專利名稱：快速收斂的回波消除裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種利用新型自適應濾波方法和裝置的回聲消除器，用于消除在諸如在電話通信系統(tǒng)等通信設備中因受話語音信號的一部分混入送話語音信號而產(chǎn)生的泄漏語音信號。
背景技術：
在公眾交換電話網(wǎng)中，回聲現(xiàn)象是由被稱為混合電路的四線二線變換器的阻抗失配造成的。這種回聲與網(wǎng)絡延遲的組合是造成語音品質下降的原因。為了消除這種回聲現(xiàn)象，一般都會配備回聲消除器以防止語音品質的下降。
此類型的現(xiàn)有回聲消除器通常是利用一個被稱為歸一化最小均方(NLMS)自適應濾波器估算并去除從混合電路返回的回聲。但是，隨著語音通信技術的發(fā)展，如IP電話技術，使得回聲延時時間變得更長，而且這種時延路徑具有稀疏性的特點(即這種時延路徑在大多數(shù)時間數(shù)值很小或者為零，只在一小部分區(qū)域具有非零的值)。新近提出的被稱為比例歸一化最小均方(PNLMS)自適應濾波器利用了這種稀疏回波路徑的特點，每個抽頭系數(shù)的自適應更新的步長和上一次更新時對這個抽頭系數(shù)的估值大小成正比。因此，PNLMS自適應濾波器對于這種長延時的稀疏的回波路徑具有更快的收斂速度。
傳統(tǒng)的回聲消除的不足之處是對于長時延的稀疏的回波路徑，NLMS自適應濾波器通常收斂速度很慢。PNLMS自適應濾波器利用了這種回波路徑的特點，具有收斂速度較快的特點。但是由于回波路徑?jīng)_擊響應的稀疏性，PNLMS自適應濾波器通常只是具有非?？斓某跏际諗克俣龋敶蟮某轭^系數(shù)的更新基本完成之后，濾波器的收斂速度下降，甚至可能低于一般的NLMS自適應濾波器的收斂速度。同時，在很多應用中妨礙了PNLMS算法的實用性的一個重要因素是，它的計算復雜度非常的大，尤其是對于長時延的回波路徑。PNLMS自適應濾波器所需的乘法次數(shù)是NLMS自適應濾波器所需的兩倍。因此，如果能夠找出一種既具有NLMS算法小的計算復雜度，又具有PNLMS算法快速收斂特點的新的自適應濾波的方法，將很好的改善現(xiàn)有的回聲消除器的性能。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種快速收斂的回波消除裝置。
為實現(xiàn)上述目的，一種快速收斂的回波消除裝置，包括自適應濾波器單元，用于卷積“A”端的送話語音信號和脈沖信號，生成仿真回聲；切換控制單元，在自適應濾波器單元之間進行切換控制；回聲消除器，從B端的送話語音信號中減去仿真回聲來消除回聲；
非線性處理器，根據(jù)B端輸入是否有聲音信號輸入，決定是否對回聲消除器的輸出信號進行置零還是完全通過。
本發(fā)明采用了一種基于改進的PNLMS算法和傳統(tǒng)NLMS算法的混和結構的自適應濾波器，既利用了PNLMS算法收斂速度快的特點，又利用了NLMS算法復雜度簡單的特征。為了使回波消除器在雙通話狀態(tài)下正常工作，本發(fā)明在提出的新的自適應濾波器結構中還加入了魯棒性(Robustness)算法，提高了自適應濾波器在雙通話情況下收斂的穩(wěn)定性。


圖1表示與本發(fā)明相關的回聲消除裝置具體實施方式
的結構框圖。
圖2示出本發(fā)明的在改進的PNLMS自適應濾波器和NLMS自適應濾波器之間進行切換控制的切換控制單元的方框圖。
具體實施例方式
下面參照圖示對本發(fā)明的具體實施方式
進行詳細說明。
圖1表示與本發(fā)明相關的回聲消除裝置具體實施方式
的結構框圖。在圖中，回聲消除裝置，在受話端的混合電路與送話端的混合電路之間以4端子結構的形式連接在一起。在此回聲消除裝置中，‘A’端的送話語音信號R通過混合電路510傳送到‘B’端。從‘B’端的輸入語音信號和由該混合電路產(chǎn)生的‘A’端的送話語音信號的回聲組成B端的送話語音信號S，將該信號傳輸?shù)交芈曄?50。
‘A’端的送話語音信號R同時通過混合電路510和切換控制單元540傳送到相應的自適應濾波器520或者530的輸入端，作為自適應濾波器520或者530的的輸入。
自適應濾波器520或者530的輸出經(jīng)由切換控制單元傳送到回聲消除器550，回聲消除器550是為消除疊加在B端的送話語音信號S中的回聲的操作而構成。
回聲消除器550的輸出信號Err同時作為自適應濾波器520，自適應濾波器530，切換控制單元540和非線性處理器560的輸入。
自適應濾波器520和自適應濾波器530根據(jù)回聲消除器550的輸出信號Err調整相關參數(shù)。
切換控制單元540通過回聲消除器550的輸出信號Err調正控制當前的工作濾波器是自適應濾波器520還是自適應濾波器530。
非線性處理器540根據(jù)‘B’端輸入是否有聲音信號輸入，決定是否對回聲消除器550的輸出信號Err進行置零(或輸出舒適噪聲)還是完全通過。
圖2示出一個根據(jù)回波消除器輸出誤差信號Err來選擇當前工作濾波器的框圖。
現(xiàn)在參考圖1和圖2說明采用本發(fā)明的回聲消除裝置的操作過程。在四線制電路與二線制電路的轉換時所使用的混合電路510和最終用戶的終端上的聲音反饋等原因，‘A’端的送話語音信號R的一部分，疊加在B端的送話語音信號S中形成回聲，并被輸入到回聲消除器550。在自適應濾波器520或者自適應濾波器530中，根據(jù)從‘A’端的送話語首信號R和回聲消除器550的輸出推測出回聲路徑的脈沖相應，卷積‘A’端的送話語音信號R和脈沖響應，生成仿真回聲，通過回聲消除器550從從B端的送話語音信號S中減去仿真回聲來消除回聲。
自適應濾波器單元520采用了一種新的改進的具有魯棒性的PNLMS算法。其工作原理用以下的公式說明u[n]＝自適應濾波器的輸入信號wk[n]＝在時刻n自適應濾波器的第k個抽頭系數(shù)Err[n]＝回波消除器的輸出信號U[n]＝[u[n]，u[n-1]，...，u[n-M+1]]自適應濾波器的輸入信號矢量，M是自適應濾波器的長度W[n]＝[w0[n]，w1[n-1]，...，WM-1[n-M+1]]自適應濾波器的抽頭系數(shù)矢量W[n+1]=W[n]+μG[n]sgn(U[n])Σi=0M-1gi[n]|ui[n]|+δu)ψ(n)---(1)]]>G(n)＝diag(g0(n)，g1(n)，...，gM-1(n)) (2)gi(n)=|wi(n)|Σk=0M-1|wk(n)|+γ+δ---(3)]]>ψ(n)＝sign(Err[n])min(k0s[n]，|Err[n])| (4)s[n]=λs[n-1]+1-λβs[n-1]min(|Err[n]|s[n-1],k0)---(5)]]>μ是自適應濾波器抽頭系數(shù)更新的步長。
δu和γ是一個數(shù)值很小的正常數(shù)，以防止算法發(fā)生被0除的錯誤。δ是一個很小的正常數(shù)，防止自適應濾波器抽頭系數(shù)更新的停止。
ψ[n]是為了提高自適應濾波器在Double Talk狀態(tài)下的收斂穩(wěn)定性而加入的魯棒性因子。
λ，β和ko均為常數(shù)。
自適應濾波器單元530采用了一種傳統(tǒng)的NLMS算法，為了提高在Double Talk狀態(tài)下的穩(wěn)定性，同樣如上面PNLMS算法一樣加入了魯棒性的特征。
切換控制單元540根據(jù)回波消除器的回波殘差信號Err來判斷自適應濾波器抽頭系數(shù)的收斂程度。當改進的PNLMS自適應濾波器520基本完成大抽頭系數(shù)的收斂之后，濾波器的收斂速度變慢。此時切換控制單元540根據(jù)誤差信號Err，經(jīng)過計算，將當前的工作濾波器切換到NLMS自適應濾波器530上去。具體的工作步驟如圖2所示。
在步驟610，輸入語音信號被劃分成若干個長為L點的幀。對于第k幀，我們定義了一個誤差測量信號fe[k]fe[k]=Σj=0L-1|Err[j]|Σj=0L-1|u[j]|+δ---(6)]]>(6)式中Err[j]是第k幀中第j個輸入語音信號樣點產(chǎn)生的殘余回波信號值。K＝0用于啟動改進的PNLMS自適應濾波器后的第一幀。
在步驟620，判斷當前的工作濾器是改進的PNLMS濾波器還是NLMS濾波器。如果當前工作濾波器是改進的PNLMS濾波器，繼續(xù)步驟630；如果當前濾波器是NLMS濾波器，則繼續(xù)步驟640。
在步驟630，根據(jù)如下判據(jù)(fe[k]-fe[k-1])＜β(fe
-fe[1](7)β＜1，為一常數(shù)。是否成立來決定下一個步驟的操作。如果(7)式成立，則回波消除器執(zhí)行步驟650，當前工作濾波器由改進的PNLMS濾波器520切換到NLMS濾波器530，第K+I幀的語音數(shù)據(jù)將由NLMS濾波器530進行處理；如果(7)式不成立，則第k+1幀數(shù)據(jù)仍然由改進的PNLMS濾波器520處理。
在步驟630，根據(jù)如下判據(jù)fe[k]＞αfe[k-1] (8)α＞＞1，為一常數(shù)。是否成立來決定下一個步驟的操作。如果(8)式成立，則回波消除器執(zhí)行步驟660，當前工作濾波器由NLMS濾波器530切換到改進的PNLMS濾波器520，第K+1幀的語音數(shù)據(jù)將由改進的PNLMS濾波器520進行處理；如果(7)式不成立，則第k+l幀數(shù)據(jù)仍然由NLMS濾波器520處理。本發(fā)明提供了一種性能和PNLMS回波消除器相當?shù)幕夭ㄏ椒ê脱b置。本發(fā)明提供的改進的PNLMS自適應濾波器處理每一個輸入語音信號樣本僅需要2M個乘法運算(M為自適應濾波器的長度)。其乘法運算量與NLMS自適應濾波器相當，約為PNLMS自適應濾波器所需乘法運算量的50％。另外，本發(fā)明提供的改進的PNLMS算法與PNLMS算法相比，所需的比較運算的次數(shù)也有所降低。在運算量得到下降的同時，本發(fā)明提供的改進的PNLMS自適應濾器收斂速度和PNLMS自適應濾器相當，在某些情況下甚至略優(yōu)于PNLMS自適應濾波器。但是改進的PNLMS自適應濾波器的失調(Misadjustment)比PNLMS濾波器要大。由于本發(fā)明采用了改進的PNLMS自適應濾波器和NLMS自適應濾波器結合使用的混和結構并提供了一個有效的切換控制單元以控制回波消除器的工作狀態(tài)，失調大的問題得到了很好的解決。同時，本發(fā)明采用的混和自適應濾波器結構很好的解決了改進的PNLMS算法和傳統(tǒng)的PNLMS算法都存在的缺點，即當PNLMS自適應濾波器完成大抽頭系數(shù)的收斂之后，其收斂速度變慢，甚至低于傳統(tǒng)的NLMS自適應濾波器。本發(fā)明提供的切換控制單元保證在改進的PNLMS自適應濾波器完成快速的初始收斂階段后，回波消除器的工作濾波器能切換到NLMS濾波器以完成以后的抽頭系數(shù)更新和回波信號抵消工作，并使計算復雜度得以降低。
本發(fā)明還在自適應濾波器系數(shù)的更新迭代過程中加入了魯棒性因子。當回波消除器工作在雙通話(Double Talk)狀態(tài)時，本發(fā)明提供的魯棒性特性很大的提高了自適應濾波器的穩(wěn)定性，保證了回波消除器在Double Talk狀態(tài)下的回波抵消效果。
權利要求
1.一種快速收斂的回波消除裝置，包括自適應濾波器單元，用于卷積“A”端的送話語音信號和脈沖信號，生成仿真回聲；切換控制單元，在自適應濾波器單元之間進行切換控制；回聲消除器，從B端的送話語音信號中減去仿真回聲來消除回聲；非線性處理器，根據(jù)B端輸入是否有聲音信號輸入，決定是否對回聲消除器的輸出信號進行置零還是完全通過。
2.按權利要求1所述的回波消除裝置，其特征在于所述自適應濾波器單元為PNLMS自適應濾波器單元和NLMS自適應濾波器單元。
3.按權利要求2所述的回波消除裝置，其特征在于所述PNLMS自適應濾波器單元用于大抽頭系數(shù)的收斂，在濾波器的收斂速度變慢時，使用所述NLMS自適應濾波器單元。
4.按權利要求1所述的回波消除裝置，其特征在于所述切換控制單元通過回聲消除器的輸出信號控制當前的工作濾波器是PNLMS自適應濾波器單元還是NLMS自適應濾波器單元。
全文摘要
一種快速收斂的回波消除裝置，包括自適應濾波器單元，用于卷積“A”端的送話語音信號和脈沖信號，生成仿真回聲；切換控制單元，在自適應濾波器單元之間進行切換控制；回聲消除器，從B端的送話語音信號中減去仿真回聲來消除回聲；非線性處理器，根據(jù)B端輸入是否有聲音信號輸入，決定是否對回聲消除器的輸出信號進行置零還是完全通過。本發(fā)明采用了一種基于改進的PNLMS算法和傳統(tǒng)NLMS算法的混和結構的自適應濾波器，既利用了PNLMS算法收斂速度快的特點，又利用了NLMS算法復雜度簡單的特征。為了使回波消除器在雙通話狀態(tài)下正常工作，本發(fā)明在提出的新的自適應濾波器結構中還加入了魯棒性算法，提高了自適應濾波器在雙通話情況下收斂的穩(wěn)定性。
文檔編號H04M9/08GK1780167SQ20041009570
公開日2006年5月31日 申請日期2004年11月24日 優(yōu)先權日2004年11月24日
發(fā)明者張川, 王立眾, 胡洪濤 申請人:北京三星通信技術研究有限公司, 三星電子株式會社