DE69728262T2

DE69728262T2 - Echounterdrücker und nicht- linearer prozessor eines echokompensators

Info

Publication number: DE69728262T2
Application number: DE69728262T
Authority: DE
Inventors: Olli Kirla
Original assignee: Nokia Oyj
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 1996-06-19
Filing date: 1997-06-18
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2017-06-19
Also published as: FI962562A0; AU723043B2; AU3178097A; ZA974951B; US6574336B1; FI962562A; CN1223036A; DE69728262D1; JP4090505B2; FI106489B; NZ333383A; WO1997049196A3; CA2258618C; EP0898816B1; JP2000512466A; EP0898816A2; WO1997049196A2; CN1173487C; CA2258618A1; ATE262753T1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Echosperre und einen nichtlinearen Prozessor für einen Echokompensator in einem 4-Draht-Datenübertragungsnetzwerk.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In bidirektionalen Datenübertragungsnetzwerken wie etwa Telefonnetzen tritt bei Ende-zu-Ende-Verbindungen ein Echo auf, da die Stimme der sprechenden Seite von bestimmten Netzwerkelementen reflektiert wird. Das Echo stört, falls auf der Ende-zu-Ende-Verbindung eine Verzögerung vorhanden ist. Die Verzögerung ist üblicherweise entweder eine Ausbreitungsverzögerung oder eine von einer digitalen Signalverarbeitung verursachte Verzögerung.
Echo wird in zwei Kategorien unterteilt: akustisches Echo zwischen der Hörmuschel und dem Mikrofon eines Telefons und elektrisches Echo, das in den Übertragungssystemen von den Sende- und Empfangsleitungen einer Verbindung verursacht wird.
Einer der Hauptgründe hinter elektrischem Echo sind Hybridschaltungen (2-Draht-4-Draht-Wandler) in Endvermittlungsstellen oder entfernt liegenden Teilnehmerstufen eines festen Netzwerks. Die Teilnehmerleitungen eines festen Netzwerks sind aus wirtschaftlichen Gründen üblicherweise 2-Draht-Leitungen, wohingegen Verbindungen zwischen Vermittlungen 4-Draht-Verbindungen sind.
In dieser Anmeldung wird das Ende einer Übertragungsverbindung, an das die eigene Stimme der sprechenden Seite als ein Echo zurückkehrt, als das entfernte Ende bezeichnet, wohingegen das Ende der Verbindung, von wo aus das Echo zurückreflektiert wird, als das nahe Ende bezeichnet wird.
Ein Echokompensator oder eine Echosperre wurden herkömmlicher Weise verwendet, um von Echo verursachte Probleme zu vermeiden. Ein Echokompensator ist eine Vorrichtung zum Verarbeiten eines Signals wie etwa eines Sprachsignals. Er schätzt das Echo und reduziert das Echo durch Subtrahieren der Echoschätzung von einem Signal, das vom Echopfad (vom nahen Ende) zurückkehrt. Bei einer Echoschätzung wird die Impulsantwort des Echopfads üblicherweise mittels eines adaptiven Filters modelliert. Zusätzlich wird in Echokompensatoren häufig ein nichtlinearer Prozessor (NLP) zum Beseitigen von Restecho verwendet, das aus einer adaptiven Filterung resultiert. Ein NLP ist aus der JP-A-7250010 bekannt.
Eine Echosperre basiert auf einem Vergleich zwischen den Leistungspegeln eines an den Echopfad bereitgestellten Signals und eines von dort zurückkehrenden Signals. Ist das Verhältnis des Leistungspegels des vom Echopfad zurückkehrenden Signals zum Leistungspegel des an den Echopfad bereitgestellten Signals niedriger als ein vorbestimmtes Verhältnis, wird die vom Echopfad zurückkehrende Übertragungsverbindung getrennt, wodurch dem Echo nicht ermöglicht wird, durchzulaufen. Andernfalls wird interpretiert, dass es sich entweder um Sprache des nahen Endes oder um beidseitiges Sprechen (gleichzeitiges Sprechen am nahen und am entfernten Ende) handelt, in welchem Fall die Verbindung natürlich nicht getrennt werden kann. Der nichtlineare Prozessor (NLP) oder ein zum Beseitigen von Restecho in Echokompensatoren verwendeter „Center Clipper" stellen auch eine gewisse Art von Echosperre dar. Eine Echosperre ist aus der EP-A-364383 bekannt.
Derzeit werden zum Beseitigen von Echo hauptsächlich Echokompensatoren verwendet, da Echosperren die folgenden Probleme verursachen. Da das Referenzverhältnis für die Signale des nahen und des entfernten Endes gemäß der schlechtesten Echosituation (üblicherweise -6 dB) gewählt werden muss, durchläuft Sprache des nahen Endes mit niedrigem Pegel eine Echosperre während beidseitigem Sprechen nicht. Sogar falls die durchschnittlichen Sprachpegel des nahen und des entfernten Endes gleich wären, wird Sprache des nahen Endes während beidseitigem Sprechen abhängig vom Verhältnis zwischen den Signalpegeln gelegentlich abgeschnitten. Ein weiteres Problem ist Echo während beidseitigem Sprechen. Während beidseitigem Sprechen durchläuft Sprache des nahen Endes die Echosperre ebenso wie Echo von Sprache des entfernten Endes, wenn es zur Sprache des nahen Endes summiert ist. Das Echo von beidseitigem Sprechen kann durch Dämpfen des Signals des nahen Endes und möglicherweise sogar des Signals des entfernten Endes in der Echosperre während beidseitigem Sprechen reduziert werden. Die Dämpfung kann jedoch nicht zu groß sein, da sie eine störende "Pump"-Wirkung auf die Stärke der Sprache hat.
Obwohl Echokompensatoren technisch besser sind als Echosperren, gibt es Situationen, in denen es gerechtfertigt ist, eine Echosperre zu verwenden. In der Praxis sollte das adaptive Filter eines Echokompensators digital implementiert werden, was in einem rein analogen Datenübertragungssystem zu teuer sein kann, insbesondere in Endgeräten. Sogar in digitalen Datenübertragungssystemen erfordert das adaptive Filter entweder einen speziellen ASIC oder einen Signalprozessor, deren Preise und Stromverbräuche zum Beispiel für tragbare Endgeräte zu hoch sein kann.
Es ist gerechtfertigt, eine Echosperre in einem Datenübertragungsnetzwerk zu verwenden, d.h. nicht in einem Endgerät, falls das adaptive Filter eines Echokompensators nicht ausreichend effizient ist. Ein adaptives Filter beseitigt Echo schlecht, falls der Echopfad nichtlinear ist, d.h. falls das nichtlineare Verzerrungsverhältnis zurückkehrenden Echos schlecht ist. Nichtlinearität wird beispielsweise von einer Sprachcodierung niedriger Übertragungsrate verursacht. Eine Sprachcodierung kann sowohl bei festen als auch bei drahtlosen Übertragungsverbindungen verwendet werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Dynamik beidseitigen Sprechens einer Echosperre zu verbessern.
Die Erfindung betrifft eine Echosperre zum Beseitigen von akustischem Echo, wobei die Echosperre aufweist:

eine Einrichtung zum Bestimmen von Eigenschaften der Signale des entfernten Endes und des nahen Endes,
eine Einrichtung zum Ermöglichen oder Sperren einer Übertragung eines Signals des nahen Endes an das entfernte Ende, abhängig von den Eigenschaften des entfernten Endes und des nahen Endes. Die Echosperre ist dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich aufweist:
eine Einrichtung zum Bearbeiten des Spektrums eines Signals des entfernten Endes auf eine Art und Weise, die die Wirkung des Amplitudengangs der Übertragungsfunktion von akustischem Echo modelliert, bevor die Eigenschaften bestimmt werden.

Die Erfindung betrifft auch einen nichtlinearen Prozessor für einen Echokompensator, mit:

einer Einrichtung zum Bestimmen von Signalleistungspegeln für das entfernte Ende und das nahe Ende,
einer Einrichtung zum Aktivieren oder Deaktivieren des nichtlinearen Prozessors gemäß den Eigenschaften der Signale des entfernten Endes und des nahen Endes. Der nichtlineare Prozessor ist dadurch gekennzeichnet, dass er zusätzlich aufweist:
eine Einrichtung zum Bearbeiten des Spektrums eines Signals des entfernten Endes auf eine Art und Weise, die die Wirkung des Amplitudengangs der Übertragungsfunktion von akustischem Echo auf ein Restecho modelliert, bevor die Eigenschaften bestimmt werden, und dass
der Signalleistungspegel des nahen Endes der Leistungspegel des Restechos des Echokompensators ist.

Eine der Eigenschaften von akustischem Echo besteht darin, dass der Amplitudengang seiner Übertragungsfunktion (die Frequenzgangdifferenz zwischen dem an den Echopfad bereitgestellten Echo und dem von dort zurückkehrenden Echo) sehr ungleichmäßig ist. Insbesondere der Amplitudengang der akustischen Verbindung zwischen der Hörmuschel und dem Mikrofon eines Endgeräts ist im Frequenzbereich äußerst ungleichmäßig: der Amplitudengang weist im Frequenzintervall von ungefähr 1,5 bis 3,0 kHz typischerweise eine Spitze bzw. einen Peak auf. Der Echoreflexionsverlust ERL ist daher deutlich eine Funktion der Frequenz, d.h. ERL auf dem Echopfad ist am Peak erheblich niedriger als zum Beispiel bei niedrigeren Frequenzen.
Die Erfindung setzt diese Eigenschaft bei der Steuerung einer Echosperre ein. Wie vorstehend erwähnt basiert die Steuerung einer Echosperre auf dem Vergleich zwischen bestimmten Eigenschaften wie etwa Leistungspegeln der Signale des nahen Endes und des entfernten Endes. Gemäß der Erfindung wird das Spektrum des Signals des entfernten Endes auf eine Art und Weise bearbeitet, die die Wirkung des Amplitudengangs der Übertragungsfunktion von akustischem Echo modelliert, bevor der Signalleistungspegel bestimmt wird. Das Spektrum kann zum Beispiel mit einem gewichteten Filter bearbeitet werden, dessen Amplitudengang im Frequenzbereich optimiert ist, um im Wesentlichen dem Amplitudengang der Übertragungsfunktion von akustischem Echo zu entsprechen. In anderen Worten zielt das gewichtete Filter darauf ab, den Echoreflexionsverlust ERL als eine Funktion der Frequenz zu modellieren. Ist der Signalleistungspegel des nahen Endes niedriger als der frequenzgewichtete Signalleistungspegel des entfernten Endes, wird das Signal des nahen Endes als akustisches Echo interpretiert und dem vom nahen Ende zurückkehrenden Signal wird nicht ermöglicht, die Echosperre zu durchlaufen. Ist der Signalleistungspegel des nahen Endes höher als der frequenzgewichtete Signalleistungspegel des entfernten Endes, wird das Signal des nahen Endes entweder als Sprache des nahen Endes oder als beidseitiges Sprechen interpretiert und dem Signal des nahen Endes wird ermöglicht, die Echosperre zu durchlaufen.
Die Erfindung verbessert die Dynamik beidseitigen Sprechens einer Echosperre mittels des folgenden Mechanismus. Bei einer herkömmlichen, auf einem ungewichteten Leistungspegelvergleich basierenden Echosperre schneiden energiereiche Vokale vom entfernten Ende energiearme Konsonanten und teilweise auch Vokale niedrigen Pegels vom nahen Ende während beidseitigen Sprechens mit einer hohen Wahrscheinlichkeit ab. Das gewichtete Filter der Erfindung, das typischerweise vom Hochpass- oder ein Bandpass-Typ ist, reduziert die Energie der energiereichen Vokale von Sprache des entfernten Endes in Bezug auf die energiearmen Konsonanten. Dies geschieht, weil die Energie von Vokalen hauptsächlich bei Frequenzen unterhalb von 1 kHz liegt, wohingegen die Energie von Konsonanten ziemlich gleichmäßig über das gesamte Sprachfrequenzintervall verteilt ist. Die Energie von Vokalen eines Signals des entfernten Endes, das mit einem gewichteten Filter bearbeitet ist, ist daher niedriger als bei den bekannten Echosperren. Vokale von Sprache des nahen Endes werden daher nicht abgeschnitten und zusätzlich ist es für Konsonanten weniger wahrscheinlich, während beidseitigem Sprechen abgeschnitten zu werden, als bei den bekannten Echosperren. Nur energiereiche Konsonanten des entfernten Endes können energiearme Konsonanten von Sprache des nahen Endes abschneiden. Da Konsonanten verglichen mit Vokalen kurz sind, sind Abschneidezeiten von Konsonanten von Sprache des nahen Endes kurz und verschlechtern das Sprechen des nahen Endes kaum merklich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, bei denen zeigen:
1 eine allgemeine Darstellung der Betriebsumgebung einer Echosperre der Erfindung,
2 ein allgemeines Blockschaltbild der Echosperre der Erfindung,
3 ein Ablaufdiagramm, das die Steuerung der Echosperre der Erfindung zeigt,
4 ein gewichtetes digitales Filter der Erfindung,
5 ein gewichtetes adaptives Filter der Erfindung,
6 ein Ablaufdiagramm, das die Steuerung eines adaptiven Filters basierend auf der Fast-Fourier-Transformation (FFT) zeigt,
7 und 8 Blockschaltbilder, die ein gewichtetes Filter basierend auf dem Bandspaltungsprinzip und eine Steuerungseinheit zeigen,
9 einen Echokompensator, in dem die Erfindung zur Steuerung eines nichtlinearen Prozessors angewandt ist,
10 ein Ablaufdiagramm, das die Steuerung eines nichtlinearen Prozessors gemäß der Erfindung zeigt.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNG
Die Erfindung kann in jedem Telekommunikationssystem oder Endgerät zum Steuern einer akustischen Echosperre angewandt werden. Damit die Echosperre der Erfindung zweckdienlich arbeiten kann, ist es jedoch wesentlich, dass der Echopfad eine reine 4-Draht-Verbindung ist: vom nahen Ende reflektiertes Echo wird daher nur akustisch gekoppelt, zum Beispiel von der Hörmuschel oder dem Lautsprecher zum Mikrofon eines Endgeräts. Daher darf der Echopfad kein 2-4-Draht-Hybrid aufweisen. Der Grund dafür besteht darin, dass der Frequenzgang von in einem 2-4-Draht-Hybrid gebildetem elektrischem Echo ziemlich gleichförmig ist.
1 zeigt eine allgemeine Darstellung der Betriebsumgebung der Erfindung. Die folgenden Abkürzungen werden für die Eingaben und Ausgaben der Echosperre verwendet. In der Übertragungsrichtung vom entfernten Ende wird die Eingabe R_IN ("Receive in") und die Ausgabe R_OUT ("Receive out") genannt. In der Übertragungsrichtung vom nahen Ende wird die Eingabe S_IN ("Send in") und die Ausgabe S_OUT ("Send out") genannt.
Das Mikrofon 6 des entfernten Endes wandelt ein akustisches Signal, d.h. Sprache des entfernten Endes, in ein elektrisches Signal um, das über eine Übertragungsverbindung T2 an eine Echosperre 1 übertragen wird. Der Typ der Übertragungsstrecke T2 ist für die Erfindung belanglos. Er kann zum Beispiel eine 2-Draht- und/oder eine 4-Draht-Verbindung sein; die Übertragungstechnologie kann entweder analog und/oder digital sein; und die Übertragungsverbindung kann physikalisch eine feste Kabelverbindung und/oder ein Funkpfad sein.
Ein Signal vom entfernten Ende wird an der Eingabe R_IN der Echosperre empfangen und von der Ausgabe R_OUT über einen Übertragungspfad T1 weiter an das nahe Ende geliefert. Das nahe Ende weist ein Endgerät oder eine beliebige andere Einheit auf, in der das Signal des entfernten Endes entweder in einem Lautsprecher oder in einer Hörmuschel 4 in ein akustisches Sprachsignal gewandelt wird. Ein Teil der Sprache des entfernten Endes wird akustisch vom Lautsprecher oder der Hörmuschel 4 als akustisches Echo an das Mikrofon 5 des Endgeräts des nahen Endes gekoppelt. Ein Signal vom nahen Ende wird über die Übertragungsverbindung T1 an die Eingabe S_IN der Echosperre 1 geliefert. Von der Ausgabe S_OUT der Echosperre 1 wird ein Signal über die Übertragungsverbindung T2 an das entfernte Ende übertragen; das übertragene Signal ist entweder das ursprüngliche Signal des nahen Endes oder ein Komfortrauschen, was nachstehend genauer beschrieben wird. Ist das an das entfernte Ende übertragene Signal das ursprüngliche Signal des nahen Endes, kann es das vorstehend beschriebene akustische Echo des entfernten Endes enthalten; der Teilnehmer des entfernten Endes hört dieses Echo aus der Hörmuschel oder dem Lautsprecher 7 als ein störendes Echo seiner eigenen Sprache. Die mit Zwei multiplizierte Gesamtverzögerung der Übertragungsverbindungen T1 und T2 bestimmt, wann die Sprache des Teilnehmers des entfernten Endes als Echo zurückkehrt.
Gemäß der Erfindung ist die Übertragungsverbindung T1 zwischen dem Endgerät des nahen Endes und der Echosperre immer eine 4-Draht-Verbindung. Physikalisch kann die Übertragungsverbindung T1 ein festes Kabel und/oder ein Funkpfad sein. Entweder eine analoge und/oder eine digitale Übertragungstechnologie kann verwendet werden.
Die Echosperre 1 kann im Endgerät des nahen Endes bereitgestellt sein, in welchem Fall die Verzögerung der Übertragungsverbindung T1 unbedeutend ist. Die Übertragungsverbindung T1 weist daher kein tatsächliches Übertragungssystem auf.
Ist die Echosperre entfernt vom Endgerät in der Netzwerkinfrastruktur angeordnet, weist die T1 ein tatsächliches Übertragungssystem auf und die Verzögerung von T1 kann erheblich sein. Das Endgerät kann zum Beispiel ein Endgerät eines digitalen Mobilkommunikationssystems sein und die Echosperre kann in einem Sprachumsetzer eines Mobilkommunikationsnetzwerks bereitgestellt sein. In diesem Fall weist die T1 zum Beispiel eine bidirektionale Funkverbindung, eine Sprachcodierung und Übertragungssysteme zwischen den Netzwerkelementen des Mobilkommunikationsnetzwerks auf. Ein derartiger Ort einer Echosperre ist der gleichzeitig anhängigen internationalen PCT-Anmeldung WO-96/42142 der Anmelderin offenbart.
2 zeigt ein allgemeines Blockschaltbild einer Echosperre eines Ausführungsbeispiels der Erfindung und
3 zeigt ein Ablaufdiagramm, das den Betrieb der Echosperre darstellt. Die Echosperre 1 weist die gleichen Anschlüsse R_IN, R_OUT, S_IN und S_OUT auf, die gemäß 1 gezeigt wurden. Der Anschluss R_IN ist direkt mit dem Anschluss R_OUT verbunden. Der Anschluss S_IN ist an die Eingabe einer Auswahleinrichtung 26 angeschlossen, und der Anschluss S_OUT an die Ausgabe der Auswahleinrichtung 26. Die Auswahleinrichtung 26 entweder ermöglicht oder sperrt die Ausbreitung eines Signals des nahen Endes an den Ausgabeanschluss S_OUT gemäß eines von einer Vergleichereinheit 24 empfangenen Steuersignals. Ein Komfortrauschgenerator 27 ist typischerweise an die andere Eingabe der Auswahleinrichtung 26 auf eine derartige Art und Weise angeschlossen, dass die Auswahleinrichtung 26 gemäß dem Steuersignal CONTROL, das vom Vergleicher 24 empfangen wird, entweder ein Signal des nahen Endes vom Anschluss S_IN oder die Ausgabe CN des Komfortrauschgenerators 27 an den Anschluss S_OUT schaltet. (Schritte 306 und 307 gemäß 3). In ihrer einfachsten Form kann die Auswahleinrichtung 26 ein Umschalter sein.
Der Anschluss R_IN ist, vorzugsweise über einen festen Dämpfer 20, auch an die Eingabe eines gewichteten Filters 21 angeschlossen. Der Dämpfer 20 reduziert den Leistungspegel des Signals R_IN auf einen Pegel, der für eine anschließende Signalverarbeitung geeignet ist. In der Praxis wird der Wert des Dämpfers 20 gemäß dem geringsten zulässigen Echoreflexionsverlust (ERL) ausgewählt. Das gewichtete Filter 21 verarbeitet das Signal R_IN gemäß der Erfindung (Schritt 301 gemäß 3). Die Ausgabe WR_IN des gewichteten Filters 21 ist an die Signalleistungsberechnungseinheit 22 verbunden, die die Leistung oder den Pegel des Signals bestimmt, das am Anschluss R_IN vom entfernten Ende empfangen wurde (Schritt 302). Die Einheit 22 kann auf viele an sich bekannte Arten implementiert sein. Sie ist typischerweise ein Gleichrichter und ein Integrator (analoge Implementierung), der den Signalpegel über eine bestimmte Integrationszeit integriert. Ist das zu messende Signal digital, z.B. ein PCM-(pulscodemoduliertes) Signal, ist die Einheit 22 typischerweise als digitale Berechnung implementiert, z.B. im Signalprozessor. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die Art und Weise, wie die Leistungsberechnungseinheit implementiert ist, für die Erfindung belanglos ist. Die Ausgabe PWR_IN der Einheit 22, die den frequenzgewichteten Leistungspegel des Signals des entfernten Endes darstellt, ist mit der Eingabe der Vergleichereinheit 24 verbunden, beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 über die Verzögerung 23 (Schritt 303). In diesem Fall weist die Eingabe des Vergleichers 24 ein verzögertes Messergebnis PWR_IN+DLY auf.
Der Anschluss S_IN ist mit der Signalleistungsberechnungseinheit 25 verbunden, die die Leistung oder den Pegel des Signals bestimmt, das am Anschluss S_IN vom nahen Ende empfangen wurde (Schritt 304). Die Einheit 25 kann auf die gleiche Art und Weise wie die Signalleistungsberechnungseinheit 22 implementiert werden. Die Ausgabe PS_IN der Einheit 25, die den Leistungspegel eines Signals des nahen Endes darstellt, ist mit der anderen Eingabe der Vergleichereinheit 24 verbunden.
Die Vergleichereinheit 24 vergleicht die Ausgaben PWR_IN+DLY und PS_IN der Einheiten 22 und 25, d.h. die Leistungspegel der Signale des entfernten Endes und des nahen Endes (Schritt 305), und steuert die Auswahleinrichtung 26 auf Grundlage des Vergleichs (Schritte 306 und 307), wie es nachstehend beschrieben wird. In seiner einfachsten Form kann der Vergleicher 26 eine Differenzverstärkerschaltung (analoge Implementierung) oder ein binärer/dezimaler Vergleicher sein. Die Ausgabe CONTROL des Vergleichers 24 ist mit der Steuereingabe der Auswahleinrichtung 26 verbunden. Obwohl Leistungspegel der Signale R_IN und S_IN im vorstehend beschriebenen Beispiel für die Steuerung verwendet wurden, kann die Steuerung auch auf anderen Eigenschaften dieser Signale wie etwa einer Kreuzkorrelation basieren. Die Verzögerungseinheit 23 ist erforderlich, falls eine Verzögerung auf der Übertragungsverbindung T1 gemäß 1 auftritt. Die Verzögerung DLY der Verzögerungseinheit 23 wird vorzugsweise so eingestellt, dass sie ungefähr die gleiche ist, wie die Gesamtverzögerung, die von der T1 in beiden Übertragungsrichtungen verursacht wird (d.h. bidirektionale Verzögerung); dies dient zum Sicherstellen, dass der Leistungspegel eines Signals des entfernten Endes, das zu einem bestimmten Zeitpunkt an den Echopfad bereitgestellt wurde, mit dem Leistungspegel des zurückkehrenden Echos erst dann verglichen wird, wenn sich sein eigenes Echo über den Echopfad ausgebreitet hat. Ist die Verzögerung von T1 kurz (z.B. ist die Echosperre im Endgerät bereitgestellt), ist die Verzögerungseinheit 23 nicht erforderlich.
Der Generator 27 wird zum Erzeugen von Komfortrauschen CN eingesetzt, da Erfahrungen gezeigt haben, dass ein Zuhörer stark gestört ist, wenn das Hintergrundrauschen hinter der Sprache plötzlich verschwindet. Dies würde jedes Mal dann passieren, wenn die Auswahleinrichtung 26 den Signalpfad vom Anschluss S_IN zum Anschluss S_OUT trennt. Ein Weg zum Vermeiden dieser Störung besteht darin, künstliches Rauschen zu erzeugen, wenn die Echosperre das eigentliche Signal des nahen Endes abschneidet. Dieses Rauschen kann weißes Rauschen oder Komfortrauschen sein, das darauf gerichtet ist, tatsächlichem Hintergrundrauschen im nahen Ende zu ähneln. Einige Wege zum Erzeugen von Komfortrauschen sind in der gleichzeitig anhängigen internationalen PCT-Anmeldung WO-96/42142 der Anmelderin beschrieben. Die Erzeugung von Rauschen ist jedoch für die Erfindung belanglos und kann von einer Echosperre auch weggelassen werden.
Wie vorstehend erwähnt besteht ein wesentliches Merkmal der Erfindung darin, dass das Spektrum des Signals des entfernten Endes auf eine Art und Weise bearbeitet wird, die die Wirkung des Amplitudengangs der Übertragungsfunktion eines akustischen Echopfads simuliert, bevor der Leistungspegel berechnet wird. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 2 wird dies mit einem gewichteten Filter 21 durchgeführt. Das gewichtete Filter 21 zielt auf eine Modellierung eines akustischen Echoreflexionsverlusts ERL als eine Funktion der Frequenz ab. Da im Amplitudengang der akustischen Verbindung zwischen der Hörmuschel und dem Mikrofon eines Endgeräts im Frequenzintervall von ungefähr 1,5 bis 3,0 kHz typischerweise eine Spitze bzw. ein Peak auftritt, ist der Echoverlust am Peak erheblich niedriger als zum Beispiel bei niedrigeren Frequenzen. Ein optimales gewichtetes Filter ist daher typischerweise ein Hochpass- oder ein Bandpass-Filter.
Das gewichtete Filter 21 kann fest oder adaptiv sein. Die Übertragungsfunktion eines festen gewichteten Filters 21 kann zum Beispiel der Mittelwert der Übertragungsfunktionen der akustischen Echos sein, die im Telefonnetz auftreten, wodurch sein Amplitudengang vom Hochpass-Typ ist. Die Steilheit, Grenzfrequenz und die Dämpfungen des Durchlassbandes und des Sperrbandes werden gemäß dem "schlechtesten" Endgerät mit dem geringsten Echoreflexionsverlust ERL bestimmt. Die Endgeräte mit den nächstniedrigeren ERLs werden jedoch berücksichtigt, falls ihre ERLs bei bestimmten Frequenzen niedriger sind als diejenigen des "schlechtesten" Endgeräts. Ein Beispiel einer Implementierung eines festen gewichteten Filters ist ein digitales elliptisches IIR- ("Infinite Impulse Response") Hochpassfilter der dritten Ordnung, dessen Übertragungsfunktion lautet:
4 zeigt ein Blockschaltbild eines direkten IIR-Typ-Filters, das die vorstehend gegebene Gleichung erfüllt.
Für ein adaptives gewichtetes Filter 21 kann die optimale Übertragungsfunktion auf einer Ruf-Basis erhalten werden.
In diesem Fall kann die durchschnittliche Dynamik beidseitigen Sprechens zusätzlich erhöht werden, da die Übertragungsfunktion des gewichteten Filters nicht wie im Fall eines festen gewichteten Filters gemäß dem niedrigsten ERL ausgewählt werden muss.
In seiner einfachsten Form weist das adaptive gewichtete Filter einen festen Frequenzgang auf, d.h. ein festes Filter 61, sowie eine adaptive zusätzliche Dämpfung (z.B. einen adaptiven Dämpfer 60 vor dem Filter 61), wie es gemäß 5 dargestellt ist. In diesem Fall ersetzt der adaptive Dämpfer 60 den festen Dämpfer 20. Das Filter 61 kann zum Beispiel das Filter gemäß 4 sein. Die Steuerung FREQRES des Dämpfers 60 wird aus der Steuerung 28 des Filters (2) erhalten.
Das beste Ergebnis kann natürlich erhalten werden, falls das gewichtete Filter 21 im Frequenzbereich adaptiv ist. In diesem Fall wird der akustische Echopfad im Frequenzbereich modelliert, und das gewichtete Filter 21 wird angepasst, um dem Echopfadmodell Ruf-spezifisch zu entsprechen. Das gewichtete Filter 21 kann entweder einmalig zu Beginn des Rufs oder fortlaufend angepasst werden, so dass alle Veränderungen der Eigenschaften des Echopfads während des Rufs berücksichtigt werden.
Sowohl das Sprachsignal des entfernten Endes als auch das Echo der vom nahen Ende zurückkehrenden Sprache können zur Modellierung von akustischem Echo verwendet werden. Dies erfordert Einrichtungen zum Identifizieren von beidseitigem Sprechen und von Hintergrundrauschen im nahen Ende. Derartige Verfahren sind in der Echokompensationstechnologie bekannt. Wahlweise kann eine Echosperre zum Beispiel zu Beginn eines Rufs ein Testsignal über den Anschluss R_OUT an den Echopfad senden.
Das akustische Echo des Testsignals wird am Anschluss S_IN empfangen. Auf Grundlage des Testsignals und des empfangenen Echos des Testsignals ist es möglich, den Echoreflexionsverlust, die Übertragungsfunktion des Echopfads und/oder die Verzögerung des Echopfads gemäß im Stand der Technik wohlbekannten Prinzipien zu bestimmen. 2 zeigt die Steuerungseinheit 28 des adaptiven gewichteten Filters 21; die Steuerungseinheit 28 kann die vorstehend beschriebenen Funktionen durchführen. Wurde die Übertragungsfunktion des akustischen Echopfads berechnet/festgelegt, stellt die Steuerungseinheit 28 die Übertragungsfunktion des gewichteten Filters entsprechend ein. In diesem Fall ist der feste Dämpfer 20 gemäß 2 nicht erforderlich. Berechnet die Steuerungseinheit 28 auch die Verzögerung des Echopfads, kann die Verzögerung der Verzögerungseinheit 23 ebenfalls adaptiv angepasst werden.
In digitaler Technologie kann zum Beispiel die Fast-Fourier-Transformation FFT zum Bestimmen der Frequenzgangdifferenz zwischen den Signalen des nahen Endes und des entfernten Endes verwendet werden. Auf Grundlage dieser können die Anzapfungskoeffizienten eines digitalen gewichteten Filters eingestellt werden, um für den in Frage stehenden Ruf optimal zu sein.
Im Ablaufdiagramm gemäß 6 wird als Erstes überprüft, ob ein beidseitiges Sprechen vorkommt (Schritt 700). Ist dies der Fall, wird die Echosperre natürlich nicht aktiviert, sondern der Prozess kehrt zum Beginn zurück. Ist dies nicht der Fall, wird zu Schritt 701 fortgefahren, um die Sprachaktivität des entfernten Endes zu überprüfen. Besteht keine Sprachaktivität, wird eine Echosperrung nicht benötigt, und der Prozess kehrt zum Beginn zurück. Andernfalls wird in Schritt 702 die Kreuzkorrelation des entfernten und des nahen Endes berechnet, und es wird in Schritt 703 überprüft, ob die Kreuzkorrelation einen deutlichen Maximalwert enthält, d.h. eine Echostelle. Falls nicht, kehrt der Prozess zum Beginn zurück. Andernfalls wird in Schritt 704 die Verzögerung DLY des Echopfads mit Hilfe der Kreuzkorrelation berechnet; die Verzögerung wird auch von der maximalen Echostelle erhalten. Die Fast-Fourier-Transformation FFT_RIN des Signals R_IN des entfernten Endes, das um die Verzögerung DLY verzögert wurde, wird in Schritt 705 berechnet. Die Fast-Fourier-Transformation FFT_SIN des Signals S_IN des nahen Endes wird in Schritt 706 berechnet. In Schritt 703 wird der Echoreflexionsverlust im Frequenzbereich berechnet: FFT_RIN/FFT_SIN. Auf Grundlage des berechneten Echoreflexionsverlusts werden in Schritt 708 die Anzapfungskoeffizienten des digitalen gewichteten Filters 21 angepasst, und in Schritt 709 wird die Verzögerung DLY des Verzögerungselements 23 eingestellt. Danach wird die Echosperre in Schritt 800 aktiviert.
7 zeigt ein adaptives gewichtetes Filter 21, das auf dem Bandspaltungsfilter-Prinzip basiert. Ein Signal R_IN des entfernten Endes wird mittels eines Bandspaltungsfilters 210 in N Frequenzbänder F₁...F_N aufgespaltet. Jedes Signal F₁...F_N wird mittels eines separaten einstellbaren Dämpfers 211₁ ...211_N gedämpft, dessen Dämpfung gemäß den Dämpfungswerten ATT₁...ATT_N eingestellt ist, die von der Steuerung 28 des Filters erhalten wurden. Jedes Unterband F₁...F_N des Signals R_IN wird daher gemäß des Frequenzgangs des Echopfads separat eingestellt bzw. angepasst. Die Ausgaben der Dämpfer 211 werden an einen Addierer 212 geliefert, in dem die Unterbänder F₁...F_N addiert werden, um ein mit einem gewichteten Filter bearbeitetes Signal WR_IN zu erhalten.
Das Signal WR_IN wird an die Signalleistungsberechnungseinheit 22 geliefert.
8 zeigt die Steuerung 28 des gewichteten Filters 21 gemäß 7, das auf dem Bandspaltungsfilter-Prinzip basiert.
Ein Signal R_IN des entfernten Endes wird mittels eines Bandspaltungsfilters 280 in N Frequenzbänder F₁...F_N aufgespaltet. Der Signalleistungspegel jedes Frequenzbands F₁...F_N wird in Blöcken 282₁ ...282_N berechnet, woraufhin die berechneten Leistungspegel in Verzögerungsblöcken 283₁ ...283_N um die Verzögerung DLY verzögert werden. Von den Verzögerungseinheiten 283₁ ...283_N werden die Leistungspegelwerte PRIN₁...PRIN_N an die entsprechenden Teilereinheiten 285₁ ...285_N geliefert. Auf die gleiche Art und Weise wird ein Signal S_IN des nahen Endes mittels eines Bandspaltungsfilters 281 in N Bänder F₁...F_N aufgespaltet. In Blöcken 284₁ ...284_N werden Signalleistungspegel PSIN₁...PSIN_N für die Frequenzbänder berechnet und an die entsprechenden Teiler 285₁ ...285_N geliefert. Jeder Teiler 285 berechnet das entsprechende Signalleistungspegelverhältnis des entfernten Endes und des nahen Endes. Dieses Verhältnis bildet den Dämpfungswert ATT₁...ATT_N, der an den entsprechenden einstellbaren Dämpfer 211₁ ...211_N im gewichteten Filter 21 geliefert wird.
Die Verzögerung des Echopfads, d.h. die Echostelle, kann zum Beispiel mit Hilfe der Kreuzkorrelation zwischen den Signalen des nahen und des entfernten Endes erhalten werden, wie es im Ablaufdiagramm gemäß 6 gezeigt ist.
Die Echosperre der Erfindung arbeitet prinzipiell wie folgt. Es kann angenommen werden, dass das gewichtete Filter 21 fest ist, oder dass es zu Beginn eines Rufs durch Modellierung des Echopfads optimal eingestellt wurde. Ein Signal R_IN des entfernten Endes wird mittels des gewichteten Filters 21 gewichtet, woraufhin der Leistungspegel des frequenzgewichteten Signals des entfernten Endes in einer Leistungsberechnungseinheit 22 berechnet wird. Der berechnete Leistungspegel wird an eine Verzögerungseinheit 23 weitergeleitet. Die Verzögerungseinheit 23 verzögert die Lieferung der Signalpegelinformationen an einen Vergleicher 24 so lange, dass sich das Signal des entfernten Endes durch den Anschluss R_OUT und die Übertragungsverbindung T1 an das Endgerät des nahen Endes ausbreitet, wobei ein Teil von diesem akustisch von der Hörmuschel 4 an das Mikrofon 5 verbunden wird, und als ein akustisches Echo an den Anschluss S_IN der Echosperre 1 zurückkehrt. Der Leistungspegel des vom nahen Ende empfangenen Signals wird in einer Berechnungseinheit 25 berechnet und im Wesentlichen zur gleichen Zeit an den Vergleicher 24 geliefert, zu der die Verzögerungsschaltung 23 den gewichteten Signalleistungspegel des entfernten Endes liefert. Ist der Signalleistungspegel des nahen Endes niedriger als der frequenzgewichtete Signalleistungspegel des entfernten Endes, interpretiert der Vergleicher 24 das Signal des nahen Endes als ein akustisches Echo und steuert eine Auswahleinrichtung 26 derart, dass ein Komfortrauschgenerator 27 an den Ausgabeanschluss S_OUT verbunden wird. In anderen Worten wird das Signal des nahen Endes davon abgehalten, sich an die Ausgabe S_OUT auszubreiten, und wird durch Komfortrauschen ersetzt. Ist der Signalleistungspegel des nahen Endes höher als der frequenzgewichtete Signalleistungspegel des entfernten Endes, wird das Signal am Anschluss S_IN als Sprache des nahen Endes oder beidseitiges Sprechen interpretiert, und der Vergleicher 24 steuert die Auswahlrichtung derart, dass die Sprache des nahen Endes vom Anschluss S_IN an den Anschluss S_OUT verbunden wird.
Die Erfindung kann auch in einem mit einem nichtlinearen Prozessor (NLP) versehenen Echokompensator angewandt werden. Der Betrieb des NLP ist vergleichbar mit einer Echosperre. Die Erfindung ist bei einer verteilten Echokompensationslösung besonders vorteilhaft, bei der ein adaptives Filter in einem Endgerät und ein NLP in einem Netzwerkelement angeordnet sind. In diesem Fall ist es nicht möglich, die Echoschätzung des Echokompensators zum Berechnen des Leistungspegels des entfernten Endes einzusetzen; daher ist ein gewichtetes Filter die einzige Lösung zum Modellieren des Amplitudengangs des Echopfads. Ein verteiltes Echokompensationssystem ist in der gleichzeitig anhängigen internationalen PCT-Anmeldung WO-96/42142 der Anmelderin offenbart.
9 zeigt einen Echokompensator und das Ablaufdiagramm gemäß 10 zeigt die Steuerung eines NLP gemäß der Erfindung. Der Echokompensator weist ein adaptives digitales Filter 33 auf, das auf Grundlage der Signale R_OUT und S_IN eine Echoschätzung ESST bildet, die ein Subtrahierer 31 vom Signal S_IN subtrahiert. Der NLP 32 ist nach dem Subtrahierer bereitgestellt und wird im Wesentlichen auf die gleiche Art und Weise wie die Auswahleinrichtung 26 gemäß 2 gesteuert. Der Aufbau und Betrieb von Einheiten 21, 22, 23, 24, 25, 27 und 28 gemäß 3 sind im Wesentlichen die gleichen wie gemäß 2. Der Unterschied besteht hauptsächlich darin, dass die Leistungsberechnungseinheit 25 an Stelle des Signalleistungspegels des nahen Endes den Leistungspegel PL_RES des Restechos L_RES des adaptiven Echokompensators berechnet. Da der Leistungspegel des Echosignals nach dem adaptiven Echokompensator (Subtrahierer 31) niedriger ist als der Signalleistungspegel des nahen Endes am Anschluss S_IN, kann das Referenzverhältnis für die Signalleistungspegel des nahen und des entfernten Endes reduziert werden, ohne dass dem Restecho ermöglicht wird, den NLP 32 zu durchlaufen. Dies verbessert ebenfalls die Dynamik beidseitigen Sprechens. Die Dynamik beidseitigen Sprechens wird auch mittels des gewichteten Filters 21 gemäß der Erfindung verbessert. Eine Bedingung für die Anwendung der Erfindung in einem Echokompensator besteht jedoch darin, dass das Spektrum des Restechos des adaptiven Echokompensators verglichen mit dem Spektrum des Signals des entfernten Endes im Frequenzbereich hochpassgefiltert ist. Theoretisch ist das Restecho eines adaptiven Echokompensators ein Rauschen mit einem gleichförmigen Spektrum, aber in der Praxis ist das Restsignal eines akustischen Echos als ein Ergebnis der Nichtlinearität des akustischen Echopfads und der Berechnungsungenauigkeit des Filters 33 hochpassgefiltert.

Claims

Echosperre zum Beseitigen von akustischem Echo, wobei die Echosperre aufweist: eine Einrichtung (21) zum Bearbeiten des Spektrums eines Signals eines entfernten Endes auf eine Art und Weise, die die Wirkung des Amplitudengangs der Übertragungsfunktion von akustischem Echo modelliert, eine Einrichtung (22, 25) zum Bestimmen von Eigenschaften des bearbeiteten Signals des entfernten Endes und des Signals des nahen Endes, eine Einrichtung (24, 26) zum Ermöglichen oder Sperren einer Übertragung eines Signals des nahen Endes an das entfernte Ende, abhängig von den Eigenschaften des bearbeiteten Signals des entfernten Endes und des Signals des nahen Endes.
Echosperre gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Ermöglichen oder Sperren der Übertragung eines Signals des nahen Endes an das entfernte Ende aufweist: eine Auswahleinrichtung (26) zum Auswählen eines Signals des nahen Endes oder eines Rauschsignals as das an das entfernte Ende zu übertragende Signal, eine Steuerungseinrichtung (24) zum Steuern der Auswahleinrichtung (26) gemäß den Signalleistungspegeln des entfernten Endes und des nahen Endes.
Echosperre gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Rauschgenerator (27) zum Erzeugen eines Rauschsignals aufweist.
Echosperre gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Bearbeiten des Spektrums eines Signals des entfernten Endes ein gewichtetes Filter (21) aufweist, dessen Amplitudengang im Frequenzbereich im Wesentlichen dem Amplitudengang der Übertragungsfunktion des akustischen Echos entspricht.
Echosperre gemäß Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das gewichtete Filter (21) fest oder adaptiv ist.
Echosperre gemäß Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das gewichtete Filter (21) ein Hochpass-, ein Bandpass- oder ein gewichtetes Bandspaltungsfilter ist.
Echosperre gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwischen der Steuerungseinrichtung (24) und der Einrichtung (22) zum Bestimmen des Signalleistungspegels des entfernten Endes ein Verzögerungselement (23) aufweist, wobei die Verzögerung des Verzögerungselements im Wesentlichen gleich der Verzögerung des Echopfades ist.
Echosperre gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal des nahen Endes ein Restecho eines am nahen Ende bereitgestellten Echokompensators aufweist.
Nicht-linearer Prozessor für einen Echokompensator, mit: einer Einrichtung (21) zum Bearbeiten des Spektrums eines Signals eines entfernten Endes auf eine Art und Weise, die die Wirkung des Amplitudengangs der Übertragungsfunktion von akustischem Echo auf ein Restecho modelliert, einer Einrichtung (22, 25) zum Bestimmen von Signalleistungspegeln für das bearbeitete Signals des entfernten Endes und das Signal des nahen Endes, wobei der Signalleistungspegel des nahen Endes der Leistungspegel des Restechos des Echokompensators ist, einer Einrichtung (24, 32) zum Aktivieren oder Deaktivieren des nicht-linearen Prozessors gemäß den Leistungspegeln des bearbeiteten Signals des entfernten Endes und des Signals des nahen Endes.
Nicht-linearer Prozessor gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Echokompensator in einem Endgerät des nahen Endes bereitgestellt ist, und der nicht-lineare Prozessor entfernt vom Echokompensator im Telekommunikationsnetzwerk liegt.
Nicht-linearer Prozessor gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaften die Signalleistungspegel des entfernten Endes und des nahen Endes enthalten.