專利名稱：采用狀態(tài)判斷來控制數(shù)字電話系統(tǒng)中的功能元件的方法和裝置的制作方法
背景技術(shù)：
I.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及數(shù)字電話系統(tǒng)。本發(fā)明尤其涉及采用來自回波消除器的狀態(tài)判斷以控制數(shù)字電話系統(tǒng)中各個功能塊的一種新穎的、改進的方法和裝置。
II.相關(guān)領(lǐng)域的描述采用數(shù)字技術(shù)進行話音傳輸已經(jīng)很普遍，在蜂窩電話和PCS應(yīng)用中尤其如此。這接著又引起人們對改進語音處理技術(shù)的興趣。目前有三種這樣的技術(shù)，即，在數(shù)字電話系統(tǒng)的現(xiàn)有元件中加入回波消除器、噪聲抑制器，和話音編碼器/譯碼器或聲碼器。
回波消除器用來減弱陸基電話網(wǎng)中阻抗不匹配所引起的不需要的回波信號，或者移動電話中“免提”電話中揚聲器與話筒之間的聲音耦合而引起的回波。聲碼器用來去除數(shù)字化的信號中自然多余的話音，以便減小數(shù)據(jù)傳輸速率，并因此減小在給定的傳輸信道上的信息量。噪聲抑制器用來使背景噪聲為最小。當前，回波消除器、聲碼器和噪聲抑制器在數(shù)字電話系統(tǒng)中既用于陸基應(yīng)用場合，也用于移動系統(tǒng)中。
有兩種類型的回波消除器，即網(wǎng)絡(luò)回波消除器和聲頻回波消除器。一例典型的回波消除器見轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明受讓人的、標題為“NETWORK ECHOCANCELLER”的美國專利5,307,405，在此引述供參考。網(wǎng)絡(luò)回波消除器消除電話網(wǎng)中產(chǎn)生的回波。陸基電話由二線線路與中央局相連，以支持兩個方向上的傳輸。在進行超過35英里的呼叫時，必須將兩個方向的傳輸分離在獨立的線路上，產(chǎn)生一條四線線路。已知的與二線和四線段連接的裝置是混合電路?；旌想娐诽幍淖杩共黄ヅ洚a(chǎn)生的回波必須由網(wǎng)絡(luò)回波消除器去除。聲頻回波消除器用于電話會議和免提電話。聲頻回波消除器消除了揚聲器和話筒之間的反饋所產(chǎn)生的聲頻回波。
在典型的數(shù)字電話系統(tǒng)中，由A/D轉(zhuǎn)換器將話音從模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字PCM取樣。在一種典型的實施例中，選擇64kbps的數(shù)據(jù)速率，以便保持良好的話音質(zhì)量。一旦對話音信號進行了數(shù)字化以后，可以對其進行運算，以得到某些好處，如最大系統(tǒng)容量，提高話音質(zhì)量，抑制噪聲，以及使傳輸差錯最小。
在將話音信號轉(zhuǎn)換成PCM取樣以后，可以由回波消除器去掉不需要的回波，可以由噪聲抑制器使背景噪聲位最小，并且可以由聲碼器在為傳輸而進行的調(diào)制和上變頻以前進行數(shù)據(jù)壓縮。一例可變速率聲碼器見轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的、標題為“VARIABLE RATE VOCODER”的美國專利5,414,796，該專利在此引述供參考?？梢杂脦追N技術(shù)來調(diào)制避免話音信號，包括TDMA、CDMA或模擬調(diào)制。在多址通信系統(tǒng)中采用CDMA技術(shù)見轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的、標題為“SPREAD SPECTRUM MULTIPLE ACCESS COMMUNICATION SYSTEMUSING SATELLITE OR TERRESTRIAL REPEATERS”的美國專利4,901,307，該專利在此引述供參考。將回波消除器與聲碼器和噪聲抑制器相組合，既有優(yōu)點，又有缺點。
在數(shù)字電話系統(tǒng)的前端電子設(shè)備中引入回波消除器的一個問題是，由于其相對于其他功能塊的位置，而改變了對其他功能塊的話音信號。通過首先把回波消除器放在功能塊鏈中，噪聲抑制器和聲碼器必須根據(jù)經(jīng)消除了回波的信號而不是實際的背景噪聲進行背景噪聲消除。如果回波消除器不從話音信號中去除所有的回波，殘余回波將在噪聲抑制器和聲碼器進行的背景噪聲計算中產(chǎn)生誤差。
這里，移動用戶稱為近端通話者(speaker)，而陸基用戶稱為遠端通話者(speaker)。典型的聲碼器可以含有一個噪聲抑制器，它的功能是從近端話音信號中去掉背景噪聲。一例典型的噪聲抑制器見授權(quán)給Motorola公司、標題為“NOISE SUPPRESSION SYSYEM”的美國專利4,811,404，在此引述供參考。噪聲抑制是通過計算近端通話者(speaker)無聲時實際背景噪聲能量的估計值來進行的。問題是在近端通話者無聲而遠端通話者說話時發(fā)生的。移動電話中，近端通話者的話音可以在聲音上從揚聲器耦合到話筒，從而除非去掉回波，否則該回波將被遠端通話者聽到。在陸基系統(tǒng)中，由于上面討論的混合電路中阻抗不匹配，近端的話音可以被耦合到遠端通話者的話音信號中?；夭ㄏ饔脕硐夭?，但由于回波消除器的局限性，回波不會全部消除。放置在回波消除器后面的噪聲抑制器會把殘余的回波當作是背景噪聲，并根據(jù)殘余回波更新背景噪聲估計。這就影響了背景噪聲的估計，使噪聲抑制的質(zhì)量受到影響。聲碼器將忍受將背景噪聲的蹩腳估計提供到系統(tǒng)中的合成噪聲發(fā)生器。另外，聲碼器的編碼速率判決也將受到不利的影響。
所以本發(fā)明的目的是防止在近端通話者無聲而遠端通話者工作時噪聲抑制器和聲碼器編碼器中出現(xiàn)背景噪聲估計錯誤。
本發(fā)明的另一個目的是殘余來自回波消除器的狀態(tài)判斷信號來控制數(shù)字電話系統(tǒng)如檢音器、傳輸噪聲抑制功能和自適應(yīng)均衡器中的其他功能估計。
發(fā)明概述本發(fā)明是數(shù)字電話系統(tǒng)中功能元件的新穎的和改進的組合。按照本發(fā)明，回波消除器用來與聲碼器組合，其中，回波消除器向聲碼器中的各個功能塊提供信息，用于噪聲抑制、DTMF單音檢測、傳輸噪聲抑制和話音編碼。將回波消除器與聲碼器組合的一個直接好處是將兩個集成電路合并為一個集成電路組合起來節(jié)約了成本、減輕了重量、節(jié)省了空間。
在本發(fā)明的典型實施例中，回波消除器用來在所進行的事件中，判斷兩個人所進行的談話的模式。在本典型實施例中，有五種不同的可能模式或談話狀態(tài)僅進行近端談話、僅進行遠端談話、雙方都進行談話、任何一方都不進行談話、釋放延遲(hangover)，釋放延遲是在談話暫停以后緊接的一段時間本發(fā)明采用聲碼器內(nèi)幾個功能塊中回波消除器的狀態(tài)判斷。特別重要的是采用聲碼器內(nèi)噪聲抑制器中的狀態(tài)判斷信號。典型實施例中，噪聲抑制器是通過將輸入信號分成選擇的頻帶、產(chǎn)生每一頻帶的信噪比，隨后按照預(yù)定的增益表放大每一頻帶來工作的。話音/噪聲判斷的進行如下所述。用于每一頻帶的原始信噪比估計用來索引話音度量表以獲得用于每一信道的話音度量值。話音度量是信道能量的類似于話音的總體特性的測量。將各個信道話音度量值相加，產(chǎn)生一個多信道能量參數(shù)，隨后與背景噪聲更新閾值比較。如果話音度量之和不滿足閾值，則認為該輸入幀為噪聲，并進行背景噪聲更新。如果話音度量之和超過該閾值，則將該幀看作是話音，并且不進行背景噪聲估計的更新。問題可能出現(xiàn)在噪聲抑制器將來自合并消除器的殘余回波當作是背景噪聲的時候。這時，噪聲估計算法會根據(jù)殘余回波重新計算背景噪聲，而這將影響噪聲估計。
本發(fā)明通過提供來自回波消除器的狀態(tài)信息來估計這一問題，它在判斷通話方式僅僅是遠端時不對噪聲抑制器中的背景噪聲更新。沒有來自局部消除器的狀態(tài)信息的情況下，噪聲抑制器將會根據(jù)來自回波消除器的殘余回波信號錯誤地更新背景噪聲計算。
在另一種實施例中，將第二個信號從回波消除器提供到噪聲抑制器，指出事實上在回波消除器的輸入處是否出現(xiàn)了回波。即使狀態(tài)信號會中斷更新，只要回波消除器中沒有出現(xiàn)回波，第二個信號也會使得能夠在噪聲抑制器中進行背景噪聲估計。
另外，在本發(fā)明中，來自回波消除器的狀態(tài)判斷用來控制聲碼器中的單音檢測功能。檢音器用來檢查DTMF單音的傳輸信號。如果檢測到單音，則抑制普通的傳輸信號，并在空中傳送信令消息，使得在接收器處產(chǎn)生這些單音。這樣做是因為充分高的擦除速率會足以使得聲碼編碼的單音質(zhì)量變壞使得它將不被檢測到。在僅處于遠端通話狀態(tài)期間，可以由來自回波消除器的狀態(tài)判斷信號中斷單音檢測器，從而節(jié)省了功率。
另外，本發(fā)明采用來自回波消除器的狀態(tài)判斷來控制聲碼器中的傳輸噪聲抑制功能。傳輸噪聲抑制用與實際背景噪聲的頻譜特征匹配的合成噪聲取代了PCM取樣。合成噪聲的頻譜信息和音量控制是由聲碼器編碼器進行的分析來提供的。當回波消除器的狀態(tài)判斷提示僅為遠端通話時，起用傳輸噪聲抑制功能。這樣，就從傳輸信號中去掉了所有的回波。
本發(fā)明還采用來自回波消除器的狀態(tài)判斷來控制自適應(yīng)均衡器。該均衡器修改接收的近端信號的頻率響應(yīng)，以補償傳輸路徑中的頻率響應(yīng)劣化。均衡器估計近端通話期間傳輸路徑的頻率特征，并用該估計構(gòu)成使整個頻率響應(yīng)特征與所要求的特征相適合的濾波器。由于接收的頻率響應(yīng)的估計會因回波信號的出現(xiàn)而受到影響，所以，回波消除器僅允許均衡器更新僅處于近端通話狀態(tài)期間的頻率響應(yīng)的估計。
最后，本發(fā)明采用來自回波消除器的狀態(tài)判斷來控制由聲碼器編碼器進行的背景噪聲估計功能。進行背景噪聲估計是為了如上面討論的那樣產(chǎn)生由產(chǎn)生噪聲抑制塊使用的合成噪聲信息，并產(chǎn)生用來決定進行編碼所采用的數(shù)據(jù)速率的閾值信息。目的是為了使合成噪聲與實際噪聲受到抑制的背景噪聲相匹配，從而位于遠端的傾聽者不會注意合成噪聲取代的期間(periods of synthesized noisereplacement)。背景噪聲計算通過背景噪聲估計功能提供來自回波消除器的狀態(tài)信息而加強?；夭ㄏ髦袛嗪铣稍肼暼〈陂g內(nèi)的背景噪聲估計，從而不對合成噪聲進行背景噪聲更新。
附圖簡述在結(jié)合附圖對本發(fā)明進行了詳細描述以后，讀者將會更清楚地了解本發(fā)明的特征和優(yōu)點，圖中，相同的標號表示的意義相同。


圖1是移動數(shù)字電話的功能方框圖；圖2是回波消除器和聲碼器的功能方框圖；圖3是回波消除器的功能方框圖；圖4是噪聲抑制器的功能方框圖；圖5是檢音器的功能方框圖；圖6是傳輸噪聲抑制處理器的功能方框圖；以及圖7是聲碼器編碼器的功能方框圖。
較佳實施例的詳細描述圖1是數(shù)字蜂窩電話或PCS電話的整體方框圖。為了簡化說明，圖中僅示出了一組元件。數(shù)字蜂窩電話由手機6組成，包括話筒4和揚聲器2；模-數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器8；回波消除器10；聲碼器12；收發(fā)器14；和天線16。應(yīng)當理解，該系統(tǒng)也可以采用其他的結(jié)構(gòu)，所不同的只是各個元件的位置的不同。
傳輸期間，近端話音由手機6中的話筒4接收。近端話音信號由話筒4轉(zhuǎn)換成由圖1中的v(t)所代表的電聲信號。接收的遠端話音信號x(t)在加法器5處與話音信號v(t)作聲頻耦合，模擬x(t)通過未知回波信道7，產(chǎn)生回波信號y(t)。圖中，加法器5的輸出是經(jīng)組合的話音/回波信號v(t)+y(t)。未知的回波信道7和加法器5不是系統(tǒng)中自身所包括的元件，而是因話筒4和揚聲器2的靠近而形成的寄生元件。
話音/回波信號v(t)+y(t)接著由模-數(shù)轉(zhuǎn)換器8從模擬信號轉(zhuǎn)換成PCM取樣。在一個典型的實施例中，PCM取樣由A/D轉(zhuǎn)換器8在每秒64千比特的速率下輸出，并且如圖1中所示的那樣表示成信號s(n)。
回波消除器10從數(shù)字化話音/回波信號s(n)中移去回波信號y(t)。在典型的實施例中，回波消除器10按照上述美國專利5,307,405中描述的回波消除器工作。在典型的實施例中，回波消除器10通過判斷用戶(speaker)是處于僅為近端通話、僅為遠端通話、同時為近端通話和遠端通話、沒有用戶通話或釋放延遲，來消除回波?；夭ㄏ?0一旦確定了通話狀態(tài)，就從數(shù)字化的話音/回波信號s(n)中去掉回波信號y(n)的估計。因為回波信號是不可能完全去除的，所以殘余的回波信號將保留下來作為數(shù)字化話音信號的一部分。該消除了回波的話音信號s’(n)隨后由聲碼器12處理。在典型的實施例中，如上述美國專利5,414,796中所描述的那樣，聲碼器12是一種可變速率代碼激勵的線性預(yù)測(CELP)聲碼器。在典型的實施例中，如上述美國專利4,811,404中詳細描述的那樣，聲碼器12是與噪聲抑制系統(tǒng)一起工作的。
聲碼器12對信號s’(n)執(zhí)行幾個功能，包括(但不局限于)語音壓縮、噪聲抑制、發(fā)射和接收音量控制、DTMF單音檢測，和傳輸噪聲抑制。本發(fā)明中，聲碼器12在其算法中采用如圖1中的“狀態(tài)信息”所示的那樣的來自回波消除器10的狀態(tài)判斷結(jié)果，來決定何時更新其背景噪聲估計?；夭ㄏ?0和聲碼器12的進一步的細節(jié)見圖2所示，并將在下文中更全面地討論。
經(jīng)聲碼編碼的話音信號s”(n)隨后被提供到收發(fā)器14，在此按照預(yù)定的調(diào)制格式如碼分多址(CDMA)、時分多址(TDMA)、頻分多址(FDMA)或模擬調(diào)制來進行調(diào)制。在典型的實施例中，收發(fā)器14按照上述美國專利4,901,307中描述的CDMA調(diào)制格式對信號進行調(diào)制。收發(fā)器14隨后對已調(diào)制的信號進行上變頻和放大。已調(diào)制的信號隨后通過天線16傳送到基站收發(fā)器(未示出)。
對接收的話音來說會出現(xiàn)類似的互逆過程。CDMA調(diào)制信號在天線16處接收，并提供到收發(fā)器14。收發(fā)器14對接收的信號進行放大、下變頻和解調(diào)。在典型的實施例中，收發(fā)器14按照如上述美國專利5,103和4,901,307中描述的CDMA解調(diào)格式對接收的信號進行解調(diào)。經(jīng)解調(diào)的信號z”(n)被提供到聲碼器12。
在典型的實施例中，聲碼器12在1200-9600bps的數(shù)據(jù)速率范圍內(nèi)每隔20毫秒接收經(jīng)編碼的可變長度數(shù)據(jù)包。聲碼器12按照上述美國專利5,414,796將數(shù)據(jù)包譯碼成64kbps的PCM取樣。隨后，經(jīng)譯碼的信號z’(n)被提供到回波消除器10，在此用作參考，用以從所需的話音信號中去除不需要的回波信號y(t)。從回波消除器10輸出的譯碼信號如圖1中的z(n)所示。
最后，經(jīng)譯碼的信號由A/D轉(zhuǎn)換器8轉(zhuǎn)換成模擬波形，并用手機6中配備的揚聲器2轉(zhuǎn)換成遠端話音。
圖2是回波消除器10和聲碼器12的功能方框圖。在一個典型的實施例中，回波消除器10和聲碼器12是以數(shù)字處理器的形式構(gòu)成的，如由麻省的AnalogDevices of Norwood制造的ADSP2100系列的數(shù)字信號處理器的ADSP-2181。應(yīng)當理解，也可以按照其中的技術(shù)來對其他的數(shù)字信號處理器進行編程。也可以是，以分立的處理器或?qū)Ｓ眉呻娐?ASIC)形式來構(gòu)成回波消除器10和聲碼器12。應(yīng)當理解，聲碼器12可以用如圖2中所示的功能塊的任一組合來構(gòu)成。
傳輸期間，由Tx PCM濾波器52從A/D轉(zhuǎn)換器8處接收數(shù)字化的話音/回波信號s(n)。由于回波消除器10是不能用來合成直流分量的，所以低頻分量即被濾除。經(jīng)濾波的信號被提供到回波消除器10中的加法器32，在此從其中減去估計的回波信號y’(n)。用回波消除器10中進行的自適應(yīng)濾波操作，通過對接收的數(shù)字話音信號z’(n)進行處理，產(chǎn)生估計的回波估計信號y’(n)。一例回波消除器10見上述美國專利5,307,405?；夭ㄏ?0的細節(jié)將在下文中詳述。
回波消除器10產(chǎn)生的輸出含有要求的數(shù)字化語音信號，加上回波消除處理過程剩下的殘留信號。殘留信號的出現(xiàn)是因為回波消除器永遠不會從數(shù)字化的語音信號中去掉所有的回波。
輸出信號隨后被提供到檢音器34，在此檢查，看看信號中是否含有DTMF單音。如果信號中含有DTMF單音，則由檢音器34啟動Tx Mute(傳輸噪音抑制)，并指示收發(fā)器14，發(fā)送DTMF單音信號。為了節(jié)省計算，如果回波消除器10判斷僅為遠端通話狀態(tài)，或者兩邊說話者均無聲，則檢音器34旁路。
電話中，來自回波消除器10的輸出信號隨后由噪聲抑制器38處理，以衰減嚴重的背景噪聲。也可以在基站中，采用自適應(yīng)均衡器來取代噪聲抑制器38，用以控制來自近端通話者的數(shù)字化語音信號的頻率成份。一例自適應(yīng)均衡器見申請日為1995年4月28日的、標題是“METHOD AND APPARATUS FORPERFORMING ADAPTIVE EQUALIZATION”的共同待批的美國專利申請08/456,277，該專利申請已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，在此引述供參考。一例噪聲抑制器38見上述美國專利申請4,811,404。應(yīng)當理解，也可以不采用美國專利4,811,404，而采用其他的噪聲抑制器38。
噪聲抑制器38通過測量輸入信號的頻譜特征來更新背景噪聲特征的估計。本發(fā)明提供來自回波消除器10的狀態(tài)判斷信號，用以幫助進行背景噪聲估計更新判決。使回波消除器能夠幫助進行背景噪聲估計更新的啟動和中斷具有顯著的優(yōu)點，這些將從后文的描述中看到。
來自噪聲抑制器38的經(jīng)抑制噪聲的含有信號隨后被提供到Tx Mute 42，該Tx Mute 42在啟動時，取代了具有合成噪聲的數(shù)字化話音信號，在本典型實施例中，該合成噪聲與實際的背景噪聲的頻譜特征是匹配的。如果Tx Mute 42中斷，則話音信號保持不變地提供到聲碼器編碼器44。Tx Mute 42在僅處于通話狀態(tài)期間由回波消除器10啟動。
話音信號隨后從Tx Mute 42傳送到聲碼器編碼器44。一例聲碼器編碼器44和聲碼器譯碼器46見上述美國專利5,414,796。在典型的實施例中，聲碼器44在64kbps的速率下接受數(shù)字化的話音取樣，并將其壓縮，以實現(xiàn)減小了的數(shù)據(jù)速率。這是通過去掉話音中所有固有的自然冗余來完成的。這一技術(shù)的基礎(chǔ)是計算濾波器的參數(shù)，該濾波器稱為LPC濾波器，它用人類的聲道模型進行短期的話音波形預(yù)測。另外，通過計算音調(diào)濾波器(pitch filter)的參數(shù)，來形成與語音音調(diào)相關(guān)的長期的效果模型，而所計算的參數(shù)實質(zhì)上是形成人類聲帶的模型。最后，必須激勵這些濾波器，并且這是通過判斷代碼簿中幾個隨機激勵波形中哪一個波形會在波形激勵上述兩個濾波器時最接近原始話音來完成的。還在聲碼器編碼器44中進行背景噪聲估計，估計無聲期間背景噪聲的能量。由于應(yīng)當僅僅對實際背景噪聲進行背景噪聲估計的更新，所以要求用來自回波消除器10的狀態(tài)信息信號來判斷什么時候近端和遠端通話者都是無聲的。如果沒有來自回波消除器的這一信息，即使在由Tx Mute 42提供的合成噪聲的時候，也可以更新背景噪聲估計，這是不希望的。聲碼器編碼器44的進一步的細節(jié)將在以后給出。
在接收方向上，再參照圖2，數(shù)據(jù)是從收發(fā)器14接收，并由聲碼器譯碼器46處理。在典型的實施例中，聲碼器譯碼器46在從1200到9600bps或從1200到1300bps的數(shù)據(jù)速率下接受長度可變的數(shù)據(jù)包，并按照上述美國專利5,414,796產(chǎn)生64kbps的PCM取樣，如所示出的z’(n)那樣。接著，這些PCM取樣通過回波消除器10傳送到A/D轉(zhuǎn)換器8。Z’(n)還由回波消除器10用作參考信號，用來消除Tx(發(fā)送)方向上的回波。Rx(接收)方向上回波消除器10的輸出用z(n)表示。
為了更好地理解本發(fā)明，需要了解各功能塊的工作情況。圖3是回波消除器10的詳細方框圖。一例回波消除器10見上述美國專利5,307,405中的描述。應(yīng)當理解，在本典型實施例中，回波消除器10實質(zhì)上是一個狀態(tài)機，它對上述5種不同的通話狀態(tài)中的每一種通話狀態(tài)定義了功能。
圖3中，如圖2所示，來自移動站的話音信號標記為近端話音s(n)，而來自Rx PCM濾波器50的遠端話音信號標記為z’(n)。Z’(n)由可變增益級170放大，并模擬為通過未知的回波信道7，在加法器5處與s(n)耦合。為了去掉低頻背景噪聲，回波信號y(n)和近端話音信號s(n)之和由Tx PCM濾波器52高通濾波，產(chǎn)生信號r(n)。信號r(n)作為一個輸入提供到加法器32和150以及控制單元152中的每一個。
輸入遠端話音z’(n)被饋送到可變增益級170，并隨后存儲在緩沖器154中，用作一組橫向自適應(yīng)濾波器(初始濾波器156、狀態(tài)濾波器158和回波消除器濾波器160)和控制單元152的輸入。
在回波消除器10的正常工作期間，信號

從狀態(tài)濾波器158輸出到加法器150的一個輸入端，在此被從信號r(n)中減去。從加法器150產(chǎn)生的輸出是輸入到控制單元152的信號e1(n)?；夭ㄏ鳛V波器160的輸出，回波復(fù)制信號(choreplica signal)

通過濾波器開關(guān)162提供到加法器32的一個輸入端，在此被從信號r(n)中減去。從加法器32輸出的所產(chǎn)生的回波殘余信號e(n)作為輸入反饋到控制單元152?；夭堄嘈盘杄(n)作為加法器32的輸出可以直接提供作為回波消除器10的輸出，如s’(n)所示，或通過附加處理元件(未示出)來提供。
為了防止大的背景噪聲電平干擾狀態(tài)判斷，回波消除器10對信號z’(n)和e(n)執(zhí)行不同的能量算法。該算法連續(xù)地監(jiān)視背景噪聲電平，并將其與信號能量比較，以判斷用戶是否正在通話。首先計算三個閾值T1(Bi)、T2(Bi)和T3(Bi)，它們是背景噪聲電平Bi的函數(shù)。如果信號x(n)的信號能量超過所有這三個閾值，則判斷該用戶正在進行通話。如果信號能量超過T1和T2但沒有超過T3，則判斷該用戶可能發(fā)出不出聲的聲音，如單詞“speed”中的“sp”。如果信號能量小于所有三個閾值，則判斷用戶不在通話。
如圖3中所示兩個獨立地自適應(yīng)的濾波器158和160跟蹤未知的回波信道。當濾波器160進行實際的回波消除時，濾波器158由控制單元152用來判斷回波消除器10應(yīng)當在哪一種狀態(tài)下工作。該狀態(tài)信息被提供到聲碼器12中的各個功能塊，包括檢音器34、噪聲抑制器/自適應(yīng)均衡器38、Tx Mute 42和聲碼器編碼器44。
圖4是噪聲抑制器38的功能方框圖。一例噪聲抑制器38將如上述美國專利4,811,404中所示。應(yīng)當理解，也可以不采用美國專利4,811,404中的噪聲抑制器，而采用其他的噪聲抑制器38。噪聲抑制系統(tǒng)包括將輸入信號分成代表選擇的頻率信道的多個預(yù)處理信號的機構(gòu)210；產(chǎn)生每一信道中信噪比(SNR)估計的機構(gòu)310；計算每一頻率信道中的噪聲能量的機構(gòu)830；根據(jù)信道SNR估計從特定的增益表中自動選擇多個增益值中的一個來產(chǎn)生每一信道的增益值的機構(gòu)590；根據(jù)選擇的增益值修改多個預(yù)處理信號中的每一個的增益用以提供多個后處理的經(jīng)噪聲抑制的輸出信號的機構(gòu)250；以及將處理后的信號返回組合成時域PCM數(shù)據(jù)的機構(gòu)260。話音度量的計算器810用來進行話音/噪聲判斷過程。首先，來自信道SNR估計器的原始SNR估計用以給出話音度量表的索引，用以獲得每一信道的話音度量值。話音度量是信道能量整個類似于話音的特征的測量。將各個信道話音度量值相加，以產(chǎn)生第一多信道能量參數(shù)，并且隨后在閾值比較器820中的背景噪聲更新閾值比較。如果話音度量之和沒有超過閾值，則認為輸入幀是噪聲，并啟動噪聲能量計算器830重新計算每一信道中的噪聲能量來進行背景噪聲的更新。估計的噪聲能量由增益表590用來選擇每一信道的合適的增益。如果話音度量之和超過更新閾值，則認為該幀是話音幀，并且噪聲能量算器830不啟動對噪聲能量估計的更新。本發(fā)明提供了一個來自回波消除器10的附加使能信號(additional eneble signal)，當回波消除器10判斷僅出現(xiàn)遠端話音時，該信號使噪聲能量計算器830不啟動。該使能信號優(yōu)先于來自閾值比較器820的使能信號；即，如果噪聲能量計算器830由來自回波消除器10的信號中斷，則即使從閾值比較器820提供了使能信號，它也保持不啟動。這樣，采用回波消除器10的狀態(tài)信息，防止了背景噪聲估計被錯誤地更新。
在第二個實施例中，回波消除器10向能量計算器830提供使能信號，使得當判斷通話狀態(tài)是雙方用戶均為無聲時，啟動背景噪聲估計。沒有來自回波消除器10的使能信號，就不會發(fā)生背景噪聲更新。
在第三個實施例中，來自回波消除器的第二個信號被提供到噪聲抑制器，用以指示回波事實上是否出現(xiàn)在回波消除器的輸入端處。如圖4所示，第二個信號被標記為“回波預(yù)置？”，并且如果在回波消除器的輸入端處沒有回波，盡管狀態(tài)信息信號會不啟動更新，也能夠進行背景噪聲估計。當遠端話音沒有在傳輸信號上引入回波時，如果想要在僅處于遠端通話狀態(tài)期間更新背景噪聲估計，那么本實施例的必須的。
在基站中，自適應(yīng)濾波器用來取代噪聲抑制器38。自適應(yīng)濾波器用來變更近端通話，用以補償從近端通話者到遠端通話者的傳輸中的頻率劣化。自適應(yīng)濾波器系數(shù)在僅處于近端通話期間被更新。當回波消除器檢測到僅為近端通話時，來自回波消除器10的狀態(tài)信息被用來啟動更新。
回波消除器10提供的狀態(tài)判斷信息也可以用來控制檢音器34。如圖5所示，檢音器34由一個功能塊DTMF檢音器70構(gòu)成。在典型的實施例中，PCM編碼數(shù)據(jù)在64kbps的速率下由DTMF檢音器70接收，該速率即意味著對每105個數(shù)據(jù)幀進行操作。DTMF檢音器70采用AT&T應(yīng)用注釋中規(guī)定的頻率和偏移測試的Goertzel算法，來判斷是否出現(xiàn)了DTMF單音，AT&T的應(yīng)用注釋標題是“Dual-Tone Multifrequency Receiver Using the WE DSP 16 Digital SignalProcessor”。Goertael算法和AT&T應(yīng)用注釋是本領(lǐng)域中的技術(shù)人員所熟知的。如果檢測到DTMF單音，則信號由DTMF檢音器72送到Tx Mute 42，它指令TxMute 42用合成的噪聲代替DTMF單音。盡管PCM數(shù)據(jù)以后經(jīng)過噪聲抑制，但PCM數(shù)據(jù)隨后保持不變地被傳送到噪聲抑制器38，這是因為在DTMF單音的停頓期間，背景噪聲估計仍然可以由噪聲抑制器38來更新。
如果回波消除器10判斷僅出現(xiàn)了遠端通話，或者如果雙方用戶均為無聲，則來自回波消除器10的狀態(tài)信息用來不使DTMF檢音器70工作。這就節(jié)約了處理功率。當DTMF檢音器70不工作時，來自回波消除器10的PCM數(shù)據(jù)保持不變，并被提供到噪聲抑制器38。
在第二個實施例中，如果回波消除器10判斷僅出現(xiàn)了近端通話，則來自回波消除器10的狀態(tài)信息用來啟動檢音器70。對于所有其他的通話狀態(tài)，檢音器70將不被啟動。
來自回波消除器10的狀態(tài)判斷信號還用來控制Tx Mute 42。如圖6中所示，PCM數(shù)據(jù)由交換機76接收。如果回波消除器10僅檢測到遠端話音，則信號被傳送到交換機76，它用來自合成噪聲發(fā)生器74的合成噪聲取代了PCM數(shù)據(jù)。合成噪聲發(fā)生器74用來自聲碼器編碼器44的LPC參數(shù)和音量信息來與實際背景噪聲的頻譜特征相匹配。LPC參數(shù)和音量控制信息的討論將在后文中給出。如果不出現(xiàn)噪聲抑制，則旁路TxMute功能，使得PCM數(shù)據(jù)能夠不變地傳送到聲碼器編碼器44。
回波消除器10的狀態(tài)判斷功能還用來控制聲碼器編碼器44。聲碼器編碼器44的功能方框圖如圖7中所示。PCM數(shù)據(jù)從Tx Mute 42提供到話音活動檢測器80和閾值發(fā)生器78。話音活動檢測器80計算PCM數(shù)據(jù)信號的話音活動量。當近端通話者通話時，話音活動相當高。在近端無聲或單詞之間的短暫停頓期間，話音活動相當?shù)?。閾值發(fā)生器78根據(jù)經(jīng)過噪聲抑制的PCM數(shù)據(jù)的背景噪聲電平，計算三個閾值電平。只要話音活動檢測器判斷到通話活動的最小水平，則更新閾值電平。然而，如果來自回波消除器10的狀態(tài)判斷指示出通話狀態(tài)僅為遠端通話，則來自回波消除器10的狀態(tài)判斷信號被提供到閾值發(fā)生器78，中斷背景噪聲更新。必須防止這種情況下的背景噪聲更新，這是因為當近端通話者無聲時，如上面討論的那樣，合成噪聲取代了Tx Mute 42中的實際數(shù)據(jù)信號。不希望根據(jù)合成噪聲來更新背景噪聲估計信號。
在第二個實施例中，回波消除器10提供一個使能信號，使得當判斷通話狀態(tài)是雙方用戶均為無聲時，能夠進行背景噪聲估計。該實施例中，除非回波消除器10提供使能信號，否則將不會進行背景噪聲更新。
上面討論的三個計算的閾值被發(fā)送到閾值比較器82，在此形成速率編碼的判決基礎(chǔ)。以逐幀為基礎(chǔ)將話音活動電平與這些閾值比較。在典型的實施例中，每一幀含有160個取樣，或20毫秒的數(shù)據(jù)。如果話音活動能量在PCM數(shù)據(jù)的任一幀內(nèi)超過最高閾值，則判斷近端通話者在說話，通過多路復(fù)用器(mux)84將該幀復(fù)用起來并且用CELP 86在全速率下編碼。如果任一幀內(nèi)的含有活動能量小于最低的能量，則通過多路復(fù)用器84將該幀多路復(fù)用起來，并且在CELP 92在八分之一的速率下對其進行編碼。如果任一幀中的含有活動能量落在最高閾值與最低閾值之間，則分別用CELP 86和CELP 88在二分之一或四分之一速率下對該幀進行編碼。將CELP處理塊86到92中的每一個的輸出提供到后處理元件94，在此將它們組合起來，產(chǎn)生一個在本典型實施例中為1.2kbps和9.6kbps之間的可變數(shù)據(jù)速率幀。將后處理元件94的輸出發(fā)送到控制微處理器(未示出)。
上述較佳實施例的描述使得本領(lǐng)域中的技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明。很明顯，對于本領(lǐng)域中的技術(shù)人員來說，還可以對這些實施例進行各種修改，并且在無需發(fā)明人的幫助下將其中的基本原理應(yīng)用于其他的實施例。所以，本發(fā)明并非僅限于這些實施例，應(yīng)當在最寬的范圍內(nèi)來理解上述所揭示的原理和新特征。
權(quán)利要求
1.一種用于數(shù)字電話系統(tǒng)中的話音處理的裝置，其特征在于，它包含回波消除器，用來接收數(shù)字化的話音加回波信號、接收遠端話音信號，和提供經(jīng)抑制回波的輸出信號，所述回波消除器包含狀態(tài)判斷裝置，用來判斷正在進行的兩個通話者的通話狀態(tài)，所述狀態(tài)判斷裝置提供表示所述通話狀態(tài)的狀態(tài)信息信號；以及話音處理裝置，用來接收所述經(jīng)抑制回波的輸出和所述狀態(tài)信息輸出信號，以及用來采用所述狀態(tài)信息來控制所述話音處理裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述話音處理裝置包含檢音器；噪聲抑制器；傳輸噪聲抑制裝置；以及聲碼器編碼器。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述話音處理裝置包含檢音器；自適應(yīng)均衡器；傳輸噪聲抑制裝置；以及聲碼器編碼器。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述話音處理裝置是一個檢音器。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述檢音器包含輸入裝置，用來接收數(shù)字化的話音取樣和接收所述狀態(tài)信息信號；輸出裝置，用來提供所述數(shù)字化的話音取樣和提供指示DTMF單音選擇和持續(xù)時間的信號；單音檢測裝置，用來檢測DTMF單音；以及控制裝置，當所述信息信號指示出僅為遠端話音時中斷所述單音檢測裝置。
6.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述檢音器包含輸入裝置，用來接收數(shù)字化的話音取樣和接收所述狀態(tài)信息信號；輸出裝置，用來提供所述數(shù)字化的話音取樣和提供表示DTMF單音選擇和持續(xù)時間的信號；單音檢測裝置，用來檢測DTMF單音；以及控制裝置，當所述狀態(tài)信息信號指示僅為遠端話音時啟動所述單音檢測裝置。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述話音處理裝置是一個噪聲抑制器。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述噪聲抑制器包含輸入裝置，用來接收數(shù)字化的話音取樣和接收所述狀態(tài)信息信號；輸出裝置，用來提供經(jīng)噪聲抑制的數(shù)字化的話音信號；背景噪聲估計裝置，用來產(chǎn)生用于抑制背景噪聲的估計背景噪聲信號；以及控制裝置，當所述狀態(tài)信息信號指示僅為遠端話音時中斷所述背景噪聲估計裝置。
9.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述噪聲抑制器包含輸入裝置，用來接收數(shù)字化的話音取樣和接收所述狀態(tài)信息信號；輸出裝置，用來提供經(jīng)噪聲抑制的數(shù)字化的話音信號；背景噪聲估計裝置，用來產(chǎn)生用于抑制背景噪聲的估計背景噪聲信號；以及控制裝置，當所述狀態(tài)信息信號指示雙方通話者均為無聲時啟動所述背景噪聲估計裝置。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述話音處理裝置是一個傳輸噪聲抑制裝置。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述傳輸噪聲抑制裝置包含輸入裝置，用來接收數(shù)字化的話音取樣和接收所述狀態(tài)信息信號；輸出裝置，用來提供所述數(shù)字化話音取樣或一個合成噪聲信號；噪聲發(fā)生裝置，用來產(chǎn)生所述合成的噪聲信號；以及控制裝置，當所述狀態(tài)信息信號指示僅為遠端話音時用所述合成噪聲取代所述數(shù)字化的話音取樣。
12.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述話音處理裝置是一個聲碼器編碼器。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，所述聲碼器編碼器包含輸入裝置，用來接收數(shù)字化的話音取樣和接收所述狀態(tài)信息信號；輸出裝置，用來在減小的數(shù)據(jù)速率下提供經(jīng)編碼的數(shù)字話音包；背景噪聲估算裝置，用來產(chǎn)生用于確定對所述數(shù)字化話音取樣用哪個編碼速率的閾值信息；以及控制裝置，當所述狀態(tài)信息信號指示僅為遠端話音時中斷所述背景噪聲估算裝置。
14.如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，所述聲碼器編碼器包含輸入裝置，用來接收數(shù)字化的話音取樣和接收所述狀態(tài)信息信號；輸出裝置，用來在減小的數(shù)據(jù)速率下提供經(jīng)編碼的數(shù)字話音包；背景噪聲估算裝置，用來產(chǎn)生用于確定對所述數(shù)字化話音取樣用哪個編碼速率的閾值信息；以及控制裝置，當所述狀態(tài)信息信號指示雙方通話者為無聲時啟動所述背景噪聲估計裝置。
15.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述話音處理裝置是一個自適應(yīng)均衡器。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，所述自適應(yīng)均衡器包含輸入裝置，用來接收數(shù)字化的話音取樣和接收所述狀態(tài)信息信號；輸出裝置，用來提供經(jīng)頻率補償?shù)臄?shù)字化的話音信號；頻率估計裝置，用來估計所述數(shù)字化話音取樣的頻譜成份；以及控制裝置，當所述狀態(tài)信息信號指示僅為遠端話音時啟動所述頻率估計裝置。
17.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述回波消除器還包含回波檢測裝置，用來在所述回波消除器的輸入處判斷是存在還是不存在回波；以及輸出裝置，用來提供指示所述回波消除器的所述輸入處是否存在回波的信號。
18.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，所述話音處理裝置是一個噪聲抑制器，它包含輸入裝置，用來接收數(shù)字化的話音取樣、接收所述狀態(tài)信息信號和接收指示在所述回波消除器的所述輸入處是否有回波的所述信號；輸出裝置，用來提供經(jīng)噪聲抑制的數(shù)字化的話音信號；背景噪聲估計裝置，用來產(chǎn)生用于抑制背景噪聲的估計背景噪聲信號；以及控制裝置，當所述狀態(tài)信息信號指示僅為遠端話音并且所述回波檢測裝置指示沒有回波時啟動所述背景噪聲估計裝置。
19.一種包含回波消除器和數(shù)字處理元件的話音處理裝置中、采用來自所述回波消除器的狀態(tài)信息來控制所述數(shù)字處理元件的運行的方法，其特征在于，它包含下述步驟由所述回波消除器產(chǎn)生指示多個通話狀態(tài)的狀態(tài)信息信號；用來自所述回波消除器的所述狀態(tài)信息，控制所述數(shù)字處理元件。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述控制步驟還包含下述步驟當所述狀態(tài)信息信號指示僅為遠端通話時，中斷所述數(shù)字處理元件中的檢音器功能；當所述狀態(tài)信息信號指示僅為遠端通話時，中斷所述數(shù)字處理元件中由噪聲抑制功能執(zhí)行的背景噪聲估計計算；當所述狀態(tài)信息信號指示僅為遠端通話時，啟動用合成噪聲取代數(shù)字化的話音的傳輸噪聲抑制功能；以及中斷所述數(shù)字處理元件中由聲碼器編碼器功能執(zhí)行的背景噪聲估計計算。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述控制步驟還包含下述步驟當所述狀態(tài)信息信號指示僅為遠端通話時，中斷所述數(shù)字處理元件中的檢音器功能。
22.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述控制步驟還包含下述步驟當所述狀態(tài)信息信號指示僅為近端通話時，啟動所述數(shù)字處理元件中的檢音器功能。
23.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述控制步驟還包含下述步驟當所述狀態(tài)信息信號指示僅為遠端通話時，中斷由所述數(shù)字處理元件中的噪聲抑制功能執(zhí)行的背景噪聲估計計算。
24.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，它包含下述步驟當所述狀態(tài)信息信號指示雙方通話者均為無聲時，啟動所述數(shù)字處理元件中的噪聲抑制功能執(zhí)行的背景噪聲估計計算。
25.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述控制步驟還包含下述步驟當所述狀態(tài)信息信號指示僅為遠端通話時，啟動用合成的噪聲取代數(shù)字化話音的的傳輸噪聲抑制功能；以及中斷所有其他通話狀態(tài)的所述傳輸噪聲抑制功能。
26.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述控制步驟還包含下述步驟當所述狀態(tài)信息指示僅為遠端通話時，中斷所述數(shù)字處理元件中由聲碼器編碼器功能執(zhí)行的背景噪聲估計計算。
27.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述控制步驟還包含下述步驟當所述狀態(tài)信息信號指示雙方通話者均為無聲時，啟動由所述數(shù)字處理元件中的聲碼器編碼器功能執(zhí)行的背景噪聲估計計算。
28.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述控制步驟還包含下述步驟當所述狀態(tài)信息信號指示僅為近端通話時，啟動由所述數(shù)字處理元件中的自適應(yīng)均衡器功能執(zhí)行的頻率響應(yīng)更新。
29.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，它還包含下述步驟由所述回波消除器產(chǎn)生指示在所述回波消除器的輸入處是否存在回波的回波存在信號；以及用來自所述回波消除器的所述狀態(tài)信息信號和所述回波存在信號控制所述數(shù)字處理元件。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，所述控制步驟還包含下述步驟當所述狀態(tài)信息信號指示僅為遠端通話并且所述回波存在信號指示在所述回波消除器的輸入處存在回波的時候，中斷由所述數(shù)字處理元件中的噪聲抑制功能進行的背景噪聲估計計算；以及當所述狀態(tài)信息信號指示僅為遠端通話并且所述回波存在信號指示在所述回波消除器的輸入處存在回波時，啟動所述背景噪聲估計計算。
全文摘要
一種用來自回波消除器(10)的狀態(tài)判斷信息控制數(shù)字電話系統(tǒng)中的各個功能元件(34,38,42,44)的方法和裝置。回波消除器(10)用來估計電話通話期間兩個通話者是處于5種狀態(tài)中的哪一種狀態(tài)。該狀態(tài)判斷信息用來控制檢音器功能(34)、噪聲抑制器功能(38)、自適應(yīng)均衡器功能、傳輸噪聲抑制功能(42)。在遠端通話者工作而近端通話者不工作的通話狀態(tài)期間,回波消除器(10)提供使噪聲抑制器(38)和聲碼器(10)編碼器中的背景噪聲估計不工作的信號。同一信號還用來在該通話期間使檢音器(34)不工作和啟動傳輸噪聲抑制功能(42)。
文檔編號H04B3/20GK1249869SQ98803124
公開日2000年4月5日 申請日期1998年1月27日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月31日
發(fā)明者吉爾伯特·C·斯, 安東尼·P·莫羅 申請人:夸爾柯姆股份有限公司