DE19525382B4

DE19525382B4 - Verfahren zur Steuerung der Schrittweite eines Echokompensators mit adaptivem Filter

Info

Publication number: DE19525382B4
Application number: DE1995125382
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. Taege
Original assignee: Deutsche Telekom AG
Current assignee: Deutsche Telekom AG
Priority date: 1995-07-12
Filing date: 1995-07-12
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2015-07-13
Also published as: DE19525382A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung der Schrittweite eines Echokompensators mit adaptivem Filter, dessen Koeffizienten durch den NLMS-Algorithmus automatisch angepaßt werden und bei dem die optimale Schrittweite aus dem Quotienten der Schätzwerte für die Streuung des Eingangssignals und des gestörten Fehlers aus der Beziehung

abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Faktor g ^(k) dadurch bestimmt wird, daß
– in jedem Abtasttakt der Quotient aus den Schätzwerten für die Streuung des Eingangssignals und des gestörten Fehlers nach der Beziehung

ermittelt wird, wobei gilt, ist q(k) kleiner als der bisher gespeicherte Wert g ^(k – 1), dann wird g ^(k) = q(k) gesetzt,
– mittels eines Intervallzählers eine Pegelbewertung durchgeführt wird, bei der die Zahl der Abtastungen, gezählt wird, bei denen der Eingangspegel bzw. die quadrierte Norm des Eingangsvektors die Schwelle S, überschreitet, wobei die Schwelle S als ein Bruchteil des Spitzenwertes des Eingangspegels definiert ist, und daß bei Überschreitung der Schwelle S g₁(k) =...

Description

Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft die Steuerung der Schrittweite bei einem Echokompensator mit einem FIR-Filter, dessen Koeffizienten durch den NLMS-Algorithmus automatisch angepaßt werden.

Ein Echokompensator der genannten Art ist in dem Zeitschriftenaufsatz S.Yamamoto, S.Kitayama, Trans. of the IECE of Japan, Vol. E 65, No. 1, Jan. 1982, S.1-8 beschrieben. Für die optimale Größe des Schrittweitenfaktors wird der Ausdruck

angegeben. σ_x ist die Streuung des Eingangssignals. Die nicht direkt meßbare Streuung der Störung, σ_n, wird mittels eines zweiten adaptiv eingestellten Filters geschätzt. Die ebenfalls nicht direkt meßbare Parameterfehlernorm ||Δh|| wird aus sogenannten Totzeitkoeffizienten (eine Reihe von Koeffizienten, die bei erfolgtem Abgleich 0 werden müssen) geschätzt.

Der Mangel dieser Lösung besteht darin, daß bei Änderungen der Parameter des Echopfades die Parameterfehlernorm falsch geschätzt wird. In der Regel ergeben sich zu kleine Schätzwerte, so daß zu kleine Werte für die Schrittweite erhalten werden. Nachteilig ist ferner, daß ein zweites adaptives Filter benötigt wird.

In dem Buch R. Frenzel, Fortschr.-Ber. VDI-Reihe 10 Nr. 228, Düsseldorf 1992 ist ein Echokompensator beschrieben, bei dem zur Bestimmung der optimalen Schrittweite von dem Zusammenhang

ausgegangen wird, den man durch Umformung aus Gl. (1) erhalten kann, wenn man die Streuung des gestörten Fehler s einführt: σ2e = σ2x ||Δh||2 + σ2n (3)

Auch hier wird die Parameterfehlernorm aus den Totzeitkoeffizienten geschätzt. Zur Verbesserung dieser Schätzung bei Parameteränderungen wird vorgeschlagen, aus den Cepstren der Ausgangssignale von Modell und System eine Größe zu gewinnen, die einerseits der Erkennung von Systemänderungen dient und andererseits eine Größe liefert, mit der die Totzeitkoeffizienten in diesem Fall neu initialisiert werden, um so die Schrittweite zu vergrößern.

Die praktische Erprobung einer derartigen Schrittweitensteuerung hat gezeigt, daß es bei Sprachsignalen sowohl mit als auch ohne Gegensprechen häufig zu Fehlentscheidungen kommt. Im Ergebnis dessen wird die Schrittweite zu groß eingestellt, so daß die Koeffizienten des adaptiven Filters eine große Streuung besitzen. Außerdem ist der numerische Aufwand für die zum Teil komplexen Berechnungen erheblich.

In dem Aufsatz T.J.Shan, T. Kailath, Adaptive Algortihms with an Automatic Gain Control Feature, IEEE Transactions on Cicuits and Systems, Vol. 35, No. 1, Jan. 1988 ist ein Echokompensator mit Schrittweitensteuerung beschrieben, bei dem die Schrittweite aus α(k + 1) = Kϛ(k) (4)mit

bestimmt wird. Der damit erhaltenen Ausdruck für ϛ(k) ist eine Schätzung für den arithmetischen Mittelwert aus einer Reihe von Kreuzkorrelationsfunktionen.

Diese besitzen in der Regel unterschiedliche Vorzeichen. Außerdem basiert der Ausdruck für die Schrittweite nicht auf dem grundlegenden Zusammenhang Gl. (1) und ist damit nicht optimal.

In der Europäischen Patentschrift EP 0 614 304 A1 wird bei einem Echokompensator die Schrittweite gemäß

berechnet. Dabei sollen die Ausdrücke E{} die quadratischen Mittelwerte bedeuten und z(k) ist das Signal am Ausgang des Echopfades. Dieser Ausdruck läßt sich ebenfalls nicht auf die Gleichung (1) zurückführen und ist damit keine Abschätzung für die optimale Schrittweite.

In der Europäischen Patentschrift EP 0 627 840 A2 ist ein Echokompensator beschrieben, bei dem aus den Verhältnissen von Signalleistungen und unter Nutzung eines zweiten adaptiven Filters erkannt werden soll, wann Gegensprache (double talk) vorliegt, um in diesem Fall die Schrittweite zu reduzieren.

Diese Schrittweitensteuerung basiert ebenfalls nicht auf dem grundlegenden Zusammenhang von Gleichung (1) und funktioniert damit auch nicht optimal.

Das Ziel der Erfindung ist es, eine Schrittweitensteuerung zu schaffen, die die erwähnten Nachteile nicht aufweist und eine möglichst gute Annäherung der Schrittweite an ihre optimale Größe gemäß Gl. (1) bzw. Gl. (2) realisiert. Daraus leitet sich die Aufgabe ab, auf möglichst direktem Wege eine Schätzung für die Parameterfehlernorm zu finden.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.
Die Schrittweite wird, wie bereits bekannt, aus dem Quotienten der Schätzwerte für die Streuung des Eingangssignals und des gestörten Fehlers ermittelt, wobei dieser Quotient mit einem Faktor g ^(k) multipliziert wird. Kernpunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Bestimmung des Faktors g ^(k). Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei insbesondere auf nichtstationäre Eingangssignale ausgerichtet.
Ausgangspunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Gleichung (2)
In jedem Abtasttakt wird der Quotient aus den Schätzwerten für die Streuung des Eingangssignals und des gestörten Fehlers ermittelt. Unbekannt ist dabei zunächst der Rauschübertragungsfaktor, der sich auch durch das Quadrat der Parameterfehlernorm ||Δh|| ausdrücken läßt.
Bei fehlender Störung kann man jedoch den Ausdruck
als Schätzwert für den Leistungsübertragungsfaktor g(k) ansehen. Bei vorhandenen Störungen und stückweise stationären Signalen ist als Schätzwert das Minimum des Ausdrucks zu verwenden.
Man bildet also in jedem Abtasttakt die Größe q(k) nach der Gleichung (7). Ist sie kleiner als der bisher gespeicherte Schätzwert g ^(k – 1) für den Leistungsübertragungsfaktor, dann wird q(k) als neuer Schätzwert angesehen, d. h. es wird gesetzt g ^(k) = q(k).
Bei Parameteränderungen steigt der Leistungsübertragungsfaktor an. Um in diesem Fall einen neuen Schätzwert zu erhalten, beobachtet man g ^ über Intervalle konstanter Länge, bei denen die Eingangsleistung groß war, und speichert das jeweils erreichte Minimum. Der Leistungsquotient q(k) wird also nur ausgewertet, wenn die Eingangsleistung groß ist. Überschreitet das Kennzeichen dafür die quadrierte Norm des Eingangsvektors eine Schwelle S, wird ein zweiter Wert g₁(k) = min(g₁(k – 1), q(k)) gespeichert und der Intervallzähler inkrementiert. Die Auswertung von g₁(k) erfolgt am Ende des Intervalls. Ist g₁(k) dann größer als der frühere Wert von g ^, kann man mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit annehmen, daß eine Parameteränderung stattgefunden hat. Da dieser Schluß auch falsch sein kann, sorgt man für einen stetigen Übergang zwischen g ^₁ und g ^ nach der Formel g ^(k) = λ g ^(k – 1) + (1 – λ)g1(k).
Am Ende des Intervalls wird ferner der Intervallzähler auf 0 gesetzt und g₁(k) wird mit einem Anfangswert g₁₀ initialisiert.
Die Entscheidung, ob der Eingangspegel groß war, wird mit einer Pegelbewertung durchgeführt. Sie ermittelt einen Schätzwert sp für den Spitzenwert des Eingangspegels nach den Bedingungen sp = x(k)||2 wenn ||x(k)||2 > sp sp = (1 – β) sp + β ||x(k)||2 wenn ||x(k)||2 < = sp (8)
Die Schwelle S wird als Bruchteil dieses Spitzenwertes S = γ < 1 gewählt.
Für die Schätzung der Leistung des Eingangssignals bestehen zwei Möglichkeiten. Zum Einen kann der Schätzwert für die Leistung des Eingangsvektors aus der quadrierten Norm des Eingangsvektors gebildet werden. Zum Anderen ist es auch möglich, daß der Schätzwert für die Leistung des Eingangssignals durch gleitende Mittelwertbildung aus den Quadraten der Abtastwerte des Eingangssignals x(k) nach der Gleichung L ⌢_x(k) = L ⌢_x(k – 1) λ + (1 – λ)x²(k) ermittelt wird.

σ: Streuung
g ⌢(k): geschätzter Leistungsübertragungsfaktor
q(k): Leistungsquotient
g₁: gespeicherter Minimalwert
g₁₀: Anfangswert für g₁
k: Zeitindex
S: Schwelle
λ: Glättungsfaktor
sp: Schätzwert für Spitzenwert
x(k): Eingangssignal
n: Störsignal
Δh: Parameterfehler
e: Fehlersignal
α: Schrittweitenfaktor
L ⌢_x(k): Schätzwert für die Leistung des
: Eingangssignals
ϛ(k): Korrelationsfaktor

Claims

Verfahren zur Steuerung der Schrittweite eines Echokompensators mit adaptivem Filter, dessen Koeffizienten durch den NLMS-Algorithmus automatisch angepaßt werden und bei dem die optimale Schrittweite aus dem Quotienten der Schätzwerte für die Streuung des Eingangssignals und des gestörten Fehlers aus der Beziehung
abgeleitet wird, dadurch gekennzeich net, daß der Faktor g ^(k) dadurch bestimmt wird, daß – in jedem Abtasttakt der Quotient aus den Schätzwerten für die Streuung des Eingangssignals und des gestörten Fehlers nach der Beziehung
ermittelt wird, wobei gilt, ist q(k) kleiner als der bisher gespeicherte Wert g ^(k – 1), dann wird g ^(k) = q(k) gesetzt, – mittels eines Intervallzählers eine Pegelbewertung durchgeführt wird, bei der die Zahl der Abtastungen, gezählt wird, bei denen der Eingangspegel bzw. die quadrierte Norm des Eingangsvektors die Schwelle S, überschreitet, wobei die Schwelle S als ein Bruchteil des Spitzenwertes des Eingangspegels definiert ist, und daß bei Überschreitung der Schwelle S g₁(k) = min(g₁(k – 1), q(k)) gesetzt und der Intervallzähler inkrementiert wird, – am Ende des Intervalls g ⌢(k) entsprechend der Beziehung g ^(k) = λ g ^(k – 1) + (1 – λ)g₁(k) gesetzt, der Intervallzähler auf 0 gesetzt und g₁(k) mit einem Anfangswert g₁₀ initialisiert wird, – in jedem Abtasttakt eine Schätzung für den Spitzenwert des Eingangspegels unter Berücksichtigung der Bedingungen sp = ||x||2 wenn ||x(k)||2 > spbzw. sp = (1 – β)sp + β ||x(k)||2 wenn ||x(k)||2 < = spgebildet wird, wobei die Schwelle dann zu s = γ sp mit γ < 1 gewählt wird.
Verfahren zur Steuerung der Schrittweite nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem Abtasttakt der Schätzwert für die Leistung des Eingangssignals aus der quadrierten Norm des Eingangsvektors gebildet wird.
Verfahren zur Steuerung der Schrittweite nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schätzwert für die Leistung des Eingangssignals durch gleitende Mittelwertbildung aus den Quadraten der Abtastwerte des Eingangssignals x(k) nach der Gleichung L ⌢_x(k) = L ⌢_x(k – 1)λ + (1 – λ)x² (k) ermittelt wird.