JP2000504172A - 回線網反響消去装置用の無効化トーン検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電話システムにおいていつ反響消去装置が無効にされるべきかを決定するための方法及び装置が開示されている。初めに、第１の電力推定量が入力信号から決定される。さらに、その入力信号は、同相及び直交の成分に分割される。その後、同相及び直交成分は、サブサンプルされ、第二の電力推定量を決定するために使用される。所定のトーンが存在するか否かを決定するために、第１及び第２の電力推定量が比較される。所定のトーンが検出されたとき、本発明は、同相及び直交成分を用いて、その所定のトーン内に位相反転が存在するかどうかを決定する。位相反転が検出されたとき、反響消去装置が無効化される。

Description

【発明の詳細な説明】 回線網反響消去装置用の無効化トーン検出器 本発明は、主として電話システムにおいて使用される回線網反響消去装置に係 り、さらに詳細には、いつ反響消去装置を無効化すべきかを決定するための無効 化トーン検出器に関する。 背景技術 反響は、電話回線網のアナログ部におけるインピーダンスの不整合によって、 音声信号エネルギーの一部が反射するときに、電話システム内に起きる現象であ る。代表的な例は、公衆交換電話回線網（ＰＳＴＮ）加入者インタフェースにお ける四線式から二線式への変換である。 あらゆる現在の陸上電話は、両方向の伝送を支える二線式線路によって中央局 に接続されている。しかし、約３５マイルよりも長距離の呼びに対しては、２方 向の伝送は、物理的に分離した線に分離される必要があり、その結果、四線式線 路となる。二線式部分と四線式部分を適合させる装置は、ハイブリッドと呼ばれ ている。代表的な長距離電話回路は、ローカルハイブリッドに対する加入者ルー プにおいては二線式であり、遠隔ハイブリッドに対する長距離伝送回線網上では 四線式であって、その後遠隔電話に対して二線式になっていると言える。 ハイブリッドの使用によって長距離音声伝送が容易に行われるが、ハイブリッ ドでのインピーダンス不整合が反響を引き起こす。話者Ａの音声は、電話回線網 の遠隔ハイブリッド（話者Ｂに最も近いハイブリッド）から話者Ａの方向に反射 される。その結果、話者Ａに彼／彼女自身の声の耳障りな反響を聞かせることに なる。従って、回線網反響消去装置が陸上電話回線網において使用され、ハイブ リッドにおけるインピーダンス不整合によって引き起こされる反響を取り除いて いる。また、その装置は、代表的には、ハイブリッドと一緒に中央局に設けられ る。従って、話者ＡまたはＢに最も近い位置に反響消去装置が使用され、呼びの 他端にあるハイブリッドによって引き起こされる反響を消去している。しかし、 反響消去装置は、一般に、それ自身反響消去装置を有するＶシリーズモデムで、 高ビット速度のデータトラフィックを行う接続に対しては遮断されることが望ま しい。反響回路網消去装置を無効にするために、モデムは、２１００ヘルツのト ーンを送信する。そこでは、周期的な位相反転が、データ通信セッションの初め に、４５０ミリ秒毎にトーン中に挿入されている。そのようなトーンが送信され る場合、反響消去装置は無効にされるべきである。また、位相反転なしの２１０ ０ヘルツのトーンが送信される場合には、反響消去装置は無効にされない。無効 化トーンの特徴は、ＩＴＵ−Ｔ推奨Ｇ１６５において定義される。その幾つかは 、次の通りである。トーン検出器は、１５５−２０５゜の範囲の周期的な位相変 化を持つ２０７９−２１２１ヘルツの周波数範囲内のトーンを検出する必要があ る。そのトーン検出器は、１９００−２３５０ヘルツの周波数範囲外にあるトー ンを検出してはならない。さらに、トーン無効化装置は、１１０゜よりも小さい トーンの位相変化を検出してはならない。検出を禁止するために必要とされる白 色ノイズエネルギーが、トーンのエネルギーよりも大きいものであってはならな い。トーン検出器は、−３５ｄｂよりも小さいレベルを持つトーンを検出しては ならない。 ノイズ内の純正弦波の検出は、多くの既知の解法を持つ古典的な信号処理問題 である。他方、周期的な位相反転を持つ正弦波の検出法に関する既知の業績は皆 無である。その問題に対する最適な解法は、無効化信号に対して適切なフィルタ を与えることである。しかし、これは、受け入れがたいほどの大きな計算上の複 雑さや、長い処理遅れを伴うアルゴリズムを必要とする。 実際に使用されている既知のトーン検出器は、入力信号に作用するある形態の 位相ロックループを有する。位相ロックループの出力は、起こり得る時間変移し た入力信号と比較される。位相反転が存在していない場合には、位相ロックルー プの出力は、入力信号に近いものである。もし、位相反転が生じている場合には 、位相ロックループの出力は、その位相ロックループに含まれる時定数によって 決定される時間だけ、その入力信号から離れる。この差分が、位相反転を検出す るために使用される。この解法の問題点は、位相反転検出が、正確な検出の確率 を低下させる帯域外ノイズ信号を含む信号について実行されることにある。もし 、その構成内に帯域通過フィルタ手段を含ませた場合には、帯域外ノイズのほか に、 位相反転の明確さをも取り除いてしまい、位相ロックループは、なだらかな位相 変化を捉えることになる。これにより、入出力信号の差が小さくなり、検出を悪 化させる。 従って、上述された従来技術の欠点を克服するトーン検出器が、技術的に求め られている。 発明の要約 本発明の目的は、位相ロックループや位相反転検出装置ではなく、同相及び直 交チャンネルを持つフィードフォワード受信機構造を用いることによって、上記 従来技術の欠点を克服したトーン無効化装置を提供することにある。 本発明の一実施例によれば、電話システムにおいていつ反響消去装置が無効に されるべきかを決定するための方法及び装置が開示されている。初めに、第１の 電力推定量が入力信号から決定される。さらに、その入力信号は、同相及び直交 の成分に分割される。その後、同相及び直交成分は、サブサンプルされ、第二の 電力推定量を決定するために使用される。所定のトーンが存在するか否かを決定 するために、第１及び第２の電力推定量が比較される。所定のトーンが検出され たとき、本発明は、同相及び直交成分を用いて、その所定のトーン内に位相反転 が存在するかどうかを決定する。位相反転が検出されたとき、反響消去装置が無 効化される。 図面の簡単な説明 本発明のこれらの及び他の特徴及び利点は、図面と関連して行われる以下の記 述から、当業者にとって容易に明らかになるであろう。 図１は、本発明の一実施例に係るトーン存在検出器の説明図である。 図２は、トーン存在検出器の周波数弁別の説明図である。 図３は、本発明の一実施例に係る反相検出器の説明図である。 図４は、本発明の一実施例に係るトーン検出器の構成のブロック図である。 図５は、本発明の一実施例に係るトーン検出器の動作を説明しているフローチ ャートである。 図６は、ローパスフィルタの振幅特性の説明図である。さらに 図７（ａ）−図７（ｄ）は、位相変化を持つ入力信号の説明図である。 詳細な説明 従来技術と異なり、本発明では、反相検出器内に位相ロックループを使用して いない。その代わりに、トーン検出のために、同相及び直交位相チャンネルを持 つフィードフォワード受信機構造が使用される。さらに、同一のローパスフィル タリングされかつサブサンプルされた同相及び直交位相成分が、受信されたトー ンの位相推定量を計算するために使用される。 そのトーン検出器は、３つの主要部に分割され得る。すなわち、トーンが現れ ているかどうかを検出する部分、サイレンスを検出する第２の部分、及び位相の 反転を検出する第３の部分である。トーンを検出する部分が、図１に表わされて いる。検出器１０は、２１００Ｈｚの電力を含む音声信号に反応しない特定のト ーンを検出する。入力信号Ｓは、２つの通路を介して送られる。第１の通路は、 計算機１２において広帯域電力計算を受け、低域ろ過されて広帯域電力Ｐ_sをも たらす。第２の通路は、計算機１４において狭帯域電力計算を受け、低域ろ過さ れて狭帯域電力Ｐ_tをもたらす。狭帯域電力Ｐ_tは、広帯域電力Ｐ_sと、比較器１ ６において比較される。Ｐ_t＞Ｐ_sであると決定された場合には、２１００Ｈｚの トーンが現れているものと考えられる。もし入力信号が、周波数掃引されるピュ アトーンである場合には、Ｐ_t及びＰ_sのレベルが、図２に示されているように、 周波数とともに変化する。検出器の帯域幅は、狭帯域フィルタ及び２つの通路の 相対利得によって決められる。もし、信号レベルが増大される場合には、Ｐ_t及 びＰ_s曲線が図２の上方に移動するが、検出器の帯域幅は同じ状態にある。低レ ベルに対しては、Ｐ_s値が、Ｐ_t＝−３３ｄＢｍＯに対応するしきい値で飽和され る。 その信号がトーンとノイズを含む場合には、狭帯域Ｐ_t曲線が僅かに影響を受 けるだけであるが、Ｐ_s曲線は大きく上方に移動する。或るノイズレベルにおい て、その検出器はトーン検出を停止する。この効果によって、２１００Ｈｚを含 むが、他の周波数の大きな電力も含む、音声すなわちデータ信号によって引き起 こされる偽検出から保護される。 サイレンス検出器に対しては、保持帯域内のエネルギーを検出するために、広 帯域電力Ｐ_sが使用される。広帯域電力Ｐ_sがしきい値よりも小さく、例えば− ３４ｄＢｍＯ、なったとき、トーン検出器は解除される。 反相検出器の動作が、図３に示されている。入力信号周波数は、２１００Ｈｚ の公称周波数から外れるので、位相角は、時間とともに線形的に変化する。容易 に検出される信号を得るために、以下にさらに説明されるように、位相角の二次 導関数が使用される。入力信号は、その入力信号の正弦および余弦成分を生成す るために、２１００Ｈｚの参照信号で直交復調される。また、位相角は、位相角 計算機１８において計算される。 本発明の一実施例に係るトーン検出器が、図４に示されている。また、そのト ーン検出器の動作について図５を参照して説明する。入力信号が検出器に入ると 、それらは幾つかのブランチに分離される。１つのブランチにおいて、入力信号 は、帰納的数式を用いて、入ってくる信号ｓの電力推定量を計算する電力推定器 ２２に与えられる。 Ｐ_s（ｎ＋１）＝（１−α）Ｐ_s（ｎ）＋αＳ²（ｎ＋１） ここで、０＜α＜１である。 検出器２０の主要部において、その入力信号に、それぞれ掛算器２４、３０に よって、正弦波ｓｉｎ（２π２１００ｔ）及び余弦波ｃｏｓ（２π２１００ｔ） が掛け算される。その後、掛算器２４及び３０によって出力される積が、ローパ スフィルタ２６及び３２によってローパスフィルタリングされる。最後に、その ローパスフィルタリングされた信号は、二次サンプラー２８−３４において要素 ｍで二次サンプリングされる。同相及び直交成分の二次サンプリングは、計算上 効率的なアルゴリズムを得る目的で行われる。ｍの適切な値は１６であるが、他 の値も、ローパスフィルタリング後のナイキスト標本抽出法則を満足する。従っ て、それらの値も取り得る。 ローパスフィルタリングは、４８個の連続サンプルについて加算することによ って容易に実施され得る。そのようなフィルタのインパルス応答は、次の通りで ある。 そのフィルタの周波数応答は、インパルス応答のフーリエ変換を計算すること によって得られる。 従って、そのフィルタは図６に示されている線形位相特性及びローパス振幅特 性を有する。図６に示されているように、振幅特性のゼロ点は、ｆ_s／４８Ｈｚ の倍数の位置にある。ここで、ｆ_sは、サンプル周波数である。これは、比較的 大きなサイドローブレベルを持つ狭いメインローブを与える角窓ＦＩＲフィルタ 設計に対応する。しかし、そのサイドローブレベルは、本発明とは主たる関係を 持たないことに留意すべきである。ローパスフィルタリングされた出力信号のち ょうど１６番目の出力サンプルがすべて必要とされるので合計は、それぞれ１６ 個の連続サンプルをカバーする３個の副加算を用いて得られる。参照トーンは、 次式を用いて容易に発生される。 cosf(n+1)= cosfn cosf - sinfn sinf sinf(n+1)= sinfn cosf + cosfn sinf その後、検出器は、次式を用いて２１００Ｈｚ周辺の小さな周波数帯域内部の 電力を推定する。 ここで、Ｓ_iおよびＳ_qは、それぞれ、サブサンプリングされた同相及び直交成分 であり、０＞β＞１である。トーンが存在するか否かを決めるために、推定トー ン電力Ｐ_tは、推定入力信号電力Ｐ_sと比較される必要がある。２１００Ｈｚトー ンは、例えば２６０ｍｓの所定の期間に以下の２つの条件が同時に適合する場合 に存在しているものと決定される。 ２）トーン電力Ｐ_tが、−３３ｄＢｍＯよりも大きく、かつ ３）Ｐ_t＞０．５Ｐ_s 第１の条件は、トーンが、ＩＴＵ−Ｔ Ｇ．１６５仕様に従った意義を持つ充 分高い電力を有するか否かを決めるために使用される。第２の条件は、そのトー ンが純音として検出されるべき全信号電力と比較して、充分大きな電力を有する ことを確認するものである。 トーンが存在することが決定された場合、検出器は１８０゜の位相反転が生じ ているかどうかを決定する必要がある。このため、検出器は、ダウンサンプリン グされた信号の位相角を計算する。固定小数点法において、アークタンジェント は、次式によって与えられるベイド近似法を用いて容易に計算され得る。 従って、位相角は、次式によって得られる。 ここで、ａ及びｂは、それぞれ現在の直交及び同相成分である。上式によって 得られた結果は、ａ及びｂの符号に従って１８０゜を加算または減算することに よって、さらに間隔−１８０、１８０゜移動させられる。 純音に対して、位相推定量は、次式によって与えられる時間の線形関数である 。 相関数は、位相推定量を微分し、その結果をしきい値と比較することによって検 出される不連続性を有する。その不連続性は、導関数内にインパルスとして現れ る。しかし、位相の一次導関数は、しきい値において考慮されるべき未知の定数 い。従って、二次導関数は、検出目的で選ばれているが、それに限定されるもの ではない。二次導関数は、位相反転が起こったとき、さもなければ０に近いとき 、逆極性を持つ２つの連続したインパルスを含む。一方が対応する差分による微 分値に近い場合、それらのインパルスの高さは、存在する位相変化に直接関係す る。二次差分は、次式のようにして計算される。 ｄ（ｔ）＝φ（ｔ）−２φ（ｔ−τ）＋φ（ｔ−２τ） ここで、τは、差分演算子の整数基線値である。 位相反転を検出するために、検出器は、位相の二次差分を計算し、その結果を 間隔（−１８０，１８０）度に変換し、その結果の絶対値を比較器４６内のしき い値と比較する。一実施例では、そのしきい値が１３２．５、すなわち、１１０ と１５５゜の平均値、に設定される。出力が、差分演算子の基線値によって時間 的に分離された、２個の連続したピークを有する場合には、位相反転が存在して いるものと決定される。 図７（ａ）−（ｂ）に表わされているように、トーンの位相が１８０度だけ変 化する場合には、一次差分φ（ｔ）φ（ｔ−τ）は、トーンの周波数によって決 定される定数および１８０度の高さを持つピークからなる。二次差分は、２つの １８０度ピークからなる。その定数成分は取り除かれる。その後、二次差分が、 しきい値と比較される。比較を簡単に行うために、必要ならば３６０度を加算ま たは減算することによって、二次導関数が、最初にアーク関数の主要値の間隔、 すなわち（−１８０、１８０）度に変換される。二次導関数の絶対値を取ること によって、さらに簡単にすることができる。従って、ただ一つの正のしきい値が 必要とされるだけである。しかし、これは単に実施を簡単化するためだけである ことに留意されるべきである。二次導関数の値がτによって分離された２つの時 刻にしきい値を越える場合には、位相反転が存在するということが決定される。 ローパスフィルタリングは、サブサンプルされた信号においても、復調器の出 力における位相ジャンプが、数個の連続したサンプルにわたって平滑化されるよ うなやり方で、その信号に影響をあたえる。拡張の負の影響を低減させるために 、二次差分は、充分大きな基線τと比較されるべきである。本発明の一実施例に よれば、８個のサンプルに等しい基線値が使用される。当業者は、本発明がその 精神すなわち必然的な特性から逸脱することなく、他の形態においても実施され 得ることを理解されるであろう。従って、現に開示された実施例は、すべての点 において実例であり、それに制限されるものではない。本発明の範囲は、前述の 説明よりもむしろここに添付した請求の範囲によって示され、均等の範囲に入る あらゆる変更が、本発明の範囲に包含される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ， ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，Ｇ Ｅ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ， ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，Ｐ Ｌ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. 電話システムにおける反響消去装置の動作を制御するためのトーン検出器 であって、上記トーン検出器が、 入力信号の第１の電力推定量を決定するための手段と、 上記入力信号を位相成分と直交成分に分割するための手段と、 上記同相及び直交成分をサブサンプルするための手段と、 上記サブサンプルされた同相及び直交成分を用いて、第２の電力推定量を決定 するための手段と、 上記第１及び第２の電力推定量を比較し、所定のトーンが存在するかどうかを 決定するための手段と、 上記同相及び直交成分を用いて、上記所定のトーン内の位相反転を検出するた めの手段、 から構成されていることを特徴とするトーン検出器。 2. 請求の範囲第１項に記載のトーン検出器において、約１５５から２０５度 の位相反転が、約４２０から４８０ミリ秒の間隔で、無効化トーン信号内に発生 することを特徴とするトーン検出器。 3. 請求の範囲第１項に記載のトーン検出器において、上記所定のトーンが、 約２１００Ｈｚであることを特徴とするトーン検出器。 4. 請求の範囲第１項に記載のトーン検出器において、上記所定のトーンが、 ２０７９から２１２１Ｈｚの範囲内にあることを特徴とするトーン検出器。 5. 請求の範囲第１項に記載のトーン検出器において、上記位相反転を検出す るための手段が、 上記位相推定量の高次導関数を決定するための手段と、 上記導関数を、−１８０、１８０度間の間隔内にある第１の値に変換するため の手段と、 上記第１の値の絶対値をしきい値と比較し、位相反転の存在を決定するための 手段、 から構成されていることを特徴とするトーン検出器。 6. 請求の範囲第５項に記載のトーン検出器において、上記高次導関数が二次 導関数であることを特徴とするトーン検出器。 7. 請求の範囲第５項に記載のトーン検出器において、上記しきい値が１３２ ．５度であることを特徴とするトーン検出器。 8. 電話システムにおける反響消去装置において無効化トーンを検出する方法 であって、上記方法が、 入力信号の第１の電力推定量を決定するステップと、 上記入力信号を同相成分と直交成分に分割するステップと、 上記同相及び直交成分をサブサンプルするステップと、 上記サブサンプルされた同相及び直交成分を用いて、第２の電力推定量を決定 するステップと、 上記第１及び第２の電力推定量を比較し、所定のトーンが存在するかどうかを 決定するステップと、 上記同相及び直交成分を用いて、上記所定のトーン内の位相反転を検出するス テップと、 から成ることを特徴とする無効化トーンの検出方法。 9. 請求の範囲第１項に記載の無効化トーンの検出方法において、約１５５か ら２０５度の位相反転が、約４２０から４８０ミリ秒の間隔で、無効化トーン信 号内に発生することを特徴とする無効化トーンの検出方法。 10. 請求の範囲第１項に記載の無効化トーンの検出方法において、上記所定の トーンが、約２１００Ｈｚであることを特徴とする無効化トーンの検出方法。 11. 請求の範囲第１項に記載の無効化トーンの検出方法において、上記所定の トーンが、２０７９から２１２１Ｈｚの範囲内にあることを特徴とする無効化ト ーンの検出方法。 12. 請求の範囲第１項に記載の無効化トーンの検出方法において、上記位相反 転を検出するステップが、 上記位相推定量の高次導関数を決定するステップと、 上記導関数を、−１８０、１８０度間の間隔内にある第１の値に変換するステ ップと、 上記第１の値の絶対値をしきい値と比較し、位相反転の存在を決定するステッ プと、 から成ることを特徴とする無効化トーンの検出方法。 13. 請求の範囲第５項に記載の無効化トーンの検出方法において、上記高次導 関数が二次導関数であることを特徴とする無効化トーンの検出方法。 14. 請求の範囲第５項に記載の無効化トーンの検出方法において、上記しきい 値が１３２．５度であることを特徴とする無効化トーンの検出方法。