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Eine
Telefon-Freisprechstelle ermöglicht
es dem Anwender, mit einem entfernten Gesprächsteilnehmer eine Unterhaltung
zu führen,
ohne den Telefonhörer
in der Hand halten zu müssen.
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Eine
Freisprechstelle weist ein Mikrofon und einen Lautsprecher auf,
die in ihr Gehäuse
eingebaut sind und eine größere Empfindlichkeit
als diejenigen des Hörers
besitzen. Der Anwender kann daher seine Sprechstelle bei aufgelegtem
Hörer verwenden, während er
sich in einem Abstand davon befindet.
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Diese
Vergrößerung der
Reichweite führt
jedoch bei dem Sendepfad der Sprechstelle, an der sich das Mikrofon
befindet, und bei dem Empfangspfad, der am Lautsprecher endet, zu
technischen Problemen, da das vom Gesprächspartner stammende Sprachsignal
mit einem hohen Pegel durch den Lautsprecher wiedergegeben wird
und an den Mauern des Raumes, in dem sich die Sprechstelle befindet,
sowie im Gehäuse
der Sprechstelle reflektiert wird, bevor es wiederum teilweise vom
Mikrofon aufgefangen wird. Das derart aufgefangene Störsignal wird,
dem Sprachsignal des örtlichen
Anwenders überlagert,
an die Leitung weitergegeben und stellt für den Gesprächspartner ein Echo dar.
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Da
die Telefonleitung des weiteren die Signale in beide Richtungen überträgt, weist
die Sprechstelle eine Duplexer-Schaltung als Leitungsschnittstelle
auf, welche die Leitung mit dem Sendepfad und mit dem Empfangspfad
der Sprechstelle verbindet. Der Duplexer ermöglicht es, die abzugebenden
Signale in die Leitung einzugeben und die vom Gesprächspartner
stammenden Signale von der Leitung zu empfangen, ohne jedoch die
vor Ort eingeführten Signale
aufzunehmen, um eine akustische Rückkopplung bzw. einen Larsen-Effekt
zu vermeiden.
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Auf
dem Empfangspfad kann der Duplexer nämlich nicht vermeiden, daß ein zusammengesetztes
Signal abgenommen wird, welches die Gesamtheit der empfangenen und
gesendeten Signale darstellt, subtrahiert davon aber nach dem Ab nehmen auf
dem Empfangspfad das vom Mikrofon abgegebene Signal, um somit nur
das vom Gesprächspartner empfangene
Signal an den Lautsprecher zu legen. Diese Subtraktion bzw. dieser
Abgleich zum Aufheben einer Rückleitung
der gesendeten Signale ist jedoch niemals perfekt, da der angestrebte
Abgleich von der Impedanz der Leitung abhängt, die von Leitung zu Leitung
und über
die Zeit variieren kann. Aus diesem Grund wird in der Praxis ein
Teil des vom Mikrofon abgegebenen Signals am Duplexer zu dem Lautsprecher
hin zurückgeleitet.
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Kurz
gesagt, es stellen der Sende- und Empfangspfad der Sprechstelle
eine akustische Schleife dar, welche einerseits die akustische Brechung
des Raumes und andererseits die elektrische Reflexion des Duplexers
beinhaltet. Im Falle der Freisprechstelle ist nun die Empfindlichkeit
des Mikrofons und des Lautsprechers derart, daß das die Schleife durchlaufende
Signal bis hin zur Sättigung
der Schaltungen und zur Erzeugung eines Larsen-Effektes verstärkt wird.
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Um
den Larsen-Effekt und das eingangs erwähnte Echo zu vermeiden, ist
es bekannt, die Sprechstelle abwechselnd, d.h. nur im Sende- bzw. Empfangsbetrieb
zu betreiben, so daß die
Rückkopplungs-
und Echoschleife unterbrochen wird. Eine permanente Messung des
Signals des Mikrofons und des von der Leitung her empfangenen Signals
ermöglicht
es, denjenigen der beiden Gesprächsteilnehmer
zu bestimmen, der die stärkere
Stimmenergie entwickelt, und dementsprechend in der Sprechstelle
den Sendepfad oder den Empfangspfad zu aktivieren.
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Eine
solche Lösung
weist jedoch Nachteile auf, da ein Gesprächsteilnehmer, der sprechfreudig ist
und eine laute Stimme besitzt, lange Monologe führen kann, ohne von dem anderen
unterbrochen werden zu können.
Wenn es sich darüber
hinaus um zwei verbundene Freisprechstellen handelt, dann ist ihr
wechselweiser Betrieb nicht synchronisiert, so daß sie sich
sogar in Gleichphase befinden können, d.h.
alle beide im Sendebetrieb und ohne jeglichen Empfang, oder auch
im Empfangsbetrieb und ohne jegliche Übertragung. Man erhält dann
eine zerhackte Unterhaltung.
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Es
kann vorgesehen werden, akustische und elektrische Echounterdrückungsfilterungen
mittels adaptiver Filter durchzuführen, d.h. solcher Filter,
die ihre Filterparameter fortlaufend unter Bestimmung eines Modells
des Raumes oder der Leitung modifizieren, um ein Konvergieren der
Energie des Echos auf ein Minimum hin herbeizuführen. Der Larsen-Effekt kann
auch durch ein Filter beseitigt werden, das eine Frequenzverschiebung
durchführt,
falls eine akustische Rückkopplung
auf einer Frequenz erfaßt
wird, und somit für
diese Frequenz die Schleifenverstärkung abschwächt.
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Die
Konvergenzzeiten der Filter sind jedoch relativ lang und ermöglichen
keine Anpassung an die schnellen Variationen der Umgebung, wie z.B.
den Standortwechsel einer Person oder das Öffnen einer Türe, durch
welche die Echos des Raumes modifiziert werden.
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Die
vorliegende Erfindung hat zum Ziel, die oben angesprochenen Nachteile
abzumildern, um einen Vollduplexbetrieb zu ermöglichen.
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Zu
diesem Zweck betrifft die Erfindung eine Telefon-Freisprechstelle
zum Anschließen
an eine Telefonleitung, welche Tonsignale überträgt und einen Sendepfad und
einen Empfangspfad aufweist, wobei jeder Pfad Dämpfungseinrichtungen und Einrichtungen
zum adaptiven Filtern von Echos von dem anderen Pfad aufweist, und
die Sprechstelle dadurch gekennzeichnet ist, daß sie eine Einrichtung zum Messen
eines Anpassungsfehlers der Filtereinrichtungen aufweist, wobei
die Meßeinrichtung
dazu ausgelegt ist, die Dämpfungseinrichtungen
von mindestens einem der Pfade zu aktivieren, wenn der Fehler einen
vorgegebenen Schwellwert übersteigt.
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Die
Aktivierung der Dämpfungseinrichtungen beim
Auftreten eines Fehlers, der einen Schwellwert übersteigt, führt somit
zum Übergang
vom Vollduplexbetrieb ohne Dämpfung
zu einem abwechselnden Betrieb oder eingeschränkten Vollduplexbetrieb mit
Dämpfung.
Dies unterdrückt
die Auswirkungen des Anpassungsfehlers und ermöglicht es den Filtereinrichtungen,
sich unter besseren Voraussetzungen neu anzupassen, somit den Fehler
zu beseitigen, und es den Meßeinrichtung
zu ermöglichen, den
Vollduplexbetrieb wiederherzustellen, sobald die neue Umgebung vollständig berücksichtigt
wurde.
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Ein
besseres Verständnis
der Erfindung ergibt sich unter Zuhilfenahme der nachfolgenden Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Freisprechstelle
unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung.
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Es
zeigen:
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1 eine
Darstellung der erfindungsgemäßen Sprechstelle
anhand von Funktionsblöcken,
und
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2 ein
Ablaufdiagramm, welches die Abfolge der Tonregelung der Sprechstelle
veranschaulicht.
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Die
dargestellte Freisprechstelle weist einen Sendepfad 1 und
einen Empfangspfad 2 auf, die an eine Telefonleitung 10 angeschlossen
sind, sowie eine Zentraleinheit 3, welche die Pfade 1 und 2 steuert.
Allgemein gesprochen ist die Telefonleitung, welche Tonsignale trägt, jede
geeignete Verbindung, die die Übertragung
einer Unterhaltung ermöglicht,
wie beispielsweise eine Funkverbindung oder auch ein Datenübertragungsnetz.
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Der
Sendepfad 1 umfaßt
in der Richtung der Übertragung
der Tonsignale ein Freisprechmikrofon 11, einen Analog/Digital-Wandler
(A/D-Wandler) 12, der mit ersten Eingängen eines Addierer-Subtrahierers 13 verbunden
ist, welcher wiederum einem Filter 14 zum Unterdrücken von
akustischen Echos zugeordnet ist, das zwischen seinen Ausgang und
seine zweiten Eingänge
eingeschleift ist, ein Antirückkopplungsfilter 15,
ein geregeltes Dämpfungsglied 16,
und einen Digital/Analog-Wandler (D/A-Wandler) 17, dessen
Ausgang mit der Leitung 10 über eine Hybridschaltung 20 für den Übergang
von 2 Drähten
(Leitung 10) auf 4 Drähte (2 Drähte Senden, 2 Drähte Empfang)
verbunden ist.
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Der
Empfangspfad 2 umfaßt
nach der Schaltung 20 einen A/D-Wandler 22, der
mit ersten Eingängen
eines Addierer-Subtrahierers 23 verbunden ist, welcher
wiederum einem Filter 24 zum Unterdrücken von Leitungsechos zugeordnet
ist, das zwischen seinen Ausgang und seine zweiten Eingänge eingeschleift
ist, ein geregeltes Dämpfungsglied 26,
und einen D/A-Wandler 27, der einen Freisprech-Lautsprecher 28 steuert.
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Das
Filter 14 empfängt
des weiteren das vom Dämpfungsglied 26 ausgegebene
Signal, während das
Filter 24 dasjenige vom Dämpfungsglied 16 empfängt.
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Die
Zentraleinheit 30 weist eine Schaltung 31 zum
Messen der Energien der in die Pfade 1 und 2 eingeführten Signale
auf, die vorliegend an den Ausgang der Addierer-Subtrahierer 13 und 23 angeschlossen
ist. Eine Schaltung 32 zum Messen von Anpassungsfehlern,
die einen Mikroprozessor aufweist, empfängt die genannten Meßergebnisse
sowie Fehler- oder Fehlanpassungssignale, die von den Filtern 14 und 24 stammen.
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Die
Schaltung 32 steuert mittels vorliegend nicht dargestellter
Verbindungen die Schaltungen 13 bis 16 und 23 bis 26,
wie weiter unten erläutert
ist. Sie führt
somit auf klassische Weise die Synchronisierung der A/D-Wandler
und D/A-Wandler 12, 22 und 17, 27 in
Bezug auf die anderen genannten Schaltungen 13 bis 16 und 23 bis 24, 26 durch,
die sämtlich digital
sind.
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Auch
wenn eine Analogverarbeitung der Signale der beiden Pfade nicht
auszuschließen
ist, bei der die A/D-Wandler und D/A-Wandler somit nicht nötig wären, erfüllt vorliegend
ein einziger Prozessor zum digitalen Verarbeiten des Signals die
Funktionen der Schaltungen 13–16 und 23–24, 26,
wobei die A/D-Wandler und D/A-Wandler 12, 22 und 17, 27 auch
in den Prozessor integriert sein können. Es könnte auch eine digitale Leitung
vorgesehen sein.
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Der
Betrieb der Sprechstelle wird nun unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm
von 2 erläutert.
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Unter
Steuerung durch die Meßschaltung 32 durchlaufen
die Pfade 1 und 2 verschiedene Zustände in Abhängigkeit
von den Informationen, die von den Schaltungen stammen, welche von
der Schaltung 32 überwacht
werden.
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Beim
Herstellen einer telefonischen Kommunikation in einem Schritt 41 führt die
Schaltung 32 eine Initialisierung, d.h. eine Rückstellung
auf Null, der in dem Filter 14 eingesetzten Filterkoeffizienten durch,
um ein akustisches Modell des Ortes, an dem sich die dargestellte
Sprechstelle befindet, zu erstellen. Die Schaltung 32 steuert
außerdem
die Zwischenschaltung einer Dämpfung,
vorliegend auf den beiden Pfaden 1 und 2, mit
Hilfe von Dämpfungsgliedern 16 und 26.
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Die
Dämpfung
an mindestens einer Stelle der von den Pfaden 1 und 2,
der Schaltung 20, und den Wänden des Raumes gebildeten
akustischen Schleife verhindert somit eine Rückkopplung. Des weiteren verhindert
die Dämpfung
des Sendepfades 1 eine übermäßig starke
Rückleitung
eines akustischen Echos zu der Leitung 10.
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In
einem Schritt 42 steuert die Schaltung 32 nach
einer bestimmten Anpassungsdauer oder schon vorher, ab dem Erfassen
des Nichtvorliegens eines Anpassungsfehlers, das Filter 14 an,
um die Koeffizienten festzulegen, d.h. das akustische Modell des
Raumes festzulegen, wie weiter unten erläutert wird. Sie steuert auch
die Initialisierung oder Reinitialisierung der Koeffizienten des
Leitungsfilters 24 und die Aktivierung ihrer Anpassung,
um ein Modell der Leitung 10 und der Hybridschaltung 20 zu
erstellen.
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Daraufhin
wird zu einem Schritt 43 übergegangen, in dem die Schaltung 32 eine Überwachung eines
Anpassungsfehlers des Leitungsfilters 24 durchführt.
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Bekanntlich
speichert ein Echounterdrückungsfilter
vorübergehend
das Signal, welches das Echo erzeugt, um es anschließend von
dem Signal des anderen, von diesem Echo betroffenen Pfades zu subtrahieren.
Die Anpassung besteht darin, jede Frequenzkomponente des Signals,
welches das Echo erzeugt, auf geeignete Weise zu verzögern und zu
gewichten, um es vom Echosignal zu subtrahieren.
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Im
Falle einer fehlerhaften Anpassung der Filterkoeffizienten, welche
die Anpassung bestimmen, erfaßt
das Filter, daß ein
Filterrest oder Restecho verbleibt, das eine Korrelation mit dem
das Echo erzeugenden Signal besitzt, und veranlaßt eine Evolution seiner Koeffizienten,
um zu versuchen, dieses Echo auszulöschen, indem es sein Modell
auf das reale Modell des Raumes hin konvergiert. Der Filterrest
stellt somit einen Anpassungsfehler dar, der an die Schaltung 32 übertragen
wird.
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Hinsichtlich
weiterer Einzelheiten bezüglich der
Filter 14, 15, 24 wird auf die Schriften
US-A-5 099 472, WO 89/05068, JP 5-14476 und JP 5-48707 verwiesen,
auf die hiermit vollinhaltlich Bezug genommen wird.
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Die
Schaltung 32 überwacht
vorliegend in einem Schritt 43 die Amplitude des oben erwähnten, von
dem Leitungsfilter 24 stammenden Fehlers und kehrt, falls
dieser einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt, zum Schritt 42 zurück, und
reinitialisiert somit das Leitungsfilter 24, um eine mögliche Divergenz
zu vermeiden, die eine darauffolgende Anpassung oder Konvergenz
verzögern
oder gar behindern würde.
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Ebenso
wird eine übermäßig langsame
Konvergenz erfaßt,
d.h. die Rückkehr
zum Schritt 42 wird auch vorgenommen, falls ein vorgegebener
Schwellwert einer Nichtanpassungsdauer überschritten wird. Ein Anpassungsfehler
entspricht somit dem Überschreiten
eines Schwellwertes der Amplitude des Anpassungsfehlersignals oder
dem Überschreiten
eines Schwellwertes der Zeitdauer, während der das Anpassungsfehlersignal
einen vorgegebenen Wert übersteigt.
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In
allen Schritten bewirkt die Schaltung 31 die Erfassung
eines Larsen-Effektes, und die Schaltung 32 steuert dann
das Filter 15 an, das daraufhin das Frequenzspektrum des
durchlaufenden Signals leicht verschiebt, und verringert somit unverzüglich die
Schleifenverstärkung
für die
Rückkopplungsfrequenz.
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Wenn
keine Rückkehr
zum Schritt 42 stattfindet, erfaßt die Schaltung 31 in
einem Schritt 44, ob eine Energie auf einem einzigen Pfad 1 bzw. 2 vorhanden
ist, und meldet dies an die Schaltung 32, welche das Dämpfungsglied 16 oder 26 des
anderen Pfades 2 bzw. 1 deaktiviert. Falls Energie
auf beiden Pfaden 1 und 2 vorhanden ist, deaktiviert
die Schaltung 32 das Dämpfungsglied 16 oder 26 desjenigen der
Pfade 1 und 2, der das Signal mit der schwächeren Energie
trägt.
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In
einem Schritt 45 wird die Anpassung des Leitungsmodells
in dem Filter 24 vorgenommen, falls die Schaltung 31 ein
Energiesignal des Sendepfades 1 erfaßt. Des weiteren wird ein Vergleich
der Energien der beiden Pfade 1 und 2 vorgenommen,
damit die Schaltung 32 die Dämpfung auf denjenigen Pfad umschaltet,
der das Signale mit der schwächeren
Energie trägt.
Es findet somit ein pseudo-wechselweiser Betrieb statt, wobei auf
dem "unterbrochenen" Pfad eine Übertragung
auf einem schwachen Pegel beibehalten wird.
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In
einem nächsten
Schritt 46 wird die Anpassung des Leitungsmodells in dem
Filter 24 vorgenommen, um ein zufriedenstellendes Niveau
der Aufhebung eines Leitungsechos zu erzielen. Falls der Empfangspfad 2 ein
von einem entfernten Gesprächspartner
stammendes Sprachsignal empfängt und
das Echo des Raumes auf dem Sendepfad 1 das Signal des
Anwenders der Sprechstelle überwiegt, weist
die Schaltung 32 eine Anpassung des Modells des Raumes
in dem Filter 14 an.
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In
einem nächsten
Schritt 47, der homolog zu dem Schritt 43 ist,
wird erfaßt,
ob die Konvergenzzeit des Filters 14 oder die Amplitude
des Anpassungsfehlersignals einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt,
und nach dem Reinitialisieren der Koeffizienten des Filters 14 findet
eine Rückkehr
zu dem Schritt 46 statt.
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Falls
auf keinem von Sende- und Empfangspfad 1 und 2 ein
Anpassungsfehler vorliegt, erfolgt der Schritt 48, in dem
die Schaltung 32 diejenige der Dämpfungsschaltungen 16, 26 deaktiviert,
die aktiv war, und stellt dadurch einen echten Vollduplexzustand
ohne Dämpfung
her.
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Es
wird angemerkt, daß der
Ausdruck "ohne Dämpfung" eine Übertragung
bezeichnet, die im wesentlichen mit demjenigen Amplitudenbereich übereinstimmt,
der für
die Übertragung
des Tonsignale über
das Telefonnetz vorgesehen ist und das Liefern oder Wiedergeben
eines Tonsignals mit einer ausreichenden Amplitude ermöglicht,
ohne wiederum die Gefahr einer Sättigung
der Schaltungen des Telefonnetzes oder des Sende- und Empfangspfades
der Sprechstelle zu beinhalten.
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Um
die erwähnten
Pfade innerhalb eines solchen Bereichs zu regeln, kann es erforderlich
sein, eine ständige
Dämpfung
vorzunehmen, was jedoch mit der variablen Dämpfung der vorliegenden Erfindung
in keinerlei Zusammenhang steht.
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Im
Schritt 48 wird die Anpassung der Modelle der Filter 14 und 24 vorgenommen.
Im Falle des Auftretens eines Anpassungsfehlers des Modells (14) des
Raumes, der einen vorgegebenen niedrigen Schwellwert übersteigt,
welcher vorliegend niedriger als der (hohe) Schwellwert vom Schritt 47 ist,
wendet die Schaltung 32 (Schritt 49) eine begrenzte
Dämpfung
(16) auf den Sendepfad 1 an.
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Mit
anderen Worten, und allgemein ausgedrückt, es aktiviert die Schaltung 32 das
Dämpfungsglied 16,
wenn der Fehler den niedrigen Schwellwert übersteigt, und weist eine Erhöhung der
Dämpfung an,
wenn der hohe Schwellwert überstiegen
wird. Eine Rückkehr
zum Schritt 48 findet statt, wenn der niedrige Schwellwert
vom Schritt 49 unterschritten wird.
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Im
Falle der Überschreitung
des vorgegebenen hohen Schwellwertes des Anpassungsfehlers von Filter 14 findet
eine Rückkehr
zum Schritt 46 statt, d.h. die Schaltung 32 aktiviert
eines der Dämpfungsglieder 16, 26,
und zwar vorliegend das Dämpfungsglied 16 des
Sendepfades 1, um wieder in den Zwischenbetrieb zwischen
Vollduplex und wechselweisem Betrieb überzugehen. Hierbei wird der
Schritt 47 der Reinitialisierung der Koeffizienten des
Filters 14 durchlaufen.
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Es
kann auch vorgesehen sein, die beiden Dämpfungsglieder 16, 26 wie
im Schritt 41 zu aktivieren.
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Anders
ausgedrückt,
in den Schritten 41 bis 48 deaktiviert die Schaltung 32 vorliegend
im Falle eines den Schwellwert übersteigenden
Fehlers die Filter 14, 24 der beiden Pfade 1 und 2 aufeinanderfolgend
einen nach dem anderen bis zum Verschwinden eines jeglichen, den
Schwellwert übersteigenden Fehlers.
Dies ermöglicht
es, jedes Filter 14, 24 mit größerer Genauigkeit zu regeln
und dabei eine Evolution des anderen Filters 24, 14 zu
vermeiden. Insbesondere wird das Filter 14 des Sendepfades 1 vor dem
Filter 24 des Empfangspfades 2 deaktiviert (Schritt 42).