CN103796135B - 具有回声消除的动态扬声器管理 - Google Patents

Abstract

一种回声消除系统包括动态扬声器管理(DSM)模块、电流/电压感测放大器、声压级(SPL)模型模块以及回声消除器。该示例性DSM模块可接收远端信号，并用于生成修正的远端信号和多个参数输出。示例性的电流/电压感测放大器耦合到该修正的远端信号，并生成放大器输出、电压(V)参数输出和电流(I)参数输出。示例性的声压级(SPL)模型模块耦合到DSM模块的多个参数输出，并用于生成预测的SPL。该示例性的回声消除器模块响应于预测的SPL和近端信号，并用于生成回声消除输出信号。

Description

具有回声消除的动态扬声器管理

相关申请的交叉引用

本申请要求均于2012年10月31日提交的、美国临时专利申请USSN61/721010，61/721015以及61/721021的权益，其全部内容通过引用并入于此。

背景技术

当前的趋势是在多种设备(例如功能手机、智能手机和平板)的微型扬声器的输出端提供较大声的声压级(“SPL”)。此处的扬声器可替换地也被称为“扩音器”。正如本领域技术人员所公知的，SPL是由于扬声器操作而引起的在扬声器前部的声压变化的测量量。

当增加扬声器电话中的SPL级时出现的问题是其通常造成扬声器操作在非线性区域中。当设备以扬声器电话模式操作时，其变得难以有效消除在扬声器和麦克风之间由直接或者反射的声学路径造成的回声。

图1是示出现有技术的某些回声消除器系统的框图。在第一示例中，图1示出了传统的回声消除器，其将作为参考的远端信号(“语音”)R1馈送到自适应滤波器，该自适应滤波器对声音反馈(“回声”)进行建模。从麦克风的输出中减去自适应滤波器的输出，以降低麦克风信号中的回声。在第二示例中，省略了参考信号R1，并将来自附着到扬声器纸盒(cone)上的传感器S(例如，加速计或者麦克风)的参考信号R2输入到自适应滤波器中。

图1的框图的第一示例操作所带来的问题是参考R1没有精确的表示或者没有在扬声器处的真实SPL变化的“模型”，从而导致较差的回声消除。第二示例操作导致较好的表示或者较好的扩音器的SPL“模型”，但是仅仅是以将传感器S附着到扩音器纸盒为代价，这影响了扬声器的SPL特性，并增加了系统的成本。

被建模的声音反馈信号(例如，R1或R2)和麦克风输出的近端信号之间的误差可被用于调整自适应滤波器以及提高其性能。在稳定状态下，自适应滤波器学习精确地对声音反馈进行建模，并使误差最小化。然而，由于馈送到传统的回声消除器的参考(例如RI)并未携带任何有关扩音器引入的非线性的信息，因此现有技术中未使用传感器S的回声消除器将无法消除非线性成分，从而导致回声消除后的语音中有更多的回声残留。

通过阅读下述说明书以及研究附图中的数副图，对于本领域技术人员来说，现有技术中的这些或者其它局限性将变得明显。

发明内容

在一实施例中，通过示例而非限制的方式阐述了回声消除系统，该回声消除系统包括动态扬声器管理(DSM)模块、电流/电压感测放大器、声压级(SPL)模型模块以及回声消除器。该示例性的DSM模块可接收远端信号并用于生成修正的远端信号和多个参数输出。该示例性的电流/电压感测放大器耦合到该修正的远端信号并生成放大器输出、电压(V)参数输出、以及电流(I)参数输出。该示例性的声压级(SPL)模型模块耦合到DSM模块的多个参数输出并用于生成预测的SPL。该示例性的回声消除器模块响应于预测的SPL和近端信号，并用于生成回声消除输出信号。

在实施例中，通过示例而非限制的方式阐述了对扩音器声压级(SPL)进行建模的方法，所述方法包括：测量施加到扬声器线圈的电压(V)以及流经扬声器线圈的电流(I)，以生成V参数和I参数；根据V参数和I参数对扬声器线圈的阻抗进行建模，以提供多个参数输出；利用多个参数输出来对用于扬声器的预测的SPL进行建模；以及将预测的SPL应用到回声消除器作为参考信号。在某些非限制性的示例中，多个参数输出包括谐振频率(Fc)参数输出和总的品质因数(Q)参数输出。在其它非限制性的示例中，多个参数输出包括d.c.线圈电阻(R_dc)参数输出。在另一非限制性的示例中，多个参数输出包括V参数和/或修正的远端信号参数。在某些非限制性的示例中，将近端信号应用于回声消除器。

这里所公开的示例性系统和过程的优点在于在并未通过将传感器等附着到扬声器纸盒而影响扬声器的SPL的情况下，获得扬声器SPL的精确预测。

这里所公开的示例性系统和过程的另一优点在于通过对扬声器的SPL进行精确和动态地建模，能够由小形状因数的扩音器和箱子中获得更响亮、更清楚的声音。

这里所公开的示例性系统和过程的另一优点是生成SPL模型，所述SPL模型包括在高音量地回放期间与由扩音器引入的非线性相关的信息，从而使回声消除器的自适应滤波器可以更有效地消除非线性的声反馈。

通过阅读以下描述以及研究附图中的数副图，对于本领域技术人员来说，这些或者其它实施例、特征以及优点将变得明显。

附图说明

现在将参照附图来描述多个示例性实施例，其中，相同的部件被提供相同的附图标记。这些示例性实施例意在说明而不是限制本发明。视图包括以下附图：

图1是示出现有技术的回声消除系统的框图；

图2是示出具有回声消除的示例性动态扬声器管理系统的框图；以及

图3是示例性SPL建模过程的流程图。

具体实施方式

图1参照现有技术进行了讨论。图2是通过示例而非限制的方式阐述了动态扬声器管理(“DSM”)系统10的框图，该动态扬声器管理系统10包括DSM模块12、SPL模型模块14、回声消除器模块16以及电流/电压感测放大器32。在该示例中，DSM系统10耦合到便携式电子设备(例如智能手机、平板计算机等)的扩音器(“扬声器”)18以及“近端”麦克风20。该扩音器18和麦克风20暴露于可具有一个或多个反射面24的周围环境22，例如房间。需注意的是，从扬声器18到麦克风20具有穿过空气的直接和反射的声学路径，从而在麦克风20处导致声反馈。

DSM系统10具有输入26，有时候称作“远端”输入，该“远端”输入可以包括例如远端信号，在这里被称为“远端语音”。例如在智能手机的情况下，这可以来自电话的无线电频率(RF)接收器电路。通过DSM模块12将输入26进行处理，以使信号响度最大化，并且为扩音器18的建模提供信息。在该非限制性的示例中，放大器32的输出28利用在电压V下的电流I来驱动扩音器18的线圈。

在该非限制性的示例中，DSM模块12包括DSM控制块30和扬声器建模器34。该DSM控制块30具有作为输入的远端信号和作为输出的修正信号，该修正信号在这里被称为应用于放大器32的输入端的“修正的远端信号”。在该示例中，将DSM控制块30的输出即输入到放大器32中并又经由线路33输入到SPL模型模块14中，尽管在其它实施例中可以省略线路33。

如上所述，放大器32为扬声器18提供输出信号28，也向扬声器建模器34提供电压V和电流I参数。扬声器建模器34提供输出35，该输出35被输入到DSM控制块30和SPL模型模块14这两者中。

SPL模型模块14接收信号36，该信号36为以下中的一个或多个：DSM控制块30经由线路33的输出、扬声器建模器34经由线路35的多个参数输出的输出、以及来自放大器32的电压V参数(在一些实施例中，该电压V参数可以代替线路33中的来自DSM控制块30的参数)。利用算法来处理和分析信号36，以例如预测扬声器18的SPL，从而可以精确地对来自周围环境22的声反馈的传递函数进行建模。

在通过示例而非限制的方式阐述的实施例中，通过假设扩音器18是在一个感兴趣的给定频率范围(例如，0-4KHz)内的二阶(“线性”)系统，扬声器建模器34利用电流I和电压V来对该扩音器18的阻抗传递函数进行建模。使用诸如最小平方根方法的技术来获得阻抗传递函数。在其它实施例中，可以利用其它模型和技术来例如对非线性响应进行建模。

在非限制性的示例中，可以根据由扬声器建模器34获得的阻抗传递函数来计算谐振频率“Fc”和整个的品质因数“Q”。以非限制性示例的方式，通过利用所计算的Fc和Q参数，扬声器18的SPL传递函数可以被建模为二阶(“线性”)高通滤波器。可替换地，可以生成更高阶的系统模型来反映例如当以高振幅来驱动扩音器18时该扩音器18的非线性响应。通过SPL模型模块14，SPL传递函数随后可被用于将施加于扩音器18的线圈的电压V变换到其SPL响应，该SPL响应随后被输入到回声消除器模块16中。

在该非限制性示例中，回声消除器模块16可以是常规设计，其包括自适应滤波器38和加法器40。自适应滤波器38响应于由SPL模型模块14生成的预测SPL，并且通常利用许多滤波器和延迟来尽可能接近地对周围环境22的传递函数的逆进行建模。自适应滤波器38的输出随后和麦克风20的输出一起被求和，以至少部分地消除声反馈或者输出信号42的“回声”，这里被称为“回声消除信号”或者“回声消除语音”。

图2所示的DSM系统的操作示例如下。由DSM模块12处理远端信号，以降低在较高回放音量下的失真。扬声器建模器34处理从电流/电压感测放大器32获得的感测电压V和电流I，以生成线路35上的参数输出，例如其谐振频率Fc、品质因数(Q)和d.c.线圈电阻(R_dc)。例如，这些参数输出连同其它信号可由SPL模型模块14使用。将意识到，该信号36包含与在高声回放期间由扬声器产生的非线性相关的信息，从而使自适应滤波器可以更有效地消除声反馈。

图3是通过示例而非限制的方式阐述过程50的流程图，该过程50由图2的DSM系统10来执行。在该非限制性示例中，该过程50通过感测流经扬声器线圈的电流I和施加到线圈的电压V，在52开始。接着，在操作54中，例如利用图2的扬声器建模器34，将感测电流I和电压V用于对扩音器的阻抗进行建模。操作56利用操作54生成的扬声器的阻抗模型，来计算和估计谐振频率Fc和总的品质因数Q。操作56利用所计算的Fc和Q参数例如在图2的SPL模型模块14中获得扬声器SPL模型。接着，在操作60，以非限制性示例的方式，将电压V(例如，来自图2的线路35)施加到SPL模型模块14，以例如在图2的线路15上生成扬声器的预测的SPL。最后，在操作62中，将预测的SPL应用到回声消除器16，以提供所期望的回声消除。

应注意的是，在前述示例性实施例中，DSM控制块30在线路33上的输出未被SPL模型模块14使用。在可替换的示例性实施例中，DSM控制块30在线路33上的输出另外被用于线路37上的电压V参数，并且在另一可替换的示例性实施例中，DSM控制块30在线路33上的输出代替线路37上的电压V参数。还使用了用作相似目的的其它参数输入。

例如，可以整个地或者部分地使用集成电路(“IC”)技术来提供DSM系统10和由此实施的示例性算法。以非限制性示例的方式，DSM系统10可作为音频处理IC或数字信号处理器(“DSP”)的一部分来实现，例如，加利福尼亚的圣何塞的Maxim Integrated Products有限公司，d/b/a Maxim Integrated的零件号码为MAX98096的“具有宽带FlexSound处理器的音频网络集线器”。还应该意识到，DSM模块12、SPL模型模块14和回声消除器16的功能可由硬件、软件或其结合来实现。在另一非限制性的示例中，该过程可另外由诸如智能手机或者平板电脑的移动设备的其它处理装置(例如，微处理器)来实现。

尽管利用具体的术语和装置描述了各种实施例，然而这些描述仅仅是为了说明性的目的。所使用的词语是用于描述而不是用于限制。应该知道的是，在不背离所撰写的公开内容和附图所支持的各种发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可进行各种改变或变化。此外，应该理解的是，各种其它实施例可以全部或者部分地相互交换。因此，应该根据本发明的真实的精神或者范围来解释权利要求而不是限制或者禁止。

Claims (13)

1.一种用于回声消除的系统，包括：

动态扬声器管理(DSM)模块，其接收远端信号、电压(V)参数输出和电流(I)参数输出，并用于生成修正的远端信号和多个参数输出；

电流/电压感测放大器，其耦合到所修正的远端信号并具有放大器输出、所述电压参数输出和所述电流参数输出；

声压级(SPL)模型模块，其耦合到所述动态扬声器管理模块的所述多个参数输出并用于生成预测的声压级；以及

回声消除器模块，其响应于所预测的声压级和近端信号，并用于生成回声消除输出信号。

2.如权利要求1所述的用于回声消除的系统，还包括扬声器以及提供所述近端信号的麦克风，所述扬声器耦合到所述电流/电压感测放大器的放大器输出。

3.如权利要求2所述的用于回声消除的系统，其中，所述动态扬声器管理模块包括动态扬声器管理控制块和扬声器建模器。

4.如权利要求3所述的用于回声消除的系统，其中，所述扬声器建模器利用所述电流/电压感测放大器的所述电压参数输出和所述电流参数输出，来生成谐振频率(Fc)参数和总的品质因数(Q)参数作为所述动态扬声器管理模块的参数输出。

5.如权利要求4所述的用于回声消除的系统，其中，所述扬声器建模器利用所述电流/电压感测放大器的所述电压参数输出和所述电流参数输出，来生成d.c.线圈电阻(R_dc)参数作为所述动态扬声器管理模块的参数输出。

6.如权利要求5所述的用于回声消除的系统，其中，所述电压参数输出是所述动态扬声器管理模块的参数输出。

7.如权利要求5所述的用于回声消除的系统，其中，所述动态扬声器管理控制块的输出是所述动态扬声器管理模块的参数输出。

8.如权利要求3所述的用于回声消除的系统，其中，所述动态扬声器管理控制块接收所述远端信号并且耦合到所述电流/电压感测放大器，所述扬声器建模器被配置为从所述电流/电压感测放大器接收所述电压参数输出和所述电流参数输出，所述动态扬声器管理控制块和所述扬声器建模器中的每一个均耦合到所述声压级模型模块，并且所述动态扬声器管理控制块耦合到所述扬声器建模器。

9.一种用于回声消除的方法，包括：

测量施加到扬声器的扬声器线圈的电压(V)和流经所述扬声器线圈的电流(I)，以生成电压参数和电流参数；

根据所述电压参数和所述电流参数来对所述扬声器线圈的阻抗进行建模，以提供多个参数输出；

利用所述多个参数输出来对用于所述扬声器的预测的声压级进行建模；

将所预测的声压级应用到回声消除器作为参考；以及

将近端信号应用于所述回声消除器，并且

其中所述回声消除器生成回声消除输出信号。

10.如权利要求9所述的用于回声消除的方法，其中，所述多个参数输出包括谐振频率(Fc)参数输出和总的品质因数(Q)参数输出。

11.如权利要求10所述的用于回声消除的方法，其中，所述多个参数输出包括d.c.线圈电阻(R_dc)参数输出。

12.如权利要求11所述的用于回声消除的方法，其中，所述多个参数包括所述电压参数。

13.如权利要求11所述的用于回声消除的方法，其中，所述多个参数包括修正的远端信号参数。