DE19956088A1

DE19956088A1 - Einseiten-Unterband-Filter

Info

Publication number: DE19956088A1
Application number: DE19956088A
Authority: DE
Inventors: James Reilly; Nima Ahmadvad; Mike Seibert; Gordon Reesor
Original assignee: Mitel Corp
Current assignee: Microsemi Semiconductor ULC
Priority date: 1998-11-23
Filing date: 1999-11-22
Publication date: 2000-05-25
Also published as: GB9825576D0; GB2344036A; CA2290045A1; GB2344036B; US6522747B1; FR2789823A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Verarbeitung eines Eingangssignals wird das Eingangssignal in eine Vielzahl von Unterbändern mit Hilfe einer Bank von komplexwertigen Einseiten-Unterband-Filtern geteilt. Die Einseiten-Frequenzspektren der sich ergebenden Unterbänder machen das Aliasing nahe der zweifachen kritischen Abtastreduzierungsraten vernachlässigbar.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der digitalen Si gnalverarbeitung und insbesondere auf die Benutzung von Fil terbänken zur Lösung von Signalverarbeitungsproblemen.

Die Unterbandtechnik (Subbanding) ist ein leistungsfähiges Signalverarbeitungswerkzeug, das dazu benutzt werden kann, eine breite Vielfalt von Problemen zu lösen. Der Grundgedanke hinter der Unterbandtechnik besteht darin, ein Signal mittels Filterbänken in Frequenzbänder aufzuspalten. Die Verarbeitung des Signals erfolgt dann innerhalb jedes Unterbandes. Es gibt viele verschiedene Arten der Auslegung der Filterbänke, wes wegen verschiedene Signalzerlegungen möglich sind. Die Unter bandtechnik kann für neue oder verbesserte Signalverarbei tungstechniken sorgen, was schwierige Probleme leichter be handeln läßt.

Es gibt eine Anzahl schwieriger Signalverarbeitungsprobleme, bei denen die Unterbandtechnik helfen könnte, verbesserte Lö sungen aufzufinden. Einige davon enthalten Blindentfaltung, Echokompensation, Blindsignaltrennung und Gegensprechdetek tion. Der Schlüssel zu einer wirksamen Ausführung der Unter bandtechnik besteht darin, eine Filterbank zu finden, welche die Signale auf solche Weise zerlegt, daß sich dadurch das Problem leichter lösen läßt. Dies ist keine triviale Aufgabe. Die Filterbankauslegung ist und bleibt ein aktiver Entwick lungsbereich.

Die Echokompensation wird bei Telefonanwendungen umfangreich benutzt, um eine große Vielfalt von Signalen, wie beispiels weise Sprache, Daten und Video, wiederherzustellen. Die Suche nach mathematischen Algorithmen zur Durchführung der Echokom pensation hat mehrere verschiedene Lösungen von unterschied lichen Ausmaßen an Komplexität, Kosten und Leistungsfähigkeit erzeugt.

Bei manchen Anwendungen, wie z. B. bei der Kompensation aku stischer Sprachechos in Freisprech-Telefonen, kann die Echo dauer ziemlich lang sein. Für typische Räume kann sich das Echo von 100 ms bis 500 ms erstrecken. Eine herkömmliche Lö sung zur Echokompensation benutzt ein adaptives Filter der Länge L, wobei L gleich der Anzahl von Abtastungen ist, die notwendig ist, um gerade über die Dauer des Echos hinauszuge hen. Sogar bei einer Telefon-Bitrate von 8000 Abtastungen pro Sekunde kann der Wert von L leicht in den Tausendern liegen.

Die rechnerischen Erfordernisse eines adaptiven Filters sind für die verbreitete LMS(Least Mean Squares; kleinste mittlere Quadrate)-Klasse von Algorithmen proportional zu 2L und für Algorithmen wie z. B. RLS(Recursive Mean Squares; rekursive mittlere Quadrate) proportional zu L² oder höher. Robustere Algorithmen (wie RLS) haben gegenüber LMS-Verfahren weitaus bessere Konvergenzeigenschaften, aber die Rechenbelastung mit L² macht sie mit der augenblicklichen Technologie unzweckmä ßig. Für die meisten Algorithmen nimmt auch die Konvergenz zeit mit der Größe von L exponentiell zu. Es ist wichtig, eine schnelle Konvergenz zu haben, insbesondere im Falle der akustischen Echokompensation, weil sich der Echoweg fortlau fend ändern kann, da sich Leute und Objekte innerhalb der Um gebung bewegen. Ein Echokompensator, der zum Umgang mit einer Echolänge von mehreren hundert Millisekunden ausgelegt ist, hat entweder mit der Rechenkomplexität oder mit der Konver genzgeschwindigkeit und -genauigkeit Probleme.

Aufgrund der großen Länge der bei den meisten akustischen An wendungen angetroffenen Echos ist es fast unmöglich, ein ein ziges adaptives Filter zur Durchführung der akustischen Echo kompensation zu benutzen. Demzufolge ist der Gebrauch der Un terbandtechnik vorgeschlagen worden. Ein adaptives Filter wird zum Kompensieren des Echos innerhalb jedes Unterbandes benutzt und das echofreie Signal wird dann mit einer Syn these-Filterbank wieder zusammengesetzt. Die Unterbandtechnik kann die Rechenkomplexität verringern und zu einer schnelle ren, genaueren Konvergenz führen. Die Anwendung der Unter bandtechnik zur Echokompensation ist jedoch wegen praktischer Schwierigkeiten, z. B. wegen mit dem Prozeß der Abtastratenre duzierung (Downsampling) verbundener Aliasing-Fehler, mit be grenztem Erfolg ausgeführt worden.

Wenn die Signale in M Unterbänder aufgeteilt werden, sind M adaptive Filter zur Durchführung der Echokompensation erfor derlich. Innerhalb jedes Unterbandes werden die Signale einem Downsampling unterzogen, d. h. die Abtastrate wird reduziert. Der Faktor, um den die Abtastrate reduziert wird, wird ty pisch als die Abtastreduzierungsrate (Downsampling Rate) be zeichnet. Eine Abtastreduzierungsrate von vier besagt bei spielsweise, daß die Abtastrate um einen Faktor vier inner halb jedes Unterbandes reduziert worden ist. Es ist wichtig, zwischen der Abtastreduzierungsrate und der Abtastrate zu un terscheiden. Eine Zunahme bei der Abtastreduzierungsrate führt zu einer Abnahme bei der Abtastrate.

Ein spezieller Fall tritt auf, wenn die Abtastreduzierungs rate gleich der Anzahl der Unterbänder (M) ist. Dieser ist als kritische Abtastung bekannt und die entsprechende Ab tastreduzierungsrate wird als die kritische Abtastrate be zeichnet. Die kritische Abtastung stellt das höchste Ausmaß von Abtastratenreduzierung dar, das möglich ist, bevor Si gnalinformation verloren geht. In dieser Beschreibung wird eine Abtastreduzierungsrate vom Zweifachen der kritischen Ab tastrate erwähnt. Dies gibt eine Abtastreduzierungsrate an, die gleich dem Zweifachen der Anzahl der Unterbänder (2M) ist, und eine entsprechende Abtastrate, die halb so schnell wie die kritische Abtastung ist.

Die Länge jedes adaptiven Filters wird um einen Faktor redu ziert, der gleich der Abtastreduzierungsrate ist. Die redu zierte Abtastrate zieht mehr Zeit in Betracht, um Berechnun gen zwischen Abtastungen durchzuführen, und die kürzeren adaptiven Filter konvergieren mit weniger Iterationen und zu einem genaueren Ergebnis. Es besteht ein zusätzlicher Aufwand durch die Unterband-Filter, aber es gibt wirkungsvolle Algo rithmen zur Ausführung der Unterbandtechnik. Die Unterband-Fil ter führen auch eine zusätzliche Laufzeit in das System ein. Unter der Voraussetzung, daß die Unterband-Filter ziem lich kurz gehalten werden, sind dieser Berechnungsaufwand und die zusätzliche Laufzeit zumutbar.

Bei vielen Signalverarbeitungsproblemen entstehen die Schwie rigkeiten, weil die vorhandenen Techniken dazu neigen, für ungenaue Lösungen zu sorgen, oder sie erfordern zu viele Be rechnungen, um wirtschaftlich mit der aktuellen Technologie ausgeführt zu werden. Beispielsweise ist ein Vollbandkompen sierer, der nur ein adaptives Filter benutzt, für die bei realen akustischen Umgebungen in typischer Weise angetroffe nen Echos einfach nicht praktisch. Auf LMS beruhende Verfah ren sind rechnerisch attraktiv, ergeben aber Echoschätzungen, die fehleranfällig sind. Genauere Algorithmen wie RLS erfor dern zu viele Rechnungen für eine wirtschaftliche Ausführung. Der Gebrauch der Unterbandtechnik ermöglicht viel genauere Echoschätzungen, die für lange Echos bei Gebrauch von LNS er zeugt werden müssen, und die Rechenbelastung ist annehmbar. Jedoch führt die Unterbandtechnik neue Ausführungsschwierig keiten ein.

Es gibt zwei grundlegende Wege zur Ausführung der Unterband technik. Die direkte Lösung umfaßt die Benutzung einer M-Ka nal-Filterbank zum Auftrennen des Signals in M Unterbänder. Es gibt bei diesem Verfahren eine Anzahl von Problemen. Da ideale Rechteckfilter nicht benutzt werden können, bestehen zwischen den Unterbändern Überlappungen. Diese führen zu Aliasing-Fehlern, die schlimmer werden, wenn sich die Ab tastreduzierungsrate der kritischen Abtastrate nähert. Ein Verringern der Abtastreduzierungsrate (Überabtasten; Over-Samp ling) reduziert das Aliasing, kann aber zu einer Überbe stimmung des Problems und schlechter Konvergenz führen. Die Unterband-Filter können auch eine Verzerrung einführen. Die Filterbanktheorie zeigt, daß mit einer sorgfältigen Filter auslegung Aliasing- und Verzerrungsfehler durch Ausnutzen von Beziehungen zwischen den Analyse- und Synthese-Filtern besei tigt werden können. Diese Beziehungen werden jedoch zerstört, wenn die Signale zwischen der Zerlegung und dem Wiederaufbau eine Verarbeitung durchmachen. Eine solche Verarbeitung ist selbstverständlich zur Kompensation eines Echos erforderlich und somit sind Aliasing- und Verzerrungsfehler unvermeidlich.

Ein neueres Unterband-Verfahren ist die Wavelet-Zerlegung. Wavelets zeigen gewöhnlich orthogonale Wesensmerkmale, die ihnen automatisch vollkommene Rekonstruktionseigenschaften (keine Aliasing- oder Verzerrungsfehler) geben. Aber mit re gulären Filterbänken hängen diese Eigenschaften von den Be ziehungen zwischen den Analyse- und Synthese-Filtern ab, und diese Beziehungen werden durch Zwischenverarbeitung zerstört. Wavelet-Filterbänke sind auch in einer Baumgestalt aufgebaut, indem Zweikanal-Verteiler und -Verbinder kaskadiert werden. Es gibt sehr schnelle Algorithmen, die dies ausführen können, aber die Anzahl der Unterbänder muß deswegen eine Potenz von zwei sein. Es besteht auch weniger Freiheit, wenn die Wave let-Filterbänke ausgelegt werden, da Wavelet-Filter gewisse Kriterien erfüllen müssen, was reguläre Filterbänke nicht tun müssen.

Die Verzerrung kann mit einer sorgfältigen Filterauslegung vernachlässigbar gemacht werden. Aber auch das Unterband-Ver fahren kann das Überlappen zwischen Unterbändern nicht völlig beseitigen, weswegen Aliasing das Hauptproblem ist, das aus geräumt werden muß. Bei der Echokompensation zeigt sich das Aliasing selbst in Form eines Kreuzbandechos. Der größte Teil des Echos innerhalb eines besonderen Unterbandes kommt aus dein Unterband selbst. Dies ist als In-Band-Echo bekannt. We gen Aliasing kommt manches Echo auch aus den anderen Unter bändern. Dies ist das Kreuzbandecho. Eine Reduzierung der Ab tastreduzierungsrate kann das Aliasing herabsetzen, aber dies verringert den Nutzen der Abtastratenreduzierung, nämlich die kürzeren Filterlängen und die reduzierte Bitrate. Die andere Option besteht darin, Kreuzfilter zu benutzen, d. h. zusätzli che Filter, die ausgelegt sind, um Kreuzbandechos zu beseiti gen. Dies steigert die Anzahl von Rechnungen, die ausgeführt werden müssen. Es ist äußerst wünschenswert, Kreuzfilter zu auszuschließen, da eine solche Reduzierung die Rechnungen verringert und die Topologie der adaptiven Filter verein facht.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Verar beitung eines Eingangssignals vorgesehen, bei dein das Ein gangssignal in eine Vielzahl von Unterbändern mit Hilfe einer Bank von komplexwertigen Einseiten-Unterband-Filtern aufge teilt wird und die Verarbeitung innerhalb dieser Unterbänder stattfindet.

Gemäß den Grundsätzen der Erfindung ist eine Filterbank ent wickelt worden, die Einseiten-Unterband-Filter, z. B. FIR-Fil ter, mit komplexen Filterkoeffizienten benutzt. Die Einsei ten-Frequenzspektren der sich ergebenden Unterbänder machen das Aliasing bei nahe der kritischen Abtastung liegenden Ab tastreduzierungsraten für den reellen Fall und nahe der zwei fachen kritischen Abtastreduzierungsrate für den komplexen Fall vernachlässigbar. Die Filterbank ist bei Signalverarbei tungsaufgaben, die Unterbandtechnik benutzen, allgemein an wendbar.

Die Filterbankkoeffizienten beruhen vorzugsweise auf der op timalen Kleinstquadrat-Annäherung eines "idealnahen" Filters, dessen Eigenschaften durch die Anzahl der Unterbänder und die Abtastreduzierungsrate bestimmt sind.

Die Erfindung läßt sich bei umfangreichen Signalverarbei tungsproblemen anwenden, die bei Benutzung der komplexen Un terbandtechniklösung ausgeräumt werden können. Eine besondere Anwendung der Erfindung ist das Gebiet der Echokompensation.

Ein Algorithmus zur Kompensation akustischer Echos, der so wohl komplexe als auch reelle AIR(Acoustic Impulse Response; akustische Impulsantwort)-Schätzwerte benutzt, ist entwickelt worden. Die komplexen Einseitenfilter werden zur Durchführung der Unterbandtechnik benutzt, was die Forderung nach Kreuz filtern beseitigt.

Gegensprechen wird innerhalb jedes Unterbandes detektiert, was dazu dient, eine bessere Leistungsfähigkeit als bei Voll band-Detektion zu erzielen.

Die Erfindung erlaubt es, daß beliebige Filterblöcke zwischen den Analyse- und Synthese-Filterbänken eingefügt werden, ohne die Auswirkungen der Aliasing-Fehler zu hinzunehmen.

Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung sieht ein digitale Signalverarbeitungseinrichtung vor, die eine Bank von kom plexwertigen Einseitenfiltern zur Auftrennung eines Eingangs signals in eine Vielzahl von Unterbändern und Mittel zur Ver arbeitung von Signalen innerhalb dieser Unterbänder umfaßt.

Die Erfindung sieht des weiteren noch eine Echokompensations einrichtung vor, die eine erste Bank komplexwertiger Einsei ten-Unterband-Filter zur Auftrennung eines fernen Signals in eine Vielzahl von Unterbändern, einen Fehlerschätzwert in je dem Unterband erzeugende adaptive Filter, eine zweite Filter bank von komplexwertigen Einseiten-Unterband-Filtern zur Auf trennung eines lokalen Signals in eine Vielzahl von Unterbän dern, einen Subtrahierer zum Subtrahieren der Signalschätz werte vom lokalen Signal in jedem Unterband und eine dritte Bank von Einseiten-Unterband-Filtern zum Rückbilden der Un terbänder in ein zusammengesetztes Ausgangssignal umfaßt.

Die Erfindung wird nun im einzelnen anhand von Beispielen nur unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen grundsätzlichen akustischen Echokompensator, der eine adaptive Filterung gemäß dem Stand der Technik be nutzt,

Fig. 2 einen Echokompensator in Unterbandtechnik,

Fig. 3 eine M-Kanal-Analyse-Filterbank,

Fig. 4a und 4b einen adaptiven Filteraufbau,

Fig. 5 eine M-Kanal-Synthese-Filterbank,

Fig. 6a und 6b Aliasing mit reellen und komplexen Filterkom ponenten,

Fig. 7 die Auswirkung reeller und komplexer AIR-Schätzwerte, und

Fig. 8 die Testergebnisse aus einem Echokompensator unter Benutzung komplexer AIR-Schätzwerte.

Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen. Fig. 1 zeigt ein Beispiel dafür, wie Echoprobleme in Freisprech-Telefonen und Audiokonferenzsystemen entstehen. Jeder Raum 10 hat eine akustische Impulsantwort (AIR; Acoustic Impulse Response), die jeder beliebigen Schallquelle 12 im Raum ein Echo zu teilt. Ein adaptives Filter 14 erzeugt einen Schätzwert y[n] des Echosignals und subtrahiert ihn in einem Subtrahierer 18 von dem durch ein Mikrofon 16 aufgenommenen Nahend-Signal. Das ferne oder far-end Sprachsignal u[n] bildet ein Eingangs signal zum adaptiven Filter 14. Die Subtraktion des Echo-Schätz wertes vom Mikrofon-Eingangssignal d[n] ergibt das Feh lersignal, das erfaßt und dazu benutzt wird, den Echo-Schätz wert zu ändern. Das adaptive Filter versucht e[n] auf null zu zwingen, weswegen das Filter nur aktiv (d. h. adaptiv) ist, wenn es kein lokales Sprechen gibt. Ein getrennter Modul wird zur Ermittlung dahingehend benutzt, ob ein lokales Signal vorliegt oder nicht.

Fig. 2 zeigt eine Unterbandtechnik-Lösung für die Echokom pensation, bei der es nun einen Block von adaptiven Filtern 14 gibt und zwar eines für jedes Unterband. Das entfernte (ferne; far-end) Sprachsignal ist in Analyse-Filtern 22 vor dem Eintritt in die adaptiven Filter 14 in Unterbänder aufge trennt worden. Das lokale Signal wird durch Analyse-Filter 24 in Unterbänder aufgetrennt, bevor es zum Subtrahierer 18 läuft. Die Kompensation des Echos wird innerhalb jedes Unter bandes ausgeführt. Die Ergebnisse der Subtraktionen sind die Fehlersignale, die an die entsprechenden adaptiven Filter rückgekoppelt werden.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, trennen die Analyse-Filter 14 ein ankommendes Signal in Unterbänder auf. Dies wird erreicht, indem das Signal zur Isolierung der Frequenzkomponenten jedes Unterbands zuerst gefiltert wird und dann um einen Faktor N hinsichtlich der Abtastrate reduziert wird (Downsampling) Der Prozeß der Abtastratenreduzierung hält jede N-te Abta stung fest und streicht den Rest. Somit wird die Bitrate um einen Faktor N reduziert. Dies ist schlechthin verschwende risch, da ein Großteil der durch die Filter ausgeführten Ar beit weggeworfen wird. Bei einer bevorzugten Anordnung wird eine Polyphasenzerlegung angewandt, um die Abtastratenredu zierer außerhalb von den Filtern zu verlegen. Mit einer Poly phasen-Ausführung werden nur die Abtastungen erzeugt, die be nötigt werden. Dies reduziert die Anzahl von Rechnungen, die erforderlich sind, um die Unterbandtechnik um einen Faktor N auszuführen. Die Polyphasenzerlegung ist ein Verfahren zum Faktorieren von Filter- oder Signalkoeffizienten durch Grup pieren jedes M-ten Koeffizienten. Beispielsweise gruppiert eine M = 2-Polyphasenzerlegung gerade und ungerade Komponen ten. Die Polyphasenzerlegung wird dazu benutzt, um eine Ab tastratenreduzierung und -erhöhung wirkungsvoll auszuführen.

Fig. 4 (a) zeigt ein adaptives Transversalfilter mit einem unspezifizierten adaptiven Anzapfungsgewichtsregelmechanis mus. Der Anzapfungsgewichtsregelmechanismus kann jede der ge läufigen Methoden sein. In diesem Falle ist der normierte LMS-Algorithmus ausgewählt worden. Ungeachtet der gewählten Methode wird das Fehlersignal (die Differenz zwischen dem Ausgangssignal des adaptiven Filters und dem Zielsignal) dazu benutzt, um die Anzapfungsgewichte zu ändern. Fig. 4 (b) zeigt die im Unterband-Echokompensator benutzte Bank adapti ver Filter.

In Fig. 5 werden die Unterbandsignale hinsichtlich der Ab tastrate erhöht (Upsampling), gefiltert und zu einem einzigen Ausgangssignal rückzusammengefaßt. Die Abtastratenerhöhung schließt das Einsetzen von N-1 Nullen zwischen die Abta stungen ein. Die Filter interpolieren dann zur Glättung des Signals zwischen den Nicht-Null-Abtastungen. Es sollte wie derum eine Polyphasen-Ausführung angewandt werden, um dies wirkungsvoll zu erledigen.

Ein Hauptziel hinter der Unterbandtechnik besteht darin, die Abtastreduzierungsrate (Downsampling Rate) zu maximieren. Dies reduziert die Signalbitrate so viel wie möglich und ver schafft dem Algorithmus mehr Zeit, seine Rechnungen auszufüh ren. Mit Unterband-Filtern, die reellwertige Koeffizienten benutzen, kann die Abtastreduzierungsrate die Anzahl der Un terbänder nicht überschreiten. Dies ist eine kritische Abta stung. Wenn die Abtastreduzierungsrate über die kritische Ab tastung hinaus verschoben wird, gibt es immer ein Aliasing, sogar mit idealen Unterband-Filtern. Aliasing tritt ein, weil die negativen Frequenzkomponenten aus einem Unterband begin nen, sich mit den positiven Frequenzkomponenten aus einem an deren Unterband zu überlappen. Bei kritischer Abtastung mit idealen Filtern stoßen aliasierte Bilder innerhalb jedes Un terbandes wie in Fig. 6(a) gezeigt aneinander. Da ideale Filter nicht gebaut werden können, tritt Aliasing nahe vor der kritischen Abtastrate ein. Mit reellen Filterkoeffizien ten sind die negativen Frequenzkomponenten immer vorhanden und eine kritische Abtastung kann ohne Aliasing nicht er reicht werden.

Mit komplexwertigen Einseitenfiltern werden negative oder po sitive Frequenzkomponenten nicht zurückgehalten. Wenn Einsei tenfilter in einer Filterbank benutzt werden, läßt sich Aliasing bei kritischen Abtastraten vernachlässigbar machen, sogar mit nichtidealen Filtern. Wie in Fig. 6(b) gezeigt ist, wird Aliasing tatsächlich nur ein Problem nahe vor dem Zweifachen der kritischen Abtastrate. Komplexwertige Einsei tenfilter ermöglichen es deswegen, die Unterbandtechnik bei nahezu dem Zweifachen der Abtastreduzierungsrate (d. h. die halbe Abtastrate) abzuwickeln, als es bei reellwertigen Fil tern möglich ist.

Ein größerer Nachteil beim Gebrauch von Einseitenfiltern be steht darin, daß die Ausführung von Algorithmen, die eine komplexe Arithmetik benutzen, etwa viermal so viele Rechnun gen erfordert wie mit reeller Arithmetik. Wenn jedoch Einsei tenfilter beim Echokompensationsproblem eingesetzt werden, überwiegen die Vorteile diesen Rechenaufwand. Die adaptiven Filter haben nun sogar weniger Anzapfungen einzustellen und dies kann zu einer schnelleren Konvergenz und einem geringe ren Fehler führen. Durch Wahl einer Abtastreduzierungsrate gerade unter dem Zweifachen der kritischen Abtastrate ist das Aliasing noch so gut wie vernachlässigbar und Kreuzfilter werden nicht benötigt. Etwas komplexe Arithmetik läßt sich parallel ausführen (z.B die reellen und imaginären Teile ei nes komplexen Produkts können gleichzeitig durch Parallelpro zessoren berechnet werden). Dies kann bei der Hardware-Aus führung ausgenutzt werden, wenn der wirtschaftliche Aufwand gerechtfertigt werden kann.

Da es Einseitenfilter erlauben, die kritische Abtastung zu überschreiten, kann dies den Nutzen der Verwendung der Unter bandtechnik maximieren, um bei der Lösung von Signalverarbei tungsproblemen zu helfen. Im Falle der Echokompensation wird der Rechenaufwand für die Verwendung komplexer Arithmetik durch die reduzierte Bitrate und das Fehlen von Kreuzfiltern wettgemacht. Auch die Konvergenzzeitverhältnisse steigern sich und bessere AIR-Schätzwerte werden erzeugt. Es ist auch zu erwarten, daß ähnliche Steigerungen bei der Leistungsfä higkeit eintreten könnten, wenn die Einseitenfilter bei ande ren Problemen benutzt werden. Beispielsweise schließen die Blindentfaltung, Kanalentzerrung und Signalauftrennung alle die Schätzung unbekannter Signale ein, beinahe wie die Echo kompensation.

Bei der gegenwärtigen Realisierung werden die Unterband-Fil ter unter Benutzung frequenzverschobener Versionen eines Pro totyp-Filters ausgearbeitet. Das Prototyp-Filter wird durch eine Optimierungsmethode mit kleinsten Quadraten erzeugt. Ein idealnahes" Filter wird spezifiziert, das eine Einheits-Durch laßbereichsamplitude, Null-Sperrbereichsamplitude und ein schmales Übergangsband hat. Eine optimale Kleinstqua drate-Annäherung dieses idealen Filters wird dann gebildet. Das optimale Filter wird dann auf das passende Frequenzband durch Multiplikation mit einer komplexen Exponentialgröße verschoben. Die Durchlaßbereich-, Übergangsband- und Sperrbe reichgrenzen variieren in Abhängigkeit von der Anzahl der Un terbänder und der benutzten Abtastreduzierungsrate. Die Ta belle 1 gibt die Filterkoeffizienten der bevorzugten Ausfüh rung an.

Einseiten-Unterband-Filter erlauben es, daß die kritische Ab tastrate überschritten wird, wenn eine Echokompensation aus geführt wird. Unter solchen Umständen müssen alle in Unter bändern vorliegenden Signale komplex und einseitig bleiben. Es ist eine volle komplexe Arithmetik erforderlich, da die AIR(Acoustic Impulse Response; Akustische Impulsant wort)-Schätzwerte komplex sein müssen. Eine weitere Option besteht darin, die Abtastreduzierungsrate auf die kritische Abtastung oder weniger zu begrenzen und reelle AIR-Schätzwerte zu benutzen. Ein Echosignal wird durch Zeit bereich-Faltung eines Sprachsignals mit der akustischen Im pulsantwort AIR eines Raumes erzeugt. Dies entspricht der Multiplikation des Signalfrequenzspektrums mit dem Frequenz spektrum der akustischen Impulsantwort AIR. Da das in den Un terbändern vorliegende Sprachsignal einseitig ist, ergibt die Multiplikation mit einem Zweiseiten-AIR-Schätzwert noch ein Einseiten-Echosignal. Fig. 7 macht dies anschaulich. Die Vorteile der Benutzung reeller AIR-Schätzwerte bestehen darin, daß die Multiplikation eines reellwertigen Signals mit einem komplexwertigen halb so viele Rechnungen erfordert wie eine völlig komplexe Multiplikation und sie leichter zu rea lisieren ist. Leider muß die Abtastreduzierungsrate auch um einen Faktor zwei herabgesetzt werden, so daß es keinen Ge samtrechengewinn gibt.

Gegensprechen bezieht sich auf die Situation, bei der beide Seiten zur gleichen Zeit sprechen. Zur Vermeidung von Diver genz der adaptiven Filter müssen die Koeffizienten während Perioden des Gegensprechens eingefroren werden. Gegensprechen ist gewöhnlich in manchen Unterbändern wahrnehmbarer als in anderen. Deswegen wird ein in den Unterbändern vorhandener Gegensprech-Detektor 26 innerhalb jedes Unterbandes benutzt. Wenn er Gegensprechen auffindet, sogar nur in einem Unter band, werden alle adaptiven Filter eingefroren. Zwei Detek tionsverfahren werden benutzt. Bei einem Verfahren wird die Amplitude des fernen (far-end) Signals mit der Amplitude des Mikrofonsignals verglichen. Wenn ein übermäßiger Amplituden anstieg festgestellt wird, wird das Vorliegen von Gegenspre chen angenommen. Beim anderen Verfahren wird der Kompensa tionspegel überwacht. Wenn bekannt ist, daß die adaptiven Filter konvergiert haben, gleichwohl aber nur eine geringe Kompensation vorliegt, wird Gegensprechen vermutet (eine sol che Bedingung könnte auch einer AIR-Änderung entsprechen, folglich die Notwendigkeit für das erste Verfahren als Unter stützung) . Der normierte LMS-Algorithmus wird auch geändert, so daß der Wert µ zum Pegel der Echokompensation umgekehrt proportional ist. In dem Maße, mit dem der Kompensationspegel anwächst, nimmt der Wert von µ ab. Dies ermöglicht es, daß ein genauerer AIR-Schätzwert erzeugt wird, und verschafft eine größere Gegenwirkung gegenüber einer Anzapfungsdivergenz bei den adapriven Filtern wegen Gegensprechens.

Fig. 8 zeigt Testergebnisse der bevorzugten Ausführung eines Echokompensators, der komplexe AIR-Schätzwerte benutzt. Die Simulationen wurden unter Verwendung von 10 Unterbändern aus geführt; mit einer Abtastreduzierungsrate von 15. Die Unter band-Filter hatten 105 Koeffizienten und die Synthese-Filter waren geringfügig breiter als die Analyse-Filter (dies ver ringert die Verzerrung). Die Filterkoeffizienten können in der Tabelle 1 aufgefunden werden. Das Audiosignal (in der oberen Darstellung gezeigt) war ein synthetisches Sprachsi gnalmuster von ungefähr 8 Sekunden Länge. Eine 2000-Abtastungs (1/4 Sekunde)-AIR (Akustische Impulsantwort) aus einem realen Raum wurde zur Erzeugung des Echos benutzt. Darüber hinaus wurde das lokale Signal (d. h. das durch das Mikrofon aufgenommene Signal) mit Gauß'schem Rauschen mit ei nem Signal/Rausch-Verhältnis SNR von 50 dB kontaminiert. Die mittlere Darstellung zeigt das Restecho und die untere Dar stellung zeigt den auf Blöcken von 1000 Abtastungen beruhen den Pegel der Echokompensation (ERLE = Echo Return Loss Enhancement; Echorückstrahl-Verlustkompensation) . Bei dieser Simulation wurde annähernd -24 dB Kompensation nach 2 Sekunden und -29 dB nach 4 Sekunden erhalten. Ähnliche Er gebnisse wurden bei Verwendung tatsächlicher Sprachabtastun gen erhalten. Sobald das adaptive Filter einen angemessenen Konvergenzpegel erreicht, kann etwa -15 dB bis -20 dB Kompen sation sogar bei Vorliegen von Gegensprechen aufrecht erhal ten werden.

Eine digitale Signale verarbeitende Ausführung (Digitaler Si gnalprozessor; DSP) der vorhergehenden Konfiguration würde ungefähr 8 MIPS (Million Instructions per Second; Million In struktionen pro Sekunde) erfordern. Etwa 6,5 MIPS werden für den Echokompensationsalgorithmus benötigt, zusätzlich hinzu kommend 1,5 MIPS zur Ausführung der Unterbandtechnik.

In Tabelle 1 sind die Filterkoeffizienten für ein Analyse-Fil ter h[n] und ein Synthese-Filter g[n] für eine Filterbank mit 10 Unterbändern und einer 15-fach-Abtastratenreduzierung gemäß einer Ausführung aufgelistet. Jedes Filter hat 105 Koeffizienten. Für jedes Unterband sind die tatsächlichen Filter lediglich frequenzverschobene Versionen der Prototyp-Fil ter. Die Frequenzverschiebung wird durch Multiplikation mit einer komplexen Exponentialgröße erreicht.

Tabelle 1

h[n] = {0.0006, 0.0008, 0.0009, 0.0011, 0.0013, 0.0014, 0.0015, 0.0015, 0.0015,
0.0013, 0.0012, 0.0009, 0.0005, 0.0001, -0,0004, -0.0010, -0.0017, -0.0024,
-0.0032, -0.0040, -0.0047, -0.0054, -0.0060, -0.0065, -0.0069, -0.0071, -0.0070
-0.0068, -0.0062 -0.0054, -0.0042, -0.0028, -0.0010, 0.0011, 0.0035, 0.0062,
0.0092, 0.0124, 0.0157, 0.0192, 0.0228, 0.0264, 0.0300, 0.0335, 0.0368, 0.0399,
0.0427, 0.0452, 0.0473, 0.0490, 0.0502, 0.0510, 0.0512, 0.0510, 0.0502, 0.0490,
0.0473, 0.0452, 0.0427, 0.0399, 0.0368, 0.0335, 0.0300, 0.0264, 0.0228, 0.0192,
0.0157, 0.0124, 0.0092, 0.0062, 0.0035, 0.0011, -0.0010, -0.0028, -0.0042,
-0.0054, -0.0062 -0 0068, -0.0070, -0.0071, -0.0069, -0.0065, -0.0060, -0.0054,
-0.0047, -0.0040, -0.0032, -0.0024, -0.0017, -0.0010, -0.0004, 0.0001, 0.0005,
0.0009, 0.0012, 0.0013, 0.0015, 0.0015, 0.0015, 0.0014, 0.0013, 0.0011, 0.0009, 0.0008, 0.0006}
g[n] = {-0.0008, -0.0007, -0.0004, -0.0001, 0.0003, 0.0007, 0.0012, 0.0017,
0.0022, 0.0027, 0.0032, 0.0035, 0.0038, 0.0039, 0.0038, 0.0036, 0.0031, 0.0025,
0.0017, 0.0007, -0.0005, -0,0018, -0.0032, -0.0047, -0.0061, -0.0075, -0.0087,
-0.0097, -0.0104, -0.0107, -0.0107, -0.0101, -0.0090, -0.0074, -0.0053, -0.0026,
0.0007, 0.0045, 0.0087, 0.0133, 0.0182, 0.0233, 0.0285, 0.0337, 0.0388, 0.0436,
0.0480, 0.0520, 0.0554, 0.0581, 0.0601, 0.0613, 0.0617, 0.0613, 0.0601, 0.0581,
0.0554, 0.0520, 0.0480, 0.0436, 0.0388, 0.0337, 0.0285, 0.0233, 0.0182, 0.0133,
0.0087, 0.0045, 0.0007, -0.0026, -0.0053, -0.0074, -0.0090, -0.0101, -0.0107,
-0.0107, -0.0104, -0.0097, -0.0087, -0.0075, -0.0061, -0.0047, -0.0032, -0.0018,
-0.0005, 0.0007, 0.0017, 0.0025, 0.0031, 0.0036, 0.0038, 0.0039, 0.0038,
0.0035, 0.0032, 0.0027, 0.0022, 0.0017, 0.0012, 0.0007, 0.0003, -0.0001, -0.0004, -0.0007, -0.0008}.

Die Benutzung von Einseitenfilterbänken ist nicht auf die Echokompensation in Unterbandtechnik beschränkt. Filterbänke werden bei einer breiten Vielfalt von Signalverarbeitungsan wendungen benutzt. Einseitenfilter könnten in anderen Situa tionen eingesetzt werden, bei denen sich die Unterbandtechnik als nützlich erwiesen hat, beispielsweise für die Blindent faltung, Blindsignaltrennung, Array-Signalverarbeitung und eine umfangreiche Klasse von Detektions-/Schätzungsproblemen.

Claims

1. Verfahren zur Verarbeitung eines Eingangssignals, bei dem das Eingangssignal in eine Vielzahl von Unterbändern mit Hilfe einer Bank von komplexwertigen Einseiten-Un terband-Filtern aufgeteilt wird und die Verarbeitung in nerhalb dieser Unterbänder stattfindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Unterband-Filter Filterbankkoeffizienten haben, die auf der optimierten Kleinstquadrat-Annäherung eines idealnahen Filters beru hen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Signal verarbei tet wird, um eine Echokompensation auszuführen, die auf der Benutzung von komplexen und reellen AIR(Acoustic Im pulse Response; akustische Impulsantwort)-Schätzwerten beruht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Verarbeitung in jedem Unterband in adaptiven Filtern erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem Gegensprechen inner halb der einzelnen Unterbänder detektiert wird und die Koeffizienten der adaptiven Filter während der Perioden des Gegensprechens eingefroren werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Unterbänder um einen Faktor N hinsichtlich der Abtastrate reduziert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Abtastratenredu zierung durch Polyphasenzerlegung ausgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Abtastreduzie rungsrate gerade unterhalb des Zweifachen der kritischen Abtastrate liegt.

9. Digitale Signalverarbeitungseinrichtung, die eine Bank von komplexwertigen Einseitenfiltern zur Auftrennung ei nes Eingangssignals in eine Vielzahl von Unterbändern und Mittel zur Verarbeitung von Signalen innerhalb die ser Unterbänder umfaßt.

10. Digitale Signalverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 9, bei der die Filter Filterkoeffizienten haben, die auf der optimierten Kleinstquadrat-Annäherung eines idealna hen Filters beruhen.

11. Digitale Signalverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 9, die eine zweite Bank von komplexwertigen Einseitenfil tern zum Rückbilden eines Ausgangssignals aus der Viel zahl von Unterbändern enthält.

12. Digitale Signalverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 11, die adaptive Filter zur Verarbeitung des Signals in den jeweiligen Unterbändern enthält.

13. Echokompensationseinrichtung, die eine erste Bank kom plexwertiger Einseiten-Unterband-Filter zur Auftrennung eines fernen Signals in eine Vielzahl von Unterbändern, einen Fehlerschätzwert in jedem Unterband erzeugende adaptive Filter, eine zweite Filterbank von komplexwer tigen Einseiten-Unterband-Filtern zur Auftrennung eines lokalen Signals in eine Vielzahl von Unterbändern, einen Subtrahierer zum Subtrahieren der Signalschätzwerte vom lokalen Signal in jedem Unterband und eine dritte Bank von Einseiten-Unterband-Filtern zum Rückbilden der Un terbänder in ein zusammengesetztes Ausgangssignal um faßt.

14. Echokompensationseinrichtung nach Anspruch 13, bei der die Filter auch eine Abtastratenreduzierung am Signal erzeugen.

15. Echokompensationseinrichtung nach Anspruch 14, bei der die Abtastratenreduzierung angenähert beim Zweifachen der kritischen Rate erfolgt.

16. Echokompensationseinrichtung nach Anspruch 15, die des weiteren einen Gegensprech-Detektor innerhalb der Unter bänder umfaßt.

17. Echokompensationseinrichtung nach Anspruch 16, bei der der Gegensprech-Detektor einen Komparator zum Verglei chen der Amplitude des fernen Signals mit der Amplitude des lokalen Signals innerhalb jedes Bandes enthält.

18. Echokompensationseinrichtung nach Anspruch 16, bei der der Gegensprech-Detektor Mittel zum Überwachen des Kom pensationspegels enthält.