用于检测近端话音的方法和器件 本发明一般地关于通信系统，并且特别地是关于用于通信系统中的一个适应性回声消除系统的双通话检测。
在许多双工通信系统中出现了对于回声消除的需求。存在对可靠的回声消除的需求的一个特别挑战性的环境是蜂窝无线电话器件和会议电视器件的双工便携操作。在这些器件的便携操作期间，来自扬声器的信号通过声音路径被反馈回话筒并且再次到达扬声器之前被延迟，从而它们作为回音信号被远端用户可感。这些回音信号，通常称为声学回音，对于包含双向通信的参与者是非常恼人的并且难以去除。
一般用来去除回音信号的最有效的方法之一是运用具有一个自适应滤波器的回声消除器。最小均方(LMS)自适应滤波器是被用的最普通类型的滤波器。一个LMS滤波器是一个有限脉冲响应(FIR)滤波器，它通过自适应调整的系数来模拟一个回音路径。滤波器地系数被使用驱动一个便携式通信器件的远端信号和从便携式通信器件的话筒输出的近端信号来自适应地训练。在一个便携式器件中，自适应滤波器自适应地综合出来自远端信号的回音的复制，并从被从近端的话筒输出的接收的信号中减去该复制。结果，进一步被发送到远端的信号基本上是没有回声的。
对于双向通信器件，有4个工作状态，即情形，这些状态在这里将参考便携式通信器件来描述：当只有近端声音出现时发生的近端单通话状态；当只有远端声音出现时发生的远端单通话状态；当近端和远端声音都出现时发生的双通话状态和当近端和远端声音都不出现时发生的非通话状态。大家都理解，在远端单通话状态期间，滤波器系数的自适应应该实现得最好。
当一个双通话状态出现时，自适应必须停止。如果自适应不停止，滤波器的系数将与它们的最优值有分歧。另一方面，在单通话条件期间，一个高的错误检测率将不能频繁地进行系数自适应，这样严重地减慢了自适应滤波器系数的收敛速度。这在包含一个快速变化的回音路径和高噪声环境的应用中，象便携式无线电话和会议电视环境中，是一个特别严重的问题。因此，一个可靠的双通话检测器对于成功的回声消除是一个重要部分。
一些双通话检测器已基于信号能量测量或被测信号的相关性来实现。基于信号能量的方法根据在双通话状态和单通话状态期间不同的发射和接收路径中的信号能量的关系来检测双通话条件。例如，最简单的实现中的一个是比较远端信号的能量和近端信号的能量。一般，近端信号的能量在从一个单通话状态跃迁为一个双通话状态中增加。在从一个单通话状态跃迁为一个双通话状态期间，回音剩余信号能量也增加。通过研究远端信号和近端信号的能量或回音剩余信号中的一个，可以检测双通话状态。
回音返回损耗比已被用来检测双通话状态。回音返回损耗比通常被定义为回音剩余信号能量与近端回音信号能量之比。在从一个单通话状态跃迁为一个双通话状态期间，回音返回损耗比也增加。其它方法把各种信号能量合并用于双通话检测。基于能量的方法出现的问题包括它们对于低电平近端声音信号不够灵敏，并且如果近端是一个有噪环境，它们将产生一个很高数目的错误检测(近端是器件位于的便携环境，远端是通过一个通信信道，例如电话线相连的一个参与者的位置)。
基于相关的方法根据远端和近端信号的信号相关来执行双通话状态检测。远端和近端信号的相关通常在单通话状态比在双通话状态要高。通过把远端信号和近端信号的相关电平与一个门限比较，状态可被标记为双通话状态或单通话状态。另一种实现使用远端信号和回音剩余信号的相关。在这样的系统中，当回音剩余信号与远端信号不很好地相关时，辨识为双通话状态。在任一种情况下，双通话状态是基于当有一个从单通话状态到双通话状态的跃迁时，在双向通信器件的发射和接收路径中的信号的相关会降低的假定。
也已知通过监控回音估计信号和回音剩余信号的相关来检测双通话状态。正常地，在从双通话状态到单通话状态的跃迁期间这种相关会增加。然而，由于相关对噪声敏感，这些技术不能被用于有噪环境。
因此，存在一种对可在所有环境，包括受到大幅度和大动态范围的背景噪声和快速变化的回音路径影响的环境中工作的一种更健壮和更精确的双通话检测器的需求。
图1是示意运用本发明使用的自适应回声消除器的双工通信器件的电路图。
图2是示意用于自适应回声消除器的控制器件的电路图。
图3是示意双通话检测器的电路图。
图4是示意在单通话条件下双通话检测器的工作的流程图。
图5是示意在双通话条件下单通话检测器的工作的流程图。
双通话检测器是与具有带可调系数的自适应滤波器的回声消器相关联。回声消除器包括一个产生一个回音估计的自适应滤波器，一个产生用于传输的回音抵消信号的减法器和一个更新自适应滤波器的系数和执行双通话检测的控制器件。控制器件包括一个用于存储自适应滤波器的当前系数的缓存器，一个存储自适应滤波器的前面的系数的缓存器，一个运用前面的滤波器系数产生一个回音估计的滤波器，一个产生用来更新滤波器系数的回音估计误差信号，一个滤波器系数更新器件和一个选择性更新用于回声消除的滤波器系数的双通话检测器件。
双通话检测器件包括一个双通话检测器和单通话检测器。双通话检测器监控系数变化，并且例如检测在当前系数和前面的系数之间的差值。如果差值太大超过一个预定的周期，检测为双通话状态。可以运用一个自适应方差门限。单通话检测器检测何时当前系数和前面的系数之间的差值落到一个方差门限以下时。如果差值落到一个方差门限以下一个预定的周期，检测为单通话状态。可以运用一个自适应门限，并且对于单通话和双通话检测的门限可以以相同的方式来产生。
图1表示运用本发明使用的回声消除器100的双工通信器件101。双工通信器件101被示意为一个便携器件，可以是一个便携式无线电话，便携式会议电视器件，便携式卫星电话，便携式无绳电话，一个个人计算机(PC)多媒体通信器件或任何其它合适的通信器件。此外，那些本技术的熟练人员可以认识到这里公布的双通话检测器件可被用在具有回音信号的其它环境，象中继器，2线到4线转换器等。
双工通信器件101的发送路径包括拾取本地(近端)话音信号的话筒104，一个把近端话音信号从模拟格式转换为数字格式的模拟-数字(A/D)转换器106，一个从数字化近端话音信号中减去一个回音估计的减法器112和一个把自由回音发送信号从数字格式转换为模拟格式的数字-模拟(D/A)转换器126。
双工通信器件101的接收路径包括一个把远端话音信号从模拟格式转换为数字格式的A/D转换器124，一个把远端话音信号从数字格式转换为模拟格式的D/A转换器108和把远程(远端)话音信号传送给本地听者的扬声器102。
收发信机120被连到A/D转换器124和D/A转换器126。收发信机可以是用于电缆，光，无线，有线或卫星通信的任何合适的收发信机，它的操作对那些本技术的熟练人员是熟知的，为了简化在这里不更详细描述。在示意的实施例中，收发信机120被连到用于蜂窝系统中的无线通信的天线122。收发信机120把由D/A转换器126输出的近端信号经由天线122发送给远端通信器件并输入由天线122检测的接收信号给A/D转换器124。
那些本技术的熟练人员将认识到A/D转换器124和D/A转换器126被用于模拟系统。另外地，在某些应用中，A/D转换器124可以用一个声音编码器代替，D/A转换器126可以用一个声音解码器代替。例如，转换器124和126可以是用于全球移动通信系统(GSM)或综合业务数字网(ISDN)的通信器件中的一个数字接口的声音解码器和声音编码器。应进一步注意，天线122和收发信机120的合并在某些应用中可由一个网络接口代替，象用于有线或光通信系统的应用。
在A/D转换器124的输出端109处的数字格式的远端话音信号x(n)被输入到一个D/A转换器108，从而产生一个驱动扬声器102的模拟信号。由扬声器102输出的远端信号的一部分与近端话音信号一起由话筒104检测并在A/D转换器106中转换为数字格式。在输出端103的结果近端信号y(n)被输入到减法器112。数字格式的回音估计信号z(n)被在输出端107从自适应滤波器110输出，并输入到减法器112。数字格式的回声消除声音信号e(n)或r(n)在减法器112的输出端105输出并输入到D/A转换器126。
自适应回声消除器100可以在数字信号处理器(DSP)，微处理器，一个可编程逻辑器件等中实现。回声消除器100包括一个示意为一个具有可调整系数WB(n)的用来产生回音估计z(n)的有限脉冲响应(FIR)滤波器的自适应滤波器110。在当前抽样时刻n，一个远端声音抽样x(n)作为A/D转换器124的输出从输出端109接收，并且近端声音抽样y(n)作为A/D转换器106的输出的从输出端103接收。信号x(n)和y(n)是同步的，原因是A/D转换器106和D/A转换器108使用相同的时钟。回音估计z(n)可基于下面的公式来计算：z(n)=WB(n)TX(n)=Σi=0L-1WiB(n)x(n-i)----(1)]]>
其中上标T代表矢量或矩阵的转置，L是FIR自适应滤波器110的阶数(即在自适应滤波器110中的系数位置的数目)，X(n)＝[x(n)x(n-1)...x(n-L+1)]T保持L个最近远端声音的抽样，WB(n)＝[WB0(n)WB1(n)...WBL-1(n)]T是用于回声消除的滤波器系数。WB(n)TX(n)被定义为如下的2个矢量WB(n)和X(n)的点积：WB(n)TX(n)=Σi=0L-1WiB(n)x(n-i)]]>
自适应回声消除器100进一步包括在输出端105产生用于进一步发送的回声消除信号e(n)的减法器112，通过从输出端103处的近端信号y(n)中减去输出端107处的回音估计z(n)，得
e(n)＝y(n)-z(n) (2)
自适应回声消除器100进一步包含基于来自输出端109的远端声音信号x(n)和来自输出端103的近端声音信号y(n)在输出端407处输出系数WB(n)并执行双通话检测的控制器件300。
参考图2，控制器件300被连到输出端109来接收远端信号x(n)，连到输出端103来接收近端信号y(n)并包括提供更新的滤波器系数WB(n)的输出端407。控制器件300包括一个系数更新电路320。第一个缓存器318存储当前系数，在最近抽样间隔期间产生的当前系数。第二个缓存器314保持前面的系数，即就在最近抽样间隔前面的抽样间隔的系数。
一个双通话检测器件400输出响应缓存器314和318的输出的自适应滤波器110(图1)的系数WB(n)。自适应滤波器310是第二个自适应滤波器并产生一个送到减法器312的回音估计。减法器312输出由系数更新电路320使用的误差信号。
系数更新电路320不仅在双通话状态也在单通话状态中连续自适应。系数更新电路320提供由此可执行双通话检测的系数。系数WC(n)的自适应如下执行：
WC(n)＝WP(n)+μe1(n)X(n)[X(n)TX(n)]-1 (3)
其中μ为步长，WC(n)＝[WC0(n)WC1(n)...WCL-1(n)]T是当前系数。在单通话条件期间，系数WB(n)被连续更新到系数WC(n)用于通过输出端407输入到自适应滤波器110。
为了适应，就在系数更新电路320中更新之前，当前系数WC(n)被作为前面系数WP(n)存在缓存器314中。在适应之后，新的更新后的系数被作为当前系数WC(n)存在缓存器318中。缓存器314和318可运用任何适合的内存器件来实现，象平行负载移位寄存器，随机接入存储器(RAM)，可电擦除只读存储器(EEPROM)等。
控制器件300运用前面的滤波器系数WP(n)来产生一个回音估计z1(n)。回音估计是由自适应滤波器310运用前面的抽样周期的系数WP(n)和当前的远端信号x(n)来产生，如下产生回音估计z1(n)：z1(n)=WP(n)TX(n)=Σi=0L-1WiP(n)x(n-i)----(4)]]>
其中WP(n)＝[WP0(n)WP1(n)…WPL-1(n)]T是前面的滤波器系数。
控制器件300进一步包括产生在控制器件300内系数自适应中使用的回音估计误差信号e1(n)的减法器312。在输出端303处的回音估计误差信号如下产生：
e1(n)＝y(n)-z1(n) (5)
控制器件300进一步包括执行双通话检测和输出自适应滤波器110(在图1中示出)的更新的滤波器系数WB(n)的双通话检测器件400。双通话检测器件400(图2)接收来自输出端401的输入WC(n)和来自输出端403的输入WP(n)，并在输出端407处输出一个更新的系数WB(n)。
双通话检测器件400(图3)接收来自输出端403的前面的滤波器系数WP(n)和来自输出端401的当前滤波器系数WC(n)并在输出端413或输出端415输出自适应滤波器110的滤波器系数。在双通话状态期间，在缓存器411中的系数，并且因此送到自适应滤波器110的系数不会改变。
双通话检测器件400包括根据双通话标志DF(在图4和图5中示出)的状态在输出端501和输出端503之间选择的开关402。DF是一个指示双通话检测器件400的当前状态的双通话标志，其中，处于双通话状态时DF为1，处于单通话状态，DF为0(用于该标志的目的的单通话状态是双通话状态不存在的所有时刻)。如果双通话状态未被检测到，则前面的滤波器系数WP(n)和当前滤波器系数WC(n)在输出端501。如果双通话状态被检测到，输出端503被选并输出前面的滤波器系数WP(n)和当前滤波器系数WC(n)。
双通话检测器件400(图3)包括存储自适应滤波器110(图1)的滤波器系数WB(n)的缓存器411。在缓存器411中的系数WB(n)由双通话检测器600和单通话检测器800选择性更新，并经输出端407输出，不管单通话还是双通话状态，都连续地送给自适应滤波器110(图1)。
双通话检测器件400(图3)进一步包括执行双通话检测和更新缓存器411中的系数WB(n)的双通话检测器600和执行单通话检测和更新缓存器411中的系数WB(n)的单通话检测器800。如这里所述，当检测为双通话状态时，双通话检测器在输出端409输出一个双通话标志并设置双通话标志DF为1。当检测为单通话状态时，单通话检测器800输出双通话标志DF给开关402并重置双通话标志DF为0。双通话检测器600在单通话状态中通过输出端413输出当前系数来更新用于自适应滤波器110(图1)的缓存器411中的系数WB(n)。在双通话状态中，单通话检测器800一旦通过输出端415检测到单通话状态就通过把当前系数WC(n)复制来更新用于自适应滤波器110(图1)的在缓存器411的自适应滤波器系数WB(n)。系数WB(n)在双通话状态中总是相同的系数，而双通话检测器在单通话状态中经常输出更新的系数。
下面参考图4，双通话检测器600的工作现在将被描述。为了在单通话状态下执行双通话检测，双通话检测器600从输出端501(图3)接收前面的滤波器系数WP(n)和当前的滤波器系数WC(n)。双通话检测器600在步骤610中通过如下计算滤波器系数的方差的改变率：
D(n)＝||WC(n)-WP(n)||2 (6)
其中上面的均方可如下表示：||WC(n)-WP(n)||2=Σi=0L-1[WiC(n)-WiP(n)]2----(7)]]>
L为自适应滤波器110(图1)和310(图2)中的系数的个数，以便产生在每个滤波器位置中的系数的差值的和。尽管滤波器有相同数目的抽头，即系数，那些本技术的熟练人员会认识到它们可以有不同数目的抽头，在那种情况下，L为自适应滤波器310中的抽头的数目。那些本技术的熟练人员也会认识到由其它方法也能确定方差。本发明通过确认在双通话状态的自适应期间系数会严重振荡来可靠检测双通话状态，而自适应滤波器的系数的方差不管近端噪声，在单通话状态中收敛之后会成为不变量。这样，本发明的双通话检测器即使在有噪环境中也能有效工作。
在步骤612中确定D(n)是否大于方差门限ATH(n)，其中ATH(n)是一个自适应门限。更新步骤通过使用下面的求ATH(n)的公式例如可以是单通话状态中的低通滤波器：
ATH(n)＝(1-α)ATH(n)+αD(n) (8)
其中α为0和1之间的常数，例如可以是一个值0.01。另外地，D(n)的平均值可被用作自适应门限。然而，希望低通滤波的门限。由于不管近端噪声的出现，在收敛之后系数的方差在单通话状态几乎是常数，所以使用自适应门限。这样的自适应门限将从一个起始值收敛，原因是不管背景噪声，自适应滤波器都收敛。一旦收敛出现，门限会几乎是一个常数。此外，如果背景噪声有一更高的平均电平，自适应门限将允许一个更高的双通话门限。这允许双通话检测器在各种噪声条件中可靠工作。
再参考图4，如果均方D(n)比自适应门限ATH(n)要大，那么双通话检测器600在步骤616中把双通话计数器DT_CNT加1来指示均方D(n)依次超过自适应门限的时刻的个数。如果如在步骤618中确定的双通话计数器DT_CNT超过一个双通话门限DTH，那么检测为双通话状态。在步骤620中，双通话标志DF被设为高逻辑电平，计数器ST_CNT被设为0。在步骤624中，双通话标志DF被输出到输出端409，滤波器系数WB(n)被输出到输出端413。
如在步骤618中确定的，如果双通话计数器DT_CNT不比双通话门限电平DTH大，检测为非双通话状态。在此情况下，在步骤630中，双通话标志DF被设为0。可以预想双通话门限会很短，例如50抽样间隔，即0.01秒，以便双通话状态被很快检测。在步骤624中，双通话标志DF被输出到输出端409，滤波器系数WB(n)输出到输出端413。
再次回到图4，在步骤612中确定均方D(n)不比ATH(n)大的情况下，双通话检测器600通过设置计数器为0来更新双通话计数器DT_CNT，根据公式(8)更新自适应方差门限ATH(n)并通过复制WC(n)或WP(n)来更新滤波器系数WB(n)，如在步骤628中所指示。双通话检测器600进一步在步骤630中设置双通话标志DF＝0并从输出端409输出双通话标志DF和从输出端413输出系数WB(n)。
总之，双通话计数器DT_CNT是用于双通话检测的一个整数计数器，DTH是用于双通话计数器DT_CNT的一个双通话门限电平。下面描述的是一个单通话计数器ST_CNT，这是一个用于单通话检测的一个整数计数器，STH是用于单通话计数器ST_CNT的一个单通话门限电平。
下面参考图5，在双通话条件期间执行单通话检测的单通话检测器800的工作将被描述。单通话检测器800从输出端503接收前面的滤波器系数WP(n)和当前的滤波器系数WC(n)。单通话检测器800在步骤610中如关于双通话检测器600定义的计算WC(n)和WP(n)的差值的均方。
再参考图5，如果在步骤712中确定了均方D(n)比自适应门限ATH(n)小，单通话计数器ST_CNT在步骤806中加1。之后在步骤807中确定单通话计数器ST_CNT是否比单通话门限STH要大。如果单通话计数器ST_CNT比单通话门限STH要大，检测为单通话状态。可以预想单通话门限相对很大，这样，例如可以是2000抽样间隔，即0.25秒。一旦检测为单通话状态，在步骤810中双通话标志DF被设为0，双通话计数器DT_CNT被设为0。在步骤811中，双通话标志DF被输出到输出端405，并且通过复制经输出端415输出的当前系数WC(n)，滤波器系数WP(n)被更新以便这些当前系数可被存在缓存器411中。
如果在步骤807中确定单通话计数器ST_CNT不比单通话门限STH大，检测为非单通话状态。在这种情况下，双通话标志DF在步骤812中被设为1。双通话标志DF被输出到输出端405，滤波器系数WB(n)不输出到输出端415。
再次参考图5，如果如在步骤712中所确定的均方D(n)比ATH(n)大，那么单通话计数器ST_CNT在步骤804中设为等于0，而双通话标志DF在步骤812中被设为1。双通话标志DF在输出端405产生，滤波器系数WB(n)不经输出端415输出。
这样可见一种新的双通话检测器使用自适应滤波器的系数的方差的测量来作一个双通话判决。此外，运用一个可变门限来适应在近端的各种噪声条件。因此，双通话检测器对近端噪声非常不敏感，并在有噪环境中很健壮。由于双通话检测器件直接从自适应滤波器测量方差，它是精确和可靠的。