FI106489B - Kaikusalpa ja kaiunpoistajan epälineaarinen prosessori - Google Patents

Description

106489

Kaikusalpa ja kaiunpoistajan epälineaarinen prosessori

Keksinnön kohteena on kaikusalpa ja kaiunpoista-jan epälineaarinen prosessori 4-johdintiedonsiirtoverk-* 5 koa varten.

Kaksisuuntaisissa tiedonsiirtoverkoissa, kuten puhelinverkoissa, päästä-päähän -yhteyksillä esiintyy kaikua, joka johtuu puhujan oman äänen heijastumisesta tietyistä tiedonsiirtoverkon elementeistä. Kaiku on häi-10 ritsevä, mikäli päästä-päähän yhteydellä esiintyy viivettä. Viive syntyy yleensä kulkuaikaviiveestä tai digitaalisesta signaalinkäsittelystä.

Kaiun syntymisessä vaikuttaa pääasiassa kaksi seikkaa: akustinen kaiku puhelimen kuulokkeen ja mikro-15 fonin välillä sekä sähköinen kaiku, joka syntyy yhteyden lähetys- ja vastaanottosuuntien siirtojärjestelmissä.

Suurimpia sähköisen kaiun aiheuttajia ovat hy-bridipiirit (2-johdin-4-johdinmuuntajat), jotka sijaitsevat kiinteän verkon päätekeskuksissa tai etäistilaaja-20 portaissa. Kiinteän verkon tilaajajohtimet ovat yleensä 2-johtimisia kustannussyistä. Keskusten väliset yhteydet taas ovat 4-johtimisia.

Tässä yhteydessä määritellään siirtoyhteyden pää, johon puhujan oma ääni palautuu kaikuna takaisin, •m 25 kaukopääksi (far end) ja siirtoyhteyden pää, josta kaiku heijastuu takaisin, lähipääksi (near end).

Palautuneen kaiun aiheuttamia ongelmia pyritään yleensä poistamaan kaiunpoistajalla tai kaikusalvalla. Kaiunpoistaja (echo canceller) on signaalia, kuten puhe-30 signaalia, käsittelevä laite, joka pyrkii arvioimaan * kaiun estimaatin ja pienentämään kaikua vähentämällä kaikuestimaatti kaikutieltä (lähipäästä) palaavasta signaalista. Yleensä kaikuestimaatin arvioinnissa pyritään mallintamaan kaikutien impulssivaste ns. adaptiivisen 35 suotimen avulla. Lisäksi kaiunpoistajissa käytetään i 2 106489 usein ns. epälineaarista prosessoria (NLP) poistamaan adaptiivisen suodatuksen tuloksena syntynyt jäännöskai-ku.

Kaikusalpa (echo suppressor) puolestaan perustuu 5 kaikutielle lähtevän ja sieltä palaavan signaalin teho-tasojen vertaamiseen. Mikäli kaikutieltä palaavan signaalin teho tiettyä suhdetta pienempi verrattuna kaiku-tielle lähteneen signaalin tehoon, katkaistaan kaiku-tieltä palaava siirtoyhteys, jolloin kaiku ei pääse lä-10 pi. Muussa tapauksessa tilanne tulkitaan joko lähipään puheeksi tai kaksoispuheeksi (samanaikainen lähi- ja kaukopään puhe), jolloin yhteyttä ei tietenkään voida katkaista. Kaiunpoistajien jäännöskaiun eliminoinnin yhteydessä käytetty epälineaarinen prosessori (NLP) tai 15 center clipper on myös eräänlainen kaikusalpa.

Nykyään kaiun eliminointiin käytetään pääasiassa kaiunpoistajia, koska kaikusalvat aiheuttavat seuraavia ongelmia. Koska lähi- ja kaukopään signaalien tehotaso-jen vertailusuhde täytyy valita pahimman kaikutilanteen 20 mukaisesti (yleensä -6 dB), ei pienitasoinen lähipään puhe pääse kaikusalvan läpi kaksoispuheen aikana. Ja vaikka lähi- ja kaukopään keskimääräiset puhetasot olisivat yhtä suuret, leikkautuu lähipään puhe hetkittäin kaksoispuheen aikana riippuen signaalitasojen keskinäi-j< 25 sestä suhteesta. Toinen ongelma on kaiku kaksoispuheen aikana. Kaksoispuheen aikana lähipään puhe pääsee kaiku-salvan läpi samoin kuin kaukopään puheen kaiku summautuneena lähipään puheeseen. Kaksoispuheen kaikua voidaan pienentää vaimentamalla kaikusalvassa kaksoispuheen ai-30 kana lähipään ja mahdollisesti myös kaukopään signaalia.

) Vaimennus ei kuitenkaan voi olla kovin suuri, koska se aiheuttaa häiritsevää "pumppausta" puheen voimakkuudessa .

Vaikka kaiunpoistajat ovat teknisesti parempia 35 kuin kaikusalvat, on tiettyjä tilanteita, joissa kaiku- « 106489 3 salvan käyttö on perusteltua. Kaiunpoistajan adaptiivinen suodin vaatii käytännössä digitaalista toteutusta, " jolloin puhtaasti analogisessa tiedonsiirtojärjestelmäs sä, erityisesti päätelaitteissa, digitaalinen toteutus 5 saattaa olla liian kallista. Jopa digitaalisissa tiedonsiirtojärjestelmissä adaptiivisen suotimen toteuttaminen vaatii joko erityisen ASIC-piirin tai signaaliprosessorin, joiden hinnat ja virrankulutukset voivat olla liian suuria esim. kannettavissa päätelaitteissa.

10 Tiedonsiirtoverkkoon, ei siis päätelaitteeseen, sijoitettu kaikusalpa on perusteltua, mikäli kaiunpoistajan adaptiivinen suodin ei toimi riittävän tehokkaasti. Adaptiivinen suodin poistaa huonosti kaikua, jos kaikutie on epälineaarinen, ts. jos palaavan kaiun sig-15 naalisärösuhde on huono. Epälineaarisuutta aiheuttaa esim. alhaisen siirtonopeuden puhekoodaus. Puhekoodausta voidaan käyttää sekä kiinteillä että langattomilla siirtoyhteyksillä .

Keksinnön päämääränä on kaikusalvan kaksoispuhe-20 dynamiikan parantaminen.

Keksinnön kohteena on kaikusalpa akustisen kaiun eliminoimiseksi, joka kaikusalpa käsittää välineet kaukopään ja lähipään signaalien ominaisuuksien, kuten signaalitehojen, määrittämiseksi, 25 välineet, jotka kaukopään ja lähipään signaali- tehojen mukaan sallivat tai estävät lähipään signaalin lähettämisen kaukopäähän. Kaikusalvalle on tunnusomaista, että kaikusalpa lisäksi käsittää välineet kaukopään signaalin spektrin käsittele-30 miseksi ennen signaalitehon määrittämistä tavalla, joka . ,♦« mallintaa akustisen kaiun siirtofunktion amplitudivas- teen vaikutusta.

Keksinnön kohteena on myös epälineaarinen prosessori adaptiivista kaiunpoistajaa varten, käsittäen 35 välineet kaukopään ja lähipään signaalien omi- 4 106489 naisuuksien, kuten tehojen, määrittämiseksi, välineet, jotka kaukopään ja lähipään signaali-tehojen mukaan aktivoivat tai deaktivoivat epälineaarisen prosessorin. Epälineaariselle prosessorille on tun-5 nusomaista, että se lisäksi käsittää välineet kaukopään signaalin spektrin käsittelemiseksi ennen signaalitehon määrittämistä tavalla, joka mallintaa akustisen kaiun siirtofunktion amplitudivas-teen vaikutusta jäännöskaiussa, ja että 10 mainittu lähipään signaaliteho on kaiunpoistajan jäännöskaiun teho.

Akustisen kaiun eräs ominaisuus on, että sen siirtofunktion amplitudivaste (kaikutielle lähtevän ja sieltä palaavan kaiun taajuusvaste-ero) on hyvin epäta-15 sainen Varsinkin päätelaitteen puhelinluurin ja mikrofonin välisen akustisen kytkeytymisen amplitudivaste taajuustasossa on erittäin epätasainen: tyypillisesti amp-litudivasteessa on piikki noin 1,5 - 3,0 kHz taajuusalueella. Tällöin kaikutien vaimennus ERL (echo return 20 loss) on voimakkaasti taajuuden funktio, ts. kaikutien vaimennus on huomattavasti pienempi piikin kohdalla kuin esimerkiksi pienemmillä taajuuksilla.

Keksinnössä tätä ominaisuutta käytetään hyväksi kaikusalvan ohjauksessa. Kuten aikaisemmin selitettiin, 25 kaikusalvan ohjaus perustuu lähipään ja kaukopäähän signaalien tiettyjen ominaisuuksien, kuten tehojen, vertailuun. Keksinnön mukaisesti kaukopään signaalin spektriä käsitellään ennen signaalitehon määrittämistä tavalla, joka mallintaa akustisen kaiun siirtofunktion amplitudi-30 vasteen vaikutusta. Spektrin käsittely voi tapahtua esi-merkiksi painotussuotimella, jonka amplitudivaste taajuustasossa on optimoitu olennaisesti akustisen kaiun siirtofunktion amplitudivasteen mukaiseksi. Toisin sanoen painotussuodin pyrkii mallintamaan kaikutien vai-35 mennusta ERL taajuuden funktiona. Jos lähipään signaali- • 106489 5 teho on pienempi kuin kaukopään taajuuspainotettu sig-naaliteho, tulkitaan lähipään signaali akustiseksi kaiuksi ja lähipäästä palaavaa signaalia ei päästetä kaikusalvan läpi. Jos lähipään signaaliteho on suurempi 5 kuin kaukopään taajuuspainotettu signaaliteho, tulkitaan lähipään signaali joko lähipään puheeksi tai kaksoispu-heeksi ja lähipään signaali päästetään kaikusalvan läpi.

Keksinnön avulla saavutetaan parannusta kaiku-salvan kaksoispuhedynamiikkaan (Double talk range) seulo raavan mekanismin kautta. Perinteisessä painottamatto-maan tehovertailuun perustuvassa kaikusalvassa kaksois-puheen aikana suurienergiset kaukopään puheen vokaali-äänteet leikkaavat suurella todennäköisyydellä lähipään puheen pienienergiset konsonantit ja osittain myös pie-15 nitasoiset vokaalit. Keksinnön mukainen painotussuoda-tus, joka on tyypillisesti ylipäästö- tai kaistanpäästö-tyyppinen, laskee kaukopään puheen suurienergisten vokaalien energiaa suhteessa pienienergisiin konsonanttei-hin. Tämä johtuu siitä, että vokaalien energia on pää-20 asiassa alle 1 kHz-.n taajuuksilla, kun taas konsonanttien energia on jakautunut melko tasaisesti koko puhetaajuuskaistalle. Painotussuodatetun kaukopään signaalin vokaaliäänteiden energia on siten pienempi kuin tunnetuissa kaikusalvoissa. Tällöin lähipään puheen vokaalit 25 eivät leikkaannu ja myös konsonanttien leikkautuminen on epätodennäköisempää kaksoispuheen aikana kuin tunnetuissa kaikusalvoissa. Ainoastaan kaukopään puheen suurienergiset konsonantit voivat leikata lähipään puheen pie-nienergisiä konsonantteja. Mutta koska konsonanttien pi-30 tuus on lyhyt vokaaleihin verrattuna, lähipään puheen ’·· konsonanttien mahdolliset leikkautumisajat ovat lyhyitä eivätkä juuri aiheuta havaittavaa huononnusta lähipään . puheeseen.

* Keksintöä selitetään seuraavassa ensisijaisten 35 suoritusmuotojen avulla viitaten oheisiin piirroksiin, joissa 106489 6 kuvio 1 havainnollistaa periaatteellisella tasolla keksinnön mukaisen kaikusalvan toimintaympäristöä, kuvio 2 esittää keksinnön mukaisen kaikusalvan periaatteellisen lohkokaavion, 5 kuvio 3 on vuokaavio, joka havainnollistaa kek sinnön mukaista kaikusalvan ohjausta, kuvio 4 esittää erään keksinnön mukaisen digitaalisen painotussuotimen, kuvio 5 esittää erään keksinnön mukaisen adap-10 tiivisen painotussuotimen, kuvio 6 on vuokaavio, joka havainnollistaa nopeaan Fourier-muunnokseen (FFT) perustuvaa adaptiivisen painotussuotimen ohjausta, kuviot 7 ja 8 esittävät kaistanjakoperiaattee-15 seen perustuvan painotussuotimen ja sen ohjausyksikön lohkokaaviot, kuvio 9 esittää kaiunpoistajan, jossa esillä olevaa keksintöä sovelletaan epälineaarisen prosessorin ohjaukseen, 20 kuvio 10 on vuokaavio, joka havainnollistaa kek sinnön mukaista epälineaarisen prosessorin ohjausta.

Esillä olevaa keksintöä voidaan soveltaa missä tahansa tietoliikennejärjestelmässä tai päätelaitteessa akustiselle kaiulle tarkoitetun kaikusalvan ohjaukseen. 25 Olennaista keksinnön mukaisen kaikusalvan asianmukaiselle toiminnalle on vain, että kaikutie on puhtaasti nelijohdinyhteys, jolloin lähipäästä heijastuva kaiku kytkeytyy ainoastaan akustisesti esim. päätelaitteen kuulokkeesta tai kaiuttimesta mikrofoniin. Täten kaikutiel-30 lä ei saa olla sähköistä kaikua aiheuttava 2-4-johdin-hybridiä. Tämä johtuu siitä, että 2-4-johdinhybridissä syntyvän sähköisen kaiun taajuusvaste on melko suora.

Kuviossa 1 on esitetty periaatteellisella tasolla keksinnön toimintaympäristö. Kaikusalvan sisääntuloista 35 ja ulostuloista käytetään seuraavia lyhenteitä. Kauko- 106489 7 päästä tulevan siirtosuunnan sisääntulo on Rin (Receive in) ja ulostulo on Rout (Receive out). Lähipäästä tulevan siirtosuunnan sisääntulo on Sin (Send in) ja ulostulo on Sout (Send out).

5 Kaukopään mikrofoni 6 muuntaa akustisen signaa lin, ts. kaukopään puheen, sähköiseksi signaaliksi, joka välitetään siirtoyhteyden T2 kautta kaikusalvalle 1. Siirtoyhteyden T2 tyyppi ei ole keksinnön kannalta oleellinen. Se voi esimerkiksi olla 2- ja/tai nelijoh-10 dinyhteys, siirtoteknologia voi olla analoginen ja/tai digitaalinen, ja siirtoyhteys voi fyysisesti olla kiinteä kaapeliyhteys ja/tai radiotie.

Kaukopäästä tuleva signaali vastaanotetaan kai-kusalvan sisääntuloon Rin ja lähetetään ulostulosta Rout 15 siirtotien Tl kautta eteenpäin lähipäähän. Lähipäässä on päätelaite tai muu yksikkö, jossa kaukopään signaali muutetaan akustiseksi puhesignaaliksi kaiuttimessa tai kuulokkeessa 4. Osa kaukopään puheesta kytkeytyy akustisesti kaiuttimesta tai puhelinluurin kuulokkeesta 4 lä-20 hipään päätelaitteen mikrofoniin 5 akustisena kaikuna. Lähipäästä tuleva signaali kulkee siirtoyhteyden Tl kautta kaikusalvan 1 sisääntuloon Sin. Kaikusalvan 1 ulostulosta Sout lähetetään siirtoyhteyden T2 kautta kaukopäähän signaali, joka on joko alkuperäinen lähipään 25 signaali tai mukavuuskohinaa, kuten alla tullaan tarkemmin selostamaan. Mikäli kaukopäähän lähetetään alkuperäinen lähipään signaali, se voi sisältää edellä kuvattua akustista kaukopään kaikua, jonka kaukopään tilaaja kuulee kuulokkeesta tai kaiuttimesta 7 häiritsevänä oman 30 puheen kaikuna. Siirtoyhteyksien Tl ja T2 yhteenlaskettu viive kahdella kerrottuna määrää sen ajan milloin kaukopään tilaajan puhe palaa kaikuna takaisin.

Keksinnön periaatteiden mukaisesti siirtoyhteys Tl lähipään päätelaitteen ja kaikusalvan välissä on aina 35 nelijohdinsiirtoyhteys. Fyysisesti siirtoyhteys Tl voi 106489 olla kiinteä kaapeli ja/tai radiotie. Siirtoteknologia voi olla analoginen ja/tai digitaalinen.

Kaikusalpa 1 voi olla sijoitettu lähipään päätelaitteeseen, jolloin siirtoyhteyden Tl viive on mitätön.

5 Siirtoyhteys Tl ei tällöin käsitä mitään todellista siirtoj ärj estelmää.

Mikäli kaikusalpa on sijoitettu erilleen päätelaitteessa verkkoinfrastruktuuriin, Tl sisältää todellisen siirtojärjestelmän ja Tl:n viive saattaa olla huo-10 mättävä. Päätelaite voi olla esim. digitaalisen matkaviestinjärjestelmän päätelaite ja kaikusalpa sijoitettu puhetranskooderin yhteyteen matkaviestinverkossa, jolloin Tl käsittää mm. kaksisuuntaisen radioyhteyden ja puhekoodauksen sekä matkaviestinverkon verkkoelementtien 15 väliset siirtojärjestelmät. Tällainen kaikusalvan sijoitusratkaisu on kuvattu hakijan rinnakkaisessa suomalaisessa patenttihakemuksessa 952833.

Kuviossa 2 on esitetty keksinnön erään suoritusmuodon mukaisen kaikusalvan periaatteellinen lohkokaavio 20 ja kuviossa 3 sen toimintaa kuvaava vuokaavio. Kaikusalpa 1 käsittää samat sisääntuloportit Rin, Rout, Sin ja Sin, jotka esitettiin kuviossa 1. Portti Rin on kytketty suoraan porttiin Rout. Portti Sin on kytketty valitsimen 26 sisääntuloon ja portti Sout valitsimen 26 ulostuloon.

; · 25 Valitsin 26 sallii tai katkaisee lähipään signaalin ku-

lun ulostuloporttiin Sout vertailuyksikön 24 ohjauksen mukaan. Valitsimen 26 toiseen sisääntuloon on tyypillisesti kytketty mukavuuskohinageneraattori 27 siten, että valitsin 26 kytkee porttiin Sout joko lähipään signaalin 30 portista Sin tai mukavuuskohinageneraattorin 27 ulostu-·. Ion CN vertailijalta 24 tulevan ohjaussignaalin CONTROL

**' mukaan (vaiheet 306 ja 307 kuviossa 3) . Valitsin 26 voi yksinkertaisimmillaan olla vaihtokytkin.

Portti Rin on kytketty myös painotussuotimen 21 35 sisääntuloon, edullisesti kiinteän vaimentimen 20 kaut- 106489 9 ta. Vairaentimen 20 tarkoituksena on alentaa signaalin Rin teho myöhemmän signaalinkäsittelyn kannalta sopivalle tasolle. Käytännössä vaimentimen 20 arvo valitaan pienimmän sallitun kaikutien vaimennuksen (ERL) mukai-5 seksi. Painotussuodin 21 käsittelee signaalia Rin keksinnön mukaisesti (vaihe 301 kuviossa 3). Painotussuoti-men 21 ulostulo WRIN on kytketty signaalitehon laskentayksikölle 22, joka määrittää kaukopäästä porttiin Rin vastaanotetun signaalin tehon tai tason (vaihe 302) . Yk-10 sikkö 22 voidaan toteuttaa monella sinänsä tunnetulla tavalla. Tyypillisesti yksikkö 22 on tasasuuntaaja ja integraattori (analoginen toteutus), joka integroi signaalin tasoa tietyn integrointiajän yli. Kun mitattava signaali on digitaalinen, esim. PCM (pulssikoodimoduloi-15 tu signaali), myös yksikkö 22 on tyypillisesti toteutettu digitaalisena laskentana, esim. signaaliprosessorissa. On kuitenkin huomattava, että tehonlaskentayksikön toteutustapa ei ole keksinnön kannalta oleellinen. Yksikön 22 ulostulo PWRin, joka edustaa kaukopään signaalin 20 taajuuspainotettua tehoa, on kytketty vertailuyksikön 24 sisääntuloon, kuvion 1 suoritusmuodossa viiveen 23 kautta (vaihe 303) . Tällöin vertailijän 24 sisääntulossa on viivästetty mittaustulos PWR1K+DLY.

Portti Sin on kytketty signaalitehon laskentayk-25 sikölle 25, joka määrittää lähipäästä porttiin Sin vastaanotetun signaalin tehon tai tason (vaihe 304). Yksikkö 25 voidaan toteuttaa samalla tavoin kuin signaali-tehonlaskentayksikkö 22. Yksikön 25 ulostulo PSIN, joka edustaa lähipään signaalin tehoa, on kytketty vertailu-30 yksikön 24 toiseen sisääntuloon.

·; Vertailuyksikkö 24 vertaa yksiköiden 22 ja 25 ulostuloja PWRin+DLY ja PSIH, ts. kaukopään ja lähipään signaalien tehoja (vaihe 305), ja ohjaa vertailun perusteella valitsinta 26 (vaiheet 306,307), kuten alla tul-35 laan selittämään. Vertailija 26 voi olla yksinkertaisim- 106489 10 millään differentiaalivahvistinkytkentä (analoginen toteutus) tai binääri/desimaalilukuvertailija. Vertailijän 26 ulostulo CONTROL on kytketty valitsimen 26 ohjaussi-sääntuloon. Vaikka edellä olevassa esimerkissä ohjauk-5 seen käytetään signaalien R1N ja SIN tehoja, ohjaus voi perustua myös muihin näiden signaalien ominaisuuksiin, kuten ristikorrelaatioon. Viiveyksikkö 23 on tarpeellinen mikäli siirtoyhteydellä Tl kuviossa 1 esiintyy viivettä. Viiveyksikön 23 viive DLY on edullista asettaa 10 likimäärin samaksi kuin Tl:n aiheuttama kokonaisviive molemmissa siirtosuunnissa (ts. kaksisuuntainen viive), jotta kaikutielle tietyllä hetkellä lähtevän kaukopään signaalin tehoa verrattaisiin palaavan kaiun tehoon, vasta kun sen oma kaiku on kulkenut kaikutien läpi. Jos 15 Tl:n viive on pieni (esim. kaikusalpa sijaitsee päätelaitteessa) viiveyksikköä 23 ei tarvita.

Generaattoria 27 käytetään generoimaan mukavuus-kohinaa CN, koska kokemus on osoittanut, että kuulija häiriintyy suuresti, kun puheen takana oleva taustakohi-20 na äkillisesti loppuu. Tämä tapahtuisi aina, kun valitsin 26 katkaisee signaalitien portista Sin porttiin Sout. Eräs keino välttää tämä kuulijan häiriintyminen on synnyttää keinotekoista kohinaa, kun kaikusalpa katkaisee varsinaisen lähipään signaalin. Tämä kohina voi olla .· 25 satunnaiskohinaa tai mukavuuskohinaa, joka pyrkii muis tuttamaan todellista taustamelua lähipäässä. Eräitä tapoja tuottaa mukavuuskohinaa on kuvattu hakijan rinnakkaisessa suomalaisessa patenttihakemuksessa 952833. Keksinnön kannalta kohinan generointi ei kuitenkaan ole 30 oleellista ja voidaan myös jättää pois kaikusalvasta.

Kuten aikaisemmin on todettu, olennaista esillä olevalle keksinnölle on kaukopään signaalin spektrin muokkaaminen akustisen kaikutien siirtofunktion ampli-tudivasteen· vaikutusta simuloivalla tavalla ennen tehon-35 laskemista. Kuvion 2 suoritusmuodossa tämä tapahtuu pai- X1 106489 notussuotimella 21. Painotussuotimella 21 pyritään mallintamaan akustisen kaikutien vaimennus ERL taajuuden funktiona. Koska esim. päätelaitteen puhelinluurin ja mikrofonin välisen akustisen kytkeytymisen amplitudivas-5 teessä on tyypillisesti piikki noin 1,5 - 3,0 kHz taajuusalueella, kaikutien vaimennus on huomattavasti pienempi piikin kohdalla kuin esimerkiksi pienemmillä taajuuksilla. Tyypillisesti optimaalinen painotussuodin onkin ylipäästö- tai kaistanpäästötyyppinen.

10 Painotussuodin 21 voi olla kiinteä tai adaptii vinen. Kiinteän painotussuotimen 21 siirtofunktio voi olla esimerkiksi keskiarvo puhelinverkossa esiintyvien akustisten kaikujen siirtofunktioista niin, että sen amplitudivaste on ylipäästötyyppinen. Painotussuotimen 15 21 jyrkkyys, rajataajuus, päästö- ja estokaistan vaimen nukset määräytyvät pienimmän kaikutien vaimennuksen omaavan päätelaitteen mukaisesti kuitenkin huomioiden seuraavaksi huonoimpien päätelaitteiden vaimennukset, mikäli niiden vaimennukset ovat joillakin taajuuksilla 20 pienemmät kuin huonoimman päätelaitteen. Eräs esimerkki kiinteän painotussuotimen toteutuksesta on digitaalinen kolmannen asteluvun elliptinen HR (Infinite Impulse Response) ylipäästösuodin, jonka siirtofunktio: 25 b0+b1z*1+b2z'2+b3z'3 H (z) =------------------- l+a1z'1+a2z'2+a3z'3

Suoramuotoinen tyypin II lohkokaavio suodatti-30 melle, joka toteuttaa yllä olevan yhtälön on esitetty kuviossa 4.

Adaptiiviselle painotussuotimelle 21 voidaan hakea optimaalinen siirtofunktio puhelukohtaisesti. Tällöin kaksoispuheen dynamiikkaa voidaan edelleen keski-35 määrin kasvattaa, koska painotussuotimen siirtofunktiota 12 106469 ei tarvitse valita pienimmän ERL:n mukaisesti kuten kiinteän painotussuotimen tapauksessa.

Yksinkertaisimmassa muodossaan adaptiivinen pai-notussuodin käsittää kiinteän taajuusvasteen, ts. kiin-5 teän suotimen 61, ja adaptiivisen lisävaimennuksen, esim. adaptiivinen vaimennin 60 ennen suodinta 61) , kuten kuviossa 5 havainnollistettu. Tässä tapauksessa adaptiivinen vaimennin 60 korvaa kiinteän vaimentimen 20. Suodin 61 voi olla esim. kuvion 4 mukainen suodin. 10 Vaimentimen 60 ohjaus FREQRES saadaan suodattimen ohjaukselta 28 (kuvio 2).

Paras lopputulos luonnollisesti voidaan saavuttaa, mikäli painotussuodin 21 on myös taajuustasossa adaptiivinen, jolloin akustinen kaikutie mallinnetaan 15 taajuustasossa ja painotussuodin 21 säädetään kaikutien mallin mukaiseksi puhelukohtaisesti. Painotussuotimen 21 säätö voi tapahtua kerran puhelun alussa tai suodin 21 voi säätyä jatkuvasti huomioiden mahdolliset muutokset kaikutien ominaisuuksissa puhelun aikana.

20 Akustisen kaiun mallintamisessa voidaan käyttää kaukopään puhesignaalia sekä lähipäästä palaavan puheen kaikua. Tällöin tarvitaan välineet kaksoispuheen sekä lähipään taustamelun tunnistamiseksi. Nämä menetelmät ovat tunnettuja kaiunpoistotekniikan yhteydessä. Vaihto-; ·. 25 ehtoisesti puhelun alussa kaikusalpa voi esimerkiksi lä- hettää portin Rout kautta kaikutielle testisignaalin, jonka akustinen kaiku vastaanotetaan porttiin SIN. Testisignaalin ja sen vastaanotetun kaiun perusteella voidaan sitten määrittää kaikutien vaimennus, kaikutien 30 siirtofunktio ja/tai kaikutien viive periaatteilla, jot-·· ka ovat alalla hyvin tunnettuja. Kuviossa 2 on esitetty adaptiivisen painotussuotimen 21 ohjausyksikkö 28, joka voi suorittaa edellä kuvatut operaatiot. Kun akustisen kaikutien siirtofunktio on laskettu/määritetty, ohjaus-35 yksikkö 28 asettaa painotussuotimen siirtofunktion tämän 106489 13 mukaiseksi. Tässä tapauksessa ei tarvita kuvion 2 mukaista kiinteää vaimenninta 20. Mikäli ohjausyksikkö 28 laskee myös kaikutien viiveen, voidaan myös viiveyksikön 23 viivettä säätää adaptiivisesti.

5 Digitaalitekniikassa voidaan kaikutien taajuusa nalyysiin käyttää esim. FFT-muunnosta lähipään- ja kau-kopään signaalien taajuusvaste-eron selvittämiseksi. Tämän perusteella voidaan asettaa digitaalisen painotus-suotimen tappikertoimet optimaalisiksi kyseiselle puhe-10 lulle.

Kuvion 6 vuokaaviossa aluksi tarkistetaan esiintyykö kaksoispuhetta (vaihe 700). Jos esiintyy kaikusal-paa ei luonnollisestikaan aktivoida vaan palataan alkuun. Jos kaksoispuhetta ei esiinny, siirrytään vaihee-15 seen 701, jossa tarkistetaan kaukopään puheaktiivisuus. Jos puheaktiivisuutta ei ole, kaikusalpausta ei tarvita ja palataan alkuun. Muutoin lasketaan kauko- ja lähipään ristikorrelaatio vaiheessa 702 ja tarkistetaan vaiheessa 703 esiintyykö ristikorrelaatiossa selvä maksimi, ts. 20 kaikukohta. Jos ei esiinny, palataan alkuun. Muutoin vaiheessa 704 lasketaan ristikorrelaation avulla kaiku-tien viive DLY, joka saadaan myös maksimikohdasta. Vaiheessa 705 lasketaan kaukopääsignaalin RIN, jota on viivästetty viiveen DLY verran, nopea Fourier-muunnos FFTRIN.

;· 25 Vaiheessa 706 lasketaan lähipään SIN nopea Fourier- muunnos FFTSIN. Vaiheessa 703 lasketaan kaikutien vaimennus taajuustasossa: FFTRIN/FFTSIN. Lasketun vaimennuksen perusteella säädetään digitaalisen painotussuotimen 21 tappikertoimet 708, sekä asetetaan viive-elimen 23 viive 30 DLY vaiheessa 709. Tämän jälkeen aktivoidaan kaikusalpa vaiheessa 800.

Kuviossa 7 on esitetty adaptiivinen painotus-suodin 21, joka perustuu kaistanjakosuodinperiaattee-seen. Kaukopään signaali RIN jaetaan kaistanjakosuotimel-35 la 210 N taajuuskaistaan F^.. F„. Kutakin signaalia 106489 14 F,...FN vaimennetaan omalla säädettävällä vaimentimella 2111.. .211n, joiden vaimennus asetetaan suodattimen ohjaukselta 28 tulevien vaimennusarvojen ATT1...ATTN perusteella. Näin signaalin RIN kutakin osakaistaa Ρ,.-.F,, sää- 5 detään erikseen kaikutien taajuusvastetta vastaavasti. Vaimentimien 211 ulostulot viedään summaimelle 212, jossa osakaistat F^.-F,, summataan yhdeksi painotussuodate-tuksi signaaliksi WRIN, joka viedään signaaliteholaskuyk-sikölle 22.

10 Kuviossa 8 on esitetty kaistanjakosuodinpervaat teeseen perustuva suodattimen ohjaus 28, jolla ohjataan kuvion 7 mukaista painotussuodinta 21.

Kaukopään signaali RIN jaetaan kaistanjakosuoti-mella 280 N-taajuuskaistaan F1...FN. Kullekin taajuus-15 kaistalle F,. . .F„ lasketaan signaaliteho lohkoissa 2821.. .282N/ minkä jälkeen laskettuja tehoja viivästetään viiveen DLY verran viivelohkoissa 283,...283,,. Viiveyksi-köiltä 283,...283,, tehoarvot PRIN,. . . PRIN„ viedään vastaaville jakajayksiköille 2851...285N. Samalla tavoin lähi- 20 pään signaali SIN jaetaan kaistanjakosuotimella 281 N-kaistaan F, ...F„. Taajuuskaistoille lasketaan lohkoissa 2841.. .284n signaalitehot PSIN,. . . PSIN„, jotka viedään vastaaville jakajille 2851...285N. Kukin jakaja 285 laskee vastaavat kauko- ja lähipään signaalitehosuhteen ja 25 tämä suhde muodostaa vaimennusarvon ATT,. . .ATT„, joka viedään vastaavalle säädettävälle vaimentimelle 211.. ..211., painotussuotimessa 21.

Kaikutien viive, ts. kaiun paikka, voidaan saada esim. lähi- ja kaukopään signaalien välisen ristikorre-30 laation avulla, kuten kuvion 6 vuokaaviossa on havain-1,1 nollistettu.

• « I

Keksinnön mukaisen kaikusalvan periaatteellinen toiminta on seuraava. Oletetaan, että painotussuodin 21 kiinteä tai puhelun alussa asetettu optimaaliseksi mal-35 lintamalla kaikutie. Kaukopään signaalia Rin painotetaan 106489 15 painotussuotimellä 21, minkä jälkeen lasketaan taajuus-painotetun kaukopään signaalin teho tehonlaskentayksi-kössä 22. Laskettu teho viedään viiveyksikölle 23. Vii-veyksikkö 23 viivästää tehotiedon syöttämistä vertaili-5 jalle 24 niin kauan, että kaukopään signaali etenee portin Rout ja siirtoyhteyden Tl kautta lähipään päätelaitteelle, osa siitä kytkeytyy akustisesti kuulokkeesta 4 mikrofoniin 5 ja palaa akustisena kaikuna kaikusalvan 1 porttiin Sin. Lähipäästä vastaanotetun signaalin teho 10 lasketaan laskentayksikössä 25 ja syötetään vertailijalle 24 oleellisesti samanaikaisesti kuin viivepiiri 23 syöttää painotetun kaukopään signaalin tehon. Mikäli lähipään signaaliteho on pienempi kuin taajuuspainotettu kaukopään signaaliteho, vertailija 24 tulkitsee lähipään 15 signaalin akustiseksi kaiuksi ja ohjaa valitsinta 26 siten, että ulostuloporttiin Sout kytketään mukavuuskohi-nageneraattori 27. Toisin sanoen lähipään signaalin pääsy ulostuloon Sout estetään ja lähipään signaali korvataan mukavuuskohinalla. Jos lähipään signaaliteho on 20 suurempi kuin taajuuspainotettu kaukopään signaaliteho, tulkitaan portissa Sin oleva signaali lähipään puheeksi tai kaksoispuheeksi ja vertailija 24 ohjaa valitsinta 26 siten, että lähipään puhe kytketään läpi portista Sin porttiin Sout.

: 25 Esillä olevaa keksintöä voidaan soveltaa myös kaiunpoistajassa, jossa käytetään epälineaarista prosessoria (NLP). Epälineaarisen prosessorin NLP toiminta on verrattavissa kaikusalpaan. Keksintö on erityisen edullinen hajautetussa kaiunpoistoratkaisussa, jossa adap-30 tiivinen suodin sijaitsee päätelaitteessa ja NLP verk-·· koelementissä. Tässä tilanteessa ei voida käyttää hyväk si kaiunpoistajan kaikuestimaattia kaukopään tehon laskemisessa, jolloin painotussuodin on ainoa ratkaisu mallintaa kaikutien amplitudivastetta. Eräs hajautettu kai-35 unpoistojärjestelmä on esitetty hakijan rinnakkaisessa 16 106489 patenttihakemuksessa 952833.

Kuvio 9 havainnollistaa erästä kaiunpoistajaa ja kuvion 10 vuokaavio keksinnön mukaista NLP:n ohjausta. Kaiunpoistajassa adaptiivisen digitaalinen suodin 33, 5 joka muodostaa signaalien Rout ja Sin perusteella kaiku-estimaatin EEST, jonka vähentäjä 31 vähentää signaalista Sin. Vähentäjän jälkeen on kytketty NLP 32, jota ohjataan oleellisesti samalla tavoin kuin valitsinta 26 kuviossa 2. Kuvion 3 yksiköiden 21, 22, 23, 24, 25, 27 ja 10 28 rakenne ja toiminta ovat oleellisesti samanlaiset kuin kuviossa 2. Erona on lähinnä se, että lähipään sig-naalitehon sijasta tehonlaskentayksikkö 25 laskee adaptiivisen kaiunpoistajan jäännöskaiun tehon PL^g. Koska kaikusignaalin teho adaptiivisen kaiunpoistajan 15 (vähentäjän 31) jälkeen pienempi kuin lähipään signaalin portissa Sin, voidaan lähi- ja kaukopään signaalitehojen vertailusuhdetta pienentää ilman, että jäännöskaiku pääsee NLP32:n läpi. Tällöin myös kaksoispuhedynamiikka paranee . Samoin kaksoispuhedynamiikkaa parantaa keksinnön 20 mukainen painotussuodin 21. Edellytyksenä keksinnön käyttämiselle kaiunpoistajassa on kuitenkin, että adaptiivisen kaiunpoistajan jäännöskaiun spektri on taajuus-tasossa ylipäästösuodattunut verrattuna kaukopään signaalin spektriin. Teoriassa adaptiivisen kaiunpoistajan 25 jäännöskaiku on tasaspektristä kohinaa, mutta käytännössä akustisen kaikutien epälineaarisuus ja suotimen 33 laskentaepätarkkuus aiheuttavat sen, että akustisen kaiun jäännössignaali on ylipäästösuodattunut.

Vaikka keksintöä on selitetty viitaten tiettyi-30 hin suoritusmuotoihin, on kuitenkin ymmärrettävä, että selitys on tehty vain esimerkkitarkoituksessa ja esitet- • · .

tyihin suoritusmuotoihin voidaan tehdä muutoksia ja modifikaatioita poikkeamatta oheisten patenttivaatimusten määrittelemän keksinnön hengestä ja suojapiiristä.

Claims (11)

17 106489

1. Kaikusalpa akustisen kaiun eliminoimiseksi, joka kaikusalpa käsittää 5 välineet (22, 25) kaukopään ja lähipään signaa lien ominaisuuksien, kuten signaalitehojen, määrittämiseksi, välineet (24, 26), jotka kaukopään ja lähipään mainittujen ominaisuuksien mukaan sallivat tai estävät 10 lähipään signaalin lähettämisen kaukopäähän, tunnettu siitä, että kaikusalpa lisäksi käsittää välineet (21) kaukopään signaalin spektrin käsittelemiseksi ennen mainittujen ominaisuuksien määrittämistä tavalla, joka mallintaa akustisen kaiun siirto-15 funktion amplitudivasteen vaikutusta.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kaikusalpa, tunnettu siitä, että mainitut esto- ja sallintavälineet käsittävät valitsimen (26) lähipään signaalin tai kohina-20 signaalin valitsemiseksi signaaliksi, joka lähetetään kaukopäähän, ohjausvälineen (24) valitsimen (26) ohjaamiseksi kaukopään ja lähipään signaalitehojen mukaan.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen kaikusalpa, 25 tunnettu siitä, että se käsittää kohina- generaattorin (27) kohinasignaalin generoimiseksi,

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen kai kusalpa, tunnettu siitä, että mainitut käsitte-lyvälineet käsittävät painotussuotimen (21), jonka amp- 30 litudivaste taajuustasossa on olennaisesti akustisen ” kaiun siirtofunktion amplitudivasteen mukainen.

5. Patenttivaatimuksen 1, 2, 3 tai 4 mukainen kaikusalpa, tunnettu siitä, että painotussuodin (21) on kiinteä tai adaptiivinen.

6. Patenttivaatimuksen 1, 2, 3 tai 4 mukainen 106489 18 kaikusalpa, tunnettu siitä, että painotussuodin (21) on ylipäästö-, kaistanpäästö- tai painotettu kais-t anj akosuodin.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kaikusalpa, 5 tunnettu siitä, että se käsittää viive- elimen (23) kaukopään signaalitehon määrittävän välineen (22) ja vertailijan (24) välissä, viive-elimen viiveen ollessa oleellisesti samaa suuruusluokkaa kuin kaikutien viive.

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen kaikusalpa, tunnettu siitä, että lähipään sig naali sisältää lähipäähän sijoitetun kaiunpoistajan j äännöskaikua.

9. Epälineaarinen prosessori kaiunpoistajaa var-15 ten, käsittäen välineet (22, 25) kaukopään ja lähipään signaa lien ominaisuuksien, kuten tehojen, määrittämiseksi, välineet (24, 32), jotka kaukopään ja lähipään signaalien ominaisuuksien mukaan aktivoivat tai deakti-20 voivat epälineaarisen prosessorin, tunnettu siitä, että epälineaarinen prosessori lisäksi käsittää välineet (21) kaukopään signaalin spektrin käsittelemiseksi ennen mainittujen ominaisuuksien määrittämistä tavalla, joka mallintaa akustisen kaiun siirto-; 25 funktion amplitudivasteen vaikutusta jäännöskaikuun, ja että mainittu lähipään signaaliteho on kaiunpoistajan jäännöskaiun teho.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen epälineaari-30 nen prosessori, tunnettu siitä, että kaiunpois- taja on sijoitettu lähipään päätelaitteeseen ja epälineaarinen prosessori tietoliikenneverkkoon erilleen kaiunpoista jasta.

11. Patenttivaatimuksen 9 mukainen epälineaarinen 35 prosessori, tunnettu siitä, että mainitut omi- 106489 19 naisuudet käsittävät kaukopään ja lähipään signaalite-hot. « t»· « • · ·. 106489 20