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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG Technisches Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich im allgemeinen auf das Gebiet der zellularen Telefonie, und
insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Unterdrücken der
Wirkungen von Rauschen in digitalen mobilen Kommunikationssystemen.
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Beschreibung
zum Stand der Technik
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Das sogenannte „Bumblebee"-Geräusch, welches
im Zusammenhang steht mit bestimmten Mobiltelefonen, ist ein Rauschen,
welches durch die Schaltungsnatur der Time Division Multiple Access (TDMA)
zellularen Telefonie erzeugt wird. Beispielsweise werden in dem
Global System for Mobile Communications (GSM) die TDMA-Funkverbindungen ein-
und ausgeschaltet, bei einer Rate von ungefähr 217 Hz. Signale bei dieser
Basisfrequenz und dessen harmonische Frequenzen werden in das analoge
Mikrofonsignal in dem Mobiltelefon eingekoppelt, welches das störende Bumblebee-Geräusch in
dem Sprachsignal auf dem Uplink (Aufwärtsverbindung) erzeugt.
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Bei bestehenden Funktelefon- oder
zellularen Systemen wird dieses Bumblebee-Geräusch unterdrückt, unter
Verwendung verschiedener analoger Rauschunterdrückungstechniken. Beispielsweise kann
das Bumblebee-Rauschen unterdrückt
werden durch elektrische Entkopplung bestimmter Funkverbindungen
oder durch Verwendung bestimmter Mikrofone, die derart entwickelt
sind, dass sie das Rauschen minimieren. Auch könnten bestimmte digitale Techniken
(beispielsweise ein digitaler Rauschlöscher (digital noise canceller))
verwendet werden, um Bumblebee-Rauschen
zu unterdrücken.
Jedoch würden
derzeit diese herkömmlichen
Vorrichtungen und Annäherungen
nur minimal gut funktionieren, weil sie das Rauschen abschätzen, ohne
Gebrauch zu machen von einer vorherigen Kenntnis von den Verbreitungsfrequenzen.
Ebenfalls sind die oben beschriebenen herkömmlichen Annäherungen
und Vorrichtungen zum Unterdrücken
von Bumblebee-Rauschen zeitaufwendig, benötigen teure Komponenten, und
sie sind außergewöhnlich schwierig
zu implementieren. Diese Annäherungen
und Vorrichtungen können
ebenfalls die Verwendung von nicht optimalen Systemeinstellungen
benötigen,
wie zum Beispiel eine Kompensation von Offsets im Mikrofongewinn.
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Zu den Dokumenten, die den Stand
der Technik betreffen, gehört
Hikawa, et al., Interference Cancellation with Interpolated FFT,
IEICE Transaction of Fundamentals of Electronics, Communications
and Computer Sciences, Vol. E79-A, No. 3, 1. März 1996, Seiten 395–401 (XP000594740)
und die internationale Patentanmeldung WO 96 24128 A von Handel,
et al.
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Eine Analyse von einer Fourier-Entwicklung von
einem störenden
periodischen Signal, welches Bumblebee-Rauschen erzeugt, stellt
dar, dass die Frequenzkomponenten von diesem Signal bei der Rate
von 1/Frequenz abklingen, welches eine relativ langsame Rate ist.
Somit ist es ineffektiv, nur die ersten Frequenzkomponenten von
dem störenden
Signal herauszufiltern, weil es ungefähr 15 Frequenzkomponenten gibt,
welche in dem Frequenzband unterhalb 4 kHz unterdrückt werden
müssen.
Wenn daher ein herkömmlicher
Kammfilterentwurf betrachtet wird zur Bumblebee-Rauschunterdrückung, würde die
Rechnungskomplexität
bei einem Verwenden von 15 Kammfiltern als eine wesentliche Abschreckung dienen.
Jedoch, wie im folgenden detailliert beschrieben, löst die Erfindung
erfolgreich diese und andere auf Rauschunterdrückung bezogene Probleme.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß eines ersten Aspektes von
der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zur
Unterdrückung
von Rauschen, welches einen bekannten Zeitabschnitt (period) hat,
in einem mobilen Funktelefon, mit den Schritten:
Empfangen
von einer Mehrzahl an Signalabtastungen von einem Mikrofon;
Ausführen einer
M-Punkt Fast Fourier Transformation bei einer gegebenen Abtastrate
auf der Mehrzahl an Signalabtastungen;
Bestimmen einer Mehrzahl
an Frequenzstellen, im Zusammenhang mit der Fast Fourier Transformation, an
denen das Rauschen auftritt, wobei der Schritt des Bestimmens enthält:
Teilen
von M durch die gegebene Abtastrate, um ein Ergebnis P zu erbringen;
und
Teilen des Ergebnisses P durch den Zeitabschnitt des Rauschens;
und
Unterdrücken
des Rauschens an einer oder mehreren von der Mehrzahl an Frequenzstellen.
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Gemäß eines zweiten Aspektes der
vorliegenden Erfindung ist ein Mobiltelefon bereitgestellt, welches
enthält:
einen
Umwandler zum Umwandeln einer Mehrzahl an analogen Signalen von
einem Mikrofon, in einen Satz von digitalisierten Signalabtastungen;
einen
digitalen Prozessor, welcher mit dem Umwandler verbunden ist, wobei
der digitale Prozessor betriebsfähig
ist zum:
Auszuführen
einer M-Punkt Fast Fourier Transformation bei einer gegebenen Abtastrate
auf der Mehrzahl an digitalisierten Signalabtastungen;
Bestimmen
einer Mehrzahl an Frequenzstellen, im Zusammenhang mit der Fast
Fourier Transformation, an denen Rauschen mit einem bekannten Zeitabschnitt
auftritt, wobei die Bestimmung enthält:
Teilen von M durch
die gegebene Abtastrate, um ein Ergebnis P zu erbringen; und
Teilen
des Ergebnisses P durch den Zeitabschnitt des Rauschens; und
Unterdrücken des
Rauschens an einer oder mehreren der Mehrzahl an Frequenzstellen.
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Gemäß eines dritten Aspektes der
vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zur Unterdrückung von
Schaltrauschen, welches mit Time Division Multiple Access (TDMA)
zellularer Telefonie im Zusammenhang steht, wobei das Verfahren
die Schritte enthält:
Empfangen
einer Mehrzahl an Signalabtastungen;
Ausführen einer Fast Fourier Transformation
(FFT) auf der Mehrzahl an Signalabtastungen, um eine Mehrzahl an
Frequenzabtastungen zu erzeugen;
Messen von Schaltrauschen
bei einer vorbestimmten Teilmenge von der Mehrzahl an Frequenzabtastungen,
wobei die vorbestimmte Teilmenge von der Mehrzahl an Frequenzabtastungen
auf einer Schaltrate von der TDMA zellularen Telefonie basiert;
und
Subtrahieren des gemessenen Schaltrauschens an der vorbestimmten
Teilmenge der Mehrzahl an Frequenzabtastungen von der Mehrzahl an
Frequenzabtastungen, um das Schaltrauschen zu unterdrücken.
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Gemäß eines vierten Aspektes von
der vorliegenden Erfindung wird ein System bereitgestellt zur Unterdrückung von
Schaltrauschen, welches im Zusammenhang steht mit Time Division
Multiple Access (TDMA) Funktelefonie, wobei das System enthält: einen
Umwandler zum Umwandeln einer Mehrzahl an analogen Signalen in einen
Satz von digitalisierten Signalabtastungen;
einen digitalen
Prozessor, welcher mit dem Umwandler verbunden ist, wobei der digitale
Prozessor betriebsfähig
ist zum:
Auszuführen
einer Fast Fourier Transformation (FFT) auf dem Satz von digitalisierten
Signalabtastungen, um eine Mehrzahl an Frequenzabtastungen zu erzeugen;
Messen
eines Schaltrauschens an einer vorbestimmten Teilmenge der Mehrzahl
an Frequenzabtastungen, wobei die vorbestimmte Teilmenge der Mehrzahl
an Frequenzabtastungen auf einer Schaltrate basiert, welche mit
der TDMA-Funktelefonie im Zusammenhang steht; und
Subtrahieren
des gemessenen Schaltrauschens bei der vorbestimmten Teilmenge der
Mehrzahl an Frequenzabtastungen von der Mehrzahl an Frequenzabtastungen,
um das Schaltrauschen zu unterdrücken.
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Ein wichtiger technischer Vorteil
von der vorliegenden Erfindung ist, dass Bumblebee-Rauschen in mobilen
Kommunikationssystemen unterdrückt werden
kann, mit dem Aufwand von nur einer leichten Erhöhung eines Stromverbrauches
in einem digitalen Signalprozessor (DSP), aber bei keinen zusätzlichen
Kosten für
Komponenten, usw.
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Ein anderer wichtiger technischer
Vorteil von der vorliegenden Erfindung ist, dass sie eine Annäherung bereitstellt
zum Unterdrücken
von Bumblebee-Rauschen in mobilen Kommunikationssystemen, welche
herkömmliche
Annäherungen
oder verwendete Vorrichtungen ergänzt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Ein besseres Verständnis des
Verfahrens und der Vorrichtung von der vorliegenden Erfindung kann
erhalten werden durch Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung,
wenn sie in Zusammenhang genommen wird mit den begleitenden Zeichnungen,
in denen:
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1 ein
Blockdiagramm eines beispielhaften mobilen Funktelefons ist, welches
verwendet werden kann, um eine bevorzugte Ausführungsform von der vorliegenden
Erfindung zu implementieren;
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2 ein
beispielhafter Kurvenverlauf von einem Rauschsignal in der Frequenzebene
ist, welches mit einer periodischen Störung bei bekannten Frequenzen
infiziert ist; und
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3 ein
Ablaufdiagramm von einem beispielhaften Algorithmus oder Verfahren
ist, welches verwendet werden kann, um die bevorzugte Ausführungsform
von der vorliegenden Erfindung zu implementieren.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die bevorzugte Ausführungsform
von der Beschreibung und dessen Vorteile werden am besten verstanden
durch Bezugnahme auf 1 bis 3 von den Zeichnungen, es
werden gleiche Bezugszeichen für
gleiche und entsprechende Teile der unterschiedlichen Zeichnungen
verwendet.
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Im wesentlichen werden gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
von der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Unterdrücken
von Bumblebee-Rauschen in einem zellularen System bereitgestellt,
wobei ein digitaler Prozessor, welcher im Zusammenhang steht mit
einem Sprachkoder in einem Mobiltelefon, den eingehenden Strom von
Sprachabtastungen empfängt
und eine FFT auf den eingehenden Abtaststrom ausführt. Eine
vorbekannte Technik darüber,
wo in dem Frequenzspektrum das Bumblebee-Rauschen auftritt, wird
vorteilhafter Weise verwendet, um zu bestimmen, in genau welchen
Frequenzabtastungen in der FFT sich das Bumblebee-Rauschen verstärkt hat. Das
Rauschen an diesen Frequenzen wird dann unterdrückt, beispielsweise durch Interpolation
zwischen zwei benachbarten Frequenzabtastungen, um das Rauschen
in den Abtastungen dazwischen zu unterdrücken.
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Im speziellen ist 1 ein Blockdiagramm eines beispielhaften
Mobilfunktelefons 10, welches verwendet werden kann, um
eine bevorzugte Ausführungsform
von der vorliegenden Erfindung zu implementieren. Bei dieser beispielhaften
Ausführungsform
ist das in 1 gezeigte
Funktelefon 10 vorzugsweise ein Mobiltelefon (beispielsweise
eine Mobilstation, ein Mobilterminal, usw.), welches in einem digitalen
TDMA zellularen Kommunikationssystem verwendet wird, wie beispielsweise
das GSM in Europa, das Personal Digital Cellular (PDC) System in Japan
oder das Digital-Advanced Mobile Phone System (D-AMPS) in Nordamerika.
Jedoch dient die vorliegende Erfindung nicht dazu, um auf irgendein
bestimmtes System beschränkt
zu werden, sondern sie kann in jeglicher Art von Kommunikationssystem
angewendet werden, wo eine Unterdrückung von Bumblebee-Rauschen
oder ähnlicher
Arten von Rauschen zur Aufgabe steht.
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Wie gezeigt, enthält das Mobiltelefon 10 einen Übertragerteil
und einen Empfangsteil. Bei dieser Ausführungsform wird die vorliegende
Erfindung vorzugsweise in den Übertragerteil
von dem Mobiltelefon implementiert. Daher ist die folgende Beschreibung
auf den Übertragerteil
des Telefons gerichtet. Ein analoges Sprachsignal von dem Mikrofon 12 wird durch
einen Analog/Digital (A/D)-Umwandler 14 digitalisiert. Eine Segmentierungseinheit 16 teilt
das digitalisierte Sprachsignal in 20 ms Segmente, welche an den
Sprachkoder 17 gekoppelt werden. Eine Aufgabe des Sprachkoders 17 besteht
im Reduzieren der Bitrate von den digitalisierten Sprachsignalen,
damit die resultierenden Sprachkanäle in der Lage sind, innerhalb
des erlaubten Frequenzbandes zu bleiben. Die gezeigten Bitraten
gelten pro physikalischen Kanal.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform
steht ein digitaler Signalprozessor (DSP) oder eine ähnliche
Art eines digitalen Prozessors 18 mit dem Sprachkoder 17 im
Zusammenhang, um den eingehenden Strom an Sprachabtastungen (beispielsweise
abgetastet durch den Koder bei 8 kHz) zu empfangen. Der Prozessor 18 führt eine
FFT auf den eingehenden Abtaststrom aus. Ein beispielhafter Algorithmus,
welcher verwendet werden kann, um eine solche FFT auszuführen, wird
im folgenden detaillierter beschrieben. Bei dieser Ausführungsform
wird eine FFT-Blocklänge
von beispielsweise N = 256 angenommen. Bei dieser bestimmten Blocklänge (N)
liegt der Abstand oder die Distanz zwischen Sprachabtastungen in
der Frequenzdomäne
bei ungefähr
30 Hz. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein vorbekanntes Wissen darüber, wo in dem Frequenzspektrum
das Bumblebee-Rauschen auftritt, auf vorteilhafte Weise verwendet,
um zu bestimmen, in gerade welchen Frequenzabtastungen in der FFT
sich das Bumblebee-Rauschen verstärkt hat. Beispielsweise ist
das Bumblebee-Rauschen verstärkt
an Frequenzvielfachen von 217 Hz = 1/4,615 ms (die Zugriffrate im
GSM). Das Rauschen an diesen Frequenzen wird dann unterdrückt (beispielsweise
durch Interpolation zwischen zwei benachbarten Frequenzabtastungen, um
das Rauschen in den Abtastungen dazwischen zu unterdrücken). Ein
beispielhafter Algorithmus, welcher verwendet werden kann zur Unterdrückung des
Bumblebee-Rauschens bei diesen Frequenzen, wird im folgenden beschrieben.
Der Prozessor 18 kann dann eine inverse FFT (IFFT) ausführen, um
die rauschunterdrückten
Sprachsignale zurück
in den Zeitbereich zu transformieren. Die Sprachsignale werden dann
kanalkodiert (19), verschachtelt, enkodiert und Burst-Formatiert
(20), moduliert (22) und von dem Telefon 10 über den
Uplink-Kanal (die Uplink-Kanäle) übertragen.
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Genauer gesagt sind dann, wenn der
Prozessor 18 beispielsweise eine 256-Punkt-FFT verwendet,
256 Frequenzkomponenten, welche von dem periodisch störenden Rauschsignal
betroffen sind, bekannt. 2 ist
ein beispielhafter Kurvenverlauf von einem Rauschsignal in dem Frequenzbereich,
welcher das Rauschsignal zeigt, welches „infiziert" ist mit einer
periodischen Störung
bei bekannten Frequenzen. Es ist jedoch zu beachten, dass der Kurvenverlauf
in 2 nur aus Darstellungsgründen bereitgestellt
wird und nicht auf tatsächlichen
Daten basiert. Das gezeigte Signal enthält ein typisches Rauschsignal
und eine periodische Störung.
Zur Vereinfachung sind nur die Punkte 1– 127 in 2 gezeigt, weil die Punkte 128–256 nicht
mehr als ein Spiegelbild von den Punkten 1–127 sind. Somit ist bei einer
beispielhaften Abtastrate von 8 kHz der Frequenzabstand zwischen
den Punkten in der FFT (wie in 2 gezeigt)
8000/256 = 31,25 Hz.
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Die oben beschriebenen Bedingungen
vorausgesetzt, ist es bekannt, dass die Störfrequenzen in den FFT-Frequenzeinheiten
(frequency bins) n*217/31,25 auftreten werden, wobei n = 1, 2, 3, ...usw.
ist. Daher sind, wie in 2 dargestellt,
die FFT-Frequenzeinheiten
in diesem Beispiel bei 7, 14, 21, ..., usw. Ebenfalls werden, wie
in 2 dargestellt, gemäß der Fourier-Entwicklung
von dem periodischen Signal, die Leistung von der Harmonischen bei
einer bestimmten Rate abklingen.
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3 ist
ein Flußdiagramm
von einem beispielhaften Algorithmus oder Verfahren 100,
welches verwendet werden kann, um die bevorzugte Ausführungsform
von der vorliegenden Erfindung zu implementieren. Zunächst wird
angenommen, dass „X(n)" eine
FFT von einem Eingangssprachsignal zu dem DSP oder digitalen Prozessor 18 darstellt,
und „N(n)" eine
Rauschabschätzung
darstellt. An Schritt 102 des in 3 gezeigten
Verfahrens bestimmt der Prozessor 18, ob der Abtastungsrahmen
nur Rauschen enthält
(d. h. kein Sprachsignal). Ein Grund für diese Bedingung liegt darin,
dass die verbal formulierte Sprache (vowels) Frequenzkomponenten
enthält, welche
unsauber als Bumblebee-Rauschen interpretiert werden können. Ein
herkömmlicher
Sprachkoder kann verwendet werden zur Bereitstellung eines Stimmen-
oder Sprachdetektionsalgorithmus, um sicherzustellen, dass nur Rauschen
vorliegt, wenn die FFT durchgeführt
wird.
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Wenn an Schritt 102 der eingehende
Abtastungsrahmen ein Sprachsignal enthält, wird der Prozessor 18 nicht
die Rauschabschätzung
gemäß der darauffolgenden
Schritte aktualisieren. Andererseits wird der Prozessor 18 an
Schritt 104 die folgenden Ausdrücke
anlegen, Xneu(n) = (X(n – 1) + X(n + 1))/2 und N(n)
= X(n) – Xneu(n), für
die zuvor beschriebenen Frequenzkomponenten (bei denen beispielsweise
n = 7, 14, 21, ..., usw. ist). Mit anderen Worten, für diese
spektrale Komponente aus zwei angrenzenden Frequenzeinheiten (beispielsweise
Xneu(7) = (X(8) + X(6))/2). An Schritt 106
schätzt
der Prozessor 18 das Rauschen N(n) als N(7) = X(7) – Xneu(7) ab, und wiederholt diese Abschätzung für die beteiligten Rauschfrequenzen
(beispielsweise n = ... 14, 21, ..., usw.). Zurückkehrend zu Schritt 102 wird,
wenn Sprache in einem zu verarbeitenden Rahmen enthalten ist, der
Prozessor 18 an Schritt 108 die vorhergehende Rauschabschätzung von
diesem Sprachrahmen subtrahieren (beispielsweise Xneu(n)
= X(n) – N(n),
für n =
7, 14, 21, ..., usw.). Soweit stellen gemäß der vorliegenden Erfindung
die diskreten Werte für
X(n), welche durch das oben beschriebene Verfahren bereitgestellt
werden, die Frequenzstellen dar, an denen das Bumblebee-Rauschen
sein kann, und es wird effektiv unterdrückt (Schritt 110).
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Obwohl eine bevorzugte Ausführungsform von
dem Verfahren und der Vorrichtung von der vorliegenden Erfindung
in den begleitenden Zeichnungen dargestellt wurde, und in der vorhergehenden detaillierten
Beschreibung beschrieben wurde, wird es verständlich sein, dass die Erfindung
nicht auf die offenbarte Ausführungsform
beschränkt
ist, sondern für
zahlreiche Umgruppierungen, Modifikationen und Substitutionen geeignet
ist, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie fortgeführt und
bestimmt durch die folgenden Ansprüche.