JP4700663B2

JP4700663B2 - 通信システムにおけるサブバンドのエコー位置決定とダブルトークの検出

Info

Publication number: JP4700663B2
Application number: JP2007230414A
Authority: JP
Inventors: セイバートマイケル
Original assignee: ザーリンク・セミコンダクター・インコーポレイテッド
Priority date: 2001-08-29
Filing date: 2007-09-05
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2022-08-28
Also published as: DE10240007B4; GB0120868D0; US7003101B2; US20040037417A1; JP2007329971A; FR2829323B1; CN1177455C; DE10240007A1; GB2379369A; JP2003134005A; KR100627944B1; CN1402504A; KR20030019184A; FR2829323A1; GB2379369B

Description

この発明は通信の分野に関し、特に通信システムにおけるエコー（反響）の位置を決定するとともにダブルトーク（double-talk）を検出する方法に関する。本発明の方法は、通信チャネル内の最大３個までの個別のエコーを検出して追跡するために使用され、計算量を追加せずにダブルトークを自動検出する。これらの働きは、エコーキャンセラシステムに用いる重要な機能である。

エコーは電話チャネルにおける深刻な問題である。人が電話機に向かって話をすると、音声信号が被呼者に届くが、この場合、信号の一部がエコーとして発呼者の電話機に戻ってくる。エコーの遅れがはっきり判るようになると、この現象はその通話をしている人達に非常に迷惑である。

エコー消去は、たとえば、音声、データ伝送およびビデオなど、電気通信に使用される各種信号を再生するために広範囲に使用されてきた。エコー消去を実行するための数学的アルゴリズムを探求することによって、計算量、費用および性能が様々ないくつかの異なる方法が作られてきた。

エコー消去の従来の方法は、長さLの適応形フィルタを使用することであり、ここでLは、エコーの継続時間を若干延長するために必要なタップの数に等しい。これについては、たとえば、S. Haykin、適応形フィルタの理論（Adaptive Filter Theory）、Prentice-Hall, Upper Saddle River, NJ (1996)を参照されたい。過去においては、64msまでのエコーを処理する能力が標準であったが、128 msが標準になりつつある。ビットレートが１秒あたり8000サンプルの従来の電話では、エコーのテール・キャパシティ（tail capacity）が64 msの場合、L = 512が必要であり、128 msの場合はL =1024が必要である。

数百チャネル、あるいは数千チャネルのエコーでさえ消去することが可能な超高密度のエコー消去部品を作りたいという要望は、設計者に大きな課題を提供している。たとえば、T3回線の672チャネルにおける128 msのエコーを消去するために公知の最小自乗平均（Least Mean Squares：LMS）アルゴリズムを使用すると、少なくとも１秒あたり110億回の積和演算（multiply-accumulates：MAC）計算が必要になる。

これは、１個のチップで実際かつ経済的に実現できることを超越している。

これを補うために、計算量が非常に小さいエコー位置決定器（very low computation echo locators：以下、小計算量エコー位置決定器と記す）を使用してLMSフィルタを支援することができる。エコー位置決定器は、いつ走行（run）すべきかということと、更新すべきタップをLMSフィルタに報知する。LMSフィルタは、チャネルのエコーパス（echo path）が変わるときに走行する必要があるだけである。たとえば、電話システムの場合、普通これが発生するのは、呼の開始時点だけである。T3の例の場合、すべてのチャネルを同時に収束（converge）する必要があることは到底ありそうにない。したがって、672個のLMSフィルタを用意することは不要である。むしろ、各チャネルが小計算量エコー位置決定器を備え、これらのエコー位置決定器が、必要に応じてチャネルを収束するためにLMSフィルタの非常に小さいプールを割り当てる。

小計算量エコー位置決定器はサブバンド化（subbanding）を利用することが多い。たとえば、M. VetterliおよびJ. Kovacevic、ウェーブレットとサブバンド符号化（Wavelets and Subband Coding）、Prentice-Hall, Upper Saddle River, NJ (1995)を参照されたい。サブバンド化には、周波数範囲を隔離する帯域通過フィルタを使用することが含まれる。この処理の後に、信号のサンプリングレートを小さくするダウンサンプリングが続いている。サブバンド化された信号上でLMSを走行させ、非常に少ない計算量でエコーを追跡することが可能である。

ダブルトークは、すべてのエコーキャンセラが直面するもう一つの課題である。ダブルトークの条件は、エコーキャンセラの両側から信号が同時に伝送される場合に発生する。そのような状況では、エコーパスの戻り（return echo path）信号、S_IN（図１を参照）は、エコー源から戻ってくるエコー信号と、ダブルトーク信号の双方を含む。ダブルトークは、LMSに基づくエコーキャンセラが正しいエコーパスに収束することを妨害する。さらにダブルトークによって、あらかじめ収束したエコーキャンセラが予測不能な状態に発散（diverge）してしまう。発散してしまうと、エコーキャンセラはもはやエコーを消去できなくなるので、正しい解（correct solution）に再び収束（reconverge）しなければならない。そのような挙動は容認できないことであり、実際の装置では回避されるべきである。したがって、ダブルトークを検出して発散（divergence）を防止するために何らかの手段の必要性が存在する。

フルバンド（fullband）方法およびサブバンド方法を使用して、１つのエコー反射の長時間の遅延（bulk delay）と継続時間（スパン）を推定するエコー位置決定器は、PCT公報、第WO0105053号、件名「回線エコーの高速消去（Fast Line Echo Cancellation）」に既に説明されている。この特許は、「エンハンス・モード（enhanced mode）」で動作するフルバンド適応形フィルタを使用してエコーを消去するために、その後にエコー継続時間検出器（echo span detector）が続くバルク遅延推定器（bulk delay estimator）を使用することを提案している。エコー反射は、複数のサブバンド・フィルタを使用して発見される。１つだけのエコー反射が発見され消去できる。エコーパス内の複数の反射に対してなにも準備されず、ダブルトークによる発散を防止する方法は与えられていない。

本発明による方法は、ダブルトークを検出するとともに、パスの変化を自動的に追跡することができるが、これらの機能は強靱なエコーキャンセラにきわめて重要である。

本発明によれば、通信チャネルにおけるエコーキャンセラを制御する方法が提供される。この方法には、通信チャネルからの入力信号をサブバンドにサブバンド化し、サブバンド化された信号上で操作してサブバンド内のエコーの位置を決定し、さらにサブバンド化された信号のエコー位置を使用してエコーキャンセラを制御する、ことが含まれる。

本発明は、いくつかの点で先行技術と違っている。本発明の目的は、エコーの位置、ダブルトークおよびパス変化に関する情報をエコーキャンセラに提供することである。本発明が強調していることは、その技術が既に公知になっているエコーを消去することではなく、そのようなエコーキャンセラを制御することである。エコー反射の位置が判ると、先行技術による反響消去の方法を修正して、この情報を利用することができる。それらは、この情報が判らなかった場合に可能であったよりも効率的にエコーを消去することができる。それだけでなく、この情報は、１つのサブバンドを分析、若しくは解析するだけで提供され、計算量を最小にするとともに、チャネル密度を最大にする。

本発明の好適実施例では、入力信号は、サブバンド・フィルタを経由してダウンサンプリングされる。次に正規化LMS（Normalized LMS：NLMS）アルゴリズムがサブバンド化された信号上で走行し、サブバンド内のエコーを消去する。次にピーク検出方法を使用してエコーを追跡（トレース）するために、適応形フィルタのタップが解析される。３つまでの個別のエコー反射を識別して追跡（トラック）することができる。このほか、タップの平均値は、エコーリターンロスの増加（echo return loss enhancement：ERLE）と同じく、計算される。タップの平均値は、ダブルトークの存在を断言するために使用される。適応形フィルタがどれだけ多くのエコーを消去しているか推定するERLEは、パス変化が発生したか否かを示す。この情報のすべては、たとえば、エコー位置決定器からフルバンドエコーキャンセラに送られる。

本発明の方法は、最小計算量の負荷として、サブバンドを１つ解析するだけで、同じエコーパス内の多数のエコー反射位置を決定するとともに追跡することができる。本発明の方法は、ダブルトークを自動的に検出して、エコーキャンセラのような外部装置に上記情報を報告することができる。

別の態様における本発明は、エコーキャンセラコントローラを制御する装置を提供する。この装置は、入力信号をサブバンドにサブバンド化するサブバンド化装置（subbander）、サブバンド内の信号を処理する適応形フィルタ、適応形フィルタのフィルタ係数からエコーの位置を決定する検出器、前記サブバンド内の前記エコーの位置を表す信号を出力する出力装置（output）を含む。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明を詳細に説明する。

エコー消去技術に共通して使用されるいくつかの用語を定義することは、本発明を理解する場合に役立つであろう。

適応形フィルタとは、動作中にその係数を変更することができるフィルタである。適応形フィルタは、たとえば、未知のエコーパスのような未知のパラメータを推定するために使用される。

収束（convergence）とは、LMSフィルタがエコーパスのモデルを正確に作り上げた場合に達成され、もはや有意な変化を実行していない条件である。収束しているときは、LMSフィルタは最大量のエコーを消去中である。

発散（Divergence）とは、LMSフィルタの係数が実際のエコーパスから離れ、誤りを含むとともに予測不能の解に移動するプロセスである。発散中は、消去中のエコーの量が次第に小さくなる。

ダブルトークとは、エコーキャンセラの両側から信号が同時に伝送されている間に発生する条件のことである。

エコーパスとは、信号にエコーを与えるプロセスの数学的記述である。

ERLつまりエコーリターンロスとは、信号がエコーパスに沿ってR_OUTからS_INに進むときに遭遇する損失である。

ERLEつまりエコーリターンロスの増加（Echo Return Loss Enhancement：ERLE）は、エコーキャンセラの性能を測定するための一般的な方法である。この測定は、エコー信号の量がS_INからS_OUTに小さくなったことを表す。

ハイブリッドとは、電話回線で広く使用される２線回線と４線回線の間の多重化装置（2-to-4 wire multiplexing device）のことである。ハイブリッドにおけるインピーダンスの不整合は、エコーの一般的な発生源である。

LMSアルゴリズムつまり最小自乗平均アルゴリズムは、一般的なフィルタリング手法である。

NLMSアルゴリズムつまり正規化最小自乗平均アルゴリズムは、標準LMSの変形であり、このアルゴリズムでは、入力信号の電力の逆数によってタップの重みの更新期間が増減する。

サブバンド化とは、信号が帯域通過フィルタを通過した後、ダウンサンプリングされるプロセスのことである。

本発明は、エコー消去用適応形フィルタを制御する手段として、エコーの位置を決定し、ダブルトークおよびパス変化を検出することが統合されたユニットに関する。このようなシステムは図１に示されており、適応形フィルタ１０とエコー位置決定器１２を含む。本技術に精通している当業者には、標準的であるがエコー位置決定器ブロックが付属しているエコー消去回路（echo cancellation topology）であることが判るであろう。

電話システムの場合、エコーパスはたいていゼロであるが、いろいろな位置（locations）における短いエコー反射が付随する。たいてい、これらの反射は、信号パスに沿った各種地点で発生する２線・４線間（2-to-4 wire）ハイブリッドのインピーダンス不整合によって発生する。１個または２個の反射は珍しくないが、３個の反射は非常にまれである。２個のハイブリッドからの反射を含むエコーパスの例を図２に示す。

エコーパスがまばらな（短時間の個別の反射があるが、たいていはゼロである）ことは、エコーの全長に亘って適応形フィルタを走行させることが非常に無駄であることを意味している。タップの80 %から90 %がゼロであるから、これらのタップを更新する必要が無いことは珍しくない。エコー位置決定器１２は、どのタップを更新すべきかということをフルバンド適応形フィルタに指示することによって、不要な計算量を削減する。位置決定器１２は、フルバンド・フィルタよりもずっと小さい計算量で走行する。

本発明の好適実施例が図３に示されている。信号R_INおよびS_INはエコー位置決定器１２に入り、デシメーター（decimators）１４でダウンサンプリングされ、サブバンド・フィルタ１６によって濾波される。好適実施例の場合、サブバンド・フィルタは、96タップ・シングルサイドFIRフィルタである。これらのサブバンド・フィルタは、多相DFT法を使用して実現される。これについては、たとえば、Qu Jin, Zhi-Quan (Tom) Luo, Kon Max Wongによる、「信号分解用最適フィルタバンクと適応形反響消去におけるその応用（Optimum Filter Banks for Signal Decomposition and Its Application in Adaptive Echo Cancellation）」, IEEE季報、信号処理、第44巻、1669-1679頁、July, 1996を参照されたい。ここでこの論文に言及することにより、この論文の開示内容を本願に組み入れることにする。この論文によれば、フィルタリングの前にダウンサンプリングを実行することができるので、計算量を最小にすることができる。サブバンド・フィルタは、ほぼ−25 dBでエイリアシング（aliasing）が発生する525 Hzと725 Hzの間の正の周波数だけを通過させるように設計されている。K = 32のダウンサンプリング・レートが使用される。

R_INからサブバンド化された信号は、サブバンド化されたNLMS適応形フィルタ１８に入る。最長128 msの遅延のあるエコーの位置を決定するためには、フルバンド適応形フィルタに1024個のタップが必要であり、1024/K = 32であるから、サブバンド適応形フィルタには32個のタップがある。サブバンド化すると、サブバンド化された領域におけるエコーの実効長が因子Kだけ減少する。このエコーの長さの減小は、ダウンサンプリングによるビットレートの減少と対になって、計算量を非常に小さくする。好適実施例におけるサブバンドNLMSフィルタは、比較されるフルバンド・フィルタより32² = 1024倍小さい計算量を使用する。

サブバンドNLMSフィルタ１８がエコーのレプリカを生成すると、このレプリカは、S_INからくるサブバンド化された信号から減算される。得られたエラー信号はNLMSフィルタ１８のタップを更新するために使用される。

NLMSフィルタからの３２個のタップは、ピーク検出器ブロック２０に入る。このブロックは、フィルタ係数の絶対値を解析して、エコー反射がどこに位置するかを決定する。これを実行するためにはいくつかの方法があるが、このプロセスの本質は、フィルタのプロフィールにおけるピークの位置を決定することである。ピークは、反射が位置されるコーパスの領域（regions）を指す。好適実施例におけるピーク検出器ブロックは、３個までの反射の位置を見つけて追跡（トラック）することができるが、ピークをいくつでも見つけるように、このピーク検出器ブロックを改造することができる。プロセスの中で支援するために、係数の平均値が計算される。この値より小さい係数は、すべてゼロに設定される。この設定により、タップのノイズとエイリアシングがピーク検出プロセスに影響することが防止される。

図４は、ピーク検出プロセスを示す。最上部のグラフは、ハイブリッドが２個ある図２からのエコーパスを示しており、１つは15 msのところにあり、もう１つは90 msのところにある。中間のグラフは、このエコーパスのサブバンド領域に収束した後のNLMSフィルタの係数の絶対値を示している。実線はタップの平均値を示す。最下部のグラフは、ピーク検出の結果を示す。ゼロではない係数の２つの塊（clumps）は、サブバンド化されたNLMSフィルタ係数を用いて位置発見に成功したハイブリッドを示している。各ピークの位置は、最上部のグラフの反射と一致して一列に並んでいる。

ダブルトークの検出のために、平均NLMSフィルタ係数の平均値が使用される。この平均値は既にピーク検出器によって計算されているので、平均値を得るための計算は不要である。エコーパスがまばらであるため、タップの平均値はゼロに近い。フィルタのタップの大きな値はエコーに対応するので、２個から３個の大きな係数があるのが普通である。残りの値はすべて小さいはずである。図５に示すように、この状態が発生しない唯一の時間はダブルトークの場合である。最上部のグラフはシングルトーク中のNLMS係数を示しており、それらの係数を通る線として平均値が描かれている。最下部のグラフは、ダブルトーク中の係数を示す。ダブルトーク中は、ほとんどの係数が大きく、タップの平均値は非常に大きい。

好適実施例においては、最大ピークとタップの平均値との比率がとられている。この比率が小さければ小さいほど、ダブルトークがより多く存在する。ダブルトークのフラグ（図３のDT線）は、この比率がある閾値より小さい場合に設定される。図５における最大ピークとタップの平均値との比率は、シングルトークの場合は約6:1であるが、ダブルトークの場合は2:1にすぎない。約3:1または4:1より小さい比率は、ダブルトークの良好な指標である。

パスの変化は２つの方法で追跡される。反射の位置が変わると、NLMS係数のピークが移動する。これは、実行が容易な１つのパス変化のチェックである。パス変化（ΔPath）フラグは、ピークの位置が変わるといつでも設定される。

処理がより困難な状況は、反射の位置が変わらないが特性が変わる場合、すなわち、回線が異なるハイブリッドに切り替わる場合である。ピークは移動しないが、ERLEは劇的に低下する。実際、パスが変わるときはいつでもERLEが低下する。ERLEは、S_INとS_OUTの比率を計算することによって監視される。ERLEが急激に低下する場合は、パス変化またはダブルトークのいずれかを示す。ERLEが低下した場合にDTフラグが設定されない場合は、パス変化フラグが設定される。

本発明の説明中に、それぞれの好適実施例が示されているが、いろいろな設計が存在することは勿論である。

M. VetterliおよびJ. Kovacevic、ウェーブレットとサブバンド符号化（Wavelets and Subband Coding）、Prentice-Hall, Upper Saddle River, NJ (1995)、G. Strang およびT. Nguyen、ウェーブレットとフィルタバンク（Wavelets and Filter Banks）、Addison Wesley, Cambridge, MA (1996)およびP. P. Vaidyanathan、マルチレート・システムとフィルタバンク（Multirate Systems and Filter Banks）、Prentice-Hall, Upper Saddle River, NJ (1993)は、多数の異なるサブバンド・フィルタの設計方法を例示しているが、それらの方法のどれを使用しても良い。代替実施例は、IIRフィルタ、ダブルサイド・フィルタ、縦続接続（cascaded）設計または多段（multi-stage）設計インプリメンテーション、ウェーブレットの分解、あるいは他のいくつかの方法のいずれかを使用しても良い。

S. Haykin、適応形フィルタの理論（Adaptive Filter Theory）、Prentice-Hall, Upper Saddle River, NJ (1996)は、ここで使用できるいくつかの適応形フィルタ・アルゴリズムを説明している。NLMSのほかに、アフィン投影法（Affin Projection）、RLS法および最小自乗法、さらにはそれらから派生した方法が存在する。

エコーの位置、ダブルトークおよびパス変化を検出するために使用される方法は、NLMSフィルタを使用して得られた結果の特性を利用する。他の手法も確かに可能である。たとえば、平均を上回るNLMSのタップの数を計数することによってダブルトークを検出することができる。図５に示すように、シングルトークの場合は６個だけが平均値以上であるが、ダブルトーク中は１５個が平均値以上である。

この説明の中で示された方法は、すべてを網羅したリストではなく、検討済みまたはテスト済みの方法だけである。特許請求の範囲に定義した本発明の趣旨を逸脱することなく他の方法をつくり出すことができることは、当業者には明らかである。

LMS適応形フィルタを使用するエコーキャンセラのブロック図である。２個のハイブリッドがあるエコーパスを示す図である。本発明の好適実施例によるエコー位置決定器ブロックのブロック図である。サブバンドNLMSフィルタの一連の係数のグラフを示す図である。 NLMSフィルタの係数でダブルトークの効果を示す図である。

符号の説明

１０適応形フィルタ
１２エコー位置決定器
１４デシメーター
１６サブバンド・フィルタ
１８サブバンドNLMSフィルタ
２０ピーク検出器ブロック
２２ダブルトーク検出器

Claims

通信チャネルにおける、フルバンドエコーキャンセラを制御する方法であって、
通信チャネルからの入力信号をダウンサンプリングしてサブバンドにサブバンド化し、
前記サブバンド化された信号上で操作して前記サブバンド内のエコーの位置を、適応形フィルタを用い、前記適応形フィルタのフィルタ係数の絶対値のピークから決定し、
前記サブバンド化された信号の前記エコーの位置を用いて、前記フルバンドエコーキャンセラの、前記エコーの位置に対応するタップ係数の値が制御されるように前記フルバンドエコーキャンセラを制御し、前記適応形フィルタの前記フィルタ係数は、ダブルトークを検出するために分析される、
ことを含む方法。
請求項１に記載の方法において、前記フィルタ係数の平均値は、ダブルトークを検出するために分析される前記方法。
請求項２に記載の方法において、ダブルトークは、フィルタ係数の最高ピーク値と平均値との比率を調べるとともに、前記比率が所定の閾値を超えるときを決定することによって検出される前記方法。
請求項１に記載の方法であって、前記サブバンド内のエコーの位置の変化を検出することによって、パス変化を表示することをさらに含む前記方法。
請求項１に記載の方法であって、前記サブバンド内のERLEの変化を検出することによって、パス変化を表示することをさらに含む前記方法。
請求項１から請求項３のいずれかの請求項に記載の方法において、前記サブバンド内の前記ダブルトークの検出は、前記エコーキャンセラを制御するためにも使用される前記方法。
請求項４または請求項５に記載の方法において、前記サブバンド内の前記パス変化の検出は、前記エコーキャンセラを制御するためにも使用される前記方法。
フルバンドエコーキャンセラを制御する装置であって、
入力信号を、ダウンサンプリングして、サブバンドにサブバンド化するサブバンド化装置と、
前記サブバンド内の信号を処理する適応形フィルタと、
前記適応形フィルタのフィルタ係数からエコーの位置を、前記適応形フィルタを用い、前記適応形フィルタのフィルタ係数の絶対値のピークから決定する検出器と、
前記サブバンド内の前記エコーの位置を表す信号を出力する出力装置と、
前記適応形フィルタの前記フィルタ係数からダブルトークを検出するダブルトーク検出器と、
を含み、前記フルバンドエコーキャンセラの、前記エコーの位置に対応するタップ係数の値が制御されるように、前記フルバンドエコーキャンセラを制御する前記装置。
請求項８に記載の装置において、前記ダブルトーク検出器は前記フィルタ係数のピーク値と前記平均値を比較することによってダブルトークを検出する前記装置。
請求項９に記載の装置において、前記ダブルトーク検出器はパス変化をさらに検出する前記装置。
請求項１０に記載の装置において、前記ダブルトーク検出器は、エコーの位置の変化を検出することによってパス変化を検出する前記装置。
請求項１１に記載の装置において、前記ダブルトーク検出器は、ERLEの変化を検出することによってパス変化を検出する前記装置。