(57)【要約】  電話機の１つのチャネルにおける加算回路（７２）の出力における信号のエネルギと定数とを乗算して積を生じることによって、経路変更が検出される。この積は、加算回路の入力における信号のエネルギと比較される（８４）。積のエネルギが加算回路の入力における信号のエネルギを超えるときに、経路変更が指示される。この比較は、オーディオ信号の連続的なフレーム（８７）において行われ、加算回路の入力における信号のエネルギが２つ以上の連続的なフレームにおいて超えられると、経路変更が指示される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のチャネルと、第２のチャネルと、前記第１のチャネルと前記第２のチャネルとの間に結合された少なくとも１つのエコー・キャンセリング回路とを有するオーディオ周波数回路を含む電話機であって、
前記第１のチャネルに入力と出力とを有する加算回路と、
前記入力と前記出力とに結合されており、前記エコー・キャンセリング回路が発散するときには第１の出力信号を生じ、それ以外の場合には第２の出力信号を生じる経路変更検出器と、
を備えていることを特徴とする電話機。
【請求項２】
請求項１記載の電話機において、前記経路変更検出器はダブルトーク条件の間に前記第１の出力信号を生じることを特徴とする電話機。
【請求項３】
請求項１記載の電話機において、前記経路変更検出器は前記エコー・キャンセリング回路に結合され、前記第１の出力信号は前記エコー・キャンセリング回路を消勢することを特徴とする電話機。
【請求項４】
請求項３記載の電話機において、
前記経路変更検出器と前記エコー・キャンセリング回路との間に結合され、前記第１の出力信号の複数の発生を記憶するレジスタを更に含んでおり、よって、前記エコー・キャンセリング回路が消勢される前に前記第１の出力信号の少なくとも２つの連続的な発生が存在することを特徴とする電話機。
【請求項５】
請求項１記載の電話機において、前記経路変更検出器は前記エコー・キャンセリング回路に結合され、前記第１の出力信号は前記エコー・キャンセリング回路をリセットすることを特徴とする電話機。
【請求項６】
請求項５記載の電話機において、
前記経路変更検出器と前記エコー・キャンセリング回路との間に結合され、前記第１の出力信号の複数の発生を記憶するレジスタを更に含んでおり、よって、前記エコー・キャンセリング回路がリセットされる前に前記第１の出力信号の少なくとも２つの連続的な発生が存在することを特徴とする電話機。
【請求項７】
請求項１記載の電話機において、
前記加算回路に結合された第１の入力とスレショルド信号に結合された第２の入力と前記経路変更検出器への出力とを有するコンパレータを更に含んでおり、
前記コンパレータは、前記第１の入力における信号が前記スレショルド信号を超えないときには前記経路変更検出器を消勢することを特徴とする電話機。
【請求項８】
請求項１記載の電話機において、前記経路変更検出器は、
前記加算回路の出力に結合された入力と出力とを有するプログラマブル・ゲイン増幅器と、
前記プログラマブル・ゲイン増幅器の出力に結合された第１の入力と前記加算回路の入力に結合された第２の入力とを有するコンパレータと、
を含んでおり、よって、前記経路変更検出器は、実際、前記加算回路の出力の上の信号の大きさを前記加算回路の入力の上の信号の大きさによって除算した商がスレショルドを超えるかどうかを判断することを特徴とする電話機。
【請求項９】
請求項１記載の電話機において、前記経路変更検出器は、
前記加算回路の出力の上の信号の大きさを前記加算回路の入力の上の信号の大きさによって除算した商を表す商信号を生じる第１の回路と、
前記商信号とスレショルドとを比較し、前記商信号が前記スレショルドを超えるときには前記第１の出力信号を生じるコンパレータと、
を含むことを特徴とする電話機。
【請求項１０】
第１のチャネルと第２のチャネルと前記第１のチャネルと前記第２のチャネルとの間に結合された少なくとも１つのエコー・キャンセリング回路とを含むオーディオ周波数回路と、前記第１のチャネルにおいて入力と出力とを有する加算回路とを有する電話機において経路変更を検出する方法であって、
前記加算回路の出力の上の信号の大きさを前記加算回路の入力の上の信号の大きさによって除算して商を生じるステップと、
前記商とスレショルドとを比較するステップと、
前記商が前記スレショルドを超えるときには経路変更を指示するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の方法において、
前記ステップは、１つのオーディオ信号の連続的なフレームに対して反復され、
経路変更が指示される前に３以上の連続的なフレームにおいて経路変更が検出されることを特徴とする方法。
【請求項１２】
第１のチャネルと第２のチャネルと前記第１のチャネルと前記第２のチャネルとの間に結合された少なくとも１つのエコー・キャンセリング回路とを含むオーディオ周波数回路と、前記第１のチャネルにおいて入力と出力とを有する加算回路とを有する電話機において経路変更を検出する方法であって、
前記加算回路の出力の上の信号の大きさと定数とを乗算して積を生じるステップと、
前記積と前記加算回路の入力の上の信号の大きさとを比較するステップと、
前記積の大きさが前記加算回路の入力の上の信号の大きさを超えるときには経路変更を指示するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の方法において、
前記ステップは、１つのオーディオ信号の連続的なフレームに対して反復され、
経路変更が指示される前に３以上の連続的なフレームにおいて経路変更が検出されることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、エコー・キャンセリング回路を用いた電話機に関し、更に詳しくは、経路変更検出器を含むエコー・キャンセリング回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
ここに用いる「電話機」とは、ライセンスを有するサービス・プロバイダからのダイアル・トーンを直接又は間接に用いる通信装置のための総称である。そのため、「電話機」は、卓上電話機（図１を参照）と、コードレス電話機（図２を参照）と、スピーカーフォン（図３を参照）と、ハンズ・フリー・キット（図４を参照）と、携帯電話機（図５を参照）などを含む。簡潔にするために、本発明は、電話機に即して説明するが、より広い用途を有する。例えば、無線周波数トランシーバのようにダイアル・トーンを用いない通信装置がある。
【０００３】
電話システムには、２種類のエコーが存在する。すなわち、イヤホン又はラウド・スピーカとマイクロホンとの間の音響（アコースティック）・エコーと、局の間でコールをルーティングする交換網において発生する電気エコーとである。ハンドセットでは、音響エコーは通常はたいした問題ではない。スピーカーフォンでは、複数の人間が１つのマイクロホン及びラウドスピーカの周囲に集まるため、音響フィードバックがより問題になる。端末交換機又は固定ネットワークの遠隔加入者段におけるハイブリッド回路（２ワイヤから４ワイヤへの変圧器）は、電気エコーの主要なソースである。
【０００４】
エコーを減少させる１つの方法として、エコー経路の周波数及び位相応答と一致するように、フィルタの周波数及び位相応答をプログラムするものがある。典型的に使用されるフィルタは、プログラム可能な係数を有する有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタである。エコーは、入力においてエコーを生じる信号から減算される。このテクニックは、係数適応アルゴリズムに応じて、エコーを３０ｄＢ程度減少させることができる。非線形のテクニックを用いる追加的な手段を追加すると、更にエコーを減少させることができる。適応フィルタのための解を近似によって求めるのは、体をよじる子どもに服を着せようとするのに似ている。つまり、入力信号は変化し続けるのである。一方の極端では、突然及び／又は大規模な変化が近似プロセスを混乱させ、プロセスを収束ではなく発散させる。他方の極では、ノイズに対するエコーの比率が低いことにより、不安定性を引き起こす場合がある。
【０００５】
収束は、回答を近似するプロセスに関係する。高校では、二次方程式ｆ（ｘ）＝０の解を、この方程式の左辺にある項の係数から計算する方法を教えられる。しかし、これは、この問題を解く唯一の方法ではない。単に方程式のｘに対してある値（推測値）を代入して結果を計算することができる。この推測値は、計算結果とゼロとの間の差（誤差）に応じて修正される。誤差は、推測値と同じくらい大きな数値でありうる。したがって、誤差の一部を推測値を調節するために用いるのは一般的である。望ましくは、連続的な推測を行うことにより、徐々に解に近づくことになる。これが収束である。誤差の大きさが任意に小さくなると、計算は停止する。過渡の訂正がある場合には、誤差は徐々に大きくなる。これが発散である。人間にとっては、このアプローチは、時間を要し退屈である。しかし、コンピュータにとっては、このアプローチは、二次方程式の解を求める以外の多くの状況において非常に有用で適用可能である。
【０００６】
デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）は、いくつかの利用可能なアルゴリズムの中のいずれか１つに従ってプログラムすることが可能であり、それにより、一般に、迅速な収束が提供される。エコー経路がゆっくり変化する場合には、通常は、問題ない。したがって、ハンドセットを使用する電話機の場合には、問題にならないのが一般的である。しかし、急激な変化は、例えばスピーカホンの場合には生じる可能性が大きいのであるが、アルゴリズムを発散させる場合がある。発散は、また、調整可能なステップ・サイズを備えたアルゴリズムの場合に、より可能性がありそうである。つまり、増加されるべきでないときに、ステップ・サイズが増加する場合である。発散があるときには、２つの中の１つが起こる。システムは、結果的に発散を感知し、また半二重モードになることによりリセットするか、さもなければ、所望の信号に著しい歪みを与えるのでなければ、エコーを生じる。最悪の場合には、両方の事象が起こり、歪みとそれに続く不気味な静寂とが生じる。
【０００７】
経路変更検出器を追加すると、経路変更の誤った肯定的指示という問題が潜在的に追加されることになる。結果は発散の場合と同様である。したがって、問題は、新たな問題を生じさせずに、ある問題を解決することにある。
【０００８】
先行技術では、米国特許第５，４７７，５３４号（クサノ）は、ＦＩＲフィルタの係数における急激な変化をモニタすることと、発散を防ぐために急激に変化する係数を修正することとを開示している。米国特許第６，２４０，１２８号（バネルジ外）は、システムにおけるサンプリング・レートを同期させることにより、発散を回避することを開示している。
【０００９】
以上を考慮すると、本発明の目的は、エコー経路の急激な変化の間に安定的である効率的な適応フィルタを提供することである。
本発明は、誤った肯定をする傾向のない経路変更検出器を提供することを、もう一つの目的とする。
【発明の概要】
【００１０】
先の目的は、電話機の１つのチャネルの加算回路の出力における信号のパワーと定数とを乗算して積を生じることにより経路変更が検出される本発明において達成される。この積は、加算回路の入力における信号のパワーと比較される。積のパワーが加算回路の入力における信号のパワーを超えると、経路変更が示される。好ましくは、この比較は、オーディオ信号の連続的なフレームにおいてなされ、加算回路の入力における信号のパワーが２つ以上の連続的なフレームにおいて超えられる場合には、経路変更が示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
この技術分野の当業者は、いったんアナログ信号がデジタル形式に変換されるとそれ以降のすべての動作は、１又は複数の適切にプログラムされたマイクロプロセッサにおいて行なわれることを理解する。例えば、「信号」への言及は、必ずしもハードウェア・インプリメンテーション又はアナログ信号を意味しない。メモリにおけるデータは、たとえ１ビットである場合でも、信号になりうる。言いかえれば、ブロック図は、ハードウェア、ソフトウェア（例えばフロー・チャート）又はハードウェアとソフトウェアとの組合せと考えることが出来る。マイクロプロセッサをプログラミングすることは、この技術分野における通常の技術の範囲内である。
【００１２】
本発明は、電子部品（エレクトロニクス）が本質的に同じであるが装置の外観が異なる多くの応用例において用いられる。図１は、卓上電話機の含むベース１０とキーパッド１１とディスプレイ１３とハンドセット１４とを含む卓上電話機を図解している。図１に示されるように、この電話機は、スピーカ１５とマイクロホン１６とを含むスピーカーフォン能力を持っている。図２で示されているコードレス電話は、コードではなくてアンテナ２３及び２４によってベース２０とハンドセット２１とが無線周波数（ＲＦ）信号によって結合される以外は類似している。ハンドセット２１のための電源は、ハンドセットがクレードル２９に置かれるときにベース２０の端子２６及び２７を介して充電される内蔵電池（図示せず）によって供給される。
【００１３】
図３は、オフィスで見られるような会議電話又はスピーカーフォンを図解している。電話機３０は、特別の形状のケースの中に、マイクロホン３１及びスピーカ３２を含んでいる。米国特許第５，１３８，６５１号（スドウ）に開示されているように、電話機３０は、音声受信を改善する複数のマイクロホン３４及び３５を含み、エコー拒絶又はノイズ除去のために複数の入力を提供する。
【００１４】
図４は、図５に図解されている携帯電話にオーディオ結合を提供するハンド（ハンズ）・フリー・キットとして知られているものを図解している。ハンド・フリー・キットは、様々なインプリメンテーションがあるが、一般的には、プラグ３７に付属する電源付きのスピーカ３６を含み、このプラグ３７は、車両に付属のコンセント又はシガレット・ライター・ソケットに適合する。ハンド・フリー・キットは、更に、プラグ３９で終端するケーブル３８を含む。プラグ３９は、携帯電話４２におけるソケット４１（図５）など、携帯電話のハンドセット・ソケットに適合する。いくつかのキットは、電話機に結合するため、コードレス電話機のように、ＲＦ信号を使用する。ハンド・フリー・キットは、また、音量制御と、コールに応答するのに「フックから外す」ための何からの制御スイッチとを含む。ハンド・フリー・キットは、また、キットにプラグインするバイザー・マイクロホン（図示せず）を含む。本発明に従って構築された音声処理回路は、ハンド・フリー・キットや携帯電話の中に内蔵することが可能である。
【００１５】
様々な形態の電話機は、すべて本発明から利益を得ることができる。図６は、携帯電話の主なコンポーネントのブロック図である。典型的には、これらのブロックは、示された機能をインプリメントする集積回路に対応する。マイクロホン５１、スピーカ５２及びキーパッド５３は、信号処理回路５４に結合される。回路５４は、多くの機能を実行し、この技術分野では、メーカーによって異なる複数の名称知られている。例えば、インフィネオン（Infineon）社は、回路５４を「シングル・チップ・ベースバンドＩＣ」と称する。クアルコム（QualComm）社は、回路５４を「モバイル・ステーション・モデム」と称する。異なるメーカーからの回路は、明らかにその詳細が異なっているが、示された機能が含まれているのが一般的である。
【００１６】
携帯電話は、オーディオ周波数及び無線周波数回路の両方を含む。デュープレクサ５５は、アンテナ５６を受信プロセッサ５７に結合する。デュープレクサ５５は、パワー増幅器５８にアンテナ５６を結合し、送信の間、パワー増幅器から受信プロセッサ５７を分離する。送信プロセッサ５９は、回路５４からのオーディオ信号を用いて無線周波数信号を変調する。スピーカーフォンのような携帯電話ではない応用例では、無線周波数回路は存在せず、信号プロセッサ５４は、いくぶん単純化可能である。エコー・キャンセレーションとノイズの問題は残り、オーディオ・プロセッサ６０によって処理される。本発明を含めるために修正されるのはオーディオプロセッサ６０である。その変更がどのように起こるかは、エコー・キャンセレーション及びオーディオ・プロセッサのノイズ削減部をより詳細に考慮することによって、より容易に理解される。
【００１７】
図７は、ノイズ削減及びエコー・キャンセリング回路の詳細なブロック図である。例えば、Shenoi, Digital Signal Processing in Telecommunications （Prentice-Hall, 1995）の第６章を参照のこと。なお、４つのＶＡＤ回路が追加されている。以下では、マイクロホン入力６２からライン出力６４まで、送信チャネルを通過する信号フローについて説明する。ライン入力６６からスピーカ出力６８までの受信チャネルも同様に動作する。
【００１８】
マイクロホン入力６２に入る新たな音声信号には、スピーカ出力６８からの信号が伴うことがあるし、伴わないことがある。入力６２からの信号は、Ａ／Ｄ変換器７１においてデジタル化され、加算回路７２に結合される。しかし、エコー・キャンセリング回路７３からの信号は存在せず、データは非線形フィルタ７４に移る。非線形フィルタは、最小の抑制に当初は設定されている。
【００１９】
非線形フィルタ７４からの出力は、加算回路７６に結合され、そこで、コンフォート・ノイズ７５がオプションで信号に加えられる。次に、信号は、Ｄ／Ａコンバータ７７によってアナログ形式に戻され、増幅器７８において増幅され、ライン出力６４に結合される。４つのＶＡＤ回路からのデータは、制御８０に与えられ、制御８０は、そのデータを、サブバンドの配分、エコー消去、ダブルトーク検出、それ以外の機能のために用いる。制御回路４０（図７）は、制御８０の一部になりえるし、個別でもよい。例えば、ハンド・フリー・キットにおいて用いられる場合などである。回路７３は音響エコーを縮小し、回路８１はライン・エコーを縮小する。これらの最後の２つの回路の動作は、この技術においてられている。例えば、上述の米国特許において記載がある。
【００２０】
図８は、経路変更を検出しエコー・キャンセリング回路をそれに従って制御する本発明の好ましい実施例に従って構築された回路のブロック図である。音響エコー・キャンセラ（ＡＥＣ）が評価しようとしているインパルス応答に変更がある場合に、経路変更が生じる。ラウドスピーカ又はマイクロホンの位置が変わるとき、又は、オブジェクトがラウドスピーカとマイクロホンとの間に来るときに、この変更が起こることがある。経路変更が生じるときはいつも、インパルス応答変化が変化し、ＡＥＣは新しいインパルス応答に適応しなければならない。ＡＥＣが適応している間、エコーは完全には取り消されない。経路変更検出器（ＰＣＤ）は、ＡＥＣが適応するまで使用されるエコー・キャンセレーション（例えば非線形の処理）（ＮＬＰ）の他の形式に制御信号を供給する。ＰＣＤは、より高速の再収束（より大きなステップ幅でデフォルト設定から始めることは、より小さなステップ幅で最後のソリューションから始めるより一般に高速である）を許容する経路変更の検出の際に、ＡＥＣをリセットする。
【００２１】
本発明によると、ＰＣＤは、加算回路７２との間のエネルギの比率をモニタする。この比較は、各項を再構成して除算を乗算と交代し、初期化の間に計算することができる逆数（reciprocal）である乗数を用いることによって、なされる。次の数式では、数式１が方程式１であり、数式２が方程式２である。
【００２２】
【数１】
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【００２３】
【数２】
2009501501.tif 000004
【００２４】
ＡＥＣが発散する場合、ＰＣＤからの出力は真である。通常の動作では、エコー経路が変更された場合に限り、ＡＥＣは発散する。他の条件はＡＥＣを発散させ、ＰＣＤに誤った肯定を生じさせる。そのような１つの条件が、ハンドセット・モードである。ハンドセット・モードでは、端点に近い（ニアエンド、near-end）音声はエコーよりはるかに大きい。ＡＥＣは、ダブルトークの間に適応を許容される場合には、ニアエンドの寄り大きな音声のために発散し、ＰＣＤは、誤った肯定を生じる。誤った肯定のために、システムに、それがするべきであるよりも長い時間を半二重のモードで過ごさせる。エコー経路はハンドセット自体や人の頭部のような不変の要素にはるかに依存するため、経路変更検波は、ハンドセット・モードの間はオフにすることができる（図６のオーディオ・プロセッサの別の箇所で検出される）。
【００２５】
しかし、経路変更の正しくない指示は、正常なシステム動作における問題になりえるし、肯定的な指示のその後の更なる処理が、本発明に従って提供される。誤った肯定が生じる可能性を減少させるために、いくつかの限定及びホールドオフが提供される。
【００２６】
図８では、加算回路７２からの出力とこの加算回路への入力との最初の比較が、経路変更検出器８１において生じる。図８は、本発明の好適実施例を図解しており、それは上記の方程式（２）をインプリメント（実現、実装）する。加算回路７２からの出力信号はプログラマブル・ゲイン増幅器８３によって振幅が調節され、調整された信号はコンパレータ８４における加算回路７２への入力信号と比較される。増幅器８３の利得（ゲイン）は１／ｔｈｒｐｃｄである。経路変更検出器８１は、加算回路７２へのデジタル化された入力信号の１つのフレーム当たり１回、出力を生じる。
【００２７】
コンパレータ８６は、解析すべきエコー信号が存在する可能性が高くなければ、ＰＣＤ８１が動作することを防止する。スピーカからのエコーが存在しない（又は最小である）場合、又は、マイクロホン入力エネルギが存在しない（又は最小である）場合には、ＰＣＤへの入力信号は小さい。そのような状況では、ノイズが支配的になり始め、結果的に、経路変更の正しくない指示を生じる。これを防止するため、コンパレータ８６は、加算回路７２への入力を見て、それをスレショルドと比較する。信号エネルギすなわち振幅がスレショルド未満である場合には、コンパレータ８１は、出力を生じない。あるいは、コンパレータ８１の出力の状態変更を防止できる。
【００２８】
信号のエネルギのスプリアスな変化が、誤った肯定を生じる場合がある。経路変更は、一般に、ゆっくりと変化する条件の結果として生じる。本発明の別の側面によると、迅速な変更に対する応答は、誤った肯定を防止するフィルタとして機能するレジスタ８７を加えることにより回避される。有効な経路変更であると見なされる前に、経路変更の指示は連続する数のオーディオ・フレームに対して真でなければならない。この数は重要ではなく、電話機の特別の環境に適するように容易に経験的に決定される。
【００２９】
レジスタ８７の出力は、また、経路変更が検出されるときにホールドオフ周期を提供することにより、結果を平滑化する。ホールドオフ周期の間は、経路変更は検出されず、ホールドオフ周期のあとまで経路に変化がないことを仮定される。これは、変化し続けるエコー経路と、順応の間に変化するエコー・キャンセレーション動作との結果として生じる誤った指示を防ぐ。
【００３０】
例えば、経路変更の指示として５つの肯定的な出力が要求される場合には、レジスタ８７は、５ビットのシフト・レジスタとして実装可能である。この５ビットである１１１１１が、論理ＡＮＤ演算され、論理的に「真（トゥルー）」の出力信号を生じる。出力が真になった後では、出力が「偽（フォールス）」になり検出をイネーブルするまで、５ビットの遅延すなわち５つのオーディオ・フレームが生じる。等しくない遅延量を提供する１つのレジスタの代わりに、２つのレジスタを使用することがある。
【００３１】
レジスタ８７の出力は、エコー・キャンセリング回路７３と非線形プロセッサ７４とに結合される。レジスタ８７の出力が真の場合、エコー・キャンセリングは消勢され、非線形の処理がイネーブルされる。
【００３２】
図９は、経路変更検出器９１が上記の方程式（１）をインプリメントする本発明の別の実施例のブロック図である。ディバイダ９３は、加算回路７２における出力と入力との比率を決定する。この比率すなわち商は、コンパレータ９４においてスレショルドと比較される。コンパレータ９４からの出力はレジスタ８７（図８）と接合され、この回路は図８に関して説明したように動作する。
【００３３】
本発明は、このように、エコー経路の急激な変化の間に安定しており誤った肯定を行う傾向のない効率的な適応フィルタを提供する。
以上で本発明について説明したが、発明の範囲内で様々な変更が可能であることは、この技術分野の当業者には明白である。例えば、回路７２及び８３（図７）は、単純な算術演算が実行されるという理解により「加算」回路を呼ばれているが、これは、デジタルでもアナログでもありうる。また、１つの信号を別の信号から減算するとか、１つの信号を反転（符号を逆にする）した上で別の信号に盛んすることもありうる。換言すると、ここで用いている「加算」とは、加算及び減算との両方を意味する。同様に、ここで用いている「大きさ」とは、振幅、パワー又はエネルギを意味しうる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
本発明についてのより完全な理解は、参照されている以下の添付図面を参照して上述の詳細な説明を読むことにより得ることができる。
【図１】卓上電話機の全体図である。
【図２】コードレス電話の全体図である。
【図３】会議電話又はスピーカフォンの全体図である。
【図４】ハンド・フリー・キットの全体図である。
【図５】携帯電話の全体図である。
【図６】電話機における包括的な音声処理回路のブロック図である。
【図７】電話機における音声処理回路に関するより詳細なブロック図である。
【図８】本発明に従って構築された経路変更検出器のブロック図である。
【図９】本発明の別の実施例に従って構築された経路変更検出器のブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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