DE2316699B2

DE2316699B2 - Echokompensationsschaltung zur Auslöschung von Echos auf Fernsprechleitungen

Info

Publication number: DE2316699B2
Application number: DE19732316699
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Ing.(Grad.) Koch; Rolf Dipl.-Ing. Wehrmann
Original assignee: Siemens AG; Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Siemens AG; Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1973-04-04
Filing date: 1973-04-04
Publication date: 1980-07-31
Also published as: DE2316699A1; DE2316699C3

Description

Die Erfindung betrifft eine Echokompensationsschaltung für Fernsprechverbindungen über Zweidraht-Vierdraht-Leitungen, bei der das Echo durch Überlagerung eines mit Hilfe eines einstellbaren Transversalfilters aus dem das Echo erzeugenden Sprachsignal abgeleiteten gegenphasigen Signals ausgelöscht wird. Eine derartige Echokompensationsschaltung ist bekannt (DE-AS 11 669).

Die als Echokompensator bezeichnete Schaltung bezweckt die Auslöschung von Echos auf Fernsprechleitungen; durch sie wird ein Ebenfild des Echos — im folgenden Kompensationsecho genannt — erzeugt und von dem Echo auf der Fernsprechleitung subtrahiert.

Das Prinzip des Echokompensators und seine Vorteile gegenüber den bekannten Differentialechosperren sind beispielsweise in der obengenannten DE-AS beschrieben. Die Einfügung der Echokompensatoren in eine Weitverkehrsverbindung zwischen zwei Teilnehmern A und B zeigt Fig.!. Das in dem Echokompensator enthaltene Transversalfilter muß bei jeder Gesprächsverbindung mit Hilfe des Sprachsignals x(t) auf die Übertragungseigenschaften des Echopfades eingestellt werden. Es 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den automatischen Kompensatorabgleich mit SDrachsignalen wesentlich zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Echokompensator am Empfangsrichtungseingang und am Senderichtungseingang je ein lineares Filter vorgeschaltet ist, mit denen die statistischen Eigenschaften des Sprachsignals an die des bandbegrenzten weißen Rauschens angeglichen werden. An den Eingängen des Echokom-

lu pensators werden also lineare Filter vorgesehen (siehe F i g. 2), die die statistischen Eigenschaften des Sprachsignals an die des weißen Rauschens angleichen und so den automatischen Abgleich des Echokompensators mit Sprachsignalen verbessern und dadurch eine höhere

π Kompensationsdämpfung erzielen. Da das Filter im Senderichtungseingang außer dem Echo auch die Sprache des nahen Teilnehmers linear verzerrt, wird nach einer Ausbildung der Erfindung am Senderichtungsausgang ein zum ersten Filter inverses Filter

.'» vorgesehen, das die durch das Filter am Senderichtungseingang hervorgerufene lineare Verzerrung des Sprachsignals des nahen Teilnehmers rückgängig macht.

Die unterschiedlichen statistischen Eigenschaften des weißen Rauschens, des bandbegrenzten weißen Rau-

>^r> schens und der Sprache in drei Bereichen zeigt F i g. 3. Die Angleichung des Sprachsignals an das bandbegrenzte weiße Rauschen kann in allen drei Bereichen erfolgen, und zwar durch Veränderung der Autokorrelationsfunktion (AKF) mit Hilfe eines Dekorrelationsfil-

Ji) ters, durch Beeinflussung des Leistungsspektrums mit Hilfe eines Formfilters oder durch Veränderung der Amplitudenstatistik mit Hilfe einer nichtlinearen Verstärkerkennlinie. Die drei Möglichkeiten werden im folgenden näher beschrieben, die dritte Möglichkeit ist

r> jedoch nicht Gegenstand dieser Erfindung.

Die auf den Wert bei τ - 0 normierte AKF des weißen Rauschens hat den Wert 1 zum Zeitpunkt τ = 0, während die des bandbegrenzten weißen Rauschens einen

-Verlauf aufweist. Bei einer oberen Grenzfre-

quenz des bandbegrenzten Rauschens von oj_o und einer Abtastung des Signals im Abstand T= ^:-- ist die AKF

des bandbegrenzten Rauschens ebenso wie die des

■Ti weißen Rauschens zu den Abtastzeitpunkten rm gleich Null, d. h., die Abtastwerte sind statistisch unabhängig voneinander. Diese Signaleigenschaf, bewirkt, daß sich die Koeffizienten des Transversalfilters beim Abgleich mit weißem oder bandbegrenztem weißen Rauschen

v) unabhängig voneinander abgleichen.

Die AKF der bandbegrenzten Sprache zeigt nach F i g. 3 eine relativ starke Korrelation zwischen den Abtastwerten, die zu einer gegenseitigen Beeinflussung der Koeffizienten führt, wenn der Echokompensator mit

T> 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 Dekorrelationsfilters lassen sich die gegenseitigen Abhängigkeiten

ω) zwischen den Abtastwerten des Sprachsignals beseitigen oder zumindest reduzieren.

Das Prinzip der Dekorrelation beruht darauf, aus vorhergehenden Abtastwerten eines Signals einen Schätzwert xs._m für den momentanen Abtastwert x_m

h^r) 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 Dekorrelatioiisfilters

erscheint der vom Sprecher und von dem gerade gesprochenen Sprachlaut bestimmte regellose Anteil

Xrjn — Xm

Fig.4a zeigt ein Ausführungsbcispiel für einen Dekorrelator. In F i g. 4b ist das Prinzip des Prädikators zur Bildung des Schätzwertes xsjn aus den vorangehenden M Abtastwerten des Sprachsignals x_m dargesteht Er besteht aus einem Transversalfilter mit M Verzögerungsgliedern τ und M Koeffizienten a\... aκι, mit denen die vorangehenden M Abtastwerte bewertet werden. Die optimale Einstellung der Koeffizienten läßt sich aus dem Verlauf der normierten AKF der Sprache bestimmen. Fig.4c zeigt das Prinzip des zum Dekorrelationsfilter inversen Filters, in dem das ursprüngliche Signal x_m durch die Summation über M gewichtete Werte der regellosen Signalfolge x_rjn rekonstruiert wird. Der Prädiktor hat die gleiche Form wie in F i g. 4b.

Im folgenden wird die Angleichung des Sprachsignals an das bandbegrenzte Rauschen mit Hilfe eines Formfilters im Frequenzbereich beschrieben. Wie auf F i g. 3 dargestellt, ist das Leistungsspektrum des bandbegrenzten Rauschens im Bereich Ο<ω<ωο konstant, während das des Sprachsignals zu den hohen Frequenzen hin stark abfällt. Zur Angleichung des Sprachspektrums an das des bandbegrenzi η Rauschens muß das Formfilter F daher eine Höhenanhebung bewirken, die umgekehrt proportional zum Sprachspektrum verläuft. Das Umkehrfilter F-' -.nuß eine entsprechende Höhenabsenkung bewirken. Da das Leistungsspektrum durch die Fouriertransformation mit der Autokorrelationsfunktion verknüpft ist, hat die Höhenanhebung die gleiche Wirkung wie die Dekorrelation.

Die dritte Möglichkeit der Signalangleichung resultiert aus den Unterschieden in der Amplitudendichtefunktion (ADF) nach Fig.3. Während das bandbegrenzte Rauschen eine gaußförmige ADF hat, kann die ADF des Sprachsignals durch eine T-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 amplUudenabhängige Verstärkung des Sprachsignals 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~^x durch einen ebenfalls nicht'.inearen Amplitudendehner zu ersetzen.

Die vorteilhafte Wirkung der Kompandierung auf die ί mit dem Echokompensator erzieMsare Kompensationsdämpfung wurde bereits an einem Labormodell nachgewiesen und ist daher nicht Gegenstand dieser Erfindung (s. Campanella, S. J., u. a.: Analysis of an adaptive impulse response echo canceller; COMSAT

ι» 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

r> beim Durchgang durch die Strecke SE— SA des Echokompensator auswirken können.

F i g. 5 zeigt als Beispiel die mit einem Labormodell eines Echokompensators gemessenen Frequenzgänge der Kompensationsdämpfung ax beim Abgleich mit

-'ο 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 Dämpfungszu-

r> nähme bei den hohen Frequenzen und damit nahezu der gleiche Dämpfungsverlauf wie beim Abgleich mit bandbegrenztem weißen Rauschen erreicht.

Auf F i g. 6 sind die Frequenzgänge des Echopfades άερ, mit dem die Kurven nach F i g. 5 gemessen wurden,

in und die der Summe aus Kompensationsdämpfung und Dämpfung des Echopfades ακ + βερ für die drei Abgleichsignale dargestellt. Während die Summendämpfung zu den höheren Frequenzen stark absinkt, ist sie beim Abgleich mit dekorrelierter Sprache wie beim

r> Abgleich mit weißem Rauschen nahezu konstant.

F i g. 7 zeigt die Frequenzgänge des zur Höhenanhebung verwendeten Formfilters F und des inversen Filters F-K Der Frequen2:gang Fwurde so gewählt, daß er dem mittleren Verlauf des schraffiert eingezeichne-

w ten Streubereiches des inversen Leistungsdichtespektrums S»,-¹ der europäischen Sprachen entspricht. Der S„-Bereich wurde dem Aufsatz »Das durchschnittliche Energie-Spektrum der Sprache (für sechs Sprachen)« von T. Tamoczy; Acustica 24/1971, Seiten 58 bis 74,

■·'> entnommen.

Auf Fig.9 ist schließlich der zeitliche Verlauf der Kompensationsdämpfung für die drei Abgleicharten dargestellt. Die Höhenanhebung bewirkt nicht nur einen höheren Endwert der Kompensationsdämpfung a*,»,

■■><> sie bewirkt auch einen schnelleren Abgleich.

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Claims

Patentansprüche:

1. Echokompensationsschaltung für Fernsprechverbindungen über Zweidraht-Vierdraht-Leitungen, bei der das Echo durch Überlagerung eines mit Hilfe eines sich selbst einstellenden Transversalfilters aus dem das Echo erzeugenden Sprachsignal abgeleiteten gegenphasigen Signals ausgelöscht wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Echokompensator (EK) am Empfangsrichtungseingang (EE; F i g. 2) und am Senderichtungseingang (SE) je ein lineares Filter (F) vorgeschaltet ist, mit denen die statistischen Eigenschaften des Sprachsignals an die des bandbegrenzten weißen Rauschens angeglichen werden.

2. Echokompensationsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Echokompensator (EK) am Senderichtungsausgang (SA) ein zu dem Filter(F)inverses Filter^/⁷-¹) nachgeschallet ist, das die durch das Filter (F) am Senderichtungseingang (SE) hervorgerufene lineare Verzerrung des Sprachsignals des nahen Teilnehmers pt,· Fig. 1) rückgängig macht.

3. Echokompensationsschaltung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter (F) Dekorrelationsfilter sind, die die Autokorrelationsfunktion des Sprachsignals an die des bandbegrenzten Rauschens angleichen und die statistischen Bindungen zwischen den Abtastwerten des Sprachsignals aufheben.

4. Echokompensationsschaltung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter (F) im Frequenzbereich wirkende Filter sind, die einen zum Leistungsspektrum der Sprache inversen Frequenzgang aufweisen und eine Höhenanhebung des Sprachsignals bewirken.