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Echokompensationsschaltung zur Auslöschung von Echos auf Fernsprechleitungen
Die Erfindung betrifft eine Echokompensationsschaltung für Fernsprechverbindungen
über Zweidraht-Vierdrahtleitungen, bei der das Echo durch uberlagerung eines mit
Hilfe eines einatellbaren Transversalfilters aus dem das Echo erzeugenden Sprachsignal
abgeleiteten gegenphasigen Signale ausgelöscht wird.
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Die als Echokompensator bezeichnete Schaltung bezweckt die Auslöschung
von Echos auf Fernsprechleitungen; durch sie wird ein Ebenbild des Echos - im folgenden
Kompensationsecho genannt - erzeugt und von dem Echo auf der Fernsprechleitung subtrahiert.
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Das Prinzip des Echokompensators und seine Vorteile gegenüber den
bekannten Differentialechosperren sind beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung
P 20 11 669.2 vom 12.3.1970 beschrieben. Die Einfügung der Echokompensatoren in
eine Weitverkehrsverbindung zwischen zwei Teilnehmern A und B neigt Figur 1 . Das
in dem Echokompenaator enthaltene Traneversalfilter muß bei jeder Gespräohsverbindung
mit Hilfe des Sprachsignale x(t) auf die obertragungaeigenachaften
des
Echopfades eingestellt werden. EB zeigt sich, daß die Güte des Kompensatorabgleichs
von den statistischen Eigenschaften des zum Abgleich verwendeten Signals abhängt
und daß das günstigste Abgleichsignal weißes bzw. bandbegrenztes weißes Rauschen
ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den automatischen Kompensatorabgleich
mit Sprachsignalen wesentlich zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß dem Echokompensator am Empfangsrichtungseingang und am Senderichtungseingang
Je ein lineares Filter mit der ÜbertragungßfunkticnFvrgeachaltet wird, mit denen
die statistischen Eigenschaften des Sprachßignals an die des bandbegrenzten weißen
Rauschens angeglichen werden. An den Eingängen des Echokompensators werden also
lineare Filter vorgesehen (siehe Figur 2), die die statistischen Eigenachaften des
Sprachsignals an die des weißen Rauschens angleichen und so den automatischen Abgleich
des Echokompensators mit Sprachsignalen verbessern und dadurch eine höhere Kompensationsdämpfung
erzielen. Da das Filter im Sendewegeingang SE außer dem Echo auch die Sprache des
Teilnehmers A linear verzerrt, wird nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung
am Sendewegausgang SA ein zum Filter invers es Filter mit der Übertragungsfunktion
F 1 vorgesehen, das die Verzerrung vom Eingangsfilter aufhebt.
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Die unterschiedlichen statistischen Eigenschaften des weißen Rauschens,
des bandbegrenzten weißen Rauschens und der Sprache in drei Bereichen zeigt Figur
3. Die Angleichung des SprachsignslB an das bandbegrenzte weiße Rauschen kann in
allen drei Bereichen erfolgen, und zwar durch Veränderung der Autokorrelationsfunktion
(AKF) mit Hilfe eines Dekorrelationsfilters, durch Beeinflussung des Leistungsspektrums
mit Hilfe eines Formfiltere oder durch Veränderung der ik:mplitudenstatistik mit
Hilfe einer nichtlinearen Verstärkerkennlinie.
Die drei Möglichkeiten
werden im folgenden näher beschrieben, die dritte Möglichkeit ist jedoch nicht Gegenstand
dieser Erfindung.
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Die auf den Wert bei t = 0 normierte AKF des weißen Rauschens hat
den Wert 1 zum Zeitpunkt @ = 0, während die sin x des bandbegrenzten weißen Rauschens
einen # - Verlauf x aufweist. Bei einer oberen Grenzfrequenz des bandbegrenzten
Rauschens von #0 und einer Abstastung des Signals im Abstand # # #= ist die AKF
des bandbegrenzen Reuschens ebenso #0 wie die des weißen Rauschens zu den Abtastzeitpunkten
m# gleich Null, d.h. die Abtastwerte sind statistisch unabhängig voneinander. Diese
Signaleigenschaft bewirkt, daß sich die Koeffizienten des Transversalfilters beim
Abgleich mit weißem oder bandbegrenztem weißen Rauschen unabhängig voneinander abgleichen.
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Die AKF der bandbegrenzen Sprache zeigt nach Figur 3 eine relativ
starke Korrelation zwischen den Abtastwerten, die zu einer gegenseitigen Beeinflussung
der Koeffizienten führt, wenn der Echokompensator mit Sprachsignalen abgeglichen
wird. Die Abhängigkeit der Einstellung eines Koeffizienten von der Einstellung aller
anderen Koeffizienten führt zu einem langsameren und ungenaueren Abgleich. Mit Hilfe
eines Dekorrelationsfltters lassen sich die gegenseitigen Abhängigkeiten zwischen
den Abtastwerten des Sprachsignals beseitigen oder zumindest reduzieren.
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Das Prinzip der Dekorrelation beruht darauf, aus vorhergehenden Abtastwerten
eines Signals einen Schätzwert XS'm für den momentanen Abtastwert xm abzuleiten
und von diesem zu subtrahieren. Auf diese Weise wird der aufgrund der bekannten
statistischen Bindungen vorhersagbare Anteil aus dem Sprachsignal entfernt, und
am Ausgang des Dekorrelationsfilters erscheint der vom Sprecher und von dem
gerade
gesprochenen Sprachlaut bestimmte regellose Anteil xr,m : xr,m = xm - xS,m.
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Figur 4 a zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Dekorrelator.
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In Figur 4 b ist das Prinzip des Prädiktorn zur Bildung des Schätzwertes
XS m aus den vorangehenden M Abtaatwerten des Sprachsignals Xm dargestellt. Er besteht
aus einem Transversalfilter mit M Verzögerungsgliedern # und M Koeffizienten a1
... aM' mit denen die vorangehenden M Abtastwerte bewertet werden. Die optimale
Einstellung der Koeffizienten läßt sich aus dem Verlauf der normierten AKP der Sprache
bestimmen.
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Figur 4 c zeigt das Prinzip des zum Dekorrelationsfilter inversen
Filters, in dem das ursprüngliche Signal xm durch die Summation über M gewichtete
Werte der regellosen Signalfolge Xr ,m rekonstruiert wird. Der Prädiktor hat die
gleiche Form wie in Figur 4 b.
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Im folgenden wird die Angleichung des Sprachsignals an das bandbegrenzte
Rauschen mit Hilfe eines Formfilters im Frequenzbereich beschrieben. Wie auf Figur
3 dargestellt, ist das Leistungsspektrum des bandbegrenzten Rauschens im Bereich
0####0 konstant, während das des Spracheignals zu den hohen Frequenzen hin stark
abfällt. Zur Angleichung des Sprachspektrums an das des bandbegrenzten Rauschens
muß das Formfilter F daher eine Höhenanhebung bewirken, die umgekehrt proportional
zum Sprachspektrum verläuft. Das Umkehrfilter FI1 muß eine entsprechende Höhenabsenkung
bewirken. Da das Leistnngsspektrum durch die Fouriertransformation mit der Autokorrelationsfunktion
verknüpft ist, hat die Höhenanhebung die gleiche Wirkung wie die Dekorrelation.
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Die dritte Mgglichkeit der Signalangleichung resultiert aus den Unterschieden
in der Amplitudendichtefunktion (ADF) nach Figur 3. Während das bandbegrenzte Rauschen
eine gaußförmige ADF hat, kann die ADF dee Spraohsignals durch eine
r
-Verteilung oder eine Exponentialfunktion angenähert werden. Wesentliches Merkmal
dieser Verteilung ist die im Vergleich zur Gaußverteilung relativ große Häufigkeit
der kleinen und der großen Amplitudenwerte. Eine Annäherung an die Gaußverteilung
kann durch eine amplitudenabhängige Verstärkung des Sprachsignale erfolgen (hohe
Verstärkung kleiner und geringe Verstärkung großer Amplituden). Die amplitudenabhängige
Verstärkung läßt sich beispielsweise mit einem bekannten Kompandersystem erzielen.
Dabei sind die linearen Filter F durch nichtlineare Amplitudenpresser und das inverse
Filter F 1 durch einen ebenfalls nichtlinearen Amplitudendehner zu ersetzen.
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Die vorteilhafte Wirkung der tompandierung auf die mit dem Echokompensator
erzielbare Kompensationsdämpfung wurde bereits an einem Labormodell nachgewiesen
und ist daher nicht Gegenstand dieser Erfindung (a. Campanella, S.J. u.a.: Analysis
of an adaptive impulse response echo canceller; COMSAT Techn. Rev., Vol. 2/1972,
H. 1). Die Kompandierung bewirkt jedoch im Gegensatz zu den beiden anderen hier
beschriebenen Verfahren, die auf einer linearen Filterung beruhen, nichtlineare
Signalverzerrungen, die sich nachteilig auf das Sprachsignal des Teilnehmers A beim
Durchgang durch die Strecke SE-SA des Echokompensatore auswirken können, Bild 5
zeigt als Beispiel die mit einem Labormodell eines Echokompensators gemessenen Frequenzgänge
der Kompenationsdämpfung aK beim obgleich mit Sprache Sp , mit Sprache und Höhenanhebung
Sp + F und mit bandbegrenztem weißen Rauschen WR . Beim Abgleich mit Sprache nimmt
die Kompensationsdämpfung zu den hohen Frequenzen stark ab. Durch die Höhenanhebung
wird eine wesentliche Dämpfungszunahme bei den hohen Frequenzen und damit nahezu
der gleiche DämpfungsYerlauf wie beim Abgleich mit weißem Rauschen erreicht.
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Auf Bild 6 sind die Frequenzgänge des Echopfades aEP' mit dem die
Kurven nach Bild 5 gemessen wurden, und die der Summe aus Kompensationsdämpfung
und Dämpfung, des: Echopfades aE +aEP für die drei Abgleichsignale dargestellt.
Während die Summendämpfung zu den hoheren Frequenzen stark absinkt, ist sie beim
Abgleich mit dekorrelierter sprache wie beim Abgleich mit weißem Raus.chen nahezu
konetant, Bild 7 zeigt die Frequenzgänge des zur Höhenanhebung verwendeten Formfilters
F und des inversen Filters F-1. Der Frequenzfang F wurde so gewählt, daß er dem
miitleren Verlauf des schraffiert eingezeichneten Streuereiches des inversen Leistungsdichtespektrums
Sxx-1 der europäischen Sprachen entspricht. Der Sxx-Bereich wurde der Arbeit "T.
Tarnoczy: Das durchschnittliche Energie-Spektrum der Sprache (für sechs Sprachen);
Acustica 24/1971, S. 58 - 74 entnommen.
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Auf Bild 8 ist schließlich der zeitliche Vrlauf der Kompensationsdämpfung
für die drei Abgleicharten dargestellt.
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Die Hohenanhebung bewirkt nicht nur einen höheren Endwert der Kompensationsdämpfung
aK,#, sie bewirkt auch einem schnelleren Abgleich.