回声消除方法和电子设备与流程

本技术涉及声音处理领域，尤其涉及一种回声消除方法和电子设备。

背景技术：

1、用户在电子设备上使用语音交互功能时，电子设备的麦克风除了采集用户的语音信号，还会采集到本电子设备的扬声器发出的声音——即回声，影响语音信号的质量。所以电子设备需要对采集的所有声音信号中的回声信号进行消除，从而只留下语音信号，该技术称为回声消除技术。

2、回声消除包括线性回声消除和非线性回声消除两部分。其中，线性回声消除可以通过线性滤波对回声信号中的线性部分进行消除，非线性回声消除可以对回声信号中的非线性分量进行消除。其中，一种常用的非线性回声消除方法是采用非线性处理方式进行回声消除，例如利用神经网络模型的非线性特性进行回声消除，但是该方式需要针对每一个电子设备采集大量数据对神经网络模型进行训练，并且为了满足精度要求神经网络模型的参数较多，算法复杂度较高，而电子设备(特别是移动终端)的存储能力和运算能力有限，所以这种方式应用范围非常受限。

技术实现思路

1、本技术实施例提供一种回声消除方法和电子设备，用于对回声信号中的非线性分量进行消除，降低算法复杂度。

2、为达到上述目的，本技术的实施例采用如下技术方案：

3、第一方面，提供了一种回声消除方法，包括：获取扬声器的输入电压以及音圈电流；基于扬声器的等效电路模型，根据输入电压以及音圈电流对扬声器中振膜的振幅进行非线性估计，得到振幅的估计值；对振幅的估计值进行线性滤波得到回声信号的估计值；根据回声信号的估计值对通过麦克风采集的声音信号进行回声消除。

4、本技术实施例提供的回声消除方法和电子设备，利用扬声器的输入电压以及音圈电流，基于扬声器的等效电路模型对扬声器中振膜的振幅进行非线性估计，得到振幅的估计值。振幅的估计值不仅包括线性分量还包括非线性分量。对振幅的估计值进行线性滤波得到回声信号的估计值，则回声信号的估计值同样包括线性分量和非线性分量。将回声信号的估计值用于对麦克风采集的声音信号进行回声消除，则不仅可以消除回声信号中的线性分量，还可以消除回声信号中的非线性分量。可以直接利用电压信号和电流信号，不需要像利用神经网络模型的非线性特性进行回声消除那样，需要针对每一个电子设备采集大量数据对神经网络模型进行训练，所以可以降低算法复杂度。使得可应用的电子设备的范围更广。

5、在一种可能的实施方式中，基于扬声器的等效电路模型，根据输入电压以及音圈电流对扬声器中振膜的振幅进行线性估计，得到振幅的估计值，包括：根据基尔霍夫电压定律和扬声器的等效电路模型建立扬声器的物理参数的联立方程组，基尔霍夫电压定律指在任何一个闭合回路中，各元件上的电压降的代数和等于电动势的代数和；根据联立方程组得到扬声器的状态变量的常微分方程，求解常微分方程得到不包括非线性分量时振膜的振幅；根据音圈电流和不包括非线性分量时振膜的振幅得到输入电压的估计值；根据输入电压和输入电压的估计值得到扬声器的包括非线性分量的物理参数的值；根据扬声器的包括非线性分量的物理参数的值得到振膜的振幅的估计值。

6、振膜的振幅的估计值是由包括非线性分量的物理参数的值得到的，使得振幅的估计值不仅包括线性分量还包括非线性分量，以尽量还原回声信号。

7、在一种可能的实施方式中，联立方程组为：

8、

9、

10、其中，bl表示扬声器的机电耦合因子，u(t)表示扬声器的输入电压，r表示音圈直流电阻，l表示音圈电感，i(t)表示音圈电流，m表示等效振动质量，r表示振膜的阻尼，k表示振膜的弹性系数，a(t)表示振膜的振幅，表示振膜的振动速度v(t)，表示振膜的振动加速度。

11、上述联立方程组将扬声器的物理参数以数学形式表达出来，便于进行非线性计算。

12、在一种可能的实施方式中，扬声器的状态变量s＝[i,a,v]t，扬声器的状态变量s的常微分方程为：

13、

14、常微分方程便于求解不包括非线性分量时振膜的振幅。

15、在一种可能的实施方式中，根据音圈电流和不包括非线性分量时振膜的振幅得到输入电压的估计值，包括：根据公式1得到输入电压的估计值，其中，bl和l忽略其中的非线性分量，r通过以下方式得到：通过向扬声器输入单频激励并测量扬声器的输入电流i和输入电压u，则r＝u/i；i(t)为音圈电流；a(t)为不包括非线性分量时振膜的振幅。即计算过程中忽略非线性分量，得到的输入电压的估计值也不包括非线性分量，便于与实测的输入电压进行比较。

16、在一种可能的实施方式中，包括非线性分量的物理参数包括bl、l、k，bl、l、k以振幅a为变量进行沃尔泰拉级数展开为：

17、bl＝bl0+bl1a+bl2a2                          公式4

18、l＝l0+l1a+l2a2                              公式5

19、k＝k0+k1a+k2a2                              公式6

20、其中，系数bl0、l0、k0是线性系数，bl1、bl2、l1、l2、k1、k2是非线性系数。

21、理论上认为扬声器的物理参数bl、l、k都是线性的，即均为常数。但在工程实际中这些物理参数bl、l、k都是非线性的，是扬声器输出的声音信号a(n)(等价于振膜的振幅)中存在非线性分量的主要原因。对物理参数bl、l、k以振膜的振幅为变量进行沃尔泰拉(volterra)级数展开，以便于计算物理参数bl、l、k中的非线性分量，进而估计出振膜的振幅的估计值

22、在一种可能的实施方式中，非线性系数根据公式7-公式9所示的梯度下降法求解得到：

23、

24、

25、

26、其中，j＝0、1，μbl、μl、μk为步长，n表示离散采样，eu[n]表示输入电压的估计值和输入电压u(t)之差的模，即

27、梯度下降法是求解非线性问题中非常有效的一种方式。

28、在一种可能的实施方式中，根据扬声器的包括非线性分量的物理参数的值得到振膜的振幅的估计值，包括：将包括非线性分量的物理参数bl、l、k代入公式3得到振幅的估计值。由于物理参数bl、l、k包括非线性分量，所以得到的振幅的估计值不仅包括线性分量还包括非线性分量，以尽量还原回声信号。

29、在一种可能的实施方式中，获取扬声器的输入电压以及音圈电流，包括：通过智能功率放大器获取扬声器的输入电压以及音圈电流。智能功率放大器目前在电子设备中广泛安装，不会增加额外成本。

30、第二方面，提供了一种电子设备，包括扬声器、麦克风、智能功率放大器、处理器和存储器，智能功率放大器用于对接收的音频信号进行功率放大并输出给扬声器，还用于向处理器输出扬声器的输入电压以及音圈电流，麦克风用于采集声音信号并输出给处理器，存储器中存储指令，当处理器执行指令时，如第一方面及其任一实施方式所述的方法被执行。

31、第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，包括指令，当指令在电子设备上执行时，使得电子设备执行第一方面及其任一实施方式所述的方法。

32、第四方面，提供了一种包含指令的计算机程序产品，当指令在上述电子设备上运行时，使得该电子设备执行如第一方面及其任一实施方式所述的方法。

33、第五方面，提供了一种芯片系统，该芯片系统包括处理器，用于支持电子设备实现上述第一方面中所涉及的功能。在一种可能的设计中，该装置还包括接口电路，接口电路可用于从其它装置(例如存储器)接收信号，或者，向其它装置(例如通信接口)发送信号。该芯片系统可以包括芯片，还可以包括其他分立器件。

34、第二方面至第五方面的技术效果参照第一方面及其任一实施方式的技术效果，在此不再重复。