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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Fernsprechvorrichtungen.
Im Besonderen bezieht sie sich auf Fernsprechvorrichtungen zur Verwendung
als eine mobile Einheit in lauten Umgebungen.
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Hintergrund der Erfindung
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Fernsprecheinheiten,
die in einem Lautsprechertelefonmodus arbeiten, sind sowohl für Landleitungs- als
auch für
Funkkommunikationen beliebt und weit verbreitet. Solche Einheiten
('Lautsprechertelefoneinheiten') umfassen ein Mikrofon
und einen Lautsprecher, die angeordnet sind, um Sprachinformationen
in einem Freisprechbetrieb zu übertragen.
Lautsprechertelefoneinheiten können
als mobile Fernsprecheinheiten in Fahrzeugen verwendet werden. Lautsprechertelefoneinheiten
leiden typischerweise unter bestimmten Nachteilen, die ihre Verwendung
oft schwierig oder unbequem machen. Im Besonderen können Lautsprechertelefoneinheiten
sehr anfällig
für Störungen durch
lokales Rauschen sein. Im Besonderen führen eine abnehmende Größe und abnehmende
Herstellungskosten der Einheiten zu einer abnehmenden akustischen
Isolation zwischen der Ausgangsaudiovorrichtung, wie z. B. einem
Lautsprecher oder einer Hörmuschel,
und dem Mikrophon der Einheit. Das Ausgangssignal des Lautsprechers/der
Hörmuschel
wird gleichzeitig durch das Mikrophon aufgenommen und dann unerwünschter
Weise neu übertragen,
wodurch ein Direktpfadecho erzeugt wird, das die Sprache der gesprochenen
Wörter
stört.
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Zusätzlich erzeugt,
wenn in einer mobilen Umgebung in einem Fahrzeug ein externer Lautsprecher und
ein externes Mikrophon verwendet werden, der Widerhall des akustischen
Ausgangssignals in dem Fahrzeug indirekte Echos. Um das Problem
solcher externen Echos zu überwinden,
wird nach dem Stand der Technik durch Modellieren des Echopfades
und dann Subtrahieren des Ergebnisses von dem übertragenen Signal eine Kopie
der Echos synthetisiert. Für
eine preiswerte Implementierung umfasst ein Algorithmus, der normaler
Weise für
diese sogenannte 'Echokompensation' verwendet wird,
ein LMS (kleinste Varianz)-basiertes Verfahren. Leider ist die Kompensation
des verbleibenden Echos durch solche Verfahren nicht absolut.
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Wenn
ein Anruf zwischen zwei Fernsprecheinheiten etabliert wird, und
zwar Einheit A und Einheit B, z. B. mobile Funkeinheiten in Fahrzeugen,
tritt in der Einheit A eine Echokopplung auf, wenn die Einheit B
ein Sprachsignal oder ein Hintergrundrauschen empfängt (wenn
sich die Einheit B z. B. in einem lauten Auto befindet). In dieser
Situation wird bei dem Lautsprecher der Einheit A ein Audiosignal
erzeugt und ein Teil davon wird zu dem Mirkophon der Einheit A als
ein verbleibendes Echo zurückgesendet.
Wenn die Einheit A bei ihrem Mikrophon kein signifikantes lokal
erzeugtes Audiosignal empfängt,
wird diese Art von Echo als 'nur
am fernen Leitungsende' bezeichnet.
In dieser Situation, wo der Anwender der Einheit A Sprache erzeugt,
die durch das Mikrophon der Einheit A empfangen wird, und es kein
Signal bei dem Lautsprecher der Einheit A gibt (es existiert kein
Echo), wird dies als, 'nur
am nahen Leitungsende' bezeichnet.
Immer, wenn es in der Einheit A ein Signal von der Einheit B gibt
und der Anwender der Einheit A gleichzeitig spricht, gibt es an
dem Mikrophon der Einheit A ein gemischtes Signal aus Echo und 'am nahen Leitungsende'. Dies wird als 'Doppelgespräch' bezeichnet.
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Bei
der Verwendung von LMS-basierten Echokompensationsalgorithmen wird
manchmal außerdem ein
Echoentstöreralgorithmus
eingesetzt, weil die durch Echokompensation erzielte Menge von Schwächung unzureichend
ist. Dies gilt für
verschiedene Kommunikationsbedingungen, aber das zurückgeschickte
Echo wird im Besonderen unter 'nur
am fernen Leitungsende'-Echobedingungen,
wie oben beschrieben, erkannt. Daher wird der Echoentstörer üblicherweise
angeordnet, um eine Schaltvorrichtung zu betreiben, um eine Ausschaltung
des Mikrophons zur Verfügung
zu stellen, wenn es einen bestimmten Pegel von verbleibendem Echorauschen
nach einer Operation des Echokompensationsalgorithmus gibt. Der
Pegel wird durch die Annahme der geringsten Schwächung des zurückgeschickten
Echosignals während
eines typischen Betriebs ausgewählt
und er basiert üblicherweise
auf Echos, die Sprachsignale umfassen, die hinsichtlich einer richtigen
Verarbeitung, aufgrund ihrer nicht stationären Eigenschaften, schwierig
sind. Die Echoentstörerentscheidungen,
die bestimmen, ob die Schaltvorrichtung betrieben werden soll, werden üblicherweise
durch Bestimmen eines Verhältnisses
oder Unterschiedes zwischen der gemessenen Eingangsenergie aus dem
Mikrophon und der gemessenen Ausgangsenergie, die zu dem Lautsprecher
gesendet wird, und Vergleichen dieses Verhältnisses oder Unterschiedes
mit einem vorbestimmten festen Schwellenwert getroffen. Diese Art
von Echoentstörer
können
nicht zwischen einer Energie bei dem Lautsprecher unterscheiden,
die auf Sprachsignale und Rauschen beruhen.
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Daher
kann, wenn die Funkeinrichtung A mit der Funkeinrichtung B, die
in einer lauten Umgebung angeordnet ist (z. B. einem lauten Auto,
wobei möglicherweise
ein Fahrzeugadapter für
die Funkeinrichtung verwendet wird), kommuniziert, das von der Funkeinrichtung
B empfangene Hintergrundrauschen leicht bewirken, dass das Echoentstörungssystem
in der Funkeinrichtung A das Mikrophon ausschaltet, weil das empfangene Signal
einen hohen Rauschinhalt hat. Somit wird das Mikrophonsignal der
Funkeinrichtung A häufig
ausgeschaltet und eine Kommunikation wird sehr schwierig oder unmöglich. Das
Mikrophonausschalten ist als 'Mikrophonbegrenzung' bekannt.
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Um
das häufige
Begrenzungsproblem zu überwinden,
kann das Signal von dem Mikrophon durch ein Ersatzsignal ersetzt
werden oder das Mikrophon kann für
eine lange Periode ausgeschaltet werden. Keine dieser Lösungen ist
befriedigend.
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Ein
Beispiel einer Anordnung nach dem Stand der Technik, die einen Echokompensationsteil
und einen Echoentstörungsteil
umfasst, wird in der WO 01/35603A beschrieben.
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Die
US-A-5661795A beschreibt eine adaptive Signalverarbeitungsvorrichtung,
die in einem tragbaren Telefon eingesetzt wird. von einem Lautsprecherausgangssignal
wird durch Verwenden aktualisierter Filterkoeffizienten und einer
Abschätzung
der Leistungsausgabe des Lautsprecherausgangssignals ein Pseudoecho synthetisiert
und einem Mikrophoneingangssignal zugeführt, um ein Echo in dem Mikrophoneingangssignal
zu beseitigen, das durch eine akustische Schleife zwischen Lautsprecher
und Mikrophon verursacht wird. Ein Umschalter wird zur Verfügung gestellt,
um, in Abhängigkeit
davon, ob durch eine adaptive Beurteilungseinheit beurteilt worden
ist, dass die Menge an Echoentstörung einen
voreingestellten Pegel erreicht hat, zwischen dem Mikrophoneingangssignal
und einer korrigierten Version des Mikrophoneingangssignals nach
Zuführung des
synthetisierten Echos zu schalten.
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Ein
Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte
Kommunikation zwischen Einheiten zur Verfügung zu stellen, wobei sich
eine oder beide Einheiten in einer lauten Umgebung befinden, im Besonderen
durch eine weniger häufige
Mikrophonbegrenzung in einer Kommunikation zwischen Einheiten, in
denen eine Mikrophonbegrenzung durch ein Echoentstörungssystem
zur Verfügung
gestellt wird.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Fernsprechvorrichtung zur Verfügung gestellt,
die folgendes umfasst: einen Senderabschnitt und einen Empfängerabschnitt,
einen Eingangswandler zum Wandeln von Audioeingangssignalen in elektrische
Signale, eine anschließbare
Eingangsverknüpfung
zwischen dem Eingangswandler und dem Senderabschnitt, um, wenn geschaltet,
dem Senderabschnitt ein elektrisches Eingangssignal zuzuführen, das
durch den Senderabschnitt übertragen
werden soll, einen Ausgangswandler zum Wandeln eines elektrischen
Ausgangssignals in ein Audiosignal und eine anschließbare Ausgangsverknüpfung zwischen
dem Empfängerteil
und dem Ausgangswandler, um, wenn geschaltet, dem Ausgangswandler ein
Ausgangssignal zuzuführen,
optional ein Echokompensationsschaltungsteil, der geeignet ist,
das Ausgangssignal abzutasten und ein Echokopiesignal zu erzeugen,
optional einen Mischer, der in der Eingangsverknüpfung enthalten ist, zum Mischen
eines durch die Echokompensations schaltung erzeugten Echokopiesignals
mit einem durch den Eingangswandler erzeugten Eingangssignal, und
einen Echoentstörungsschaltungsteil
einschließlich
Detektormittel zum Erzeugen eines ersten Größensignals, das eine Größeneigenschaft
eines ersten Abtastwertes eines Ausgangssignals So in
die Ausgangsverknüpfung
darstellt und eines zweiten Größensignals,
das eine Größeneigenschaft
eines zweiten Abtastwertes eines elektrischen Eingangssignals Si in die Eingangsverknüpfung zwischen dem Mischer
und dem Senderabschnitt darstellt, einen Analysator, der geschaltet
ist, um Eingangssignale zu empfangen, die die ersten und zweiten
Größensignale
von den Detektormitteln umfassen, zum Messen eines Verhältnisses
zwischen den ersten und zweiten Größensignalen und zum Erzeugen
eines Steuersignals, wenn das Verhältnis einen Schwellenwert übersteigt,
wobei die Detektormittel periodisch betreibbar sind, um Merkmale
des Signals So zu analysieren, um die Menge
an Hintergrundrauschen in dem Signal So abzuschätzen und
um ein Signal als ein Eingangssignal zu dem Analysator zu führen, das
die abgeschätzte
Menge an Hintergrundrauschen darstellt, wobei der Schwellenwert, über dem der
Analysator ein Ausgangssteuersignal erzeugt, durch den Analysator
adaptiv in Abhängigkeit
von dem abgeschätzten
Hintergrundrauschen eingestellt wird.
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Das
Steuersignal, das im Betrieb durch den Analysator erzeugt wird,
kann einem Steuermittel zugeführt
werden, das das Signal Si verringern oder
ausschalten kann und/oder das Signal Si durch
ein anderes Signal, z. B. künstliches
Rauschen, das durch einen Komfortrauschgenerator erzeugt wird, ersetzen
kann. wo das Steuermittel betreibbar ist, um das Signal Si auszuschalten, kann das Steuermittel Schaltmittel umfassen, die
betreibbar sind, um die Eingangsverknüpfung zu trennen. Das Schaltmittel
kann optional so angeordnet sein, dass, wenn der Eingangswandler
ausgeschaltet wird, der Ausgangswandler gleichzeitig mit einer Vorrichtung
verbunden wird, die das Signal So zuführt.
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Die
vorliegende Erfindung stellt vorteilhafter Weise eine verbesserte
Kommunikation zwischen Anwendern zur Verfügung, die über Fernsprecheinheiten verfügen, die
in einer Umgebung arbeiten, in der die Menge an erzeugtem Rauschen
beträchtlich
sein und mit der Zeit schnell variieren kann, im Besonderen über mobile Funkeinheiten,
von denen z. B. eine oder beide zur Verwendung in einem sich bewegenden
Fahrzeug eingesetzt werden. Im Besonderen liefert die Erfindung
eine zweckmäßige und
preiswerte Lösung
des Problems eines Einflusses von Hintergrundrauschen auf zuvor
diskutierte (in dem Hintergrundsabschnitt) Echoentstörerentscheidungen
durch Erzeugen eines adaptiven Rauschschwellenwertes, der eine direkte
Funktion des Signals und/oder der Rauschmerkmale des Signals So ist, das dem Ausgangswandler zugeführt wird.
Die Erfindung setzt die Echoentstörungsschaltung in Verbindung
mit einer Echokompensierungsschaltung ein, um so den Effekt einer
solchen Echokompensierungsschaltung zu verbessern.
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In
der Vorrichtung gemäß der Erfindung
kann das Eingangswandlermittel ein Mikrophon sein. Das Mikrophon
kann durch das Schaltmittel über
die Eingangsverknüpfung
in konventioneller Weise mit dem Senderabschnitt und dem Ausgangswandler,
z. B. der Audiovorrichtung, schaltbar sein und kann in konventioneller Weise
mit dem Empfangsteil über
die Ausgangsverknüpfung
schaltbar sein. Somit wird das Signal Si unter
Betriebsbedingungen von dem Eingangswandler zu dem Senderabschnitt
geführt,
wenn die beiden verbunden sind, und das Signal So wird
von dem Empfängerteil
zu dem Ausgangswandler geführt,
wenn die zwei verbunden sind. Die Sender- und Empfängerteile
können
mindestens zum Teil in einer einzelnen gemeinsamen Transceivereinheit
kombiniert werden. Die Sender- und Empfängerteile (oder Transceiver)
können
betreibbar sein, um Signale zu senden und zu empfangen, die durch
ein beliebiges bekanntes Fernsprechkommunikationsverfahren kommuniziert
werden, z. B. als elektrische oder optische Signale über geeignete
Kabel oder Landleitungen oder durch Funkkommunikation, entweder
direkt oder über
eine Zwischenstation, oder durch eine Kombination von zwei oder
mehreren dieser Verfahren. Die vorliegende Erfindung ist im Besonderen
geeignet, wenn sie auf mobile Funkkommunikationseinheiten für den Betrieb
in einer sich ändernden
Rauschumgebung, z. B. in einem Fahrzeug, angewendet wird.
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Die
Audioausgangsvorrichtung in der Vorrichtung gemäß der Erfindung kann einen
Lautsprecher oder eine Ohrmuschel oder andere bekannte Audioausgangsvorrichtungen
umfassen.
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Um
einen verlässlichen
Mikrophonbegrenzungsschwellenwert zu haben, der weder durch Hintergrundrauschen
noch durch eine erhöhte
Ortsfestigkeit des Signals beirrt wird, kann der Mikrophonbegrenzungsschwellenwert
als eine Funktion der empfangenen Signalmerkmale (z. B. Rauschpegelabschätzung) adaptiert
werden. Zum Beispiel kann, da Hintergrundrauschen durch eine höhere Ortsfestigkeit
(Mangel an Veränderung)
gekennzeichnet ist als ein Sprachsignal, der bei der Audioausgangsvorrichtung
(z. B. Lautsprecher) empfangene Rauschpegel in einer bekannten Weise
abgeschätzt
werden, z. B. durch Verwenden eines Detektors, um das empfangene
Signal, das der Audioausgangsvorrichtung zugeführt wird, abzutasten. Solche
ein Detektor kann detektieren, ob die Signalmerkmale stationär (Rauschen
oder Rausch ähnlich)
sind oder nicht (nicht stationäres
Rauschen – z.
B. Hintergrundsprache). Ein spezifisches Beispiel für einen
Detektor ist ein als VAD (Sprachaktivitätsdetektor) bekannter Prozessortyp.
Ein VAD umfasst einen Algorithmus, der angewendet wird, um das empfangene
Signal So, das der Audioausgangsvorrichtung
zugeführt
wird, hinsichtlich seiner Ortsfestigkeit und anderer Merkmale, wie
z. B. Periodizität
und Verstärkung,
statistisch zu analysieren. Entsprechend dem abgeschätzten Rauschpegel
wird der Schwellenwert auf einen geeigneten höheren Wert aktualisiert (und
dies erzeugt ein Steuersignal), z. B. um eine Mikrophonbegrenzung
bei einem höheren
Energiepegel des empfangenen Signals So zur
Verfügung
zu stellen.
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Um
schnelle Übergänge zwischen
Zuständen
und Schwellenwerten aufgrund von momentanen Fluktuationen in den
Signalmerkmalen zu vermeiden, kann eine Hysterese bei dem Aktualisieren
des Rauschschwellenwertpegels eingeführt werden. Diese kann die
Form α·N(k) haben,
wo 0 ≤ α ≤ 1. Ein geeigneter
Wert des Hysteresefaktors α liegt
zwischen 0,6 und 0,9, im Besonderen bei ungefähr 0,75. Der genaue Wert kann für besondere
Betriebsbedingungen ausgewählt
werden.
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Mit
Bezug auf die begleitenden Zeichnungen werden nun Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beispielhaft beschrieben.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein schematischer Schaltplan, der eine mobile Funkfernsprecheinheit
zeigt, die die Erfindung umfasst.
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2 ist
ein schematischer Schaltplan, der eine Echoentstörungsschaltung der in 1 gezeigten Einheit
und ihren Betrieb ausführlicher
darstellt.
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Beschreibung (einer) ausführlicher
(ausführlichen)
Ausführungsformen
(Ausführungsform)
der Erfindung
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Es
wird nun auf 1 Bezug genommen, darin umfasst
eine mobile Funkfernsprechkommunikationseinheit 1 einen
Transceiver 2 zum Senden und Empfangen von Funkkommunikationen.
Der Empfänger 2 ist mit
einem Lautsprecher 3 und über eine elektrisch betriebene
Schaltvorrichtung 4 mit einem Mikrophon 5 verbunden.
Von dem Transceiver 2 wird ein Abtastwert eines Signals
So zu einer Echokompensationseinheit 7 geführt, die
eine Kopie eines Echos durch Modellieren eines Echopfades gemäß der bekannten
in der WO 01/35603 beschriebenen Art und Weise synthetisiert. Die
Einheit 7 führt
einem Mischer 9 ein Ausgangssignal zu. Ein Signal Si, das die eingegebene Sprache darstellt,
wird durch das Mikrophon 5 erzeugt und zu dem Mischer 9 geführt. Das
Ausgangssignal des Mischers 9 umfasst ein Signal, in dem
das durch die Einheit 7 erzeugte simulierte Echo von dem
Signal Si subtrahiert worden ist und zu
dem Transceiver 2 geführt
wird, wenn die Schaltvorrichtung 4 eine geeignete Schaltung
zur Verfügung
stellt. Die Schaltung, die durch die Schaltvorrichtung 4 zwischen
dem Transceiver 2 und dem Mischer 9 zur Verfügung gestellt
wird, kann durch die Wirkung eines Steuersignals gesperrt werden,
das als ein Ausgangssignal von einer Rauschentstörungseinheit 11, die als
Eingangssignale Abtastwerte der Signale So und
Si empfängt,
erzeugt wird.
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2 stellt
die Rauschentstörungseinheit 11 genauer
dar. Ein Signal, das ein Abtastwert des Signals Si von
dem Mikrophon 5 ist, wird in einen Signalabschätzungsblock 13 und
einen Merkmalsdetektor 15 eingegeben, der die Menge an
reinem Signal oder Rauschen detektiert, die sich in dem Signal befindet.
Die Ausgangssignale von dem Abschätzungsblock 13 und
von dem Merkmalsdetektor 15 werden einem Rauschabschätzungsblock 17 zugeführt. Ein
Signal, das ein Abtastwert des Signals So ist,
wird in einen Signalabschätzungsblock 19 eingegeben.
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Jeder
der Signalabschätzungsblöcke
13 und
19 berechnet
die Energie oder Amplitude ihres abgetasteten Signals s gemäß der Gleichung
1 (für
die Amplitude) oder Gleichung 2 (für die Energie) wie folgt:
wo a
s der
berechnete Wert und N die Zahl der in Anspruch genommenen Abtastwerte
ist.
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Der
Merkmalsdetektor
15 berechnet durch Erkennen der Komponente
von reinem Signal, das die in dem Signal vorhan dene Sprache darstellt,
die Amplituden- oder Energiesumme der Abtastwerte dieser Komponente
und führt
dem Rauschabschätzungsblock
17 den
berechneten Wert zu. Dadurch berechnet der Rauschabschätzungsblock
17 die
Energie oder Amplitude der Rauschkomponente des abgetasteten Signals
durch das Subtrahieren des Ausgangssignals des Merkmalsdetektors
15 von
dem Ausgangssignal des Signalabschätzungsblocks
13. Ein
logischer Komparatorblock
21 empfängt ein Eingangssignal a
x von dem Rauschabschätzungsblock
17 und
ein Eingangssignal a
d von dem Signalabschätzungsblock
19.
Der Komparatorblock
21 stellt ein Boolesches Ausgangssignal Δ gemäß den in
(3) ausgedrückten
Bedingungen wie folgt zur Verfügung:
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Hier
wird TH als der Mikrophonbegrenzungsschwellenwert bezeichnet.
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Wo
das Ausgangssignal des Komparatorblocks '0' ist, wird keine Aktion durchgeführt. wenn
das Ausgangssignal '1' ist, kann das Ausgangssignal
eingesetzt werden, um die Schaltvorrichtung 4 (1)
zu betreiben, um den Transceiver 2 von dem Mischer 9 und
dem Mikrophon 5 zu trennen. Zusätzlich kann das Eingangssignal
in den Transceiver 2 optional durch das Ausgangssignal
eines Komfortrauschgenerators 12 (1) ersetzt
werden. Alternativ kann das '1'-Ausgangssignal von dem Komparatorblock 21 eingesetzt
werden, um die Verstärkung
des Eingangssignals Si zu verringern, das
dem Transceiver von dem Mischer zugeführt wird.
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Der
Mikrophonbegrenzungsschwellenwert (TH) ist adaptiv und kann gemäß dem Ausgangssignal
von dem Rauschabschätzungsblock
gemäß (4) wie
folgt aktualisiert werden:
wo TH
Basis der bestehende Schwellenwert und N(k)
der Rauschpegel ist und α und β Multiplikatoren
sind.
