專利名稱：用于網絡回聲消除器的禁止音頻信號檢測器的制作方法
技術領域：
本發明主要涉及用于電話系統中的網絡回聲消除器，更具體地講，涉及用來決定回聲消除器何時被禁止的禁止音頻信號探測器。
背景技術：
回聲是一種在電話系統中當話音的一部分信號能量從電話網絡的模擬元件中的阻抗不匹配處反射時發生的現象。典型的例子是在公用交換電話網絡(PSTN)用戶接口中的4到2線轉換。
每個現在的陸基電話都是利用二線通訊線與總局連接，該通訊線支持雙向傳輸。但是對于超過約35英里遠的電話、傳輸的兩個方向必須在物理上分開的導線上分隔開來，結果形成回線通訊線。接口二線段與四線段的器件稱之為混合器。一個典型的長途電話線路能夠被描述為在用戶環路至本地混合器范圍內是二線，到遠處的混合器的整個長距離網絡是四線，然后至遠端的電話是二線。
雖然混合器的應用有利于長距離的話音傳輸，但在此變換器上的阻抗失配可能產生回聲。講者A的話音從電話網絡中的遠端的混合器(最接近講者B的混合器)上被反射回來朝向講者A，使得講者A聽到他/她自己聲音的吵鬧的回聲。因此網絡回聲消除器被用到陸基電話網絡中以消除由于在混合器的阻抗失配所引起的回聲并且一般與混合器一起被配置在總局里。位于最接近講者A或B的回聲消除器就是這樣用來消除該電話另一端上的混合器所產生的回聲。
但是，通常建議對于使用V-系列調制解調器進行高比特速率數據傳輸的連接，應該關掉回聲消除器，V-系列調制解調器擁有自己的回聲消除器。為了禁止網絡回聲消除器，在數據通訊對話的開始期間，調制解調器發送一個2100Hz的音頻信號，并且每450毫秒在此音頻信號中插入周期性的相位倒轉。如果這樣一種音頻信號被發送，回聲消除器應被禁止，而如果無相位倒轉的2100Hz音頻信號被發送，回聲消除器不應被禁止。禁止音頻信號的特性在ITU-T推薦G165中被詳細說明，若干特性如下。音頻信號檢測器必須檢測頻率范圍為2079-2121Hz且具有范圍為155-205°的周期性相位改變的音頻信號。音頻信號檢測器不應檢測頻率范圍為1900-2350Hz以外的音頻信號。此外音頻信號禁止器不要檢測音頻信號中小于110°的相位改變、白噪聲能量應不大于這音頻信號的能量以防止被檢測，音頻信號檢測器不應檢測低于-35dB的電平的音頻信號。
檢測噪聲中的純正弦波是一個具有許多已知解的經曲的信號處理問題。另一方面關于帶有周期性相位倒轉的正弦波的檢測的已知的文章并不多。此問題的最佳解決方法是增補一個用于禁止信號的匹配濾濾器。然而這會導致一個具有不可接受的高度計算復雜性的算法和長的處理延遲。
在實踐中已使用的已知的音頻信號檢測器包括某些形式的工作在輸入信號上的鎖相環。然后將鎖相環的輸出與可能時間移動了的輸入信號相比較。如果無相位倒轉出現，鎖相環的輸出接近輸入信號。如果發生相位倒轉，鎖相環的輸出將會在由鎖相環相關的時間常數所決定的時間內偏離輸入信號。這個差別于是被用來檢測相位倒轉。與此解決方法相聯系的一個問題是相位倒轉的檢測是基于包括帶外噪聲信號的信號上被完成的，這降低了正確檢測的概率。如果在方案中引入帶通濾波器，則除了去掉帶外噪聲外，它還會去掉相位倒轉的尖銳性并且鎖相環將會可能跟蹤光滑了的相位改變。這會導致輸入和輸出信號之間的差別減小并因此損害其探測。
所以，需要一種音頻信號檢測器的技術，它能克服上面所列舉的現有技術的缺陷。
發明概要本發明的目的是提供一個音頻信號禁止器，其中通過使用一個具有同相和90°相移通道的正向饋送接收機裝置去代替鎖相環和相位倒轉檢測來克服所列舉的現有技術的缺陷。
按照本發明的一個實施例，決定何時應該禁止電話系統中的回聲消除器的方法和裝置被揭示。首先從輸入信號測定第一個功率估算值。而且，輸入信號被分為同相和90°相移分量。然后同相和90°相移分量被二次采樣并被用來決定第二個功率估算值。比較第一和第二功率估算值以確定是否出現預定的音頻信號。當預定的音頻信號被檢測到時，本發明利用同相和正交分量來確定在預定的音頻信號中是否出現相位倒轉。當檢測到相位倒轉時，回聲消除器被禁止。
附圖的簡要說明對一個本專業的普通技術人員而言，不難從下面結合附圖所寫的說明中明白本發明的種種特點和優點，在這些附圖中
圖1表示一個按照本發明的一個實施例的音頻信號出現檢測器；圖2表示該音頻信號出現檢測器的頻率鑒別；圖3表示一個按照本發明的一個實施例的相位倒轉探測器；圖4表示按照本發明的一個實施例的音頻信號檢測器的結構的方塊圖；圖5表示描述按照本發明的一個實施例的音頻信號檢測器的工作的流程圖；圖6表示低通濾波器的幅度特性；以及圖7(a)-(d)表示帶有相位改變的輸入信號。
詳細說明。
與現有技術不同，本發明不使用鎖相環來探測相位倒轉，而是用一個帶有同相和正交相位通道的正向饋送接收機裝置來檢測音頻信號。相同的低通濾波過的和二次采樣的同相的和正交的分量于是被用來計算所接收的音頻信號的相位估計值。
音頻信號探測器能夠被分成三個主要部分用于檢測音頻信號是否出現的部分；用于檢測無聲的第二部分；和用于檢測相位倒轉的第三部分。檢測音頻信號的部分圖示在圖1中。探測器10檢測特殊的音頻信號而對包含在2100Hz上功率的話音信號不反應。輸入信號S通過兩條路徑被發送。第一條路徑經受在計算器12中的寬帶功率計算和低通濾波，結果產生寬帶功率Ps，而第二條路徑經受在計算器14中的窄帶功率計算和低通濾波結果為窄帶功率Pt。窄帶功率Pt在比較器16中與寬帶功率Ps作比較。當確定Pt＞Ps時，2100Hz的音頻信號被認為是出現。
如果輸入信號是掃頻的純音頻信號，則Pt和Ps的電平將隨頻率如圖2所示那樣變化。探測器的帶寬是由窄帶濾波器和兩條路徑的相對增益來決定的。如果信號電平被增大，在圖2中的Pt和Ps曲線二者都將向上移動，但是探測器的帶寬將保持不變。對于低的電平，Ps值在對應于Pt=-33dBmO的閾值上飽和。
如果信號包含音頻信號+噪聲，則窄帶Pt曲線將只受輕微的影響而Ps曲線將會明顯地向上移動。在一定的噪聲電平上，檢測器將停止檢測音頻信號。這個效應將防止由那樣一些可能包含了2100Hz，但也包含了其它頻率的有效功率的話音和數據信號所引起的偽探測。
對于靜音探測器，寬帶功率Ps被用來探測固定帶中的能量。但寬帶功率下降到低于閾值，例如-34dBmO時，音頻信號探測器被斷路。
相位倒轉探測器的工作表示在圖3中，由于輸入信號頻率可能偏離2100Hz的正常頻率，相角將隨時間線性地變化。為了容易地得到所探測的信號，使用了相角的二次微商，有如下面將要進一步說明的那樣。輸入信號用2100Hz參考信號，被正交解調，以產生輸入信號的正弦和余弦分量并且在相角計算器18中計算其相角。
按照本發明的一個實施例的音頻信號檢測器被圖示于圖4中并且現在將要參考圖5說明該音頻信號檢測器的工作。輸入信號在其進入探測器時被分成幾個分支。在一個分支中，輸入信號被加到功率估量計22中，該估量計計算輸入信號的功率估算值，使用如下遞歸公式Ps(n+1)=(1-α)Ps(n)+αs2(n+1)式中0＜α＜1在探測器20的主要部分中，輸入信號分別地由乘法器24,30與一個正弦波sin(2π2100t)和余弦波con(27π2100t)相乘，由乘法器24和30輸出的乘積然后在低通濾波器26和32中被低通濾波。最后，低通濾波過的信號在二次采樣器28-34中以m的倍率被二次采樣。為了得到一個計算上有效的算法，同相的和正交的分量的二次采樣被引入。M的合適的值為16，但是另一些值滿足在低通濾波后Nyquist采樣定理并因此也是可能的。
通過對四十八個相繼的采樣求和，能夠容易地完成低通濾波。這樣的濾波器的脈沖響應由下式給出
此濾波器的頻率響應能夠通過計算其脈沖響應的付氏變換來求出。H(ejω)=Σ∫=-∞∞h(t)e-jωt=sin24ωsinω/2e-(j47ω)/2]]>因此，此濾波器具有線性的相位特性曲線和低通的輻度特性曲線，這些特性曲線畫在圖6中。正如在圖6中所表示的，幅度特性曲線的零值位于fs/48Hz的倍數上。此處fs為采樣頻率。這相當于矩形窗口的FIR濾波器設計，它給出一個窄的帶有相對高的邊波瓣電平的立波瓣。但是注意在本發明中邊波瓣電平不是主要關心的事情。由于正好低通濾波過的輸出信號的每個第十六次采樣是所需要的，利用三個子求和每個復蓋16個相繼的采樣，就能夠自然地完成求和。參考音頻信號能夠容易地產生，所用的是cosf(n+1)=cosfncosf-sinfnsinfsinf(n+1)=sinfncosf+cosfnsinf于是，利用下式，探測器估算2100Hz附近一個小的頻帶內的功率Pt(n+1)=(1-β)Pt(n)+βsq2(n+1)+si2(n+1))式中Si和Sq分別是二次采樣的同相的和正交的分量，且0＞β＞1。所估算的音頻信號功率Pt必須與所估算的輸入信號功率Ps相比較，以決定音頻信號是否出現。如果在一個預定的時間周期例如260ms內下面的兩個條件同時被滿足，2100Hz的音頻信號被決定是存在1)音頻信號功率Pt大于-33dBmO；并且2)Pt＞0.5Ps，第一個條件是用來確定音頻信號是否有足夠高，按照ITU-TG165的指標是有意義的功率。第二個條件進行確認，與作為純的音頻信號被探測的總的信號功率相比較、音頻信號有足夠大的功率。
如果音頻信號的出現被確定，此時探測器必須確定是否也有180°的相位倒轉發生。為此目的，探測器計算現行采樣信號的相角。在一個定點執行程序中，利用由下式給出的Pade近似，能夠容易地計算反正切atanx=x1+0.28x2,-1<x<1]]>結果，相角由下式求得atanab=abb2+0.28a2,|a|<|b|]]>atanab=π2ab0.28b2,|a|>|b|]]>式中a和b分別是當前的正交的和同相的分量。由上式得到的結果能夠進一步根據a和b的符號通過加或減180°移入-180°,180°區間內。
對于一個純粹的音頻信號，相位估計值是時間的線性函數，由下式給出φ(t)=2π(θ-2100)t式中θ是輸入音頻信號的頻率。如果相位倒轉出現，相位估計值包含不連續性，此不連續性能夠通過微分相位估計值并與一個閾值相比較被探測到。此不連續性以導數中的一個脈沖的形式出現，但是，相位的一階導數包含一個未知的常數分量2π(θ-2100)，其應該被考慮進閾值中。在二階和更高階的導數中這個分量不出現，因此二階導數為了檢測的目的而被選擇但并不限于此。當相位倒轉發生時二階導數包含兩個相鄰的具有相反極性的脈沖，否則它接近為0。如果人們用相應的差分來近似求導數，脈沖的高直接與出現的相位改變相關聯。二階差分能夠被計算為d(t)=φ(t)-2φ(t-τ)+φ(t-2τ)式中τ差分標符的整數基數值。
為了檢測相位倒轉，探測器因此計算相位的二階差分并且將結果轉換到(-180,180)度區間內并且將結果的絕對值與閾值在比較器46中進行比較。在一個實施例中，閾值被設為132.5°，也即110到155°的平均值。如果輸出有兩個相鄰的峰，在時間上被差分算符的基數值分開，則可確定相位倒轉發生。
如果音頻信號的相位改變180度，就像圖7(a)-(b)中所示那樣，一次差分，φ(t)-φ(t-τ)，包括由音頻信號的頻率所決定的常數以及高度為180度的峰。第二次差分由兩個180度的峰組成。常數分量被去掉。然后二階差分與閾值作比較。為了簡化此比較，二階導數首先被轉換進入反函數的主值的區間，也就是如果需要通過加減360度進入(-180,180)度。進一步的簡化是通過對二階導數取絕對值來達到。所以，只有一個正閾值被需要。但是，注意這正好是執行程序的一個簡化。如果二階導數在二個分開為τ的時刻上超過閾值，則判定相位倒轉發生。
低通濾波以這樣一種方式影響信號，即在解調器輸出中的相位躍變在幾個相繼采樣范圍上被平滑，甚至在二次采樣信號中也一樣。為了降低這種伸展的負效應，二階差必須以一個足夠大的基數τ被比較。按照本發明的一個實施例，等于八個采樣的基值能夠被采用。
本專業的普通技術人員將會意識到，本發明能夠在其它不偏離它的精神和主要特點的具體形式下被實施。現在所揭示的實施例因此在各個方面被考慮為說明性的而不是限制性的。本發明的范圍是由附加的權利要求而不是由前面的說明來指明的，并且所有來自等價的方法范圍內的改變因此被意味著包含在其中。
權利要求
1．用于控制電話系統中回聲消除器的音頻信號檢測器，包括測定輸入信號的第一功率估算值的裝置；將所說的輸入信號分成同相的和90°相移的分量的裝置；二次采樣所說的同相的和90°相移的分量的裝置；利用所說的二次采樣的同相的和90°相移的分量測定第二個功率估算值的裝置；比較所說的第一功率估算值和第二功率估算值以確定預定的音頻信號是否出現的裝置；利用所說的同相的和90°相移的分量檢測所說的預定的音頻信號中的相位倒轉的裝置。
2．按照權利要求1的音頻信號檢測器，其中大約155至205度的相位倒置在大約420至480ms的時間間隔內發生在禁止的音頻信號中。
3．按照權利要求1的音頻信號檢測器，其中所說的預定的音頻信號大約為2100Hz。
4．按照權利要求1的音頻信號檢測器，其中所說的預定的音頻信號在2079至2121Hz的范圍內。
5．按照權利要求1的音頻信號檢測器，其中所說的用來探測相位倒轉的裝置包括確定所說的相位估算值的高階導數的裝置；轉換所說的導數為-180,180度之間的區間的第一值的裝置；將所說的第一值的絕對值與閾值進行比較以確定相位倒轉的出現的裝置。
6．按照權利要求5的音頻信號檢測器，其中所說的高階導數是二階導數。
7．按照權利要求5的音頻信號檢測器，其中所說的閾值是132.5度。
8．探測電話系統的回聲消除器中的禁止音頻信號的方法，包括的步驟有測定輸入信號的第一個功率估算值；將所說的輸入信號分成同相的和正交的分量；二次采樣所說的同相的和正交的分量；利用所說的二次采樣的同相的和正交的分量測定第二個功率估算值；比較所說的第一和第二功率估算值以確定預定的音頻信號是否出現；利用所說的同相的和正交的分量探測所說的預定的音頻信號中的相位倒轉。
9．按照權利要求8的方法，其中大約155至205度的相位倒置在大約420至480ms的時間內發生在禁止音頻信號中。
10．按照權利要求8的方法，其中所說的預定的音頻信號近似為2100Hz。
11．按照權利要求8的方法，其中所說的預定的音頻信號在2079至2121Hz的范圍內。
12．按照權利要求8的方法，其中所說的探測相位倒轉的步驟包括的步驟有確定所說的相位估算值的高階導數；轉換所說的導數值為-180至180度區間內的第一值；將所說的第一值的絕對值與閾值進行比較以確定相位倒轉的存在。
13．按照權利要求12的方法，其中所說的高階導數是二階導數。
14．按照權利要求12的方法，其中所說的閾值是132.5度。
全文摘要
用于決定在電話系統中的回聲消除器應該在何時被禁止的方法和裝置被揭示。首先從輸入信號測定第一個功率估測值。另外輸入信號被分為同相的和90°相移的分量、然后同相的和90°相移的分量被二次采樣并被用來測定第二個功率估測值。第一和第二功率估測值被比較以確定預定的音頻信號是否出現。當預定的音頻信號被檢測到時,本發明通過利用同相的和90°相移的分量來決定在預定的音頻信號中是否出現相位倒轉。當相位倒轉被探測到時,回聲消除器被禁止。
文檔編號H04Q1/444GK1214818SQ9719328
公開日1999年4月21日 申請日期1997年1月28日 優先權日1996年1月31日
發明者T·特魯姆普 申請人:艾利森電話股份有限公司