DE2316699C3

DE2316699C3 - Echokompensationsschaltung zur Auslöschung von Echos auf Fernsprechleitungen

Info

Publication number: DE2316699C3
Application number: DE19732316699
Authority: DE
Inventors: Ing.(grad.) Wolfgang 1000 Berlin Koch
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: 1981-05-27
Also published as: DE2316699A1; DE2316699B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Echokompensationsschal· tung für Kernsprechverbindungen über Zweidraht-Vier draht-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 Echokompensationsschaitung 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 F.chokompensstors und seine Vorteile gegenüber den bekannten Diffcrentialech») Sperren sind beispielsweise in der obengenannten DE-AS beschrieben. Die Einfügung der Echokompensatorcn in eine Weitverkehrsverbinduftg zwischen zwei Teilnehmern Λ und B /eigt Fig. 1. Das in dem Echokompensator enthaltene Transversalfilter muß bei jeder Gesprächsverbindung mit Hilfe des Sprachsignals x(t)au( die Überiragungseigenschafteii des Echopfades •ingestellt werden. Es zeigt sich. d»ß die Güte des Kompensatorabgleichs von den statistischen Eigenschaften des zum Abgleich verwendeten Signals abhängt und daß das günstigste Abglüichsignal weißes bzw. bandbegrenztes weißes Rauschen ist.

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 vorgeschaltet ist, mit denen die statistischen Eigenschaften des Sprachsignals an die des bandbegrenzten weißen Rauschens angeglichen werden. An Ίεη Eingängen des Echokompensator 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 verbessei-n und dadurch eine höhere 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 Serderichtungsausgang 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 Rauschens 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 Dekorrelationsfilters, durch Beeinflussung des Leistungsspektrums mit Hilfe eines Formfilters oder durch Veränderung der Amplitudenstatistik mit Hilfe einer nichtfinearen Verstärkerkennlinie. Die drei Möglichkeiten werden im folgenden näher beschrieben, die dritte Möglichkeit ist jedoch nicht Gegenstand dieser Erfindung.

Die auf den Wert bei r =0 normierte AKF des weißen Rauschens hat den Wert 1 zum Zeitpunkt r=0, während die des bandbegren/icn weißen Rauschens einen

■Verlauf aufweist. Bei einer ./heren Grenzfrequenz des bandbegrenzten Rauschen;, von ωο und einer Abtastung des Signals im Abstand r = ist die AKF

'¹O

des bandbegrenzten Rauschens ebenso wie die des weißen Rauschens /ii den Abtastzeitpunkten im gleich Null. d. h., die Abtastwerte sind statistisch unabhängig voneinander. Diese .Signaleigenschaft bewirkt, daß sich die Koeffizienten des Transversalfilters beim Abgleich mit weißem oder bundbegrenztem weißen Rauschen unabhängig voneinander abgleichen.

Die AKF der bandbegrenzten Sprache zeigt nach Fig. 3 eine relativ starke Korrelation /wischen 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 Dekorrelationsfilters lassen sich die gegenseitigen Abhängigkeiten zwischen den Abtastwerten des Sprachsignals beseitigen oder zumindest reduzieren.

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

Xtjn — Xm — XS.m'

Fig.4a zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Dekorrelator. In F i g. 4b ist das Prinzip des Prädikators zur Bildung des Schätzwerten xsjj, aus den vorangehenden M Abtastwerten des Sprachsignals x_m dargestellt Er besteht aus einem Transversalfilter mit M Verzögerungsgliedern τ und M Koeffizienten a\... a\i, 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 inverstn Filters, in dem das ursprüngliche Signal x_m durch die Summation über M gewichtes 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 aes Sprachsignals *n das bandbegrenzte Rauschen mit HiICe eines Formfilters im Frequenzbereich beschrieben. Wie auf F i g. 3 dargestellt, ist das Leistungsspektrum des bandbegrenzten Rauschens im Bereich Οίω<ωο konstant, während das des Sprachsignals 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 F~' muß eine entsprechende Höhenabsenkung bewirken. Da das Leistungsspektrum durch die Fouriertransformation mit der Autokorrelationsfunktion verknüpft ist, hat die Höhenanhebung die gleiche Wirkung wie die Dekorrebtion.

Die dritte Möglichkeit der Signalangleichung resultiert aus den Unterschieden in der Amplitudendichtefunktion (ADF) nach Fig. 3. Während das bandbegrenzte Raus-hen eine gaußförmige ADF hat, kann die ADF des Sprachsignals durch eine Γ-Verteilung oder eine Exponentialfunktion angenähert werden. Wesentliches Merkmal dieser Verteilung ist die im Vergleich zur Caußverteilung relativ große Häufigkeit der kleinen und der großen Amplitudenwerte. Eine Annäherung an die Gaußverteilung kann durch eine *mplitudenabhänfige Verstärkung des Sprachsignals erfolgen (hohe Verstärkung kleiner und geringe Verstärkung großer Amplituden). Die amplitudenabhängige Verstärkung läßt sich beispielsweise .",it einem bekannten K.ompandersystem erzielen. Dabei sind die linearen Filter F durch nichtlineare Amplitudenpresser und das inverse Filter F"¹ durch einen ebenfalls nichtlinearen Amplitudendehner zu ersetzen.

Die vorteilhafte Wirkung der Kompandierung auf die ϊ mit dem Echokompensator erzielbare 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

lu Techn. Rev. Vol.2/1972, H.I). 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

Ij beim Durchgang durch die Strecke SE-SA des Echokompensator auswi/ken können.

F i g. 5 zeigt als Beispiel die mit einem Labormodell eines Echokompensator gemessenen Frequenzgänge der Kompensationsdämpfung a* beim Abgleich mit Sprache Sp, mit Sprache und Höhe^r'?nhebung Sp+F und mit bandbegrenztem weißen Rapschen WR. Beim Abgleich mit Sprache nimmt die Kompensationsdämpfung zu den hohen Frequenzen stark ab. Durch die Höhenanhebung wird eine wesentliche Dämpfui.gszu-

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

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

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

i> Abgleich mit weißem Rauschen nahezu konstant.

F i g. 7 zeigt die Frequenzgänge des zur Höhenanhebung verwendeten Formfilters F und des inversen Filters F-'. Der Frequenzgang F wurde so gewählt, daß er dem mittleren Verlauf des schraffiert eingezeichneten Streubereiches des inversen Leistungsdichtespektrurrs 5„ ' der europäischen Sprachen entspricht. Der 5,,-Bereich wurde dem Aufsatz »Das durchschnittliche Energie-Spektrum der Sprache (für sechs Sprachen)« von T. Tarnoczy: Acustica 24/1971. Seiten 38 bis 74.

i'i 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.

Hrt/u S HImK

Claims

Patentansprüche:

1. Echokompensationsschaitung 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. Echokompensationsschaitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Echokompensator (EK) am Senderichtungsausgang (SA) ein zu dem Filter (F)mvo^rss% Filter (F-') nachgeschaltet ist, das die durch das Filter (F) am Senderichtungseingang (SE) hervorgerufene lineare Verzerrung des Sprachsignals des nahen Teilnehmers (A; Fig. 1) rückgängig macht.

3. Echokompensationsschaitung 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 Abiastwerten des Sprachsignals aufheben.

4. Echokompensationsschaitung nach den Ansprüchen 1 und 2. dadurch gexennze .hnet. daß die Filter (F) im Frequenzbereich .virkende Filter sind, die einen zum Leistungsspektrum de Sprache inversen Frequenzgang aufweisen und eine Höhenanhebung des Sprachsignals bewirken.