DE19947682B4

DE19947682B4 - Nullverzögerungs-Struktur zur Subband-Echokompensation, Echokompensation und Verfahren zur Echokompensation

Info

Publication number: DE19947682B4
Application number: DE19947682A
Authority: DE
Inventors: Qu Kanata Jin; Kon Max Dundas Wong; Quiang Covallis Wu; Philippe Nepean Wu; Gordon J. Reesor
Original assignee: Zarlink Semoconductor Inc
Current assignee: Microsemi Semiconductor ULC
Priority date: 1998-10-07
Filing date: 1999-10-05
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2019-10-06
Also published as: GB9821866D0; JP2000134138A; DE19947682A1; GB2342549B; CA2285137A1; FR2787952B1; KR20000028888A; GB2342549A; FR2787952A1; US6661895B1

Abstract

Nullverzögerungs-Struktur zum Eliminieren von Verzögerungen, die bei einer Subband-Echokompensation ausgelöst 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 Referenzsignal in einige Frequenzbänder bandmäßig aufzuteilen und abwärts-abzutasten;
ein erstes LMS-Filter (23), das das zerlegte digitale Referenzsignal und das zerlegte digitale Echosignal empfängt und in Reaktion ein LMS-Signal erzeugt, das hierzu abgeschätzte Echopfade repräsentiert;
ein Vorwärtsfilter (25), um das zerlegte digitale Referenzsignal und das LMS-Signal zeitlich früher zu empfangen und auszugeben, wodurch die Verzögerungen, die während einer Subband-Echokompensation ausgelöst werden und sich von einer Verzögerung aufgrund eines anfänglichen Teils der Echopfade unterscheiden, eliminiert werden;
Subband-Rekonstruktionsmittel (27), um das vom Vorwärtsfilter (25) ausgegebene Signal aufwärts-abzutasten und zu rekombinieren, wodurch die digitalen Signale lediglich mit einer Verzögerung aufgrund des anfänglichen Teils der Echopfade erzeugt werden;
ein weiteres LMS-Filter (31), um die Verzögerung aufgrund...

Description

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

Das Dokument DE 694 10 322 T2 mit dem Titel „Adaptives Subbandfilter mit geringer Verzögerung" offenbart eine Nullverzögerungsstruktur bzw. einen Echokompensator mit einer Nullverzögerungsstruktur zum Eliminieren von Verzögerungen, die bei einer Subband-Echokompensation ausgelöst werden.

Die DE 694 10 322 T2 offenbart ein adaptives Subbandfilter, welches die rechnerischen Vorteile und die Vorteile hinsichtlich einer Konvergenzgeschwindigkeit einer Subbandverarbeitung beibehält, während eine Verzögerung in dem Signalpfad eliminiert wird. Ein Referenzsignal und ein Restfehlersignal werden jeweils in eine Vielzahl von Subband-Signale zerlegt, und ein Satz adaptiver Gewichtungskoeffizienten wird für jedes dieser Subbänder durch eine herkömmliche komplexe LMS-Technik erzeugt. Diese Sätze aus Subband-Gewichtungskoeffizienten werden dann im Frequenzbereich transformiert, gespeichert und umgekehrt zurücktransformiert in den Zeitbereich, um Breitband-Filterkoeffizienten für ein programmierbares Filter zu erhalten. Das Referenzsignal, welches mit dem zu eliminierenden Störungssignal korreliert ist, wird durch dieses programmierbare Filter gefiltert, um ein Störungsschätzsignal zu erzeugen, welches von dem Signal, das die Störung beinhaltet, subtrahiert werden kann. Dieser Vorgang wiederholt sich, um das Restfehlersignal zu minimieren und dadurch die Störung zu reduzieren.

Ein Echo ist ein Phänomen, bei dem eine verzögerte und verzerrte Version eines Originalsignals zur Quelle zurück reflektiert wird. Generell werden Echos durch die Reflexion von Signalen an den Grenzen von Diskontinuitäten in dem Übertragungsmedium hervorgerufen. 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 ausgelegt 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 Ferngesprächen oder bei Telefonen mit Freisprecheinrichtung in einem Konferenzraum, nimmt die Anzahl der Taps (Abgriffe) in dem adaptiven Algorithmus proportional zu, und die Konvergenzrate wird signifikant langsamer. Sogar noch schlimmer ist, daß der Algorithmus 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-Filterschema und, in jüngerer Zeit, das Wavelet-Zerlegungsschema vorgeschlagen worden. Die Zerlegung des Signals kann die Rechenkomplexität verringern und kann unter Verwendung der sub- bzw. unter-abgetasteten Signale die Adaptionsgeschwindigkeit steigern. Bei der Zerlegung in M Subbänder wird die Länge des adaptiven Filters um einen Faktor von M in jeder Subband-Ebene reduziert. 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 verringert und die Konvergenzrate verbessert.

Die grundlegende Struktur eines Subband-Echokompensators ist in 1 gezeigt, wobei die Signalzerlegung und -rekonstruktion mit jeder Filterbank, jeder Blocktransformation oder Wavelet-Zerlegung implementiert werden könnten. Unabhängig davon, welche 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-Bedingungen, "Perfect Reconstruction"). Sowohl das Echosignal als auch das Referenzsignal werden durch einen separaten Satz von Zerlegungs-Filterbänken geleitet und werden dann abwärtsabgetastet. Der adaptive Algorithmus wird auf der unterabgetasteten Ebene bei einer verringerten Berechnungsrate ausgeführt. Dann werden die Echo-Restsignale in unterschiedlichen Subbändern durch das Rekonstruktionsfilter zurückgeleitet, um am entfernten Ende ein Echo-reduziertes Sprachsignal zurückzugewinnen.

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 vollständig 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 Echokompensation geht, da eine PR-Filterbank mit minimaler Verzögerung hinsichtlich der Echokompensation nicht die beste Leitungsfähigkeit haben muß.

Das Vorhandensein der Verzögerung bei der Subband-Echokompensation schränkt deren Anwendungsgebiete ein. Bei der Sprachübertragung ist es für die Anwender immer von Vorteil, wenn die in die Echokompensation eingeführte Verzögerung null ist, wodurch 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 Echokompensation anzugeben.

Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben gelöst durch die Gegenstände der Ansprüche 1, 2 und 3.

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

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:
1: Eine schematische Ansicht eines allgemeinen Subband-Echokompensators des Standes der Technik; und
2 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Nullverzögerungs-Struktur.
1 zeigt, wie eine Verzögerung in einem Subband-Echokompensator hervorgerufen wird durch Subband-Zerlegung und -Rekonstruktion, 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 Abtastpunkte. 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 Nullverzögerungs-Echokopie kann erhalten werden, indem man das Referenzsignal faltet mit {h_k(n+N/M)}. Die obige Prozedur vermittelt, daß die Verzögerung kompensiert werden kann, indem man das Filter {h_k(n)} vorab-übersendet bzw. weiterleitet ("pre-forwarding"), und zwar mit N/M Abtastwerten. Bei einem generellen kausalen Filter {h_k(n)} ist {h_k(n+N/M)} jedoch ein nicht realisierbares nicht-kausales Filter. Ein Subband-Echokompensator mit Nullverzögerung ist in 2 gezeigt, wobei ein Vorwärtsfilter-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 jeder Subband-Ebene gefaltet wird ("convolved"), ergibt der Ausgang der Filterbank-Rekonstruktion die Echokopie ohne Verzögerung. 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 außerhalb der Subband-Rekonstruktion kompensiert werden. Die Subband-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 Rekombinierens des Subband-Signals, um das Originalsignal zurückzuerzeugen. Die allgemeine Anforderung an Zerlegung und Rekonstruktion besteht darin, daß das Originalsignal nach der Rekonstruktionsprozedur zurückerzeugt werden sollte, ohne Verzerrungen oder Schwächungen des Signals.
In 2 ist eine solche Nullverzögerung-Topologie gezeigt. Das Eingangssignal wird entweder über ein Mikrofon 11 und/oder einen Lautsprecher empfangen. In der Folge durchläuft es einen A/D-Wandler 15. Das Signal bzw. die Signale werden dann Subband-zerlegt 17 und abwärts-abgetastet, 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 abgeschätztes 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 Verzögerung. Wenn man die Länge der Filter sowohl bei der Subband-Zerlegung 17 als auch bei der Subband-Rekonstruktion 27 in Betracht 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/digital-gewandelt 19. Das so erhaltene digitale Signal wird einerseits dem externen LMS-Filter 31 zugeführt, andererseits weiteren Mitteln 21 zur Zerlegung in Teilbänder. Der Ausgang der weiteren Zerlegungsmittel 21 wird dem LMS-Filter 23 und dem Vorwärtsfilter 25 zugeführt.

Claims

Nullverzögerungs-Struktur zum Eliminieren von Verzögerungen, die bei einer Subband-Echokompensation ausgelöst 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 Referenzsignal in einige Frequenzbänder bandmäßig aufzuteilen und abwärts-abzutasten; ein erstes LMS-Filter (23), das das zerlegte digitale Referenzsignal und das zerlegte digitale Echosignal empfängt und in Reaktion ein LMS-Signal erzeugt, das hierzu abgeschätzte Echopfade repräsentiert; ein Vorwärtsfilter (25), um das zerlegte digitale Referenzsignal und das LMS-Signal zeitlich früher zu empfangen und auszugeben, wodurch die Verzögerungen, die während einer Subband-Echokompensation ausgelöst werden und sich von einer Verzögerung aufgrund eines anfänglichen Teils der Echopfade unterscheiden, eliminiert werden; Subband-Rekonstruktionsmittel (27), um das vom Vorwärtsfilter (25) ausgegebene Signal aufwärts-abzutasten und zu rekombinieren, wodurch die digitalen Signale lediglich mit einer Verzögerung aufgrund des anfänglichen Teils der Echopfade erzeugt werden; ein weiteres LMS-Filter (31), um die Verzögerung aufgrund des anfänglichen Teils des Echopfads zu eliminieren, und Additions- und Subtraktions-Mittel (29, 33), um das rekonstruierte Signal von dem digitalen Echosignal ohne eine Verzögerung zu subtrahieren.
Echo-Kompensator, mit: – A/D- und D/A-Wandlern; und – adaptiven Kanalabschätzungs-Mitteln; und eine Nullverzögerungs-Struktur zum Eliminieren von Verzögerungen, die während einer Subband-Echokompensation ausgelöst werden, wobei die Nullverzögerungs-Struktur aufweist: erste Subband-Zerlegungsmittel (21), um ein digitales Echosignal bandmäßig in einige Frequenzbänder aufzuteilen und abwärts-abzutasten; zweite Subband-Zerlegungsmittel (17), um ein digitales Referenzsignal in einige Frequenzbänder bandmäßig aufzuteilen und abwärts-abzutasten; ein erstes LMS-Filter (23), das das zerlegte digitale Referenzsignal und das zerlegte digitale Echosignal empfängt und in Reaktion ein LMS-Signal erzeugt, das hierzu abgeschätzte Echopfade repräsentiert; ein Vorwärtsfilter (25), um das zerlegte digitale Referenzsignal und das LMS-Signal zeitlich früher zu empfangen und auszugeben, wodurch die Verzögerungen, die während einer Subband-Echokompensation ausgelöst werden und sich von einer Verzögerung aufgrund eines anfänglichen Teils der Echopfade unterscheiden, eliminiert werden; Subband-Rekonstruktionsmittel (27), um das vom Vorwärtsfilter (25) ausgegebene Signal aufwärts-abzutasten und zu rekombinieren, wodurch die digitalen Signale lediglich mit einer Verzögerung aufgrund des anfänglichen Teils der Echopfade erzeugt werden; ein weiteres LMS-Filter (31), um die Verzögerung aufgrund des anfänglichen Teils des Echopfads zu eliminieren, und Additions- und Subtraktions-Mittel (29, 33), um das rekonstruierte Signal von dem digitalen Echosignal ohne eine Verzögerung zu subtrahieren.
Verfahren zum Auslöschen von Verzögerungen, die während der Subband-Echokompensation ausgelöst werden, mit den Schritten: Subband-Zerlegen und Abwärts-Abtasten eines digitalen Echosignals in einige Frequenzbänder; Subband-Zerlegen und Abwärts-Abtasten eines digitalen Referenzsignals in einige Frequenzbänder; LMS-Filtern des zerlegten digitalen Referenzsignals und des zerlegten digitalen Echosignals und in Reaktion darauf Erzeugen eines LMS-Signals, wobei das LMS-Signal hierzu abgeschätzte Echopfade repräsentiert; Vorwärts-Filtern des zerlegten digitalen Referenzsignals und des LMS-Signals, so daß diese Signale zeitlich früher empfangen und ausgegeben werden, wodurch die Verzögerungen, die während einer Subband-Echokompensation ausgelöst werden und sich von einer Verzögerung aufgrund eines anfänglichen Teils der Echopfade unterscheiden, eliminiert werden; Subband-Rekonstruieren und Aufwärts-Abtasten des von dem Vorwärtsfilter (25) ausgegebenen Signals, wodurch die digitalen Signale lediglich mit einer Verzögerung aufgrund des anfänglichen Teils der Echopfade erzeugt werden; LMS-Filtern, um die Verzögerung aufgrund des anfänglichen Teils des Echopfads zu eliminieren; und Subtrahieren des so rekonstruierten Signals von dem digitalen Echosignal ohne eine Verzögerung zu subtrahieren.