專利名稱：確定揚聲器非線性響應函數(shù)的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及揚聲器，更具體地說，涉及用于確定揚聲器響應函數(shù)的技術和結(jié)構。
背景技術：
在汽車和其它車輛中使用的移動揚聲器電話會在車內(nèi)產(chǎn)生回聲。亦即，由電話揚聲器產(chǎn)生的聲音會在車內(nèi)混響而以回聲的形式被電話的送話器檢測到。為避免這種回聲返回給遠程用戶用戶，常采用回聲消除技術。為進行回聲消除，通常產(chǎn)生從揚聲器的輸入到送話器的輸出這整個通道上的響應函數(shù)。這個通道的特點通常是有一組三個濾波器揚聲器濾波器、回聲濾波器和送話器濾波器。知道了揚聲器的輸入信號，就可利用響應函數(shù)來估算將出現(xiàn)在送話器輸出信號中的回聲。然后將這些估算的回聲從送話器輸出信號中減去，以顯著降低其中的回聲電平。
在過去，揚聲器濾波器、回聲濾波器和送話器濾波器都被當作線性濾波器。后來發(fā)現(xiàn)把揚聲器，特別是小型的較廉價的揚聲器，當成非線性濾波器更為精確。當揚聲器電話在車內(nèi)工作時，車廂的回聲響應會不斷改變。于是，需要在線(即在通話期間)修改回聲消除技術所使用的響應函數(shù)。但在線修改非線性響應函數(shù)很困難。為此，揚聲器的非線性響應函數(shù)(系統(tǒng)工作時變化不大)可以離線確定，然后與回聲和送話器的在線修改的響應函數(shù)相組合。過去確定揚聲器的非線性響應函數(shù)的方法很復雜且需要昂貴的裝備(例如無回聲室裝備)來實施。因此需要有一種簡單而廉價的方法和結(jié)構來確定揚聲器非線性響應函數(shù)。
附圖簡要說明

圖1是說明可以用于在車輛內(nèi)提供乘車人和遠程用戶之間的免提無線話音通信的移動揚聲器電話系統(tǒng)的方框圖；圖2是說明為了產(chǎn)生相應的響應函數(shù)而模擬圖1的揚聲器輸入端和送話器輸出端之間通道的技術的方框圖；圖3是說明按照本發(fā)明的實施例確定揚聲器非線性響應函數(shù)的方法的流程圖；圖4是說明按照本發(fā)明的實施例具有揚聲器校準功能的移動揚聲器電話的方框圖。
詳細說明在以下的詳細說明中，需參考附圖，附圖以圖解說明的方法示出可實施本發(fā)明的具體實施例。對這些實施例均作了足夠詳細的說明，以使本專業(yè)的技術人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明。顯然，本發(fā)明的各種實施例雖然不同但并不相互排斥。例如，結(jié)合一個實施例說明的具體特性、結(jié)構或特征。也可以在其它實施例中實現(xiàn)而不背離本發(fā)明的精神和范圍。此外，顯然，在每個公開的實施例中的各個元件的位置和結(jié)構也可以改動而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因此以下說明不應認為是一種限制，本發(fā)明的范圍僅由所附權利要求書定義并恰當詮釋，包括權利要求書有權決定的全部等效物。
本發(fā)明涉及以比較簡單而廉價的方式確定揚聲器非線性響應函數(shù)的方法和結(jié)構。利用本發(fā)明的原理，可以不用昂貴的測試裝備來確定揚聲器的非線性響應函數(shù)。此外，本發(fā)明的原理很簡單，可以在終端用戶的裝置中實現(xiàn)，這樣終端用戶就能在現(xiàn)場進行揚聲器的再校準。在優(yōu)選方法中，采用一種迭代過程，在此過程中揚聲器的響應函數(shù)以及回聲和送話器的組合響應函數(shù)反復和交替地更新和精調(diào)。在一種技術中，使用價值函數(shù)最小化過程來更新響應函數(shù)。當滿足預定條件時停止所述迭代過程。所述發(fā)明原理可以使用在要求知道揚聲器響應函數(shù)的任何應用中。
圖1是說明可以用于在車輛內(nèi)提供乘車人和遠程用戶之間的免提無線話音通信的移動揚聲器電話系統(tǒng)10的方框圖。系統(tǒng)10例如可以作為安裝在車輛內(nèi)的專用獨立裝置來實現(xiàn)?；蛘?，系統(tǒng)10可以作為其中插入手持無線通信裝置(如蜂窩電話)的塢站來實現(xiàn)。也可有其它實現(xiàn)方法。如圖所示，系統(tǒng)10包括天線12；無線收發(fā)信機14；語音處理器16；揚聲器18和送話器20。無線收發(fā)信機14和關聯(lián)的天線12用于支持通過無線通信信道與遠程用戶收發(fā)信機(例如，在蜂窩基站內(nèi)，通信衛(wèi)星等)通信。語音處理器16，除了別的以外，主要用于處理在本地用戶和遠程用戶之間傳送的語音信號。揚聲器18和送話器20分別用來在車廂22中產(chǎn)生和檢測聲頻信號。
在呼出通信時，送話器20根據(jù)車輛內(nèi)用戶的語音在其輸出端產(chǎn)生電語音信號。電語音信號發(fā)送到語音處理器16，它將所述信號轉(zhuǎn)換成無線收發(fā)信機14要求的格式。發(fā)送到語音處理器16的信號可以是數(shù)字信號，也可以是模擬信號。無線收發(fā)信機14利用從語音處理器16收到的語音信號產(chǎn)生RF發(fā)射信號，通過天線12將此信號發(fā)射到無線信道中。在呼入通信時，天線12從無線信道接收RF信號并將其發(fā)送到無線收發(fā)信機14。無線收發(fā)信機14將RF信號恢復成語音信息并將語音信息發(fā)送到語音處理器16。語音處理器16利用所述語音信息產(chǎn)生模擬語音信號，發(fā)送到揚聲器18。揚聲器18根據(jù)從語音處理器16接收的模擬語音信號在車廂22中產(chǎn)生聲頻語音信號。揚聲器18產(chǎn)生的聲頻語音信號常在車廂22內(nèi)混響。如圖1所示，部分聲頻信號會返回到送話器20并以回聲信號24的形式被檢測到。如果忽略不管，回聲信號就會被作為呼出無線信號的一部分發(fā)送回遠程用戶。為避免這種情況發(fā)生，通常采用回聲消除技術。在一種回聲消除技術中，產(chǎn)生一種以從揚聲器18的輸入端到送話器20的輸出端的響應為特征的響應函數(shù)。一旦產(chǎn)生了這種響應函數(shù)，就可以用來根據(jù)揚聲器18的已知輸入信號計算在送話器20輸出端的估算回聲成分。然后將所述估算的回聲成分從送話器20的實際輸出信號中減去，以降低信號中的回聲電平。
圖2是說明為了產(chǎn)生進行回聲消除所需要的響應函數(shù)而模擬圖1的揚聲器18的輸入端和送話器20的輸出端之間通道的技術的方框圖。如圖示，所述通道以級聯(lián)的三個濾波器來表示即，揚聲器濾波器30、回聲濾波器32和送話器濾波器34。在過去，所述濾波器部件中每一個的特征通常都是線性濾波器，因此對于整個通道可以產(chǎn)生單一的線性函數(shù)。但是，最近已表明揚聲器，特別是小型的較廉價的揚聲器的響應函數(shù)性質(zhì)上是非線性的。這些裝置更恰當?shù)卣f是例如非線性沃特拉(Volterra)濾波器。由于車內(nèi)的條件通常隨時間而變(例如，乘客進、出、走動、開窗關窗等)，回聲濾波器32的響應也隨時間而變。因此，回聲消除所使用的響應函數(shù)在系統(tǒng)工作時需要修改。通常當系統(tǒng)在線時(即在與遠程用戶通話期間)要修改非線性響應函數(shù)非常困難。所以，在一種方法中，當系統(tǒng)10在線時，僅對回聲濾波器32和送話器濾波器34的組合線性響應函數(shù)進行修改。揚聲器濾波器30的非線性響應函數(shù)通常不隨時間而變，則作離線確定并加以存儲。然后將揚聲器18的非線性響應函數(shù)與回聲/送話器的在線修改的響應函數(shù)相組合(例如利用卷積)，以產(chǎn)生回聲消除所需的響應函數(shù)。
圖3是說明按照本發(fā)明的實施例確定揚聲器非線性響應函數(shù)的方法的流程圖。所述方法可以用在需要知道揚聲器響應函數(shù)的任何應用中，不限于移動電話應用。值得注意的是，所述方法不需要使用昂貴的測試裝備或無回聲室。在一種方法中，所述方法在制造環(huán)境中進行，在揚聲器安裝到成品中之前或之后確定揚聲器的響應函數(shù)。另一種方法是，在現(xiàn)場(例如在汽車內(nèi))校準或再校準作為終端用戶裝置的一部分的揚聲器。
首先，將揚聲器和送話器配備在具有回聲的環(huán)境中(方框50)。揚聲器應是需要其響應函數(shù)的揚聲器。送話器不需要是在現(xiàn)場和揚聲器一起使用的同樣或甚至類似的送話器。同理，校準環(huán)境中的回聲響應不需要類似于現(xiàn)場體驗的回聲響應，也不需要事先知道回聲響應。然后假定一個初始的揚聲器非線性響應函數(shù)。最好，所述初始非線性響應函數(shù)據(jù)信近似于揚聲器的實際響應函數(shù)。例如，在一個實施例中，用同類型揚聲器(例如同一型號)的平均非線性響應函數(shù)作為初始非線性響應函數(shù)。在一種方法中，對揚聲器使用非線性沃特拉濾波器響應。3階沃特拉濾波器響應表示如下yn=Σi=0p1bixn-1+Σi>j=0p2bijxn-ixn-j+Σi>j>k=0p3bijkxn-ixn-jxn-k]]>式中yn為濾波器輸出，x為濾波器輸入，b是濾波器系數(shù)，p1、p2、p3是各濾波器部分的長度。
然后將輸入信號加到揚聲器上(方框54)。在一種方法中，用噪聲發(fā)生器將聲頻范圍內(nèi)的噪聲信號加到揚聲器上。也可使用其它類型的輸入信號。揚聲器對輸入信號作出響應，產(chǎn)生聲頻輸出信號，部分聲頻輸出信號以回聲的形式被送話器檢測到。結(jié)果，送話器在其輸出端產(chǎn)生回聲信號。這個回聲信號可以數(shù)字化并存儲起來以后使用。
然后利用最新的非線性揚聲器響應函數(shù)確定回聲和送話器組合的線性響應函數(shù)(方框56)。此時，所述揚聲器最新的非線性響應函數(shù)就是原先假定的初始非線性響應函數(shù)。在一個實施例中，線性響應函數(shù)可表示為zn=Σi=0paiyn-i]]>式中zn為送話器輸出，yn為揚聲器輸出，an是響應函數(shù)系數(shù)，p為響應函數(shù)的長度。在優(yōu)選方法中，通過價值函數(shù)最小化過程來確定線性響應函數(shù)系數(shù)(ai)。送話器的輸出信號(zn)已知(例如已測量)。為求出回聲/送話器的線性響應函數(shù)的系數(shù)(ai)，求以下價值函數(shù)的最小值F1=Σn(zn-ΣiaiYa-i)2]]>這是一個求凹函數(shù)最小值的標準線性最小化問題，可以利用已知的方法求解。
確定了回聲/送話器的線性響應函數(shù)之后，利用最新的線性響應函數(shù)來確定揚聲器更新的非線性響應函數(shù)。如前，最好使用價值函數(shù)最小化過程來確定揚聲器的修正的非線性響應函數(shù)的系數(shù)bn。前述沃特拉濾波器響應可以表示如下Yi=BXi=ΣmBmXim]]>式中B代表非線性響應函數(shù)的全部系數(shù)，X代表參與Y的計算的全部x的組合?，F(xiàn)定義Tam=ΣjajXa-j,m]]>此定義允許求價值函數(shù)的最小值，表示為F2=Σn(zn-ΣmbmTam)2]]>這又是一個可以利用已知方法求解的標準最小化問題。
在迭代過程反復和交替地重新確定回聲/送話器的線性響應函數(shù)和揚聲器的非線性響應函數(shù)，直到滿足預定的條件(方框60)。每一次迭代，回聲/送話器的線性響應函數(shù)和揚聲器的非線性響應函數(shù)均各自向?qū)嶋H響應收斂。在一個實施例中，更新過程反復進行，直到價值函數(shù)F2在連續(xù)迭代后已不能再有改善為止。在另一實施例中，更新過程反復進行，直到價值函數(shù)F2已達預定數(shù)值。在還有一個實施例中，進行預定次數(shù)的迭代。可以理解，可以使用許多不同的條件或條件組合來結(jié)束迭代過程。迭代過程結(jié)束后(方框62)，記錄所得到的揚聲器的非線性響應函數(shù)。
圖4是說明按照本發(fā)明的實施例具有揚聲器校準功能的移動揚聲器電話的方框圖。如圖示，圖4的移動電話系統(tǒng)70與圖1的系統(tǒng)10類似。但系統(tǒng)上加有一個揚聲器校準單元72，使揚聲器18的非線性響應函數(shù)能在現(xiàn)場更新。如果原來的揚聲器18已經(jīng)過修理或被更換，則通常需要新的非線性響應函數(shù)來進行精確的回聲消除。同理，隨著揚聲器18老化，揚聲器18的響應會漂移，這也要求產(chǎn)生新的非線性響應函數(shù)。可以對揚聲器校準單元72編程，使之在系統(tǒng)70離線期間自動啟動?；蛘撸虼送?，可提供終端用戶啟動能力，使終端用戶發(fā)起再校準。
在優(yōu)選方法中，可將揚聲器校準單元72編程為實施迭代揚聲器校準技術，如圖3的方法。揚聲器校準單元72可以例如作為軟件例行程序?qū)崿F(xiàn)，所述軟件例行程序在系統(tǒng)70內(nèi)的數(shù)字處理裝置中執(zhí)行。硬件實現(xiàn)或混合硬件/軟件實現(xiàn)也可以。在一個實施例中，揚聲器校準單元72包括信號源(例如噪聲源)，用于在校準活動中向揚聲器18提供輸入信號。在產(chǎn)生了揚聲器18的新非線性響應函數(shù)后，揚聲器校準單元72通常將所述函數(shù)(例如沃特拉濾波器系數(shù))存儲起來供以后回聲消除操作時使用。在需要揚聲器響應函數(shù)的精確模型的其它類型的系統(tǒng)中，例如靜止(臺式)揚聲器電話和對講機系統(tǒng)中，也可實現(xiàn)類似的揚聲器校準功能。
雖然已結(jié)合某些實施例對本發(fā)明作了說明，但是顯然，可以進行修改和變化而不背離本發(fā)明的精神和范圍，本專業(yè)的技術人員很容易理解這一點。這種修改和變化更應認為在本發(fā)明和所附權利要求書的權限和范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種確定揚聲器非線性響應函數(shù)的方法，所述方法包括把揚聲器和送話器設置在具有回聲的環(huán)境中；假定所述揚聲器的一個初始非線性響應函數(shù)；利用所述揚聲器的最新非線性響應函數(shù)確定所述回聲和所述送話器組合的線性響應函數(shù)；以及利用所述組合的最新線性響應函數(shù)確定所述揚聲器的修正的非線性響應函數(shù)。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于還包括反復確定線性響應函數(shù)并且反復確定修正的非線性響應函數(shù)，直到滿足預定條件為止。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于確定所述揚聲器的修正的非線性響應函數(shù)包括求價值函數(shù)的最小值，其中，所述預定條件包括達到所述價值函數(shù)的預定值。
4.如權利要求2所述的方法，其特征在于確定所述揚聲器的修正的非線性響應函數(shù)包括求價值函數(shù)的最小值，其中，所述預定條件包括每次附加重復沒有獲得所述價值函數(shù)的進一步減小。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于確定線性響應函數(shù)包括求第一價值函數(shù)的最小值，并且確定修正的非線性響應函數(shù)包括求第二價值函數(shù)的最小值。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述揚聲器的所述初始非線性響應函數(shù)是沃特拉濾波器響應。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述方法在制造設施中執(zhí)行。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述揚聲器用于車輛的通信裝置中，所述方法在所述車輛中執(zhí)行。
9.一種確定揚聲器非線性響應函數(shù)的方法，所述方法包括把揚聲器和送話器設置在具有回聲的環(huán)境中；假定所述揚聲器的一個初始非線性響應函數(shù)；把輸入信號加到所述揚聲器上；根據(jù)估算的所述揚聲器的輸出信號和所述送話器的輸出信號確定所述回聲和所述送話器組合的線性響應函數(shù)；以及利用所述組合的所述線性響應函數(shù)確定所述揚聲器的修正的非線性響應函數(shù)。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于還包括反復確定線性響應函數(shù)并且反復確定修正的非線性響應函數(shù)，直到滿足預定條件為止。
11.如權利要求9所述的方法，其特征在于確定所述回聲和所述送話器組合的線性響應函數(shù)包括求第一價值函數(shù)的最小值。
12.如權利要求11所述的方法，其特征在于所述第一價值函數(shù)為F1＝∑n(Zn-∑iaiYn-i)2式中Zn為所述送話器的輸出信號，an是所述組合的線性響應函數(shù)系數(shù)，而Yn是所述揚聲器的估算輸出信號。
13.如權利要求9所述的方法，其特征在于確定所述揚聲器的修正的非線性響應函數(shù)包括求第二價值函數(shù)的最小值。
14.如權利要求13所述的方法，其特征在于所述第二價值函數(shù)為F2=Σn(Zn-ΣmbmTnm)2]]>式中Zn為所述送話器的輸出信號，bm是所述揚聲器的非線性響應函數(shù)系數(shù)，以及Tnm=ΣjajXa-j,m]]>式中aj是所述組合的線性響應函數(shù)的系數(shù)，X是所述揚聲器的輸入信號。
15.如權利要求9所述的方法，其特征在于所述揚聲器的所述初始非線性響應函數(shù)是沃特拉濾波器響應。
16.一種通信裝置，它包括揚聲器，它利用從遠程用戶實體接收的信息在一個區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生聲頻信號；送話器，它根據(jù)在所述區(qū)域內(nèi)的聲音產(chǎn)生輸出信號，所述輸出信號包括要向所述遠程用戶實體發(fā)送的信息；回聲抑制單元，它降低所述送話器的所述輸出信號中的回聲，所述回聲抑制單元利用所述揚聲器的非線性響應函數(shù)來降低所述回聲；以及校準單元，它確定所述揚聲器的所述非線性響應函數(shù)，供所述回聲抑制單元使用。
17.如權利要求16所述的通信裝置，其特征在于所述校準單元在現(xiàn)場確定所述揚聲器的所述非線性響應函數(shù)。
18.如權利要求16所述的通信裝置，其特征在于所述校準單元包括信號源，用于把輸入信號加到所述揚聲器上。
19.如權利要求18所述的通信裝置，其特征在于所述信號源包括噪聲發(fā)生器。
20.如權利要求16所述的通信裝置，其特征在于所述校準單元包括迭代模塊，用以以迭代和交替的方式更新回聲和所述送話器組合的線性響應函數(shù)和所述揚聲器的所述非線性響應函數(shù)，直到滿足預定條件為止。
21.如權利要求16所述的通信裝置，其特征在于所述校準單元包括線性響應模塊，用以根據(jù)假定的所述揚聲器的非線性響應函數(shù)確定回聲和所述送話器組合的線性響應函數(shù)。
22.如權利要求21所述的通信裝置，其特征在于所述線性響應模塊包括用于求第一價值函數(shù)的最小值的最小化模塊。
23.如權利要求21所述的通信裝置，其特征在于所述校準單元包括非線性響應模塊，用以利用所述組合的所述線性響應函數(shù)確定所述揚聲器的更新的非線性響應函數(shù)。
24.如權利要求23所述的通信裝置，其特征在于所述非線性響應模塊包括用于求第二價值函數(shù)的最小值的最小化模塊。
25.如權利要求16所述的通信裝置，其特征在于所述通信裝置是用在車輛內(nèi)的移動電話。
全文摘要
通過迭代過程來確定揚聲器的非線性響應函數(shù)，在所述迭代過程中，交替地對所述非線性響應函數(shù)和與回聲和送話器關聯(lián)的線性響應函數(shù)進行修正。
文檔編號H04R3/04GK1593072SQ02823348
公開日2005年3月9日 申請日期2002年8月30日 優(yōu)先權日2001年9月25日
發(fā)明者M·格里尼亞斯蒂 申請人:英特爾公司