DE69131443T2 - Interferenzunterdrücker mit Steuerung der Gewichtungsfaktorenanpassung mit zum Signalleistungspegel umgekehrt proportionaler Stufenhöhe - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Interferenzunterdrücker bzw. Entstörer, der ein adaptives Filter zur Annäherung an die Übertragungsfunktion des Ausbreitungswegs von Störsignalen verwendet.
• Eine Beschreibung der adaptiven Rauschunterdrückung bzw. Entstörung gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2 findet sich in "Adaptive Noise Canceling: Principles and Applications", Bernard Widrow et al., Proceedings of the IEEE, Band 63, Nr. 12, Dezember 1975, Seiten 1692 bis 1716. Der Beitrag beschreibt einen (nach der Methode der kleinsten mittleren Quadrate) arbeitenden adaptiven LMS-Entstörer, in dem ein Signal sk über einen Kanal gesendet und durch einen ersten Sensor empfangen wird, der auch eine mit dem Signal unkorrelierte Störung n'k empfängt, wobei k den diskreten Zeitpunkt bezeichnet. Die Kombination aus Signal und Störung sk + n'k bildet die Primäreingabe zum Entstörer. Ein zweiter Sensor empfängt eine Störung nk, die mit dem Signal unkorreliert, aber auf gewisse unbekannte Art mit der Störung n'k korreliert ist. Dieser Sensor stellt die Referenzeingabe zum Entstörer bereit. Die Störung nk wird durch ein adaptives Filter verarbeitet, um eine Ausgabe nk zu erzeugen, die ein Abbild der Störung n'k ist. Diese Filterausgabe wird von der Primäreingabe sk + n'k subtrahiert, um die Systemausgabe dk = + n'k - nk zu erzeugen. Die Systemausgabe dk wird durch einen Multiplizierer mit einem Faktor 2α skaliert (wobei α als "Schrittweite" bezeichnet wird). Dieses adaptive Filter hat Abgriffgewichts(faktor)koeffizienten c0 bis cN-1, die als Reaktion auf die Multipliziererausgabe so gesteuert werden, daß die Impulsantwort des Sendekanals mit der Störung n'k der Primäreingabe des Entstörers angenähert wird. Alle Abgriffkoeffizienten des Filters sind in Matrizenform durch die folgende Gleichung gegeben:
• ck = ck 1 + 2α · dk-1 (1),
• wobei ck und nk dargestellt sind durch:
• Ck = [c&sub0; · c&sub1;... cN...cN-1]T (2),
• nk = [n&sub0; · n&sub1;...nN-1]T(3).
• Der zweite Term von Gleichung (1) wird als Abgriffgewichts- Abgleichwert bezeichnet, mit dem die Abgriffgewichte in periodischen Intervallen aktualisiert werden.
• Um eine Abgriffgewichts-Konvergenzstabilität zu erreichen, beschreibt ein Beitrag mit dem Titel "Learning Identification Method: LIM", IEEE Transactions On Automatic Control, Band 12, Nr. 3, 1967, Seiten 282 bis 287 ein Verfahren, bei dem die Abgriffgewichte nach folgender Gleichung gesteuert werden:
• ck = Ck-1 + (2u/2σn²) · dk · nk-1 (4),
• wobei u die Schrittweite des LIM-Algorithmus ist und σn² eine mittlere Leistung des Primäreingangssignals zum adaptiven Filter darstellt.
• Bekannt im Stand der Technik ist weiterhin der adaptive Leitungsverstärker (ALE), bei dem das Signal sk ein Breitbandsignal und die Störung n'k ein periodisches Signal ist. Diese Signale werden kombiniert, um die Primäreingabe zum ALE zu bilden. Die Referenzeingabe nk zum ALE ist eine verzögerte Version des Primärsignals. Durch Abgriffgewichtskonvergenz wird die Störung zwischen dem Breitband- und periodischen Signal gelöscht.
• Ein Mangel der im Stand der Technik zum Einsatz kommenden Techniken besteht darin, daß im Verlauf eines Abriffgewichts-Konvergenzverfahrens das Signal sk die Reststörung n'k - k stört, die die einzige notwendige Komponente zur Abgriffgewichtsanpassung bzw. -adaptation ist. Der Störgrad hängt von der Beziehung zwischen der Reststörung und dem Signal sk sowie vom Schrittweitenwert ab. Der Abgriffgewichts- Abgleichwert variiert als Funktion des Nutz/Störsignalver hältnisses (SNR) des Signals sk, des Spektrums des Signals sk und der Schrittweite. Für große SNR-Werte gilt eine Beziehung sk > n'k - k , und der Abgleichwert wird vom Signal sk stark gestört. Enthält das Signal sk einen zunehmenden Anteil hochfrequenter Komponenten, gilt die Beziehung sk > n'k - k momentan mit einer höheren Häufigkeitswahrscheinlichkeit auch dann, wenn das SNR einen kleinen Wert hat. Daher kann an gewissen Spitzenpunkten das Signal sk die Reststörung übersteigen, was zu einer geringen Wahrscheinlichkeit führt, mit der gültige Abgriffgewichts-Abgleichwerte auftreten. Unter Berücksichtigung der Amplitudenverteilung des Signals sk muß die Schrittweite mit einem Wert gewählt sein, der ausreichend klein ist, um eine Abgriffgewichtsdivergenz zu verhindern. Somit wird die Schrittweite in der Tendenz mit einem unnötig kleinen Wert und einer zugehörigen niedrigen Konvergenzgeschwindigkeit oder mit einem Wert gewählt, der relativ groß, aber etwas kleiner als zur Verhinderung von Divergenz notwendig ist, wodurch die Möglichkeit einer falschen Abgriffgewichtseinstellung hoch ist.
• Im Anschluß an das Konvergenzverfahren wird die Systemausgabe dk gleich der Reststörung n'k - k gemacht, wenn das Signal sk nicht vorhanden ist, weshalb die Abgriffgewichts- Abgleichwerte Null sind. Ist dagegen das Signal sk vorhanden, so ist die Systemausgabe dk auch dann ungleich Null, wenn n'k nk, und folglich ist der Koeffizientenabgleichfaktor ungleich Null. Ein weiterer Mangel des Stands der Technik ist, daß bei vorhandenem Signal sk die Abgriffgewichte mit der Systemausgabe dk ungleich Null aktualisiert werden und eine zur Schrittweite proportionale Reststörung erzeugt wird.
• Die EP-A-0098748 offenbart ein adaptives Filter mit Filtergewichten, die durch zunehmend kleinere Schritte bei stärkerer Annäherung an die Endbedingung eingestellt werden, was schnelle Konvergenz mit niedrigem Restfehler kombiniert. Dieses Filter wird im Rahmen einer adaptiven Leitungsverstärkerschaltung mit einem Verzögerungsnetz verwendet, das zwischen dem Schaltungseingang und dem Eingang des Filters sowie zwei Ausgangsanschlüssen verbunden ist, von denen einer mit dem Ausgangskanal des Filters und der andere mit dem Ausgangskanal eines Kombiniernetzes verbunden ist, dessen Eingänge mit dem Schaltungseingang bzw. mit dem Ausgangskanal des Filters verbunden sind. In der EP-A-0141441 ist eine Kommunikationsempfangseinheit zur Unterdrückung von Rauschen und Störsignalen offenbart; die Vorrichtung weist adaptive Gewichtungsfilter und Mittelungseinrichtungen zum Bestimmen eines zeitlich gemittelten Leistungswerts und zeitlich gemittelten Werts der Kreuzkorrelation auf.
• Daher besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine Abgriffgewichts-Anpassungs- bzw. Adaptationssteuerung unter Verwendung einer Schrittweite bereitzustellen, die umgekehrt proportional zu einem detektierten Signalleistungspegel ist, um schnelle Konvergenz mit einer großen Schrittweite sowie hochgenaue Annäherung mit einer kleinen Schrittweite vorzusehen. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 2 gelöst.
• Im folgenden wird die Erfindung näher anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
• Fig. 1 in Blockform einen adaptiven Rauschunterdrücker bzw. Entstörer gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
• Fig. 2 eine alternative Form eines Leistungsdetektors;
• Fig. 3 eine bevorzugte Form einer Berechnungsschaltung; und
• Fig. 4 in Blockform einen erfindungsgemäßen adaptiven Leitungsverstärker.
• In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Rauschunterdrücker bzw. Entstörer gezeigt. Das Primärsignal des Entstörers wird über einen Primäreingangsanschluß 10 an einem Eingang eines Subtrahierers 11 angelegt, und die Referenzeingabe des Entstörers wird über einen Referenzeingangsanschluß 12 an einem digitalen adaptiven Filter 13 angelegt. Ein Signal sk und eine Störung n'k bilden die Primäreingabe sk + n'k zum Subtrahierer 11, und eine mit der Störung n'k korrelierte Störung nk bildet die Referenzeingabe zum adaptiven Filter 13, um ein Störabbild k zu erzeugen. Die Ausgabe des adaptiven Filters 13 wird am Subtrahierer 11 angelegt, in dem das Störabbild von der Primäreingabe subtrahiert wird, was eine Systemausgabe dk = sk + n'k - k erzeugt.
• Die Systemausgabe wird zu einem Leistungsdetektor 14 geführt, um eine Ausgabe als Darstellung der Leistung des Signals sk zu erzeugen, das die Adaptationssteuerung des Entstörers stört. In einer Ausführungsform weist der Leistungsdetektor 14 eine Absolutwertschaltung 15 und eine damit verbundene Mittelwertschaltung 16 auf. Die Absolutwertschaltung 15 erzeugt eine Ausgabe dk = n'k - k als Darstellung des Absolutwerts der Systemausgabe. Nach fortschreitender Adaptationssteuerung gilt die folgende Beziehung:
• sk > > n'k - k
• Somit gilt eine Beziehung sk + n'k - k sk, und die Systemausgabe dk kann zur Annäherung an das Signal sk verwendet werden. Die zur Herstellung solcher Bedingungen erforderliche Zeit hängt von der Konvergenzgeschwindigkeit des adaptiven Filters 13 ab, weshalb die Annäherungsgenauigkeit im Zeitverlauf zunimmt. Die Mittelwertschaltung 16, die mit einem IIR-Filter (Filter mit infiniter Impulsantwort bzw. mit rekursivem System) oder einem Integrator erster Ordnung implementiert ist, nimmt eine Glättung des Eingangssignals mit einer Zeitkonstante mit gleitendem Mittelwert vor, die kleiner als die Variationsgeschwindigkeit des Eingangssignals ist, so daß die Ausgabe der Mittelwertschaltung eng mit der variierenden Amplitude des Eingangssignals variiert.
• Fehler als Ergebnis der Annäherung werden ausgemittelt, was die Genauigkeit der Annäherung verbessert, und der gemittelte Absolutwert der Systemausgabe dk ist annähernd gleich dem gemittelten Absolutwert des Signals sk. Alternativ ist der Leistungsdetektor 14 gemäß Fig. 2 mit einer Quadrierschaltung 30 anstelle der Absolutwertschaltung 15 implementiert, um ein Mittel quadrierter Werte der Systemausgabe dk zur Darstellung des Leistungspegels des Eingangssignals sk zu erzeugen.
• Die Ausgabe der Mittelwertschaltung 16 wird an einer Berechnungsschaltung 17 mit einer Übertragungsfunktion b = f(a) angelegt, wobei a die Ausgabe des Leistungsdetektors 14 und b die Ausgabe der Berechnungsschaltung 17 darstellt. Insbesondere gilt die Funktion b = f(a) = 1/a. Die Wirkung der Berechnungsschaltung 17 besteht darin, eine Ausgabe zu erzeugen, die umgekehrt proportional zur Leistung des Signals Sk ist, so daß bei starkem Signal die Adaptationssteuerung mit einer kleihen Schrittweite erfolgt, um hohe Genauigkeit zu gewährleisten, und bei schwachem die Steuerung mit einer großen Schrittweite erfolgt, um hohe Konvergenzgeschwindigkeiten zu garantieren. Dazu ist die Berechnungsschaltung 17 mit einer Reziprokschaltung implementiert.
• In Fig. 3 ist eine bevorzugte Form der Berechnungsschaltung dargestellt. Ein Konstantwert ~ gemäß der Bestimmung durch eine Konstanteneinstelleinrichtung 31 wird in einem Addierer 32 mit der Ausgabe des Leistungsdetektors 14 summiert und der durch eine Reziprokschaltung gebildeten Berechnungsschaltung 17 zugeführt, so daß der Anteil der Signalleistung in Relation zur Konstante ξ verringert wird. Durch geeignetes Bestimmen der Konstante ξ läßt sich auf diese Weise der Einfluß der Signalleistung auf die Schrittweite geeignet bestimmen.
• Die Ausgabe der Reziprokschaltung 17 wird an einem Multiplizierer 18 angelegt, dem die Schrittweite α&sub0; gemäß der Bestimmung durch eine Einstelleinrichtung 19 zugeführt wird. Dadurch wird die Schrittweite α&sub0; entsprechend dem mittleren Leistungspegel des Signals sk umgekehrt skaliert. Die skalierte Schrittweite wird zu einem Multiplizierer 20 geführt, in dem sie mit der Systemausgabe dk weiter skaliert wird, um ein Abgriffgewichts-Steuersignal zum Koppeln mit dem adaptiven Filter 13 zu erzeugen. Dadurch arbeitet das adaptive Filter 13 mit einer Schrittweite, die als Funktion der mittleren Leistung des Signals sk umgekehrt variabel ist. Die Abgriffgewichtsadaptation vollzieht sich mit einer hohen Konvergenzgeschwindigkeit, wenn die Schrittweite groß ist, und läuft mit Genauigkeit ab, wenn die Schrittweite klein ist, um variierende Amplituden des Eingangssignals zu kompensieren.
• Durch Bereitstellen der adaptiven Abgriffgewichtssteuerung gemäß der vorstehenden Diskussion wird die Reststörung n'k - k minimiert, was ein störfreies Signal sk vom Subtrahierer 11 zum Koppeln mit einem Ausgangsanschluß 21 erzeugt.
• Die Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist ein adaptiver Leitungsverstärker, der allgemein ähnlich wie der Entstörer von Fig. 1 aufgebaut ist, wobei der Unterschied darin besteht, daß ein weiterer Ausgangsanschluß 22 und eine Verzögerungsschaltung 23 vorgesehen sind und Signale am Eingangsanschluß 10 angelegt werden. Ein Breitband-Störsignal sk und ein periodisches Signal v'k, z. B. die Trägerkomponente eines Funksignals, werden zur Primäreingabe zum adaptiven Leitungsverstärker kombiniert. Die Verzögerungsschaltung 23 ist mit dem Eingangsanschluß 10 gekoppelt, um ein den periodischen Intervallen des Signals V'k entsprechendes Verzögerungsintervall L in das kombinierte Signal sk + v'k einzuführen und eine Ausgabe vk-L + v'k-L zu er zeugen. Die Ausgabe der Verzögerungsschaltung 23 wird zum adaptiven Filter 13 geführt, um eine geschätzte Ausgabe vk zu erzeugen, die eine Schätzung des periodischen Signals v'k ist. Die geschätzte Ausgabe vk wird von der kombinierten Ausgabe sk + V'k subtrahiert, um eine erste Systemausgabe dk = sk + v'k - k zu erzeugen. Die Abgriffgewichte des adaptiven Filters 13 werden als Reaktion auf die variable Schrittweite wie zuvor beschrieben gesteuert, so daß das Breitbandsignal sk ohne periodische Komponente v'k am Ausgangsanschluß 21 erscheint und das keine Breitbandkomponente sk enthaltende geschätzte Ausgangssignal k am Ausgangsanschluß 22 erscheint.

Claims (6)

1. Interferenzunterdrücker mit:

einem ersten Eingangsanschluß (10), dem eine Kombination aus einem Signal und einer Störung (sk und n'k) zugeführt wird, und einem zweiten Eingangsanschluß (12), dem ein mit der Störung (n'k) korreliertes Referenzsignal (nk) zugeführt wird;

einem Subtrahierer (11) mit einem ersten Eingangskanal, der mit dem ersten Eingangsanschluß (10) gekoppelt ist, einem zweiten Eingangskanal und einem Ausgangskanal;

einem adaptiven Filter (13) mit steuerbaren Abgriffgewichten, wobei das Filter einen mit dem zweiten Eingangsanschluß (12) verbundenen Eingangskanal und einen mit dem zweiten Eingangskanal des Subtrahierers (11) verbundenen Ausgangskanal hat;

einer mit dem Ausgangskanal des Subtrahierers (11) verbundenen Detektoreinrichtung (14) zum Erzeugen eines Ausgangssignals (a) als Darstellung der Größe des Ausgangssignals von dem Subtrahierer (11);

einer Multiplizierereinrichtung (20) zum Multiplizieren des Ausgangssignals des Subtrahierers (11) mit einer Schrittweite und Steuern der Abgriffgewichte des adaptiven Filters (13) entsprechend dem multiplizierten Signal; und

einem mit dem Ausgangskanal des Subtrahierers (11) gekoppelten Ausgangsanschluß (21);

gekennzeichnet durch:

eine mit der Detektoreinrichtung (14) gekoppelte Berechnungsschaltung (17) zum Erzeugen eines Ausgangssignals (b), das umgekehrt proportional zur Größe des Ausgangssignals (a) der Detektoreinrichtung (14) ist, wobei die Multiplizierereinrichtung (18-20) so angeordnet ist, daß sie die Schrittweite in Übereinstimmung mit dem Aus gangssignal (b) der Berechnungsschaltung (17) skaliert und die skalierte Schrittweite mit dem Ausgangssignal des Subtrahierers (11) multipliziert.

2. Interferenzunterdrücker mit:

einem Eingangsanschluß (10), dem eine Kombination aus einem Breitbandsignal (sk) und einem periodischen Signal (v'k) zugeführt wird;

einem Subtrahierer (11) mit einem ersten Eingangskanal, der mit dem Eingangsanschluß (10) gekoppelt ist, einem zweiten Eingangskanal und einem Ausgangskanal;

einer mit dem Eingangsanschluß (10) gekoppelten Verzögerungseinrichtung (23), wobei die Verzögerungseinrichtung (23) ein Verzögerungsintervall einführt, das der Periode des periodischen Signals (v'k) entspricht;

einem adaptiven Filter (13) mit steuerbaren Abgriffgewichten, wobei das Filter einen mit dem Ausgang der Verzögerungseinrichtung (23) verbundenen Eingangskanal und einen mit dem zweiten Eingangskanal des Subtrahierers (11) verbundenen Ausgangskanal hat;

einer mit dem Ausgangskanal des Subtrahierers (11) verbundenen Detektoreinrichtung (14) zum Erzeugen eines Signals als Darstellung der Größe des Ausgangssignals von dem Subtrahierer (11);

einer Multiplizierereinrichtung (20) zum Multiplizieren des Ausgangssignals des Subtrahierers (11) mit einer Schrittweite und Steuern der Abgriffgewichte des adaptiven Filters (13) entsprechend dem multiplizierten Signal; und

einem mit dem Ausgangskanal des adaptiven Filters (13) gekoppelten ersten Ausgangsanschluß (22);

gekennzeichnet durch:

einen mit dem Ausgangskanal des Subtrahierers (11) gekoppelten zweiten Ausgangsanschluß (21); und

eine mit der Detektoreinrichtung (14) gekoppelte Berechnungsschaltung (17) zum Erzeugen eines Ausgangssignals (b), das umgekehrt proportional zur Größe des Ausgangssignals (a) der Detektoreinrichtung (14) ist, wobei die Multiplizierereinrichtung (18-20) so angeordnet ist, daß sie die Schrittweite in Übereinstimmung mit dem Ausgangssignal (b) der Berechnungsschaltung (17) skaliert und die skalierte Schrittweite mit dem Ausgangssignal des Subtrahierers (11) multipliziert.

3. Interferenzunterdrücker nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Detektoreinrichtung (14) aufweist: eine Absolutwertschaltung (15), die mit dem Ausgangskanal des Subtrahierers (11) gekoppelt ist, um ein Ausgangssignal als Darstellung des Absolutwerts des Subtrahiererausgangssignals zu erzeugen, und eine Mittelwertschaltung (16) zum Mitteln des Ausgangssignals der Absolutwertschaltung (15).

4. Interferenzunterdrücker nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Detektoreinrichtung (14) aufweist: eine Quadrierschaltung (30), die mit dem Ausgangskanal des Subtrahierers (11) gekoppelt ist, um ein Ausgangssignal als Darstellung des quadrierten Werts des Subtrahiererausgangssignals zu erzeugen, und eine Mittelwertschaltung (16) zum Mitteln des Ausgangssignals der Quadrierschaltung (30).

5. Interferenzunterdrücker nach einem der Ansprüche 1 oder 3 oder 4 in Abhängigkeit von Anspruch 1, ferner mit einem Addierer (32) zum Summieren des Ausgangssignals der Detektoreinrichtung (14) mit einem Konstantwert (~), um ein summiertes Ausgangssignal zu erzeugen, und Zuführen des summierten Ausgangssignals zu der Berechnungsschaltung (17).

6. Interferenzunterdrücker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Berechnungsschaltung (17) eine Reziprokschaltung ist.