DE19947682A1 - Nullverzögerungs-Struktur zur Subband-Echokompensation, Echokompensation und Verfahren zur Echokompensation - Google Patents

Abstract

Es wird bei Subband-Echokompensationssystemen eine Nullverzögerungs-Struktur verwendet. In Telekommunikationsanwendungen wird bei der Subband-Zerlegung und/oder Subband-Rekonstruktion gewöhnlich eine Verzögerung eingeführt. Die Erfindung soll dies vermeiden. Die Struktur entfernt nicht nur die Verzögerung. Die Struktur beeinträchtigt auch nicht die Leistungsfähigkeit des Echokompensators. Die Struktur kann verwendet werden in Kombination mit jedem Subband-basierten Echokompensator oder Wavelet-Echokompensator (Fig. 2).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft generell das Gebiet der Echokompensation in Telekommunikationsanwendungen und betrifft insbesondere eine Nullverzögerungs-Topologie zur Subband-Echo­ kompensation bzw. -auslöschung. Eine Nullverzögerungs-Struktur, die mittels dieser Topologie erzeugt wird, kann in jeden belie­ bigen Subband- oder Wavelet-Echokompensator eingebaut werden, um zu gewährleisten, daß sämtliche Verzögerungen entfernt wer­ den, die während täglicher Telefongespräche (oder Telekommuni­ kationsaktivitäten) auftreten.

Ein Echo ist ein Phänomen, bei dem eine verzögerte und verzerr­ te Version eines Originalsignals zur Quelle zurück reflektiert wird. Generell werden Echos durch die Reflexion von Signalen an den Grenzen von Diskontinuitäten in dem Übertragungsmedium her­ vorgerufen. Bei der Transmission von Telefonsignalen tritt ein Echo immer dann auf, wenn das gesendete Signal in der Schaltung eine Impedanz-Fehlanpassung erfährt. Solche Echos rufen eine Verschlechterung der Güte der Sprachsignale hervor und sind für die Anwender häufig nachteilig.

Netzwerk-Echokompensatoren sind Vorrichtungen, die dazu ausge­ legt sind, diese unerwünschten Echos bei Telefonübertragungen zu entfernen. Das grundlegende Konzept eines Echokompensators besteht darin, eine Kopie des Echos zu synthetisieren und diese von dem empfangenen Gesamtsignal zu subtrahieren. Ein wirksamer Algorithmus, um den abgeschätzten Echopfad zu erhalten, ist der adaptive Algorithmus der kleinsten Fehlerquadrate ("Least Mean Square" (LMS)).

Wenn die Echodauer lang ist (400-500 ms), wie bei Ferngesprä­ chen oder bei Telefonen mit Freisprecheinrichtung in einem Kon­ ferenzraum, nimmt die Anzahl der Taps (Abgriffe) in dem adapti­ ven Algorithmus proportional zu, und die Konvergenzrate wird signifikant langsamer. Sogar noch schlimmer ist, daß der Algo­ rithmus möglicherweise nicht in der Lage ist, Echos hinreichend zu entfernen, um ein Sprachsignal guter Qualität zu erhalten. Um diese Schwierigkeit zu überwinden, sind das Subband-Filter­ schema und, in jüngerer Zeit, das Wavelet-Zerlegungsschema vor­ geschlagen worden. Die Zerlegung des Signals kann die Rechen­ komplexität verringern und kann unter Verwendung der sub- bzw. unter-abgetasteten Signale die Adaptionsgeschwindigkeit stei­ gern. Bei der Zerlegung in M Subbänder wird die Länge des adap­ tiven Filters um einen Faktor von M in jeder Subband-Ebene re­ duziert. Die Subband-Zerlegung ist der Prozeß des Abwärts- Abtastens ("down-sampling"), das Verfahren des Verringerns oder Dezimierens einer Abtastrate, und das Aufteilen eines Bandes eines Signals in einige Frequenzbänder. Aufgrund der Abwärts- Abtastungs-Prozedur kann der adaptive Algorithmus ferner mit einer Rate implementiert werden, die M-fach langsamer ist als die Originalrate. Im Ergebnis ist die Rechenkomplexität verrin­ gert und die Konvergenzrate verbessert.

Die grundlegende Struktur eines Subband-Echokompensators ist in Fig. 1 gezeigt, wobei die Signalzerlegung und -rekonstruktion mit jeder Filterbank, jeder Blocktransformation oder Wavelet- Zerlegung implementiert werden könnten. Unabhängig davon, wel­ che Verfahren verwendet werden, können die Signalzerlegung und -rekonstruktion immer äquivalent ausgedrückt werden durch einen Satz von FIR-Filterbänken (Finite Impulse Response), die die Bedingungen einer perfekten Rekonstruktion erfüllen (PR-Bedin­ gungen, "Perfect Reconstruction"). Sowohl das Echosignal als auch das Referenzsignal werden durch einen separaten Satz von Zerlegungs-Filterbänken geleitet und werden dann abwärts­ abgetastet. Der adaptive Algorithmus wird auf der unter­ abgetasteten Ebene bei einer verringerten Berechnungsrate aus­ geführt. Dann werden die Echo-Restsignale in unterschiedlichen Subbändern durch das Rekonstruktionsfilter zurückgeleitet, um am entfernten Ende ein Echo-reduziertes Sprachsignal zurückzu­ gewinnen.

Das Problem bei dem Subband-Echokompensator besteht darin, daß dann, wenn das Signal am fernen Ende durch die Verlegungs- und Rekonstruktions-Filterbänke geht, eine Verzögerung erzeugt wird. Diese Verzögerung kann minimiert werden, wenn man die PR- Filterbänke sorgfältig konstruiert, kann jedoch nicht vollstän­ dig eliminiert werden. Ferner ist es bei der Konstruktion der Filterbank so, daß dann, wenn man die Verzögerung in Betracht zieht, dies auf Kosten der Leistungsfähigkeit der Echokompensa­ tion geht, da eine PR-Filterbank mit minimaler Verzögerung hin­ sichtlich der Echokompensation nicht die beste Leitungsfähig­ keit haben muß.

Das Vorhandensein der Verzögerung bei der Subband-Echokompen­ sation schränkt deren Anwendungsgebiete ein. Bei der Sprach­ übertragung ist es für die Anwender immer von Vorteil, wenn die in die Echokompensation eingeführte Verzögerung null ist, wo­ durch die Übertragungsverzögerung der Sprache von einem Ende zum anderen minimiert wird.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Struktur anzugeben, mittels derer sämtliche Verzögerungen von Subband- Echokompensationsaktivitäten entfernt werden. Ferner ist es eine Aufgabe, einen Echokompensator und ein Verfahren zur Echo­ kompensation anzugeben.

Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben gelöst durch die Gegen­ stände der Ansprüche 1, 2 und 5.

Es ist eine Nullverzögerungs-Struktur entwickelt worden, der­ art, daß die bei der Subband-Zerlegung und -Rekonstruktion ein­ geführte Verzögerung eliminiert wird, ohne daß dies auf Kosten der Leistungsfähigkeit der Echokompensation geht. Diese Struk­ tur kann in Verbindung mit jedem beliebigen Subband-basierten Echokompensator oder Wavelet-Echokompensator verwendet werden.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach­ stehend 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 zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines allgemeinen Subband- Echokompensators des Standes der Technik; und

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Nullverzögerungs-Struktur.

Fig. 1 zeigt, wie eine Verzögerung in einem Subband-Echokompen­ sator hervorgerufen wird durch Subband-Zerlegung und -Rekon­ struktion, und wie diese Verzögerung einen festgelegten Wert darstellt, in Abhängigkeit von der verwendeten Filterbank. Die Verzögerung sei gleich N Abtastpunkten. Nach der Subband- Zerlegung und der darauffolgenden Abwärts-Abtastungsprozedur enthält die Verzögerung auf der Subband-Ebene weniger Abtast­ punkte. In jedem Subband beträgt die äquivalente Verzögerung angenähert N/M, wobei M die Anzahl der Subbänder ist.

Wenn man das K-te Subband betrachtet, konvergiert ein LMS- Filter auf {h_k(n)}, und eine Faltung eines Referenzsignals im k-ten Subband mit {h_k(n)} gibt eine Echokopie in dem Subband mit einer Verzögerung von N/M Abtastwerten aus. Die Nullverzö­ gerungs-Echokopie kann erhalten werden, indem man das Referenz­ signal faltet mit {h_k(n+N/M)}. Die obige Prozedur vermittelt, daß die Verzögerung kompensiert werden kann, indem man das Fil­ ter {h_k(n)} vorab-übersendet bzw. weiterleitet ("pre-forward­ ing"), und zwar mit N/M Abtastwerten. Bei einem generellen kau­ salen Filter {h_k(n)} ist {h_k(n+N/M)} jedoch ein nicht reali­ sierbares nicht-kausales Filter. Ein Subband-Echokompensator mit Nullverzögerung ist in Fig. 2 gezeigt, wobei ein Vorwärts­ filter-Block einen kausalen Teil des Vorwärtsfilters darstellt, d. h.

Anmerkung: Das Vorwärtsfilter gibt einen Ausgang im Vergleich zum Ausgang des Originalfilters früher aus.

Wenn das Referenzsignal mit dem kausalen Vorwärtsfilter in je­ der Subband-Ebene gefaltet wird ("convolved"), ergibt der Aus­ gang der Filterbank-Rekonstruktion die Echokopie ohne Verzöge­ rung. In {h f|k(N)} sind die ersten N/M-Koeffizienten von {h_k(n)} jedoch nicht vorhanden bzw. werden verfehlt. In äquivalenter Weise gehen die ersten N-Koeffizienten in dem Originalechopfad verloren. Diese Koeffizienten können mit dem LMS-Filter außer­ halb der Subband-Rekonstruktion kompensiert werden. Die Sub­ band-Rekonstruktion ist der Prozeß des Aufwärtsabtastens, der Prozeß des Steigerns einer Abtastrate eines Signals durch das Einfügen von Nullen und das "Anti-Image"-Filtern, und des Re­ kombinierens des Subband-Signals, um das Originalsignal zurück­ zuerzeugen. Die allgemeine Anforderung an Zerlegung und Rekon­ struktion besteht darin, daß das Originalsignal nach der Rekon­ struktionsprozedur zurückerzeugt werden sollte, ohne Verzerrun­ gen oder Schwächungen des Signals.

In Fig. 2 ist eine solche Nullverzögerung-Topologie gezeigt. Das Eingangssignal wird entweder über ein Mikrofon 11 und/oder einen Lautsprecher eingegeben. In der Folge durchläuft es einen A/D-Wandler 15. Das Signal bzw. die Signale werden dann Sub­ band-zerlegt 17 und abwärtsabgetastet, bevor sie einem LMS- Filter 23 zugeführt werden. Das LMS-Filter 23 bildet gemeinsam mit einem Vorwärts-Filter 25 eine Kombination, um ein adaptives Filter zu bilden. Das Ergebnis hiervon ist, daß ein abgeschätz­ tes Nullverzögerungs-Echo erzeugt wird.

Das abgeschätzte Nullverzögerungs-Echo wird dann rekonstruiert 27 und von dem Eingangssignal subtrahiert 29. Ein externes LMS- Filter 31 wird der Struktur hinzugefügt, um das verbleibende Echo auszulöschen, das durch die ersten N-Koeffizienten in dem Echopfad hervorgerufen wird. Das Ergebnis hiervon wird durch einen D/A-Wandler 35 geführt und am anderen Ende (Lautsprecher 13) ausgegeben. Das ankommende Sprachsignal liegt vor ohne Ver­ zögerung. Wenn man die Länge der Filter sowohl bei der Subband- Zerlegung 17 als auch bei der Subband-Rekonstruktion 27 in Be­ tracht zieht, wird in diesem Zusammenhang vorgeschlagen, daß dem externen LMS-Filter für eine bessere Leistungsfähigkeit ein wenig mehr als N Wichtungen zugewiesen werden.

Am fernen Ende (Lautsprecher 13) wird das Signal analog/digi­ tal-gewandelt 19. Das so erhaltene digitale Signal wird einer­ seits dem externen LMS-Filter 31 zugeführt, andererseits weite­ ren Mitteln 21 zur Zerlegung in Teilbänder. Der Ausgang der weiteren Zerlegungsmittel 21 wird dem LMS-Filter 23 und dem Vorwärtsfilter 25 zugeführt.

Claims (6)

1. Nullverzögerungs-Struktur zum Eliminieren sämtlicher Ver­ zögerungen, die bei einer Subband-Echokompensation ausge­ löst werden, gekennzeichnet durch:
erste Subband-Zerlegungsmittel (21), um ein digitales Echosignal bandmäßig in einige Frequenzbänder aufzuteilen und abwärts-abzutasten;
zweite Subband-Zerlegungsmittel (17), um ein digitales Re­ ferenzsignal in einige Frequenzbänder bandmäßig aufzu­ teilen und abwärts-abzutasten;
ein LMS-Filter (23), das das zerlegte digitale Referenz­ signal und das zerlegte digitale Echosignal empfängt, um deren abgeschätzte Echopfade zu erhalten;
ein Vorwärtsfilter (25), um das zerlegte digitale Refe­ renzsignal und das LMS-Signal zu empfangen und deren Signale zeitlich früher auszugeben, so daß eine Verzöge­ rung vermieden wird;
Subband-Rekonstruktionsmittel (27), um das vom Vorwärts­ filter (25) ausgegebene Signal aufwärts-abzutasten und zu rekombinieren, um die digitalen Signale ohne Verzögerung zurückzuerzeugen; und
Additions- und Subtraktions-Mittel (29, 33), um das rekon­ struierte Signal von dem digitalen Echosignal zu subtra­ hieren.

2. Echo-Kompensator, mit:

• 1. A/D- und D/A-Wandlern; und
• 2. adaptiven Kanalabschätzungs-Mitteln;

gekennzeichnet durch
eine Nullverzögerungs-Struktur zum Eliminieren sämtlicher Verzögerungen, die während einer Subband-Echokompensation ausgelöst werden.

3. Echokompensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensator ein Subband- oder Wavelet-Echokompen­ sator ist.

4. Echokompensator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Nullverzögerungs-Struktur eine Null­ verzögerungs-Struktur nach Anspruch 1 ist.

5. Verfahren zum Auslöschen von Verzögerungen, die während der Subband-Echokompensation ausgelöst werden, gekenn­ zeichnet durch die Schritte:
Subband-Zerlegen und Abwärts-Abtasten eines digitalen Echosignals in einige Frequenzbänder;
Subband-Zerlegen und Abwärts-Abtasten eines digitalen Re­ ferenzsignals in einige Frequenzbänder;
LMS-Filtern des zerlegten digitalen Referenzsignals und des zerlegten digitalen Echosignals, um deren abgeschätzte Echopfade zu erhalten;
Vorwärts-Filtern des zerlegten digitalen Referenzsignals und des Ausgangssignals der LMS-Filterung, so daß deren Signale zeitlich eher ausgegeben werden, so daß eine Ver­ zögerung vermieden wird;
Subband-Rekonstruieren und Aufwärts-Abtasten des von dem Vorwärtsfilter ausgegebenen Signals, um die digitalen Signale ohne Verzögerung zurückzuerzeugen; und
Subtrahieren des so rekonstruierten Signals von dem digi­ talen Echosignal.