алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо
Классы МПК: | H03H21/00 Адаптивные (самонастраивающиеся) схемы H04B3/23 с использованием копии передаваемого сигнала во временной области, например эхоподавитель |
Автор(ы): | СИХ Джилберт С. (US), АНТОНИО Франклин П. (US) |
Патентообладатель(и): | КВЭЛКОММ ИНКОРПОРЕЙТЕД (US) |
Приоритеты: |
подача заявки:
1994-10-27 публикация патента:
20.08.2001 |
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.
Рисунок 1, Рисунок 2
Формула изобретения
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.Описание изобретения к патенту
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![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-2t.gif)
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-3t.gif)
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-4t.gif)
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-5t.gif)
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-6t.gif)
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-7t.gif)
а вектор коэффициентов фильтра-отвода представляется в виде
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-8t.gif)
По мере приема новой выборки r(n) согласно этому алгоритму вычисляется оценка эхо-сигнала
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-9t.gif)
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-10t.gif)
Этот сигнал оценки отраженного сигнала
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-11t.gif)
e(n) = r(n) -
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-12t.gif)
Этот алгоритм адаптации непригоден, когда разговаривает говорящий на ближнем конце канала связи, так что вектор коэффициента отвода обновляется тогда следующим образом:
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-13t.gif)
где
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172005/945.gif)
а сигнал ошибки в отсутствии речевого сигнала с ближнего конца v(n) и шума w(n) задается в виде
e(n) = y(n) -
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-14t.gif)
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
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-15t.gif)
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
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-16t.gif)
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-17t.gif)
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-18t.gif)
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172005/945.gif)
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-19t.gif)
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-20t.gif)
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) -
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-21t.gif)
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
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172005/945.gif)
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-22t.gif)
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[Ey(n)/Ew(n)], (11)
где Ey(n) - энергия эхо-сигнала в момент времени n;
Ew(n) - энергия шумового сигнала в момент времени n. Однако поскольку действительная величина y(n) является неизвестной величиной в фильтре, энергия эхо-сигнала Ey(n) может аппроксимироваться как
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-23t.gif)
в течение периода времени, когда разговаривает только "говорящий на дальнем конце канала связи". Аналогично, поскольку в фильтре неизвестен шумовой сигнал w(n), шумовая энергия Ew(n) может вычисляться следующим образом:
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-24t.gif)
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
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-25t.gif)
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
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-26t.gif)
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-27t.gif)
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-28t.gif)
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-29t.gif)
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-30t.gif)
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-31t.gif)
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-32t.gif)
Величины
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-33t.gif)
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-34t.gif)
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-35t.gif)
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-36t.gif)
Кроме того, адаптивный фильтр 28 принимает речевой сигнал x(n) с дальнего конца и генерирует сигнал оценки эхо-сигнала
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-37t.gif)
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-38t.gif)
![алгоритм адаптации размера изменяемого блока для помехоустойчивого компенсатора акустического эхо, патент № 2172553](/images/patents/299/2172553/2172553-39t.gif)
Класс H03H21/00 Адаптивные (самонастраивающиеся) схемы
Класс H04B3/23 с использованием копии передаваемого сигнала во временной области, например эхоподавитель