-
Gebiet der
Erfindung
-
Diese Erfindung bezieht sich auf
Telefon-Endgeräte,
die im Freisprechbetrieb betreibbar sind, sowie auf ein Verfahren
und ein System für
die dynamische Optimierung der Mikrofonverstärkung derartiger Endgeräte, um das
Echo zu berücksichtigen
und um ein akzeptables Signal-/Störsignal-Verhältnis aufrechtzuerhalten.
-
Hintergrund
der Erfindung
-
Es ist bei modernen Telefon-Endgeräten üblich, daß sie im
Freisprechbetrieb betreibbar zu sein. Solche Geräte weisen einen Lautsprecher
und ein Mikrofon auf, um die Kommunikation mit einem fernen Endbenutzer
zu ermöglichen
ohne den Handapparat nahe ans Ohr halten zu müssen. Ein erhebliches Problem
bei einem solchen System ist ein Echosignal, das sich daraus ergibt,
daß ein
Teil des empfangen Signals, daß von
dem Lautsprecher abgestrahlt wird, von dem Mikrofon aufgefangen
und zum fernen Endbenutzer zurückübertragen
wird. Wenn dieses Echo nicht kontrolliert wird, kann essehr störend für den fernen
Endbenutzer sein.
-
Um die Größe dieses Echosignals, das
der ferne Endbenutzer hört,
zu vermindern, wurden akustische Echokompensatoren (AEC) benutzt.
Ein AEC führt
eine Abschätzung
des Echosignals durch und subtrahiert den geschätzten Wert von dem Mikrofonsignal,
das sowohl unerwünschtes
Echo als auch nahes Nutzsignal enthält, wie es vom nahen Endbenutzer
erzeugt wird. Diese Technik vermindert das Echosignal im Sendepfad,
während
das nahe Nutzsignal nicht verändert
wird.
-
Messungen und Berechnungen zeigen,
daß aufgrund
der starken akustischen Kopplung zwischen dem Lautsprecher und dem
Mikrofon einer typischen Tisch- Freisprechplattform
der Pegel des nahen Signals am Mikrofon mehr als 50 dB niedriger sein
kann als der Pegel des lautesten Echos an dieser Stelle. Der Wert
50 dB unter dem lautesten Echo wird für den Durchschnitt der leisesten
Sprecher gemessen.
-
Die Analogverstärkung, die die Verstärkung ist,
die für
das nahe Signal und das Echo im Analogbereich eingeführt wird,
muß derart
sein, daß der
volle dynamische Bereich des Verstärkers erreicht wird und nicht
durch das lautest mögliche
Echo überschritten
wird. Das ist erforderlich, damit der A/D-Wandler (ADC), der auf
die Analogverstärkung folgt,
eine unverzerrte und eine dem Maximalwert entsprechende digitale
Version des Echos erzeugt. Eine derartige Analogverstärkung führt zu einem
Pegel des nahen Signals, der bis zu 50 dB niedriger sein kann als
der Maximalwert im Digitalbereich.
-
Auf der Grundlage von Leistungsanforderungen
und von Sollspezifikationen des Diensteintegrierenden Digitalen
Nachrichtennetzes (ISDN) ist das minimale Signal- /Störsignal-Verhältnis (SNR)
44 dB. Somit muß,
unter Berücksichtigung
der vorher besprochenen Echopegel, der A/D-Wandler für das System
einen Rauschboden haben, der 50 + 44 = 94 dB unter seinem Maximalwert
liegt.
-
Obwohl hochwertige A/D-Wandler diese
Anforderung erfüllen
können,
tun dies zu einem beträchtlichen
Preis. Ein typischer preiswerter Baustein, wie z. B. der CS 4216
von Crystal Semiconductor Corporation hat einen Rauschboden von
80 dB, d. h. 14 dB zu niedrig, um die oben dargelegten Anforderungen
einzuhalten.
-
EP-A-515,242 offenbart eine Schaltung,
zur Verwendung in einem Freisprech-Telefon-Endgerät, die folgende Teile aufweist:
ein Empfangspfad, der einen D/A-Wandler
und einen Lautsprecher aufweist; ein Sendepfad, der ein Mikrofon
aufweist, das in Serie mit einem Analogsignal-Verstärker und
mit einem A/D-Wandler
geschaltet ist; eine Verarbeitungseinrichtung, die eine Detektoreinrichtung
zur Überwachung
des Sprachaktivität
auf den jeweiligen Pfaden einschließt; ein akustischer Echokompensator,
der in Kommunikation zwischen den Empfangs- und Sendepfaden eingeschaltet
ist, wobei ein Summierknoten des Echokompensators seriell in den
Sendepfad eingeschaltet ist; und wobei die Verarbeitungseinrichtung
auf die Detektoreinrichtung anspricht, um dynamisch den Analogsignal-Verstärker zu
steuern.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Es ist ein Ziel der vorliegenden
Erfindung, eine Technik zu schaffen, die das lauteste Echo berücksichtigt
und ein ausreichendes Signal-/Störsignal-Verhältnis für den leisesten
Sprecher aufrechterhält,
während
ein preiswerter A/D-Wandler in einem Telefon-Endgerät benutzt
wird, das im Freisprechbetrieb arbeitet.
-
Daher wird, gemäß einem ersten Gesichtspunkt
der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung zur Verwendung in einem
Freisprech-Telefon-Endgerät bereitgestellt,
das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Sendepfad ein einstellbares
Mikrofonfilter und eine Sendelautstärke-Skaliereinrichtung aufweist; und
daß eine
akustische Echokompensator- Skaliereinrichtung in Serie zwischen
den Echokompensator und den Summierknoten geschaltet ist; wobei
die Verarbeitungseinrichtung auf die Detektoreinrichtung anspricht,
um das Mikrofonfilter, die Sende-Skaliereinrichtung und die Echokompensator-Skaliereinrichtung
dynamisch zu steuern.
-
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt
der Erfindung wird ein Verfahren zur dynamischen Steuerung der Analogverstärkung für ein Mikrofon,
gemäß Anspruch
6, geschaffen.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
Die Erfindung wird nun ausführlicher
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen:
-
1 ein
vereinfachtes Blockschaltbild des Audiosystems eines typischen Freisprech-Endgeräts ist;
-
2 ein
vereinfachtes Blockschaltbild des Audiosystems unter Einschluß der dynamischen
Verstärkung
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
-
3A–3D graphisch die Analogverstärkungseinstellung
gegenüber
der Zeit für
verschiedene Bauteile des Systems zeigen; und
-
4 ein
Ablaufdiagramm für
die Analogverstärkungsänderung
und die digitale Kompensation ist.
-
Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
-
Das Blockschaltbild in 1 zeigt das akustische Teilsystem
eines Freisprech-Endgerätsmit einem
akustischen Echokompensator. Wie gezeigt ist, beinhaltet das Teilsystem
einen Empfangspfad 12, mittels dessen ein Kommunikationssignal
von einem fernen Endbenutzer angenommen wird. Das Signal in digitalem
Format wird durch einen D/A-Wandler 14 in ein analoges
Signal umgewandelt. Das sich ergebende Analogsignal wird von einem
Lautsprecher 16 empfangen, in dem es in das akustische
Medium abgestrahlt wird, das den Lautsprecher umgibt.
-
Der Sendepfad 20 schließt ein Mikrofon 22 und
einen A/D-Wandler 24 ein. Mit dem A/D-Wandler 24 ist
der Verstärker 25 zur
Verstärkung
des Mikrofonsignals im Analogbereich verbunden. Im Digitalbereich
wird das Signal durch ein Mikrofonfilter 26 gefiltert.
Ein akustischer Echokompensator 30 ist zwischen den Empfangspfad 12 am
Knoten 13 und den Sendepfad 20 am Subtrahierer 28 geschaltet. Das
Signal am Ausgang von Subtrahierer 28 wird in Richtung
auf den (nicht gezeigten) fernen Endbenutzer ausgesandt.
-
Wie in 1 gezeigt,
wird ein Teil des von dem Lautsprecher 16 abgestrahlten
fernen Signals, das das akustische Medium entlang des Echopfades 32 durchlaufen
hat, von dem Mikrofon 22 aufgefangen. Weiterhin ist in 1 der nahe Endbenutzer 34 gezeigt,
der mit dem fernen Endbenutzer über
das Mikrofon 22 und Lautsprecher 16 kommuniziert.
-
Der Teil des abgestrahlten Signals,
der durch das Mikrofon aufgenommen wird, ist als ein Echo bekannt
und, wenn zugelassen wird, daß dieses
das ferne Ende erreicht, würde
es störend
sein. Um die Größe des Echos,
das von dem fernen Endbenutzer gehört wird, zu vermindern, wird
eine Abschätzung des
Echos durch den akustischen Echokompensator (AEC) 30 gemacht
und diese Größe wird
von dem Mikrofonsignal subtrahiert. Diese Technik reduziert das Echo
in dem Sendepfad, während
das dem nahen Endbenutzer zuzuordnende Signal unberührt gelassen
wird. Wie vorher gezeigt, kann das lauteste Echo in dem Mikrofonsignal
50 dB höher
als das Signal sein, das von einem leise sprechenden nahen Endbenutzer
erzeugt wird. Um diesen Echopegel zu berücksichtigen und ein akzeptables
Signal-/Störsignal-Verhältnis für den leisesten
Sprecher zu erhalten, während
nach wie vor ein preiswerter Analogverstärker benutzt wird, ergibt die
vorliegende Erfindung ein Konzept zur dynamischen Optimierung des
Signalpegels in dem Analogbereich in allen Fällen.
-
Die Erfindung berücksichtigt folgende Faktoren:
- (1) Die Analogverstärkung muß nicht klein genug sein, um
das lauteste Echo zu berücksichtigen, wenn
das Echo klein ist. Auf diese Weise kann die Analogverstärkung erhöht werden,
um den dynamischen Bereich des leisesten Sprechers im Digitalbereich
zu vergrößern, um
das Signal-/Störsignal-Verhältnis (SNR)
bei einem konstanten Verstärker-Rauschboden
zu erhöhen.
- (2) Die Analogverstärkung
muß zur
Berücksichtigung
des Echos zu einem Minimum gemacht werden, wenn es ein Echo gibt.
Obwohl das SNR für den
leisesten Sprecher in diesem Fall niedriger ist als dies erforderlich
ist, wird die Wirkung des schlechten SNR durch das Restecho des
AEC verdeckt und wird daher von dem fernen Teilnehmer nicht wahrgenommen.
-
Ein vereinfachtes Blockschaltbild
des akustischen Teilsystems, das die Erfindung verwirklicht, ist in 2 gezeigt. Aus Gründen der
Klarheit werden Bausteine, die nicht direkt durch die Erfindung
beeinflusst sind, in dieser Zeichnung nicht gezeigt. Die Elemente,
die gleich denen sind, wie sie in 1 gezeigt sind,
tragen die gleichen Bezugsziffern. Es kann aus 2 gesehen werden, daß es neben der Analogverstärkung 25,
drei andere einstellbare Elemente gibt, und zwar eine AEC Ausgangs-Skaliereinrichtung 34;
eine Sende-Skaliereinrichtung 36; und die internen Speichereinheiten 38 des
Mikrofonfilters.
-
Das dynamische Einstellen der Analogverstärkung führt zu Änderungen
sowohl in der Verstärkung
des Echopfades als auch in der Verstärkung des Sendepfades im Digitalbereich.
Deshalb muß das
AEC Ausgangs- und Sendesignal dynamisch entsprechend skaliert werden.
Diese Operationen müssen
synchron mit den Pegeländerungen
an dem entsprechenden Punkt im Signalpfad sein, um die Artefakte,
die mit dem gesamten Vorgang verbunden sind, zu minimieren.
-
3A–3D zeigen graphisch die Beziehung zwischen
dem Mikrofonausgang und der Skalierung des Ausgangs des Mikrofonfilters,
wenn ein Befehl zur Vergrößerung der
Analogverstärkung
gegeben wird. 3A ist
eine Darstellung des Mikrofonausgangs als eine Funktion der Zeit.
Die Analogverstärkung
des ADC Verstärkers,
z. B. ein Verstärker
mit CS4216, ändert
sich nicht unmittelbar nach dem Eingang des Befehls, dies tun – Zeit t0 in 3A.
Die Vergrößerung der
Analogverstärkung
erfolgt an einem Nulldurchgang an seinem Eingang, d. h. zur Zeit t1. Das ist in 3B gezeigt.
Die Wirkung der Analogverstärkungsänderung
wird in dem Digitalbereich erst nach einer festen Zeitdauer (Δ) bei t2 sichtbar. Wie in 3C gezeigt, ist Δ = t2 – t1. Das Vorhandensein des Mikrofonfilters
kompliziert ferner das Problem; wenn es ein rekursiver Filter ist,
wird sein Ausgang schrittweise nach einer Veränderung in der Eingangsskalierung
skaliert. Das ist in 3D gezeigt.
Die Verzögerungswirkung
und schrittweisen Änderungswirkungen
des Ausgangs des Mikrofonfilters müssen bei der Realisierung der
Erfindung beachtet werden.
-
Wie in 2 gezeigt
ist, beinhaltet das akustische System für die dynamische Optimierung
der Mikrofonverstärkung
veränderbare
Elemente, die durch den digitalen Signalprozessor (DSP) 40 des Systems
kontrolliert werden. Die Steuerung, die die Sprachaktivität über den
jeweiligen Pfad berücksichtigt,
ist derart, daß die
Verstärkung
der gesteuerten Elemente nur vorgenommen wird, wenn eine solche Verstärkung gebraucht
wird, um die Anforderungen an das Signal-/Störsignal-Verhältnis
für einen
leisen Sprecher einzuhalten unter Berücksichtigung des lautesten
Echos.
-
Die Steuerung basiert auf der Festlegung
eines Analogverstärkungsziels.
Dieses Ziel berücksichtigt
die Anforderungen eines akustischen Systems als Funktion der Sprachaktivität in den
jeweiligen Signalpfaden. Sobald das Analogverstärkungsziel festgesetzt ist,
fängt der
digitale Signalprozessor an, die Analogverstärkungsänderung und die digitale Kompensation
abzustimmen, indem er die in 4 gezeigten
Schritteausführt,
bis die tatsächliche
Analogverstärkung
das voreingestellte Ziel erreicht.
-
In 4 bedingt
Schritt 1 die Festlegung eines neuen Analogverstärkungsziels
basierend auf der Grundlage der Systemanforderungen. Wenn die tatsächliche
Analogverstärkung
gleich dem Ziel ist, wird weiter nichts getan, bis das nächste neue
Ziel festgesetzt ist. Wenn die tatsächliche Verstärkung das
Ziel nicht erfüllt,
sendet der DSP ein Steuerwort an den Analogverstärker, um eine Analogverstärkungsänderung
von 1,5 dB anzuweisen. Der Grund, warum so eine kleine Schrittweite
benutzt wird, besteht darin, die Artefakte der Einstellung zu minimieren,
die möglicherweise
am fernen Ende hörbar
werden können.
Der DSP wartet dann Δms,
wobei Δms die
in 3C gezeigte Verzögerung ist.
Nach der Verzögerung
von Δms,
der Zeit, die ein Signal braucht, sich vom Analogverstärker bis
zum Ausgang des A/D-Wandlers auszubreiten, wartet der DSP auf einen
Nulldurchgang im Ausgang des A/D-Wandlers. Das ist der Zeitpunkt,
zu dem die Analogverstärkungsänderung
im Digitalbereich sichtbar zu werden beginnt. Sobald ein Nulldurchgang
erkannt wird, was bedeutet, daß eine
Analogverstärkungsänderung
an diesem Signalpunkt gemacht wurde, beginnt der DSP eine Serie
von digitalen Kompensationen durchzuführen (Schritte 6, 7 und 8 in 4).
-
Die Inhalte in den internen Signalspeicherelementen
des Mikrofonfilters, d. h., die Signale in den angezapften Verzögerungsleitungen
in BI-QUAD Abschnitten des Filters, werden alle mit demselben Wert wie
dem der Analogverstärkungsänderung
skaliert. Das bildet einen implizierten zeitlichen Verlauf so, daß es aussieht,
als ob die Analogverstärkung
immer auf diesem neuen Wert gewesen wäre. Die Anwendung dieser Technik
ersetzt die „Verstärkungsrampe", gemäß 3D, durch eine einfache
Stufenverstärkungsänderung,
so daß es
unkompliziert wird, die übrigbleibenden
digitalen Kompensationen durchzuführen (Schritt 7 und 8).
-
Weil der Ausgang des Mikrofonfilters
skaliert wurde, muß der
Ausgang des akustischen Echokompensators mit demselben Wert skaliert
werden (Schritt 7 in 4),
um dem ersteren zu entsprechen. Dies beseitigt irgendein mögliches
unkompensiertes Echo aus, das sich aus der Skalierung des Ausgangs des
Mikrofonfilters ergibt. Weil der Ausgang des Mikrofonfilters skaliert
wurde, muß das
Sendesignal wieder mit demselben Wert skaliert werden aber in der
entgegengesetzten Richtung, um die Wirkung der Skalierung des Ausgangs
des Mikrofonfilters auszugleichen (Schritt 8).
-
Nach Beendigung der Schritte 3 bis 8 in 4 wurde eine 1,5 dB Änderung
in der Analogverstärkung
und in den digitalen Kompensationen ausgeführt. Wenn diese Änderungen
nicht dazu führen, daß das Analogverstärkungsziel
erreicht wird, werden weitere 1,5 dB Änderungen durchgeführt, bis
die tatsächliche
Analogverstärkung
mit dem Analogverstärkungsziel übereinstimmt.
Sobald das Analogverstärkungsziel
erreicht wird, ist die Aufgabe der Analogverstärkungsänderung und der folgenden digitalen
Kompensationen beendet.
-
Die vorliegende Erfindung kann zum
Einsatz in Freisprech-Telefon-Endgeräten kommen, die einen akustischen
Echokompensator aufweisen. Das Konzept ist, dynamisch die Analogverstärkung für das Mikrofon
zu optimieren, so daß es
möglich
ist, ein gutes Verhältnis
des wahrnehmbaren Signals zum Störsignal
des Sendesignals mit einem preiswerten ADC zu erreichen.
-
Obwohl eine besondere Ausführungsform dieser
Erfindung beschrieben und veranschaulicht wurde, wird es für einen
Fachmann offensichtlich, daß zahlreiche
Variationen und Alternativen möglich sind.
Der tatsächliche
Schutzumfang der Erfindung ist nur durch die beigefügten Ansprüche begrenzt.