn)行操作以確定子帶內(nèi)的回聲位置；和使用已成子帶的信號控制回聲消除器。
本發(fā)明在許多方面不同于現(xiàn)有技術(shù)。本發(fā)明的目的是向回聲消除器提供回聲位置、通話重疊和路徑變化的信息。其重點(diǎn)不是像已知技術(shù)那樣消除回聲，而是控制這樣一種回聲消除器。一旦得知回生反射的位置，就可以利用該位置信息修改回生消除的現(xiàn)有方法。與將可能不知道這種信息的方法相比，本發(fā)明的上述方法可以更有效地消除回聲。此外，這種信息是通過一個(gè)子帶的分析提供的，以最小化計(jì)算并允許最大化的信道密度。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，輸入信號通過子帶濾波器并且被下采樣。然后對子帶信號運(yùn)行歸一化的LMS(NLMS)算法，以消除子帶內(nèi)的回聲。然后為跟蹤回聲使用峰值檢測方法分析自適應(yīng)濾波器抽頭。可以識別和跟蹤直至三個(gè)不同的回聲反射。此外，以回聲返回?fù)p失增加(ERLE)方式計(jì)算平均抽頭值。平均抽頭值用來宣稱通話重疊。ERLE估算自適應(yīng)濾波器正在消除多少回聲，該ERLE指示路徑變化是否已經(jīng)發(fā)生。然后將該信息從回聲定位器傳送到(例如)全帶回聲消除器。
本發(fā)明的方法僅分析一個(gè)子帶，以便最小化計(jì)算負(fù)載；該方法可以定位和跟蹤相同回聲路徑的多個(gè)回聲反射。它可以自動的檢測通話重疊并且把上述信息報(bào)告給外部裝置，比如回聲消除器。
另一方面，本發(fā)明提供了一種控制回聲消除器控制器的裝置，包括一個(gè)子帶形成器，用于將輸入信號形成一個(gè)子帶；一個(gè)自適應(yīng)濾波器，用于處理子帶內(nèi)的信號；一個(gè)檢測器，用于依據(jù)自適應(yīng)濾波器中的濾波系數(shù)確定回聲位置；和一個(gè)輸出器，用于輸出代表所述子帶內(nèi)的所述回聲位置的信號。
下面結(jié)合附圖僅以舉例方式詳細(xì)說明本發(fā)明。
圖1是使用LMS自適應(yīng)濾波的一個(gè)回聲消除電路的方框圖；圖2是顯示兩個(gè)混合的回聲路徑的示意圖3是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的回聲定位器塊的方框圖；圖4是顯示一系列已成子帶的NLMS濾波器系數(shù)曲線的曲線圖；和圖5是顯示關(guān)于LNLM濾波器系數(shù)的通話重疊地影響的曲線圖。
定義某些在回聲消除技術(shù)中共同使用的某些術(shù)語對理解本發(fā)明將是有幫助的。
自適應(yīng)濾波器是可以在操作期間調(diào)整系數(shù)的一個(gè)濾波器。自適應(yīng)濾波器用來估算未知參數(shù)，例如，估算一個(gè)未知的回聲路徑。
會聚是當(dāng)一個(gè)LMS濾波器已經(jīng)精確模仿回聲路徑并且不再經(jīng)歷明顯變化時(shí)實(shí)現(xiàn)的情況。在會聚時(shí)，LMS濾波器消除最大量的回聲。
發(fā)散是LMS濾波器系數(shù)離開實(shí)際回聲路徑進(jìn)入錯(cuò)誤和不可預(yù)知解法的處理。在發(fā)散期間，消除回聲的量變得越來越小。
通話重疊是從回聲消除器的兩側(cè)同時(shí)傳送信號時(shí)發(fā)生的一種情況。
回聲路徑是把一個(gè)回聲賦予一個(gè)信號的處理的數(shù)學(xué)描述。
ERL或者回聲返回?fù)p失是一個(gè)信號沿著從ROUT到SIN的回聲路徑傳播時(shí)經(jīng)歷的損失。
ERLE或者回聲返回?fù)p失增強(qiáng)是一個(gè)測量回聲消除器性能的一般方法。該測量表示從SIN到SOUT已經(jīng)減少的回聲信號的量。
混合是一個(gè)在電話電路中共同使用的2至4線復(fù)用裝置?；旌想娐分械淖杩故涫腔芈暤囊话阍?。
LMS算法或者最小均方算法是一種普通適應(yīng)的濾波方法。
NLMS算法或者歸一化最小均方算法是標(biāo)準(zhǔn)化LMS的變體，其中抽頭加權(quán)更新項(xiàng)由輸入信號功率的倒數(shù)換算。
形成子帶是先帶通濾波然后下采樣一個(gè)信號的處理方法。
本發(fā)明涉及作為控制回聲消除自適應(yīng)濾波的集成的回聲定位、通話重疊和路徑變化檢測單元的使用。這樣一個(gè)系統(tǒng)在圖1中示出，并且包括自適應(yīng)濾波器10和回聲定位器12。除了回聲定位器塊之外，圖中的那些常見技術(shù)將承認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)的回聲消除技術(shù)。
在一個(gè)電話系統(tǒng)中，回聲路徑通常為零，但是在不同位置具有短回聲反射。這些反射通常由2至4線混合電路中的沿信號路徑的不同位置出現(xiàn)的阻抗失配造成，一個(gè)或兩個(gè)反射是很普通的，但是在很少的情況下具有三個(gè)反射。圖2示出了包含來自兩個(gè)混合的反射的回聲路徑的一個(gè)實(shí)例。
回聲路徑稀少(通常為零，但是具有短暫、隔離的反射)的事實(shí)意味著在回聲的整個(gè)長度運(yùn)行一個(gè)自適應(yīng)濾波器是非常浪費(fèi)的。抽頭將為零的80％至90％是很普通的，所以這些抽頭不需要更新。當(dāng)抽頭應(yīng)當(dāng)被更新時(shí)，回聲定位器12通過控制全帶自適應(yīng)濾波器來減少不必要的計(jì)算。定位器12用比全帶濾波器更少量的計(jì)算來運(yùn)行。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例被顯示在圖3中。信號RIN和SIN進(jìn)入回聲定位器，并且在抽取器14中進(jìn)行下采樣，然后由子帶濾波器16濾波。在優(yōu)選實(shí)施例中，子帶濾波器是96個(gè)抽頭單面FIR濾波器。它們是使用多相DFT方法實(shí)現(xiàn)的。參見，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發(fā)表的“Optimum Filter Banks for SignalDecomposition and Its Application in Adaptive EchoCancellation”，這里引用這些內(nèi)容以供參考。這允許在濾波之前進(jìn)行下采樣，并且需要最少的計(jì)算。子帶濾波器被設(shè)計(jì)來只通過混疊的近似-25dB的525Hz與725Hz之間的頻率。K＝32的下采樣率予以使用。
來自RIN的已成子帶的信號隨后進(jìn)入子帶NLMS濾波器18。為了定位達(dá)到128ms延時(shí)的回聲，全帶自適應(yīng)濾波器應(yīng)當(dāng)需要1024個(gè)抽頭，所以子帶自適應(yīng)濾波器具有32個(gè)抽頭，因?yàn)?024/K＝32。子帶形成將回聲的有效長度減少到已成子帶域中的K因子?；芈曢L度的減少與依據(jù)下采樣的比特率減少成對，該回聲長度的減少提供了一個(gè)計(jì)算的極大減少。在該實(shí)施例中，與可兼容的全帶濾波器相比，子帶NLMS濾波器使用322＝1024次少量計(jì)算。
子帶NLMS濾波器18生成一個(gè)回聲拷貝，然后再從來自SIN的子帶信號中減去該拷貝。所得到的誤差信號被用來更新NLMS濾波器18中的抽頭。
來自NLMS濾波器的32抽頭輸入峰值檢測器20。該檢測器分析濾波器系數(shù)的絕對值，以確定回聲反射被定位的位置。這里存在許多這樣的作法，但是該處理的本質(zhì)是定位濾波包絡(luò)中的峰值。峰值指向定位反射的回聲區(qū)。本實(shí)施例中的峰值檢測單元可以定位和跟蹤三個(gè)反射，但是可以被修改成發(fā)現(xiàn)任何數(shù)量的峰值。為了協(xié)助處理，計(jì)算系數(shù)的平均值。低于該值的任何系數(shù)被設(shè)置為零。這有助于防止抽頭噪聲和混疊影響峰值檢測處理。
圖4示出了峰值檢測處理。上曲線圖顯示了來自圖2的具有兩個(gè)混合的回聲路徑，一個(gè)在15ms處，另一個(gè)在90ms處。中間曲線圖顯示了在該回聲路徑的子帶版本上會聚之后的NLMS濾波器系數(shù)的絕對值。實(shí)線顯示了平均抽頭值。下曲線圖顯示了峰值檢測的結(jié)果。非零系數(shù)的兩個(gè)簇指示使用子帶NLMS濾波系數(shù)已經(jīng)成功地定位混合。它們的位置與上曲線圖的反射的位置對齊(一致)。
為了檢測通話重疊，通話重疊檢測器22使用了平均濾波系數(shù)值。該平均值已經(jīng)由峰值檢測器計(jì)算，所以不需要為得到它而進(jìn)一步計(jì)算。由于回聲路徑稀少，所以平均抽頭值接近于零。濾波器抽頭中的大值對應(yīng)于回聲，所以通常只有2-3個(gè)大系數(shù)。剩余的都是小系數(shù)。如圖5所示，只有回聲不出現(xiàn)的時(shí)候通話重疊才是可懂的。上曲線圖顯示了通話重疊期間的NLMS系數(shù)，具有如經(jīng)過它們的線段繪出的平均值。下曲線圖顯示了通話重疊期間的系數(shù)。大多數(shù)系數(shù)現(xiàn)在是大系數(shù)，因此平均抽頭值非常高。
在優(yōu)選實(shí)施例中，取最高峰值與平均抽頭值之間的比值。比值越小通話重疊就越多。如果比值下降到某一門限值，則調(diào)整通話重疊的標(biāo)志(圖3中的DT線段)。在圖5中，對于單方通話，最高峰值與平均抽頭值之間的比值約為6∶1，對于通話重疊則僅為2∶1。低于3∶1或者4∶1的任何值都是通話重疊的良好指示。
路徑變化采用兩種方式跟蹤。如果反射改變位置，則NLMS系數(shù)中的峰值移動。這是一種容易執(zhí)行的路徑變化檢驗(yàn)。只要峰值移動位置就調(diào)整△路徑標(biāo)志。
更難于處理的情況不是反射改變位置，而是改變類型，例如，電路切換到一個(gè)不同的混合電路。峰值不移動，但是ERLE急劇降低。實(shí)際上，ERLE在路徑改變的任何時(shí)候下降。通過計(jì)算SIN對SOUT的比值監(jiān)視ERLE。大RELE意味著良好消除，當(dāng)ERLE突然下降時(shí)，表明路徑變化或者通話重疊。如果當(dāng)ERLE下降時(shí)沒有調(diào)整DT標(biāo)志，則調(diào)整△路徑標(biāo)志。
在本發(fā)明的說明中已經(jīng)給出用于每種情況的優(yōu)選實(shí)施例。但是仍然存在設(shè)計(jì)變化。
由M.Vetterli和J.Kovacevic于1995年在新澤西發(fā)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發(fā)表的“Wavelets and Filter Banks”；以及由P.P.Vaidyanathan于1993年在新澤西發(fā)表的“Multirate Systemsand Filter Banks，Prentice Hall，Upper Saddle River”舉例說明了許多不同的子帶濾波器設(shè)計(jì)方案，本發(fā)明可以使用其中的任何一種。替代的實(shí)施例可以使用IIR濾波器、雙面濾波器、級聯(lián)或多級實(shí)施、微波分解、或者許多其他方法之任何一種。
由S.Haykin于1996年在新澤西發(fā)表的“Adaptive FilterTheory，Prentice-Hall，Upper Saddle River”公開了幾種這里將使用的自適應(yīng)濾波器算法，除NLMS之外，還存在仿射幾何學(xué)的投影(Affine Projection)，RLS，和最小平方方法以及它們的派生物。
用來檢測回聲位置、通話重疊以及路徑變化的方法利用了NLMS濾波結(jié)果的性質(zhì)。其他技術(shù)當(dāng)然也是可能的。例如，通過對突破平均數(shù)的NLMS抽頭計(jì)數(shù)來檢測通話重疊。如圖5所示，對單方通話只有6個(gè)突破平均數(shù)，而在通話重疊期間則有15個(gè)超出平均數(shù)。
本說明中所包含的方法不是窮舉，而只是已經(jīng)考慮或?qū)嶒?yàn)的那些方法。本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員將會明白在不背離本發(fā)明所定義的本發(fā)明精神的條件下還可以使用其他方法。
權(quán)利要求
1.一種控制通信信道中回聲消除器的方法，所述方法包括將來自通信信道的輸入信號形成一個(gè)子帶；對已成子帶的信號進(jìn)行操作，以確定子帶內(nèi)的回聲位置；和使用已成子帶的信號的回聲位置控制回聲消除器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中用一個(gè)自適應(yīng)濾波器處理所述已成子帶的信號中的回聲，并且通過分析自適應(yīng)濾波器的系數(shù)確定回聲位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述自適應(yīng)濾波器生成一個(gè)從輸入信號中減去的回聲拷貝，以更新自適應(yīng)濾波器的濾波系數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述系數(shù)的絕對值予以分析。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中依據(jù)絕對值的峰值確定回聲位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5任一項(xiàng)所述的方法，其中所述自適應(yīng)濾波器是NMLS濾波器。
7.根據(jù)權(quán)利要求2至6任一項(xiàng)所述的方法，其中所述回聲位置被傳送給具有自適應(yīng)濾波器的全帶回聲消除器，并且被用來控制所述全帶回聲消除器中的自適應(yīng)濾波器的濾波系數(shù)的值。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的方法，其中輸入信號由單面子帶濾波器形成子帶。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中單面子帶濾波器是FIR濾波器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述自適應(yīng)濾波器的系數(shù)予以分析，以檢測通話重疊。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述系數(shù)的平均值予以分析，以檢測通話重疊。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述通話重疊通過檢查最高峰值與平均濾波系數(shù)值之間的比值以及確定所述比值何時(shí)超過預(yù)定門限值予以檢測，
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括通過檢測子帶內(nèi)的回聲位置的變化來指示路徑變化。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括通過檢測子帶內(nèi)的ERLE的變化來指示路徑變化。
15.根據(jù)權(quán)利要求10至12任一項(xiàng)所述的方法，其中子帶內(nèi)的通話重疊的檢測還用來控制回聲消除器。
16.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的方法，其中子帶內(nèi)的路徑變化還用來控制回聲消除器。
17.一種控制回聲消除器控制器的裝置，所述裝置包括一個(gè)子帶形成器，用于將輸入信號形成一個(gè)子帶；一個(gè)自適應(yīng)濾波器，用于處理自帶內(nèi)的信號；一個(gè)檢測器，用于依據(jù)自適應(yīng)濾波器中的濾波系數(shù)確定回聲位置；和一個(gè)輸出器，用于輸出代表所述子帶內(nèi)的所述回聲位置的信號。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其中所述自適應(yīng)濾波器生成一個(gè)回聲拷貝，并且一個(gè)減法器從所述子帶中減去所述回聲拷貝，以生成一個(gè)變更所述自適應(yīng)濾波器中的濾波系數(shù)的信號。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其中所述自適應(yīng)濾波器是一個(gè)NMLS濾波器。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，還包括一個(gè)峰值檢測器，所述檢測器用于依據(jù)所述自適應(yīng)濾波器的濾波系數(shù)中的峰值確定回聲的位置。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，還包括通話重疊檢測器，所述檢測器用于依據(jù)所述自適應(yīng)濾波器的濾波系數(shù)檢測通話重疊。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的裝置，其中所述通話重疊檢測器通過比較濾波系數(shù)的峰值與平均值來檢測通話重疊。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其中所述通話重疊檢測器還檢測路徑變化。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其中所述通話重疊檢測器通過檢測回聲位置來檢測路徑變化。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的裝置，其中所述通話重疊檢測器通過檢測ERLE的變化來檢測路徑變化。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種控制一個(gè)通信信道中的回聲消除器的方法，其中首先把來自通信信道的信號形成一個(gè)子帶，然后識別子帶內(nèi)的回聲位置，該回聲位置用來控制回聲消除器，一般來說，回聲消除器將是一個(gè)具有自適應(yīng)濾波器的全帶回聲消除器，在該情況下，回聲位置被用來控制濾波系數(shù)。
文檔編號H04B3/23GK1402504SQ02142280
公開日2003年3月12日 申請日期2002年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月29日
發(fā)明者邁克爾·塞伯特 申請人:扎爾林克半導(dǎo)體股份有限公司