DE2245542A1

DE2245542A1 - Vorrichtung zur echounterdrueckung

Info

Publication number: DE2245542A1
Application number: DE2245542A
Authority: DE
Inventors: Samuel J Campanella; Jun Michael Onufry; Henry G Suyderhoud
Original assignee: Comsat Corp
Current assignee: Comsat Corp
Priority date: 1971-09-20
Filing date: 1972-09-16
Publication date: 1973-03-29
Also published as: FR2153340A1; GB1361739A; CA959983A; JPS4839108A; US3780233A; NL7212368A; FR2153340B1; SE382897B; IT975018B

Description

Dipl.-Ing. Hans Meissner
Dipl.-Ing. Erich Bolte
28 Bremen Sievogtstraße 21, Telefon 34 2010

Communications Satellite Corporation Washington, D. C/ UDA

Vorrichtung zur Echpunterdrückung

Die Erfindung betrifft eine' Vorrichtung zur Echounterdrückung mit einer Transversalfiltereinrichtung zur Durchführung der Faltung eines Eingangesignals auf einer Empfangsleitung und einer Nachbildung der Impulsantwort eines Echoweges, um eine Annäherung eine? Echo sign·'. Is zu erzeugen, welches von dem wirklichen iichositrnal auf der Sendeleitung subtrahiert werden kann und pinen Anpassungssteuerkreic, der auf das restliche Echo, welches sich aus der Subtraktion ergibt, anspricht, um die Nachbildung der Inipulsantwort, die in dem Transversalfilter gespeichert wird, auf dem letzten Stand zu halten.

Es ist bekannt, daß Gabelschaltungen, welche zweidrähtige mit vierdrähtigen Schaltkreisen verbinden, keine echofreie Kopplung zwischen den Empfangs- und Sendeleitungen des vierdrahtigen Schaltkreises erreichen. Ein Teil des Signals auf der Empfangsleitung, insbesondere Tonsignale, gelangen zur Sendeleitung und treter dort als ein Echosignal auf.

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Wenn das vierdrähtige System für Fernsprechverbindungen über Unterwasserkabel oder Fernsprecheatelliten verwendet wird, kann das Echosignal besonders störend sein.

Es werden bereits Echounterdriicker allgemein zur Beseitigung der Echos verwendet, die durch Fehler in der Gabelschaltung oder anderen Echowegen auftreten, indem das Sendeleitungssignal gedämpft wird. Eine Gruppe derartiger Unterdrücker arbeitet in der Weiseι daß die Sendoleitunß stets dann unterbrochen wird, wenn auf der Empfangslei tune ein Tonpegelsignal festgestellt wird. Hierdurch wird das Echo beseitigt, jedoch auch die Tonsignala, die von dem örtlichen zweidräatigen Kreis ausgehen, wodurch die abgehende Unterhaltung abgeschnitten wird. Um die Unterbrechung der Sendeleitung zu verringern, die nonnalerweise durch Tonsignale auf der Empfangsleitung verursacht wird, wenn die Tonsignale gleichzeitig von den zweidrähtigen Kreisen ausgehen, z.B. wenn die Sprecher an beiden Enden gleichzeitig reden, ist es üblich, einen Doppelsprechdetektor zu verwenden. Wenn jedoch der Spreche!¹ an dem örtlichen zweidrähtigen Kreis relativ zum Sprecher an dem entfernten Ende leioe spricht," so kann "das stärkere Tonsignal auf der Empfangsleitung den Betrieb des Doppelsprechdetektors verhindern, wodurch die Sendeleitung unterbrochen und das Gespräch auf der* * Sendeleitung abgeschnitten wird. Wenn der Doppelsprechdetektor korrekt arbeitet, wird das Echo während eines zweiseitigen Gespräches nicht verhindert, sondern dem nächstgelegenen Sprecher übertragen.

Eine neuere Gruppe von Vorrichtungen zur Lösung dea Echoproblems sind als Echounterdrücker bekannt· Ein Echounterdriicker unterbricht nicht die Sendeleitung, sondern erzeugt eine Annäherung y (t) dee Echos y (t) und subtrahiert diese von dem auf der Sendeleitung auftretenden Signal.

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Das auf der Sendeleitung während des zweiseitigen Gespräches verbleibende Signal ist S (t) + e (t), wobei S (t) das örtliche Tonsignal und e (t) den restlichen Fehler bedeuten, der dadurch verursacht wird, daß y (t) nicht genau gleich y (t) ist.

Die Grundlage der Wirkungsweise eines Echounterdrückers besteht darin, daß der Echoweg als ein Filter betrachtet werden kann, welches der folgenden Beziehung genügt:

y(t) « / f(t -

Hierbei bedeuten f (t) das Signal, welches dem Echoweg zugeführt wird, k (Γ) die Inpulsantwort des Echoweges und y (t) das Echo.

In einer besonderen Verwirklichung der oben aufgeführten Gleichung werden digitale Schaltkreiße verwendet. Ein X-Speicher speichert die digital dargestellten Gruppen des ankommenden Signals X (t) über eine Periode T, und ein H-Hegister speichert eine digitale Darstellung der Impulsantwort des Echoweges. Beide Speicherungen laufen um, jedoch wird die älteste Gruppe in dem X-Speicher ersetzt, und zwar jede Gruppenperio'de, durch eine neue Gruppe des Signals X (t). Auf die Inhalte der zwei Speicher wird eine digitale Faltung ausgeübt - die Inhalte werden multipliziert, und zwar Gruppe für Gruppe, und die Produkte summiert - wodurch eich eine Annäherung y (t) an das Echo ergibt. In einem Falle wird die Impulsantviort des Echowegee in dem Η-Speicher gespeichert, indem die Such- und Abfrageimpulstechnik angewendet wird. Das bedeutet, daß, nachdem die Schaltverbindung, zwischen der anrufenden und der angerufenen Station horgentellt worden ict, jedoch noch bevor die

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Unterhaltung beginnt, ein künstlicher Such- oder Abfrageimpuls auf die Empfangsleitung gegeben wird. Oer ImpulB geht über den Echoweg und das sich ergebende Signal auf der Sendeleitung ist die Impulsantwort dee Echoweges. Die Impulsantwort wird über die Periode T abgetastet, digital dargestellt und in dem Η-Register gespeichert.

Wegen einer Anzahl von Gründen, einschließlich der. Tatsache, daß die impulsantwort des Echowegeβ nicht konstant ist, ist die Suchimpuls te chjoik nicht befriedigend. Die neuesten Unterdrücker errechnen fortlaufend eine Impuleantwort, welche den mittleren quadratischen Fehler zwischen y (t) und y (t) auf ein Minimum bringt. Insbesondere umfasst der Schaltkreis einen Anpaesungseteuerkreis, der auf den restlichen Fehler e (t) und auf daß empfangeseitige Signal χ (t) anspricht, um die Sattelpunkttechnik Eu verwirklichen, indem die N-Gruppen des H-Speichers Über eine Zunahme oder Abnahme Jeder Gruppe um einen vorgegebenen Betrag korrigiert werden» Nach der Konvergenz, d.h. der Erzielung eines minimalen Fehlere oder Echos stellen die Inhalte des H-SpeicherB die Impulsantwort des Echoweges in digitaler Form dar. Die Zeit der Konvergent und die Amplitude dee restlichen Echos e (t) sind wichtige Charakteristiken bei jedem Echounterdrücker·

Die Arbeitsweise innerhalb des Echounterdrückerβ verläuft linear, da dieser eine Realteitfaltung der zwei Signale χ (t) und h (t) durchführt. Der oben beschriebene Echounterdrücker wird gemäß der Erfindung dadurch verbessert, daß nichtlineare Elemente hinzugefügt werden, ohne daß die lineare Durchgangsleistung herabgesetzt wird.

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Gemäß der Erfindung werden an sich bekannte Silbenkompandoren (Dynamikpresser und -dehner) verwendet, um eine schnellere Konvergenz und ein geringeres Restecho zu erzielen. Das ankommende Signal wird gepresst, bevor es dem digitalen Transversalfilter zugeführt wird. Das Signal auf der Sendeseite der Gabelschaltung wird ebenso gepresst, bevor es dem Anpassungssteuerkreis zugeführt wird. Das gepresste Eingangssignal erlaubt eine nahezu optimale" Leistung des digitalen Transversalfilters und das gepresste Echo bewirkt ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis zur Betätigung des Anpassungsßteuerkröiseß. Die Dehner wandeln die gepressten Signale wieder in ihren ursprünglichen Zustand um, damit sie von der rufenden und gerufenen Station gehört werden können.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele dargestellt Bind, näher erläutert. Hierbei zeigen:

Figur 1 ein Blockschaltbild eines an sich bekannten Echounterdrückers, welcher durch die vorliegende Erfindung verbessert wird;

Figur 2 ein Blockschaltbild eines verbesserten Echounterdrückers gemäß vorliegender Erfindung;

Figur 5 eine graphische Darstellung zum Verständnis der verbesserten Echoverlustverstärkung gemäß der Erfindung;

Figur 4- eine graphische Darstellung der Konvergenz, aufgetragen über der Anzahl gesprochener Worte und

Figur 5 ein Blockschaltbild, eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.

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Das in Figur 1 v/iedergegebene Blockschaltbild stellt einen Echountordrücker der bekannten Art dar. Der vierdrähtige Schaltkreis welcher eine Empfangeleitung 10 und eine Sendeleitung 12 aufweist, iat mit dem zweidrähtigen Schaltkreis 14 über eine GabelSchaltung 16 verbunden. Der Echoweg ist definiert als der Wog von der Empfanga-Ausßnngsseite über die Gabelschaltung 16 zur Sende-Einganganeite des Echounterdrückere. Die zwei Hauptkomponenten des Unterdrückers bestehen aus einem digitalen Transversalfilter 18 und einem Anpaasungesteuerkreis 20.

Das digitale Transversalfilter 1Θ weist einen Analog-Digital-Wandler 32 auf, der die ankommenden Signale X (t) nach der "Nyquist-Bemessung" gruppiert und jede Gruppe in ein η-bit Digitalwort umwandelt, ein I-Speicherregister, welches N Gruppen von X (t), x_A bis x« speichert und ,jede Gruppenperiode einmal umlauf tu läset, einen H-Speicherregister, der N digitale Wärter h,. bis hjj speichert, welche die Echowegimpulsantwort darstellen, eine Multiplizierschaltung 28 zum Multiplizieren von x_i mit h_i und eine Summierschaltung 30 zum Summieren des Ausganges der Multiplizierschaltung über die Gruppenperiode. Das Ausgangssignai des Sumaierkreises 30 stellt eine Näherung y Ct) des Echos y (t)

Der H-Speicher 26 ist anfangs hj« 0, wobei i ■ 1,2,3···Ν ist. Die digitale Konvergenz wird durch den Anpaeeungesteuerkreiß 20 erreicht, welcher folgende Kreiee aufweist: einen Gruppen- und Halteschaltkreis 44 zur Gruppierung des Echos y (t), welches auf der Sendeleitung 12 auftritt, einen Differenzverstärker 42 zum Empfang von y (t) und y (t) und zum Ableiten des restlichen Echos e (t), einen Δλ Schwellwertkreis 40 zur Bestimmung, ob je (t)| sich oberhalb einer minimalen Amplitude I^ - j befindet und zur Erzielung eines Auagangssignals, welches das Vorzeichen von e (t) anzeigt, wenn je (t)| den Schwellwert überschreitet, einen

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&* Schwellwertkreis 36 zur Feststellung, ob Jx. j den Schwellwert |Δ^ j überschreitet und zur Erzielung einer Anzeige des Vorzeichens von χ. , wenn der Schwellwert überschritten wird, einen Vorzeichenproduktdetektor zur Erzielung eines Ausgangesignals, welches das Vorzeichenprodukt von Xj und e Ct) anzeigt, eine Addierechaltung 34 zur Addition oder'Subtraktion eines Zuwachsbetragee Ah. «u der Gruppe hj, um die neue Gruppe h.> * h^ ^Ah^ zu bilden.

Um zu verhindern, daß der Anpassungssteuerkreis auf ß (t) + e (t) anspricht, was vorkommt, wenn S (t) und X (t) gleichzeitig auftreten, kann ein herkömmlicher Doppelsprechdetektor 22 verwendet werden. Der Detektor 22 wird jedoch nicht in herkömmlicher Weise verwendet, um die Sendeleitung zu unterbrechen, sondern wird dazu verwendet, den Anpassungssteuerkreis zu öffnen, wie durch das Bezugszeichen 46 allgemein angedeutet ist. Es sei bemerkt, daß dann, wenn der Anpassungssteuerkreis 20 geöffnet ist, das Signal y (t) weiterhin von S (t) + y (t) subtrahiert wird, jedoch wird der Η-Speicher nicht weiter auf dem laufenden gehalten.

In den oben beschriebenen Unterdrückern haben die Werte von Δ,, undÄo •praktisch tiefere Grenzen wegen ihrer Beziehung eowblil zur Geschwindigkeit der Konvergenz zum minimalen Echo, als auch der Stabilität des Konvergenzalgorithmus, der das Sattelpunktverfahren anwendet. Ein kleiner Wert von Λ* erhöht die Konvergenzgeschwindigkeit und ein kleiner Wert von Δ ρ verringert den restlichen Echopegel zusätzlich zur Erhöhung der Geschwindigkeit. Praktische Grenzen jedoch werden durch die Tatsache auferlegt, daß falsche , Korrekturen in dem Schaltkreis vorgenommen werden können, der den Speicher auf den letzten Stand halt und können die Stabilität beeinträchtigen, wenn geringe Signalpegel relativ zum Kauechsignal vorliegen. Kleine Werte für£ ^ und ^₂ sind daher theoretisch erwünscht. 309813/0860

Durch die vorliegende Erfindung werden diese Begrenzungen wesentlich verringert! wodurch, eich eine erhöhte Verstärkung der Echoverluete in einer kurieren Zeit ergeben.

In der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform ist der an sich bekannte Unterdrücker im wesentlichen durch die Blöcke dargestellt, welche die gleiche Bezifferung wie diejenige^ in Figur 1 tragen. Der "Doppelsprechdetektor ist nicht dargestellt, er kann jedoch verwendet werden, um den Anpaseungesteuerkreis zu gewissen Zeiten zu unterbrechen. Die Verbesserung gemäß vorliegender Erfindung umfasst die Hinzufügung einer an sich bekannten Art von Kompondoren (Dynamikpresser und -dehner) zu den Empfange- und Sendeleitungen. Gemäß der Erfindung befindet eich ein ßilbenpresser 50 und ein Silbendehner 52 in der Empfangsleitung und ein ßilbenpresser 54- sowie ein Silbendehner 56 in der ßendeleitung. Der Presser 50 presst X (t)_fum X-(t) in bekannter Weiße zu bilden. Das letztere Signal wird eic Eingangssignal dem Digitaltransversalfilter zugeführt. In ähnlicher Weise wird das Echo y (t) gepresst, um y (t) zu bilden, wobei das letztere dem Differentinlverßtärker des Anpasßungssteuerkreioes 20 zugeführt wird. Ferner iot yV (t) das Ergebnis der Faltung von x„(t) mit einem abgewandelten Modell der Impulsfunktion der Echowegantwort, die mit h_A(t) bezeichnet ist. D-is abgewandelte Modell h„ (t) reflektiert den Einschlucs des Dehnero 52 und dea Pressers 5^ zum Echowes, welcher im wesentlichen noch linear ist.

Die Durchgangsubertragunc der ^wünschten Sprechsignale bleibt in beiden Kichtungen unverändert, da ,einer Pressung vor der übertragung der gewünschten ßprechsignale im die örtliche oder entfernt liegende Station eine Dehnung folgt. Es ergibt sich jedoch

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eine Verringerung des Rauschens, das im Innern durch den Unterdrücker erzeugt wird. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung erhöht die Konvergenzgeschwindigkeit für ein Echosignal mit einem minimalen Pegel. Dies hängt damit zusammen, daß das Ausgangssignal X (t) des Pressers 5>0 ein Signal mit einer begrenzteren Amplitudenverteilung darstellt als dasjenige von X (t). Da X (t) schwollwertmäßig in dem Anpassungssteuerkreic ermittelt wird, wird die Frequenz, mit der ein vorgegebener Schwellwert überschritten wird, relativ konstant sein» sogar mit WeitenänderunEen hinsichtlich des Pegels von X (t). Hierdurch wird eine nahezu optimale Arbeitsweise deo Anpassungskreises ermöglicht.

Ferner wird die Verlustverstärkung der Echonntwort - die Verringerung des Echopegels auf Grund der Wirkung des Unterdrückers - erhöht und es wird ein weiter dynamischer Bereich des Erapfr-ngssignals χ (t) erzielt. Lies ist das Ergebnis von drei Paktoren. Das Echosignal ρ (t) ist relativ schmal, jedoch ist das Signal y„ (t) nach der Pressung merklich größer. Das größere y„(t) erzwingt, daß die modifizierte Impulsantwort i? (t) größer wird, so daß in einem günstigeren S/N-Bereich gearbeitet wird. Da'ferner 7„ (Ό eine begrenztere Amplitudenverteilung aufweist als y (t), ist der Betrag der Unterdrückung in der Nähe des Optinums gleichförmiger als eine Funktion des Signalpegels. Schließlich iet das restliche Echo e (t) nach der Unterdrückung relativ schmal und da es zwischen dem Presser f>4 und dem Dehner 56 entsteht, wird der gesamte Vorteil der Presser- und Dehnerwirkung erzielt, eo daß rieh cogar ein geringeres Echosignal e (t) am Ausgang des Dohners 56 ergibt.

Dac folgende numerische Beipriel verdeutlicht die erhöhte VerlustverStärkung der Dchoantwort auf Grund

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des !Compandors in der Sendeleitung. Es sei angenommen, daß die Pegelkennlinien des Preesera und des Dehners genäß Figur J verlaufen. Ferner sei angenommen, daß ein Fernrprechteilnehiner mit einer mittleren Leistung von -17 dBnO spricht, d.h. X (t) - 17 dBraO. Wenn sodann forner angenommen wird, daß der Verlust der Echoantwort des Echoweges 9 dB beträgt, so ist der Wert den Echoricnals Ϊ (t) am Eingang des Presßers 5^· * -26 dBmO. Hierdurch ergibt sich ein gepresstes Echosignal y (t) von -10 dBmO. Wenn der Unterdrücker das Signrl um 20 dB auf -JO dBmO verringert, dann beträgt das Signal e (t) an der Aucpangsseite des Dehners 76 -56 dBmO. Ohne den Eonpandor würde der Wert von. e (t) -4G dBmO betragen. (PO dB entfernt vom Eingnngepegel sum Unterdrücker, -?6 dBmO). Somit wird eine Verbesserung der Unterdrückungsverstärkunc von 10 dB durch den !Compandor erzielt· Die Verbesserung von 10 dB stellt eine zurückhaltende Schätzung dar, weil dor !Compandor (Preeeer und Dehner) zusätzlich die Wirksamkeit des Unterdrückungsvorganges, wie oben beschrieben, verbessert.

Ein Echounterdrücker mit Konpandoren, wie in Figur 2 dargestellt, wurde mit dem gleichen Unterdrücker ohne Kompandoren verglichen. Die Konvergenz wurde als Funktion der Anzahl der gesprochenen Worte genessen und in Figur 4 für einen 6 dB flachen Echoweg eingetragen. Wie ersichtlich ist, ist die Unterdrückungsveretärkung nach der Äußerung von nur einen Wort mehr als verdoppelt und die endgültige Verstärkung ist zweimal so groß wie der Wert, welcher ohne die Anwendung der vorliegenden Erfindung erzielt wird.

In Figur f· iist eine weitere AusfiihrungBform äev' Er findung dargestellt. Diese Ausführungsform hat einen Donner weniger. Das Empfangsεign^l X (t) wird einem Gubelkreiß b

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zugeführt, der dieceo leistungsraäßig aufteilt und
dem Presser 50 ein gedämpftes X (t) zuleitet. Ein" Verstärker 55 stellt den Pegel von X (t) wieder her, um den zweidrähtigen Kreis 14 über die Gabel scheltung 16 mit diesem Signal zu beaufschlagen. Der zusätzliche Dehner iet somit nicht erforderlich, da eich auf der Leitung zur Gabelschaltung 16 ein ungeprecstes Signal X (t) befindet. .

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Claims

Patentansprüche

■Vorrichtung zur Echounterdrückung nit einer Transversalfiltereinrichtung zur Durchführung der Faltung eines EinganGseignals auf einer Empfangsleitung und einer Nnchbildung der Impulsentwort eines Echowegeε, um eine Annäherung eines Echoeignais zu erzeugen, welches von dem wirklichen Echosignal auf der Sendeleitung subtrahiert werden kann und einem Anpassungssteuerkreiß, der auf das restliche Echo, welches eich aus der Subtraktion ergibt, anspricht, un die Kachbildung der Inpulsantvort, welche in d#m Troneversalfliter gespeichert wird, auf dem letzten Stand zu halten, dadurch gekennzeichnet, daß

a) mit der Sendeleitung eingangsseitig zum Subtraktions-• kreis (20) Einrichtungen (^ΓΛ) zur JDeistungeerhöhühg des Echosignals verbunden εΐηά, und

b) mit der Sendeleitung aucgangsseitig zum Subtraktionskreis (20) Einrichtungen (S6) zur Leietungsverringerung des rertlichen Echos verbunden sind.

Vorrichtung zur Echounterdrückung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da£ zwischen der Empfangsleitung und den Transversalfilter (18) Einrichtungen (J>Q) zur Verringerung der AopIitudenverteilung des EingHnGssignole vorhanden sind.

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Vorrichtung zur Echounterdrückung nach Anspruch 1 oder ' dadurch c e k e- η η ζ e I c h η e t, daß die Einrichtung zur Erhöhung der Leistung aus einem Silbenpresser (5-4) und die Einrichtung zur Verringerung der Leistung aus einen Silbendehner (56) besteht, welcher eine umgekehrte Eingangs/Ausgange-kennlinie des Pressers aufweist.

Vorrichtung zur Echounterdräckung nach Anspruch 1,2 oder 5, dad u r c h g e, k e η η ζ e i c h η e t, daß in der Empfangsleitung vor dem Punkt, von dem aue die Signale auf der Empfangeleitung dem Transversalfilter (16) zugefährt werden, ein Presser (50) vorhanden ißt und daß gich in der Enpfnngsleitungunmittelbar hinter dem Punkt, von dem aus die Signfile . auf der Empfangsleitung dem Transversalfilter (18) zugeführt werden, ein Dehner (5?) vorhanden ist,, wobei der zweite Silbenpreeser (5G) und der zweite Eilbendehner (52) umgekehrte Eingangs/AusganEskennlinien eufweieen.

Vorrichtung zur Echounterdrückung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leistungsteiler (53) in der Empfangsleitung vor-» handen ist, welcher zwei gedämpfte Nachbildungen der Signale erzeugt, die auf der Empfangsleitung auftreten und daß ein zweiter Giblenprescer(50)mit dem Leistungsteiler (53) einerseits und dem Transversalfilter (18) anderercpits vorhanden ist, um das Signal vom Leistungsteiler C3) zu pressen und aris gepresste Signal dem Transversalfilter (10) zuzuführen.

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