專利名稱：通過包含隱藏信息來改進自適應濾波器的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通信系統，更特別涉及通信系統中聲頻信號的自適應濾波。
背景技術：
在當今的通信系統中普遍使用了自適應濾波裝置。此類裝置典型用于減少或去除不想要的信號成分和/或控制或增強想要的信號成分。
此類濾波裝置常見的例子涉及免提電話，其中傳統電話聽筒的內置耳機和麥克風分別由外接揚聲器和外接麥克風所替代，因此電話用戶可以不用手持電話裝置就可以通話。由于外接揚聲器發(fā)出的聲音會被外接麥克風拾取，所以為了防止揚聲器輸出回聲并干擾位于通話另一端的遠端用戶，普遍進行了自適應濾波。這種自適應濾波或回聲消除成為當今全雙工、免提通信設備的基本特征。
實現回聲消除的典型方法是將揚聲器信號通過一個近似或仿效免提揚聲器和免提麥克風之間聲回聲路徑(舉例來說，汽車免提電話應用中的駕駛室)的自適應有限脈沖響應(FIR)濾波器。因此FIR濾波器提供了一個回聲估計，可以在麥克風輸出信號傳輸到遠端用戶之前消除它。自適應FIR濾波器的濾波特征曲線(也就是FIR系數集)是根據揚聲器輸入和消除了回聲的麥克風輸出兩者動態(tài)、連續(xù)調整的，以提供對回聲路徑的精確近似和跟蹤回聲路徑的變化(舉例來說，當汽車免提電話的近端用戶改變了其在駕駛室內的位置時)。
濾波特征曲線的調整通常是使用已知的最小均方(LMS)自適應算法來完成，該算法是由Widrow和Hoff在1960年提出的。LMS算法是最小平方隨機梯度步進方法，由于該方法有效且穩(wěn)定，所以常常用在很多實時應用中。但是LMS算法及其已知變形(例如歸一化LMS或NLMS算法)有一些缺陷。例如，LMS算法有時會收斂(也就是逼近目標濾波特征曲線，如免提電話應用中的聲回聲路徑)緩慢，特別是當基于非白色或有色輸入信號來適應或訓練算法的時候。
由于訓練信號(即揚聲器信號)包括人的語音，而人的語音，特別是對濁音(元音聲)來說，只會激勵全部可能信號空間的很小一部分，且具有緩慢衰減的自相關屬性，所以緩慢的LMS適應是免提電話環(huán)境中的一個特殊問題。此外，近端的背景噪聲(例如汽車駕駛室和公路的噪聲)會干擾并進一步延緩LMS適應進程。所以在免提電話和其它環(huán)境中需要改進自適應濾波技術。

發(fā)明內容
本發(fā)明通過提供快速收斂自適應濾波算法來滿足上述和其它的需求。根據典型實施方案，傳統自適應算法的收斂速度是通過將自適應增強信號與傳統算法訓練信號結合起來形成一個增強的或最優(yōu)的訓練信號來得到提高的。選取的自適應增強信號要具有使自適應算法收斂速度更快的屬性(舉例來說，采樣之間的光譜白區(qū)和快速衰落的自相關)。有利的是自適應增強信號可以與傳統訓練信號結合，這樣增強訓練信號不會與傳統訓練信號有明顯的不同。例如，在免提電話環(huán)境中，可以定制自適應增強信號使其可以被揚聲器信號遮蔽(即傳統訓練信號)，從而對于電話用戶來說是聽不見的。
根據本發(fā)明的典型信號處理設備包括一個自適應濾波器，配置該濾波器，使其對輸入信號進行濾波，從而提供一個濾波后的輸出信號的，自適應濾波器的濾波特征曲線可以根據濾波后的輸出信號和訓練信號進行動態(tài)調整。典型信號處理設備還包括一個自適應增強處理器，用于將自適應增強信號與參考信號結合起來提供訓練信號，自適應增強信號根據參考信號動態(tài)調整。有利的是自適應增強信號可以是被參考信號遮蔽的訓練信號的不可聞部分。例如，自適應增強信號可以通過用參考信號的遮蔽頻率對白色偽噪聲序列或可重現最大長度序列進行濾波來產生。自適應增強信號還可以通過對參考信號先音頻編碼，然后再音頻解碼來產生。
根據本發(fā)明的典型方法包括下列步驟計算參考信號的遮蔽頻率，根據參考信號遮蔽頻率計算自適應增強信號，根據參考信號和自適應增強信號計算訓練信號和根據訓練信號計算自適應濾波器的特征曲線。同上面一樣，自適應增強信號可以是訓練信號中被參考信號遮蔽的聽不見的部分。例如，計算自適應增強信號的步驟可以包括用參考信號的遮蔽頻率對白色偽噪聲序列或可重現最大長度序列進行濾波的步驟。計算自適應增強信號的步驟還可以包括先對參考信號進行音頻編碼，然后再對參考信號進行音頻解碼的步驟。
下面將結合在附圖中舉例說明的例子詳細解釋本發(fā)明的上述和其它的特性和優(yōu)點。令那些本領域中的熟練人員欣賞的是，所講述的實施方案是出于舉例說明和理解的目的而給出的，在這里可以構思很多等效實施方案。
附圖描述

圖1是實現了本發(fā)明自適應增強技術的典型免提電話系統的方框圖。
圖2是描述與單聲調對應的典型瞬時遮蔽頻率的光譜曲線。
圖3是根據本發(fā)明的典型自適應增強處理器的方框圖。
圖4是另一種根據本發(fā)明的自適應增強處理器的方框圖。
發(fā)明詳述圖1描述的是應用了根據本發(fā)明的自適應增強技術的典型免提電話系統100的方框圖。如圖所示，典型系統100包括麥克風110、揚聲器120、加法器130、有限脈沖響應(FIR)濾波器140、最小均方(LMS)互相關器150和自適應增強處理器160。令那些本領域中的熟練人員欣賞的是，下面講述的、在圖1中描述的組件的功能性可以使用已知的數字信號處理硬件和/或通用數字計算機來實現。還令那些本領域中的熟練人員欣賞的是，典型系統100實際上包括的從圖1中忽略的組件(例如，麥克風110輸出端的模數轉換器和揚聲器120輸入端的數模轉換器)對于理解本發(fā)明而言是不重要的。
在工作時，包含遠端用戶(沒有顯示)語音的遠端音頻信號輸入到為近端用戶(也沒有顯示)發(fā)聲的揚聲器120。然后揚聲器的輸出通過未知的和時變的回聲路徑，如圖1中可變傳遞函數H(z)所示，回聲返回到麥克風110。因此，麥克風110的音頻輸出包括揚聲器回聲、近端用戶語音和近端背景噪聲。為了防止揚聲器回聲到達并干擾遠端用戶，FIR濾波器140對揚聲器輸出進行濾波，提供一個由麥克風110接收的揚聲器回聲的估計，再通過加法器130從麥克風輸出中減去得到的估計。然后將加法器130得到的、消除回聲的輸出傳輸到遠端用戶，并反饋回LMS互相關器150用于自適應FIR濾波器140的濾波器系數或抽頭，這樣它們會沿著真實的回聲路徑H(z)收斂。LMS互相關器150在技術中是已知的，它根據消除回聲的輸出信號，或錯誤信號，和揚聲器輸入信號，或訓練信號，兩者來計算濾波器系數校正。
在傳統系統中，遠端音頻信號直接傳遞給為近端用戶發(fā)聲的揚聲器，數字化的遠端音頻信號直接用作改善回聲估計的訓練或參考信號(即數字化遠端音頻直接輸入FIR濾波器140和LMS互相關器150)。結果如上所述，使FIR濾波器140的濾波器系數沿著真實的回聲路徑H(z)緩慢收斂。換句話說，由于遠端用戶語音具有緩慢衰減的自相關屬性并只激勵全部可能信號空間的很小一部分，所以用遠端音頻信號訓練基于LMS的算法并不理想。
但是，根據本發(fā)明，遠端音頻信號不是直接用作LMS處理的訓練信號。相反，自適應增強處理器160將遠端音頻信號用作改善自適應增強信號(即屬性更適合訓練自適應算法的信號)的參考，該信號與遠端音頻信號結合，得到一個最優(yōu)的自適應增強訓練信號。有利的是，最優(yōu)訓練信號和遠端音頻參考信號(即傳統訓練信號)之間的區(qū)別可以做到對人耳而言是察覺不到的。更特別的是，可以定制自適應增強信號，使其被遠端音頻信號遮蔽，從而對近端用戶而言是聽不見的。結果從近端用戶的角度來看，在不影響系統性能的情況下達到了自適應增強。
為了使聽遠端音頻信號的近端用戶察覺不到自適應增強信號，使用了已知的人類聽覺機理的遮蔽屬性。更特別的是實時計算遠端音頻信號的動態(tài)遮蔽頻率，并根據遮蔽頻率動態(tài)調整自適應增強信號，從而使自適應增強信號保持是聽不見的。換句話說，要不停的調整自適應增強信號，使其有效的被遠端音頻信號隱藏。
圖2中描述了一個信號被另一個信號遮蔽的情況。在圖中顯示了單音信號230的瞬時遮蔽頻率210。瞬時遮蔽頻率210定義了一個被單音230遮蔽(也就是使其不可聞)的瞬時區(qū)域220。換句話說，所有頻譜成分位于區(qū)域220之內的信號不會被聽到音調230的人耳發(fā)現。實際上音頻信號的遮蔽頻率是動態(tài)且時變的，令那些本領域中的熟練人員欣賞的是，瞬時遮蔽210只及時應用在固定的時刻。
在Zwicker和Fastl的“心理聲學、事實和模型”，Springer，Heidelberg，1990中講述了人類聽覺機理的遮蔽屬性。此外，在著名的運動圖像專家組(MPEG)頒布的定義中詳細講述了實時動態(tài)計算音頻信號遮蔽頻率的算法。例如，請參看K.Brandenburg和Marini Bosi的“MPEG-音頻的總攬用于低位率音頻編碼的目前標準和未來標準”，99th，AES，紐約，十月，6-9 1995，Preprint #4130(29頁)，和Nikil Jayant、James Johnston和Robert Safranek的“基于人類感覺模型的信號壓縮”，IEEE學報，October 1993，卷81，號碼10，pp.1385-1421，每一個都在這里參考引用了。
例如，在MPEG音頻編碼器中使用了此類算法來減少重現感興趣信號所需的比特率。換句話說，使用了遮蔽頻率算法來確定信號的哪一部分可以去除而不使聽得見的信號失真。通過對比，在本發(fā)明的環(huán)境中使用了動態(tài)遮蔽頻率算法來確定自適應增強信號的頻率分布。換句話說，給定遠端音頻信號的動態(tài)遮蔽頻率，實時的構造自適應增強信號，使其頻譜成分完成位于不可聞區(qū)域之內(即位于被遠端音頻信號遮蔽的區(qū)域內)。例如，可以調整自適應增強信號，使其光譜分布近似于動態(tài)計算的遮蔽頻率。
根據遠端音頻信號遮蔽頻率產生自適應增強信號可以使用很多的方法來完成。例如，具有促進自適應算法快速收斂屬性的模擬信號(例如，樣本之間光譜白區(qū)和快速衰減或不存在自相關)可以使用遠端音頻遮蔽頻率進行濾波以提供自適應增強信號。
典型模擬信號包括白色偽噪聲(PN)信號和可重現最大長度序列(MLS)信號。實時產生這些信號的方法是已知的。例如在高保真音響設備的頻率和房間響聲的實時測試中經常使用白噪聲和MLS信號。有利的是，當得到的自適應增強信號與遠端音頻信號組合時(例如相加)，得到的最優(yōu)序列信號使FIR濾波器140的濾波特征曲線收斂更為快速，同時近端用戶保持察覺不到自適應增強信號的存在。
圖3描述了一個以上述方式生成增強的自適應算法訓練信號的典型處理器300。例如，典型處理器300可以用于實現圖1的自適應增強處理器。如圖所示，典型處理器300包括遮蔽頻率計算處理器310、偽噪聲發(fā)生器320、遮蔽頻率濾波器330和加法器340。令那些本領域中的熟練人員欣賞的是，下面講述的、在圖3中描述的組件的功能性可以使用很多已有的硬件配置來實現，包括標準數字信號處理組件、通用數字計算機和/或一個或多個特定用途集成電路(ASIC)。
在圖3中，參考信號(例如遠端音頻信號)耦合到遮蔽頻率計算處理器310的輸入和加法器340的第一加輸入。另外，遮蔽頻率計算處理器310的輸出耦合到遮蔽頻率濾波器330的控制輸入，偽噪聲產生器320的輸出耦合到遮蔽頻率濾波器330的音頻輸入。此外，遮蔽頻率濾波器330的音頻輸出耦合到加法器340的第二加輸入，加法器330的輸出用作自適應增強訓練信號(例如，用作圖1的自適應濾波器140和LMS互相關器150的輸入)。
在工作時，遮蔽頻率計算處理器310計算遠端音頻信號的動態(tài)遮蔽頻率(例如每個遠端音頻信號采樣塊一次)。如上所述，遮蔽頻率是使用任意合適的算法計算的，例如在上面引用的MPEG文檔中講述的算法。然后使用得到的遮蔽頻率來校正遮蔽頻率濾波器330的濾波傳遞函數。
同時，發(fā)生器320為遮蔽頻率濾波器330的音頻輸入提供一個模擬信號(例如偽白噪聲序列或最大長度序列)，濾波器330處理模擬信號以提供一個濾波后的模擬信號，該信號與遠端音頻信號相加(通過加法器340)以提供增強的自適應算法參考信號。如上所述，相加的信號成分促進了消除了回聲的自適應濾波器(例如圖1的濾波器130)的快速收斂，且對于近端用戶而言是聽不見的。
令那些本領域中的熟練人員欣賞的是，通過遮蔽頻率濾波器330執(zhí)行的濾波可以在頻域或時域進行。在優(yōu)選使用頻域濾波(即通過將濾波器330的頻域系數集與模擬信號采樣塊的頻域表述進行矢量相乘來濾波)的應用中，濾波器330可以通過周期性的(例如每個采樣塊一次)將從遮蔽頻率計算得到的頻譜值直接拷貝到濾波器330來校正。另一種做法是，在優(yōu)選使用時域濾波(即通過用遮蔽頻率濾波器330的時域系數對模擬信號采樣進行采樣卷積來濾波)的應用中，濾波器330可以通過將從遮蔽頻率計算得到的頻譜值轉換到時域(例如，使用逆快速傅立葉變換或IFFT)，然后將得到的時域系數拷貝到濾波器330來校正。在時域和頻域濾波之間進行選擇是設計選擇的事情。
圖4描述了根據遠端音頻信號的遮蔽頻率產生自適應增強信號的另一種系統400。與圖3中的處理器300一樣，可以使用另一種處理器400，例如，來實現圖1中的自適應增強處理器160。如圖所示，另一種處理器400包括MPEG音頻編碼器410和MPEG音頻解碼器420。令那些本領域中的熟練人員欣賞的是，下面講述的圖4組件的功能性可以使用很多已有的硬件配置來實現，包括標準數字信號處理組件、通用數字計算機和/或一個或多個特定用途集成電路(ASIC)。
在圖4中，參考信號(例如遠端音頻信號)耦合到音頻編碼器410的輸入，音頻編碼器410的輸出耦合到音頻解碼器420的輸入。音頻解碼器420的輸出用作自適應增強訓練信號(例如用于圖1中自適應濾波器140和LMS互相關器150的輸入)。
在工作時，音頻編碼器410對遠端音頻信號進行編碼(例如，使用在上面引用的MPEG文檔中講述的MPEG編碼算法)，音頻解碼器420立即對得到的信號進行解碼(例如，使用在上面引用的MPEG文檔中講述的互補MPEG解碼算法)，以提供自適應增強參考信號。由于MPEG音頻編碼器使用很少的位來編碼遠端音頻信號中的不可聞信息，所以極大的量化了不可聞信息，按期望引入了不可聞的量化噪聲。與使用圖3的處理器300一樣，引入到圖4中遠端音頻信號中的信號成分促進了消除了回聲的自適應濾波器(例如圖1的濾波器130)快速收斂，且對于近端用戶而言是聽不見的。
一般來說，本發(fā)明提供了提高自適應濾波算法收斂速度的方法和裝置。根據典型實施方案，自適應算法的收斂速度是通過將自適應增強信號與傳統算法訓練信號結合起來以提供一個增強的或最優(yōu)的訓練信號來提高的。構造的自適應增強信號要具有使自適應算法收斂更為快速的屬性(例如，樣本之間的頻譜白區(qū)和快速衰減的自相關)。有利的是，自適應增強信號可以與傳統訓練信號結合，使得增強的訓練信號不會與傳統訓練信號有明顯的不同。例如，在免提電話環(huán)境中，可以定制自適應增強信號使其被揚聲器信號(即傳統訓練信號)遮蔽，從而對電話用戶而言是聽不見的。
令那些本領域中的熟練人員欣賞的是，本發(fā)明不限于這里出于舉例說明的目的而講述的特定典型實施方案，還可構思很多其它的實施方案。例如，雖然已經講述的典型實施方案是關于免提電話環(huán)境中聲回聲消除的，但提出的自適應增強技術同樣可應用于所有的自適應濾波裝置(例如，自適應噪聲抑制和網絡回聲消除)。此外，提出的遮蔽方法也可以使用，例如用于傳輸為感興趣的聽得見的信號，例如語音或音樂，所掩蓋的不可聞數據。因此本發(fā)明的范圍是通過此處附加的權利要求，而不是前面的講述來定義的，其中打算包括所有與權利要求含義一致的對等物。
權利要求
1.一種信號處理設備，包括一個自適應濾波器，配置該濾波器使其對輸入信號進行濾波，從而提供一個濾波后的輸出信號，其中自適應濾波器的濾波特征曲線是根據濾波后的輸出信號和訓練信號動態(tài)調整的；以及一個自適應增強處理器，將自適應增強信號與參考信號結合在一起，從而為自適應濾波器提供訓練信號，自適應增強信號是根據參考信號動態(tài)調整的。
2.根據權利要求1的信號處理設備，其中輸入信號是近端音頻信號，參考信號是遠端音頻信號。
3.根據權利要求1的信號處理設備，其中自適應濾波器是回聲消除濾波器，且其中濾波后的輸出信號是消除了回聲的近端音頻信號。
4.根據權利要求1的信號處理設備，其中自適應增強處理器將自適應增強信號與參考信號相加，為自適應濾波器提供訓練信號。
5.根據權利要求1的信號處理設備，其中自適應增強信號是根據動態(tài)計算的參考信號遮蔽頻率產生的。
6.根據權利要求1的信號處理設備，其中自適應增強信號是被參考信號所遮蔽的訓練信號的不可聞成分。
7.根據權利要求6的信號處理設備，其中自適應增強信號的頻率分布與參考信號的遮蔽頻率近似匹配。
8.根據權利要求6的信號處理設備，其中自適應增強信號是通過用參考信號遮蔽頻率對白色偽噪聲序列進行濾波而產生的。
9.根據權利要求6的信號處理設備，其中自適應增強信號是通過用參考信號遮蔽頻率對可重現最大長度序列進行濾波而產生的。
10.根據權利要求6的信號處理設備，其中自適應增強信號是通過先對參考信號音頻編碼，然后再音頻解碼而產生的。
11.根據權利要求1的信號處理設備，其中自適應濾波器的濾波特征曲線是根據最小均方(LMS)算法調整的。
12.一種通信設備，通過雙向通信信道提供近端用戶和遠端用戶之間的雙向通信，包括一個近端麥克風，接收近端聲音和提供對應的近端音頻信號；一個自適應回聲消除器，接收近端音頻信號并提供消除了回聲的近端信號，通過通信信道傳輸給遠端用戶，其中自適應回聲消除器的自適應濾波器系數是根據消除了回聲的近端信號和音頻訓練信號動態(tài)調整的；一個自適應增強處理器，通過通信信道接收遠端音頻信號并為自適應濾波器提供音頻訓練信號，其中處理器通過將遠端音頻信號與自適應增強信號結合來動態(tài)計算音頻訓練信號，自適應增強信號根據遠端音頻信號的遮蔽頻率動態(tài)調整；以及一個近端揚聲器，接收音頻訓練信號并為近端用戶提供對應的遠端聲音。
13.根據權利要求12的通信設備，其中處理器通過將遠端音頻信號采樣與自適應增強信號相加來動態(tài)計算。
14.根據權利要求12的通信設備，其中自適應增強信號是音頻訓練信號中的不可聞部分。
15.根據權利要求14的通信設備，其中自適應增強信號要進行調整，使自適應增強信號的頻率分布大致跟蹤遠端音頻信號的遮蔽頻率。
16.根據權利要求14的通信設備，其中自適應增強信號是通過用遠端音頻信號的遮蔽頻率對白色偽噪聲序列進行濾波而產生的。
17.根據權利要求14的通信設備，其中自適應增強信號是通過用遠端音頻信號的遮蔽頻率對可重現最大長度序列進行濾波而產生的。
18.根據權利要求14的通信設備，其中自適應增強信號是通過先對遠端音頻信號音頻編碼，然后再音頻解碼而產生的。
19.根據權利要求12的通信設備，其中自適應回聲消除器的濾波系數是根據最小均方(LMS)算法調整的。
20.一種訓練自適應濾波器的方法，包括下列步驟計算參考信號的遮蔽頻率；根據參考信號的遮蔽頻率計算自適應增強信號；根據參考信號和自適應增強信號計算訓練信號；以及根據訓練信號調整自適應濾波器的濾波特征曲線。
21.根據權利要求20的方法，其中自適應濾波器是一個回聲消除濾波器，且其中的參考信號是一個音頻信號。
22.根據權利要求20的方法，其中計算訓練信號的步驟包括將自適應增強信號與參考信號相加的步驟。
23.根據權利要求20的方法，其中自適應增強信號是被參考信號所遮蔽的訓練信號的不可聞成分。
24.根據權利要求23的方法，其中計算自適應增強信號的步驟包括使自適應增強信號的頻率分布近似于計算的遮蔽頻率的步驟。
25.根據權利要求23的方法，其中自適應增強信號是通過用參考信號的遮蔽頻率對可白色偽噪聲序列進行濾波而產生的。
26.根據權利要求23的方法，其中自適應增強信號是通過用參考信號的遮蔽頻率對可重現最大長度序列進行濾波而產生的。
27.根據權利要求23的方法，其中自適應增強信號是通過先音頻編碼，然后音頻解碼參考信號而產生的。
28.根據權利要求20的方法，其中自適應濾波器的頻率特征曲線根據最小均方(LMS)算法調整。
全文摘要
結合了自適應增強信號的自適應濾波算法訓練信號具有使自適應濾波算法的收斂與傳統算法相比更為快速的屬性,例如采樣之間的頻譜白區(qū)和快速衰減的自相關。結合典型自適應增強信號,使得訓練信號與傳統訓練信號相比沒有明顯的改變。例如,在免提電話應用中,要動態(tài)調整根據本發(fā)明的自適應增強信號,使其被揚聲器信號(傳統訓練信號)所遮蔽,所以對于免提電話用戶來說是聽不見的。
文檔編號G10L21/02GK1367976SQ00810939
公開日2002年9月4日 申請日期2000年5月23日 優(yōu)先權日1999年5月27日
發(fā)明者J·拉斯穆松 申請人:艾利森電話股份有限公司