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Transversslrilter-Echokompensator für lange akustische Echos Die Erfindung
betrifft einen Transversalfilter-Echokompensator für lange akustische Echos, insbesondere
fiir Freisprechanlagen.
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Bei Freisprechanlagen muB bekanntlich auf eine ausreichende Dämpfung
zwischen Lautsprecher und Mikrofon geachtet werden, da sonst das bekannte "Rückkopplungspfeifen"
eintritt. Diese Forderung steht aber im allgemeinen im umgekehrten Verhältnis zu
dem Wunsch einer guten Verständigungsmöglichkeit der Gesprächspartner.
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Inabesondere ist auch eine Kompensation der im Raum entatehenden Echos
des Lautaprechersignales notwendig, da sonst die Gesprächsteilnehmer durch die beim
jeweils anderen Gesprächspartner entstehenden Echos gestört werden.
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Abgesehen von Freisprechanlagen kann der Echokompensator nach der
Erfindung auch in Verstärkeranlagen für Redner und Nusiker, ferner in Studioanlagen
für Rundfunkübertragungen mit besonderem Vorteil eingesetzt werden. Dort werden
oft größere Frequenzbänder als das Fernsprechband übertragen und die Anforderungen
an die Kompensation der dort ebenfalls auftretenden akustischen Rückkopplung steigen
daher deshalb noch an.
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Die bisherigen Lösungen, wie der Einsstz von durch das Mikrofonsignal
gesteuerten Endverstärkern, der Einsatz von Richtmikrofonen oder die Verwendung
von nichtlinearen Verstärkerkennlinien befriedigen alle nicht.
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Theoretisch wäre zur Entkopplung zwischen Mikrofon und Lautsprecher
ohne Beeinträchtigung der Verständigungsqualität ein Echokompensator nach dem Prinzip
des adaptiven Tranaversalfiltere am besten geeignet. Nech diesem prinzip arbeitende
Echokompensatoren sind für
Weitverkehrsstrecken bereits erfolgreich
im Einsatz (z. 3. DE-OS 28 17 156, DE-OS 28 33 518, Dr-OS 25 28 810).
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Die Anwendung dieses bekannten Prinzips auf Freisprechanlagen stößt
jedoch bei einer genaueren Betrachtung auf erhebliche Schwierigkeiten.
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In F.g. 1 ist ein adaptives Transversalfilter als Echokompensator
einer Freisprechanlage in stark sche=stisierter Darstellung gezeigt. Hierbei wird
in bekannter Weise das von einem adaptiven Tranaversalfilter erzeugte Kompensationssignal
z(t) von dem vom iJikrcton kommenden Signal y(t), das aus dem Echosignal ra(t) und
dem Sprachsignal s(t) besteht, subtrahiert. Das Echosignal ra(t) selbst ist die
Faltsumme zwischen dem Eingangssignal x(t) und der Gewichtsfunktion r(t) des Raumes
einschließlich mikrofon und Lautsprecher. Das verbleibende Restsignal e(t) dient
zur Rinstellung der Koeffizienten cl bis c5 des Trar.sversalfilters und gelangt
dann zum fernen Teilnehmer. Am Eingang des adaptiven Transversalfilters, dessen
Wirkngsweise als bekannt vorausgesetzt wird, liegt das ankommende Signal x(t), das
durch die als Tiefpaß dargestellte Übertragungsstrecke bandbegrenzt wird.
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Wegen der verhältnismäßig langen Nachhalldauer akustischer Echos gegenüber
den in der Weitverkehrstechnik auftretenden in elektrischen Echos muß einer Freisprechanlage
ein adaptives Transversalfilter mit einer sehr viel größeren Koeffizientenzahl eingesetzt
werden. Selbst wenn verschiedene Untersuchungen ergaben, daß es ausreicht, die Zahl
der Koeffizienten gerade eo groß zu wählen,
daß die letzten Nachschwinger
noch kompensiert werden können, eo sind doch bei durchschnittlicher akustischer
Dämpfung noch etwa 1000 bis 2000 Koeffizienten notwendig.
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Da die Adaptionsgescbwindigkeit bzw. die Konvergenzeigenschaften mit
größer werdender Koeffizientenzahl abnehmen und obendrein durch das Sprechersignal
s(t) eine nicht zu vernachlässigende Störung vorhanden ist, kann sich das Transversalfilter
bei einer so großen Koeffizientenzahl kaum auf die sich ständig ändernden akustischen
3edingungen zwischen Mikrofon und Lautsprecher - verursacht durch Bewegungen der
im Raum befindlichen Personen - einstellen.
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In diesem Fall ist die Kompensationswirkung des Transversalfilters
nicht mehr vorhanden. Es wird vielmehr zur Störquelle, da sozusagen eine zusätzliche
Kopplung zwischen Eingangs- und Ausgengssignal x(t) und e(t) entsteht.
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Das in Fig. 1 dargestellte Kompensationsprinzip kann somit nur els
prinzipielle Lösung der Echokompensation bei Freisprechanlagen betrachtet werden,
mit dem unter realen Bedingungen nicht die erhofften Erfolge erzielt werden können.
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Es ist daher vor allem Aufgabe der Erfindung, die Anzahl der voneinander
abhängigen Koeffizienten zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Erfindung
gelöst.
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Im folgenden wird die Erfindung enhand von Fig. 1 bis 3 näher dargestellt.
Es zeigen: Fig. 1 den bereits behandelten, nicht realisierbaren Echokompensator
Fig. 2 das Blockschaltbild eines Echokompensators nach der Erfindung Fig. 3 die
Spektren von verschiedenen in Fig. 2 snstehenden Signalen.
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Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild eines Echokoipensators nach der Erfindung.
Um den für ein adaptives Transversalfilter notwendigen Anforderungen einer zeitdiskreten
Signalverarbeitung (Signalprozessor, digitale Filter) gerecht zu werden, Sind im
Unterschied zu fig. 1 die dazu notwenigen Abtaster und Abtastratenwandler an den
Ein- und Ar36 .gen sowohl der Gesamtachaltung als auch ihren einzelnen zweigen eingezeichnet.
In Fig. 2 sind an den entsprechenden Stellen des Blockschaltbildes die dort auftretenden
Spektren -it eingekreisten Kleinbuchstaben gekennzeichnet, die je einer Zeile in
Fig. 3 entsprechen.
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Das auf die Übertragungsbandbreite begrenzte Signal x(t) dem das FreRuenzband
X(f) nach Fig. 3a entspricht, wlra mit der entsprechenden Nyquistrate der Periode
T ebgetastet. Das dazugehörige periodische Spektrum x(f) ist aus Fig. 3b zu entnehmen.
Die abgetasteten Signaiproben x(kt) werden nun in einer ersten Filterbank mit einem
Tiefpaß TP für das niedrigste Teilband und 3andpässen 3?1 usw. (links unten in Fig.
2) für die folgenden Teilbänder in M Teilfrquenzbänder Xl(f), X2(f) und X3(f) gleicher
Bandbreite aufgeteilt (Fig. 3c). In jedem der nicht überlappenden Teilfrequenzbänder
arbeitet ein von den anderen unabhängiges adaptives Transversalfilter mit dem Ziel,
den mittleren quadratischen Fehler des Gesamtsystems zu minimieren.
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Durch die eingangsseitige Filterbank findet eine zusätzliche Bandbegrenzung
statt, so daß die an den Ausgängen der vilterbank vorhandenen Signalproben mit einer
niedrigeren Abtastrate mit der Periode T1 weiterverarbeitet werden können.
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Allgemein gilt: T1 = M . T d.h., die Abtastperiode vergrößert sich
um die Anzahl der Teilfrequenzbänder. In Fig. 3d ist für M = 3 das
Spektrum
der Signaiproben nach der Abtastratenwandlung des 1. Frequenzbandes X1(f) (Tiefpaßkansl)
dargestellt.
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Obwohl bei den durch Bendpässe begrenzten Signalproben prinzipiell
keine Abtastratenwandlung vorgenommen werden kann, ohne dabei das Abtsstgesetz zu
verletzen, ist bei der Unterteilung des bandbegrenzten Frequenzbandbereichs in M
gleiche Teile eine Abtastung mit der angegebenen gröberen Abtastperiode ri möglich.
Wie aus Fig. 3c hervorgeht, werden dabei nur die Locken des periodischen Spektrums
der Signalprcben x2kt) aufgefüllt (Fig. 3e), so daß keine ++berlappung des Grundspektrums
stattfindet. Auf diese Weise ist also eie Weiterverarbeitung der bandpa3gefilterten
Signalproben mit der niedrigeren Abtastfrequenz möglich.
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Auch bei der Erfindung sind im allgemeinen nur soviel Koeffizienten
notwendig, daß gerade noch die letzten Nachschwinger kompensiert werden kS=nen.
Da sich auf Grund der kleineren Abtastfrequenz die Verzögerungszeit vergrößert hat,
reduziert sich somit bei der Frequenzbz-1aufteilung die Anzahl der Koeffizienten
der einzelnen Transversalfilter um den Faktor M. mit Wird die goeffizientenzahl
eines der M Transversalfilter bei der Anordnung gemäß der Erfindung und mit N die
Anzahl der Koeffizienten eines Transversalfilters ohne Frequenzbandaufteilung bezeichnet,
so gilt folgende Beziehung: L # N/M.
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Durch die Aufteilung in M verschiedene Frequenzbänder ist demzufolge
ein Weg gefunden, die Anzahl der voneinapder abhängigen Koeffizienten zu reduzieren.Hierdurch
wird
die Konvergenz jedes einzelnen Transversslfilters verbessert, was letztlich auch
zu einer besseren Konvergenz des Gesamtsystems und einer Verringetice "zeitkritischer"
Multiplikationen führt.
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Die Aufteilung in verschiedene Frequenzbereiche bringt noch einen
weiteren Vorteil mit sich. Da man davon ausgehen kann, daß die Störung s(t) (Sprechersignal)
in den verschiedenen Frequenzbereichen mit unterschiedlicher Leistung auftritt,
wirkt sie sich deshalb auch unterschiedlich auf die einzelnen Transversalfilter
aus. Es zeigte sich, daß man auch bei Störung aus diesem Grund bessere Kompensationseigenschaften
erzielen kann, als ohne Frequenzbandaufteilung.
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Aus Fig. 2 ist ferner noch zu entnehmen, daß die Ausgangsaignale der
einzelnen Transversalfilter z1(kT1), z2(kT1) ... unter BerücksichtiÕung der untersch4edlichen
Frequenzbereiche richtig addiert werden müssen. Dazu wird die Abtastfrequenz um
den Faktor M durch Einfügen von Nullen (Stopfen) erhöht und durch die daran anschließende
ausgangsseitige zweite Filterbank TP, 3P1 usw.
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(rechts unten in Fig. 2) werden die richtigen Frequenzbereiche herausgefiltert.
Durch Addition der einzelnen Signale erhält man somit das Gesamtaignal z(kT).
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Im oberen Teil des in Fig. 2 dargestellten Echoko=pensators gelangt
das ankommende Signal x(t) über den eehoerzeugenden Block r(t), in dem der Lautsprecher,
die akustische tfitbertragungsatrecke des Raums und das Mikrofon wie in Fig. 1 vereinigt
dargestellt sind, nach Zufügen des Sprechersignals s(t) über einen Tiefpaß auf einen
Abtaster, der ebenfalls mit der Abtastperiode T arbeitet. Die aus dem Abtaster kozmendenSignalproben
w(kT) werden nun einer dritten Filterbank TP, BP1, BP2 usw. (oben in Fig. 2) zugeführt,
die wie die erste und zweite ausgeführt ist.
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Die dritte Filterbank enthält entsprechend den Spektren nach Fig.
3 einen Tiefpaß TP und bei M = 3 zwei Bandpässe 3P1 und 3P2. Die zweiten Bandpässe
und der zugehörige Signalweg mit dem dritten Transversalfilter sind lediglich aus
zeichnerischen Gründen in Fig. 2 unten nicht dargestellt.
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Die Ausgsngssignalproben aus dem Tiefpaß TP und den beiden Bandpässen
3P1, BP2 werden ebenfalls mit einer um den Faktor M vergrößerten Abtastperiode T1
abgetastet, damit sie zum Einstellen der Koeffizienten der adaptiven Transversalfilter
verwendet werden können.
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Für die eigentliche Echokompensation bestehen zwei gleichwertige Möglichkeiten.
Zum einen kann man, wie in Fig. 2 dargestellt, die Ausgangasignalproben der zweiten
und dritten Filterbank erst addieren und dann von den gefilterten Summensignalproben
y(kT) die ebenfalls zusammenaddierten Ausgangssignalproben der Transversslfilter
z(kT) subtrahieren. win anderer (zeichnerisch nicht dargestellter) Weg besteht darin,
die Subtraktion in jedem Teilband, also unmittelbar hinter den Filtern, getrennt
durchzuführen und erst die kompensierten Teilsignalproben zu addieren.
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Durch die Reduktion der voneinander abhängigen Tranaversalfilterkoeffizienten
(mehrere entkoppelte Tranaversalfilter anstatt eines Transversalfilters mit vielen
Koeffizienten) vergrößert sich die Adaptionsgeschwindigkeit der einzelnen Trsnsversalfilter,
ao daß unter realen Bedingungen -beispielsweise sich ständig ändernde Raumeigenschaften
durch pich bewegende Personen - dadurch erst praktisch eine Echounterdrückung möglich
wird.
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Geht man davon aus, daß man die größtmögliche Adaption3-geschwindigkeit
erzielen möchte, so sind in einem Betrechtungszeitraum, der beispielsweise gleich
einer Tektperiode T gewählt wird, bei N Koeffizienten N Multiplikationen zur 3erechnung
des neuen Koeffizientensatzes ci (i=1...N) notwendig. Ferner sind für die Ermittlung
der Systementwert weitere N Multiplikationen zu berechnen, so aß pro Betrachtungszeitraum
2N Multipliketionen durchgeführt serien müssen. Bei einer Aufteilung in M Frequenzbänder
sind dagegen auf Grund des größer gewordenen Taktintervalles T1=T M und geringerer
Koeffizientenzahl NIN bei gleir~eL Betrachtungszeitraum wie zuvor pro Transversalfilter
zur 2N/M2 Multiplikationen durchzuführen, sodaß sich dadurch eine Gesamtzahl von
2N/M Multiplikationen pro Retraohturgszeitraum ergibt. Die nandaufteilung hat also
eine Reduktion der Nultiplikationen um den Faktor 1/M zur Folge.
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An dieser Stelle sei noch erwähnt, daß die Bendaufteilung beispielsweise
bei einer digitalen Realisierung der Filterbänke zu weiteren Multiplikationen führt.
Da sich aber die Koeffizienten der Filterbänke nicht ändern, sind diese Multiplikationen
schaltungstechnisch leichter zu realisieren, so daß die Reduktion der Multiplikationen
mit ständig wechselnden Koeffizienten um den Faktor 1/M bei X Frequenzbändern trotzdem
als großer Gewinn gewertet werden kann.
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Durch die Bandaufteilung können somit am Markt erhältliche adaptive
Transversalfilter mit geringerer Koeffizientenzahl, wie sie in der Fernsprech-Weiterverkehrstechnik
anzutreffen sind, zur akustischen Echokompensation eingesetzt werden.
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Bei einem Frequenzbereich von 0 ... 3 kHz und einer Attastrate von
8 kHz benötigt man beispielsweise ca. 2000 Koeffizienten zur Reduktion der Echos
in einem normal gedämpften Büro. Bei Aufteilung in 10 Frequenzbereiche sind dann
10 Tranaversalfilter mit nur Je 200 Koeffizienten notwendig, die heute schon als
integrierte Bausteine erhältlich sind.
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