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Verfahren zur adaptiven Einstellung veränderbarer Filter Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur adaptiven Einstellung veränderbarer Filter, deren Ausgangssignale
mittels einer Filterbank über durch Regelgrößen gesteuerte Einstellglieder und einen
Summierer gebildet werden und bei denen die Bildung der Regelgrößen durch Korrelation
zwischen entweder von den Ausgängen der Filterbank abgeleiteten Signalen und vom
Ausgang des Summierer abgeleiteten Signalen oder zwischen verschiedenartigen, vom
Ausgang des Summierer abgeleiteten Signalen erfolgt.
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Bekanntlich werden neuerdings für eine Reihe von Anwendungen in der
Nachrichtenübertragungstechnik sogenannte adaptive Filter verwendet. Hierbei handelt
es sich um Filter, deren Einstellung selbsttätig aufgrund von Informationen erfolgt,
die aus den übertragenen bzw. vorhandenen Signalen selbst bezogen werden. Diese
Filter bestehen aus einer Filterbank, an deren Ausgängen durch Regelgrößen gesteuerte
Einstellglieder angeschaltet sind. Die Ausgänge der Einstellglieder führen zu den
Eingängen eines Summierers. Der Ausgang des Summierers bildet auch den Ausgang des
adaptiven Filters. Die Bildung der Regelgrößen für die Einstellung der variablen
Einstellglieder erfolgt durch Korrelationsverfahren. Hierfür bestehen verschiedene
Möglichkeiten. Entweder kann eine Korrelation zwischen von den Ausgängen der Filterbank
abgeleiteten Signalen und vom Ausgang des Summierers abgeleiteten Signalen erfolgen
und das Ergebnis dieser Korrelationen zur Einstellung der Einstellglieder dienen.
Die Anwendung solcher Korrelationsverfahren ist beispielsweise bei Filtern bekannt
geworden, wie sie in den Veröffentlichungen Application of Automatic Transversal
Filters to the Problem of Echo
Suppression" in Bell System Technical
Journal", Dezember 1966, Seiten 1847 bis 1850 und "A Self-Adative Echo Canceller"
in Bell System Technical Journal", Dezember 1966, Seiten 1851 bis 1854, beschrieben
sind.
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Eine weitere Möglichkeit zur Gewinnung der Regelgrößen für die Einstellglieder
besteht darin, daß man verschiedene Signale miteinander korreliert, welche sämtlich
vom Signal am Ausgang des Summierers abgeleitet werden. Solche Filter sind beispielsweise
durch die Veröffentlichungen "Techniques for Adaptive Equalization of Digital Communication
Systems" in Bell System Technical Journal", Februar 1966, Seiten 255 bis 286 und
"1969 WESCON Technical Papers", Session 11, Paper 2, bekannt.
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Bei adaptiven Schaltungen in den in den vorstehend genannten Veröffentlichungen
beschriebenen Anwendungen zeigt sich, daß Störungen eine nicht optimale Einstellung
der Schaltung bewirken. Bei adaptiven Schaltungen zur Echounterdrückung bei Weitverkehrstelefonverbindungen
kommen als Störungen beispielsweise die Sprache des zwe. ten Teilnehmers, Rauschen,
Wählgeräusche oder Hintergrundgeräusche beim zweiten Teilnehmer in Betracht. Bei
der schnellen Datenübertragung über Telefonleitungen treten als Störungen beispielsweise
Wählgeräusche, Bündelstörungen und ähnliche auf Leitungen auftretende Störgeräusche
auf.
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Solche Störungen bewirken, daß sich das adaptive Filter nicht optimal
einstellen kann, oder aber, wenn das Filter schon optimal eingestellt war, daß zumindest
innerhalb gewisser Zeiträume diese optimale Einstellung gestört wird und das Filter
aus dem optimalen Zustand herausläuft.
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Bei der Echounterdrückung bei Weitverkehrstelefonverbindungen bedeutet
dies, daß das restliche Echo zumindest innerhalb gewisser Zeiträume nur mangelhaft
unterdrückt wird. Bei der nRtnübertragung über bandbegrenzte Kanäle hat dieser Effekt
eine Erhöhung der Pehlerrate zur Folge.
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Im beschriebenen adaptiven Filter säuern sich insgesamt
die
genannten Störungen derart, daß die zur adaptiven Einstellung der Schaltung verwendeten
Regelgrößen vorübergehend in meist ungünstiger Weise verändert werden. ln diesem
Zusammenhang ist durch die deutsche Offenlegungsschrift 1 537 740 bereits ein Verfahren
bekannt geworden, bei dem diesen Schwierigkeiten zumindest teilweise begegnet wird.
Bei diesem bekannten Verfahren werden Echos in Weitverkehrsnachrichtenverbindungen
adaptiv unterdrückt, d.h. die Eigenschaften der hierzu jeweils verwendeten Schaltungen
passen sich automatisch den Eigenschaften der jeweils aufgebauten Verbindung an.
Es wird dabei ein Verfahren verwendet, welches durch den Einsatz eines sogenannten
Sprachdetektors erlaubt, durch vorübergehende Unterbrechung des Steuerkreises für
die Einstellglieder die Einstellung des adaptiven Filters vorübergehend konstant
zu halten, wenn lautes Doppelsprechen auftritt. Dieses Verfahren läßt sich aber
dann nicht anwenden, wenn das Störgeräusch nur in der Größe des auftretenden Echos
liegt.
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Störgeräusch und Echo treten namlich auf derselben abgehenden Leitung
auf und zur Bewertung des Störgeräusches kann nur das Eingangssignal auf der ankommenden
Leitung dienen. Dieses ankommende Signal wird im allgemeinen durch die Sprache des
ersten (fernen) Teilnehmers gebildet. Bei kleineren Störungen oder bei leisem Sprechen
des zweiten (nahen) Teilnehmers kann die Schaltung nicht zwischen Echo und Störung
unterscheiden. Entsprechendes ereignet sich auch bei der adaptiven Entzerrung von
Datensignalen, da auch hier in der Regel meßtechnisch nicht zwischen Signal und
Störung unterschieden werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorstehend geschilderten
Schwierigkeiten möglichst vollständig abzuhelfen und ein Verfahren zur adaptiven
Unterdrückung von Echos anzugeben, bei dem selbst beim Auftreten von Störsignalen
die ursprünglich optimalen Einstellwerte der
Einstellglieder nahezu
vollständig erhalten bleiben.
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Ausgehend von einem Verfahren zur adaptiven Einstellung veränderbarer
Filter, deren Ausgangssignale mittels einer Filterbank über durch Regelgrößen gesteuerte
Einstellglieder und einen Summierer gebildet werden und bei denen die Bildung der
Regelgrößen durch Korrelation zwischen entweder von den Ausgängen der Filterbank
abgeleiteten Signalen und vom Ausgang des Summierers abgeleiteten Signalen oder
zwischen verschiedenartigen, vom Ausgang des Summierere abgeleiteten Signalen erfolgt,
wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Regelgrößen einer wiederholten
ffberprüfung auf Auswirkungen von in den zu korrelierenden Größen enthaltenen Störsignalen
unterworfen werden, und daß aufgrund der aus der Uberprüfung gewonnenen Ergebnisse
über den Zeitraum des Auftretens der Störsignale die Einstellung der Einstellglieder
verlangsamt bzw. blockiert wird.
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Bei der Erfindung wird von der ueberlegung ausgegangen, die Veränderung
der Einstellwerte der Einstellglieder ständig zu kontrollieren. über diese Kontrolle
wird dann die Entzerrereinstellung während des Auftretens von Störungen blockiert
bzw. außerordentlich verlangsamt und damit ein vorübergehendes unerwünschtes Auswandern
der Solleinstellung weitgehend vermieden.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen noch
näher erläutert.
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Es zeigen in der Zeichnung: Fig.l das Blockschaltbild eines adaptiven
Filters; Fig.2 ein Beispiel für den Einsatz eines adaptiven Filters zur Unterdrückung
von Echos in Weitverkehrsnachriehtenverblndungen;
Fig.3 ein Beispiel
für den Einsatz eines adaptiven Filters zur Entzerrung von Datensignalen; Fig.4
ein weiteres Beispiel für die adaptive Entzerrung von Datensignalen; Fig.5 ein Ausführungsbeispiel
für eine Schaltung zur tberwachang der Regelgrößen für die variablen Einstellglieder;
Fig.6 das zur Fig.5 gehörige Impulsdiagramm.
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Fig.i zeigt eine bekannte Möglichkeit zum Aufbau eines adaptiven Filters.
Das vollständige gestrichelt umrahmte Filter ist mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet.
Es besteht aus einer Filterbank mit den Filtern 30 bis 33, die derart ausgebildet
sind, daß sie die übertragungsfunktionen F0, F1, Fn und FN aufweisen. Die gestrichelten
Linien 21 und 22 zwischen den einzelnen Filtern deuten an, daß am Eingang 20 des
adaptiven Filters 1 noch weitere derartige Filter angeschlossen sind, welche hier
der Einfachheit halber nicht eingezeichnet sind. Der Aufbau solcher Filter kann
nach an sich bekannten Vorschriften erfolgen, so daß an dieser Stelle nicht im einzelnen
darauf eingegangen werden soll. Selbstverständlich kann auch eine solche Filterbank
durch eine dazu äquivalente Kettenschaltung mehrerer Filter ersetzt werden. Die
Realisierung von Filtern durch Kettenschaltungen ist ebenfalls bekannt. Ein wichtiger
Sonderfall wird beispielsweise durch das sogenannte Transversalfilter dargestellt,
das auch unter dem Namen Echoentzerrer bekannt ist. Die Ausgänge der Filter 30 bis
33 sind über Leitungen 80 bis 83 mit den Eingängen von variablen Einstellgliedern
60 bis 63 verbunden. Ferner sind die an den Ausgängen 30 bis 33 dieser Filter erscheinenden
Signale
Xl XN über gestrichelt eingezeichneXte Leitungen 40 bis 47 verfügbar. Die Einstellglieder
60 bis 63 ermöglichen die Multiplikation der auf den Leitungen 80 bis 83 zur Verfügung
stehenden Größen mit Faktoren Co bis CN, welche irgendwelche geeignete Werte annehmen
können und welche mittels Regelgrößen Ro bis RN gesteuert werden, die wiederum auf
den Steuerleitungen 50 bis 53 zur Verfügung stehen. Die Ausgänge der Einstellglieder
60 bis 63 sind über Leitungen 70 bis 73 mit den Eingängen eines Summierers 3 verbunden,
dessen Ausgang 21 den Ausgang des adaptiven Filters darstellt. Die gestrichelten
Linien 74 und 75 deuten wiederum an, daß noch weitere Einstellglieder und Filter
entsprechend den gestrichelten Linien 21 und 22 vorgesehen sein können.
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Mit Hilfe der in der Fig.1 dargestellten Schaltung ist es möglich,
ein am Eingang 20 anliegendes Signal derart zu verändern, daß das am Ausgang 21
des adaptiven Filters erscheinende Signal ein vorgegebenes Sollsignal sehr gut aproximiert.
Hierzu ist es nur erforderlich, die Werte der Einstellglieder 60 bis 63 geeignet
zu wählen. Verfahren zur automatischen Einstellung dieser Einstellglieder sind an
sich aus der Literatur bekannt. Wie einleitend bereits erwähnt, kann bei Störungen
der Fall auftreten, daß die an den Leitungen 50 bis 53 zur Verfügung stehenden Regelgrößen
Ro bis RN von ihren Sollwerten abweichen und sich deshalb nicht optimale Einstellungen
Co bis CN der Einstellglieder 60 bis 63 ergeben.
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Die Fig.2 zeigt ein Beispiel für die Anwendung eines adaptiven Filters
zur Echounterdrückung in Weitverkehrsnachrichtenverbindungen. Bei solchen Verbindungen
erfolgt an einer bestimmten Stelle der Übergang von der hier mit den Bezugsziffern
8 und 87 bezeichneten Vierdrahtverbindung auf eine in Pig.2 mit der Bezugsziffer
7 bezeichnete Zweidrahtverbindung. Dieser Übergang erfolgt über die Gabel 4,
welche
ber die Leitung 6 mit der Leitungsnachbildung 5 abgeschlossen ist.
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Infolge der an der Gabel angeschlossenen mangelhaften Leitungsnachbildung
wird je nach den Eigenschaften der jeweils aufgebauten Verbindung ein mehr oder
weniger starkes Echo im Sendetext 87 der Vierdrahtverbindung auftreten. Dieses Echo
läßt sick. aus dem Signal auf der ankommenden Leitung des Vierdrahtkanals mit Hilfe
eines geeigneten Filters nachbilden. Dieses Filter 2 besteht wie in Fig.1 aus einer
-an die ankommende Leitung angeschalteten Filterbank 30..d33, deren Ausgänge 80...83
über durch Regelgrößen Ro.. N gesteuerte Einstellglieder 60...63 und mit den Eingang
gen 70...75 eines Summierers 3 verbunden sind. Bei geeigneter Einstellung der Einstellglieder
60...63 erscheint das nachgebildete Echo e+(t) am Ausgang 21 dieses Summierers 3
und kann mittels eines Differenzverstärkers 86 vom S Signal auf der abgehenden Leitung
9 auf der Vierdrahtseite subtrahiert werden. Die erforderliche Einstellung der Einstellglieder
60...65 bzw. die Ermittlung bei hierzu notwendigen Regelgrößen Ro...RN erfolgt durch
Korrelationsverfahren, und zwar werden an den Ausgängen der Filterbank 3O...33 Signale
Xo...XN abgeleitet und mit einem am Ausgang 87 des I)ifferenzverstärkers 86 abgeleiteten
Signal korreliert. Diese Korrelationen ergeben die Regelgrößen zur Steuerung der
Einstellglieder, weshalb sich die Schaltung zur Nachbildung des Echos bei jeder
neu aufgebauten Verbindung entsprechend den jeweiligen Eigenschaften dieser Verbindung
optimal und neu einstellt und auch Änderungen der Eigenschaften des Übertragungsweges
während des Bestehens der Verbindung ausgeregelt werden können.
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Auf der abgehenden Leitung 87 auf der Vierdrahtseite steht die Differenz
zwischen dem Echo e(t) und der Nachbildung e (t) zur Verfügung. Zusätzlich ist jedoch
diesem Signal noch das Störgeräusch g(t) überlagert, welches beispielsweise
durch
die Sprache des zweiten (nahen) Teilnehmehrs erzeugt werden kann. Das auf der ankommenden
Bei tung 8 auf der Vierdrahtseite ankommende Signal vom fernen teilnehmer sei mit
s(t) bezeichnet. Auf der Zweidrahtseite laufen entsprechend die beiden Signale s'(t)
und g'(t) in den durch die Pfeile angegebenen Richtungen Das Signal am Ausgang des
Differenzverstärkers 86 wird über eine Leitung 88 einer Anzahl von Korrelatoren
zugeführt. Diese Korrelatören bestehen aus Multiplizierern 90 bis 93, deren Ausgänge
mit den Eingängen von Integrierern 96 bis 99 verbunden sind. Die ersten Eingänge
dieser Multiplizierer sind über Leitungen 140 bs 143 mit der Leitung 88 verbundenW
Die gestrichelten Linien 120 und 121 zeigen wiederum an, daß die Schaltung noch
weitere hier nicht eingezeichnete Korrelatoren zur Einstellung der in der Fig.1
nicht eingezeichneten Einstellglieder enthält. Die zweiten Eingänge der Multiplizierer
in den Korrelatoren sind über die Leitungen 40 bis 43 mit den Ausgängen der Filterbank
30 bis 33 gemäß Fig.1 verbunden. Es erfolgt also eine Korrelation zwischen den von
den Ausgängen der Filterbank abgeleiteten Signalen Xo bis 1n und dem Signal am Ausgang
des Differenzverstärkers 86. An den Ausgängen 50 bis 53 der Integrierer 96...99
stehen die Regelgrößen Ro bis RN für die Einstellglieder 60 bis 63 zur Verfügung.
Ein Korrelator besteht in dem hier dargestellten Beispiel aus einem Multiplizierer
und einem Integrierer. Eine solche Einheit ist in der Fig.2 gestrichelt umrahmt
und mit der Bezugsziffer 130 bezeichnet.
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Wenn bei dem in Fig.2 beschriebenen bekannten Verfahren auf der tierdrahtseite
Störungen vorhanden sind, d.h. also wenn z.t. Wählgeräusche, Rauschen oder Sprache
des zweiten Teilnehmers auftreten, dann ändert sich auch die ursprünglich an sich
optimale Einstellung der Einstellglieder, denn auch die Sprache des zweiten Teilnehmers
ist für diese Korrelation als Störung zu betrachten. Solche Störungen
bewirken
also eine nichtoptimale Einstellung der Schaltung, lassen sich aber im praktischen
Betrieb nicht vermeiden. Der wesentliche Grund für die nichtoptimale Einstellung
ist darin zu sehen, daß in der Praxis immer nur eine Kurzzeitkorrelation, d.h. eine
Integration über nur eßn endliches Zeitintervall durchgeführt werden kann, da sich
das der Echonachbildung dienende Filter in einer möglichst kurzen Zeit einstellen
soll, um möglichst rasch eine möglichst störungsfreie Verbindung zwischen den Teilnehmern
zu gewährleisten. Aus den genannten Gründen tritt bei dem bekannten Verfahren eine
ständige an sich unerwünschte Veränderung der Einstellung der Einstellglieder und
damit eine Verringerung der erforderlichen Echodämpfung immer dann auf, wenn auf
der abgehenden Leitung Störsignale der bereits geschilderten Art vorhanden sind.
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Die in der Fig.2 dargestellte Struktur stellt nur ein mögliches Beispiel
für die Anwendung eines adaptiven Filters dar. Eine weitere Anwendung adaptiver
Filter ergibt sich beispielsweise bei der Entzerrung von über bandbegrenzte Kanäle
übertragenen Datensignalen. Fig.3 zeigt ein bekanntes Ausführungsbeispiel, bei dem
die im Block 2 enthaltenen Einzelheiten unmittelbar dem in der Fig.2 umrahmten Block
2 mit dem Ausgang 21 entsprechen. Der Eingang des adaptiven Filters ist wiederum
mit 20, der Ausgang mit 103 gekennzeichnet. Der Ausgang ist über die Leitung 101
mit dem Eingang einer Entscheidungsschaltung 100 verbunden. Diese Entscheidungsschaltung
erzeugt auf der Leitung 102 Schätzwerte 4(t) für die richtigen dbertragenen Signale
a(t). Bei Übertragung von nur zweistufiger bipolarer Pulsamplitudenmodulation unterscheidet
diese Schaltung beispielsweise, daß jedem Signal auf der Leitung 101, welches größer
als O Volt ist, ein Ausgangssignal auf der Leitung 102 mit der Amplitude +1 Volt
zugeordnet werde, daß dagegen jedem Signal auf der Leitung 101, das kleiner als
0 Volt ist, auf der Leitung 102 ein Signal
mit der Amplitude -1
Volt zugeordnet wird. Auf der Ausgangaleitung 102 der Entscheidungsschaltung 100
erscheinen also nur noch Signale mit zwei möglichen Amplitudenstufen und wenn die
Verzerrungen des Signals am Entzerrerausgang 103 nicht zu groß sind, dann wird auf
der Leitung 102 die richtige entzerrte Signalfolge erscheinen.
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Durch die Verzerrungen werden diese Entscheidungen natürlich gelegentlich
verfälscht. Diese Überlegung läßt sich analog auch auf PAM mit mehr als zwei Stufen
erweitern. Am Ausgang der Entscheidungsschaltung können dann mehr als zwei verschiedene
Amplitudenstufen auftreten. Die Signale auf der Eingangsleitung 101 der Entscheidungsschaltung
100 sind mit ytt) bezeichnet. Das Signal a(t) stellt einen Schätzwert für das richtige,
sogenannte ideale Signal dar.
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Die Eingangsleitung 101 und die Ausgangsleitung 102 der Entscheidungsschaltung
100 sind mit den Eingängen eines Differenzverstärkers 86' verbunden und ergeben
auf der Ausgangsleitung 88' des Differenzverstärkers 86' Schätzwerte für die Fehler
2(t), die durch die Differenz zwischen den mehr oder weniger verzerrten Signalen
y(t) am Entzerrerausgang 103 und den zugeordneten Schätzwerten a(t) auf der Ausgangsleitung
102 der Entscheidungsschaltung 100 gegeben sind. Die Einstellung der im Block 2
enthaltenen Einstellglieder erfolgt durch Korrelatoren in der gleichen Weise wie
in Fig.2 und wurde anhand der Fig.2 bereits ausführlich erläutert. Es wird hier
nur die in Fig.2 mit 88 bezeichnete Leitung durch die Leitung 88' ersetzt.
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Fig.4 stellt ein weiteres bekanntes Ausführungsbeispiel für die Realisierung
eines adaptiven Entzerrers für schnelle Datensignale dar, bei welchem die Korrelation
zwischen verschiedenartigen, vom Ausgang des Summierers abgeleiteten Signalen erfolgt.
Elemente, welche mit in den vorhergehenden Piguren bereits beschriebenen Elementen
wirkungsgleich sind, sind in der Fig.4 mit gleichen Pezgsziffern
versehen.
Insbesondere stellt der Block 1 wieder ein adaptives Filter mit einer Struktur gemäß
der Fig. 1 dar. Ein Vergleich mit der Fig.3 zeigt wiederum den gleichartigen Aufbau
am Ausgang des Entzerrers mit der Entscheidungsschaltung 100 und dem Differenzverstärker
86'.
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Die Schaltung nach Fig.4 enthält wiederum Korrelatoren, deren Wirkungsweise
mit der der Korrelatoren in Fig.2 übereinstimmt. Die in den Korrelatoren enthaltenen
Elemente sind mit apostrophierten Bezugsziffern versehen, die mit denen in Fig.2
übereinstimmen. Die Apostrophierung der Bezugsziffern in Fig.4 erfolgte lediglich
deshalb, weil die Korrelatoren in dieser Anwendung andersartige Eingangssignale
zugeführt erhalten als die Schaltung in Fig.2.
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Die Wirkungsweise dieser Schaltung ist an sich durch die Veröffentlichung
"Techniques for Adaptive Equalization of Digital Communication Systems" in "Bell
System Technical Journal", Februar 1966, Seiten 255 bis 286, bekannt. Das adaptive
Filter 1 in der Fig.4 hat in dem hier dargeetellten Beispiel eine spezielle Struktur,
und zwar besteht die Filterbank, wie dies in der vorstehend genannten Veröffentlichung
beschrieben wurde, aus einer Kette von Verzögerungsgliedern mit der Verzögerungszeit
T, welche dem Abstand zweier aufe-inanderfolgender gesendeter Zeichen entspricht.
Außer den bereits beschriebenen Elementen enthält die Fig.4 in Verzögerungsglied
104 mit der Verzögerungszeit NT, dessen Eingang mit dem Ausgang des Differenzverstärkers
86' verbunden ist. Die Ausgangsleitung 131 dieses Verzögerungsgliedes 104 ist mit
den einen Eingängen der in den Korrelatoren enthaltenen Multiplizierer 90' bis 93'
verbunden. Der Ausgang der Entscheidungsschaltung 100 ist über die Leitung 200 mit
dem Eingang einer Verzögerungsleitung verbunden, welche aus einzelnen Laufzeitgliedern
110 bis 112 besteht. Die gestrichelten Leitungen 122 und 123 deuten wiederum an,
daß noch weitere, nicht gezeichnete Laufzeitglieder in die Schaltung entsprechend
der benötigten Anzahl an Einstellgliedern im adaptiven
Filter 1
eingefügt sind. Der Eingang des ersten Laufzeitgliedes 110 ist über die Leitung
140' mit dem zweiten Eingang des Xultiplizierers 90' verbunden. Entsprechend sind
die zweiten Eingänge der in den Korrelatoren enthaltenen Multiplizierer 91' bis
93' über Leitungen 141' bis 143' mit den Ausgängen der Verzögerungsglieder 110 bis
112 verbunden. Zum leichteren Verständnis ist wiederum ein Korrelator gestrichelt
umrandet und mit der Bezugsziwfer 130' bezeichnet. Die Ausgangsgrößen Ro bis RN
der Korrelatoren steuern in bereits erläuterter Weise über die Leitungen 50 bis
53 die im adaptiven Filter 1 enthaltenen Einstellglieder 60 bis 63.
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Die Einstellkriterien für die Einstellglieder 60 bis 63 bei den vorstehend
anhand der Fig.1 bis 4 beschriebenen Anwendungen adaptiver Filter wurden hier nur
anhand von Beispielen erläutert. Die in den Fig.2 und 3 dargestellten Schaltungen
minimieren den mittleren quadratischen Fehler. Das bedeutet, daß bei der Schaltung
gemäß Fig.2 das mittlere Quadrat des Restechos auf der Leitung 87 minimiert wird,
während bei der Schaltung von Fig.3 der im Datensignal enthaltene mittlere quadratische
Fehler minimiert wird.
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Das entzerrte Datensignal steht am Ausgang 103 zur Verfügung. Im Gegensatz
hierzu zeigt die Fig.4 ein ebenfalls aus der vorstehend genannten Veröffentlichung
bekanntes Verfahren zur Minimierung der Summe der Beträge der Überschwinger in der
Impulsantwort, soweit diese durch das Transversalfilter erfaßt werden. Selbstverständlich
können auch andere Einstellkriterien zur Einstellung der Einstellglieder 60 bis
63 des adaptiven Filter 1 verwendet werden. Alle diese Einstellkriterien werden
aber mit Hilfe von geeigneten Korrelatorschaltungen erzeugt. Mannigfaltige Einstellkriterien
sind an sich aus der Literatur bekannt und es sollen hier als Beispiele anhand der
Pig.2 lediglich drei Einstellkriterien für adaptive Schaltungen genannt werden:
Eine
erste Möglichkeit ist die Minimierung des mittleren quadratischen Fehlers:
Wegen
wird als Regelgröße
benutzt.
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Beim Transversalfilter ist z.B. Xj(t)=X(t-jT') und Xo(t)=s(t).
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T' ist die Verzögerungszeit eines der im Transversalfilter enthaltenen
Verzögerungsglieder. Um D minimal zu machten, soll eigentlich #D =O #Cj sein für
alle j (o # j # N).
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Diese Größe steht aber im allgemeinen nicht zur Verfügung, sondern
nur die durch Gleichung (2) gebildete Größe.
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Hierbei ist t1 eine in weiten Grenzen beliebig wählbare Integrationszeit,
g(t) ist eine Störung, welche beispielsweise in der Sprache des an der Zweidrahtleitung
7 (Fig.2) angeschlossenen Teilnehmers bestehen kann, e(t) ist das an der Gabel 4
aufgrund des ankommenden Signale s(t) (Fig.2) entstehende Echo, e (t) ist das am
Ausgang 21 des adaptiven Filters 1 (Fig.2) auftretende nachgebildete Echo. Der gesamte
Ausdruck in der eckigen Klammer in Gleichung (2) ist die auf der Leitung 87 auftretende
Größe. C ist der
Wert des zugeordneten Einstellgliedes. Bei Verwendung
eines Transversalfilters wird T' geeignet gewählt, um eine eindeutige Nachbildung
des Echos zu ermöglichen.
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Eine zweite Möglichkeit ist die Minimierung des mittleren Fehlerbetrages:
Regelgröße für
sgn e(t) bedeutet das Vorzeichen von e(t), d.h. die Signum-Funktion.
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Eine dritte Möglichkeit für die Regelung von Cj ergibt sich durch
Anwendung der folgenden Regelgröße für Cj:
d.h. also eine reine Vorzeichenkorrelation. Das Zeichen nun " bedeutet hier "proportional".
Natürlich werden alle Cj (o # j # N) gleichzeitig und parallel verstellt.
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Werden nur Abtastwerte betrachtet, so werden die Integralzeichen durch
Summenzeichen ersetzt, Xj(t) wird Xjk, e(t) wird ek, g(t) wird gk; k ist dabei eine
laufende Zählvariable, welche die Zeit t ersetzt. Bei Verwendung eines
Transversalfilters
für die Filterbank wird Xok=sk.
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Es wird dann anstelle der Integration über K Zeichen summiert (k=1,2...K).
Die Regelgröße dient dazu, C. in der Richtung so zu verändern, daß die Regelgröße
(gemessen über einen Zeitraum tt) für t»t1 gegen Null geht. Die in den Korrelatoren
enthaltenen Integrierer bzw. Summierer können auch direkt zur Speicherung des jeweiligen
Wertes von Cå dienen. Die Regelgröße geht dann nicht gegen Null, sondern gegen einen
konstanten Wert. Die Integralgrenze t1 wird durch eine (sehr viel größere) Zeit
t2 ersetzt. Wie dem Vorstehenden zu entnehmen ist, können Störungen g(t) vorübergehende
Abweichungen der jeweils benutzten Regelgröße vom Sollwert hervorrufen. Dies rührt
einfach daher, daß in der Praxis immer nur über einen endlichen Zeitraum hinweg
integriert bzw. summiert werden kann, da t1 endlich ist.
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Der Einfluß der Störungen g(t) wird daher nicht ausgemittelt. Dies
gilt auch, wenn die Regelgröße für Cj gleichzeitig zur Speicherung des Wertes von
Cj dient; zwar wird der Einfluß der Störungen g(t) über die große Zeit t2 hinweg
ausgemittelt, aber vorübergehend schwankt die Regelgröße aufgrund der Störungen
um den Sollwert, da eine Veränderung der Regelgröße innerhalb sehr kurzer Zeit möglich
sein soll. Das adaptive Filter soll nämlich etwaige Änderungen des Echos möglichst
schnell ausregeln. Die Regelgröße steuert den Wert von C; laufend; es kann nicht
gewartet werden bis zum Zeitpunkt t2, um erst dann C zu verändern.
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Im folgenden soll nur noch das erste Einstellkriterium betrachtet
werden. Alle Überlegungen lassen sich aber sinngemäß auf alle anderen Kriterien
übertragen, auch auf solche Korrelationsverfahren, die hier nicht mehr aufgeführt
sind.
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Die Einstellung von Cj erfolge z.B. stufenweise, Kriterium für die
Änderung von Cj um #Cj sei das Vorzeichen
(sgn ### >o bedeutet also:#Cj < o und umgekehrt).
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Wenn eine Störung auftritt, kann dieses Vorzeichen beeinflußt werden.
Benutzt man die ermittelte Information noch nicht zur Regelung von Cj, sondern bildet
erst
Dabei ist t1 tl.
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Nur wenn #D #D' #D #D" sgn = sgn (oder sgn = sgn ) (9) #Cj #Cj #Cj
#Cj ist, wird Cj um #Cj verändert.
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Da die Störung g(t) mit Xj(t) nicht korreliert ist, lassen sich hierdurch
größere Abweichungen der Regelgröße vom Sollwert vermeiden, denn die Wahrscheinlichkeit
einer Änderung von CJ in der richtigen Richtung wird durch die Überprüfung der Regelgröße
in zwei verschiedenen Zeitintervallen stark erhöht.
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Das Verfahren zur Verbesserung des Einstellverhaltens der adaptiven
Filter besteht also darin, daß zeitlich aufeinanderfolgende Werte der Regelgrößen
in benachbarten Zeitabschnitten gebildet und bezüglich ihrer Vorzeichen untersucht
werden.
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Das beschriebene Verfahren läßt sich generell auch für Schaltungen
anwenden, welche eine Regelgröße der Form
bilden, bei denen also der Integrierer auch gleichzeitig als Speicher für die Einstellwerte
der Einstellglieder dient. Hier kann ebenfalls jedesmal das Vorzeichen des neu hinzugekommenen
Anteils der Regelgröße kontrolliert werden. Nur wenn in aufeinanderfolgenden, durch
einen geeigneten Hilfstakt 1 bzw. !2 geeignet festgelegten Intervallen aufeinanderfolgende
Vorzeichen gleich sind, wird C verändert.
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Das anhand der Gleichungen (6) bis (9) erläuterte Verfahren soll nun
anhand der Fig.5 noch näher beschrieben werden, wobei zunächst angenommen sei, daß
die Einstellglieder schrittweise verstellt werden. Die Schaltung nach Fig.5 enthält
einen Korrelator 130, der mit der gleich bezeichneten gestrichelt umrahmten Schaltungseinheit
aus Fig.2 identisch ist. Die im Korrelator enthaltenen Multiplizierer werden wiederum
über die Leitungen 42 und 142 angesteuert. Er liefert auf der Leitung 159 als Ausgangssignal
einen Schätzwert für die partielle Ableitung der Größe D nach dem Einstellwert 0n
Diese Größe wird dem Eingang eines Vergleichers 150 zugeführt, welcher das Vorzeichen
sgn #D/#Cn, das hier als Regelgröße für Cn dienen soll, bildet. Dieses Vorzeichen
steht in Porm einer Spannung
auf der Leitung 158 zur Verfügung.
Die zu verschiedenen Zeitpunkten in Abständen tl ermittelten Vorzeichen werden auf
Flip-Flops 152 und 153 mit Hilfe von in der Fig.6 dargestellten Hilfstakten 170
und 171, die mit T1 und T2 bezeichnet sind und den Flip-Flops 152 und 153 über Leitungen
155 und 156 zugeführt werden, zw'schengespeichert. Der Vorzeichenvergleich kann
leicht mit Hilfe von logischen Schaltkreisen erfolgen, wofür im Ausführungsbeispiel
von Fig.5 ein sogenannter Modulo-2-Addierer 154 verwendet ist. Das Ausgangssignal
dieses Modulo-2-Addierers 154 steht auf der Leitung 157 zur Verfügung und stellt
das resultierende Vorzeichenprodukt sgn # D/#Cn # sgn #D'/#Cn dar, welches eine
Aussage darüber liefert, ob Gleichung (9) erfüllt ist oder nicht. Dieses Vorzeichen
steuert einen Schalter 160, der in diesem Falle auch durch ein logisches Gatter
realisiert werden kann. Über diesen Schalter kann das Vorzeichen der partiellen
Ableitung auf der Leitung 158, welches in diesem Pall als Regelgröße betrachtet
werde für die Einstellung des Einstellgliedes 62 in der Fig.1 mit dem Wert Cn über
die Leitung 52', 52" auf die Steuerleitung 52 gegeben werden. Nur wenn das Vorzeichen
auf der Leitung 157 positiv ist, wird C, n entsprechend sgn bD/SCn in der richtigen
Richtung um einen Schritt ACn verändert.
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Die Regelgröße für die Einstellung von Cn wird also nur wirksam, wenn
aufgrund der vorstehend beschriebenen Untersuchung mit großer Wahrscheinlichkeit
keine Störungen in den zu korrelierenden Größen enthalten sind.
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Wie die vorstehend beschriebene Ableitung zeigt, ist es möglich, daß
bei stufenweiser Einstellung der Einstellglieder zeitlich aufeinanderfolgende Regelgrößen
jeweils neu gebildet werden.
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Wenn die in den Korrelatoren enthaltenen Integrierer zugleich als
Speicher für die Einstellwerte der Einstellglieder verwendet werden, wird die Leitung
52' direkt mit der Leitung 52 verbunden sein, wie dies die gestrichelte Leitung
201 in Fig.5 kenntlich macht. Die auf der Leitung 157 zur Verfügung stehende Größe
wird dann, wie dies wiederum gestrichelt in Fig.5 angedeutet ist, über eine Leitung
158 den im Korrelator 130 enthaltenen Integrierer 98 derart steuern, daß sich dessen
Ausgangsgröße nur ändern kann, wenn das Vorzeichen auf der Leitung 157 wiederum
größer als Null ist. Sonst wird der Integrierer in der zuletzt erreichten Stellung
festgehalten.
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Bei dieser Schaltung wird die Leitung 52" in Fix.5 entfallen. Stattdessen
wird die Regelgröße Xn über die Leitungen 52"', 52' und 52 direkt dem zugeordneten
Einstellglied 62 zugeführt.
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In der vorstehenden Ableitung und auch in dem Ausführungsbeispiel
gemäß Fig.5 wurde bisher angenommen, daß die Einstellung von Cn stufenweise erfolge,
und daß 0n während des Auftretens von Störungen blockiert wird. Dies ist nicht unbedingt
erforderlich. Es genügt, die Einstellung der Einstellglieder während des Auftretens
von Störungen hinreichend zu verlangsamen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen,
daß die Integrationszeit der in den Korrelatoren enthaltenen Integrierer über die
Zeitdauer des Auftretens von Störungen hinweg vergrößert wird.
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Bei stufenweiser Einstellung der Einstellglieder kann demgegenüber
diese Verlangsamung der Einstellung dadurch erfolgen, daß die -Änderung der Einstellwerte
der Einstellglieder in kleineren Schritten vorgenommen wird, daß also die Schrittweite
ACn verkleinert wird.
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Es besteht die Möglichkeit, daß nur eine solche Anordnung,
die
z.B. an dem am stärksten beeinflußten Einstellglied angeschlossen ist, welches beispielsweise
bei der geschilderten Anwendung gemäß Fig.2 den Hauptwert der Echo-Impulsantwort
nachbildet, alle Einstellglieder an die jeweiligen Korrelatoren an- oder abschaltet,
d.h., daß sämtliche Einstellglieder nur aufgrund des an einer Regelgröße gewonnenen
Ergebnisses beeinflußt werden. Es kann aber auch für jedes Einstellglied eine eigene
derartige Schaltung vorgesehen werden.
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Wenn Cn stufenweise einstellbar ist, kann es beispielsweise durch
den Inhalt eines digitalen Speichers, wie einem Binärzähler oder Flip-Flops, gesteuert
werden. Dann muß für sgn ### # sgn ### = -1 einfach dieser Speicher über ein entsprechendes
Zeitintervall blockiert werden, um Änderungen von Cn aufgrund der gestörten Regelgröße
zu verhindern. Hierzu dient das Signal am Ausgang des Xodulo-2-Addierers 154 in
Fig.5.
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Bei Anwendung reiner Vorzeichenkorrelation kann bereits die Integration
bzw. Summation in einem Digitalzähler erfolgen. Überlauf des Zählers ergibt beispielsweise
ACn <o, Leerlauf ergibt ACn o. Es müssen nun einfach jeweils zwei aufeinanderfolgende
Über- bzw. Leerläufe miteinander verglichen werden. Wenn ein Überlauf einem Leerlauf
folgt oder umgekehrt, wird Cn bis zum nächsten Über- oder Leerlauf blockiert.
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Es ist auch möglich, die Größen #D/#Cn und bD'/Cn direkt abzuspeichern
und zu vergleichen. Die Flip Flops 152 und 153 in der Prinzipzeichnung nach Fig.5
werden dann z.B. durch Abtasthalteglieder ersetzt und der Modulo-2-Addierer 154
durch einen Differenzverstärker. Wenn am Ausgang
des Differenzverstärkers
bei abgeglichener Schaltung eine Abweichung auftritt, deren Betrag größer ist als
eine vorgegebene Schranke, so wird 0n bzw. die zugehörige Regelgröße blockiert oder
die Änderung entsprechend verlangsamt.
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Es wird also jeweils nur der neu hinzugekommene Anteil der Regelgröße
kontrolliert. Das Einlaufen der Schaltung wird dadurch zwar verlangsamt, da sich
hierbei Cn und damit auch bD/8Cn laufend ändert. Die Einstellzeit kann bis auf etwa
das Doppelte ansteigen, was aber im allgemeinen in Kauf genommen werden kann.
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Es ist in vielen Fällen ohne weiteres möglich, daß die Einstellungen
der Einstellglieder bzw. deren Regeigrößen nicht schrittweise, sondern kontinuierlich
verändert werden.
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Die ursprünglich getroffene Annahme, daß die Einstellung der Einstellglieder
stufenweise erfolge, wurde nur getroffen, um das Verfahren anschaulich erläutern
zu können.
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Es kann das beschriebene Verfahren auch auf andere adaptive Schaltungen
Anwendung finden, bei welchen die zu korrelierenden Größen stark gestört sind.
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Bei sehr großen Störungen kann das Verfahren in der Weise erweitert
werden, daß die Regelgröße in mehr als zwei -aufeinanderfolgenden Zeitintervallen
gemessen wird und nur wenn sich immer dasselbe Vorzeichen ergibt, erfolgt eine Änderung
von Cn. Andernfalls wird die Binstellung von Cn blockiert oder zumindest verlangsamt.
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Wenn also bei adaptiven Filtern Störungen eine vordbergehende nichtoptimale
Einstellung der Schaltung bewirken, dann kann dies nach dem beschriebenen Verfahren
durch eine fortlaufende Kontrolle der Konstanz der zur adaptiven Einstellung verwendeten
Regelgrößen weitgehend vernieden werden. Bei hierdurch erkannten Störungen wird
die Einstellung der Schaltung kurzzeitig so lange verlangsamt
oder
blockiert, bis die Auswirkung der Störungen wieder abgeklungen ist. Dadurch ergibt
sich auch eine erheblYche Verbesserung der Konvergenz und der Stabilität der Einstellung
von adaptiven Filtern.
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11 Patent ansprüche 6 Piguren