DE1812413B2

DE1812413B2 - Sich anpassende Echounterdrückungseinrichtung für Nachrichtenübertragungssysteme

Info

Publication number: DE1812413B2
Application number: DE19681812413
Authority: DE
Inventors: John Ellison Freehold N.J. Unrue jun. (V.St.A.)
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1967-12-08
Filing date: 1968-12-03
Publication date: 1970-11-12
Also published as: FR1600516A; GB1185000A; SE337235B; DE1812413A1; US3508017A; NL6817226A

Description

Die Erfindung betrifft eine Echounterdrückungseinrichtung für Nachrichtenübertragungssysteme mit übertragungswagen begrenzter Bandbreite. Sie kann in einem Zweiweg-Nachrichtenübertragungssystem von extrem großer Länge benutzt werden, z. B. in einem System, das einen Satellitenverstärker in einer Umlaufbahn um die Erde enthält.

In einem Nachrichtenübertragungssystem tritt ein Echo auf, wenn ein elektrisches Signal über eine Verbindung mit unvollkommener Anpassung, z. B. eine Gabelschaltung, übertragen und das Signal teilweise zur Signalquelle reflektiert wird. Weil Signale in Nachrichtenübertragungssystemen zwangsläufig eine gewisse Laufzeit haben, wird das reflektierte Signal oder Echo einige Zeit nach der Übertragung der Sprache hörbar. Wenn die Entfernungen zunehmen, braucht das Echo länger, um den Sprecher zu erreichen und wird zunehmend störend. Es wurde daher der Versuch gemacht, diese Echos mit von der Sprache betätigten Einrichtungen zu steuern, die als Echounterdrücker bekannt sind und die bewirken, daß der Sprechweg in der einen Richtung gedämpft oder außer Tätigkeit gesetzt wird, wenn ein Signal in der anderen Richtung festgestellt wird.

Für Ubertragungswege mit mittleren Verzögerungen, z. B. terrestrische transkontinentale Nachrichtenkanäle, liegt die Verzögerung in der Größenordnung von mehreren zehn Millisekunden. Dies reicht aus, um getrennt hörbare Echos zu erzeugen, die unkontrolliert die Güte der Sprechverbindung beeinträchtigen. Es sind Echounterdrücker entwickelt worden, die mit derartigen Echos in hinreichender Weise fertig werden. Für Satellitenübertragungen kann jedoch die Verzögerung in der Größenordnung von mehreren hundert Millisekunden liegen, je nach der Höhe des Satelliten, der Anzahl der beteiligten Satelliten usw. Bei einer Unterhaltung, die über ein System mit einer derart großen Verzögerung geführt wird, hat man festgestellt, daß die Tendenz besteht, daß der eine Sprecher der Antwort des anderen Sprechers zuvorkommt und in die Unterhaltung einfällt, ohne es zu bemerken. Typischerweise fällt er ein, um seine vorher übertragene Äußerung zu wiederholen oder nach deren Empfang durch den anderen Sprecher zu fragen, wobei dies während der Zeit geschieht, in der die verzögerte Antwort übertragen wird.

Das gleichzeitige Vorhandensein von Sprachsignalen in beiden Ubertragungswegen am Ort des Echounterdrückers ergibt ein Dilemma, das zu zwei möglichen Ergebnissen führen kann. Entweder wird der außer Tätigkeit gesetzte übertragungsweg wieder hergestellt, wodurch das Echo zurückgeleitet werden kann, oder der übertragungsweg bleibt außer Tätigkeit, wodurch verhindert wird, daß die Sprache des einen Teilnehmers an der Unterhaltung den anderen Teilnehmer erreicht. Der letztere Fall gibt Anlaß zu einer Verschlechterung, die als »Zerhacken« oder »Abschneiden« bekannt ist. Die Verschlechterung entsteht ohne Rücksicht auf die Arbeitsweise des Echounterdrückers während dieser Perioden der gleichzeitigen Äußerungen beider Teilnehmer. Es wurde festgestellt, daß die Häufigkeit derartiger Perioden mit der Laufzeit der übertragung zunimmt, wodurch eine Verminderung der Qualität der übertragung entsteht.

Für diese Systeme mit großer Verzögerung ist eine Einrichtung, die sich anpassender Echounterdrücker genannt wird, bekannt, die Echos durch Unterdrükkung beseitigt und gleichzeitig die übertragung in beiden Richtungen ermöglicht. Die Arbeitsweise eines sich anpassenden Echounterdrückers wurde in einem Aufsatz »An Adaptive Echo Canceller« von M. M. S ο η d h i in »The Bell System Technical Journal«, Bd. 46, März 1967, S. 497 bis 511, beschrieben. Kurz zusammengefaßt, erzeugt ein Netzwerk im Echounterdrücker synthetisch ein Abbild des Echosignals durch Verarbeiten des ankommenden Signals in dem einseitig gerichteten übertragungsweg, der zu dem Vierdraht-Zweidraht-Ubergang führt, der gewöhnlich Gabel genannt wird. Der von der Gabel abgehende einseitig gerichtete übertragungsweg ist mit dem einen Eingang eines Differenzverstärkers verbunden, dessen anderem Eingang das synthetisch erzeugte Abbild des Echosignals zugeführt wird. Der Ausgang des Differenzverstärkers ist über eine Fehlersignalsteuerschaltung mit dem Synthesenetzwerk verbunden, wodurch ein Rückkopplungskreis entsteht, der sich den Ubertragungseigenschaften des Echowegs anpaßt und Änderungen dieses Wegs feststellt, die während einer Unterhaltung auftreten können.

Bei einer Art derartiger Echounterdrücker wird ein sich selbst einstellendes Querfilter mit Signalen gespeist, die an einem Vierdraht-Zweidraht-Ubergang ankommen. Fehlersignale, die durch Verarbeiten von Signalen im abgehenden Weg erzeugt werden, steuern fortlaufend die Einstellung des Querfilters derart, daß es ein Abbild des unerwünschten Echos an seinem Ausgang erzeugt. Das Abbildsignal wird dann von den abgehenden Signalen subtrahiert und die Differenz als neues Fehlersignal zur Steuerung des Querfilters ausgewertet.

Der Grad, bis zu dem dieser Echounterdrücker des Querfiltertyps in der Lage ist, das unerwünschte Echo zu unterdrücken, ist von der Anzahl der Abgriffe einer Verzögerungsleitung abhängig, die im Querfilter verfügbar sind und benutzt werden. Bei einer begrenzten Anzahl von Abgriffen ist eine vollständige Unterdrückung nicht möglich. Eine unbegrenzte Anzahl von Abgriffen ist selbstverständlich unmöglich, auch ist eine extrem große Anzahl von Abgriffen praktisch nicht ausführbar und verbietet sich aus wirtschaftlichen Gründen, da die zu jedem zusätzlichen Abgriff gehörigen zusätzlichen Schaltungen die Kosten des vollständigen Echounterdrückers beträchtlich erhöhen. Wenn auch der oben beschriebene Echounterdrücker eine beträchtliche Verbesserung der Unterdrückung von Echos bringt, so kann doch noch ein Restecho vorhanden sein. Es ist Aufgabe der Erfindung, derartige Restechos zu verringern.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine sich anpassende Echounterdrückungseinrichtung für Nachrichten-Übertragungssysteme begrenzter Bandbreite mit Zweidraht- Vierdraht-Ubergang, bestehend aus einer von den Signalen des ankommenden Vierdrahtweges gespeisten, einstellbaren Syntheseeinrichtung zum Erzeugen eines synthetischen Echosignals, ferner aus einer Differenzschaltung im abgehenden Vierdrahtweg, um das synthetische Echosignal und das tatsächliche Echosignal algebraisch zu addieren und unter Verringerung der Größe des Echosignals ein Differenzsignal zu erzeugen, und schließlich aus einer Steuerschaltung zum Einstellen der Syntheseeinrichtung entsprechend dem Differenzsignal, erfindungsgemäß mit einem Bandpaßfilter im abgehenden Vierdrahtweg am Ausgang der Differenzschaltung versehen,

welches Dämpfungsmaxima an den Rändern des Durchlaßfrequenzbandes aufweist.

Es wird gezeigt werden, daß das Energiespektrum des Restechos in unerwarteter Weise an den Rändern des Frequenzdurchlaßbandes des übertragungswegs stark konzentriert ist, so daß ein Filter der beschriebenen Art durch große Dämpfung in diesen Gebieten das Restecho beträchtlich verringert und damit eine wesentliche Verbesserung der Ubertragungsqualität ergibt.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschema eines Zweiweg-Signalübertragungssystems mit der erfindungsgemäßen Echounterdrückungseinrichtung,

F i g. 2 ein Blockschema, das Schaltungseinzelheiten eines Teils des Systems der F i g. 1 darstellt und

F i g. 3 bis 5 Schaubilder zur Erklärung der Arbeitsweise der Systeme der F i g. 1 und 2.

F i g. 1 ist ein stark vereinfachtes Schema eines Signalübertragungssystems, das zwei Endstellen miteinander verbindet, die mit 0 (Ost) und W (West) bezeichnet sind. Die Zweiwegübertragung geschieht in folgender Weise: Eine Ortsleitung 10, die typischerweise als herkömmliche Zweidraht-Fernsprechleitung einen Teilnehmer mit der Endstelle W verbindet, ist durch die Gabelschaltung 11 mit dem einen Ende eines Vierdrahtsystems verbunden, das zwei getrennte Zweidrahtleitungen 12 und 13 enthält. In bekannter Weise stellt die Gabelschaltung eine einseitig gerichtete Verbindung für Sprachsignale von der Leitung 10 zur abgehenden Leitung 12 und eine andere einseitig gerichtete Verbindung für von der Leitung 13 zur Ortsleitung 19 ankommende Signale her. Die Impedanz der Ortsleitung 10 ist soweit wie möglich durch ein Nachbildnetzwerk 14 angepaßt, das zur Gabel 11 gehört.

Abgehende Signale auf der Leitung 12 gehen über das Differenznetzwerk 15 zum West-Ost-Ubertragungsweg 16 über ein Filter 31, das später beschrieben wird, oder über einen normalerweise geschlossenen überbrückungsschalter 32. Der Weg 16 kann eine Leitung sein, z. B. ein Unterwasserkabel oder eine Fernleitung, oder er kann über einen oder mehrere Erdsatelliten verlaufen. An der östlichen Endstelle gelangen die Signale vom Weg 16 über eine Echounterdrückungseinrichtung 40 (die gleich der später beschriebenen Echounterdrückungseinrichtung 30 ist) und über den Trennverstärker 29 zur Gabelschaltung 21. Die Gabel 21, die durch das Netzwerk 24 abgeschlossen ist, überträgt die über die Leitung 23 ankommenden Signale zur Teilnehmerleitung 20 und leitet die örtlich erzeugten Signale von der Leitung 20 zur abgehenden Leitung 22. Die Ausgangssignale auf der Leitung 22 werden über die Echounterdrückungseinrichtung 40 zum Ost-West-Ubertragungsweg 26 gegeben, der ebenfalls eine Satellitenübertragungsverbindung enthalten kann, und von dort zur Endstelle W. Die an der Endstelle W vom Weg 26 empfangenen Signale werden über die Leitung 13, die einen Trenn verstärker 19 enthält, zur Gabel 11 übertragen.

Im Idealfall gehen alle auf der Leitung 13 oder der Leitung 23 ankommenden Signale zu den entsprechenden Teilnehmerleitungen, und es wird kein Signal auf die abgehenden Leitungen 12 bzw. 22 übertragen. Unglücklicherweise ergeben die Nachbildnetzwerke im allgemeinen nur eine teilweise Anpassung an die Zweidrahtleitungen 10 und 20, wodurch ein Teil des ankommenden Signals die abgehende Leitung erreicht. Wenn keine hinreichende Unterdrückung vorhanden ist, geht dieser Teil zur entfernten Endstelle zurück und wird als Echo wahrgenommen. Deshalb wird eine Echounterdrückungseinrichtung verwendet, um das rückkehrende Signal zu beseitigen, ohne jedoch dabei die ankommenden oder abgehenden Wege zu unterbrechen.

In der Einrichtung 30, die zur Endstelle W gehört (eine gleiche Einrichtung 40 wird in der Endstelle O verwendet), wird das Verarbeitungsnetzwerk 17 mit Querfilter mit Signalen gespeist, die auf der Leitung 13 ankommen. Es erzeugt das erforderliche Abbild des ankommenden Signals, um den Teil des Signals auf der Leitung 12 zu unterdrücken, der dem Signal auf der Leitung 13 entspricht, d. h. das Echo. Dieses Echo wird dadurch unterdrückt, daß das Abbildsignal von dem Signal auf der Leitung 12 mittels des algebraischen Differenznetzwerkes 15 subtrahiert wird. Da sich der Charakter des Echosignals mit Änderungen im örtlichen Zweidrahtkreis ändert, z. B. beim Anschluß oder bei der Trennung eines Nebenstellenfernsprechers während einer Unterhaltung oder bei einer übertragung von Gesprächen über Tastenfernsprecher oder Nebenstellenzentralen, ist es notwendig, das Verarbeitungsnetzwerk 17 entsprechend dieser Änderung einzustellen. Diese Einstellung geschieht mit der Fehlersignalsteuerschaltung 18, deren Eingang mit dem Ausgang des Differenznetzwerkes 15 verbunden ist, und die den Grad des Echos feststellt, das nach der Bildung der Differenz noch vorhanden ist. Eine fortlaufende Einstellung gewährleistet eine schnelle Konvergenz der Anpassung zwischen dem Echo und dem verarbeiteten Unterdrückungssignal. Wenn die im Querfilterverarbeitungsnetzwerk 17 verwendete, mit Abgriffen versehene Verzögerungsleitung eine unendliche Länge mit einer unendlichen Anzahl von Abgriffen hätte, wäre die Anpassung theoretisch vollkommen, d. h., es herrscht Anpassung mit vollständiger Unterdrückung des Echos. Bei einer Verzögerungsleitung mit endlicher Länge und einer endlichen Anzahl von Abgriffen wird jedoch eine vollständige Unterdrückung nicht erreicht, so daß am Ausgang des Differenznetzwerkes

15 ein Restecho bleibt, und zwar auch nachdem die Einstellung durch die Steuerschaltung 18 beendet ist. Wie nachfolgend gezeigt wird, wurde festgestellt, daß das Energiespektrum des Restechos auf die Ränder des Durchlaßbandes der einseitig gerichteten Ubertragungswege konzentriert ist. Daher ist erfindungsgemäß ein Filter 31 mit einer hohen Dämpfung an den Brandrändern und einer minimalen Dämpfung dazwischen zwischen den Ausgang des Differenznetzwerks 15 und den übertragungsweg

16 geschaltet. Wenn vom übertragungsweg 26 kein Signal ankommt, gibt es selbstverständlich auf der Leitung 12 kein Echosignal, und das Filter 31 ist durch einen normalerweise geschlossenen Kontakt 32 überbrückt. Dementsprechend gehen auf der Ortsleitung 10 kommende Sprachsignale zur Leitung

12 und können unbeeinflußt durch das Filter 31 zum übertragungsweg 16 gelangen.

Wenn auf dem übertragungsweg 26 jedoch ein ankommendes Sprachsignal vorhanden ist, stellt der Sprachdetektor 33, dessen Eingang mit der Leitung

13 verbunden ist, das Vorhandensein des Sprachsignals fest und betätigt daraufhin ein dort vorge-

sehenes Relais R, das seinerseits den normalerweise geschlossenen Kontakt 32 öffnet, um das Filter 31 zwischen dem Ausgang des Differenznetzwerks 15 und dem übertragungsweg 16 einzuschalten. Infolgedessen wird das Restecho am Ausgang des Differenznetzwerks 15 durch das Filter 31 unterdrückt und dadurch die gesamte Echounterdrückung durch den Echounterdrücker 30 verbessert.

Der Kontakt 32 kann leicht als Teil eines Relais R vorgesehen werden, dessen Spule sich im Sprachdetektor 33 befindet und unter dem Einfluß eines Sprachsignals auf der Leitung 13 erregt wird. Wenn er auch symbolisch als mechanischer Kontakt dargestellt ist, so kann er doch aus einem elektronischen Schalter, z. B. einem Transistor, bestehen, der unter dem Einfluß des Sprachdetektors 33 betätigt wird.

Um mathematisch klarzustellen, daß der größte Teil der Energie des Restechos auf die Bandränder konzentriert ist, und daß daher ein Filter, das nur an den Bandrändern eine Dämpfung aufweist, das Restecho unterdrückt, ist zunächst eine eingehende Diskussion der Arbeitsweise des Querfilterverarbeitungsnetzwerkes 17 notwendig. In F i g. 2 ist ein Blockschema einer Echounterdrückungseinrichtung 30 mit einer eingehenden schematischen Darstellung des Querfilterverarbeitungsnetzwerkes 17 gezeigt.

In F i g. 2 werden die auf der Leitung 13 ankommenden Signale einem Querfilter zugeführt, das eine mit Abgriffen versehene Verzögerungsleitung mit den Verzögerungselementen 100-1 bis 100-iV enthält. Die Verzögerungsleitung 100 ist in geeigneter Weise mit dem Widerstand 101 abgeschlossen. Jedes Verzögerungselement der Verzögerungsleitung ergibt eine Verzögerung von T Sekunden gleich dem Nyquist-

Intervall yg, wobei B die Bandbreite der Leitung 13

in Hertz ist. Bei einem typischen praktischen Beispiel ergibt jedes Element der Verzögerungsleitung eine Verzögerung (T) von Vio Millisekunden Tür ein zugeführtes Signal. Somit sind genaue Abbilder des Signals auf der Leitung 13 wiederholt mit Intervallen von Vio Millisekunden verfügbar.

Die Verstärkung der einzelnen an den Abgriffen der Verzögerungsleitung erzeugten Signale wird mit Hilfe der Multiplikatornetzwerke 110-0 bis 110-JV eingestellt, über die sie geleitet werden, und die Signale werden im Summierungsnetzwerk 120 kombiniert. Die Multiplikatornetzwerke 110 wie auch die Multiplikatornetzwerke 112 (die später behandelt werden) sind in dieser Weise benannt, weil Schaltungen, die in der analogen Rechnertechnik als lineare Vierquadrant-Multiplikatoren bekannt sind, benutzt werden, um diese Netzwerke zu bilden. Funktionsmäßig kann jedoch jedes der Multiplikatornetzwerke 110 so aufgefaßt werden, daß es eine veränderbare Verstärkung (einschließlich einer positiven und einer negativen Verstärkung, sowie einer Verstärkung kleiner als Eins) zwischen seinem jeweiligen Ausgangsabgriff an der Verzögerungsleitung 100 und einem entsprechenden Eingang am Summierungsnetzwerk 120 bewirkt, wobei die Verstärkung, die jedes der Multiplikatornetzwerke 110 liefert, der Polarität und der Größe des Signals direkt proportional ist, das durch das jeweilige Integratornetzwerk 113 erzeugt wird. Dementsprechend werden die Multiplikatornetzwerke nachfolgend auch als Verstärkungssteuernetzwerke 110 bezeichnet. Das vom Ausgang des Summierungsnetzwerkes 120 kommende zusammengesetzte Signal geht zu einem Eingang des Differenznetzwerks 15, dessen anderer Eingang Signale der abgehenden Leitung 12 erhält. Das Differenznetzwerk 15 bildet die algebraische Differenz und liefert am Ausgang ein verringertes Echosignal.

Wenn eine statische Situation angenommen wird, d. h. eine Situation, bei der auf der Leitung 13 ein konstantes Signal ankommt und der Echoweg nicht geändert wird, genügen gewöhnliche Verfahren zum Einstellen der jeweiligen Verstärkungen der Steuernetzwerke 110, der Polarität der Signale, die von den Verstärkungssteuernetzwerken 110 ausgehen, und der Anzahl der im Verzögerungsnetzwerk 100 herangezogenen Abgriffe, um am Ausgang des Differenznetzwerkes 15 ein zusammengesetztes Signal zu erhalten, das ausreicht, einen gewählten Teil des auf der Leitung 12 erscheinenden Signals anzunähern. Jedoch ist die Situation nicht statisch. Die auf der Leitung 13 ankommenden Signale sind Sprachsignale.

die durch unberechenbare Signalpegel gekennzeichnet sind, welche mit stillen Intervallen durchsetzt sind. Ebenso bestehen die Signale auf der abgehenden Leitung 12 aus einer Kombination von örtlich erzeugten Signalen, deren Größe sich beträchtlich ändert und die durch häufige stille Intervalle gekennzeichnet sind, zusammen mit verzögerten und gedämpften Abbildern des auf der Leitung 13 ankommenden Signals, d. h. der Echokomponenten. Dementsprechend müssen die Kennlinien des Quernetzwerkes automatisch so eingestellt werden, daß sichergestellt ist, daß das durch das Summierungsnetzwerk 120 erzeugte Signal nur die auf der abgehenden Leitung 12 erscheinende Echokomponente annähert.

Um mit den sich ändernden Bedingungen fertig zu werden, wird ein Verfahren mit geschlossenem Fehlerkreis angewendet. So wird ein vom Summierungsnetzwerk 120 erzeugtes Anfangsabbildsignal durch das Differenznetzwerk 15 von dem zusammengesetzten Ausgangssignal der Leitung 12 subtrahiert. Das sich ergebende Signal stellt somit das örtlich erzeugte Ausgangssignal zuzüglich irgendeines Restechos dar, d. h. desjenigen Teils des Echosignals, der durch den Subtraktionsprozeß nicht beseitigt wurde. Dieses zusammengesetzte Signal bildet eine Fehlerkomponente, die von der Fehlersignalsteuerung 18 verarbeitet und parallel auf die Multiplikatornetzwerke 112-0 bis 112-Af gegeben wird. Jedoch ist das Fehlersignal nicht an sich geeignet, die jeweilige Einstellung der Verstärkungssteuernetzwerke 110 anzugeben, um eine vollständige Korrektur zu erhalten. Dementsprechend wird das ankommende Signal, das in verschieden verzögerten Versionen an den Verbindungspunkten der Verzögerungselemente 100 erscheint, durch Multiplikation mit der Fehlerkomponente in den Multiplikatornetzwerken 112-0 bis 112-iV gemischt und das sich ergebende Signal in den Integrationsnetzwerken 113 gemittelt, um ein Signal zu erzeugen, dessen Polarität und Größe die richtige Korrektur für jedes Verstärkungssteuernetzwerk 110 angibt. Wenn somit das Fehlersignal ein wesentliches permanentes Echo im abgehenden übertragungsweg anzeigt, werden die Verstärkungssteuernetzwerke 110 einzeln so eingestellt, daß ein größerer Teil des ankommenden Signals auf der Leitung 13 durchgelassen wird. Demnach hat das zusammengesetzte Signal, das vom Netzwerk 120 erzeugt und im Netzwerk 15 aus dem abgehenden Signal beseitigt

wird, die Tendenz, das Mißverhältnis zu beseitigen und die Größe des Fehlersignals herabzusetzen.

Bei der oben angegebenen Einstellung kann es sein, daß ein Uberschwingen eingetreten ist, d. h., daß das vom abgehenden Signal subtrahierte Abbildsignal zu groß war. Dies wird sofort vom Fehlersignalsteuernetzwerk 18 festgestellt, und die Verstärkungssteuernetzwerke 110 werden neu eingestellt, um die Lücke zu schließen. In der Praxis wurde festgestellt, daß eine Konvergenz zu einer im wesentlichen maximalen Echobeseitigung in äußerst kurzer Zeit dadurch erreicht werden kann, wenn die Verstärkungskoeffizienten für jedes Abgriffsignal des Querfilters gemäß dem Integral des Produktes des Fehlersignals und des Signals eingestellt werden, das an den verschiedenen Abgriffen der Querfilterverzögerung erscheint.

x(f) soll das Signal darstellen, das über die Leitung 13 ankommt und y(t) das auf der Leitung 12 abgehende Echosignal. Das zusammengesetzte Ausgangssignal des Querfilters, das am Ausgang des Summierungsnetzwerks 120 verfügbar ist, wird durch y_a(t) dargestellt. Bei NichtVorhandensein eines örtlich entstandenen Signals kann das am Ausgang des Differenznetzwerkes 15 erzeugte Signal als Fehlersignal e(t) = v(f) —y„(f) dargestellt werden. Ein echofreier Gleichgewichtszustand (e(t) = 0) wird erreicht, wenn und nur wenn y(t) = y_a(t) für alle x(f) ist. In dem oben angegebenen Aufsatz in »Bell System Technical Journal« von M. M. S ο η d h i ist gezeigt, daß eine sich anpassende Steuerschleife, die der in F i g. 2 dargestellten Schleife gleicht, bewirkt, daß sich das Verarbeitungsnetzwerk anpaßt, so daß e²(t) innerhalb der Möglichkeiten des Verarbeitungsnetzwerkes minimiert wird, wobei e²(f) = \_y(t) — y_a{t)~]² ist. Wenn jedoch die sich anpassende Steuerschleife nicht in der Lage ist, zu dem Punkt zu konvergieren, an dem y(t) = y_a(t) ist, dann wird e{t) nicht gleich Null, sondern stellt statt dessen ein Restecho am Ausgang des Differenznetzwerks 15 dar.

Wenn h(t) die Impulsantwort des Echowegs über die Gabelschaltung von der Leitung 13 zur Leitung 12 ist, kann y(t) durch das Kreisintegral

J-(O = J /J(r)x(f-r)d

(1)

das Ausgangssignal des Integrationsnetzwerks 113 darstellen, welches diesejbe Strichnummer wie die Reihe in der Matrix hat, X ein Vektor, der als Spaltenmatrix betrachtet wird, und zwar mit den Elementen 0 bis ΛΓ, die jeweils das Ausgangssignal des Elements der mit Abgriffen versehenen Verzögerungsleitung 100 darstellen, das dieselbe Strichnummer wie die Reihe der Matrix hat und das O-te Element der Eingang der Verzögerungsleitung ist, e(t) der Ausgang des Differenznetzwerkes 15 und K die Verstärkungskonstante der Fehlersignalsteuerung 18. Wie in dem obengenannten Aufsatz von S ο η d h i in »Bell System Technical Journal« angegeben ist, kann die Fehlersignalsteuerung 18 verschiedene Funktionen enthalten,

^!5 doch wird für die hier vorliegende Untersuchung angenommen, daß die Fehlersignalsteuerung 18 nur eine lineare Verstärkung liefert. In gleicher Weise kann der Ausgang des Summierungsnetzwerks 120 in Vektor-Matrixform dargestellt werden durch

y_a(t) =

wobei der Index T die Transponierung der Matrix darstellt.

Wenn man berücksichtigt, daß jedes x(t—nT) in Gleichung (2) gleich dem Ausgang nach dem f7-ten Abschnitt einer mit Abgriffen versehenen Verzögerungsleitung mit T Sekunden Verzögerung je "Abschnitt ist, kann die Gleichung (2) wie folgt in Vektor-Matrixform geschrieben werden:

.V(f) = H₁ ¹X

H₂ ^TY,

(5)

wobei /T₁ eine Spaltenmatrix mit den Elementen Th{nT) von η = 0 bis η = TV ist, ff₂ eine Spaltenmatrix mit den Elementen Th(nT) von η = N + 1 bis χ und Y eine Spaltenmatrix mit den Elementen x{t — nT) von η = N + 1 bis x>.

Wenn man die Gleichungen (4) und (5) in Gleichung (3) einsetzt und berücksichtigt, daß

e{t) = y(t)-y_a{t)

ist, wird die Gleichung (3)

dargestellt werden. Mit der Erkenntnis, daß sowohl h(t) als auch x(i) bandbegrenzte Funktionen sind und daher durch eine Grundreihe (Abtast-Theorem) dargestellt werden können, und daß h(t) eine Kausalfunktion ist, kann aus Gleichung (1) die folgende Darstellung für y(t) abgeleitet werden:

H~₂ ^T Y)-G^T I^ X*. (6)

Nach Neuordnung der Vektorprodukte ergibt sich

y(t) = ί Th(nT)x(t-nT\ (2)

π = 0

wobei T = y-ß und B die Bandbreite ist.

Das System von Differentialgleichungen für die in Fig. 2 dargestellte sich anpassende Fehlersteuerschleife lautet wie folgt:

di

G = Ke (I)A*,

(3)

-O = Kl(FtJ- G^T)11 + /?/ FFf. (7)

Es soll sein K = [H₁ — G). Es wird angenommen, daß die Elemente von H fest sind (oder sich so langsam mit der Zeit ändern, daß ihre zeitlichen Abweichungen vernachlässigt werden können). Somit

wird -r- /?i = 0, und

T1^R--^^G=-

wobei G ein Vektor ist, der als Spaltenmatrix betrachtet wird, und zwar mit den Elementen 0 bis N, die jeweils

Das Vektorprodukt R^Tti ist gleich dem Quadrat

009 546/234

der Länge des Vektors
daß

Wenn man berücksichtigt,

df

dt

(9)

kann die Änderung der Vektorlänge erhalten werden, indem die Gleichung (8) mit 2 R ^T vorher multipliziert wird, um

^TJtX

zu erhalten. Wenn man berücksichtigt, daß das Produkt einer Matrix mit einer einzigen Reihe mit einer Matrix mit einer einzigen Spalte ein Skalar ist, kann die Gleichung (10) in folgender Form neu geordnet werden

(11)

= -2KR^TX [R¹X + H₂ ⁷T]. (12)

Abgesehen von dem trivialen Fall Ä* = 0, zeigt die Gleichung (12), daß die Längendes _Vektors K sich ändert, bis K = 0 ist, d. h. bis G = H₁ ist. Mit anderen Worten, die Konvergenz des Systems ist derart, daß der Ausgang des Integrationsnetzwerks 113-n gleich Γ mal der Abtastung der Impulsfunktion bei nT ist, d. h.

g„ = Th(nT). (13)

Dementsprechend kann der Ausgang des Summierungsnetzwerks 120 wie folgt geschrieben werden:

y_a(t) = ^Th(nT)x(t-nT).

(14)

Wenn man die Gleichung (2) für y(t) verwendet, kann das Echosignal, das am Ausgang des Differenznetzwerks 15 bleibt, nachdem die sich anpassende Fehlersteuerschaltung vollständig konvergiert ist, wie folgt geschrieben werden:

df) = Σ Th(nT)x(t-nT)- ΣΤΗ{ηΤ)χ(ί-ηΤ){\5)

η = 0 η = 0

e(t) = Σ Th(nT)x(t-nT).

η = N + 1

(16)

Dementsprechend ist für jede Art von Signal x(f), das auf der Leitung 13 auftritt, das Echosignal, das am Ausgang des Differenznetzwerks 15 übrigbleibt, abhängig von den Abtastwerten der Impulsfunktion h(t) an den Punkten, wo die unabhängige Veränderliche t größer als NT ist, nämlich der Gesamtverzögerungszeit der Verzögerungsleitung 100. Aus Gleichung (16) kann man schließen, daß das Restecho dadurch entsteht, daß x(t) durch ein Filter mit der Impulsantwort h_e(t) geht, wobei h_e(t) = 0 für t < NT und h_e(t) = h(t) für t größer als NT ist.

Das Problem der Bestimmung der spektralen Eigenschaften des Restechos ist somit auf die Be-

Stimmung des durch das abgeschnittene Ende der Impulsfunktion h(t) bedingten Spektrums reduziert.

Die Wirkung eines bestimmten Pols von H(s),

der Laplace-Transformation von h(t), auf die Form der Kurve von h(t) wird um einen Betrag abgeschwächt, der von dem reellen Teil dieses Pols abhängt.

Demgemäß wird die Form von h(t) für große Werte von f in erster Linie durch diejenigen Pole von H(s) bestimmt, die am dichtesten an derj'co-Achse liegen; daher ist das Spektrum H_e{ju>) des abgeschnittenen Endes der Impulsfunktion um diejenigen Frequenzen konzentriert, die den Polen von H(s) entsprechen, welche am dichtesten bei der jw-Achse liegen. Es sei z. B. ein Netzwerk betrachtet, das aus K Paaren von einfachen komplexkonjugierten Polen ^si = <ii+jßi und s, = α,—jßi besteht. Seine Impulsfunktion hat die Form

h(t) = Σ

(17)

Wenn man annimmt, daß der Index i die α, bestimmt, derart, daß U₁ < a₂ < ... < a_K ist, dann kann für ein ausreichend großes f, z.B.t>NT, die Impulsfunktion wie folgt angenähert werden

h(t>NT) = A₁ e-'"'sin (IJ₁1 + (-J₁)
+ A₂ e~ "²' sin (ß₂1 + (~)₂).

(18)

Mit anderen Worten, das Ende der Funktion h_c{t) wird durch die Pole mit dem kleinsten α bestimmt. Diese Untersuchung kann auch für Pole mehrfacher Ordnung durchgeführt werden.

Wirtschaftliche Betrachtungen bestimmen den Einsatz der Echounterdrücker, die am wirksamsten sind, wenn sie an den Gabeln angeordnet werden, wo die Echos erzeugt werden. Wenn dies jedoch in normalen Fernsprechsystemen geschieht, beträgt die Anzahl der erforderlichen Echounterdrücker viele Tausende, was sich in Anbetracht der Kosten verbietet. Somit sollen die Echounterdrücker nur in den Hauptvermittlungsämtern angeordnet werden. Demnach enthalten im allgemeinen die Ubertragungswege, d. h. die Leitungen 12 und 13, Trägerverbindungen mit den zugehörigen Bandpaßfiltern, die für Sprachsignale ein ungefähr geebnetes Durchlaßband aufweisen und eine hohe Sperrwirkung außerhalb des Durchlaßbandes. Um eine geebnete Durchlaßbandkennlinie zu erhalten, werden die Pole für die Ubertragungswege auf einer Kurve angeordnet, die in bezug auf dieJoi-Achse konkav ist, wie es in Fi g. 3 dargestellt ist. Der Gabelweg, der aus Zweidrahteinrichtungen besteht, hat andererseits einen relativ breitbandigen Charakter und daher Pole, die nicht dominierend sind, d. h., weit von der jco-Achse entfernt sind. Demnach wird der Echoweg durch die Ubertragungswege, d. h. die Leitungen 12 und 13 beherrscht, insbesondere durch die Pole, die an den Rändern des Durchlaßbandes am dichtesten an der /(/(-Achse liegen.

Die Kurve A der F i g. 4 zeigt die Echowegdämpfung zwischen der Leitung 13 und dem Ausgang des Differenznetzwerks 15 durch einen Echounterdrücker mit einer Verzögerungsleitung 100, die eine Gesamtverzögerungszeit von 5 Millisekunden aufweist. Die Kurve B der F i g. 4 zeigt die vergrößerte Dämpfung,

die man durch Verwendung eines Echounterdrückers mit einer Verzögerungsleitung erhält, die eine Gesamtverzögerungszeit von 10 Millisekunden aufweist. Um die Verbesserung zu erreichen, die sich beim übergang von der Kurve A zur Kurve B ergibt, ist nicht nur eine Verzögerungsleitung mit der doppelten Verzögerungszeit und der doppelten Anzahl von Abgriffen erforderlich, sondern auch die doppelte Anzahl von Multiplikatoren 110 und 112 und Integratoren 113 im Echounterdrücker. In beiden Kurven A und B der F i g. 4 ist offensichtlich eine verringerte Dämpfung an den Bandrändern von 250 und 3000 Hz vorhanden.

Erfindungsgemäß wird die Arbeitsweise eines Echounterdrückers 'mit einer mit Abgriffen versehenen Verzögerungsleitung beliebiger Länge durch die Hinzufügung des Bandpaßfilters 31 am Ausgang des Differenznetzwerks 15 merkbar verbessert. Das Filter 31 hat eine Dämpfungskennlinie der in F i g. 5 dargestellten Art mit einer hohen Dämpfung an den Bandrändern und einer minimalen Dämpfung zwischen den Rändern. Wenn also ein ankommendes Sprachsignal auf der Leitung 13 vorhanden ist, geht das Restechosignal vom Differenznetzwerk 15 durch das Filter 31, in welchem die Energie des Restechosignals weiter vermindert wird.

Wenn auf der Leitung 13 keine Sprache vorhanden ist, bleibt der Kontakt 32 geschlossen, und die Sprache vom Teilnehmer des westlichen Endes kann ohne Verschlechterung zum Weg 16 gelangen. Auch wenn das Filter 31 in dem Weg eingeschaltet bleibt, kann der Teilnehmer am westlichen Ende noch mit einer nur minimalen Verschlechterung sprechen, die durch die reduzierte Bandbreite des Filters 31 entsteht.

Die spezielle Größe der Dämpfung und die genaue Form der Dämpfungs-Frequenzkennlinie des Filters sollen unter Berücksichtigung der zu erfüllenden Anforderungen an das System und der durch den verwendeten Echounterdrücker verfügbaren Echowegdämpfung gewählt werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Sich anpassende Echounterdrückungseinrichtung für Nachrichtenübertragungssysteme begrenzter Bandbreite mit Zweidraht-Vierdraht-Ubergang, bestehend aus einer von den Signalen des ankommenden Vierdrahtweges gespeisten, einstellbaren Syntheseeinrichtung zur Erzeugung eines synthetischen Echosignals, ferner aus einer Differenzschaltung im abgehenden Vierdrahtweg, um das synthetische Echosignal und das tatsächliche Echosignal algebraisch zu addieren und unter Verringerung der Größe des Echosignals ein Differenzsignal zu erzeugen, und schließlich aus einer Steuerschaltung zur Einstellung der Syntheseeinrichtung entsprechend dem Differenzsignal, gekennzeichnet durch ein Bandpaßfilter (31) im abgehenden Vierdrahtweg (12) am Ausgang der Differenzschaltung (15), welches Dämpfungsmaxima an den Rändern des Durchlaßfrequenzbandes aufweist (Fig. 1 und 5).

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Schalter (32) zur Überbrückung des Bandpaßfilters (31), der beim Ansprechen eines an den ankommenden Vierdrahtweg (13) angeschlossenen Sprachdetektors (33) geöffnet wird (F i g. 1 und 2).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen