DE10148906A1

DE10148906A1 - Rauschpegelkalkulator für Echokompensator

Info

Publication number: DE10148906A1
Application number: DE10148906A
Authority: DE
Inventors: Dieter Schulz; Renee Johnston
Original assignee: Zarlink Semoconductor Inc
Current assignee: Microsemi Semiconductor ULC
Priority date: 2000-09-30
Filing date: 2001-09-25
Publication date: 2003-02-20
Also published as: GB2367467B; CN1348261A; GB2367467A; FR2814875A1; FR2814875B1; GB0023975D0; US20020039415A1; CA2357959C; CN1227830C; CA2357959A1; US7146003B2

Abstract

Es wird vorgeschlagen ein Verfahren zum Berechnen eines Rauschpegels in einem Signal, mit den Schritten, zwei Abtastfenster des Signals zu akkumulieren, die Energie des Signals innerhalb von jedem der Abtastfenster zu berechnen, die Differenz der Energien des Signals innerhalb von jedem der Abtastfenster zu berechnen, einen Varianzparameter auf der Grundlage der Differenz zu aktualisieren, für den Fall, daß der Varianzparameter kleiner ist als ein vorbestimmtes Vielfaches der Energie des Signals innerhalb eines jüngsten Abtastfensters der Abtastfenster, das Vorhandensein von Rauschen anzuzeigen und einen Rauschpegelparameter als eine Funktion der Energie des Signals innerhalb des jüngsten Abtastfensters der Abtastfenster einzustellen, und für den Fall, daß der Varianzparameter größer oder gleich dem vorbestimmten Vielfachen der Energie des Signals innerhalb des jüngsten Abtastfensters der Abtastfenster ist, das Nicht-Vorhandensein von Rauschen anzuzeigen, und für den Fall, daß der Rauschpegelparameter die Energie des Signals innerhalb des jüngsten Abtastfensters der Abtastfenster überschreitet, den Rauschpegelparameter gleich der Energie des Signals innerhalb des jüngsten Abtastfensters der Abtastfenster einzustellen (Fig. 2).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft generell Telekommunikationssysteme und betrifft insbesondere einen Rauschpegelkalkulator zum Erfassen von Rauschen in einem Echokompensator für Telefonleitungen.

Auf dem Gebiet der Echokompensatoren, die adaptive Filter verwenden, ist es bekannt, einen nichtlinearen Prozessor (NLP) mit aufzunehmen, um Restechosignale (z. B. aufgrund von Nichtlinearitäten, Verzerrungen oder hinzugekommenem Signalrauschen) zu entfernen.

Um zu vermeiden, daß eine Rauschumschaltung am entfernten Ende zu hören ist, ist es wichtig, daß der Rauschpegel des Signals, das an den NLP angelegt wird, berechnet wird, um zwischen Rauschen und Restecho zu unterscheiden.

Eine Rauschpegelkalkulation bzw. -berechnung ist ferner hilfreich zum Bestimmen, ob ein an das adaptive Filter angelegtes Referenzsignal ein Rausch- oder ein Nichtrausch-Segment ist. Wenn ein Rauschen erfaßt wird, dann kann ein Aktualisieren der Filterkoeffizienten unterdrückt werden.

Erfindungsgemäß wird zur Lösung der obengenannten Aufgaben ein Rauschpegelkalkulator bereitgestellt zum Überwachen des Rauschpegels des Fehlersignals, das an den NLP angelegt wird, und des Rauschpegels des Referenzsignals, das an das adaptive Filter angelegt wird. Im Gegensatz zu bekannten Rauschdetektoren, die nicht nur die Rauschsegmente verfolgen sondern auch den Signalpegel und folgern, daß der Rauschpegel direkt proportional ist zu der niedrigsten akkumulierten Signalenergie, verwendet der Rauschpegelkalkulator der vorliegenden Erfindung die Varianz der Signalenergie, um einen Hintergrundrauschpegel zu bestimmen. Demzufolge findet der Rauschpegelkalkulator der vorliegenden Erfindung Rauschperioden tatsächlich auf und paßt sich an Veränderungen in der Varianz der Rauschenergie während dieser Perioden an.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Leitungsechokompensators, der den Rauschpegelkalkulator der vorliegenden Erfindung verwendet; und

Fig. 2 ein Flußdiagramm von Schritten zum Implementieren des Rauschpegelkalkulators gemäß der bevorzugten Ausführungsform.

In Fig. 1 ist ein Leitungsechokompensator ("line echo canceller, LEC") zum Kompensieren bzw. Auslöschen von Echosignalen aus einem Leitungsechopfad (zwischen Sin_line und Rin_line) gezeigt. Es ist ein adaptiver Filteralgorithmus (typischerweise der allgemein bekannte adaptive LMS-Algorithmus) im Inneren eines Steuerlogikblocks 9 implementiert, um die Echokompensationsfunktion durchzuführen. Der Ausgang des adaptiven Filters wird innerhalb eines Summierblockes 3 von dem Eingangsleitungssignal (Sin_line) subtrahiert, um ein Fehlersignal (ein) zu erzeugen. Wie oben erörtert, ist ein NLP 5 vorgesehen, um Restechosignale aufgrund von Nichtlinearitäten, Verzerrungen, hinzugekommenem Signalrauschen etc. zu entfernen. Ein Gegensprechdetektor 11 ist enthalten, um den NLP 5 während eines Gegensprechzustandes zu sperren (d. h., wenn der Teilnehmer am nahen Ende zu sprechen beginnt, in welchem Fall das Signal sich ergibt aus Sprache vom nahen Ende plus Echo vom entfernten Ende).
Erfindungsgemäß ist ein Rauschpegelkalkulator 13 vorgesehen zum kontinuierlichen Überwachen des Rauschpegels des Fehlersignals ein, als auch des Referenzsignals Rin_line. Der Rauschpegel des Fehlersignals wird von der NLP-Komponente 5 verwendet, um zu entscheiden, ob der Abtastwert ("sample") Rauschen oder Restecho ist. Wenn ein Rauschen erfaßt wird, wird es so wie es ist gesendet, wenn jedoch Restecho erfaßt wird, erzeugt der NLP 5 einen Rauschabtastwert. Der Rauschpegel des Referenzsignals wird von dem adaptiven Filteralgorithmus in dem Steuerblock 9 verwendet, um zu entscheiden, ob es sich bei dem Signal um Sprache oder Rauschen handelt. Wenn es sich um Rauschen handelt, werden die Koeffizienten des Echokompensators nicht aktualisiert.
In Fig. 2 ist ein bevorzugter Algorithmus zum Implementieren des Rauschpegelkalkulators der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Gleichungen in Fig. 2 sind, zum Zwecke optimaler Leistung, in einem C-Compiler geschrieben. Es sind zwei Eingänge zur Implementierung erforderlich, nämlich ein Eingangssignal xin und ein Tonentscheidungsparameter tone_decision. Der interne Zustand des Rauschpegelkalkulators und dessen lokale Variablen werden in einem lokalen Arbeitsspeicher gehalten (d. h. die Rauschpegelstruktur, wie nachstehend erläutert).
Die selbe Funktion wird verwendet, um den Rauschpegel für das Referenzsignal Rin_line und für das Fehlersignal ein des LEC in Fig. 1 zu berechnen. Für jede Implementierung des Rauschkalkulators wird der Eingangsabtastwert xin gewählt, entweder ein oder Rin_line.
Die Rauschpegelstruktur bzw. die Struktur des Programms mit dem Namen "NoiseLevel" und die erforderlichen lokalen Variablen für jede derartige Implementierung ergeben sich wie folgt, unter Bezugnahme auf Fig. 2: Structure (*NoiseLevel) (*NoiseLevel).count: Dies ist ein Zähler für das Abtastfenster
(*NoiseLevel).level: Dies stellt den Rauschpegel dar
(*NoiseLevel).accum[0]: Aktuelle Akkumulation des Eingangssignals
(*NoiseLevel).accum[1]: Vorhergehende Akkumulation des Eingangssignals
(*NoiseLevel).variance: Varianz der Akkumulation
(*NoiseLevel).flag_no_update: Flag für ungültiges Fenster, Rauschpegel wird nicht aktualisiert
xin: Eingangsabtastwert
diff: Differenz zwischen der vorhergehenden und der aktuellen Akkumulation
tone_decision: Flag = 1, wenn es sich bei dem Signal um einen Ton handelt
nlevel_count: Anzahl der Akkumulationen, bevor der Rauschpegel aktualisiert wird.
Der Algorithmus der vorliegenden Erfindung basiert auf der Annahme, daß die Energievarianz eines Rauschsegmentes sehr viel kleiner ist als die Energievarianz eines Sprachsegmentes. Nach dem Bestimmen, daß kein Ton vorhanden ist (Schritt A), werden Abtastwerte innerhalb eines Fensters von 256 Abtastwerten (entsprechend 32 ms) akkumuliert (d. h. die Signalenergie innerhalb des Fensters wird berechnet) ((*NoiseLevel).accum[0] = (*NoiseLevel).accum[0]+abs(xin) im Schritt B). Wenn das Fenster abgeschlossen ist ((*NoiseLevel).count>Window_size? im Schritt D), wird der Rauschpegel aktualisiert, und die Ergebnisse werden im Speicher abgespeichert. Es ist wichtig, daß die Abtastwertakkumulation einen vorbestimmten Pegel nicht überschreitet (limit(*NoiseLevel).accum[0] to Max_limit, im Schritt C), um zu gewährleisten, daß die Varianz- und Rauschpegelberechnungen nicht verfälscht werden. Für den Fall, daß die Akkumulation ungültig ist (Yes(accum is invalid), im Schritt D), wird der Rauschpegel für die nächsten zwei Fenster nicht ausgewertet bzw. evaluiert (als Ergebnis davon, daß das Flag im Schritt C eingestellt wird auf 2, (*NoiseLevel).flag_no_update = 2, und dann zweimal dekrementiert wird im Schritt D (*NoiseLevel).flag_no_update = 1). Beim Beginn der Abarbeitung des Programms (beim "start up") als auch dann, wenn der maximale Pegel (Max_limit) erreicht worden ist, werden zwei Fenster als ungültig angesehen. Sie werden nicht verwendet, um die Historie der Akkumulationen zu füllen bzw. zu löschen.
Wenn zwei gültige Akkumulationen von Abtastwerten verfügbar sind, wird die Differenz berechnet, die dann dazu verwendet wird, die Varianz dieser Akkumulationen zu aktualisieren, und zwar als einen gewichteten Mittelwert der Differenz und der vorhergehenden Werte des Varianzparameters (d. h., (*NoiseLevel).variance+=(diff-(*NoiseLevel.variance)>>3) stellt den Varianzparameter ein auf den bestehenden (d. h. vorhergehenden) Varianzparameter plus ein Vielfaches (÷8) der Differenz (diff) minus dem vorhergehenden Varianzparameter, und (*NoiseLevel).variance=diff) stellt den Varianzparameter ein auf den vorhergehenden Varianzparameter). Folglich wird bei der Ausführungsform der Fig. 2 die Varianz berechnet/aktualisiert mit einem Anstiegsverhältnis ("attack ratio") von 1 und einem Abklingverhältnis ("decay ratio") von 8 (d. h. >>3 im Schritt E). Dieses Anstiegs- und Abklingverhältnis wurden empirisch gewählt, so daß der Rauschpegel während kurzer Zeitspannen mit geringer Energie (z. B. hervorgerufen durch Frikative in einem Sprachsegment) nicht aktualisiert wird. Alternativ hierzu können andere Anstiegs- und Abklingverhältnisse gewählt werden, um eine Anpassung an unterschiedliche Anwendungsbeispiele zu erzielen. Demzufolge ist die Anstiegsrate ("attack rate") aggressiv, und die Abklingrate ("decay rate") ist langsamer als die Anstiegsrate.
Wenn die Varianz abnimmt auf den Akkumulationspegel geteilt durch einen vorbestimmten Skalierungsfaktor ((*NoiseLevel).variance<(*NoiseLevel).accum[0]>>3? im Schritt E), wird angenommen, daß die aktuelle Akkumulation Teil eines Rauschsegmentes ist. Dieser Faktor (>>3=8 im Schritt E) wurde gewählt nach einem Vergleich des Verhältnisses zwischen unterschiedlichen Rauschpegeln und entsprechenden Varianzen der Akkumulationen.
Wenn entschieden wird, daß die Akkumulation Rauschen ist (Schritt F), wird der Rauschpegel berechnet/aktualisiert mit einem Abklingverhältnis von 8 (d. h. >>3 im Schritt F). Für andere Anwendungsbeispiele kann ein anderes Abklingverhältnis als 8 gewählt werden.
In dem Fall, wenn der Rauschpegel größer ist als die Akkumulation, wird der Rauschpegel zurückgesetzt auf den aktuellen Akkumulationswert (Schritt G). Dies dient dazu, zu gewährleisten, daß der Rauschpegelkalkulator in Richtung hin zu dem geringstmöglichen Rauschpegel vorgespannt wird.
Schließlich werden einige Variablen für das nächste Akkumulationsfenster neu initialisiert (Schritt H).
Es ist anzumerken, daß der Rauschpegel für das Signal ein mit einem Faktor von 0,013 multipliziert wird (welcher Wert 3, 3/256 ist, wobei 256 die Fenstergröße ist), bevor er mit einem aktuellen Abtastwert verglichen wird. Für das Signal Rin_line wird der Rauschpegel mit einem Faktor von 0,2 multipliziert (50/256), welcher Wert sich auf der hohen Seite für die Rauschschwelle befindet.
Alternativen und Abwandlungen der Erfindung sind möglich. Beispielsweise können Realenergieberechnungen verwendet werden anstelle des Nehmens des Absolutwertes der Abtastwerte im Schritt B, es können unterschiedliche Fenstergrößen verwendet werden, und zum Aktualisieren der Varianz können unterschiedliche Anstiegs- und Abklingraten spezifiziert werden (Schritt E). Ferner wird erwogen, den Algorithmus der vorliegenden Erfindung dazu anzuwenden, Sprache zu erkennen (d. h. das Nicht-Vorhandensein von Rauschen), und anzuwenden auf den Betrieb eines komfortablen Rauschgenerators zur Gesprächspausenunterdrückung. Es wird angenommen, daß sich sämtliche derartigen alternativen Ausführungsformen und Anwendungsbeispiele im Schutzbereich der Erfindung befinden, wie er durch die hieran angefügten Ansprüche definiert ist.

Claims

1. Verfahren zum Berechnen eines Rauschpegels in einem Signal, mit den Schritten:
Akkumulieren von zwei Abtastfenstern des Signals;
Berechnen der Energie des Signals innerhalb von jedem der Abtastfenster;
Berechnen der Differenz der Energien des Signals innerhalb von jedem der Abtastfenster;
Aktualisieren eines Varianzparameters auf der Grundlage der Differenz;
für den Fall, daß der Varianzparameter kleiner ist als ein vorbestimmtes Vielfaches der Energie des Signals innerhalb eines jüngsten Abtastfensters der Abtastfenster, Anzeigen des Vorhandenseins von Rauschen und Einstellen eines Rauschpegelparameters als eine Funktion der Energie des Signals innerhalb des jüngsten Abtastfensters der Abtastfenster, und für den Fall, daß der Varianzparameter größer oder gleich dem vorbestimmten Vielfachen der Energie des Signals innerhalb des jüngsten Abtastfensters der Abtastfenster ist, Anzeigen des Nicht-Vorhandenseins von Rauschen in dem jüngsten Abtastfenster der Abtastfenster; und
für den Fall, daß der Rauschpegelparameter die Energie des Signals innerhalb des jüngsten Abtastfensters der Abtastfenster überschreitet, Einstellen des Rauschpegelparameters gleich der Energie des Signals innerhalb des jüngsten Abtastfensters der Abtastfenster.

2. Verfahren nach Anspruch 1, mit den weiteren Schritten, zwei aufeinanderfolgende Abtastfenster der Abtastfenster zu Beginn und bei jedem darauffolgenden ersten Abtastfenster der zwei aufeinanderfolgenden Abtastfenster zu verwerfen, das eine vorbestimmte Maximalenergie überschreitet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Aktualisierens des Varianzparameters ferner die Schritte aufweist:
Vergleichen des Varianzparameters mit der Differenz in der Energie des Signals innerhalb von jedem der Abtastfenster und Einstellen des Varianzparameters auf den gewichteten Mittelwert der Differenz und eines vorhergehenden Wertes des Varianzparameters; und
für den Fall, daß der Varianzparameter größer ist als die Differenz, Einstellen des Varianzparameters mit einem vorbestimmten Abklingverhältnis, und für den Fall, daß der Varianzparameter kleiner oder gleich der Differenz ist, Einstellen des Varianzparameters mit einem vorbestimmten Anstiegsverhältnis.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Einstellens des Rauschpegelparameters als eine Funktion der Energie des Signals innerhalb des jüngsten Abtastfensters der Abtastfenster ferner den Schritt aufweist, den Rauschpegelparameter auf den gewichteten Mittelwert der Energie des Signals innerhalb des jüngsten Abtastfensters der Abtastfenster und eines vorhergehenden Wertes des Rauschpegelparameters einzustellen.