DE2239440C3

DE2239440C3 - Echokompensator für ein Nachrichtenübertragungssystem

Info

Publication number: DE2239440C3
Application number: DE2239440A
Authority: DE
Inventors: Harald Dipl.-Phys. 8000 Muenchen Hoege
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-08-10
Filing date: 1972-08-10
Publication date: 1975-06-26
Also published as: DE2239440B2; ZA735479B; DE2239440A1

Description

von einer Steuereinrichtung erzeugt wird, der die

Ausgangssignale des Verzweigungsnetzwerkes und das quadrierte Restechosignal zugeführt werden.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Echokom- Durch diese Maßnahmen sind die Informationen pensator für ein Nachrichtenübertragungssystem mit 40 der Signale der ankommenden und der abgehenden einem Zweidraht-Vierdraht-Übergang, bei dem ein Richtung des Vierdrahtweges besser ausnutzbar, wovon den Signalen der ankommenden Richtung des durch sich der Vorteil ergibt, daß für jeden jeweils Vierdrahtweges gespeistes Verzweigungsnetzwerk mit vorliegenden Betriebszustand des Echokompensators einer Reihe von Ausgängen, die Systemen mit unter- die günstigste Einstellgeschwindigkeit erreichbar ist, einander linear unabhängigen Impulsantworten ent- 45 so daß bei großen Abweichungen von der optimalen sprechen, vorgesehen ist, deren Ausgangssignale je Einstellung in sehr kurzer Zeit ein befriedigender Zuüber ein Einstellglied einem Summierer zugeführt stand erreicht werden kann, jedoch auch bei unsind, dessen Ausgangssignal als simuliertes Echo- günstigen Betriebsverhältnissen wie z. B. fortwährensignal im subtrahierenden Sinn den Signalen der ab- dem Gegensprechen oder bei Datenübertragung der gehenden Richtung des Vierdrahtweges zugesetzt ist, 50 Echokompensator seine optimale Einstellung in verwobei jedes Einstellglied durch das integrierte Aus- gleichsweise kurzer Zeit findet,
gangssignal einer das jeweilige Ausgangssignal des Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nach-Verzweigungsnetzwerkes mit dem mit einem Bewer- stehend an Hand des in der Zeichnung dargestellten tungsfaktor bewerteten Restechosigrial in der ab- Ausführungsbeispiels näher erläutert,
gehenden Richtung des Vierdrahtweges multiplizie- 55 Die Zeichnung zeigt als Ausschnitt aus einer Fernrenden Einrichtung einstellbar ist. Sprechweitverbindung über eine oder mehrere lauf-Ein Echokompensator der vorgenannten Art ist zeitbehaftete Vierdrahtstrecken den Übergang von z. B. durch den Artikel »An Adaptive Echo Can- einer Vierdrahtstrecke mit einer ankommenden Richceller« von M. M. S ο η d h i aus »The Bell System tung 1-2 und einer abgehenden Richtung 5-6 zu einer Technical Journal« 1967, S. 497 bis 511, bekannt. 60 Zweidrahtstrecke 4 über eine mit einer Nachbildung Da jedoch Wählgeräusche und die Sprechsignale des ausgerüstete Gabel 3. Hierbei ist der Echokompennahen Teilnehmers das abgehende Signal des Vier- sator einerseits in die ankommende Richtung 1-2 und drahtweges für die Korrelation zeitweise weitgehend andererseits in die abgehende Richtung 5-6 eingeunbrauchbar machen und dazu führen können, daß schaltet, wobei jedoch zwischen diesem Echokomeine zwischenzeitlich erzielte gute Einstellung der 65 pensator und der Gabel 3 sich durchaus noch eine Einstellglieder wieder verlorengeht, erreichen die be- längere Vierdrahtstrecke befinden kann,
kannten Echokompensatoren meist nur eine geringe Der adaptive Vierpol des Echokompensators be-Einstellgenauigkeit, die zudem erst nach längerer Zeit steht beispielsweise aus einer Filterbank mit einer

größeren Anzahl N eingangsseitig parallelgeschalteter Filter 21... 29, sodann aus den Filtern nachgeschalteten Stellgliedern 61... 69 sowie einem nachfolgenden Summierer 7. Der Eingang dieses Vierpols ist aus dem Signal der ankommenden Richtung 1-2 gespeist; der Ausgang des Vierpols speist ein simuliertes Echosignal y über den Differenzverstärker 8 im subtrahierenden Sinn in die abgehende Richtung a-6 ein. Im abgeglichenen Zustand hat der Vierpol annähernd die gleiche Übertragungsfunktion wie der des Echopfades vom Eingang des Vierpols über die Gabel 3 zurück zum Differenzverstärker 8, so daß am Ausgang des Differenzverstärkers 8 eine weitgehende Kompensation des über die Gabel 3 übergetretenen Echos y erfolgt. Das vom nahen Teilnehmer, welcher über die Zweidrahtstrecke 4 an die Gabel 3 angeschlossen ist, stammende Sprechsignal erscheint im abgehenden Weg; 5 des Vierdrahtweges als das Signal n. Das Signal e am Ausgang des Differenzverstärkers 8 ergibt sich daher zu

e = y—y + n = e + n.

Die günstigsten Verhältnisse für die Einstellung der Stellglieder 61... 69 mittels der noch zu beschreibenden Korrelationsglieder ergeben sich bei der Verwendung eines Verzweigungsnetzwerkes, welches Systeme mit orthogonalen Impulsantworten enthält. Ein solches Verzweigungsnetzwerk läßt sich wie im vorliegenden Beispiel durch eingangsseitig parallelgeschaltete Filter 211 ... 29, aber z. B. auch durch ein reines Laufzeitglied mit einer größeren Anzahl von Abgriffen (vgl. S ο η d h i, F i g. 2) oder durch Laguerre-Netzwerke (vgl. S ο η d h i, S. 506) realisieren. Im allgemeinen genügt jedoch die Bedingung, daß die Impulsantworten der Filter untereinander linear unabhängig sind.

Die einzelnen Ausgangssignale W₁... w_N werden bei der dargestellten Anordnung durch die Ausgänge des Verzweigungsnetzwerkes 21... 29 erzeugt und nach Durchgang je eines der Stellglieder 61... 69 durch den Summierer 7 zu dem simulierten Echosignal j> zusammengefaßt. Da die Stellglieder 61... 69 jeweils eine einstellbare Verstärkung C₁.. .c_K aufweisen, die größer oder kleiner als 0 sein kann, ergibt sich am Ausgang des Summierers 7 das geschätzte bzw. simulierte Echosignal y zu

Die Einstellung der Verstärkung c,... c_N der Stellglieder 61... 69 erfolgt jeweils durch das mittels eines Integrierers 51... 59 integrierte Ausgangssignal eines Summierers 41... 49, der jeweils Teil einer multiplizierenden Einrichtung mit einer Reihe von Multiplizierern 311... 319 bzw. 391... 399 ist.

Es ist nämlich ein wesentliches Merkmal der Erfindung, daß die jeweilige Stellgröße bzw. Verstärkung C₁ der einzelnen Stellglieder 61... 69 nicht nur mittels einer Information über das zugehörige Ausgangssignal W₁ des Verzweigungsnetzwerkes 21... 29 eingestellt wird, sondern daß jeweils alle oder doch zumindest mehrere der Ausgangssignale W₁... w_N des Verzweigungsnetzwerkes auf die einzelnen Stellgrößen c_t .. .c_N Einfluß nehmen.

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel enthalten alle N multiplizierenden Einrichtungen (von denen jedoch nur die erste und N-te Einrichtung dargestellt ist) wiederum eine solche Anzahl N von Multiplizierern, wie Ausgänge des Veraweigungsnetzwerkes 21... 29 vorgesehen sind. Diese Multiplizierer 311... 319 bzw. 391... 399 multiplizieren jeweils das zugehörige Ausgangssignal w_t des Verzweigungsnetzwerkes mit dem Restechosignal e in der abgehenden Richtung des Vierdrahtweges und mit einem Steuerkoeffizienten q_tk. Dabei erhält der

ίο erste Multiplizierer 311 der ersten multiplizierenden Einrichtungen das Signal mit dem Sleuerkoeffizienten q_lv der N-Xs. Multiplizierer 319 der ersten multiplizierenden Einrichtung das Signal mit dem Steuerkoeffizienten q_iN, weiterhin bekommt der erste

Multiplizierer 391 der N-ten multiplizierenden Einrichtung das Signal mit dem Steuerkoeffizienten q_Nl bis letztlich zu demiV-ten Multiplizierer 399 der N-ten multiplizierenden Einrichtung, welcher das Signal mit dem Steuerkoeffizienten q_NN erhält.

so Die Signale der vorbeschriebenen Steuerkoeffizienten q_ik(i = 1, 2,... N; k = 1,2,... N), die in einer quadratischen Matrix Q angeordnet werden können, werden von der Steuereinrichtung UO craeugt, der die Ausgangssignale W₁... w_N des Verzweigungsnetz-

»5 werkes 21 ... 29 und das über den Quadrierer 9 quadrierte Restechosignal e² am Ausgang des Differenzverstärkers 8 zugeführt werden. Auf Grund des noch zu beschreibenden Bildungsgesetzes der Steuerkoeffizienten q_ik ergibt sich, daß jeweils q_ik = q_kt ist.

Die Steuereinrichtung 10 bildet die Steuerkoeffizienten q_ik in Abhängigkeit von dem quadrierten Restecho e² und den Ausgangssignaleia W₁... w_N des Verzweigungsnetzwerkes derart, daß die Bewertung des Restechosignals e im Normalfall einen Maximalwert einnimmt und bei auftretenden Störgeräuschen η in der abgehenden Richtung des Vierdiahtweges 5-6 diese Bewertung um so mehr abgesenkt wird, je größer die Störgeräusche η sind und je besser die bereits erreichte Einstellgenauigkeit der Stellglieder 61... 69

ist. Auftretende Störgeräusche η können z. B. Sprechsignale des nahen Teilnehmers 4 sein, aber auch vom nahen Teilnehmer 4 ausgehende Signale einer Datenübertragung sein.
Die vorstehenden Erläuterungen bezogen sich des leichteren Verständnisses halber auf eine Arbeitsweise des Echokompensators mit rein analogen Signalen. Tatsächlich zeigt das Ausführungsbeispiel jedoch einen Echokompensator, der mit digitalen Signalen arbeitet und daher das Signal χ über den

Analog-Digital-Wandler 12 aus der ankommenden Richtung 1-2 erhält. Weiterhin gelangen die Signale y + n der abgehenden Richtung 5 über den Analog-Digital Wandler 13 zum Differenzverstärker 8, dessen das Restechosignal e darstellendes Ausgangs-

signal über den Digital-Analog-Wandler 14 in der abgehenden Richtung 6 verläßt. Für diese digitale Betriebsweise kann das Verzweigungsnetzwerk 21 ... 29 z. B. durch ein Schieberegister realisiert werden. Die Steuereinrichtung 10 verarbeitet von den

Signalen W₁ sowie dem Signal e² die zu Taktzeiteia t_m (m = 0, 1, 2,...) abgetasteten Abtastwerte w, (i_m) sowie e (i_m) in Iterationsschritten m nach dem im folgenden beschriebenen Algorithmus, der ein Specialfall des Kalman-Filter-Algorithmus ist, zu den

Steuerkoeffizienten q_ik (wobei i'=l, 2,... N; k = 1,2,...N).

Der Kalman-Filter-Algorithmus ist in dem Aufsatz von R. E. Kalman, »A New Aproach to linear FiI-

tering an Prediction Problems«, Transactions of the ASME, Series D, Journal of Basic Engineering, März I960, S. 35 bis 45, erläutert.

Das Verfahren, nach dem die als Rechenwerk ausgeführte Steuereinrichtung 10 arbeitet, geht von folgenden Bildungsgesetzen aus:

Der Vektor W wird aus den Signalen W₁... w_N gebildet zu

W^T = (W₁... w_N) , (T = transportiert). Die quadratische N · iV-Matrix A wird gebildet zu

Als Zwischengröße in dem nachstehend aufgeführten Algorithmus tritt die N-N-Matrix P auf, deren Glieder P_n ... p_NN ^em Maß für die bereits erzielte Einstellgenauigkeit der Stellglieder 61... 69 darstellen. Außerdem wird der Skalar S eingeführt, von dem die Größe S_n das bei der vorhergehenden Iteration m — \ gewonnene Maß für die gemittelte Lei- stung des Störsignals η darstellt. Die Größe Z stellt eine über mehrere Schritte gemittelte, geschätzte Leistung des Störsignals η dar, wobei die Anzahl der Schritte, über die die Größe Z_n gemiittelt wird, durch die Konstante / festlegbar ist. Zweckmäßigerweise

to wird ungefähr / = 0,2 gewählt, was einer Mittelung der Größe Z_n über 5 Schritte entspricht; jedoch ist die Konstante / grundsätzlich im Bereich 0</<l frei wählbar. Die Größe SW ist ein Schwellwert und ist größer als 1 zu wählen.

Für die Ermittlung der Matrix Q für die Steuerkoeffizienten ^₁₁... q_NN lautet der Algorithmus mit dem Index m als Nummer der Iteration:

Z_n = S_n +f- [e*(i_m) - .Sp(A_nP_n) -S_n] O < / < 1

O fur Z_n < O

_{1 +} i= i eHt_m)-Sp(A_nP_n) imZ_m>SW-S_n SW > 1 ' sonst

S_n+1

Der vorstehend verwendete Operator Sp (Sp können. Die Nichtdiagonalelemente p_lk (i φ k) kön- = Spur), angewandt auf eine beliebige N-TV-Matrix nen z. B. durch p_tt = 0 angesetzt werden. R = (r_tt); ist durch 35 Schließlich lautet der Algorithmus für die Ermitt

lung des Vektor C, gebildet aus den Stellgrößen C₁... c_N:

SpR =

definiert, d. h., die Spur einer (quadratischen) Matrix ist die Summe ihrer Diagonalelemente. " Zu Beginn der Iteration (m = 0) muß ein Anfangswert S_e > 0 festgelegt werden, der günsttgerweise auf S₀ = 0,4 gelegt werden kann. Außerdem müssen Anfangswerte für die Koeffizienten p_u ...p_NH der Ma-

Die Durchführung der Verfahrensschritte zur Ermittlung der Stellgrößen ^...C_n geschieht bei dem beschriebenen Ausfuhrungsbeispiel im wesentlichen durch die Multiplizierer 311... 319, ..., 391... 399. Die diesbezüglichen Verfahrensschritte können jedoch bei einem Echokompensator ohne eigens vorgesehene Multiplizierer 311... 399, Summierer 41

trix P₉ festgelegt werden, welche ρ_α> 0 sein müssen ... 49 und Integrierglieder 51... 59 auch von dei

Steuereinrichtung 10 mit durchgeführt werden.

und zweckmäßigerweise auf p_u = l/N gelegt werden

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

erreicht werden kann, da die Einstellgeschwindigkeit

Patentanspruch: auf Grund der vorerwähnten Störungen in mäßigen

Grenzen gehalten werden muß.

Echokompensator für ein Nachrichtenüber- Weiterhin ist ein Echokompensator der eingangs tragungssystem mit einem Zweidraht-Vierdraht- 5 genannten Art durchι die deutsche Offentegungsschnft Übergang, bei dem ein von den Signalen der an- 2 063 183 bekannt. F ι g. 4 dieser Offenlegungsschnft kommenden Richtung des Vierdrahtweges ge- zeigt eine Anordnung, bei der das Verzweigungsnetzspeistes Verzweigungsnetzwerk mit einer Reihe werk durch eine Verzögerungsleitung 91 und die von Ausgängen, die Systemen mit untereinander Multiplizierer durch Kreuzkorrelatoren 97 realisiert linear unabhängigen Impulsantworten entspre- io sind. Der Steuereinrichtung fur die digitale Berechchen, vorgesehen ist, deren Ausgangssignale je nung der Änderungsschntte der Koeffizienten der über ein Einstellglied einem Summierer zugeführt Einstellglieder 98 werden hierbei nicht nur zeitlich sind, dessen Ausgangssignal als simuliertes Echo- nacheinander die Ausgangssignale der Kreuzkorresignal im subtrahierenden Sinn den Signalen der latoren 97, sondern auch die Ausgangssignale von abgehenden Richtung des Vierdrahtweges züge- 15 Autokorrelatoren 96 zugeführt, welche die Autosetzt ist, wobei jedes Einstellglied durch das inte- korrelationskoeffizienten zwischen den Ausgangsgrierte Ausgangssignal einer das jeweilige Aus- Signalen der Verzögerungsleitung 91 und dem ersten gangssignal des Verzweigungsnetzwerkes und das Ausgangssignal der Verzögerungsleitung 91 bilden. Restechosignal in der abgehenden Richtung des Hierdurch ist es der Steuereinrichtung möglich, das Vierdrahtweges multiplizierenden Einrichtung 20 Maß des Erfolges von berechneten, aber noch nicht einstellbar ist, dadurchgekennzeichnet, durchgeführten Änderungsschritten zu ermitteln und daß jede der multiplizierenden Einrichtungen die deren Durchführung zu unterbinden, solange das Summe der Ausgangssignale einer Reihe von Maß des Erfolges durch Störungen negativ bleibt,
je einem Ausgang des Verzweigungsnetzwerkes Aufgabe der Erfindung ist es, einen Echokompenzugeordneten Multiplizierern (311 ... 319 bzw. 25 sator der eingangs genannten Art anzugeben, der ein 391... 399) bildet, von denen jeder Multiplizie- besser konvergierendes Einstellverhalten als bekannte rer das zugehörige Ausgangssignal (w,) des Ver- Echokompensatoren zeigt.

zweigungsnetzwerkes mit dem Restechosignal (e) Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-

und mit einem Steuerkoeffizienten (q,_k) multipli- löst, daß jede der multiplizierenden Einrichtungen

ziert, welcher von einer Steuereinrichtung (10) 30 die Summe der Ausgangssignale einer Reihe von je

erzeugt wird, der die Ausgangssignale (w,) des einem Ausgang des Verzweigungsnetzwerkes zuge-

Verzweigungsnetzwerkes (21... 29) und das ordneten Multiplizierern bildet, von denen jeder

quadrierte Restechosignal (e²) zugeführt werden. Multiplizierer das zugehörige Ausgangssignal des

Verzweigungsnetzwerkes mit dem Restechosignal und 35 mit einem Steuerkoeffizienten multipliziert, welcher