DE19635878A1

DE19635878A1 - Vorrichtung zur Verbesserung des Sendesignals einer Echoreduktionseinrichtung

Info

Publication number: DE19635878A1
Application number: DE1996135878
Authority: DE
Inventors: Rainer Martin; Stefan Gustafsson
Original assignee: Deutsche Telekom AG
Current assignee: Deutsche Telekom AG
Priority date: 1996-09-04
Filing date: 1996-09-04
Publication date: 1998-03-05

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verbesserung des sendeseitigen Ausgangssignals einer Echoreduktionsvorrichtung, der ein Eingangssignal zugeführt wird, das außer zu übertragenden Sprachsignalen Umgebungsgeräuschsignale enthält.

Bei Freisprecheinrichtungen entstehen akustische Echos durch die Wiedergabe der Sprachsignale des fernen Sprechers, deren Aufnahme durch das Mikrofon und deren Rückübertragung zum fernen Sprecher. Zur Vermeidung dieser Echos sind Echoreduktionseinrichtungen bekanntgeworden, die beispielsweise nach dem Prinzip der Pegelwaage arbeiten oder ein frequenzselektives Echodämpfungsfilter und einen Echokompensator enthalten. Es ist ferner die Kombination beider Prinzipien möglich.

Eine zusammenfassende Beschreibung dieser Verfahren findet sich in "E. Hänsler (1992), The Hands-Free Telephone Problem - An Annotated Bibliography, Signal Processing, Vol. 27, pp. 259-271" und in "E. Hänsler (1994), The Hands-Free Telephone Problem - An Annotated Bibliography Update, Annales des T´l´communication, Vol. 49, No. 7-8, pp. 360-367".

Diese Echoreduktionseinrichtungen bewirken eine Variation des Sendesignals, die mit einer störenden Variation von aufgenommenen Umgebungsgeräuschen verbunden ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, für einen gleichmäßigen Pegel der Umgebungsgeräusche im Sendesignal und damit für eine qualitative Verbesserung des Sendesignals zu sorgen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Ausgangssignal der Echoreduktionsvorrichtung ein Geräuschsignal überlagert wird, das an das im Eingangssignal enthaltene Umgebungsgeräuschsignal angepaßt ist. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß die Anpassung nach empfindungsbezogenen Kriterien und/oder daß die Überlagerung des Geräuschsignals durch Addition des Geräuschsignals zu dem Ausgangssignal der Echoreduktionsvorrichtung erfolgt.

Neben der beschriebenen Qualitätsverbesserung besteht ein weiterer Vorteil der Erfindung darin, daß die nach der Echoreduktionsvorrichtung nicht beseitigten Restechos von dem überlagerten Geräusch verdeckt werden und damit nicht mehr hörbar sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann im Zusammenhang mit akustischen und/oder mit elektrischen Echos eingesetzt werden.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, daß das dem Ausgangssignal zu überlagernde Geräuschsignal ein weißes Rauschen oder ein farbiges Rauschen darstellt.

Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß die spektrale Leistungsdichte des Geräuschsignals adaptiv der spektralen Leistungsdichte des Umgebungsgeräuschsignals angepaßt wird. Diese Anpassung kann vorzugsweise dadurch erfolgen, daß die spektrale Leistungsdichte des Umgebungsgeräuschsignals während einer Sprachpause des nahen und/oder des fernen Sprechers bestimmt wird. Mit dieser einfach zu realisierenden Weiterbildung kann bereits bei leichten rauschartigen Störungen des Eingangssignals der Echoreduktionseinrichtung eine Verbesserung der Qualität erzielt werden.

Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß die spektrale Leistungsdichte des dem Ausgangssignal überlagerten Geräuschsignals spektral und in der Gesamtleistung der Echodämpfung der Echoreduktionsvorrichtung angepaßt wird, so daß nach der Überlagerung insgesamt ein zeitlich gleichförmiges Ausgangsgeräuschsignal resultiert. Diese Weiterbildung ist besonders vorteilhaft bei stärkeren Umgebungsgeräuschen, wie sie beispielsweise bei der mobilen Kommunikation in einem Kraftfahrzeug auftreten können.

Eine unerwünschte Störwirkung des überlagerten Geräuschsignals und der eingangs erwähnten Variation der Umgebungsgeräuschsignale im Ausgangssignal der Echoreduktionseinrichtung kann dadurch vermieden werden, daß die Leistung des zu überlagernden Geräuschsignals so gesteuert wird, daß die Leistung des Ausgangsgeräuschsignals etwa der Leistung des Umgebungsgeräuschsignals entspricht.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß zur Berechnung des zu überlagernden Geräuschsignals ein Verfahren nach dem Prinzip der linearen Prädiktion eingesetzt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels, wobei die Echoreduktionseinrichtung als Pegelwaage ausgebildet ist, und

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels mit einem frequenzselektiven Echodämpfungsfilter und einem Echokompensator.

Bei einer bekannten Echoreduktionseinrichtung, wie sie im Zusammenhang mit einer Freisprecheinrichtung zur Bedämpfung akustischer Echos eingesetzt wird, wird das empfangene abgetastete Signal x(k) (k bezeichnet den zeitlichen Index der Abtastwerte) bei 3 in die Echoreduktionseinrichtung 21 (Fig. 1), 22 (Fig. 2) eingespeist und als Lautsprechersignal x′(k) zum Lautsprecher 1 geführt. Dort wird es über den Raum als Echosignal d(k) in das Mikrofon 2 rückgekoppelt und zusammen mit dem Sprachsignal s(k) des nahen Sprechers und den Umgebungsgeräuschen n(k) als Mikrofonsignal y(k) der Echoreduktionseinrichtung zugeführt. Die Echoreduktionseinrichtung erzeugt das Sendesignal sd(k), das weitgehend vom Echo d(k) befreit sein sollte und am Ausgang 4 zur Übertragung zur Verfügung steht.

Die Echoreduktionseinrichtung kann aber auch zur Bedämpfung elektrischer (Leitungs-)Echos eingesetzt werden. In diesem Fall ist das empfangene Signal x(k) mit Leitungsechos behaftet, die in der Echoreduktionseinrichtung beseitigt werden müssen.

Damit beim Einsatz einer Freisprecheinrichtung bei akustischen Umgebungsgeräuschen n(k) das Sendesignal subjektiv angenehm klingt, wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung dafür gesorgt, daß der Pegel der übertragenen Umgebungsgeräusche n(k) im Sendesignal sd(k) nicht zu stark variiert.

Das Prinzip der Pegelwaage beruht darauf, Dämpfungsglieder 6, 7 (Fig. 1) in den Sendezweig und in den Empfangszweig der Echoreduktionseinrichtung 21 einzubringen, die immer dann dämpfen, wenn ein Echosignal vorhanden ist. Einer Steuereinrichtung 5 für die Pegelwaage werden das empfangene Signal x(k) und das Mikrofonsignal y(k) zugeführt. Auf diesem Wege wird eine Rückkopplung des Echosignals in das Sendesignal sd(k) vermieden. Wenn nun das Mikrofonsignal bzw. das nahe Eingangssignal y(k) der Echoreduktionseinrichtung mit Umgebungsgeräuschen behaftet ist, werden diese immer dann, wenn das Echo bedämpft wird, ebenfalls bedämpft, so daß das Sendesignal sd(k) unter Umständen ein mehr oder weniger stark fluktuierendes Umgebungsgeräusch beinhaltet. Je nach der Leistung des Umgebungsgeräusches und der Stärke dieser Fluktuationen kann diese Modulation des Umgebungsgeräusches sehr störend sein.

Wenn die Signaldämpfung der Echoreduktionseinrichtung mit δ angegeben werden kann und die Leistung des nahen Umgebungsgeräuschsignals σ²_n beträgt, so berechnet sich die Leistung σ²_nc des zum Signal sd(k) zu addierenden Rauschens nc(k) zu σ²_nc = σ²_n(1-δ²). Die Dämpfung 6 der Echoreduktionseinrichtung wird von der Steuereinrichtung 5 abgeleitet. Die Leistung σ²_n des nahen Umgebungsgeräusches kann in Sprachpausen des nahen Sprechers bestimmt werden. Mit diesem einfachen Verfahren kann bereits bei leichten rauschartigen Störungen des Eingangssignals der Echoreduktionseinrichtung eine Verbesserung der Qualität erzielt werden.

Bei stärkeren Störgeräuschen, wie sie z. B. in der mobilen Kommunikation in einem Kraftfahrzeug auftreten können, empfiehlt es sich, das zu überlagernde Störgeräusch so zu erzeugen, daß es im Leistungsdichtespektrum dem am Eingang der Echoreduktionseinrichtung anliegendem Geräusch ähnelt.

Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, indem die spektrale Einhüllende des Eingangssignals der Echoreduktionseinrichtung während einer Sprachpause, also dann, wenn nur das Umgebungsgeräusch anliegt, mit Hilfe einer Linearen Prädiktiven Analyse (LPC-Analyse), wie sie auch in den meisten Verfahren der Sprachcodierung eingesetzt wird, bestimmt wird. Hier eignet sich z. B. die LPC-Analyse wie sie im ITU (ehemals CCITT) Standard G.728 ("CCITT Recommendation G.728, Coding of speech at 16 kbit/s using low-delay code excited linear prediction, ITU, September 1992, Geneva, 1972") beschrieben ist. Während der Sprachaktivität kann dann mit Hilfe der in den Sprachpausen gewonnenen LPC-Koeffizienten und einer LPC-Synthesefilterung aus einem weißen Rauschsignal ein Signal adaptiv erzeugt werden, dessen spektrale Einhüllende der spektralen Einhüllenden des Umgebungsgeräusches ähnlich ist. Die Leistung des Signals wird dann wie oben der Leistung des Umgebungsgeräuschs und der Dämpfung der Echoreduktionseinrichtung angepaßt.

Dieses erfolgt bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 dadurch, daß das nahe Eingangssignal y(k) einer Einrichtung 8 zur Bestimmung der Koeffizienten eines spektralen Formfilters 9, beispielsweise durch LPC-Analyse, und der Leistung des Umgebungsgeräusches zugeführt wird. An den Eingang des spektralen Formfilters 9 ist ein Rauschgenerator 10 mit vorgegebener Leistung und vorgegebener spektraler Verteilung (beispielsweise weißes Rauschen) angeschlossen. Das gefilterte Rauschsignal wird über einen Multiplizierer 11 einem Addierer 12, dessen Ausgangssignal mit sdd(k) bezeichnet ist, zugeleitet. In einer Einrichtung 13 wird ein Multiplikator derart bestimmt, daß die Gleichung

σ²_nc = σ²_n(1-δ²)

erfüllt ist.

Zusätzlicher Aufwand ist erforderlich, wenn die Echoreduktionseinrichtung das Eingangssignal frequenzabhängig bedämpft. In diesem Fall wird das zu überlagernde Geräusch nicht wie oben mit dem Faktor (1-δ²) an die Echodämpfung angepaßt, sondern mit einem Filter gefiltert, dessen Betragsfrequenzgang | (Ω),k)| durch

|(Ω),k)|² = 1 - |H(Ω),k)|²

oder durch

|(Ω),k)| = |e^-j(NH^-1)/2 - H(Ω,k)|

spezifiziert ist, wobei |H(Ω,k)| den Betragsfrequenzgang der Echodämpfung und N_H die Anzahl der Koeffizienten des Filters mit dem Betragsfrequenzgang |H(Ω,k)| bezeichnet.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 enthält die Echoreduktionseinrichtung 22 einen Echokompensator 14, ein Filter für frequenzselektive Echoreduktion 15 und eine Steuereinrichtung 16 sowie einen Subtrahierer 17. Wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird das nahe Eingangssignal y(k) einer Einrichtung 8 zur Bestimmung der Koeffizienten des spektralen Formfilters 9 zugeleitet. Das vom spektralen Formfilter 9 gefilterte Signal des Rauschgenerators 10 wird bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 einem Filter mit dem Frequenzgang entsprechend den Gleichungen

|(Ω),k)|² = 1 - |H(Ω),k)|²

oder

|(Ω),k)| = |e^-j(NH^-1)/2 - H(Ω,k)|

zugeführt. Die für diesen Frequenzgang erforderlichen Koeffizienten werden in einem Koeffizientenrechner 18 berechnet, wobei vorzugsweise eine Normierung der Rauschleistung des Generators 10 auf eins erfolgt. Der Koeffizientenrechner 18 erhält die gleichen Steuersignale wie das Filter 15 für die frequenzselektive Echoreduktion.

Claims

1. Vorrichtung zur Verbesserung des sendeseitigen Ausgangssignals einer Echoreduktionsvorrichtung, der ein Eingangssignal zugeführt wird, das außer zu übertragenden Sprachsignalen Umgebungsgeräuschsignale enthält, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ausgangssignal der Echoreduktionsvorrichtung ein Geräuschsignal überlagert wird, das an das im Eingangssignal enthaltene Umgebungsgeräuschsignal angepaßt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassung nach empfindungsbezogenen Kriterien erfolgt.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlagerung des Geräuschsignals durch Addition des Geräuschsignals zu dem Ausgangssignal der Echoreduktionsvorrichtung erfolgt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Geräuschsignal ein weißes Rauschen darstellt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Geräuschsignal ein farbiges Rauschen darstellt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die spektrale Leistungsdichte des Geräuschsignals adaptiv der spektralen Leistungsdichte des Umgebungsgeräuschsignals angepaßt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die spektrale Leistungsdichte des Umgebungsgeräuschsignals während einer Sprachpause des nahen und/oder des fernen Sprechers bestimmt wird.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die spektrale Leistungsdichte des dem Ausgangssignal überlagerten Geräuschsignals spektral und in der Gesamtleistung der Echodämpfung der Echoreduktionsvorrichtung angepaßt wird, so daß nach der Überlagerung insgesamt ein zeitlich gleichförmiges Ausgangsgeräuschsignal resultiert.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung des zu überlagernden Geräuschsignals so gesteuert wird, daß die Leistung des Ausgangsgeräuschsignals etwa der Leistung des Umgebungsgeräuschsignals entspricht.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berechnung des zu überlagernden Geräuschsignals ein Verfahren nach dem Prinzip der linearen Prädiktion eingesetzt wird.