Un cancelador de eco de audio ajustado para proporcionar una señal de salida con eco atenuado (6107) a partir de una señal de micrófono con eco añadido (6106) que consiste en una señal de eco originada de una señal de audio de extremo cercano y una señal de audio de extremo lejano,

comprendiendo dicho cancelador de eco de audio

un primer filtro de análisis (6301) configurado para dividir la señal de audio de extremo lejano (6101) en un número de señales de referencia de sub-banda (6203),

un segundo filtro de análisis (6302) configurado para dividir la señal de micrófono con eco añadido (6106) en un número de señales de micrófono con eco añadido de sub-banda (6206),

un número de filtros FIR de sub-banda, incluyendo cada uno un conjunto respectivo de n derivaciones de filtro de sub-banda, configurado cada filtro FIR de sub-banda para filtrar una señal de referencia de sub-banda (6203) asociada con el conjunto respectivo de n derivaciones de filtro de sub-banda y para emitir una estimación de eco de sub-banda invertida (6205; 6209) que se suma a una señal de micrófono con eco añadido de sub-banda (6206) asociada para proporcionar una señal de retroalimentación con eco atenuado de sub-banda (6208), con la que se actualiza el conjunto respectivo de derivaciones de filtro de sub-banda,

dicho cancelador de eco de audio está caracterizado porque

cada filtro FIR de sub-banda está configurado además para emitir un subconjunto respectivo de derivaciones de filtro de sub-banda del orden de 0 a m-1 del conjunto respectivo de n derivaciones de filtro de sub-banda y para filtrar dicha señal de referencia de sub-banda (6203) asociada con un subconjunto respectivo de derivaciones de filtro de sub-banda del orden de m a n-1 del conjunto respectivo de n derivaciones de filtro de sub-banda para emitir una estimación de eco retrasado de sub-banda invertida (6209), y

porque el cancelador de eco de audio comprende además:

un filtro de síntesis modelo FIR (6304), configurado para fusionar los subconjuntos de derivaciones de filtro de sub-banda del orden de 0 a m-1 en un conjunto de m derivaciones de filtro de banda total,

un filtro FIR de banda total (6104) configurado para filtrar la señal de audio de extremo lejano (6101) con dicho conjunto de m derivaciones de filtro de banda total para emitir una estimación de eco anticipado de banda total invertida (6108),

un filtro de síntesis (6303) de eco retrasado configurado para fusionar las estimaciones de eco retrasado de sub-banda invertidas (6209) y para proporcionar una estimación de eco retrasado de banda total invertida (6109),

un sumador configurado para proporcionar dicha señal de salida con eco atenuado (6107) sumándose dicha estimación de eco anticipado de banda total invertida (6108), dicha estimación de eco retrasado de banda total invertida (6109) y dicha señal de micrófono con eco añadido (6106)

Procedimiento y sistema para cancelar eco de bajo retardo.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un sistema y procedimiento de comunicación de audio con características acústicas mejoradas, y especialmente a un sistema de conferencias que incluye un sistema de cancelación de eco de audio mejorado.

Antecedentes de la invención

En un sistema de conferencias convencional, uno o más micrófonos capturan una onda de sonido en un lugar de extremo lejano, y transforma la onda de sonido en una primera señal de audio. La primera señal de audio es transmitida a un lugar de extremo cercano, donde un aparato de televisión o un amplificador y altavoz, reproduce la onda de sonido original convirtiendo la primera señal de audio generada en el lugar de extremo lejano en la onda de sonido. La onda de sonido producida en el lugar de extremo cercano, es capturada parcialmente por el sistema de captura de audio en el lugar de extremo cercano, convertida a una segunda señal de audio, y transmitida de vuelta al sistema en el lugar de extremo lejano. Este problema de tener una onda de sonido capturada en un lugar, transmitida a otro lugar, y transmitida después de vuelta al lugar inicial se denomina eco acústico. En su manifestación más severa, el eco acústico puede provocar un sonido de retroalimentación, cuando la ganancia del bucle excede la unidad. El eco acústico también hace que los participantes en ambos lugares se oigan a sí mismos, haciendo difícil una conversación por el sistema de conferencias.

El problema de eco se describe aún más con referencia a la figura 1. La señal de audio digital del extremo lejano 1101 es convertida en el dominio analógico por el convertidor digital-analógico (DAC) 1301, amplificada en el amplificador 1302 del altavoz y convertida además a señales acústicas por el altavoz 1303. Tanto la señal directa 1304 como las versiones reflejadas 1306, reflejadas por paredes/techos etc. 1305 son recogidas de forma no deseada por el micrófono 1308. El micrófono también recoge la señal de extremo cercano 1307 deseada. La señal del micrófono es amplificada en el amplificador del micrófono 1309 y digitalizada en el convertidor analógico-digital 1310, emitiéndose la señal del micrófono no cancelada 1202.

Si la señal del micrófono no cancelada fuese transmitida al extremo lejano, el lugar del extremo lejano oiría su propio eco, y si un sistema similar estuviese presente en el extremo lejano, incluso se podría haber producido acople/retroalimentación.

El modo común de resolver este problema, es añadir el cancelador de eco acústico 1203 a la trayectoria de la señal del micrófono. Este cancelador usa la señal del altavoz digital como señal de referencia, y estima todas las trayectorias del altavoz al micrófono 1304/1306, y sustrae estas estimaciones de la señal del micrófono no cancelada 1202, creándose la señal del micrófono cancelada 1204, que es transmitida al extremo lejano como señal 1102.

Según la técnica anterior hay dos planteamientos principales para los canceladores de eco acústico. El primero es un cancelador de banda total, y el segundo es un cancelador de sub-banda. Ambos usan normalmente filtros adaptativos FIR (de respuesta de impulso finito) para la estimación de la trayectoria del eco, aplicándose sin embargo éstos en el dominio de la banda total y el dominio de la sub-banda, respectivamente.

Un cancelador de eco acústico usado incluirá habitualmente diversos sub-bloques adicionales por ejemplo algoritmo de conversación ininteligible, unidad de procesamiento no lineal, generación de ruido de confort, etc. Por motivos de simplicidad y perspicacia, estos sub-bloques no son abordados aquí, ya que estos bloques no son directamente relevantes al ámbito de la invención. Estos bloques pueden variar y están bien documentados en la técnica anterior. Para un hombre experto en la materia, la integración de estos bloques es sencilla.

La figura 2 muestra un cancelador de eco acústico de banda total de la técnica anterior. La señal del extremo lejano 2101 es pasada al altavoz como señal 2102 y también es usada como la señal de referencia 2103 del altavoz.

La señal de referencia 2103 del altavoz es filtrada por el filtro adaptativo FIR 2104. Este filtro adaptativo converge a y rastrea la respuesta de impulsos de la habitación. Para la convergencia inicial, y para ajustarse a cualquier cambio acústico en la habitación (que la puerta se abra, la gente se mueva, etc.), el filtro adaptativo FIR 2104 tiene que ser adaptativo. Se pueden usar muchos algoritmos adaptativos diferentes para este propósito, desde el económico LMS (de mínimos cuadrados promedio) (de baja capacidad de procesamiento) a los algoritmos más sofisticados y más caros como el APA (algoritmo de proyección afín) y el RLS (de mínimos cuadrados recursivos). Sin embargo, en común, todos estos algoritmos usan el bucle de actualización 2108 del filtro FIR para adaptarse.

El filtro adaptativo FIR emite una estimación de eco invertida 2105, que es sumada a la señal de micrófono no cancelada 2106, calculándose la señal de micrófono con eco cancelado 2107.

En un cancelador de eco de banda total, no se suma ningún retardo algorítmico a la trayectoria de la señal de micrófono, y por lo tanto los canceladores de banda total se usan a menudo cuando un retardo corto es un requisi- to.

Sin embargo, hay algunas desventajas con los canceladores de banda total de la técnica anterior. Una desventaja es que la habilidad del filtro adaptativo para rastrear cambios en el entorno acústico es pobre/lenta, especialmente para el habla y otras señales naturales (coloreadas). Otra desventaja es que los requisitos de capacidad de procesamiento tienden a ser exhaustivos, como se explica a continuación.

El modelo del sistema acústico usado en la mayoría de los canceladores de eco es un filtro FIR. Los filtros FIR son bien conocidos en la técnica de procesamiento de señalización, y cuyos conceptos básicos no serán abordados aquí. El filtro FIR se aproxima a la función de transferencia del sonido directo y la mayoría de los reflejos en la habitación. Debido a los requisitos de capacidad de procesamiento, el filtro FIR no intentará cancelar el eco por tiempo infinito después de que la señal se haya reproducido en el altavoz. En su lugar, aceptará que el eco después de un tiempo dado, la llamada longitud de cola, no será cancelado, sino que aparecerá como eco residual.

Para estimar el eco en la longitud de cola completa, la longitud requerida del filtro FIR será:

L = Fs * longitud de cola,

donde Fs es la frecuencia de muestreo en Hz, y la longitud de cola es dada en segundos.

El número requerido de cada una de las multiplicaciones y sumas para calcular una sola salida de muestra del filtro es igual a la longitud del filtro, y la salida del filtro se debería calcular una vez por muestra. Como consecuencia, el número total de multiplicaciones y sumas es:

Fs*L = Fs * Fs* longituddecola = longituddecola*Fs²

Un valor típico para la longitud de cola es 0,25 segundos. El número de multiplicaciones y sumas para un sistema que usa una frecuencia de muestreo de 8 kHz será de 16 millones, para 16 kHz de 64 millones y para 48 kHz de 576 millones.

Se pueden realizar cálculos similares para el algoritmo de actualización del filtro. El algoritmo más simple, LMS, tiene el mismo número de sumas y multiplicaciones que el filtro FIR, por lo que para el cancelador de banda total más simple absoluto, el número de cada una de las sumas y multiplicaciones es igual a:

2*longituddecola*Fs².

Algoritmos de actualización más complejos mejoran la habilidad de rastreo del filtro FIR, pero son incluso más complejos en términos de capacidad de procesamiento. Existen algoritmos que tienen una complejidad proporcional a la longitud del filtro, pero con una constante proporcional mucho mayor que el algoritmo LMS, e incluso algoritmos con una complejidad proporcional al cuadrado de la longitud del filtro. El último caso ofrece un requisito de capacidad de procesamiento para un cancelador de eco de banda total proporcional a Fs*(Fs*longituddecola)², lo cual es poco realista para los canceladores de eco acústico de banda total.

El modo convencional de superar las dos desventajas de un cancelador de eco de banda...

1. Un cancelador de eco de audio ajustado para proporcionar una señal de salida con eco atenuado (6107) a partir de una señal de micrófono con eco añadido (6106) que consiste en una señal de eco originada de una señal de audio de extremo cercano y una señal de audio de extremo lejano, comprendiendo dicho cancelador de eco de audio

un primer filtro de análisis (6301) configurado para dividir la señal de audio de extremo lejano (6101) en un número de señales de referencia de sub-banda (6203),

un segundo filtro de análisis (6302) configurado para dividir la señal de micrófono con eco añadido (6106) en un número de señales de micrófono con eco añadido de sub-banda (6206),

un número de filtros FIR de sub-banda, incluyendo cada uno un conjunto respectivo de n derivaciones de filtro de sub-banda, configurado cada filtro FIR de sub-banda para filtrar una señal de referencia de sub-banda (6203) asociada con el conjunto respectivo de n derivaciones de filtro de sub-banda y para emitir una estimación de eco de sub-banda invertida (6205; 6209) que se suma a una señal de micrófono con eco añadido de sub-banda (6206) asociada para proporcionar una señal de retroalimentación con eco atenuado de sub-banda (6208), con la que se actualiza el conjunto respectivo de derivaciones de filtro de sub-banda,

dicho cancelador de eco de audio está caracterizado porque

cada filtro FIR de sub-banda está configurado además para emitir un subconjunto respectivo de derivaciones de filtro de sub-banda del orden de 0 a m-1 del conjunto respectivo de n derivaciones de filtro de sub-banda y para filtrar dicha señal de referencia de sub-banda (6203) asociada con un subconjunto respectivo de derivaciones de filtro de sub-banda del orden de m a n-1 del conjunto respectivo de n derivaciones de filtro de sub-banda para emitir una estimación de eco retrasado de sub-banda invertida (6209), y

porque el cancelador de eco de audio comprende además:

un filtro de síntesis modelo FIR (6304), configurado para fusionar los subconjuntos de derivaciones de filtro de sub-banda del orden de 0 a m-1 en un conjunto de m derivaciones de filtro de banda total,

un filtro FIR de banda total (6104) configurado para filtrar la señal de audio de extremo lejano (6101) con dicho conjunto de m derivaciones de filtro de banda total para emitir una estimación de eco anticipado de banda total invertida (6108),

un filtro de síntesis (6303) de eco retrasado configurado para fusionar las estimaciones de eco retrasado de sub-banda invertidas (6209) y para proporcionar una estimación de eco retrasado de banda total invertida (6109),

un sumador configurado para proporcionar dicha señal de salida con eco atenuado (6107) sumándose dicha estimación de eco anticipado de banda total invertida (6108), dicha estimación de eco retrasado de banda total invertida (6109) y dicha señal de micrófono con eco añadido (6106).

2. Cancelador de eco de audio según la reivindicación 1, caracterizado porque el cancelador de eco de audio comprende además una unidad de ajuste de retardo (6110) configurada para ajustar un retardo de dicha estimación de eco retrasado de banda total invertida (6109) a un retardo de dicha estimación de eco anticipado de banda total invertida (6108).

3. Cancelador de eco de audio según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por un número de multiplexores (6214), uno para cada sub-banda, configurados para emitir consecutivamente derivaciones de filtro de sub-banda de dicho subconjunto respectivo de derivaciones de filtro de sub-banda del orden de 0 a m-1.

4. Un procedimiento para proporcionar una señal de salida con eco atenuado (6107) a partir de una señal de micrófono con eco añadido (6106) que consiste en una señal de eco originada de una señal de audio de extremo cercano y una señal de audio de extremo lejano, comprendiendo dicho procedimiento

la división de la señal de audio de extremo lejano (6101) en un número de señales de referencia de sub-banda (6203) por medio de un primer filtro de análisis (6301),

la división de la señal de micrófono con eco añadido (6106) en un número de señales de micrófono con eco añadido de sub-banda (6206) en un segundo filtro de análisis,

para cada uno respectivo de un número de filtros FIR de sub-banda, incluyendo cada uno un conjunto respectivo de n derivaciones de filtro de sub-banda, la generación de una estimación de eco de sub-banda invertida (6205; 6209) filtrándose una señal de referencia de sub-banda (6203) asociada con un conjunto respectivo de n derivaciones de filtro de sub-banda, sumándose una estimación de eco de sub-banda invertida (6205; 6209) respectiva a una señal de micrófono con eco añadido de sub-banda (6206) asociada para proporcionar una señal de retroalimentación con eco atenuado de sub-banda (6208) y actualizándose el conjunto respectivo de derivaciones de filtro de sub-banda con dicha señal de retroalimentación con eco atenuado de sub-banda (6208),

caracterizado dicho procedimiento por

emitir cada filtro FIR de sub-banda un subconjunto respectivo de derivaciones de filtro de sub-banda del orden de 0 a m-1 del conjunto respectivo de n derivaciones de filtro de sub-banda y filtrar dicha señal de referencia de sub-banda (6203) asociada con un subconjunto respectivo de derivaciones de filtro de sub-banda del orden de m a n-1 del conjunto respectivo de n derivaciones de filtro de sub-banda para emitir una estimación de eco retrasado de sub-banda invertida (6209), y

fusionar los subconjuntos de derivaciones de filtro de sub-banda del orden de 0 a m-1 en un conjunto de m derivaciones de filtro de banda total por medio de un filtro de síntesis modelo FIR (6304),

filtrar la señal de audio de extremo lejano (6101) con dicho conjunto de m derivaciones de filtro de banda total por medio de un filtro FIR de banda total (6104) para emitir una estimación de eco anticipado de banda total invertida (6108),

fusionar las estimaciones de eco retrasado de sub-banda invertidas (6209) en una estimación de eco retrasado de banda total invertida (6109) por medio del filtro de síntesis (6303) de eco retrasado y proporcionar dicha estimación de eco retrasado de banda total invertida (6109),

proporcionar dicha señal de salida con eco atenuado (6107) sumándose dicha estimación de eco anticipado de banda total invertida (6108), dicha estimación de eco retrasado de banda total invertida (6109) y dicha señal de micrófono con eco añadido (6106).

5. Un procedimiento según la reivindicación 4,

caracterizado porque la etapa de provisión de dicha estimación de eco retrasado de banda total invertida comprende además el ajuste de un retardo de dicha estimación de eco retrasado de banda total invertida (6109) a un retardo de dicha estimación de eco anticipado de banda total invertida (6108) por medio de una unidad de ajuste de retardo (6110).

6. Un procedimiento según la reivindicación 4 ó 5,

en el que la etapa en que cada filtro FIR de sub-banda emite un subconjunto respectivo de derivaciones de filtro de sub-banda del orden de 0 a m-1 del conjunto respectivo de n derivaciones de filtro de sub-banda comprende consecutivamente la salida de derivaciones de filtro de sub-banda de dicho subconjunto respectivo de derivaciones de filtro de sub-banda del orden de 0 a m-1 por medio de un multiplexor (6214), uno para cada sub-banda.