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EP1236340A1 - Annuleur d'echo dans un systeme de communication au niveau d'un terminal - Google Patents

Annuleur d'echo dans un systeme de communication au niveau d'un terminal

Info

Publication number
EP1236340A1
EP1236340A1 EP00990039A EP00990039A EP1236340A1 EP 1236340 A1 EP1236340 A1 EP 1236340A1 EP 00990039 A EP00990039 A EP 00990039A EP 00990039 A EP00990039 A EP 00990039A EP 1236340 A1 EP1236340 A1 EP 1236340A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
echo
signal
gain
background noise
output signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP00990039A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Pascal Scalart
Grégoire Le Tourneur
Franck Bouteille
Christophe Beaugeant
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Orange SA
Original Assignee
France Telecom SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by France Telecom SA filed Critical France Telecom SA
Publication of EP1236340A1 publication Critical patent/EP1236340A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04M—TELEPHONIC COMMUNICATION
    • H04M9/00—Arrangements for interconnection not involving centralised switching
    • H04M9/08—Two-way loud-speaking telephone systems with means for conditioning the signal, e.g. for suppressing echoes for one or both directions of traffic
    • H04M9/082—Two-way loud-speaking telephone systems with means for conditioning the signal, e.g. for suppressing echoes for one or both directions of traffic using echo cancellers

Definitions

  • the present invention relates generally to an echo processing device in a communication system. More particularly, it relates to a system for processing the echo at a terminal comprising a first transducer receiving a signal comprising a part due to the activity of a distant correspondent and a second transducer emitting a signal comprising a useful part due to the activity of a local correspondent.
  • the activities of the correspondents in question here are voice activities, said first transducer being a loudspeaker and said second transducer being a microphone. It is often a question of allowing a comfortable "hands-free" telephone conversation, that is to say allowing a correspondent to move freely in a room without having to clutter up with a handset or another device.
  • One of the major problems posed by this type of “hands-free” telephone conversation is linked to the echo phenomenon which results from the fact that the microphone and the speaker are not completely acoustically decoupled.
  • the sound emitted by the speaker is reflected on the walls of the room, on furniture, or even on people moving around the room, and is thus picked up by the microphone.
  • This problem is conventionally solved by the implementation of an adaptive echo cancellation device adapted to calculate from the signal received by the loudspeaker an estimate of an echo part of the signal emitted by the microphone and to correct the latter accordingly.
  • Such an adaptive echo cancellation device uses a modeling of the impulse response of the system constituted by the loudspeaker, the room where the “hands-free” conversation takes place and the microphone.
  • this modeling is done by adjusting the coefficients of a finite impulse response filter comprising a certain number L of coefficients. After an initial period of convergence, the coefficients of the adaptive filter generally converge towards those of the Wiener filter with L coefficients minimizing the average value of the power of the filtering error.
  • the number of filter coefficients must be limited to a value compatible with the processing and memory capacities of the target digital signal processor (DSP). This number is generally less than the number of coefficients required to effect effective echo cancellation.
  • the subject of the present invention is therefore in particular a treatment making it possible to eliminate or at least attenuate said residual echo so that it is no longer audible. It has already been proposed to provide at the input and at the output of the terminal a device for processing the residual echo based on the variation of the gains in reception and in transmission.
  • patent document EP-A-789,4766 a system is described which is provided, on the one hand, with means for canceling echoes and, on the other hand, with means for reducing background noise, both operating in the frequency domain.
  • the noise suppression implemented by the noise suppression means consists in estimating the power spectrum of each sub-band, in estimating the noise spectrum and in deducing therefrom the gain to be applied to the sub-band signal. so that noise is reduced. If the gain thus calculated is less than a constant minimum gain, the gain applied to the signal is then this minimum gain.
  • the system described in patent document EP-A-789 476 also includes means for suppressing residual echo, these means being active only during the periods when the local speaker is himself active.
  • the present invention aims to treat the residual echo which does not have such drawbacks. More particularly, it is aimed at processing the residual echo which does not introduce any perceptible effect on the noise, including under unfavorable conditions of use, for example a high level of noise, variable noise, noise having characteristics. voice activity, a large number of people in a room, a reverberation room, etc.
  • This treatment must also be as independent as possible from the characteristics of the acoustic coupling between transducers and be adapted to long or short impulse responses.
  • an echo processing device is of the type which comprises a first transducer receiving a signal comprising a part due to the activity of a distant correspondent and a second transducer transmitting a signal comprising a part useful due to the activity of a local correspondent, a background noise part as well as an echo part due to a coupling between said transducers, said echo processing device comprising an adaptive cancellation device for echo adapted to calculate from the signal received by said first transducer an estimate of said echo part of the signal emitted by said second transducer and to subtract said estimate from said signal emitted by said second transducer to produce an output signal from the device echo cancellation.
  • said device comprises a compensation means for compensating the effects of said gain variation law on said elements constituting said background noise part, said compensation means comparing the level of the output signal as it should be after application of said gain variation law at a corresponding element constituting said background noise part determined by said second analysis means and, if it determines that said level of said signal output is lower than said level of said element, modifies the gain determined by said law of variation so that the output signal modified by said gain control means is at the level of said element constituting said background noise part.
  • a gain variation law is therefore initially calculated, and, before even applying the gain resulting from this calculation, compensation is carried out.
  • the initial gain variation law is conventionally calculated from the energies of the transducer signals, the estimated echo signal, the residual signal at the output of the echo cancellation device, and the identified background noise. .
  • Many known initial gain calculation procedures can be used. For example, the procedure described in patent document FR-A-2,748,184 may be used.
  • the role of the compensation means is in particular to prevent the background noise signal from undergoing audible modifications due to the processing of the residual echo.
  • the properties of the human psychoacoustic apparatus are used which make the ambient noise signal subjectively mask the residual echo signal.
  • the compensation means compares the average energy of the output signal as it should be after application of said gain variation law with the average energy of the background noise part evaluated during times when the signals exchanged in said communication system are devoid of useful part and, if it determines that said average energy of said signal is less than said average energy of the background noise part, modifies the gain determined by said law of variation so that the signal output modified by said gain control means either at said background noise portion.
  • the average energy of the background noise part is corrected by a coefficient making it possible to control the level of residual noise which will be transmitted.
  • the compensation means comprises means for generating a simulation signal reproducing the characteristics of said background noise portion, said means being activated when said output signal is modified by said gain control means.
  • the gain calculated by the initial gain variation law is kept as it is, but a simulation signal whose spectral characteristics are as close as possible to those of the actual noise is generated and added to the output signal. This allows a large amplitude of gain variation, freed from noise contrast problems.
  • the processing is carried out in a transformed domain which generally corresponds to the Fourier harmonic analysis.
  • the spectral components of the output signal are analyzed sequentially by samples of frequency bands, said first analysis means distinguishing each component constituting said echo part, said second analysis means identifying a component spectral component of said background noise part, said calculation means determining a gain specific to a given spectral component, so as to minimize its level if it is constitutive of said echo part, and the compensation means comparing the energy of the output signal as it should be after modification by said gain, for said given spectral component, to the energy of the corresponding spectral component constituting said background noise part and, if it determines that said energy of the output signal is less than said energy of said spectral component, modifying said gain so that said given spectral component is at the level of said corresponding spectral component of background noise.
  • a method for processing the echo in a communication system at a terminal comprising a first transducer receiving a signal comprising a part due to the activity of a distant correspondent and a second transducer emitting a signal comprising a useful part due to the activity of a local correspondent, a background noise part as well as an echo part due to a coupling between said transducers, said method comprising a first step adaptive echo cancellation comprising calculating from the signal received by said first transducer an estimate of said echo portion of the signal transmitted by said second transducer and subtracting said estimate from said signal transmitted by said second transducer to produce a signal Release.
  • Said echo processing method is characterized in that it comprises a second step of processing the echo remaining after said step of canceling the echo, said second step consisting in distinguishing elements which are constitutive of said echo part, identifying elements which constitute said background noise part, determining a law of variation of a gain modifying said output signal so as to minimize the levels of said elements constituting said part d echo without substantially affecting said useful part, and to compensate for the effects of said gain variation law on said constituent elements of said background noise part.
  • This processing can be carried out in a spectral domain, sequentially, by samples of frequency bands.
  • FIG. . 1 is a block diagram showing the operation of an echo processing device according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a block diagram showing the operation of an echo processing device according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a block diagram showing the operation of an echo processing device according to a third embodiment of the present invention.
  • An echo processing device 1 operates at a terminal of a communication system comprising a microphone 5 and a loudspeaker 4.
  • the loudspeaker 4 receives a signal corresponding to the voice activity of a distant correspondent and the microphone 5 emits a signal comprising a useful part due to the activity of a local correspondent, a background noise part, as well as an echo part due to a coupling between microphone and loudspeaker.
  • the echo processing device 1 comprises an adaptive echo cancellation device 3 and a residual echo processing device 2.
  • the adaptive echo cancellation device 3 intervenes between the input of the speaker 4 and the output of the microphone 5. It includes a finite impulse response filter 6. This filter is adapted to calculate from the signal received by the speaker an estimate of an echo part of the signal emitted by the microphone. This estimate is subtracted from the signal emitted by the microphone.
  • the residual echo processing device 2 intervenes at the output of the adaptive echo cancellation device 3, that is to say that the signal of transmitted at the input of this residual echo processing device 2 output processed by the adaptive echo cancellation device 3.
  • the residual echo processing device comprises a spectral transformation means 7 at the input and a reverse spectral transformation means at the output 11, between which a modifier means intervenes of spectral gains 12, controlled by a means of calculating the spectral gains 10 connected to a means of calculating the echo parameters 9 and a means of calculating the noise parameters 8.
  • the spectral transformation means 7 is adapted to decompose the output signal of the echo cancellation device 3 into N samples of frequency bands. The transformation is carried out using a fast Fourier transformation algorithm (FFT). For applications where the signal sampling frequency is established at 8 kHz, it is possible to use, for example, a fast Fourier transformation algorithm over 256 frequency points of which only 129 are used for the subsequent calculation of gain modification.
  • FFT fast Fourier transformation algorithm
  • the spectral gain modifying means 12 is adapted to individually modify the spectral gains. It is controlled by the spectral gain calculation means which, from information available on each spectral component, determines a spectral attenuation for the spectral component considered.
  • a calculation of the initial spectral attenuation is carried out from the known procedure mentioned above requiring here the knowledge of the spectral distributions of the energies of the signal coming from the echo cancellation device, of the noise signal of background, the estimated echo signal, the microphone signal, and the speaker signal.
  • the means for calculating the echo parameters makes it possible to determine whether or not the spectral component analyzed corresponds to echo alone. If so, this component will be mitigated. If it also corresponds to a useful part of the signal, that is to say corresponding to the voice activity of the local correspondent, it will not, or will be little, attenuated.
  • this initial spectral attenuation is corrected using a complementary procedure forming compensation means.
  • this procedure checks whether or not the energy of the corresponding output signal as modified by the initial spectral attenuation is less than the energy of the corresponding spectral component of the background noise. If this is the case, the procedure replaces the gain calculated initially by an effective gain equal to the square root of the noise energy divided by the energy of the corresponding spectral component of the output signal. Thus, this spectral component of the output signal will be reduced to the level of the corresponding spectral component of the background noise. In the case where the energy of the output signal is greater than or equal to the energy of the background noise, the effective gain will be the gain calculated initially.
  • the means for calculating the background noise parameters makes it possible to identify the energy of the spectral component of background noise.
  • the processing requires the implementation of a voice activity detection procedure in order to determine the times when the noise power spectral density must be estimated. This detection procedure can be implemented at frame rate over the entire bandwidth of the signal, or, more finely, over each of the spectral components.
  • the echo processing device 101 operates at the level of a terminal of a communication system comprising a microphone 5 and a loudspeaker 4. As in the previous embodiment, it generally comprises an adaptive cancellation device echo 3 and a residual echo processing device 102.
  • the adaptive echo cancellation device 3 is identical to that described in the first embodiment and the residual echo processing device 102 also intervenes at its output.
  • the residual echo processing device 102 comprises a means for calculating the energy of the local noise 115 at the input of which the signal is output from the microphone 5 and a means for calculating the energy of the residual signal 114 at the input of which the signal at the output of the echo cancellation device 3 is transmitted, these means 114 and 115 both being connected to a means for calculating the gain in initial transmission 110, itself connected to a means correction of transmission gain calculation 113 which finally intervenes on the output signal of the echo cancellation device which it is adapted to attenuate.
  • the initial transmission gain calculation means 110 is adapted to determine an initial law of variation of the gain. As the processing does not take place, unlike the previous embodiment, in a transformed domain, the initial law of variation of the gain varies only as a function of time.
  • This initial transmission gain calculation means 110 distinguishes the useful parts of the output signal from the echo parts and determines a gain variation law suitable for attenuating the latter.
  • the known procedure mentioned above requires the knowledge of the signal energies from the echo canceller, the background noise signal, the estimated echo signal, the microphone signal and the signal. speaker signal.
  • this initial attenuation is corrected using a complementary procedure forming means of compensation.
  • This procedure compares the average power of the signal present at the output of the echo cancellation device, given by the means of calculating the energy of the residual signal 114, with the average power of the background noise evaluated during the instants of no voice activity, given by the local noise energy calculation means 115.
  • this procedure checks whether the average power of the signal present at the output of the echo cancellation device as modified by the initial gain variation law is or is not less than the average power of the background noise evaluated during the instants of vocal non-activity divided by a coefficient K.
  • the procedure replaces the gain calculated initially by an effective gain equal to the square root of the average power of the background noise evaluated during the instants of vocal non-activity divided by the power of the output signal multiplied by the coefficient K.
  • this spectral component of the output signal will be reduced to the level of the corresponding spectral component of the background noise divided by the coefficient K.
  • the average power of the output signal such as modified by the initial gain variation law is greater than or equal to the average power of the background noise evaluated during the moments of non-activity voice
  • the actual gain will be the gain resulting from the application of the initial gain variation law.
  • Parameter K controls the level of residual noise that will be transmitted to the remote party.
  • G ⁇ x (pT) procedure_calcul_gain (Energie_sig_in, Energy_bruit_local,
  • This procedure makes it possible to constantly adapt over time the depth of the gain variation relative to the characteristics of the residual echo signal.
  • this procedure aims to apply an attenuation so as to reduce this signal to that of the noise measured in the local room corrected by the coefficient K.
  • the residual echo signal is subjectively masked by ambient noise. It is therefore not audible when listening to the output signal modified by the residual echo processing device.
  • the echo processing device 201 operates at the level of a terminal of a communication system comprising a microphone 5 and a loudspeaker 4. As in the previous embodiments, it generally comprises an adaptive cancellation device echo 3 and a residual echo processing device 202.
  • the adaptive echo cancellation device 3 is identical to that described in the first embodiment and the residual echo processing device 202 also intervenes at its output.
  • the residual echo processing device 202 comprises a means for calculating the energy of the local noise 215, at the input of which the signal at the output of the microphone 5 is transmitted via an activity detection means voice 216, and a means of calculating the energy of the residual signal 214 at the input of which the signal at the output of the echo cancellation device 3 is transmitted, these means 214 and 215 being both connected to a means of calculation of the gain on transmission 210 which intervenes on the output signal of the echo cancellation device which it is adapted to attenuate.
  • This residual echo processing device 202 also comprises a means for calculating the parameters of background noise 208, at the input of which the signal at the output of the microphone 5 is transmitted via the voice activity detection means 216 , this means 208 being connected to a comfort noise generating means 217 adapted to emit a signal which, weighted by a value complementary to that of the gain calculated by the means of calculating the gain in transmission, will be added to the output signal the echo cancellation device as attenuated by the application of this gain.
  • the initial transmission gain calculation means 210 is adapted to determine, as in the previous embodiment, a gain variation law. This initial transmission gain calculation means 210 distinguishes the useful parts of the output signal from the echo parts and determines a gain variation law suitable for attenuating the latter. Is again used for this, the known procedure mentioned above and requires knowledge of the signal energies from the device echo cancellation, background noise signal, estimated echo signal, microphone signal and speaker signal.
  • this attenuation is partially compensated for by a procedure based on the emission of comfort noise, the application of said procedure forming means of compensation.
  • the voice activity detection means detects whether a sampling period is a period in which the correspondents are inactive.
  • the noise parameters calculation means 208 calculates the fundamental parameters characterizing the background noise surrounding the local correspondent.
  • the noise characteristics can correspond to the coefficients of the linear prediction model (or to equivalent representations such as the reflection coefficients, LAR or LSP) with which the energy of the residue of this prediction is associated. These parameters are generally established on the basis of knowledge of the noise samples and of the desired prediction order. The choice of this last parameter makes it possible to reproduce more or less faithfully the spectral characteristics of the noise actually present in the local environment.
  • the comfort noise generating means 217 uses these background noise parameters to generate a signal for simulating the background noise present in the local environment.
  • the transmission gain calculation means 210 calculates not only a gain value G TX to be applied to the output signal of the echo cancellation device, but also a gain value (1-G ⁇ ) which is applied to the signal simulation emitted by the comfort noise generating means.
  • the signals from the echo cancellation device 3 and the comfort noise generating means 217 thus modified by the transmission gain calculation means 210 are added to each other to obtain a processed output signal which will be transmitted to the remote party.
  • sig_out (pT) G ⁇ (pT) .sig_in (pT) + [l-G ⁇ (pT)]. noise_comfort (pT)
  • Comfort noise is therefore only inserted during periods of signal attenuation intended to reduce the audible residual echo.
  • the output signal contains the entire natural background noise.
  • the sum of the level of comfort noise and the level of natural background noise remaining after attenuation corresponds to the level of natural background noise without attenuation.
  • the distant correspondent therefore does not perceive noise contrasts.
  • natural background noise is kept to a maximum. It is also possible, in this embodiment, to authorize significant gain variations, with a gain which can range from a value substantially equal to 1 to a value substantially equal to 0. The switching between these two states is done by very flexible, without generation of contrasts, with permanent continuity in the characteristics of the signal transmitted to the remote correspondent.
  • DSP real-time signal processing
  • this estimation can be carried out on the basis of digital filtering with an infinite impulse response of order 1 according to the relationship :
  • Energy_signal_X represents the energy of the signal which one seeks to obtain.
  • X represents the level of the sampled signal.
  • N is an integer equal to 1 in the case of an amplitude estimate and equal to 2 in the case of an energy estimate.
  • the value of the parameter ⁇ determines the time constant of the filter, this constant possibly being able to be adapted over time with respect to the characteristics of the signals to be processed.
  • this calculation can be, as indicated above, carried out according to the known procedure described in particular in the patent document FR-A-2 748 184 where the law of variation of the gain in transmission is established as a function of the levels measured at the level of the loudspeaker and the microphone for sound pickup. Other known gain variation law calculation procedures may also be applied.
  • the device corresponding to the second embodiment of the present invention will advantageously be used, this device making it possible to mask the echo residue by ambient noise.
  • this second type of device will not be able to overcome all of the contrast contrast problems. noise.
  • the third embodiment of the present invention will then be advantageously used.
  • the echo canceller and the residual echo processor will therefore have to operate in a same area.
  • the echo cancellation device is supplemented by a residual echo processing device according to the first mode of the present invention.
  • an echo cancellation algorithm working in the time domain such as LMS and NLMS, it is desirable that the echo cancellation device is supplemented by a device for processing the residual echo according to the second mode or the third embodiment of the present invention.
  • the three devices described aim to modify the residual echo signal in such a way that the latter is inaudible within the signal transmitted to the distant correspondent, due to the simultaneous, temporal and frequency masking properties inherent in the human auditory system.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Cable Transmission Systems, Equalization Of Radio And Reduction Of Echo (AREA)
  • Telephone Function (AREA)
  • Interconnected Communication Systems, Intercoms, And Interphones (AREA)

Abstract

La présente invention concerne un dispositif de traitement de l'écho dans un système de communication au niveau d'un terminal comprenant un premier transducteur (4) et un second transducteur (5), ledit dispositif de traitement de l'écho (1, 101, 201) comprenant quant à lui un dispositif adaptatif d'annulation d'écho (3, 103, 203). Il est caractérisé en ce que ledit dispositif de traitement de l'écho comprend un dispositif (2, 102, 202) de traitement de l'écho résiduel en sortie dudit dispositif adaptif d'annulation d'écho (3, 103, 203).

Description

ANNULEUR D ' ECHO DANS UN SYSTEME DE COMMUNICATION AU NIVEAU D ' UN TERMINAL
La présente invention concerne de manière générale un dispositif de traitement de l'écho dans un système de communication. Plus particulièrement, elle concerne un système de traitement de l'écho au niveau d'un terminal comprenant un premier transducteur recevant un signal comprenant une partie due à l'activité d'un correspondant lointain et un second transducteur émettant un signal comprenant une partie utile due à l'activité d'un correspondant local. Généralement, les activités des correspondants dont il est ici question sont des activités vocales, ledit premier transducteur étant un haut-parleur et ledit second transducteur étant un microphone. Il s'agit souvent de permettre une conversation téléphonique «mains-libres» confortable, c'est-à-dire permettant à un correspondant de se déplacer librement dans une pièce sans avoir à s'encombrer d'un combiné ou d'un autre dispositif.
Un des problèmes majeurs que pose ce type de conversation téléphonique «mains-libres» est lié au phénomène d'écho qui découle du fait que le microphone et le haut-parleur ne sont pas totalement découplés acoustiquement. Autrement dit, le son émis par le haut-parleur se réfléchit sur les parois de la pièce, sur des meubles, voire sur des personnes se déplaçant dans la pièce, et est ainsi capté par le microphone. Ce problème est classiquement résolu par la mise en œuvre d'un dispositif adaptatif d'annulation d'écho adapté à calculer à partir du signal reçu par le haut- parleur une estimation d'une partie d'écho du signal émis par le microphone et à corriger ce dernier en conséquence. Un tel dispositif adaptatif d'annulation d'écho utilise une modélisation de la réponse impulsionnelle du système constitué par le haut-parleur, la pièce où se déroule la conversation «mains-libres» et le microphone. Classiquement, cette modélisation se fait en réglant les coefficients d'un filtre à réponse impulsionnelle finie comportant un certain nombre L de coefficients. Après une période de convergence initiale, les coefficients du filtre adaptatif convergent généralement vers ceux du filtre de Wiener à L coefficients minimisant la valeur moyenne de la puissance de l'erreur de filtrage.
Des dispositifs de ce type sont ceux, par exemple, auxquels il est fait référence au chapitre 4.2 (« Sub-band acoustic écho canceller » de l'article « Achieving the control of the acoustic écho in audio terminais » par A. Gilloire et J.F. Zurcher, paru en 1988 dans Signal Processing IV-Theories and Applications, aux pages 491 à 494. ou au chapitre 5 (« adaptative écho compensation ») de l'article « The hands-free téléphone problem- An annoted bibliography » par Eberhard Hânsler, paru en 1992 dans Signal Processing, aux pages 259 à 271. Cependant, ainsi qu'il est indiqué dans ce dernier document, le nombre de coefficients requis pour effectuer la modélisation est très important, et, par conséquent, la capacité de calcul requise pour mettre en œuvre un tel dispositif est extrêmement lourde.
Or, étant donné les contraintes économiques imposées pour la commercialisation d'un tel dispositif, le nombre de coefficients du filtre doit être limité à une valeur compatible avec les capacités de traitement et de mémoire du processeur de signaux numérique (DSP) cible. Ce nombre est généralement inférieur au nombre de coefficients requis pour réaliser une annulation effective de l'écho.
En conséquence, il subsistera dans la majeure partie des applications un écho résiduel parfois audible.
La présente invention a donc notamment pour objet un traitement permettant d'éliminer ou au moins d'atténuer ledit écho résiduel afin qu'il ne soit plus audible. Il a déjà été proposé de ménager à l'entrée et à la sortie du terminal un dispositif de traitement de l'écho résiduel basé sur la variation des gains en réception et en émission.
Le principe général du traitement de l'écho basé sur la variation des gains en réception et en émission est bien connu. Il est décrit, par exemple, au chapitre 4.1
(« Efficient gain variation scheme ») dans l'article « Achieving the control of the acoustic écho in audio terminais », précité. Il s'agit d'abord d'atténuer le signal émis lors d'une période d'activité vocale du correspondant lointain et d'inactivité vocale du correspondant local. Le gain en émission est donc diminué lorsqu'une telle situation est détectée. Ainsi, l'écho résiduel susceptible d'être transmis en retour est atténué jusqu'à disparaître. Par ailleurs, lorsqu'une période d'activité vocale du correspondant local est détectée, plus précisément au moment où ce dernier prend la parole, on laisse le gain en émission revenir à 1 et le gain en réception est diminué afin de minimiser le couplage acoustique entre les transducteurs. En cas de double parole, c'est-à-dire lorsque les deux correspondants parlent en même temps, sera privilégié le sens de transmission pour lequel le signal a le niveau énergétique le plus important.
Ce type connu de dispositif de traitement de l'écho résiduel basé sur la variation des gains en réception et en émission pose un certain nombre de problèmes.
Lorsque le couplage entre transducteurs est important, ce dispositif peut conduire à une conversation quasi-alternée. Les débuts et fins de séquences vocales sont souvent tronqués. Tout cela se fait au détriment de l'intelligibilité et de l'interactivité de la conversation.
De même, lorsqu'il est difficile de connaître a priori les caractéristiques du couplage acoustique entre transducteurs, par exemple dans le cas d'une pièce où de nombreuses personnes se déplacent, il est très difficile d'obtenir un ajustement suffisamment précis et rapide des paramètres intervenant dans le calcul des gains en émission et en réception, et, en conséquence, de permettre une véritable conversation simultanée.
Lorsqu'il y a un niveau élevé de bruit de fond, notamment lorsque ce bruit de fond a des caractéristiques d'activité vocale, la conversation peut se faire dans un seul sens au détriment du correspondant lointain.
D'autres problèmes importants découlent de la présence d'un bruit de fond dans l'environnement acoustique du correspondant local. En effet, le dispositif classique de traitement de l'écho résiduel basé sur la variation des gains en émission et en réception provoque alors des effets tels que contrastes de bruit, phénomènes de hachage ou effets de pompage.
Il a été proposé pour résoudre ce dernier type de problèmes de transmettre au correspondant distant un bruit synthétique de confort aux instants où un signal d'écho résiduel est présent sur la voie d'émission. Une telle solution est décrite, par exemple, dans l'article « A network speech écho canceller with confort noise » par D.J. Jones, S.D. Watson, K.G. Evans, B.M.G Gheetham et R.A. Reeves, paru en 1997 dans le cadre de EUROSPEECH'97 qui s'est tenu à Rhodes, en Grèce. La technique utilisée pour le traitement de l'écho résiduel consiste à remplacer les faibles niveaux du signal microphonique par un bruit synthétique de confort, les forts niveaux étant transmis sans modifications par le traitement. Elle implique le calcul d'un seuil de coupure qui doit être suffisamment important pour ne pas créer de contrastes de bruit durant les instants de non-activité vocale, et suffisamment faible pour ne pas introduire de distorsions sur l'activité vocale locale. Ce compromis ne peut être trouvé que pour une configuration d'utilisation donnée, c'est-à-dire pour un couplage, un niveau de bruit, et une distance correspondant/microphone donnés.
Dans le document de brevet EP-A-789 476, il est décrit un système qui est pourvu, d'une part, de moyens d'annulation d'échos et, d'autre part, de moyens de réduction de bruit de fond, l'un et l'autre fonctionnant dans le domaine fréquentiel. En particulier, la suppression du bruit mis en œuvre par les moyens de suppression de bruit consiste à estimer le spectre de puissance de chaque sous-bande, à estimer le spectre de bruit et à en déduire le gain à appliquer au signal de sous-bande de manière à ce que le bruit soit réduit. Si le gain ainsi calculé est inférieur à un gain minimum constant, le gain appliqué au signal est alors ce gain minimum. Le système décrit dans le document de brevet EP-A-789 476 comporte également des moyens de suppression d'écho résiduel, ces moyens n'étant actifs que dans les périodes où le locuteur local est lui-même actif. Il consiste à déterminer le rapport d'énergie de suppression d'écho et à comparer ce rapport à une constante. Si ce rapport est inférieur à cette constante, alors aucune action n'est menée. Par contre, si tel n'est pas le cas, alors une méthode de reconformation du spectre utilisant le spectre de bruit analysé pour chaque bande est mise en œuvre.
Le système effectue donc un traitement dans lequel seul le gain en émission est modulé. Ceci permet de privilégier l'interactivité et l'intelligibilité de la conversation, le signal reçu par le premier transducteur, c'est-à-dire le haut-parleur dans le cas d'un dispositif "mains-libres", ne pouvant être tronqué.
Une telle procédure de suppression de bruit de l'écho résiduel a cependant l'inconvénient de conduire à des atténuations du bruit qui peuvent être démesurées entraînant des artefacts audibles.
La présente invention vise un traitement de l'écho résiduel qui ne présente pas de tels inconvénients. Plus particulièrement, elle vise un traitement de l'écho résiduel qui n'introduise aucun effet perceptible sur le bruit, y compris dans des conditions défavorables d'utilisation, par exemple un fort niveau de bruit, un bruit variable, un bruit présentant des caractéristiques d'activité vocale, un nombre important de personnes dans une salle, une salle réverbérante, etc. Ce traitement doit être en outre le plus indépendant possible des caractéristiques du couplage acoustique entre transducteurs et être adapté à des réponses impulsionnelles longues ou courtes.
A cet effet, un dispositif de traitement de l'écho selon la présente invention est du type qui comprend un premier transducteur recevant un signal comprenant une partie due à l'activité d'un correspondant lointain et un second transducteur émettant un signal comprenant une partie utile due à l'activité d'un correspondant local, une partie de bruit de fond ainsi qu'une partie d'écho due à un couplage entre lesdits transducteurs, ledit dispositif de traitement de l'écho comprenant un dispositif adaptatif d'annulation d'écho adapté à calculer à partir du signal reçu par ledit premier transducteur une estimation de ladite partie d'écho du signal émis par ledit second transducteur et à soustraire ladite estimation dudit signal émis par ledit second transducteur pour produire un signal de sortie du dispositif d'annulation d'écho. Il est encore du type qui comprend un dispositif de traitement de l'écho résiduel en sortie dudit dispositif adaptatif d'annulation d'écho, ledit dispositif de traitement de l'écho résiduel comprenant un moyen de commande de gain modifiant ledit signal de sortie du dispositif d'annulation d'écho, ledit moyen de commande de gain comprenant un premier moyen d'analyse pour distinguer des éléments qui sont constitutifs de ladite partie d'écho, un second moyen d'analyse pour identifier des éléments qui sont constitutifs de ladite partie de bruit de fond, un moyen de calcul pour déterminer une loi de variation de gain, de manière à diminuer au maximum les niveaux desdits éléments constitutifs de ladite partie d'écho sans affecter substantiellement ladite partie utile. Selon une caractéristique essentielle de la présente invention, ledit dispositif comporte un moyen de compensation pour compenser les effets de ladite loi de variation de gain sur lesdits éléments constitutifs de ladite partie de bruit de fond, ledit moyen de compensation comparant le niveau du signal de sortie tel qu'il devrait être après application de ladite loi de variation de gain au niveau d'un élément correspondant constitutif de ladite partie de bruit de fond déterminé par ledit second moyen d'analyse et, s'il détermine que ledit niveau dudit signal de sortie est inférieur audit niveau dudit élément, modifie le gain déterminé par ladite loi de variation afin que le signal de sortie modifié par ledit moyen de commande de gain soit au niveau dudit élément constitutif de ladite partie de bruit de fond.
Selon l'invention, on calcule donc initialement une loi de variation de gain, et, avant même d'appliquer le gain issu de ce calcul, on effectue une compensation. La loi de variation de gain initiale est calculée, de manière classique, à partir des énergies des signaux des transducteurs, du signal d'écho estimé, du signal résiduel en sortie du dispositif d'annulation d'écho, et du bruit de fond identifié. De nombreuses procédures de calcul initial du gain connues peuvent être utilisées. Par exemple, pourra être utilisée la procédure décrite dans le document de brevet FR-A-2 748 184.
Le moyen de compensation a pour rôle notamment d'éviter que le signal de bruit de fond subisse des modifications audibles du fait du traitement de l'écho résiduel. De plus, sont utilisées les propriétés de l'appareil psycho-acoustique humain qui font que le signal de bruit ambiant masque subjectivement le signal d'écho résiduel.
Avantageusement, le moyen de compensation compare l'énergie moyenne du signal de sortie tel qu'il devrait être après application de ladite loi de variation de gain à l'énergie moyenne de la partie de bruit de fond évaluée durant des instants où les signaux échangés dans ledit système de communication sont dépourvus de partie utile et, s'il détermine que ladite énergie moyenne dudit signal est inférieure à ladite énergie moyenne de la partie de bruit de fond, modifie le gain déterminé par ladite loi de variation afin que le signal de sortie modifié par ledit moyen de commande de gain soit au niveau de ladite partie de bruit de fond. Avantageusement, l'énergie moyenne de la partie de bruit de fond est corrigée par un coefficient permettant de commander le niveau de bruit résiduel qui sera transmis.
Selon un autre aspect de la présente invention, le moyen de compensation comprend un moyen pour générer un signal de simulation reproduisant les caractéristiques de ladite partie de bruit de fond, ledit moyen étant activé lorsque ledit signal de sortie est modifié par ledit moyen de commande de gain.
Ici, le gain calculé par la loi de variation de gain initiale est gardé tel quel, mais un signal de simulation dont les caractéristiques spectrales sont les plus proches possibles de celles du bruit réel est généré et ajouté au signal de sortie. Ceci autorise une grande amplitude de variation de gain affranchie des problèmes de contrastes de bruit.
Avantageusement, le signal de simulation, pondéré par un facteur, est ajouté audit signal de sortie modifié par le gain déterminé par ladite loi de variation, la somme dudit facteur de pondération et dudit gain étant égale à 1.
Avantageusement, est ménagé un moyen détecteur d'activité des correspondants afin de réaliser le réglage dudit moyen de génération de signal de simulation lorsque les correspondants sont inactifs. Il s'agira généralement d'un détecteur d'activité vocale (DAV). Selon un autre aspect de la présente invention, un premier moyen de transformation pour passer d'un domaine de traitement temporel à un domaine de traitement spectral et un second moyen de transformation pour repasser dans le domaine de traitement temporel sont ménagés de part et d'autre dudit moyen de commande de gain, lesdits éléments constitutifs de la partie d'écho ou constitutifs de la partie de bruit de fond prenant alors la forme de composantes spectrales dudit signal de sortie.
Ainsi, le traitement est réalisé dans un domaine transformé qui correspond généralement à l'analyse harmonique de Fourier.
Avantageusement, dans le domaine spectral, les composantes spectrales du signal de sortie sont analysées séquentiellement par échantillons de bandes de fréquence, ledit premier moyen d'analyse distinguant chaque composante constitutive de ladite partie d'écho, ledit second moyen d'analyse identifiant une composante spectrale constitutive de ladite partie de bruit de fond, ledit moyen de calcul déterminant un gain propre à une composante spectrale donnée, de manière à diminuer au maximum son niveau si elle est constitutive de ladite partie d'écho, et le moyen de compensation comparant l'énergie du signal de sortie tel qu'il devrait être après modification par ledit gain, pour ladite composante spectrale donnée, à l'énergie de la composante spectrale correspondante constitutive de ladite partie de bruit de fond et, s'il détermine que ladite énergie du signal de sortie est inférieure à ladite énergie de ladite composante spectrale, modifiant ledit gain afin que ladite composante spectrale donnée soit au niveau de ladite composante spectrale correspondante de bruit de fond. Ce traitement dans le domaine spectral exploite là encore les propriétés psychoacoustiques de l'appareil auditif humain que sont le masquage simultané et le masquage fréquentiel. Dans les situations d'activités vocales simultanées, les composantes spectrales qui correspondent à l'activité du correspondant local ne sont pas, ou sont peu, atténuées. Le signal d'écho résiduel se trouve subjectivement masqué en raison de la propriété psycho-acoustique de masquage simultané. Quant aux composantes spectrales qui correspondent à de l'écho seul, elles sont atténuées jusqu'à être ramenées au niveau du bruit ambiant. La modification apportée ne sera pas gênante du fait du masquage fréquentiel, c'est-à-dire le masquage d'un son par un autre son de fréquence différente, par la partie utile du signal.
Selon un autre aspect de la présente invention, est proposé un procédé de traitement de l'écho dans un système de communication au niveau d'un terminal comprenant un premier transducteur recevant un signal comprenant une partie due à l'activité d'un correspondant lointain et un second transducteur émettant un signal comprenant une partie utile due à l'activité d'un correspondant local, une partie de bruit de fond ainsi qu'une partie d'écho due à un couplage entre lesdits transducteurs, ledit procédé comprenant une première étape d'annulation d'écho adaptative consistant à calculer à partir du signal reçu par ledit premier transducteur une estimation de ladite partie d'écho du signal émis par ledit second transducteur et à soustraire ladite estimation dudit signal émis par ledit second transducteur pour produire un signal de sortie. Ledit procédé de traitement de l'écho est caractérisé en ce qu'il comprend une seconde étape de traitement de l'écho restant après ladite étape d'annulation de l'écho, ladite seconde étape consistant à distinguer des éléments qui sont constitutifs de ladite partie d'écho, à identifier des éléments qui sont constitutifs de ladite partie de bruit de fond, à déterminer une loi de variation d'un gain modifiant ledit signal de sortie de manière à diminuer au maximum les niveaux desdits éléments constitutifs de ladite partie d'écho sans affecter substantiellement ladite partie utile, et à compenser les effets de ladite loi de variation de gain sur lesdits éléments constitutifs de ladite partie de bruit de fond.
Ce traitement peut être effectué dans un domaine spectral, séquentiellement, par échantillons de bandes de fréquence.
Il peut également être effectué dans un domaine temporel. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels : la Fig. 1 est un bloc-diagramme montrant le fonctionnement d'un dispositif de traitement de l'écho selon un premier mode de réalisation de la présente invention, la Fig. 2 est un bloc-diagramme montrant le fonctionnement d'un dispositif de traitement de l'écho selon un second mode de réalisation de la présente invention, et la Fig. 3 est un bloc-diagramme montrant le fonctionnement d'un dispositif de traitement de l'écho selon un troisième mode de réalisation de la présente invention.
En référence à la Fig. 1, on va maintenant décrire un premier mode de réalisation de la présente invention.
Un dispositif de traitement de l'écho 1 intervient au niveau d'un terminal d'un système de communication comprenant un microphone 5 et un haut-parleur 4. Le haut-parleur 4 reçoit un signal correspondant à l'activité vocale d'un correspondant lointain et le microphone 5 émet un signal comprenant une partie utile due à l'activité d'un correspondant local, une partie de bruit de fond, ainsi qu'une partie d'écho due à un couplage entre microphone et haut-parleur.
Globalement, le dispositif de traitement de l'écho 1 comprend un dispositif adaptatif d'annulation d'écho 3 et un dispositif de traitement d'écho résiduel 2.
Le dispositif adaptatif d'annulation d'écho 3 intervient entre l'entrée du haut- parleur 4 et la sortie du microphone 5. Il comprend un filtre à réponse impulsionnelle finie 6. Ce filtre est adapté à calculer à partir du signal reçu par le haut-parleur une estimation d'une partie d'écho du signal émis par le microphone. Cette estimation est soustraite du signal émis par le microphone.
Le dispositif de traitement d'écho résiduel 2 intervient à la sortie du dispositif adaptatif d'annulation d'écho 3, c'est-à-dire qu'est transmis en entrée de ce dispositif de traitement d'écho résiduel 2 le signal de sortie traité par le dispositif adaptatif d'annulation d'écho 3. Globalement, le dispositif de traitement d'écho résiduel comprend un moyen de transformation spectrale 7 en entrée et un moyen de transformation spectrale inverse en sortie 11, entre lesquels intervient un moyen modificateur de gains spectraux 12, commandé par un moyen de calcul des gains spectraux 10 connecté à un moyen de calcul des paramètres d'écho 9 et un moyen de calcul des paramètres de bruit 8. Le moyen de transformation spectrale 7 est adapté à décomposer le signal de sortie du dispositif d'annulation d'écho 3 en N échantillons de bandes de fréquence. La transformation est réalisée à partir d'un algorithme de transformation de Fourier rapide (FFT). Pour des applications où la fréquence d'échantillonnage des signaux est établie à 8 kHz, on peut utiliser, par exemple, un algorithme de transformation de Fourier rapide sur 256 points fréquentiels dont seuls 129 sont utilisés pour le calcul ultérieur de modification de gain.
Le moyen de transformation spectrale inverse 11 est adapté à re-synthétiser le signal dans le domaine temporel. Par exemple, il peut utiliser une opération de chevauchement entre les trames successives, ce qui nécessite des procédures de synthèse de type WOLA (Weighted Overlapp-Add, soit addition-chevauchement à pondération) ou WOSA (Weighted Overlapp-Save, soit mémorisation-chevauchement à pondération).
Le moyen modificateur de gains spectraux 12 est adapté à modifier individuellement les gains spectraux. Il est commandé par le moyen de calcul des gains spectraux qui, à partir d'informations disponibles sur chaque composante spectrale, détermine une atténuation spectrale pour la composante spectrale considérée.
Pour chaque composante spectrale, un calcul de l'atténuation spectrale initiale est réalisé à partir de la procédure connue mentionnée plus haut nécessitant ici la connaissance des distributions spectrales des énergies du signal provenant du dispositif d'annulation d'écho, du signal de bruit de fond, du signal d'écho estimé, du signal du microphone et du signal du haut-parleur. Le moyen de calcul des paramètres d'écho permet de déterminer si la composante spectrale analysée correspond ou non à de l'écho seul. Si c'est le cas, cette composante sera atténuée. Dans le cas où elle correspond aussi à une partie utile du signal, c'est-à-dire correspondant à l'activité vocale du correspondant local, elle ne sera pas, ou sera peu, atténuée.
Selon l'invention, cette atténuation spectrale initiale est corrigée à l'aide d'une procédure complémentaire formant moyen de compensation. Pour chaque composante spectrale, cette procédure vérifie si l'énergie du signal de sortie correspondant telle que modifiée par l'atténuation spectrale initiale est ou non inférieure à l'énergie de la composante spectrale correspondante du bruit de fond. Si c'est le cas, la procédure remplace le gain calculé initialement par un gain effectif égal à la racine carrée de l'énergie du bruit divisée par l'énergie de la composante spectrale correspondante du signal de sortie. Ainsi, cette composante spectrale du signal de sortie sera ramenée au niveau de la composante spectrale correspondante du bruit de fond. Dans le cas où l'énergie du signal de sortie est supérieure ou égale à l'énergie du bruit de fond, le gain effectif sera le gain calculé initialement. Le moyen de calcul des paramètres du bruit de fond permet d'identifier l'énergie de la composante spectrale de bruit de fond. Le traitement requiert la mise en œuvre d'une procédure de détection d'activité vocale afin de déterminer les instants où la densité spectrale de puissance du bruit doit être estimée. Cette procédure de détection peut être mise en œuvre au rythme trame sur l'ensemble de la bande passante du signal, ou bien, plus finement, sur chacune des composantes spectrales.
Les procédures qui viennent d'être décrites peuvent être exécutées par l'algorithme suivant :
for (freq = 0, ΔF, ...,NΔF) Gτχ(freq, pT) = procédure_calcul_gain (Energie_sig_in,
Energie_bruit_local, Energie_écho, Energie_micro, Energie_HP) if [GTχ(freq, pT)2 x Energie_sig_in(freq, pT) < Energie_bruit_local (freq, PT)]
_-, Energie bruit local(freq, pT)
GEflfcct.f (freq, PT) = — = . ~ , — — y Energie _sιg _ιn(freq,pT) else GEffcctif (freq, pT) = GTχ (freq, pT) end if sig_out(freq,pT) = GEffectfι (freq, pT) x sig_in (freq, pT) end for.
Cette procédure exploite les propriétés de masquage simultané et de masquage fréquentiel de l'appareil auditif humain. Dans les situations de double-parole, les composantes spectrales correspondant à l'activité vocale du correspondant local ne sont pas, ou sont peu, atténuées par le traitement, ce qui préserve la qualité du signal utile transmis. Le signal d'écho résiduel se trouve subjectivement masqué en raison de la propriété de masquage simultané de l'appareil auditif. En revanche, les composantes spectrales qui correspondent à de l'écho seul sont atténuées par le traitement jusqu'à être ramenées au niveau des composantes correspondantes du bruit de fond. Ces composantes ainsi modifiées ne seront que partiellement perçues par le correspondant distant, du fait des propriétés de masquage fréquentiel par le signal utile correspondant à l'activité vocale du correspondant local.
En référence à la Fig. 2, on va maintenant décrire un second mode de réalisation de la présente invention. Le dispositif de traitement de l'écho 101 intervient au niveau d'un terminal d'un système de communication comprenant un microphone 5 et un haut-parleur 4. Comme dans le mode de réalisation précédent, il comprend globalement un dispositif adaptatif d'annulation d'écho 3 et un dispositif de traitement d'écho résiduel 102.
Le dispositif adaptatif d'annulation d'écho 3 est identique à celui qui est décrit dans le premier mode de réalisation et le dispositif de traitement d'écho résiduel 102 intervient également à sa sortie.
Globalement, le dispositif de traitement d'écho résiduel 102 comprend un moyen de calcul de l'énergie du bruit local 115 à l'entrée duquel est transmis le signal en sortie du microphone 5 et un moyen de calcul de l'énergie du signal résidu 114 à l'entrée duquel est transmis le signal en sortie du dispositif d'annulation d'écho 3, ces moyens 114 et 115 étant tous deux connectés à un moyen de calcul du gain en émission initial 110, lui-même connecté à un moyen de correction de calcul de gain en émission 113 qui finalement intervient sur le signal de sortie du dispositif d'annulation d'écho qu'il est adapté à atténuer. Le moyen de calcul du gain en émission initial 110 est adapté à déterminer une loi initiale de variation du gain. Le traitement ne se faisant pas, contrairement au mode de réalisation précédent, dans un domaine transformé, la loi initiale de variation du gain ne varie qu'en fonction du temps. Ce moyen de calcul du gain en émission initial 110 distingue les parties utiles du signal de sortie des parties d'écho et détermine une loi de variation de gain propre à atténuer ces dernières. Est à nouveau utilisée pour cela, la procédure connue mentionnée plus haut nécessitant la connaissance des énergies du signal provenant du dispositif d'annulation d'écho, du signal de bruit de fond, du signal d'écho estimé, du signal du microphone et du signal du haut-parleur .
Selon l'invention, cette atténuation initiale est corrigée à l'aide d'une procédure complémentaire formant moyen de compensation. Cette procédure compare la puissance moyenne du signal présent en sortie du dispositif d'annulation d'écho, donnée par le moyen de calcul de l'énergie du signal résidu 114, à la puissance moyenne du bruit de fond évaluée durant les instants de non-activité vocale, donnée par le moyen de calcul de l'énergie du bruit local 115. En pratique, cette procédure vérifie si la puissance moyenne du signal présent en sortie du dispositif d'annulation d'écho telle que modifiée par la loi de variation de gain initiale est ou non inférieure à la puissance moyenne du bruit de fond évaluée durant les instants de non-activité vocale divisée par un coefficient K. Si c'est le cas, la procédure remplace le gain calculé initialement par un gain effectif égal à la racine carrée de la puissance moyenne du bruit de fond évaluée durant les instants de non-activité vocale divisée par la puissance du signal de sortie multipliée par le coefficient K. Ainsi, cette composante spectrale du signal de sortie sera ramenée au niveau de la composante spectrale correspondante du bruit de fond divisée par le coefficient K. Dans le cas où la puissance moyenne du signal de sortie telle que modifiée par la loi de variation de gain initiale est supérieure ou égale à la puissance moyenne du bruit de fond évaluée durant les instants de non-activité vocale, le gain effectif sera le gain issu de l'application de la loi de variation de gain initiale. Le paramètre K permet de contrôler le niveau de bruit résiduel qui sera transmis au correspondant distant. Les procédures qui viennent d'être décrites peuvent être exécutées par l'algorithme suivant :
Gτx(pT) = procédure_calcul_gain (Energie_sig_in, Energie_bruit_local,
Energie écho, Energie micro, Energie HP) if [Gχχ(pT)2 x Energie_sig_in(pT) < Energie_bruit_local (PT) / K]
[Energie _bruit _local(pT)
GEffect,f (p l ) - . — — : : . y K. Energie _sιg _ιn(pT)
else
GEffectιf (pT) = GTχ (pT) end if sig_out(pT) = GEfiectιf (pT) x sig_in (pT)
Cette procédure permet d'adapter constamment au cours du temps la profondeur de la variation de gain par rapport aux caractéristiques du signal d'écho résiduel. Lorsque ce dernier est fortement énergétique et donc audible, cette procédure vise à appliquer une atténuation de manière à ramener ce signal au niveau de celui du bruit mesuré dans la salle locale corrigé par le coefficient K. Il n'y a donc pas de contrastes marqués du bruit de fond mais une adaptation continue de la variation de gain à l'environnement acoustique du correspondant local. En tenant compte des propriétés psycho-acoustiques de l'appareil auditif humain, le signal d'écho résiduel est masqué subjectivement par le bruit ambiant. Il n'est donc pas audible à l'écoute du signal de sortie modifié par le dispositif de traitement de l'écho résiduel. En référence à la Fig. 3, on va maintenant décrire un troisième mode de réalisation de la présente invention.
Le dispositif de traitement de l'écho 201 intervient au niveau d'un terminal d'un système de communication comprenant un microphone 5 et un haut-parleur 4. Comme dans les modes de réalisation précédents, il comprend globalement un dispositif adaptatif d'annulation d'écho 3 et un dispositif de traitement d'écho résiduel 202.
Le dispositif adaptatif d'annulation d'écho 3 est identique à celui qui est décrit dans le premier mode de réalisation et le dispositif de traitement d'écho résiduel 202 intervient également à sa sortie.
Le dispositif de traitement d'écho résiduel 202 comprend un moyen de calcul de l'énergie du bruit local 215, à l'entrée duquel est transmis le signal en sortie du microphone 5 par l'intermédiaire d'un moyen de détection d'activité vocale 216, et un moyen de calcul de l'énergie du signal résidu 214 à l'entrée duquel est transmis le signal en sortie du dispositif d'annulation d'écho 3, ces moyens 214 et 215 étant tous deux connectés à un moyen de calcul du gain en émission 210 qui intervient sur le signal de sortie du dispositif d'annulation d'écho qu'il est adapté à atténuer. Ce dispositif de traitement d'écho résiduel 202 comprend également un moyen de calcul des paramètres du bruit de fond 208, à l'entrée duquel est transmis le signal en sortie du microphone 5 par l'intermédiaire du moyen de détection d'activité vocale 216, ce moyen 208 étant connecté à un moyen générateur de bruit de confort 217 adapté à émettre un signal qui, pondéré par une valeur complémentaire à celle du gain calculé par le moyen de calcul du gain en émission, va s'ajouter au signal de sortie du dispositif d'annulation d'écho tel qu'atténué par l'application de ce gain.
Le moyen de calcul du gain en émission initial 210 est adapté à déterminer, comme dans le mode de réalisation précédent, une loi de variation du gain. Ce moyen de calcul du gain en émission initial 210 distingue les parties utiles du signal de sortie des parties d'écho et détermine une loi de variation de gain propre à atténuer ces dernières. Est à nouveau utilisée pour cela, la procédure connue mentionnée plus haut et nécessite la connaissance des énergies du signal provenant du dispositif d'annulation d'écho, du signal de bruit de fond, du signal d'écho estimé, du signal du microphone et du signal du haut-parleur.
Selon l'invention, cette atténuation est compensée en partie par une procédure basée sur l'émission d'un bruit de confort, la mise en application de ladite procédure formant moyen de compensation.
Le moyen de détection d'activité vocale détecte si une période d'échantillonnage est une période dans laquelle les correspondants sont inactifs.
Si c'est le cas, le moyen de calcul des paramètres du bruit 208 calcule les paramètres fondamentaux caractérisant le bruit de fond environnant le correspondant local. Par exemple, les caractéristiques du bruit peuvent correspondre aux coefficients du modèle de prédiction linéaire (ou aux représentations équivalentes comme les coefficients de réflexion, LAR ou LSP) auxquels est associée l'énergie du résidu de cette prédiction. Ces paramètres sont généralement établis à partir de la connaissance des échantillons de bruit et de l'ordre de prédiction voulu. Le choix de ce dernier paramètre permet de reproduire plus ou moins fidèlement les caractéristiques spectrales du bruit réellement présent dans l'environnement local.
Le moyen générateur de bruit de confort 217 utilise ces paramètres du bruit de fond pour générer un signal de simulation du bruit de fond présent dans l'environnement local. Le moyen de calcul du gain en émission 210 calcule, non seulement une valeur de gain GTX à appliquer au signal de sortie du dispositif d'annulation d'écho, mais également une valeur de gain (1-Gτχ) qui est appliquée au signal de simulation émis par le moyen générateur de bruit de confort. Les signaux provenant du dispositif d'annulation d'écho 3 et du moyen générateur de bruit de confort 217 ainsi modifiés par le moyen de calcul du gain en émission 210 sont ajoutés l'un à l'autre pour obtenir un signal de sortie traité qui sera transmis au correspondant distant.
Si l'on désigne le signal de sortie traité par sig_out(pT), le signal de sortie du dispositif d'annulation d'écho par sig_in(pT), le signal de simulation par bruit_confort(pT) et le gain calculé par GTχ (pT), on a, à un instant donné :
sig_out(pT) = Gχχ(pT).sig_in(pT) + [l-Gχχ(pT)].bruit_confort(pT)
Le bruit de confort n'est donc inséré que dans les périodes d'atténuation du signal visant à réduire l'écho résiduel audible. Hors de ces périodes, lorsque le gain est sensiblement égal à 1, le signal de sortie contient le bruit de fond naturel en intégralité. Dans ces périodes, la somme du niveau du bruit de confort et du niveau du bruit de fond naturel restant après atténuation, correspond au niveau du bruit de fond naturel sans atténuation. Le correspondant distant ne perçoit donc pas de contrastes de bruit. On garde en outre au maximum le bruit de fond naturel. Il est également possible, dans ce mode de réalisation, d'autoriser des variations de gain importantes, avec un gain pouvant aller d'une valeur sensiblement égale à 1 à une valeur sensiblement égale à 0. La bascule entre ces deux états se fait de manière très souple, sans génération de contrastes, avec une continuité permanente dans les caractéristiques du signal transmis au correspondant distant.
Les procédures de calcul qui sont mises en œuvre par les trois dispositifs qui viennent d'être décrits peuvent être réalisées par des processeurs existants à l'heure actuelle, notamment par des processeurs de traitement du signal en temps réel (DSP) à arithmétique flottante, par exemple les processeurs TMS320C3X et TMS320C4X de Texas Instrument, ou le processeur AD21061 de Analog Devices.
En ce qui concerne l'estimation de l'énergie d'un signal qu'utilisent les trois dispositifs qui viennent d'être décrits, cette estimation peut être réalisée à partir d'un filtrage numérique à réponse impulsionnelle infinie d'ordre 1 suivant la relation :
Energie_signal_X(pT) = α. Energie_signal_X[(p-l)T] + (1-α) . XN(pT).
Energie_signal_X représente l'énergie du signal que l'on cherche à obtenir. X représente le niveau du signal échantillonné. N est un entier égal à 1 dans le cas d'une estimation d'amplitude et égal à 2 dans le cas d'une estimation d'énergie. La valeur du paramètre α détermine la constante de temps du filtre, cette constante pouvant éventuellement être adaptée au cours du temps vis-à-vis des caractéristiques des signaux à traiter.
Il est également possible d'utiliser deux constantes de temps différentes, l'une, plus courte, pour le temps de montée, et l'autre, plus longue, pour le temps de descente. L'estimation se fait alors suivant la relation :
Energie_signal_X(pT) =αf. Energie_signal_X[(p-l)T] + (l-αf) . XN(pT), pour Energie_signal_X[(p-l)T] >. X N (,pT)
Energie_signal_X(pT) =αr. Energie_signal_X[(p-l)T] + (l- r) . XN(pT) pour Energie_signal_X[(p-l)T] <. XN(pT)
Enfin, il est possible d'effectuer une estimation avec suivi de crêtes conformément à la procédure suivante :
si XN(pT) > Energie_signal_X[(p- 1 )T] alors Energie_signal_X(pT) = XN(pT), sinon Energie_signal_X(pT) = . Energie_signal_X[(p-l)T] + (1- ) . XN(pT).
En ce qui concerne le calcul des gains initiaux qu'utilisent les trois dispositifs qui viennent d'être décrits, ce calcul peut être, comme on l'a indiqué plus haut, réalisé d'après la procédure connue décrite notamment dans le document de brevet FR-A-2 748 184 où la loi de variation du gain en émission est établie en fonction des niveaux mesurés au niveau du haut-parleur et du microphone de prise de son. D'autres procédures de calculs de la loi de variation de gain connues pourront également être appliquées.
Pour les environnements non-maîtrisés où les caractéristiques acoustiques sont susceptibles d'évoluer constamment au cours du temps, par exemple dans le cas de correspondants multiples, dans le cas de correspondants se déplaçant, de bruits de fond difficiles à modéliser, il est préférable d'utiliser le premier mode de réalisation que l'on a décrit. En effet, le traitement dans le domaine spectral permet au mieux d'éviter les nombreux problèmes que l'on a évoqués précédemment.
Pour les environnements mieux contrôlés où le bruit ambiant est facilement modélisable, on utilisera avantageusement le dispositif correspondant au second mode de réalisation de la présente invention, ce dispositif permettant de masquer le résidu d'écho par le bruit ambiant.
Cependant, dans certains types d'environnements acoustiques, par exemple une salle dans laquelle de nombreuses personnes, non parties prenantes à la conversation, discutent et se déplacent, ce second type de dispositif ne pourra pas venir à bout de tous les problèmes de contraste de bruit. On utilisera alors avantageusement le troisième mode de réalisation de la présente invention.
En règle générale, il sera avantageux d'installer le dispositif d'annulation de l'écho et le dispositif de traitement de l'écho résiduel sur le même processeur de traitement du signal. Il faudra donc que ces deux dispositifs fonctionnent dans un même domaine. Autrement dit, pour un traitement fréquentiel d'annulation d'écho utilisant des algorithmes tels que MDF et GMDF, il est souhaitable que le dispositif d'annulation d'écho soit complété par un dispositif de traitement de l'écho résiduel selon le premier mode de réalisation de la présente invention. En revanche, pour un algorithme d'annulation d'écho travaillant dans le domaine temporel, comme le LMS et le NLMS, il est souhaitable que le dispositif d'annulation d'écho soit complété par un dispositif de traitement de l'écho résiduel selon le deuxième mode ou le troisième mode de réalisation de la présente invention.
Les trois dispositifs décrits visent à modifier le signal d'écho résiduel d'une manière telle que ce dernier soit inaudible au sein du signal transmis au correspondant distant, du fait des propriétés de masquage simultané, temporel et fréquentiel inhérentes au système auditif humain.
Ces dispositifs ne présentent pas une complexité trop importante, et notamment, ils ne consomment pas une quantité trop importante de temps de calcul. Bien que conçus à l'origine pour le traitement de l'écho acoustique dans les dispositifs de communication «mains-libres» au niveau d'un terminal, ces dispositifs pourraient être adaptés pour traiter ces mêmes problèmes d'écho au sein même d'un réseau de télécommunication, par exemple au niveau des commutateurs ou des transcodeurs, voire pour traiter les problèmes d'écho électrique engendrés par les liaisons hybrides.

Claims

REVENDICATIONS 1) Dispositif de traitement de l'écho dans un système de communication au niveau d'un terminal comprenant un premier transducteur (4) recevant un signal comprenant une partie due à l'activité d'un correspondant lointain et un second transducteur (5) émettant un signal comprenant une partie utile due à l'activité d'un correspondant local, une partie de bruit de fond, ainsi qu'une partie d'écho due à un couplage entre lesdits transducteurs, ledit dispositif de traitement de l'écho (1, 101, 201) comprenant un dispositif adaptatif d'annulation d'écho (3, 103, 203) adapté à calculer à partir du signal reçu par ledit premier transducteur (4) une estimation de ladite partie d'écho du signal émis par ledit second transducteur (5) et à soustraire ladite estimation dudit signal émis par ledit second transducteur pour produire un signal de sortie du dispositif d'annulation d'écho, caractérisé en ce que ledit dispositif de traitement de l'écho comprend un dispositif (2, 102, 202) de traitement de l'écho résiduel en sortie dudit dispositif adaptatif d'annulation d'écho (3, 103, 203), ledit dispositif de traitement de l'écho résiduel comprenant un moyen de commande de gain (10, 12, 110, 113, 210) modifiant ledit signal de sortie du dispositif d'annulation d'écho, ledit moyen de commande de gain comprenant un premier moyen d'analyse (8, 9, 10, 110, 114, 115, 210, 214, 215) pour distinguer des éléments qui sont constitutifs de ladite partie d'écho, un second moyen d'analyse (8, 1 15, 208, 215) pour identifier des éléments qui sont constitutifs de ladite partie de bruit de fond, un moyen de calcul (10, 110, 210) pour déterminer une loi de variation de gain de manière à diminuer au maximum les niveaux desdits éléments constitutifs de ladite partie d'écho sans affecter substantiellement ladite partie utile, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de compensation (10, 113, 208, 210, 216, 217) pour compenser les effets de ladite loi de variation de gain sur lesdits éléments constitutifs de ladite partie de bruit de fond, ledit moyen de compensation (10, 1 13) comparant le niveau du signal de sortie tel qu'il devrait être après application de ladite loi de variation de gain au niveau d'un élément correspondant constitutif de ladite partie de bruit de fond déterminé par ledit second moyen d'analyse (8, 115) et, s'il détermine que ledit niveau dudit signal de sortie est inférieur audit niveau dudit élément, il modifie le gain déterminé par ladite loi de variation afin que le signal de sortie modifié par ledit moyen de commande de gain (10, 12, 110, 113) soit au niveau dudit élément constitutif de ladite partie de bruit de fond. 2) Dispositif de traitement de l'écho selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen de compensation (113) compare l'énergie moyenne du signal de sortie tel qu'il devrait être après application de ladite loi de variation de gain à l'énergie moyenne de la partie de bruit de fond évaluée durant des instants où les signaux échangés dans ledit système de communication sont dépourvus de partie utile et, s'il détermine que ladite énergie moyenne dudit signal est inférieure à ladite énergie moyenne de la partie de bruit de fond, modifie le gain déterminé par ladite loi de variation afin que le signal de sortie modifié par ledit moyen de commande de gain (110) soit au niveau de ladite partie de bruit de fond. 3) Dispositif de traitement de l'écho selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite énergie moyenne de la partie de bruit de fond est corrigée par un coefficient permettant de commander le niveau de bruit résiduel qui sera transmis.
4) Dispositif de traitement de l'écho selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen de compensation comprend un moyen (208, 216, 217) pour générer un signal de simulation reproduisant les caractéristiques de ladite partie de bruit de fond, ledit moyen étant activé lorsque ledit signal de sortie est modifié par ledit moyen de commande de gain (210).
5) Dispositif de traitement de l'écho selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit signal de simulation, pondéré par un facteur, est ajouté audit signal de sortie modifié par le gain déterminé par ladite loi de variation, la somme dudit facteur de pondération et dudit gain étant égale à 1.
6) Dispositif de traitement de l'écho selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen détecteur d'activité des correspondants (216) afin de réaliser le réglage dudit moyen de génération de signal de simulation (208, 216, 217) lorsque les correspondants sont inactifs.
7) Dispositif de traitement de l'écho selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un premier moyen de transformation (7) pour passer d'un domaine de traitement temporel à un domaine de traitement spectral et un second moyen de transformation (11) pour repasser dans le domaine de traitement temporel sont ménagés de part et d'autre dudit moyen de commande de gain (10, 12), lesdits éléments constitutifs de la partie d'écho ou constitutifs de la partie de bruit de fond prenant alors la forme de composantes spectrales dudit signal de sortie.
8) Dispositif de traitement de l'écho selon la revendication 7, caractérisé en ce que les composantes spectrales du signal de sortie sont analysées séquentiellement par échantillons de bandes de fréquence, ledit premier moyen d'analyse (8, 9, 10) distinguant chaque composante constitutive de ladite partie d'écho, ledit second moyen d'analyse (8) identifiant une composante spectrale constitutive de ladite partie de bruit de fond, ledit moyen de calcul (10) déterminant un gain propre à une composante spectrale donnée de manière à diminuer au maximum son niveau si elle est constitutive de ladite partie d'écho, et le moyen de compensation (10) comparant l'énergie du signal de sortie tel qu'il devrait être après modification par ledit gain, pour ladite composante spectrale donnée, à l'énergie de la composante spectrale correspondante constitutive de ladite partie de bruit de fond et, s'il détermine que ladite énergie du signal de sortie est inférieure à ladite énergie de ladite composante spectrale, modifiant ledit gain afin que ladite composante spectrale donnée soit au niveau de ladite composante spectrale correspondante de bruit de fond.
9) Procédé de traitement de l'écho dans un système de communication au niveau d'un terminal comprenant un premier transducteur (4) recevant un signal comprenant une partie due à l'activité d'un correspondant lointain et un second transducteur (5) émettant un signal comprenant une partie utile due à l'activité d'un correspondant local, une partie de bruit de fond, ainsi qu'une partie d'écho due à un couplage entre lesdits transducteurs, ledit procédé comprenant une première étape d'annulation d'écho adaptative consistant à calculer à partir du signal reçu par ledit premier transducteur (4) une estimation de ladite partie d'écho du signal émis par ledit second transducteur (5) et à soustraire ladite estimation dudit signal émis par ledit second transducteur (5) pour produire un signal de sortie, ledit procédé de traitement de l'écho étant caractérisé en ce qu'il comprend : une seconde étape de traitement de l'écho restant après ladite étape d'annulation de l'écho, ladite seconde étape consistant à distinguer des éléments qui sont constitutifs de ladite partie d'écho, à identifier des éléments qui sont constitutifs de ladite partie de bruit de fond, à déterminer une loi de variation d'un gain modifiant ledit signal de sortie de manière à diminuer au maximum les niveaux desdits éléments constitutifs de ladite partie d'écho sans affecter substantiellement ladite partie utile, et à compenser les effets de ladite loi de variation de gain sur lesdits éléments constitutifs de ladite partie de bruit de fond en comparant le niveau du signal de sortie tel qu'il devrait être après application de ladite loi de variation de gain au niveau d'un élément correspondant constitutif de ladite partie de bruit de fond déterminé et, s'il détermine que ledit niveau dudit signal de sortie est inférieur audit niveau dudit élément, à modifier le gain déterminé par ladite loi de variation afin que le signal de sortie modifié soit au niveau dudit élément constitutif de ladite partie de bruit de fond.
10) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que, dans ladite seconde étape de traitement de l'écho, le traitement est effectué dans un domaine spectral, séquentiellement, par échantillons de bandes de fréquence.
11) Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que, dans ladite seconde étape de traitement de l'écho, le traitement est effectué dans un domaine temporel.
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