DE4337653A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Verbesserung der Qualität der Sprachkommunikation in Freisprecheinrichtungen - Google Patents

Description

Die erfindungsgemäße Lösung dient der Verbesserung der Qualität der Sprachkommunikation, vorzugsweise in Fernsprechnetzen mit Freisprecheinrichtungen.

Das Prinzip der Echokompensation ist bekannt und wird bereits zur Leitungsechokompensation in Fernsprechnetzen oder zur Kompensation akustischer Echos in Freisprecheinrichtungen eingesetzt. Hierbei wird die Impulsantwort des echoerzeugenden Übertragungssystems (Echopfad), wie sie z. B. bei Gabelschaltungen in Fernsprechnetzen oder Räumen mit Freisprecheinrichtungen auftritt, identifiziert und mit einem elektrischen Transversalfilter nachgebildet. Diese Nachbildung wird zur Kompensation des Echos benutzt. Das vom fernen Teilnehmer (Teilnehmer der Gegenstelle) eintreffende Signal, das zumeist ein Sprachsignal ist, und das im folgenden als Empfangssignal bezeichnet wird, ist zur Adaption des Echokompensators notwendig. Das Signal von der nahen Teilnehmerseite (Teilnehmerseite, deren Sprachsignal verbessert werden soll) wird im folgenden Sendesignal genannt. Das Sendesignal setzt sich aus einem informativen Anteil, der zumeist ein Sprachsignal des nahen Teilnehmers ist, einem unerwünschten Hintergrundgeräusch und dem Echo des Empfangssignals zusammen. Der informative Anteil und das Hintergrundgeräusch, die in Kommunikationseinrichtungen ständig mehr oder weniger vorhanden sind, stören die Adaption des Echokompensators.

Das Prinzip der Geräuschreduktion ist ebenfalls bekannt. Es dient der Verbesserung der Sprachkommunikation in lärmerfüllter Umgebung. Hierbei wird ein elektrisches Filter im Sendepfad so adaptiert, daß das Sprachsignal des nahen Sprechers deutlicher hervorgehoben und die Hintergrundgeräusche erheblich reduziert werden. Das Sprachsignal des nahen Teilnehmers ist hier der gewünschte Anteil des Sendesignals. Hintergrundgeräusche und auch das Echo des Empfangssignals sind hier die störenden Anteile des Sendesignals.

Aus den obigen Ausführungen ist zu erkennen, daß das Signal des fernen Teilnehmers für den Echokompensator nützlich, aber für die Geräuschreduktion störend ist. Umgekehrt ist das Signal des nahen Teilnehmers für den Echokompensator störend, aber für die Geräuschreduktion das Nutzsignal. Nachteilig ist bisher, daß aus einer Kombination der beiden Teilsysteme "Echokompensation" und "Geräuschreduktion", wie sie beispielsweise durch eine Reihenschaltung realisiert werden kann, ein ergänzendes Zusammenwirken der beiden Teilsysteme nicht erreicht wird. Im ungünstigsten Fall können sich beide Teilsysteme sogar stören und damit gegenseitig behindern.

Erfindungsgemäß besteht die zu lösende Aufgabe darin, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zu entwickeln, durch die es möglich ist, daß sich beide Teilsysteme bei der Adaption ergänzen, indem sie sich gegenseitig bei der Reduzierung der störenden Signalanteile unterstützen. Damit soll eine bessere Qualität der Sprachkommunikation erreicht werden, als sie mit einem Teilsystem alleine oder mit der einfachen Zusammenschaltung beider Teilsysteme möglich ist.

Die technische Aufgabe wird mittels eines Verfahrens gelöst, das auf einer zweckmäßigen Ausnutzung der Effekte, sowohl der Echokompensation als auch der Geräuschreduktion beruht. Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf einer Schaltungsanordnung, deren Grundbausteine aus einem an sich bekannten Echokompensator EC in Verbindung mit einem ebenfalls bekannten Geräuschreduzierer NR bestehen. Dabei ist der Echokompensator im Sendesignalpfad des nahen Teilnehmers vor dem Geräuschreduzierer NR angeordnet. Der Ausgang des Geräuschreduzierers ist zusätzlich über einen Rückführungszweig FB für den vom Geräuschreduzierer NR erzeugten Schätzwert w* des ursprünglichen ungestörten Sprachsignals w des nahen Teilnehmers, mit dem Echokompensator EC verbunden.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben: Das Empfangssignal x (Sendesignal des fernen Teilnehmers) durchläuft den Echopfad h und gelangt als unerwünschtes Echo z an den Sendeeingang S _in. Im Echokompensator wird das System des Echopfades h nachgebildet und ein Schätzwert für das Echo z erzeugt. Der Schätzwert wird vom zum Geräuschreduzierer NR führenden Sendesignal y zeitrichtig subtrahiert, um das Echo möglichst gut und schnell zu kompensieren. Die Adaption des Echokompensators wird dabei durch das Sprachsignal w des nahen Teilnehmers und durch dessen Hintergrundgeräusche s gestört.

Das Sendesignal y des nahen Teilnehmers enthält zunächst die drei Anteile Sprachsignal w, Hintergrundgeräusch s und Echo z. Von diesen Anteilen soll möglichst nur der Anteil des Sprachsignals w durchgelassen werden. Die Anteile Hintergrundgeräusch s und Echo z sollen unterdrückt werden. Das geschieht dadurch, daß ein vom Geräuschreduzierer NR erzeugter Schätzwert w* des ursprünglichen ungestörten Sprachsignals w, der am Ausgang des Geräuschreduzierers NR anliegt, über einen Rückführungszweig FB zum Echokompensator EC zurückgeführt und vom zum Echokompensator führenden Sendesignal y zeitrichtig subtrahiert wird.

Die erfindungsgemäße Lösung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dabei zeigt

Fig. 1 das Wirkprinzip der erfindungsgemäßen Lösung anhand eines Blockschaltbildes und

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung für ein mehrkanaliges Verfahren (mehrere Mikrofone beim nahen Teilnehmer).

Die erfindungsgemäße Lösung kann prinzipiell mit einem einkanaligen Verfahren (mit einem Mikrofon) oder mit einem mehrkanaligen Verfahren (mit mehr als einem Mikrofon) durchgeführt werden. Ein mehrkanaliges Verfahren, mit einer Anzahl von L Mikrofonen, die zu einem Mikrofon-Array angeordnet sind, ist im Prinzip effizienter und daher vorzuziehen. Die erfindungsgemäße Lösung wird daher anhand eines in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels für ein mehrkanaliges Verfahren näher erläutert.

Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Lösung für ein mehrkanaliges Verfahren ist eine adaptive Ausrichtung der Array-Richtcharakteristik auf den Sprecher (naher Teilnehmer) durch verschieden einstellbare Verzögerungszeiten τ₁ . . . τ_L < τ_m in jedem Mikrofonkanal notwendig (beam steering BS). Der mehrkanalige Fall ist in Fig. 2 durch Doppellinien und unterstrichene Variablen, z. B. y; w; z; s; z*; τ; τ _m; h und h*, an den Stellen dargestellt, an denen Signale mehrkanalig auftreten. Für alle L-Kanäle des Mikrofon-Arrays müssen die betreffenden Teile des Echokompensators EC demgemäß auch L-mal vorhanden sein.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung basiert auf der zweckmäßigen Anordnung eines Echokompensators EC in Verbindung mit einem Geräuschreduzierer NR. Der Echokompensator EC ist im Sendesignalpfad des nahen Teilnehmers vor dem Geräuschreduzierer NR angeordnet. Der Ausgang des Geräuschreduzierers NR ist über einen Rückführungszweig FB, für den vom Geräuschreduzierer NR erzeugten Schätzwert w* des ursprünglichen ungestörten Sprachsignals w des nahen Teilnehmers, mit einem Verzögerungsglied τ _m-τ des Echokompensators EC verbunden. Des weiteren besteht eine Verbindung zwischen der im Geräuschreduzierer NR angeordneten Einheit zur Ausrichtung der Array-Richtcharakteristik auf den Sprecher (naher Teilnehmer) BS und dem Verzögerungsglied τ _m-τ.

Das Sendesignal y des nahen Teilnehmers (Sprecher) enthält zunächst die Anteile Sprachsignal w, Echo z und Hintergrundgeräusch s. Davon soll möglichst nur der Anteil des Sprachsignals w durchgelassen werden. Die die Sprachverständlichkeit störenden Signalanteile, Echo z und Hintergrundgeräusch s, sollen unterdrückt werden.

Das Empfangssignal x des fernen Teilnehmers durchläuft den Echopfad h und gelangt als unerwünschtes Echo z an den Sendeeingang S _in des Echokomparators EC. Im Echokompensator EC wird der Echopfad als System h* nachgebildet. Im System h* wird ein Schätzwert z* für das Echo z gebildet. Dieser Schätzwert z* wird vom Sendesignal y subtrahiert. Der dem Echokompensator EC nachgeordnete Geräuschreduzierer NR, der auch eine Reduzierung des Hintergrundgeräusches s bewirkt, liefert einen Schätzwert w* des ursprünglichen ungestörten Sprachsignals w. Dieser Schätzwert w* wird über den Rückführungszweig FB vom Geräuschreduzierer NR zum Echokompensator EC zurückgeführt und soll in dessen Signalpfad vom Sendesignal y in jedem der L-Kanäle des Mikrofon-Arrays subtrahiert werden. Nun ist allerdings der Schätzwert w* gegenüber dem Sendesignal y=w+z+s um τ < τ _m Abtastschritte verzögert. Aus Kausalitätsgründen dürfen aber die Signale nicht zeitversetzt subtrahiert werden. Daher werden die Signale y und x für den Echokompensator EC um τ _m Abtastschritte verzögert. Gleichzeitig wird das Schätzsignal w*, das bereits um τ Abtastschritte verzögert ist, um weitere τ _m-τ Abtastschritte verzögert (alle um t _m Abtastschritte verzögerten Variablen sind durch Hochindex ′ gekennzeichnet). Die Verzögerungsglieder τ _m, τ_m und τ _m-τ sind so angeordnet, daß sie zwischen S _in und S _out sowie zwischen R_in und R_out nicht wirksam werden. Durch diese Zusatzmaßnahme kann nun, wie gewünscht, der Schätzwert w*′ im Echokompensator EC zur Verfügung gestellt und vom verzögerten mehrkanaligen Sendesignal y′ in jedem der L- Kanäle des Mikrofon-Arrays subtrahiert werden. Auf diese Weise reduziert der Geräuschreduzierer NR den für den Echokompensator störenden Anteil w′ und unterstützt diesen bei der Adaption.

Da das Empfangssignal x in Kommunikationseinrichtungen zumeist als Sprachsignal vorliegt und somit nur eine langsame Adaptionsgeschwindigkeit erreichbar ist, bietet es sich an, mit zusätzlichen festen oder adaptiven Dekorrelationsfiltern DF, die jeweils in Reihe zu den Verzögerungsgliedern τ_m, τ _m und τ _m-τ liegen, die Adaptionsgeschwindigkeit zu erhöhen.

Mit der zusätzlichen Verzögerung um t _m Abtastschritte ergibt sich nun leider auch ein verzögerter Echoschätzwert z*′, den man aus Kausalitätsgründen ebenfalls nicht direkt vom unverzögerten Sendesignal y zur Unterstützung des Geräuschreduzierers NR subtrahieren darf. Aus diesem Grund ist ein weiteres Transversalfilter erforderlich, das als Slave-Filter SF immer genau die gleichen Koeffizienten h* wie das Master-Filter MF hat, das aber das unverzögerte Empfangssignal x filtert und einen unverzögerten Echoschätzwert z* liefert, der wie gewünscht vom unverzögerten Sendesignal y zeitrichtig subtrahiert wird.

Claims (5)

1. Verfahren zur Verbesserung der Qualität der Sprachkommunikation in Freisprecheinrichtungen unter Verwendung des Prinzips der Echokompensation und der Geräuschreduktion, dadurch gekennzeichnet, daß vom Sendesignal (y) mit den Anteilen Sprachsignal (w), Hintergrundgeräusch (s) und Echo (z) des Empfangssignals (x), über eine Nachbildung des Echopfades im Echokompensator (EC) ein Echoschätzwert erzeugt, und vom zum Geräuschreduzierer (NR) führenden Sendesignal (y) zeitrichtig subtrahiert wird, und daß ein vom Geräuschreduzierer (NR) erzeugter Schätzwert (w*) des ursprünglichen ungestörten Sprachsignals (w) zum Echokompensator (EC) zurückgeführt und vom zum Echokompensator (EC) führenden Sendesignal (y) zeitrichtig subtrahiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der mehrkanaligen Übertragung die zeitrichtige Kompensation dadurch erreicht wird, daß der Schätzwert (w*) des ursprünglichen ungestörten Sprachsignals (w), der gegenüber dem Sendesignal (y=w+z+s) um τ < τ _m Abtastschritte verzögert ist, um weitere τ _m-τ Abtastschritte verzögert wird, daß das Sendesignal (y) um τ _m Abtastschritte und das Empfangssignal (x) um τ_m Abtastschritte verzögert werden, (y′; x′), daß das verzögerte ungestörte Sprachsignal (w*′) vom verzögerten Sendesignal (y′) zeitrichtig subtrahiert wird, und daß aus dem unverzögerten Eingangssignal x und dem Schätzwert (h*) ein unverzögertes Schätzsignal (z*) erzeugt und zeitrichtig vom unverzögerten Sendesignal (y) subtrahiert wird.

3. Schaltungsanordnung zur Verbesserung der Qualität der Sprachkommunikation in Freisprecheinrichtungen unter Verwendung eines Echokompensators und eines Geräuschreduzierers, dadurch gekennzeichnet, daß der Echokompensator (EC) im Sendesignalpfad vor dem Geräuschreduzierer (NR) angeordnet ist, daß der Ausgang des Geräuschreduzierers (NR) über einen Rückführungszweig (FB) für den vom Geräuschreduzierer (NR) erzeugten Schätzwert (w*) des ursprünglichen ungestörten Sprachsignals (w) des nahen Teilnehmers mit dem Echokompensator (EC) verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Echokompensator (EC) zusätzlich ein erstes Verzögerungsglied (τ _m-τ) im Rückführungszweig (FB), ein zweites Verzögerungsglied (τ _m) im Sendesignalpfad des nahen Teilnehmers und ein drittes Verzögerungsglied (τ_m) im Empfangssignalpfad so angeordnet sind, daß sie zwischen S _in, S _out und R_in, R_out im jeweiligen Pfad nicht wirksam werden, daß das Master- Filter (MF) des Echokompensators (EC) mit einem Transversalfilter (SF), welches die gleichen Koeffizienten, wie das Master-Filter (MF) besitzt, verbunden ist, daß der Eingang des Transversalfilters (SF) mit dem Empfangssignalpfad und damit mit dem unverzögerten Empfangssignal (x) verbunden ist, und daß der Ausgang des Transversalfilters (SF) mit dem Sendesignalpfad des nahen Teilnehmers verbunden ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur schnelleren Adaption in Reihe zu jedem der Verzögerungsglieder (τ_m, τ _m und τ _m-τ) jeweils ein Dekorrelationsfilter (DF) angeordnet ist.