JP3983809B2 - 回線網反響消去装置用の無効化トーン検出器 - Google Patents

Description

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２１００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１６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。

ここで、

は、入力トーンの周波数である。位相反転が存在する場合には、位相関数は、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。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成分２π

を含む。この成分は、二次以上の導関数には存在しない。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。

Claims (10)

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、
   上記入力信号を同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、
   上記サブサンプルされた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と、を有し、
   上記位相反転を検出するための手段は、
   位相推定量の二次導関数を決定するための手段と、
   上記二次導関数を、−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と、
   を有す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。
6. 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、
   上記サブサンプルされた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、を有し、
   上記位相反転を検出するステップは、
   位相推定量の二次導関数を決定するステップと、
   上記二次導関数を、−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、
   を有することを特徴とする無効化トーンの検出方法。
7. 請求の範囲第６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。
8. 請求の範囲第６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。
9. 請求の範囲第６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。
10. 請求の範囲第６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。

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