FI97657C - Menetelmä adaptiivisen kaiunpoistajan divergoinnin estämiseksi kohinaisessa signaaliympäristössä - Google Patents

Description

97657

Menetelmä adaptiivisen kaiunpoistajan divergoinnin estämiseksi kohinaisessa signaaliympäristössä

Keksinnön kohteena menetelmä adaptiivisen kaiun-5 poistajan divergoinnin estämiseksi kohinaisessa signaali-ympäristössä .

Tiedonsiirtojärjestelmän, kuten puhelinverkon, päästä-päähän yhteyksillä esiintyy usein pitkiä kulkuaika-viiveitä, joiden seurauksena havaitaan esimerkiksi nor-10 maalin puheen tapauksessa kaikua, kun signaali heijastuu yhteyden kaukopäästä takaisin puhujalle.

Suurimpia sähköisen kaiun aiheuttajia ovat 2/4-joh-dinmuuntimet, jotka sijaitsevat kiinteän puhelinverkon päätekeskuksissa tai etäistilaajaportaissa. Kiinteän ver-15 kon tilaajajohtimet ovat yleensä 2-johtimisia kustannussyistä. Keskusten väliset yhteydet taas ovat 4-johtimisia.

Kaiunpoistaja (echo canceller) on signaalia, kuten puhesignaalia, käsittelevä laite, jota käytetään pienentämään kaikua vähentämällä arvioitu kaiku yhteydellä 20 esiintyvästä kaiusta (signaalista). Kaiunpoistaja voi olla joko digitaalinen tai analoginen. Nykyisin kaiunpoisto-laitteet toteutetaan digitaalisella signaalinkäsittelyllä, jonka avulla on mahdollista mallintaa huomattavan pitkiäkin kulkuaikaviiveitä sisältäviä kaikuteitä. Koska kaiku-25 tie on periaatteessa jokaisella puhelukerralla erilainen, on välttämätöntä käyttää kaiunpoistajassa menetelmää, joka mukautuu aina puhelun alussa uuteen kaikutiehen. Digitaalinen signaalinkäsittely tarjoaa tähän ratkaisuna adaptiivisen suodattimen, jossa kaikutietä mallintavan suodat-30 timen kertoimia päivitetään puhesignaalin ja palautuvan kaikusignaalin korreloinnin perusteella.

Jos puhelu käydään kohinaisessa ympäristössä, se aiheuttaa tiettyjä ongelmia kaikutien impulssivasteen mallin pysyvyyteen kaiunpoistajassa. Hankaluuksia syntyy eri-35 tyisesti, jos kaukopää on kohinainen ja lähipään kaiun 2 97657 taso alhainen. Tällöin tapahtuu kaiunpoistajan malli-im-pulssivasteen divergoitumista kaukopäästä vastaanotetun signaalin alhaisilla tasoilla. Jos kaukopäästä vastaanotetun signaalin taso taas nousee, havaitaan kaukopäässä het-5 ken aikaa kaikua divergoituneen kaikutien mallin vuoksi ennen kuin kaiunpoistaja konvergoituu takaisin kaikutieh- en.

Keksinnön päämääränä on mm. edellä mainitun ongelman lieventäminen.

10 Tämä saavutetaan keksinnön mukaisella menetelmällä, jolle on tunnusomaista, että menetelmä käsittää vaiheet: määritetään keskimääräinen kohinataso kaikutiellä, määritetään kaikutievaimennus, ja estetään kaiunpoistajan adaptoituminen, jos kaiku-15 tielle lähetettävän, kaikua aiheuttavan signaalin taso pienenee ennalta määrättyyn kynnystasoon, joka on tietyn marginaalin ja kaikutievaimennuksen verran keskimääräisen kohinatason yläpuolella.

Keksinnön perusajatuksena on, että adaptiivisen 20 suodattimen adaptoituminen ennen kuin kaikutielle lähetettävän signaalin tason pieneneminen aiheuttaa kaikutieltä palautuvan kaikusignaalin tason laskemisen niin alas, että se hukkuu kaikutiellä esiintyvään kohinaan. Mitä aikaisemmin adaptoituminen estetään eli mitä suurempi marginaali 25 kohinatason ja kaikusignaalin tason väliseksi eroksi jätetään, sitä paremmin kaikutien malli säilyy kaiunpoistajässä. Toisaalta marginaali ei saa olla kovin suuri, koska jos kaikutielle lähetettävä signaali olisi pitemmän aikaa matalatasoinen ja kaikutiessä taphatuisi samalla hidasta 30 muuttumista seurauksena olisi tällöinkin kaiunpoistajassa olevan kaikutien mallin jonkinasteinen virheellisyys. Kohtuullisesta marginaalista on kuitenkin selvä hyöty, koska tällöin adaptoitumisen ollessa estettynä malli-impulssi-vasteen kertoimien paikat ja etumerkit säilyvät oikeina, 35 vaikka niiden itsearvot vääristyisivätkin kaikutien muut- 3 97657 turn!sen seurauksena. Kun kertoimien paikat ja etumerkit ovat oikein, on kaiunpoistajan konvergointi, kun kaiku-' tielle lähetettävän signaalin taso jälleen nousee ja adap- tointi jälleen sallitaan, huomattavasti nopeampi kuin jos 5 impulssivasteen malli olisi kokonaan divergoitunut. Sopiva marginaali on edullisesti sellainen, että mainitun kynnys-tason etäisyys keskimääräisestä kohinatasosta on n. 1-5 dB suurempi kuin kaikutievaimennus.

Keksintöä selitetään seuraavassa yksityiskohtaisem-10 min suoritusesimerkkien avulla viitaten oheisiin piirroksiin, joissa kuvio 1 esittää periaatteellisen lohkokaavion eräästä kaiunpoistajasta, jossa keksintöä voidaan soveltaa, 15 kuvio 2 esittää yksityiskohtaisemman lohkokaavion kuvion 1 mukaisesta kaiunpoistajasta, kuvio 3 esittää lohkokaaviomuodossa erästä digitaalista suodatinta, joka soveltuu käytettäväksi suodattimena 21 kuviossa 2, ja 20 kuvio 4 on kuvaaja, joka havainnollistaa kohinan vaikutusta kaiunpoistoon.

Erään digitaalisen digitaalisen kaiunpoistajan periaatteellinen lohkokaavio on esitetty kuviossa 1 . Digitaalinen kaiunpoistaja 1 käsittää lähetettävän digitaa-25 lisen signaalin sisääntuloportin Sln ja ulostuloportin Sout sekä vastaanotettavan digitaalisen signaalin sisääntuloportin Rln ja ulostuloportin Rout. Kaiunpoistajan 1 tulee poistaa kaiku vain lähetyssuunnassa, jota tässä hakemuksessa nimitetään kaukopääksi. Kuviossa 1 portit Sln ja Rout 30 on kytketty lähipään siirtotielle ja portit Sout ja Rln kau-kopään siirtotielle. Vastakkaista suuntaa kutsutaan lähi-pääksi. Poistettava kaiku on kaukopäästä porttiin Rln vastaanotetun ja edelleen portin Routkautta lähipäähän (kaiku-tielle) lähetetyn puhesignaalin x(i) lähipäästä heijastu-35 nut komponentti r(i).

4 97657

Jos kaiunpoistaja ei olisi toiminnassa, porttiin Sin vastaanotettu kaukopään puhesignaalin x(i) kaiku r(i) välittyisi portin Sout kautta sellaisenaan kaukopäähän. Toiminnassa ollessaan kaiunpoistaja porttiin Sin vastaanotta-5 mansa kaikusignaalin r(i) perusteella muodostaa proses-sointilohkossa 3 lähipään kaikutien mallin (impulssivas-teen), jonka avulla se muodostaa signaalista x(i) kaiku-estimaatin r'(i), joka vähentäjfilohkossa 2 vähennetään kaukopäähän lähetettävästä signaalista, jolloin optimita-10 pauksessa kaikua ei synny lainkaan.

Seuraavaksi tarkastellaan keksinnön taustana olevaa kaiunpoistajan divergoitumisongelmaa viitaten kuvioihin 1 ja 4. Kuviossa 4 on havainnollistettu kaikusignaalin r(i) tason riippuvuutta kaukopään puhesignaalin x(i) tasosta.

15 Porttiin Rln vastaanotetun ja portin RoUt kautta lähipäähän ja täten myös kaikutielle lähetetyn puhesignaalin x(i) ja porttiin Sin lähipäästä (kaikutieltä) vastaanotetun kaiku-signaalin r(i) tasoero vastaa kaikutien vaimennusta Ae eli Ae * x(i)-r(i). Kuvion 4 esimerkissä kaikutievaimennus Ae 20 on 17 dB ja kohinan taso on -45 dBmO. Kun signaalin x(i) taso on alkuvaiheessa -lOdBmO, kaiunpoistaja konvergoituu nopeasti kaikutiehen ja muodostettu kaikutien malli synnyttää tarkan kaikuestimaatin r'(i), jolloin kaiunpoista-jan läpipäässyt kaikukomponentti e(i)=r(i)-r'(i) vaimentuu 25 kohinan tasolle. Jos signaalin x(i) taso sitten laskee (esim. puhutaan hiljempaa) esimerkiksi tasolle -20dBm0, kohina alkaa vaikuttaa kaiunpoistajan muodostamaan kaiku-tien malliin siten, että malli divergoituu eikä enää tarkasti vastaa todellista kaikutietä. Tällöin signaalin x(i) 30 tason äkillisesti noustessa osa kaikusignaalista r(i) pääsee jäännöskaikuna e(i) läpi. Jos x(i):n taso laskee tasolle -27 dBmO, kaikusignaali r(i) hukkuu kokonaan kohinaan ja kaiunpoistajan adaptoitumisen seurauksena kaiku-tien malli divergoituu täysin. Jos x(i):n taso nyt yhtäk-35 kiä nousee lähelle -10 dBmO:tä, kaikusignaali r(i) menee 5 97657 jäännöskaikuna e(i) sellaisenaan läpi ennenkuin kaiunpois-taja jälleen konvergoituu. Tällöin havaitaan hetkellisesti kaikua puheen aikana. Pyrkimys kaiunpoistajissahan on se, että puheen alkaessa voidaan kaikua hieman havaita konver-5 goitumisvaiheessa, mutta sen jälkeen kaikua ei enää pitäisi puhelun aikana havaita.

Keksinnön mukaisesti haitallinen ilmiö ehkäistään siten, että kaiunpoistajan adaptoituminen estetään, kun signaalin x(i) taso laskee niin paljon että kunnollista 10 kaikutien mallia ei voida enää säilyttää. Tämä tehdään seuraavasti:

Kun puheyhteyden kummassakaan päässä ei puhuta (esim. kun signaalien x(i) ja y(i) tasot < -35 dBmO) määritetään tai lasketaan kaikutien keskimääräinen kohinata-15 so. Puhelun alussa tapahtuvan kaiunpoistajan konvergoitu-misen loppuvaiheessa määritetään signaalien x(i) ja r(i) välinen tasoero, josta saadaan kaikutievaimennus Ae. Tämän jälkeen kaiunpoistajan adaptoituminen puhelun aikana estetään, jos kaikua aiheuttavan signaalin x(i) taso piene-20 nee ennalta määrättyyn kynnystasoon, joka on tietyn marginaalin ja kaikutievaimennuksen summan verran lasketun keskimääräisen kohinatason yläpuolella. Marginaali on sellainen, että adaptoituminen estetään ennenkuin kaikusig-naali r(i) hukkuu kohinaan. Marginaali on edullisesti 25 alueella n. 1-5 dB.

Eräs kuvion 1 mukaisen digitaalisen kaiunpoistajan tarkempi suoritusmuoto on esitetty kuviossa 2. Lähipään lähetyssignaalille y(i) tehdään A-lain mukainen linearisointi muuntimella 35A, käsitellään adaptiivisella F1R-30 suodattimena 21 ja syötetään tämän jälkeen vaihtokytki-melle SW1. Ohjausyksikön 26 ohjaama kytkin SW1 kytkee suodattimen ulostulon joko epälineaarisen prosessorin 27 tai A-lain mukaisen muuntimen 36 kautta kaiunpoistajan ulostu-loporttiin Sout.

35 Ohjausyksikkö 22 ohjaa adaptiivisen suodattimen 21 6 97657 toimintaa, adaptoitumista ja päivitystä perustuen signaalien y(i) ja x(i) tasoihin, jotka saadaan vastaavasti ta-soilmaisimilla 24 ja 25, sekä merkkiäänen tunnistukseen, joka suoritetaan merkkiäänen tunnistuspiiristöllä 37. Ta-5 sonilmaisimilta 24 ja 25 saamiensa tasotietojen avulla ohjausyksikkö 22 määrittää keskimääräisen kohinatason ja kaikutievaimennuksen Ak sekä tarkkailee signaalin x(i) tasoa suodattimen 21 adaptoitumisen ohjaamiseksi keksinnön mukaisella tavalla.

10 Signaalille x(i) suoritetaan A-lain mukainen li nearisointi muuntimilla 35B, 35C ja 35D ennen syöttämistä vastaavasti näytepuskurllle 23, tasonilmaisimelle 25 ja merkkiäänen tunnistuspiiristölle 37. Signaalista x(i) otetut näytteet tallennetaan näytepuskuriin 23, josta tarvit-15 taessa syötetään suodattimelle 21 niiden ja signaalista y(i) otettujen näytteiden välisen korrelaation laskemista varten. Suodattimen 21 kertoimien ak päivitys suoritetaan tämän korrelaation perusteella.

Adaptiivinen digitaalinen suodatin 21 on esimer-20 kiksi digitaalinen transversaalisuodatin, joka mallintaa kaikutien impulssivastetta. Kuviossa 3 on esitetty periaatekuva eräästä adaptiivisesta digitaalisesta transversaa-lisuodattimesta, jota voidaan käyttää kuvion 2 kaiunpois-tajassa suodattimena 21. Signaali y(i)+r(i) on lähipäästä 25 eli portista Sin tuleva signaali. Suodattimeen 21 otetaan näytteitä signaalista x(i). Näytteitä viivästetään yhden näytteen viivelohkoilla z_1 ja viivästettyjä näytteitä painotetaan suodattimen 21 kertoimilla ak = a0, alr ..., an.x,. Tällöin suodattimena 21 muodostettu estimoitu kaikusig-30 naali on n r'(i) - Σ akx(i-k) i=0 35 Tämä kaikuestimaatti r'(i) vähennetään signaalista y(i)+r(i) vähentäjälohkossa 42.

7 97657

Keksinnön ensisijaisessa suoritusmuodossa kaikki kuviossa 2 esitetyt lohkot toteutetaan ohjelmallisesti digitaalisella signaaliprosessorilla.

Keksintöä on edellä kuvattu tiettyjen esimerkin-5 omaisten kaiunpoistajatyyppien ja digitaalisten transver-saalisuodattimien yhteydessä. Keksinnön mukaista menetelmää voidaan kuitenkin soveltaa kaikissa kaiunpoistajissa, joissa käytetään kaikutietä mallintavaa digitaalista suodatinta .

10 Kuviot ja niihin liittyvä selitys on muutoinkin tarkoitettu vain havainnollistamaan esillä olevaa keksintöä. Yksityiskohdiltaan keksinnön mukainen menetelmä voi vaihdella oheisten patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (4)

97657

1. Menetelmä adaptiivisen kaiunpoistajan divergoi-tumisen estämiseksi kohinaisessa ympäristössä, t u n - 5. e t t u siitä, että menetelmä käsittää vaiheet: määritetään keskimääräinen kohinataso kaikutiellä, määritetään kaikutievaimennus, ja estetään kaiunpoistajan adaptoituminen, jos kaiku-tielle lähetettävän, kaikua aiheuttavan signaalin taso 10 pienenee ennalta määrättyyn kynnystasoon, joka on tietyn marginaalin ja kaikutievaimennuksen verran keskimääräisen kohinatason yläpuolella.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu marginaali on noin 1-5 15 dB.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu kaikutien keskimääräinen kohinataso lasketaan kaikutieltä vastaanotetun kohinatason perusteella, kun puheyhteyden kummassakaan pääs- 20 sä ei puhuta.

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu kaikutievaimennus lasketaan kaikutielle lähetetyn signaalitason ja kaikutieltä vastaanotetun signaalitason välisestä tasoerosta. 97657