АЛГОРИТМ АДАПТАЦИИ РАЗМЕРА ИЗМЕНЯЕМОГО БЛОКА ДЛЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОГО КОМПЕНСАТОРА АКУСТИЧЕСКОГО ЭХО Российский патент 2001 года по МПК H03H21/00 H04B3/23 

Изобретение относится к системам связи. Более точно, настоящее изобретение относится к новому и улучшенному адаптивному фильтру, в котором число последовательных выборок, по которым выполняется процедура усреднения для регулировки величин отводов адаптивного фильтра, изменяется в соответствии с уровнем шума в канале, на котором работает адаптивный фильтр.

Компенсаторы акустического эхо (АЕС) используются в конференц-связи и в приложениях с громкоговорящими телефонными аппаратами для устранения акустической обратной связи между громкоговорителем и микрофоном. В передвижной телефонной системе, в которой пассажир транспортного средства использует громкоговорящий телефон, компенсаторы акустического эхо используются на передвижной станции для обеспечения полной дуплексной связи.

Далее в описании водитель называется "говорящим на ближнем конце канала связи", а человек на другом конце канала связи называется "говорящим на дальнем конце канала связи". Речь говорящего на дальнем конце передается по радио из громкоговорителя в автомобиле. Если эта речь воспринимается микрофоном, то говорящий на дальнем конце слышит раздражающее эхо его или ее голоса. Компенсатор акустического эхо идентифицирует канал с неизвестным эхо-сигналом между громкоговорителем и микрофоном, используя адаптивный фильтр, генерирует опорный сигнал эхо-сигнала и вычитает его из входного сигнала микрофона для подавления отраженного сигнала говорящего на дальнем конце канала связи.

Ниже на фиг. 1 показана блок-схема традиционного компенсатора акустического эхо-сигнала. Путь эхо-сигнала показан штриховыми линиями. Речь с дальнего конца x(n) передается в виде выходного сигнала громкоговорителя и проходит через канал 6 с неизвестным эхо-сигналом, который изображен в виде элемента, хотя в действительности он представляет совокупность микрофона, находящегося на ближнем конце, и громкоговорителя, находящегося на ближнем конце канала связи, которые формируют эхо-сигнал y(n).

На вход микрофона на ближнем конце поступает сумма эхо-сигнала (отраженного сигнала) y(n), канального шума w(n) и речевого сигнала с ближнего конца v(n), суммирование которых показано с помощью суммирующих элементов 8 и 10, которые изображены только для иллюстрации. Принятый сигнал r(n) ближнего конца - это сумма эхо-сигнала y(n), канального шума w(n) и речевого сигнала с ближнего конца v(n).

Когда разговаривает только говорящий с дальнего конца канала связи, коэффициенты фильтра, представляемые в виде вектора , согласовываются таким образом, чтобы отслеживать импульсивный отклик в канале с неизвестным эхо-сигналом. Элемент 2 управления адаптацией принимает сигнал ошибки или остаточный сигнал e(n) и речевой сигнал с дальнего конца x(n), а в отклике формирует сигнал корректировки отвода для адаптивного фильтра 4. Адаптивный фильтр 4 принимает сигнал корректировки отвода и корректирует величины отвода фильтра в соответствии с сигналом корректировки отвода. В соответствии с адаптированными коэффициентами фильтра и речевым сигналом с дальнего конца x(n) адаптивный фильтр 4 генерирует опорный сигнал эхо-сигнала , который поступает в элемент 12, выполняющий вычитание. Вычитающий элемент 12 вычитает из принятого сигнала ближнего конца r(n) сигнал оценки эхо-сигнала (отраженного сигнала) .

Обычно алгоритм, используемый для обновления коэффициентов отвода фильтра, которые отслеживают отклик в канале связи эхо-сигнала, является алгоритмом адаптации методом минимальной среднеквадратичной ошибки. Порядок фильтра обозначается буквой N, вектор речевого сигнала с дальнего конца представляется в следующем виде:
= [x(n)x(n-1)x(n-2) ... x(n-N+1)], (1)
а вектор коэффициентов фильтра-отвода представляется в виде
= [h₀(n)h₁(n)h₂(n) ... (h_n-1(n). (2)
По мере приема новой выборки r(n) согласно этому алгоритму вычисляется оценка эхо-сигнала на основе текущих значений отвода фильтра

Этот сигнал оценки отраженного сигнала вычитается из принятого на ближнем конце сигнала r(n), так что остаток эхо-сигнала выражается в следующем виде:
e(n) = r(n) - (n). (4)
Этот алгоритм адаптации непригоден, когда разговаривает говорящий на ближнем конце канала связи, так что вектор коэффициента отвода обновляется тогда следующим образом:

где α - размер шага адаптации,
а сигнал ошибки в отсутствии речевого сигнала с ближнего конца v(n) и шума w(n) задается в виде
e(n) = y(n) - (n). (6)
Алгоритм наименьшей среднеквадратичной ошибки (LMS) имеет такое название, поскольку согласно этому алгоритму выполняется минимизация среднеквадратичной ошибки
MSE(n) = E[e²(n)]. (7)
Алгоритм LMS также называют методом "стохастического градиента", поскольку аппроксимация для производной МSE(n) по вектору коэффициентов отвода задается соотношением

Так как градиент указывает направление, в котором среднеквадратичная ошибка увеличивается наиболее резко, каждое обновление коэффициента отвода выполняется в противоположном направлении к градиенту путем согласования величин отвода относительно инвертированного градиента.

Основные достоинства алгоритма LMS заключаются в том, что он требует проведения меньшего количества вычислений, чем в других адаптивных методах, и его устойчивость может гарантироваться за счет подходящего выбора размера шага. Этот алгоритм работает по принципу "от выборки к выборке", т.е. вектор коэффициентов отвода обновляется с каждой новой выборкой.

В другом варианте, называемом алгоритмом минимальной среднеквадратической ошибки блока, обновление вектора коэффициентов отвода выполняется, используя блок из L выборок. До того, как принимается каждая новая выборка r(n), согласно этому алгоритму вычисляются ошибка эхо-сигнала и сигнал е(n) остаточного эхо. Однако вместо мгновенного обновления коэффициентов фильтра согласно этому алгоритму усредняются L последовательных мгновенных значений отрицательного градиента ("2" в выражении для градиента вошла в размер α шага) и вектор коэффициентов обновляется один раз для блока из L выборок. Таким образом, алгоритм LMS блока может быть выражен в следующем виде:

Заметим, что, если L= 1, то это уравнение сводится к алгоритму LMS, с выборкой, представленному в уравнении 5, поэтому алгоритм LMS с выборкой может рассматриваться как вырожденный случай алгоритма LMS блока. Преимущество, связанное с выбором размера блока L, большего чем 1, реализуется в том случае, если имеется шум. Как показано на фиг. 1, любой шум w(n), имеющийся в канале с эхо-сигналом, добавляется к эхо-сигналу y(n) и, таким образом, появляется в сигнале ошибки:
e(n) = y(n) + w(n) - (n). (10)
Поэтому направление градиента для каждой выборки искажается из-за шумов, что приводит к тому, что алгоритм LMS с выборкой (L=1) имеет большее время сходимости и большую асимптотическую среднеквадратичную ошибку. Однако, выбирая L > 1, мы усредняем L последовательных вариантов градиента для получения более точной оценки, поскольку положительные и отрицательные шумовые выборки будут стремиться скомпенсировать друг друга во время процесса усреднения.

Настоящее изобретение представляет собой новый и улучшенный адаптивный фильтр, то есть более устойчивый к окружающим условиям, которые характеризуются изменяющимся уровнем шума. Наилучшее выполнение настоящего изобретения показано на примере наилучшего варианта компенсатора акустического эхо.

Если шум w(n) небольшой по сравнению с величиной эхо (отраженным сигналом), то алгоритм LMS с выборкой (L=1) сходится более быстро, чем алгоритм LMS блока (L > 1) для того же размера шага α. По мере того, как шумовой сигнал увеличивается по амплитуде, оптимальный размер L блока также увеличивается для получения максимальной скорости сходимости.

В настоящем изобретении представлены способ и устройство, в которых установление размера блока L согласовывается с величиной шума в канале. В предпочтительном варианте размер блока L устанавливается в ответ на мгновенное значение отношения сигнал/шум (SNR). В наилучшем выполнении настоящего изобретения раскрыт компенсатор эхо, который включает адаптивный фильтр, отводы которого адаптируются в соответствии с методом LMS блока с изменяющимся размером согласно настоящему изобретению.

В наилучшем варианте эхо-компенсатора адаптивный фильтр генерирует сигнал оценки эхо-сигнала , который вычитается из сигнала r(n), принятого на ближнем конце, для получения остаточного сигнала e(n). Уровень шума в канале отслеживается и в соответствии с величиной уровня шума в канале выбирается адаптированный размер L блока. Затем величины отвода адаптивного фильтра корректируются или согласуются в соответствии с речевым сигналом x(n) с дальнего конца, остаточным сигналом e(n) и размером L блока адаптирования, как показано в уравнении (9).

Несмотря на то, что наилучшая реализация настоящего изобретения показана в виде компенсатора акустического эхо, очевидно, что объем настоящего изобретения распространяется на использование в любом оборудовании, где применяются адаптивные фильтры и характеристики канального шума подвержены изменениям.

Признаки, цели и достоинства настоящего изобретения будут более очевидными из подробного описания, представленного ниже, с учетом чертежей, на которых приведена сквозная нумерация позиций и где:
фиг. 1 - блок-схема компенсатора эхо, использующего обычный алгоритм LMS с фиксированным размером блока; и
фиг. 2 - блок-схема наилучшего выполнения настоящего изобретения с использованием алгоритма LMS с изменяющимся размером блока в компенсаторе акустического эхо.

В настоящем изобретении представлены способ и устройство, которые регулируют размер L блока в зависимости от уровня шума в канале. В предпочтительном варианте размер L блока регулируется в соответствии с мгновенным значением отношения сигнал/шум (SNR). В идеальном случае сигнал, который соответствует мгновенному значению SNR, является эхо-сигналом, так что отношение сигнал/шум в момент времени n, SNR(n) вычисляется как
SNR(n) (dB) = 10 log₁₀[E_y(n)/E_w(n)], (11)
где E_y(n) - энергия эхо-сигнала в момент времени n;
E_w(n) - энергия шумового сигнала в момент времени n.

Однако поскольку действительная величина y(n) является неизвестной величиной в фильтре, энергия эхо-сигнала E_y(n) может аппроксимироваться как

в течение периода времени, когда разговаривает только "говорящий на дальнем конце канала связи". Аналогично, поскольку в фильтре неизвестен шумовой сигнал w(n), шумовая энергия E_w(n) может вычисляться следующим образом:

когда молчат "говорящие" и на дальнем, и на ближнем конце канала связи. Используя аппроксимацию в уравнениях (10) и (11), аппроксимация отношения сигнала к шуму SNR(n) из уравнения (11) может быть вычислена, как

Обратимся теперь к фиг. 2, элемент 30 детектирования речевого сигнала отслеживает энергию сигналов х(n), r(n) и e(n) для того, чтобы определить, когда говорит только "говорящий на дальнем конце", а когда не говорит никто. Элемент 30 детектирования речевого сигнала формирует сигналы управления для элемента 22 вычисления SNR. Элемент 22 вычисления SNL также принимает сигнал r(n), принятый с ближнего конца, и вычисляет , и , как показано выше, в соответствии с сигналами управления, поступающими из элемента 30 детектирования речевого сигнала. Элемент 22 вычисления SNR выдает значение для элемента 20 выбора размера блока, который выбирает размер L блока адаптации в соответствии с значением . Элемент 20 выбора размера блока адаптации выдает размер L блока адаптации для элемента 26 управления адаптацией.

Элемент 26 управления адаптацией принимает речевой сигнал x(n) с дальнего конца и сигнал ошибки e(n) помимо размера L блока адаптации и в соответствии с этими входными сигналами определяет величины корректировки отвода фильтра следующим образом:

Величины корректировки отвода фильтра поступают в адаптивный фильтр 28 из элемента 26 управления адаптацией. В ответ на величины корректировки отвода фильтра адаптивный фильтр 28 генерирует скорректированные величины отвода фильтра

Кроме того, адаптивный фильтр 28 принимает речевой сигнал x(n) с дальнего конца и генерирует сигнал оценки эхо-сигнала в соответствии со скорректированными величинами отвода фильтра и речевого сигнала x(n) с дальнего конца. Затем сигнал оценки эхо-сигнала вычитается из сигнала r(n), принятого на ближнем конце, в элементе 36 вычитания.

В наилучшем варианте настоящее изобретение было описано в применении к компенсатору акустического эхо. Это частное полезное приложение настоящего изобретения, поскольку уровень шума в автомобиле непрерывно изменяется из-за многочисленных факторов, таких как скорость транспортного средства, неровность дороги, погодные условия, изменяющийся внешний шум, а также в зависимости от того, открыты или закрыты окна автомобиля. Например, водитель может начать звонить, сидя в припаркованном автомобиле, когда устройство согласно настоящему изобретению будет устанавливать L, равное 1, для получения наиболее быстрой сходимости. Когда автомобиль стартует и заработает двигатель, устройство будет детектировать падение значения SNR и автоматически увеличивать L, например, до 32. По мере движения автомобиля через тихую зону отдыха устройство согласно настоящему изобретению может уменьшить L до 16, а при въезде на ухабистое бездорожье устройство согласно настоящему изобретению может опять увеличить L до 64. Для получения наиболее быстрой сходимости важен этот автоматический выбор размера блока, поскольку адаптивный фильтр должен непрерывно обновлять свои параметры с учетом изменений в акустическом канале между громкоговорителем и микрофоном.

В другом варианте настоящего изобретения устройство содержит несколько адаптивных фильтров, каждый из которых применяет различные длины усреднения для адаптации коэффициентов фильтров. Затем выходной источник динамически выбирается из выходных сигналов группы адаптивных фильтров. В еще одном варианте изобретения вместо непосредственного изменения размеров блока временно могут использоваться блоки одного размера, расположенные уступами.

Несмотря на то, что наилучший вариант настоящего изобретения представлен в виде компенсатора акустического эхо, оно может применяться в любых устройствах, в которых используются адаптивные фильтры, а характеристики канального шума подвержены изменениям, как, например, в сетевом эхоподавителе и канальном корректирующем устройстве.

Предыдущее описание предпочтительных вариантов изобретения позволяет любому специалисту в данной области техники осуществить или использовать настоящее изобретение. Различные модификации этих вариантов вполне очевидны для специалистов в данной области техники, и основные принципы, определенные в описании, могут использоваться для других вариантов без применения изобретательских способностей. Таким образом, подразумевается, что настоящее изобретение не ограничивается вариантами, показанными в описании, а охватывает наиболее широкий объем, определяемый основными принципами и новыми признаками, раскрытыми в описании.

Изобретение относится к системе связи и, в частности, к адаптивным фильтрам. Изобретение касается способа и устройства, которое автоматически регулирует размер блока адаптации адаптивного фильтра с алгоритмом наименьшей среднеквадратичной ошибки (LMS) в зависимости от входного значения отношения сигнала к шуму (SNR). Устройство отслеживает мгновенные значения SNR и непрерывно регулирует размер блока элементом выбора размера блока с помощью элемента управления адаптацией для получения высокой помехоустойчивости благодаря увеличению скорости сходимости фильтра и уменьшения асимптотической среднеквадратической ошибки. Наилучший вариант осуществления настоящего изобретения представлен в виде компенсатора акустического эхо, причем адаптивный фильтр согласно изобретению является полезным для любого устройства, в котором шумовые характеристики подвержены изменениям. Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, состоит в улучшении адаптивного фильтра, более устойчивого к окружающим условиям, которые характеризуются изменяющимся уровнем шума. 4 с. и 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Адаптивный фильтр, имеющий элемент управления адаптацией для приема речевого сигнала с дальнего конца канала связи и сигнала ошибки и предназначен для определения, по меньшей мере, одной величины корректировки отвода фильтра на основании речевого сигнала с дальнего конца канала связи и сигнала ошибки и подачи, по меньшей мере, одной величины корректировки отвода фильтра на адаптивный фильтр, который имеет вход для приема речевого сигнала с дальнего конца канала связи и предназначен для корректировки, по меньшей мере, одного значения фильтра в соответствии, по меньшей мере, с одной величиной корректировки отвода фильтра и генерирует опорный эхо-сигнал в соответствии, по меньшей мере, с одной величиной корректировки отвода фильтра, отличающийся тем, что в него введены элемент вычисления отношения сигнал-шум (ОСШ) для отслеживания уровня шума канала связи и для выдачи сигнала, указывающего уровень шума, и элемент выбора размера блока адаптации для приема сигнала, указывающего уровень шума, для выбора изменяемого значения размера блока адаптации и для выдачи изменяемого значения размера блока адаптации в элемент управления адаптацией, который предназначен для приема изменяемого значения размера блока адаптации, причем элемент управления адаптации вычисляет, по меньшей мере, одну величину корректировки отвода фильтра в ответ на изменяемое значение размера блока адаптации, речевой сигнал с дальнего конца канала связи и сигнал ошибки. 2. Эхо-компенсатор для подавления отраженного сигнала речевого сигнала с дальнего конца канала связи, имеющий элемент управления адаптацией, имеющий вход речевого сигнала с дальнего конца канала связи и вход сигнала ошибки, причем элемент управления адаптацией предназначен для определения, по меньшей мере, одной величины корректировки отвода фильтра на основании речевого сигнала с дальнего конца канала связи и сигнала ошибки и для выдачи, по меньшей мере, одной величины корректировки отвода фильтра на адаптивный фильтр, который имеет вход для речевого сигнала с дальнего конца канала связи и вход с элемента управления адаптацией для приема, по меньшей мере, одной величины корректировки отвода фильтра и предназначен для корректировки, по меньшей мере, одного значения фильтра в соответствии, по меньшей мере, с одной величиной корректировки отвода фильтра и для обеспечения выхода сигнала оценки отраженного сигнала в соответствии, по меньшей мере, с одним скорректированным значением фильтра, отличающийся тем, что в него введен элемент вычисления отношения сигнал-шум (ОСШ), предназначенный для отслеживания уровня шума сигнала, принятого на ближнем конце канала связи, и для выдачи сигнала, указывающего уровень шума сигнала, принятого на ближнем конце канала связи, на элемент выбора размера блока адаптации, элемент детектирования речевого сигнала для отслеживания речевого сигнала с дальнего конца канала связи, сигнала, принятого на ближнем конце канала связи, и сигнала ошибки, и для выдачи сигнала управления на элемент вычисления ОСШ, причем сигнал управления используется элементом вычисления ОСШ для отслеживания уровня шума сигнала, принятого на ближнем конце канала связи, элемент вычитания для вычитания сигнала оценки отраженного сигнала из сигнала, принятого на ближнем конце канала связи для получения сигнала ошибки, элемент выбора размера блока адаптации для определения изменяемого размера блока адаптации на основании уровня шума сигнала, принятого на ближнем конце канала связи, и выдачи изменяемого значения размера блока адаптации в элемент управления адаптацией, и элемент управления адаптацией предназначен для приема изменяемого значения размера блока адаптации и для вычисления, по меньшей мере, одной величины корректировки отвода фильтра в ответ на изменяемое значение размера блока адаптации, речевой сигнал с дальнего конца канала связи и сигнал ошибки. 3. Эхо-компенсатор по п.2, дополнительно отличающийся тем, что содержит упомянутый элемент детектирования речевого сигнала для определения, когда говорит только один говорящий на дальнем конце канала связи и когда не говорит ни говорящий на дальнем конце канала связи, ни говорящий на ближнем конце канала связи, причем элемент детектирования речевого сигнала осуществляет определение по состоянию входа для речевого сигнала с ближнего конца канала связи, входа для речевого сигнала с дальнего конца канала связи и входа сигнала ошибки, и элемент детектирования речевого сигнала имеет выход, подсоединенный к элементу вычисления ОСШ для обеспечения сигнала управления, указывающего определение, а элемент вычисления ОСШ вычисляет сигнал уровня шума в соответствии с сигналом управления. 4. Способ адаптивной фильтрации речевого сигнала с дальнего конца канала связи с использованием адаптивного фильтра, имеющего элемент управления адаптацией, имеющий один вход для приема речевого сигнала с дальнего конца канала связи и вход сигнала ошибки, причем элемент управления адаптацией предназначен для определения, по меньшей мере, одной величины корректирования отвода фильтра и для подачи, по меньшей мере, одной величины корректировки отвода фильтра на адаптивный фильтр, который имеет вход для приема речевого сигнала с дальнего конца канала связи и предназначен для корректировки, по меньшей мере, одного значения фильтра в соответствии, по меньшей мере, с одной величиной корректировки отвода фильтра и выдачи сигнала оценки отраженного сигнала в соответствии, по меньшей мере, с одной величиной корректировки отвода фильтра, отличающийся тем, что отслеживают уровень шума канала связи, выдают сигнал, указывающий уровень шума, который используют для определения изменяемого значения размера блока адаптации, вычитают сигнал оценки отраженного сигнала из сигнала, принятого на ближнем конце канала связи, для определения сигнала ошибки, определяют, по меньшей мере, одну величину корректировки отвода фильтра в соответствии с изменяемым значением размера блока адаптации, речевым сигналом с дальнего конца канала связи и сигналом ошибки. 5. Способ подавления отраженного сигнала речевого сигнала с дальнего конца канала связи с использованием эхо-компенсатора, имеющего элемент управления адаптацией, имеющий вход речевого сигнала с дальнего конца канала связи и вход сигнала ошибки, причем элемент управления адаптацией предназначен для определения, по меньшей мере, одной величины корректировки отвода фильтра на основании речевого сигнала с дальнего конца канала связи и сигнала ошибки и для выдачи, по меньшей мере, одной величины корректировки отвода фильтра на адаптивный фильтр, который имеет вход для речевого сигнала с дальнего конца канала связи и вход с элемента управления адаптацией для приема, по меньшей мере, одной величины корректировки отвода фильтра и предназначен для корректировки, по меньшей мере, одного значения фильтра в соответствии, по меньшей мере, с одной величиной корректировки отвода фильтра и обеспечения выхода сигнала оценки отраженного сигнала в соответствии, по меньшей мере, с одним скорректированным значением фильтра на элемент вычитания, предназначенный для вычитания сигнала оценки, отраженного сигнала из сигнала, принятого на ближнем конце канала связи, для получения сигнала ошибки, отличающийся тем, что отслеживают речевой сигнал с дальнего конца канала связи, сигнал ошибки и сигнал, принятый на ближнем конце канала связи с помощью элемента детектирования речевого сигнала, отслеживают уровень шума сигнала, принятого на ближнем конце канала связи, с помощью элемента вычисления отношения сигнал-шум (ОСШ), выдают сигнал, указывающий уровень шума, на элемент выбора размера блока адаптации, определяют изменяемое значение размера блока адаптации с использованием сигнала, указывающего уровень шума, и выдают изменяемое значение размера блока адаптации на элемент управления адаптацией, и определяют, по меньшей мере, одну величину корректировки отвода фильтра, соответствующую изменяемому значению размера блока адаптации, и выдают, по меньшей мере, одну величину корректировки отвода фильтра в адаптивный фильтр. 6. Cпособ по п.5, отличающийся тем, что определяют, когда говорит один говорящий на дальнем конце канала связи и когда не говорит ни говорящий на дальнем конце канала связи, ни говорящий на ближнем конце канала связи, и обеспечивают сигнал управления, указывающий, когда говорит только один говорящий на дальнем конце канала связи и когда не говорит ни говорящий на дальнем конце канала связи, ни говорящий на ближнем конце канала связи, для определения сигнала, указывающего уровень шума.