Aufgabe der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft, wie es im Titel der
Patentanneldung dargestellt ist, ein Verfahren und eine
Einrichtung zur adaptiven Kompensation akustischer Echo, wobei das
Ziel darin besteht, das unerwünschte Echos, das in akustischen
Breitbandsignalen enthalten ist, zu eliminieren oder mindestens
drastisch zu verringern, was es ermöglicht, Sprachsignale über
Telekommunikationssysteme gleichzeitig in entgegengesetzten
Richtungen zu übertragen.
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Das geschätzte Echo wird mittels einer digitalen Verarbeitung
der betroffenen Signale von dem zu übertragenden Signal
subtrahiert, wobei diese Signalverarbeitung einen Filterschritt, der
in gemischter Form im Zeit- und Frequenzbereich ausgeführt
wird, und einen Adaptionsschritt enthält.
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Folglich ist die Erfindung vorzugsweise anwendbar zur adaptiven
Filterung akustischer Signale in Verbindung mit der
Echtzeitkompensation akustischer Echos, speziell in Systemen für
Telefonkonferenzen, Freisprecheinrichtungen für Telefone oder für
Videotelefone.
Hintergrund der Erfindung
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Für Breitbandanwendungen sind akustische Echtzeit-
Echokompensationseinrichtungen wohlbekannt. Bis heute verwenden
alle diese bekannten Einrichtungen verschiedene digitale
Signalprozessoren, wobei die Konvergenzgeschwindigkeit des
verwendeten adaptiven Algorithmus für diese
Kompensationseinrichtungen
kein kritisches Problem darstellt. Nichtsdestoweniger
besitzen diese Kompensationseinrichtungen logischerweise
Nachteile bezüglich höherer Kosten und größeren Volumens gegenüber
einer Realisierung unter Verwendung eines einzelnen digitalen
Signalprozessors.
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Die adaptive Filterung eines Signals im Zeit- oder
Frequenzbereich ist ebenfalls wohlbekannt. Wenn die Filterung
ausschließlich im Frequenzbereich ausgeführt wird, ist das Verfahren
nicht auf Echokompensationseinrichtungen anwendbär, weil
übermäßige Verzögerungen auftreten. Wenn die Filterung
ausschließlich im Zeitbereich ausgeführt wird, sind eine größere Anzahl
Operationen erforderlich, was bedeutet, daß bei der gegenwärtig
verfügbaren Prozessortechnologie nehrere digitale
Signalprozessoren eingesetzt werden müssen. Gemischte Filterprozeduren im
Zeit- und Frequenzbereich sind ebenfalls wohlbekannt; wobei
diese die oben erwähnten Nachteile langer Verzögerungen und
einer überhöhten Anzahl von Operationen minimieren.
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Eine akustische Echokompensationseinrichtung, die gemischte
Filterprozeduren im Zeit- und Frequenzbereich verwendet, findet
man in der Europäischen Patentanmeldung EP 0 301 627, die eine
digitale Echokompensationseinrichtung offenbart, die ein erstes
Filter zur eigentlichen Echokompensation, ein zweites Filter
zur Bereitstellung kontinuierlich nachstellbarer
Filterkoeffizienten für das erste Filter und Durchschaltmittel umfaßt,
welche die nachgestellüen Filterkoeffizienten nur dann an das
erste Filter angelegt, wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind,
zum Beispiel im Fall des Doppelsprechens.
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Die Echokompensationseinrichtung umfaßt ein programmierbares
Filter im Zeitbereich, dessen Koeffizienten durch ein adaptives
Filter im Frequenzbereich berechnet und dann in Zeitbereichs-
Koeffizienten umgewandelt werden, die in dem programmierbaren
Zeitbereichsfilter verwendet werden. Dennoch benötigt die
digitale Echokompensationseinrichtung, weil die Werte der N
Filterkoeffizienten
des adaptiven Filters kontinuierlich nachgestellt
werden, eine beträchtliche Anzahl Rechenoperationen. Während
des Doppelsprechens sind die Durchschaltmittel blockiert; und
die Bereitstellung nachgestellter Filterkoeffizienten ist
unterbrochen.
Zu überwindendes technisches Problem
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Folglich besitzt das zu lösende technische Problem zwei
Aspekte. Der erste Aspekt besteht darin, die Leistungsfähigkeit der
akustischen Echokompensationseinrichtung zu erhöhen, indem die
lokale spektrale Charakteristik des Sprachsignals sowie ein
Meßsignal für die spektrale Gleichförmigkeit für die
Nachstellstufe des adaptiven Echokompensationsprozesses verfügbar
gemacht wird, was dem System eine große Leistungsfähigkeit gibt,
wenn es mit schlecht konditionierten Signalen konfrontiert
wird. Der zweite Aspekt besteht darin, die
Konvergenzgeschwindigkeit des adaptiven Algorithmus, der die Kompensation des
akustischen Echos ausführt, auf eine solche Art und Weise zu
erhöhen, daß trotz der größeren Rechenbelastung, die von der
mit dem Sprachspektrum extra durchgeführten Berechnung
hervorgerufen wird, die Echtzeitimplementierung der akustischen
Echokompensationseinrichtung unter Verwendung eines einzelnen
digitalen Signalprozessors erreicht werden kann.
Beschreibung der Erfindung
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Zum Erreichen der im vorhergehenden Abschnitt beschriebenen
Aufgaben, besteht die vorliegende Erfindung gemäß Anspruch 1
aus einer neuen Prozedur für die adaptive Kompensation
akustischer Echos sowie einer Einrichtung, die diese Prozedur gemäß
Anspruch 1 in Echtzeit ausführt.
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Die Prozedur zur adaptiven Kompensation akustischer Echos., die
auf der Subtraktion der geschätzten Echokomponenten von einem
zu übertragenden akustischen Signal beruht, um Probleme mit
akustischen Rückkopplungen soweit wie möglich zu eliminieren,
und welche mittels einer digitalen Signalverarbeitung
implementiert wird, die eine in gemischter Form sowohl im Zeit- als
auch im Frequenzbereich ausgeführte Filterstufe sowie eine
Adaptionsstufe enthält, ist dadurch gekennzeichnet, daß diese
Adaptionsstufe eine zusätzliche Stufe zur Erzeugung eines
Sperrvektors enthält, die der Aktivitätsüberwachungsstufe der
Sende- und Empfangsleitungen zugeordnet ist.
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Die hier beschriebene Prozedur ist ebenfalls dadurch
gekennzeichnet, daß die Erzeugung des Sperrvektors der
unterschiedlichen Filterabschnitte erstens das Vorhandensein oder Fehlen
eines Doppelsprechens berücksichtigt, was durch eine
Aktivitätsüberwachungseinrichtung erkannt wird, und zweitens eine
Anpassungsstrategie einsetzt, die die adaptiven Filterabschnitte
festlegt, deren Koeffizienten in jeder Iteration aktualisiert
werden müssen.
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Vorzugsweise besteht diese Strategie darin, in jeder Iteration
die ersten Abschnitte des Filters, welches diejenigen sind, die
die meiste Information über das Echo enthalten, und einen der
verbleibenden Abschnitte in zyklischer Weise zu aktualisieren,
so daß jeder Abschnitt innerhalb eines bestimmten
Zeitintervalls mindestens einmal aktualisiert wird.
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Eine weitere Eigenschaft dieser Prozedur besteht darin, daß die
Berechnung des Adaptionsschrittes, die für jeden
Filterabschnitt unabhängig ausgeführt wird und innerhalb einer gegeben
Iteration nicht gesperrt wird, die lokale spektrale
Charakteristik des Sprachsignals und die spektrale Gleichförmigkeit
berücksichtigt.
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Um dies auszuführen, wird an erster Stelle eine Berechnung der
folgenden Werte vorgenommen:
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- ein maximal zulässiger Wert des Adaptionsschrittes,
wobei dieser eine Funktion der Gesamtleistung, der
spektralen Gleichförmigkeit und der Verteilung des
Sprachspektrums ist; und
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- bestimmte einzelne Werte des Adaptionsschrittes jedes
Spektralbandes, wobei diese Werte zur Leistung dieser
Spektralbänder umgekehrt proportional sind.
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An zweite Stelle wird in dem Adaptionsschritt für jedes
Spektralband das Minimum aus dem für dieses Band berechneten
einzelnen Wert und dem maximal zulässigen Wert ausgewählt.
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Danach wird der gesamte Vektor der Adaptionsschritte mit einer
monoton fallenden Funktion gewichtet, die von der Leistung des
Restechos abhängig ist.
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Schließlich ist die vorliegende Prozedur dadurch
gekennzeichnet, daß die Aktualisierung der Koeffizienten des adaptiven
Filters in jeder Iteration als Funktion des berechneten
Adaptionsschrittes, der durch den Sperrvektor eingesetzten Strategie
und einer veränderlichen exponentiellen Gewichtungsfunktion die
jedem Filterabschnitt zugeordnet ist und die von der gemessenen
spektralen Streuung abhängt, ausgeführt wird. Diese Gewichtung
wird durchgeführt, um den Einfluß des Rauschens, das von den
höchstwertigen Abschnitten erzeugt wird, gegenüber den
niedrigstwertigen Abschnitten zu verringern.
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Bezüglich der Einrichtung, die die Prozedur der Erfindung
ausführt, ist diese dadurch gekennzeichnet, daß sie einen
Sperrblock enthält, der von einer Aktivitätsüberwachungseinrichtung
gesteuert wird. Dieser Sperrblock verwirklicht auch die
Adaptionsstrategie und zeigt dem Block, in dem der adaptive
Algorithmus ausgeführt wird, an, welche Abschnitte des Filters in jeder
Iteration aktualisiert werden sollen.
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Die Aktivitätsüberwachungseinrichtung unterrichtet den
Sperrblock über die mittels ihrer entsprechenden Detektoren
gemessenen Aktivitäten auf den Sende- und Empfangsleitungen, was eine
Anzeige für das Auftreten eines Doppelsprechens bereitstellt,
in welchem Fall der adaptive Prozeß durch Sperren der
Aktualisierung aller Filterkoeffizienten und Festhalten ihrer Werte in
der Nähe der statischen Lösung gestoppt wird.
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Die Einrichtung enthält ebenfalls einen Block für die
Berechnung des Adaptionsschrittes, der mit der
Aktivitätsüberwachungseinrichtung, mit dem Block zur Ausführung des adaptiven
Algorithmus und mit der Empfangsleitung verbunden ist und der
ständig die Gesamtleistung und die spektrale Verteilung des
Signals verfolgt und so die Größe des Adaptionsschrittes
nachstellt.
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Die von der vorliegenden Erfindung bereitgestellten Vorteile
können folgendermaßen zusammengefaßt werden:
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- verbesserte Leistungsfähigkeit der
Echokompensationseinrichtung durch Berücksichtigen der lokalen
Charakteristik des Sprachsignals, ungeachtet der
Charakteristik des Eingangssignals,
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- Erhöhung der Konvergenzgeschwindigkeit des adaptiven
Algorithmus und
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- Möglichkeit der Implementierung der
Echokompensationseinrichtung unter Verwendung eines einzelnen
digitalen Signalprozessors.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Figur 1 zeigt eine Darstellung mit den unterschiedlichen Phasen
und Stufen deradaptiven Echokompensationsprozedur, des
Gegenstandes der Erfindung.
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Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild einer bevorzugten
Ausführungsform der Einrichtung, die die Prozedur der Erfindung
praktisch
umsetzt. In dieser Figur sind die Datensignale als durch
gezogene Linien und die Steuersignale als gepunktete Linien
dargestellt.
Beschreibung der Erfindung
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Figur 1 verdeutlicht die Prozedur der adaptiven Kompensation
akustischer Echos der vorliegenden Erfindung und umfaßt drei
Stufen: eine Filterstufe 1, eine Subtraktionsstufe 2 der
geschätzten Echokomponenten vom Nahsignal plus Echo (oder die
tatsächliche Kompensation) und eine Adaptionsstufe 3.
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In die Filterstufe 1 wird das Sendesignal 4 eingegeben und
zeitlich zerhackt 5; und dann wird seine schnelle
Fouriertransformation (FFT) berechnet 6. Die Ergebnisse werden zusammen mit
den FFTs der vorhergehenden Ab tastprozesse in einem FIFO-
Speicher 7 abgelegt. Durch Multiplikation 8 der
Filterkoeffizienten 24 jedes Filterabschnittes mit den Frequenzanteilen des
Eingangssignals, die in dem FIFO-Speicher 7 gespeichert sind,
wird die Filterung im Frequenzbereich durchgeführt. Nachfolgend
werden die Frequenzanteile der verschiedenen Abschnitte des
Filters addiert 9, und von der Summe 9 wird die inverse
Fouriertransformierte (IFT) berechnet und über die zeitlich
zerhackte Äusgabe 11 in den Zeitbereich zurückverwandelt, wodurch
das gefilterte Signal erhalten wird, das als das geschätzte
Echo 12 bezeichnet wird.
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Die Subtraktionsstufe 2 führt die aktuelle Kompensation aus.
Diese Kompensation besteht aus der Subtraktion 14 des
geschätzten Echosignals 12 vom Nahsignal plus Echo 13 zum Zweck der
Erzeugung eines Nahsignals plus Restecho 15, in welchem das
Restecho eine geringere Leistung aufweist, als das ursprüngliche
Echo. Dieses Signal 15 wird direkt über die Sendeleitung
übertragen.
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Die Adaptionsstufe 3 führt die Aktualisierung der Filterkoeffi
zienten durch. Als Bezugssignal wird das Nahsignal plus
Restecho 15 verwendet. Dieses wird aufgeteilt 17 und ein Vektor
Nullkomponenten 16 wird in diesen Prozeß einbezogen. Für das so
gebildete Datensegnent wird die schnelle Fouriertransformation
18 (FFT) berechnet und dann auf die Frequenzbereichsrechnungen
zurückgekoppelt
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Um den Korrekturterm für die Koeffizienten aller
Filterabschnitte zu berechnen, werden die konjugiert komplexen
Frequenzanteile 7 der entsprechenden Eingangsunterteilungen
ermittelt 25 und mit den Frequenzanteilen des Nahsignals plus
Restecho 18 multipliziert 21. Diese Korrekturterme sind dadurch
gekennzeichnet, daß sie die Filterkoeffizienten 24 jedes
Filterabschnittes entsprechend den Anforderungen eines CLMS-
Algorithmus (komplexes kleinstes Fehlerquadrat - Complex Least
Mean Sqüare), der die Koeffizienten als Funktion des Wertes
eines Korrekturterms und eines im vorhergehenden berechneten
Adaptionsschrittes korrigiert, aktualisieren. Dieses
Aktualisieren kann entsprechend der Information über die lokale Aktivität
und ein Doppelsprechen auf den betroffenen Signalen, was aus
der Überwachung 19 der Sende- und Empfangsleitungen ermittelt
wird, gesperrt werden.
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Die adaptive Strategie umfaßt das Aktualisieren der ersten
Filterabschnitte, die die meisten Informationen über das Echo
enthalten, während jeder Iteration, sowie eines der verbleibenden
Abschnitte auf Grundlage eines zyklischen Wechsels, so daß
jeder Abschnitt innerhalb eines gegebenen Zeitintervalles
mindestens einmal aktualisiert wird.
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Die Berechnung des Adaptionsschrittes, die für jeden
Filterabschnitt unabhängig ausgeführt wird und innerhalb einer gegeben
Iteration nicht gesperrt wird, berücksichtigt die lokale
spektrale Charakteristik des Sprachsignals sowie die spektrale
Gleichförmigkeit.
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Um dies auszuführen, wird an erster Stelle eine Berechnung der
folgenden Werte vorgenommen:
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- ein maximal zulässiger Wert des Adaptionsschrittes,
wobei dieser eine Funktion der Gesamtleistung, der
spektralen Gleichförmigkeit und der Verteilung des
Sprachspektrums ist; und
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- bestimmte einzelne Werte des Adaptionsschrittes jedes
Spektralbandes, wobei diese Werte zur Leistung dieser
Spektralbänder umgekehrt proportional sind.
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An zweiter Stelle wird für jedes Spektralband das Minimum aus
dem für dieses Band berechneten einzelnen Wert und dem maximal
zulässigen Wert für den Adaptionsschritt ausgewählt.
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Zuletzt wird der gesamte Vektor des Adaptionsschrittes mit
einer monoton fallenden Funktion gewichtet, die von der Leistung
des Restechos abhängig ist.
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Die Aktualisierung der Koeffizienten des adaptiven Filters 31
findet in jeder Iteration als Funktion des berechneten
Adaptionsschrittes, der durch den Sperrvektor 22 eingesetzten
Strategie und einer veränderlichen exponentiellen
Gewichtungsfunktion, die jedem Filterabschnitt zugeordnet ist und die von der
gemessenen spektralen Streuung abhängt, statt. Die Gewichtung
wird durchgeführt, um den Einfluß des Rauschens, das von den
höchstwertigen Abschnitten erzeugt wird, gegenüber den
niedrigstwertigen Abschnitten zu verringern.
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Figur 2 zeigt eine bevorzugte Implementierung der oben
beschriebenen Prozedur.
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Das Echosignal 43, das durch akustische Rückkopplungen in einem
nachhallenden Raum zwischen einem Lautsprecher 28 und einem
Mikrofon 26 erzeugt wird und das wünschenswerterweise unterdrückt
werden soll, durchläuft die analogen Übertragungselemente, die
das Mikrofon 26 und einen Vorverstärker 27 umfassen, um in
einen Analog-Digital-Wandler 41 eingespeist zu werden, der die
digitale Darstellung des erwähnten Echos bereitstellt.
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Das adaptive Filter 31 erhält als Eingangssignal das für den
Lautsprecher 28 bereitgestellte Signal vor dessen Digital-
Analog-Wandlung 42 und Vorverstärkung 29 ünd versucht eine so
ähnlich wie mögliche Nachbildung des Echos zu bilden, um das
Echo durch einfache Subtraktion 30 zu kompensieren. Das
Nahsignal plus verbleibendes Restecho enthält die Information, die
benötigt wird, um dem adaptiven Algorithmus 32 die Korrektur
der Koeffizienten des adaptiven Filters in geeigneter Richtung
zu ermöglichen. Der adaptive Algorithmus benutzt einen
Adaptionsschrittvektor 34 sowie die Information, die in dem
Sperrblock 33 enthalten ist. Diese beiden Informationselemente
enthalten verglichen der konventionellen adaptiven
Echokompensationseinrichtungen bedeutende Neuheiten.
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Die Information, die für den Block benötigt wird, der den
Adaptionsschrittvektor 34 berechnet, wird von einer
Aktivitätsüberwachungseinrichtung 35 und durch das Eingangssignal für das
adaptive Filter 31 bereitgestellt. Die Unterdrückung erfolgt als
Funktion der von der Aktivitätsüberwachungseinrichtung 35
bereitgestellten Information und zusätzlich als Funktion einer
festen und vorhergehend aufgestellten Strategie, die jedoch
entsprechend je nach den Kriterien des Entwicklers verändert
werden kann.
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Die Aktivitätsüberwachungseinrichtung 35 hat die Aufgabe, ein
Doppelsprechen zu erkennen, um unter Verwendung der von den
Aktivitätsdetektoren auf der Sendeleitung 36 und der
Empfangsleitung 37 bereitgestellten Informationen das Aktualisieren der
Koeffizienten des adaptiven Filters 31 vollständig zu sperren.
Diese Information über die Leitungsaktivität wird ebenfalls
dazu verwendet, um die Arbeitsweise der
Verstärkungssteuereinrichtung
39 zu leiten, welche nachfolgend den Dämpfungswert
steuert, der auf die Sende- und Empfangsleitungen 38
beziehungsweise 40 aufgeschaltet werden soll.
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Zusätzlich empfängt die Aktivitätsüberwachungseinrichtung 35
Informationen von den Sende- und Empfangsleitungen, um die
lokale spektrale Charakteristik des Sprachsignals sowie dessen
spektrale Gleichförmigkeit zu bestimmen.