DE60317368T2 - Nichtlinearer akustischer echokompensator - Google Patents

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    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04MTELEPHONIC COMMUNICATION
    • H04M9/00Arrangements for interconnection not involving centralised switching
    • H04M9/08Two-way loud-speaking telephone systems with means for conditioning the signal, e.g. for suppressing echoes for one or both directions of traffic
    • H04M9/082Two-way loud-speaking telephone systems with means for conditioning the signal, e.g. for suppressing echoes for one or both directions of traffic using echo cancellers

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Echokompensationsvorrichtung für eine Anordnung zum Übertragen von Tonsignalen, insbesondere sprachliche Äußerungen, wobei die Anordnung einen Echofilter zur Echokompensation umfasst, wobei der Echofilter angeordnet ist zwischen einem Eingangskanal zum Empfangen eines elektrischen Eingangssignals, der von einem fernen Ende kommt und zu einem Umsetzer zum Umsetzen eines elektrischen Signals in ein erstes Tonsignal führt, und einem Ausgangskanal zum Ausgeben eines elektrischen Ausgangssignals, der von einem Rückumsetzer zum Rückumsetzen eines zweiten Tonsignals in ein elektrisches Signal kommt und zu einem fernen Ende führt. Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung zum Empfangen und Übertragen von Tonsignalen, wie in Anspruch 9 beansprucht. Außerdem betrifft die Erfindung ein Echokompensationsverfahren. Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Rechnerprogramm mit Rechnerprogrammiermitteln, um zu bewirken, dass ein Rechner die Schritte besagten Verfahrens ausführt, wenn man das Rechnerprogramm auf einem Rechner laufen lässt.
  • Das Echoproblem kann bei der Verwendung von Telefonen, insbesondere von Mobiltelefonen, auftreten. Ein Echo entsteht durch die Tatsache, dass das Mikrofon eines Telefons nicht nur die direkt in das Mikrofon gesprochene Sprache aufzeichnet und überträgt. Auch andere Geräusche, insbesondere die durch den Sprecher desselben Telefons ausgegebenen Schallsignale, werden durch das Mikrofon aufgezeichnet und an die Person am anderen Ende zurückgesendet. Diese Wirkung tritt insbesondere dann auf, wenn Mobiltelefone zusammen mit Freisprecheinrichtungen verwendet werden, weil das Mikrofon so angeordnet ist, dass es Töne aus einem großen Raum empfängt. Selbst bei Mobiltelefonen ohne Freisprecheinrichtung können Echos in einem größeren Maße auftreten, weil das vom Sprecher ausgehende Schallsignal durch das relativ kleine Gehäuse zum Mikrofon übertragen wird. Solche Wirkungen können auch bei DECT-Telefonen oder Funkgeräten auftreten.
  • Es ist eine besonders unangenehme Wirkung, wenn solche Echos auftreten, dass sie aufgrund von nichtlinearen Anteilen im Telefon selbst nichtlinear werden. Solche nichtlinearen Echos werden durch den Benutzer am fernen Ende als Verzerrung wahrgenommen. Dagegen werden geringfügige Verzerrungen der Sprachausgabe am nahen Ende, die in Mobiltelefonen oder schnurlosen Telefonen durch die hohe Ausgangsamplitude trotz der geringen Batteriespannungen verursacht werden, akzeptiert.
  • Die meisten Systeme zum Kompensieren der oben beschriebenen Schallechos verwenden einen linearen adaptiven Filter. Der lineare Filter modelliert dann den Echoweg und wird mittels Anpassung ständig modifiziert. Das Signal, das den Echoweg durchläuft, durchläuft dann das Modell dieses Abschnitts im linearen Filter auf die gleiche Weise und wird dann von dem Signal subtrahiert, das durch das Mikrofon aufgefangen wurde und das auch das Echo enthält, so dass sich im optimalen Fall das durch das Mikrofon empfangene Signal ohne das Echo ergibt. Sowohl Zeitbereichsfilter, zum Beispiel NLMS-Anpassung, als auch Frequenzbereichsfilter werden erfolgreich zum Kompensieren des linearen Echos verwendet. Diese Filter modellieren den Echoweg so genau, dass eine Reduzierung des linearen Echos von bis zu 30 dB erreicht werden kann.
  • Nichtlinear verzerrte Echos bleiben bestehen, nachdem ein lineares Echo kompensiert worden ist. Sie werden insbesondere durch Begrenzungsglieder in der Übertragungsanordnung verursacht. Sie treten daher insbesondere bei lauten Sprachanteilen und sehr plötzlich auf, was besonders unangenehm ist.
  • Bisher sind zwei Lösungsansätze für das Kompensieren von nichtlinear verzerrten Echos bekannt. Bei einem ersten Lösungsansatz wird zusätzlich zu einem linearen Filter ein nichtlineares Modell verwendet. Sowohl der lineare Filter als auch das nichtlineare Modell werden angepasst, so dass selbst das nichtlineare Verhalten des Abschnitts des Echowegs modelliert werden kann. Das Echo kann somit auf eine Weise kompensiert werden, die dem oben beschriebenen linearen Fall sehr ähnlich ist. Tatsächlich ist es im nichtlinearen Fall notwendig, dass das nichtlineare Modell und der nichtlineare Weg mit sehr großer Genauigkeit übereinstimmen. Das bedeutet, dass es absolut erforderlich ist, das nichtlineare Modell anzupassen. Es ist besonders kompliziert und aufwendig, eine nichtlineare Anpassung zu erreichen, so dass für diese Lösung ein entsprechend leistungsstarker digitaler Signalprozessor (DSP) erforderlich ist, was entsprechend hohe Kosten mit sich bringt.
  • Bei einem zweiten Lösungsansatz zur Behandlung nichtlinearer Echos wird ein adaptiver linearer Filter außerdem mit dem zusätzlichen Merkmal der Dämpfung des zu einem fernen Ende führenden Kanals verwendet. Diese Dämpfung tritt einerseits nur bei einem relevanten Frequenzbereich auf und funktioniert andererseits nur dann, wenn nichtlinear verzerrte Echos auftreten können. Diese zusätzliche Dämpfung des Ausgangskanals mindert die Sprachqualität am nahen Ende des Telefons, falls an beiden Enden gleichzeitig gesprochen wird. Außerdem müssen bei diesem Lösungsansatz die nichtlinearen Verzerrungen zuverlässig gemessen werden. Das erfordert eine sorgfältige Anpassung der Hardware. Dieses Verfahren bringt auch erhöhte DSP-Kosten mit sich. Ein solcher Aufwand ist nur dann gerechtfertigt, wenn das erforderliche Dämpfungsglied bereits für andere Zwecke, zum Beispiel zusätzliche Echokompensation und/oder Rauschunterdrückung, bereitgestellt ist.
  • Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln der Amplitude in einem Kommunikationssystem mit linearer Echokompensation sind aus WO 00/70853 bekannt, worin ein Signal auf den Bereich eines Digital-Analog-Umsetzers beschränkt ist.
  • US 2002/0154761 offenbart ein System und ein Verfahren zum Regeln eines Filters zur Steigerung der Leistung eines Lauthörtelefons. Ein dynamischer Hochpassfilter ist im Eingangsweg angeordnet, der durch eine Filterregelalgorithmuseinheit angepasst werden kann. Auf den Hochpassfilter folgt ein Empfangssignaldämpfer, der durch die Aktivitätserkennungs- und Regeleinheit geregelt wird. Hinter dem Signaldämpfer wird das Eingangssignal zum Umsetzer, einschließlich Digital-Analog-Umsetzer, Verstärker und Ausgabegerät, und zum adaptiven Filter abgezweigt. Der Signaldämpfer dämpft die Signale in allen Bereichen um den Dämpfungsfaktor. Der Signaldämpfer wird dazu verwendet, jedes Rauschen innerhalb der Sprechpausen zu unterdrücken.
  • WO 02/095975 A2 offenbart eine Echoverarbeitungsvorrichtung. Im Eingangsweg sind ein Hochpassfilter und ein Umsetzer angeordnet. Ein adaptiver Echokompensator ist zwischen dem Eingangsweg und dem Ausgangsweg angeordnet.
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist zum Beispiel die Kompensation sowohl von linearen als auch von nichtlinearen Echos, wenn Tonsignale übertragen werden, insbesonde re in Telefonen, zum Beispiel in Mobiltelefonen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Kompensation von Echos auf einfache und kostengünstige Weise.
  • Die Aufgaben werden durch die Merkmale der Hauptansprüche gelöst. Erfindungsgemäß ist ein im Eingangskanal angeordneter Hochpassfilter mit einer Grenzfrequenz, die jenseits der Grenzfrequenz des Hochpassverhaltens des Umsetzers liegt, vor dem Echofilter (aus der Richtung des fernen Endes gesehen) angeordnet, und ein Begrenzungsglied zum Begrenzen der Signalamplitude ist im Eingangskanal zwischen dem Hochpassfilter und dem Echofilter angeordnet.
  • Die Erfindung beruht auf der Voraussetzung, dass das nichtlineare Verhalten des Echowegabschnitts, insbesondere das Verhalten vom Eingangskanal zum akustischen Ausgang des Umsetzers, insbesondere eines darin vorhandenen Verstärkers, nur jenseits einer Signalamplitude auftritt, die durch die Begrenzung der Verstärkung dieses Wegs bestimmt wird. Aus diesem Grund ist im Eingangsweg ein Begrenzungsglied angeordnet, so dass die Amplitude des von einem fernen Ende kommenden Signals begrenzt wird, so dass bei diesem Signal kein nichtlineares Verhalten auftritt.
  • Zusätzlich zum möglichen nichtlinearen Verhalten zeigt der Echoweg im Eingangskanal vor dem Lautsprecher auch Hochpassverhalten. Ein Hochpassverhalten dieser Art hat eine differenzierende Wirkung auf niederfrequente Signalanteile. Daher besteht die Gefahr, dass das von einem fernen Ende kommende und in seiner Amplitude begrenzte Signal in einigen Bereichen durch differenzierendes Verhalten wieder einen Amplitudenanstieg erfährt und diese vorher erreichte Amplitudenbegrenzung wieder überschreitet. Um dieses Problem zu vermeiden, wird ein weiterer Hochpassfilter, der die niederfrequenten Anteile aus dem von einem fernen Ende kommenden Signal herausfiltert, vor dem Begrenzungsglied angeordnet. Somit kann die Gefahr des differenzierenden Verhaltens im Echoweg und des damit verknüpften Amplitudenanstiegs vermieden werden.
  • Die Anordnung des Hochpassfilters gemäß der Erfindung mit dem dahinter liegenden Begrenzungsglied im Eingangskanal bewirkt somit, dass das vom fernen Ende kommende Signal auf einen Frequenzbereich oberhalb einer Frequenz F1 und unterhalb einer Amplitude 0 begrenzt wird.
  • Die nichtlinearen Elemente im Echoweg haben somit keine Auswirkung auf das Echo, so dass sich der Echoweg tatsächlich nur als ein linearer Abschnitt darstellt. Daher ist es möglich, das Echo mit Hilfe eines linearen Filters für alle Betriebsbedingungen zu kompensieren. Diese erfindungsgemäße Vorrichtung vermeidet somit auf einfache Weise ein nichtlinear verzerrtes Echo. Das kann mit wenig Aufwand und somit auf kostengünstige Weise erreicht werden.
  • In der einfachsten bekannten und am häufigsten verwendeten Ausführungsform sind Begrenzungsglieder durch eine Sättigungsfunktion gekennzeichnet. Eine Sättigungsfunktion hat im Wesentlichen im dritten Quadranten einen konstanten negativen und im ersten Quadranten einen konstanten positiven Abschnitt, und der Wert dieses Abschnitts entspricht dem Ausmaß der Begrenzung. Im Bereich des Ursprungs weist eine solche Sättigungsfunktion einen Abschnitt mit einer konstanten Steigung auf, die die beiden konstanten Abschnitte des dritten und des ersten Quadranten verbindet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind Übergänge zwischen den proportionalen Abschnitten, die durch den Ursprung verlaufen, und einem jeweiligen konstanten Abschnitt sanft. Diese sanften Übergänge und auch die restlichen Begrenzungsfunktionscharakteristiken sind insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass sie ständig differenziert werden können. Aufgrund des Begrenzungsprozesses führt das zu einem Signal, in dem keine Einsattlungen entstehen und somit keine unnötige Verzerrung dieses Signals auftritt.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Charakteristik des Begrenzungsglieds durch eine Funktion gebildet, die sich aus einem ersten konstanten, einem ersten quadratischen, einem proportionalen, einem zweiten quadratischen und einem zweiten konstanten Abschnitt zusammensetzt. Die beiden konstanten Abschnitte und der proportionale Abschnitt sind gemäß einer bekannten Sättigungsfunktion angeordnet. Die beiden quadratischen Abschnitte bilden jeweils den Übergang zwischen dem proportionalen und einem der konstanten Abschnitte. Die quadratischen Abschnitte sind parametriert, so dass alle fünf Abschnitte zur Bildung einer stetigen Funktion zusammengebracht werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Charakteristik des Begrenzungsglieds durch eine Funktion gebildet, die sich aus einer ersten konstanten, einer ersten quadratischen, einer proportionalen, einer zweiten quadratischen und einer zweiten konstanten Funktion zusammensetzt, wo die Abschnitte der beiden quadratischen Funktionen parametriert sind, so dass eine zusammenhängende Funktion entsteht, die auch ständig differenziert werden kann. In dieser bevorzugten Ausführungsform wird auf einfache Weise eine konstante und ständig differenzierbare Begrenzungscharakteristik erreicht. Sie stellt keine besonderen Anforderungen an den digitalen Signalprozessor und kann daher auf einfache und kostengünstige Weise hergestellt werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Begrenzungscharakteristik durch eine tanh-Funktion erreicht. Die tanh-Funktion ähnelt in ihrem Muster sehr einer Sättigungsfunktion. Sie hat einen nahezu konstanten und einen nahezu proportionalen Abschnitt, deren Übergänge jedoch sanft sind, weil die tanh-Funktion ständig differentiell multipliziert werden kann. Die Verwendung einer tanh-Funktion hat den Vorteil, dass der gesamte Bereich der Begrenzungscharakteristik mit dieser einen Funktion vollständig beschrieben ist. Es ist jedoch notwendig, dass diese spezielle Trigonometriefunktion im digitalen Signalprozessor implementiert wird, oder es muss zumindest möglich sein, sie mit Hilfe von zwei e-Funktionen und einer Division zu erreichen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein linearer und/oder adaptiver Echofilter zum Kompensieren des Echos verwendet. Die erfindungsgemäße Anordnung des Hochpassfilters und des Begrenzungsglieds ist grundsätzlich unabhängig von der Auswahl des verwendeten Echofilters. Jedoch ist es somit möglich, einen linearen Filter zu verwenden. Dadurch wird der Rechenaufwand gering gehalten. Außerdem ist es möglich, dass das lineare Verhalten des Echowegs unzureichend oder überhaupt nicht bekannt ist, und es muss auch berücksichtigt werden, dass das lineare Verhalten des Echowegs variabel ist. Das kann sich zum Beispiel aus der Tatsache ergeben, dass ein Telefon auf verschiedene Weise gehalten und in unterschiedlichen wechselnden Gebieten verwendet werden kann. Aus diesem Grund hat sich eine Anpassung als vorteilhaft erwiesen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform hat der Hochpassfilter eine 3-dB-Grenzfrequenz von ca. 0,1 bis 2 kHz, insbesondere von ca. 0,2 bis 1 kHz. Dieser Frequenzbereich ist durch den hörbaren Bereich des menschlichen Ohrs vorgegeben, insbesondere durch den technischen Aufbau regulärer Telefone. Ein Telefon, das im Vergleich zum Subwoofer einer Stereoanlage geringe Abmessungen hat und auch unter Verwendung von geringen Energiemengen arbeitet, ist kaum in der Lage, tiefe Töne, das heißt, Töne im niederfrequenten Spektrum, zu erzeugen. Entsprechend weist ein solches Telefon bei einer Grenzfrequenz im unteren hörbaren Bereich bereits Hochpassverhalten auf. Die Grenzfrequenz liegt typischerweise im Bereich von 50 bis 200 Hz. Um einen Amplitudenanstieg aufgrund von differenzierendem Verhalten (siehe obige Beschreibung) zuverlässig zu verhindern, wird die Grenzfrequenz des im Eingangskanal verwendeten erfindungsgemäßen Hochpassfilters so gewählt, dass sie oberhalb der Grenzfrequenz des Hochpassverhaltens des Echowegs liegt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die 3-dB-Grenzfrequenz des Hochpassfilters daher um einen Faktor von ca. 2 bis 10, insbesondere einen Faktor von ca. 5, größer als die 3-dB-Grenzfrequenz des Umsetzers. Um das Problem eines Amplitudenanstiegs aufgrund von differenzierendem Verhalten (siehe obige Beschreibung) zu vermeiden, sollte der untere Wert des Faktors nicht geringer als 2 sein. Der Faktor sollte auch nicht größer als 10 sein, weil anderenfalls die Gefahr besteht, dass das Frequenzspektrum des Signals zu stark eingeschränkt wird. Das könnte dazu führen, dass die übertragene Sprache sehr unangenehm wirkt. Die Stimmen der Sprecher könnten dann ungewöhnlich unnatürlich klingen. Aus diesem Grund hat sich der Faktor 5 als vorteilhaft erwiesen.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung zum Empfangen und Übertragen von Tonsignalen mit einer Vorrichtung, wie in Anspruch 1 beansprucht. Eine Anordnung dieser Art könnte zum Beispiel ein Mobiltelefon, eine Freisprecheinrichtung, ein Funkgerät oder ein schnurloses Telefon sein. Die Erfindung betrifft auch ein Echokompensationsverfahren in einer solchen Anordnung, wie in Anspruch 10 beansprucht, und ein Rechnerprogramm zum Ausführen dieses Verfahrens.
  • Diese und andere Aspekte der Erfindung sind aus den hierin weiter unten beschriebenen Ausführungsformen ersichtlich und werden unter Bezugnahme auf diese Ausführungsformen erläutert.
  • In den Zeichnungen zeigt:
  • 1 eine Schaltungsanordnung einer gewöhnlich verwendeten Vorrichtung zum Kompensieren eines linearen Echos in einer Anordnung zum Empfangen und Übertragen von Tonsignalen;
  • 2 eine Schaltungsanordnung einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik zum Kompensieren eines linearen Echos mit einem linearen und einem nichtlinearen Filter;
  • 3 eine Schaltungsanordnung einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik zum Kompensieren eines nichtlinearen Echos mit einem linearen Filter und einer zusätzlichen Dämpfungseinheit;
  • 4 eine Schaltungsanordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verhindern eines nichtlinearen Echos in einer Anordnung zum Empfangen und Übertragen von Tonsignalen;
  • 5 den Funktionsgraphen eines erfindungsgemäßen Begrenzungsglieds; und
  • 6 das Übertragungsverhalten im Umsetzer unter Verwendung des Beispiels eines begrenzten, aber ungefilterten Signals.
  • 1 zeigt eine Anordnung zum Empfangen und Übertragen von Tonsignalen mit einem Eingangskanal 1, einem Umsetzer 2, einem Rückumsetzer 3, einem Ausgangskanal 4 und einer Vorrichtung zum Kompensieren eines linearen Echos 50. Die in dieser Figur gezeigte Schaltungsanordnung findet sich zum Beispiel in Mobiltelefonen oder Freisprecheinrichtungen. Am Eingangskanal 1 wird ein digitales Signal, das von einem fernen Ende, zum Beispiel von einem Sprecher am fernen Ende, kommt, empfangen und zum Umsetzer 2 weitergeleitet. Im Umsetzer 2 wird das digitale Signal mit Hilfe des Digital-Analog-Umsetzers 21 in ein analoges Signal umgesetzt und dann durch den Verstärker 22 verstärkt und schließlich durch den Lautsprecher 23 in ein Schallsignal umgesetzt. Ein Teil dieses Schallsignals erreicht den Rückumsetzer 3, wo es zusammen mit dem neuen zusätz lichen Geräusch, hauptsächlich der vom Telefonbenutzer gesprochenen Sprache, auf dieser Seite überlagert wird und durch das Mikrofon 31 aufgefangen und in ein elektrisches Signal umgesetzt wird. Die Amplitude dieses elektrischen Signals wird durch den Rückumsetzer 32 an den Bereich des Analog-Digital-Umsetzers 33 angepasst. Der Analog-Digital-Umsetzer 33 setzt das somit in seiner Amplitude veränderte analoge Signal in ein digitales Signal um. Dieses digitale Signal wird durch den Ausgangskanal 4 ausgegeben, um zu einem fernen Ende übertragen zu werden.
  • Um das Echo 7, das das neue Geräusch 5 am Ausgang des Rückumsetzers 32 überlagert, wieder zu kompensieren, subtrahiert ein linearer Filter 502 in der Vorrichtung zum Unterdrücken eines linearen Echos 50 ein geschätztes Signal, das dem Echoinhalt entsprechen sollte, an der Additionsstelle 501. Aus diesem Grund repliziert der lineare Filter 502 das Verhalten des Echowegs 7. Um eine optimale Replikation, die sich auch an Veränderungen im Echoweg 7 anpasst, zu erhalten, erfolgt die Anpassung unter Verwendung des Anpassungsblocks 503.
  • Das lineare Verhalten des Echowegs 7 kann mit Hilfe dieser Vorrichtung zum Kompensieren eines linearen Echos 50 genau repliziert werden. Lineare Echos können auf diese Weise leicht kompensiert werden. Nichtlinear verzerrte Echos, die sich aus dem nichtlinearen Verhalten des Echowegs 7 ergeben, können mit dieser Vorrichtung zum Kompensieren eines linearen Echos nicht kompensiert werden.
  • 2 zeigt die Schaltungsanordnung einer Echokompensationsvorrichtung 51, mit der auch ein nichtlinear verzerrtes Echo berücksichtigt werden soll. Diese Vorrichtung 51 wird gemäß der Vorrichtung zum Kompensieren eines linearen Echos 50 gemäß 1 in einer Anordnung zum Empfangen und Übertragen von Tonsignalen verwendet. Zusätzlich zur Additionsstelle 511 und zum linearen Filter 512 mit dem zugehörigen Anpassungsblock 513 wird ein zusätzlicher nichtlinearer Filter 514 zusammen mit einem nichtlinearen Anpassungsblock 515 verwendet. Der nichtlineare Filter 514 wird dann zusammen mit dem nichtlinearen Anpassungsblock 515 zum Replizieren des nichtlinearen Verhaltens des Echowegs 7 verwendet.
  • Unter Verwendung dessen ist es grundsätzlich möglich, das lineare und das nichtlineare Verhalten des Echowegs 7 zu modellieren und somit sowohl den linear als auch den nichtlinear verzerrten Teil des Echos an der Additionsstelle 511 zu kompensieren.
  • 3 zeigt die Schaltungsanordnung einer weiteren Echokompensationsvorrichtung 52 nach dem Stand der Technik, die ähnlich wie die Vorrichtung zum Kompensieren eines linearen Echos 50 in 1 in einer Anordnung zum Empfangen und Übertragen von Tonsignalen verwendet wird. Diese Vorrichtung 52 umfasst wieder eine Additionsstelle 521 und einen linearen Filter 522 mit einem zugehörigen Anpassungsblock 523. Mit Hilfe des linearen Filters 522 kann der lineare Anteil des Echos an der Additionsstelle 521 kompensiert werden. Die verbleibenden nichtlinear verzerrten Anteile des Echos können teilweise mit Hilfe des Dämpfungsglieds 524 kompensiert werden.
  • Das Dämpfungsglied 524 entfernt das nichtlineare Echo durch Dämpfen des von der Additionsstelle 521 kommenden Signals für Frequenzbereiche, in denen nichtlinear verzerrte Echos auftreten können. Diese Dämpfung findet nur zu solchen Zeiten statt, zu denen nichtlinear verzerrte Echos auftreten können. Aus diesem Grund wird das Ausgangssignal des linearen Filters 522 auch dem Dämpfungsglied 524 zugeführt.
  • 4 zeigt eine Anordnung zum Empfangen und Übertragen von Tonsignalen mit einem Hochpassfilter 8 und einem Begrenzungsglied 9 gemäß der Erfindung, die im Eingangskanal 1 angeordnet sind. Auch in dieser Anordnung wird eine Echokompensationsvorrichtung 53 verwendet, die sowohl eine Additionsstelle 531 als auch einen linearen adaptiven Filter 532 umfasst. Hier kann jedoch ein linearer Filter zusammen mit einem Anpassungsblock verwendet werden, so dass die Echokompensationsvorrichtung 53 zu demselben Funktionsprinzip führt wie in der linearen Echokompensationsvorrichtung 50 in 1.
  • Ein wesentliches Element der Erfindung besteht darin, dass das über den Eingangskanal 1 empfangene Signal zuerst durch den Hochpassfilter 8 geleitet wird, der niederfrequente Anteile aus dem Signal herausfiltert. Das somit veränderte Signal wird durch das Begrenzungsglied 9 geleitet, das die Amplitude des Signals begrenzt. Das somit modifizierte Signal kommt in der Echokompensationsvorrichtung 53 einerseits am linearen a daptiven Filter 532 und andererseits am Umsetzer 2 an. Das durch den Hochpassfilter 8 und das Begrenzungsglied 9 veränderte Signal wird mm so geformt, dass es im Echoweg 7 kein nichtlineares Verhalten erregt. Das gewährleistet, dass das Signal, das vom Rückumsetzer 3 kommt und die Additionsstelle 531 erreicht, nur lineares Echo enthält. Dann ist es möglich, dieses Echo in jedem Fall mit Hilfe des linearen adaptiven Filters 532 zu kompensieren. Das wiederum gewährleistet, dass das Signal auf dem Ausgangskanal 4 unter allen Betriebsbedingungen völlig echofrei ist. Ein weiterer Vorteil besteht in einer geringfügig verbesserten Sprachreproduktion am nahen Ende, weil Verzerrungen etwas schwächer klingen.
  • 5 zeigt die Charakteristiken des Begrenzungsglieds 9 in Form eines Funktionsgraphen. Dieser Graph zeigt einen ersten konstanten Abschnitt 10, einen ersten quadratischen Abschnitt 11, einen proportionalen Abschnitt 12, einen zweiten quadratischen Abschnitt 13 und einen zweiten konstanten Abschnitt 14. Der erste konstante Abschnitt 10 setzt den negativen Grenzwert und der zweite konstante Abschnitt 14 den positiven Grenzwert des Begrenzungsglieds auf den Wert Θ. Der proportionale Abschnitt 12 zeigt die Steigung Eins. Der erste quadratische Abschnitt 11 ist so angeordnet, dass er die Steigung Null bei der Annäherung an den ersten konstanten Abschnitt 10 und die Steigung Null bei der Annäherung an den proportionalen Abschnitt 12 hat. Somit wird ein sanfter Übergang vom ersten konstanten Abschnitt 10 zum proportionalen Abschnitt 12 geschaffen. Der zweite quadratische Abschnitt 13 schafft auf ähnliche Weise einen sanften Übergang vom proportionalen Abschnitt 12 zum konstanten Abschnitt 14. Der im ersten Quadranten angeordnete Teil des Funktionsgraphen ist punktsymmetrisch mit dem im dritten Quadranten angeordneten Teil.
  • 6 zeigt das Übertragungsverhalten des zwischen den Punkten A und B liegenden Abschnitts von 4 für ein begrenztes Niederfrequenzsignal. Hier wird ein Signal 15 gezeigt, das ursprünglich etwas sinusförmig war und als ein auf die Amplitude Θ begrenztes Signal 16 quer durch den Abschnitt A–B übertragen wird. Die zwischen den Punkten A und B angeordnete Übertragungsanordnung 17 zeigt Hochpassverhalten, was eine differenzierende Wirkung auf die niederfrequenten Anteile hat, so dass sich das Signalverhalten 18 auf der rechten Seite von 6 ergibt. Hier ist klar ersichtlich, dass durch die Differenzierung die Amplitudenbegrenzung wieder verloren geht. In einigen Bereichen 19 übersteigt das resultierende Signal 18 deutlich den Grenzwert Θ um einen beträchtlichen Betrag.
  • Das hier gezeigte Signal 15 und somit auch das begrenzte Signal 16 ist niederfrequent und ist nicht, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, durch einen Hochpassfilter geleitet worden. In der erfindungsgemäßen Anordnung wird ein Signal, das über den Eingangskanal 1 empfangen wird, zuerst durch einen Hochpassfilter 8 geleitet. Niederfrequenzsignale können das hinter ihm angeordnete Begrenzungsglied 9 nicht länger erreichen oder erreichen es nur mit stark reduzierter Amplitude. Das in 6 dargestellte Problem des Übersteigens der begrenzenden Amplitude durch differenzierende Niederfrequenzsignale und einer gleichzeitigen hohen Amplitude kann daher nicht länger auftreten. Es ist somit gewährleistet, dass ein über den Eingangskanal 1 empfangenes Signal sogar am Ausgang des Abschnitts A–B in keinem Bereich die begrenzende Amplitude Θ übersteigt. Durch die Gewährleistung dieser begrenzten Amplitude kann das Auftreten von nichtlinearem Verhalten verhindert werden. Somit weist das Echo auch keinerlei nichtlineare Verzerrungen auf, und somit ist mit Hilfe eines linearen adaptiven Filters eine vollständige Echokompensation möglich.
  • In einer häufigen Anwendung weist der Umsetzer einer Anordnung zum Übertragen von Tonsignalen ein Hochpassverhalten mit einer Grenzfrequenz von 100 Hz auf. Der erfindungsgemäße Hochpassfilter, der im Eingangskanal angeordnet ist, verwendet zu diesem Zweck eine Grenzfrequenz von 300 Hz. Außerdem beträgt in diesem Beispiel der Eingangsspannungsbereich des Umsetzers ±5 Volt. Unter Berücksichtigung einer Toleranz von 5% ist die kritische Amplitude Θ des ebenfalls im Eingangskanal angeordneten Begrenzungsglieds auf 4,75 Volt eingestellt.
  • Dieses Beispiel zeigt, dass das Parametrieren des Hochpassfilters und des Begrenzungsglieds auf einfache Weise erfolgen kann. Außerdem ist zur Echokompensation kein besonders komplizierter digitaler Signalprozessor erforderlich. Nichtsdestoweniger können sowohl linear als auch nichtlinear verzerrte Echos mit Hilfe dieses Hochpassfilters und dieses Begrenzungsglieds zusammen mit einem bekannten adaptiven linearen Filter wirksam verhindert werden.

Claims (11)

  1. Eine Echokompensationsvorrichtung für eine Anordnung zum Übertragen von Tonsignalen, insbesondere sprachliche Äußerungen, umfassend einen Echofilter zur Echokompensation (7), wobei der Echofilter angeordnet ist zwischen einem Eingangskanal (1) zum Empfangen eines elektrischen Eingangssignals, der von einem fernen Ende kommt und zu einem Umsetzer (2) zum Umsetzen eines elektrischen Signals in ein erstes Tonsignal führt, und einem Ausgangskanal (4) zum Ausgeben eines elektrischen Ausgangssignals, der von einem Rückumsetzer (3) zum Rückumsetzen eines zweiten Tonsignals in ein elektrisches Signal kommt und zu einem fernen Ende führt, wobei ein Hochpassfilter (8) und ein Begrenzungsglied (9) im Eingangskanal angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochpassfilter (8) eine Grenzfrequenz hat, die jenseits der Grenzfrequenz des Hochpassverhaltens des Umsetzers (2) vor dem Echofilter (532), aus der Richtung des fernen Endes gesehen, liegt, um das vom fernen Ende kommende Signal auf einen Frequenzbereich oberhalb einer vorgegebenen Frequenz zu begrenzen, und das Begrenzungsglied (9) für das Begrenzen der Signalamplitude im Eingangskanal (1) zwischen dem Hochpassfilter (8) und dem Echofilter (532) auf einen Wert unterhalb einer vorgegebenen Amplitude mittels einer Sättigungsfunktion ausgelegt ist, wobei Übergänge zwischen Abschnitten in der Sättigungsfunktion sanft sind, um ohne Einsattlungen differenziert zu werden, wobei der Echofilter (532) ein linearer Echofilter ist.
  2. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Charakteristik des Begrenzungsglieds (9) durch eine Funktion bestimmt wird, die einen ersten konstanten (10), einen proportionalen (12) und einen zweiten konstanten Abschnitt (14) hat, und die Übergänge zwischen diesen Abschnitten sanft, insbesondere konstant und ständig differenzierbar sind.
  3. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Charakteristik des Begrenzungsglieds (9) aus einer kombinierten Funktion aus einem ersten konstanten (10), einem ersten quadratischen (11), einem proportionalen (12), einem zweiten quadratischen (13) und einem zweiten konstanten Abschnitt (14) gebildet wird.
  4. Eine Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion, die die Charakteristik des Begrenzungsglieds (9) bildet, konstant und ständig differenzierbar ist.
  5. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Charakteristik des Begrenzungsglieds (9) durch eine tanh-Funktion gebildet wird.
  6. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Echofilter (502; 512; 522; 532) ein linearer und adaptiver Filter ist.
  7. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochpassfilter (8) eine 3-dB-Grenzfrequenz von ca. 0,1 bis 2 kHz, insbesondere von ca. 0,2 bis 1 kHz hat.
  8. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die 3-dB-Grenzfrequenz des Hochpassfilters (8) um einen Faktor von ca. 2 bis 10, insbesondere um einen Faktor von ca. 5, größer als die 3-dB-Grenzfrequenz des Umsetzers (2) ist.
  9. Verwendung einer Echokompensationsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche in einem Mobiltelefon, einem schnurlosen Telefon, einem Funkgerät oder einer Freisprecheinrichtung zum Empfangen und Übertragen von Tonsignalen.
  10. Ein Echokompensationsverfahren, bei dem Tonsignale, insbesondere sprachliche Äußerungen, empfangen und ausgegeben werden, in dem ein elektrisches Eingangssignal über einen Eingangskanal (1) empfangen, durch einen Hochpassfilter (8) und dann durch ein Begrenzungsglied (9) zu einem Umsetzer (2) zum Umsetzen des elektri schen Eingangssignals in ein erstes Tonsignal geleitet wird, während ein elektrisches Ausgangssignal, das durch einen Rückumsetzer (3) zum Rückumsetzen eines zweiten Tonsignals in ein zweites elektrisches Signal weitergeleitet wird, über einen Ausgangskanal (4) ausgegeben wird, wobei das elektrische Eingangssignal zwischen dem Begrenzungsglied (9) und dem Umsetzer (2) abgezweigt, durch einen Echofilter (50; 51; 52; 53) geleitet und vom elektrischen Ausgangssignal subtrahiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochpassfilter (8) eine Grenzfrequenz hat, die größer als die Grenzfrequenz des Umsetzers ist, um das vom fernen Ende kommende Signal auf einen Frequenzbereich oberhalb einer vorgegebenen Frequenz zu begrenzen, und das Begrenzungsglied (9) die Signalamplitude im Eingangskanal (1) zwischen dem Hochpassfilter (8) und dem Echofilter (532) auf einen Wert unterhalb einer vorgegebenen Amplitude mittels einer Sättigungsfunktion begrenzt, wobei Übergänge zwischen Abschnitten in der Sättigungsfunktion sanft sind, um ohne Einsattlungen differenziert zu werden, wobei der Echofilter (532) ein linearer Echofilter ist.
  11. Ein Rechnerprogramm mit Rechnerprogrammiermitteln, um zu bewirken, dass ein Rechner die Schritte des in Anspruch 10 beanspruchten Verfahrens ausführt, wenn man das Rechnerprogramm auf einem Rechner laufen lässt.
DE60317368T 2003-01-08 2003-12-22 Nichtlinearer akustischer echokompensator Expired - Lifetime DE60317368T2 (de)

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