DE4317043B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Echokompensation in Übertragungssystemen - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Echokompensation in Übertragungssystemen, bei dem zur selbsttätigen Identifikation der Übertragungseigenschaften der echoerzeugenden Systemmerkmale zur Schätzwertbildung (ZC) für das Echo (Z) mit Hilfe implementierbarer adaptiver NLMS-(Normalized Least Mean Square) Algorithmen eine Impulsantwort gebildet wird, welche die N Koeffizienten eines zur Systemnachbildung verwendbaren adaptiven Transversalfilters (HC) enthält, die in regelmäßigen Zeitabständen (Abtasttakt) nach Dekorrelieren der Eingangssignale (IN) mittels eines einen dekorrelierten Eingangssignalvektor (U₁) erzeugenden ersten Dekorrelationsfilters (F1) durch einen Koeffizientenabgleich neu eingestellt werden und bei dem der jeweils ermittelte Schätzwert (ZC) für das Echo (Z) vom Echo (Z) des Übertragungssystems (H) substrahiert wird, wobei von einem zweiten Dekorrelationsfilter (F2) eine Aktualiesierungsgröße (U₂) für den genauen Koeffizientenabgleich des adaptiven Transversalfilters (HC) erzeugt und entsprechend dem NLMS-Algorithmus mit dem dekorrelierten Eingangssignalvektor (U₁) in einer Update-Einrichtung (UPD) verknüpft wird, dadurch gekennzeichnet, daß fortlaufend Korrektursignale (Γ; γ₁ ... γ_M) gebildet und zu dem als Substraktionsergebnis erhaltenen und in der Folge mit den Koeffizienten...

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Echokompensation in Übertragungssystemen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine hierzu geeignete Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2. Eine derartige Echokompensation ist z. B. aus IECE Japan, vol. E 62, pp. 851–857, Dec. 1979 bekannt.
• Das bekannte Prinzip der Echokompensation wird vorzugsweise zur Kompensation von Leitungsechos im Fernsprechnetz oder zur Kompensation akustischer Echos in Freisprecheinrichtungen eingesetzt. Es beruht auf der selbsttätigen Identifikation der Übertragungseigenschaften der Systeme, die die Echos erzeugen (also z. B. der Echopfade im Fernsprechnetz oder der für Videokonferenzen genutzten Räume). Hierzu werden adaptive Algorithmen verwendet.
• Am häufigsten wird der NLMS-(Normalized least mean square) Algorithmus eingesetzt, da er von allen verfügbaren Algorithmen am einfachsten implementierbar ist. Der NLMS-Algorithmus ermittelt die Systemeigenschaften in Form der Impulsantwort des Systems, wobei die Impulsantwort direkt die Koeffizienten eines zur Nachbildung des Systems verwendbaren Transversalfilters enthält. Man spricht dann von einem adaptiven Transversalfilter, dessen Koeffizienten adaptiv vom NLMS-Algorithmus eingestellt werden.
• Als Signale, die den selbsttätigen Abgleich des NLMS-Algorithmus auf die Impulsantwort des zu identifizierenden Systems bewirken (im folgenden "Abgleichsignale" genannt), stehen bei den meisten praktischen Anwendungen nur Sprachsignale zur Verfügung.
• Hieraus resultiert beim NLMS-Algorithmus der bekannte Nachteil, daß die Einstellung auf die Systemeigenschaften nur sehr langsam erfolgt. Die Erhöhung der Konvergenzgeschwindigkeit ist deshalb ein angestrebter Effekt bekannter Verfahren, die z. B. von S. Yamamoto; S. Kitayama, J. Tamura and H. Ishigami mit dem Titel "An adaptive echo canceller with linear predictor" in Trans. IECE Japan, vol. E 62, pp: 851–857, Dec. 1979 und von U. Schultheiß: mit dem Titel "Über die Adaption eines Kompensators für akustische Echos" in Fortschrittsberichte VDI, Reihe 10, Nr. 90,1988 beschrieben sind.
• Bei diesen Verfahren werden die Eingangssignale des NLMS-Algorithmus über Dekorrelationsfilter geschickt, die in regelmäßigen Zeitabständen (ca. 25 msec) neu auf das Abgleichsignal eingesteht werden und die Aufgabe haben, das Abgleichsignal, d. h. das Sprachsignal, möglichst gut zu dekorrelieren. Die statistischen Eigenschaften der Sprachsignale werden dadurch den Eigenschaften von weißem Rauschen angenähert, wodurch sich die Konvergenzgeschwindigkeit des NLMS-Agorithmus erhöht.
• Für das Verfahren ist jedoch ein Rechenaufwand von 3N Multiplikationen pro Abtasttakt erforderlich, im Gegensatz zum NLMS-Algorithmus ohne Dekorrelationsfilter, der nur 2N Multiplikationen pro Abtasttakt benötigt (N = Länge bzw, Anzahl der Koeffizienten des adaptiven Transversalfilters).
• Für die praktische Anwendung des Verfahrens entsteht daher das Problem, daß entweder der Aufwand bei der Implementierung ansteigt, oder aber, bei gleichem Aufwand, nur ein adaptives Transversalfilter geringerer Länge implementiert werden kann.
• Bei vielen Anwendungen, z. B. bei der Identifizierung einer Raumimpulsantwort zur Kompensation akustischer Echos, ist aber eine möglichst große Länge des adaptiven Transversalfilters erwünscht.
• Ein anderes, von C. Acker, P. Vary and H. Ostendarp: mit dem Titel "Acoustic echo cancellation using prediction residual signals", in Proc. Second European Conf. Speech Communication and Technology, Genova, Italy, pp. 1297–1300, 1991 beschriebenes Verfahren, kommt zwar mit 2N Multiplikationen aus; jedoch sind bei diesem Verfahren grobe, im Prinzip unzulässige Näherungen gemacht worden, die bewirken, daß der NLMS-Algorithmus in seiner Konvergenz stark gestört wird. Es kannn daher bei diesem Verfahren nicht mehr von einer korrekten Implementierung des NLMS-Algorithmus gesprochen werden; und die Konvergenzeigenschaften sind oft stark verschlechtert bis hin zur Instabilität.
• Ein weiteres Verfahren ist von H. Yasukawa, S. Shimada and I. Furukawa mit dem Titel "Acoustic echo canceller with high Speech quality", in Proc. IEEE Int. Conf. Acoust., Speech, Signal Processing, Dallas, Texas, pp. 49.8–1–49.8–4, Apr. 1987; von H. Yasukawa, I. Furukawa and Y. Ishiyama unter dem Titel "Characteristics of acoustic echo cancellers using sub-band sampling and decorrelation methods", in Electronics Letters, Vol. 24, pp. 1039–1040, Aug. 1988; von H. Yasukawa, I. Furukawa and Y. Ishiyama mit dem Titel "Acoustic echo control for high quality audio teleconferencing", in Proc., IEEE Int, Conf. Acoust, Speech Signal Processing, pp. 2041–2044, 1989; sowie von H. Yasukawa and S. Shimada mit dem Titel "An Acoustic Echo Canceler Using Subband Sampling and Decorrelation Methods" in IEEE Trans. on Signal Processing, vol. SP-41, pp. 926–930, Feb. 1993 beschrieben worden.
• Bei diesem Verfahren können jedoch nur bestimmte, einfache Dekorrelationsfilter verwendet werden. Aus diesem Grund ergibt sich nur eine geringe Erhöhung der Konvergenzgeschwindigkeit des NLMS-Algorithmus.
• Die Aufgabe der Endung gegenüber dem bisherigen Stand der Technik besteht darin, daß eine möglichst exakte Realisierung des NLMS-Algorithmus erreicht werden soll, daß dabei aber mit weniger Multiplikationen pro Abtasttakt ausgekommen werden soll.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß durch die Merkmale des Patentanspruch 1 bzw. 2 gelöst. Damit werden bei exakter Realisierung des NLMS-Algorithmus, ca. N Multiplikationen pro Abtasttakt eingespart. Bei der Anwendung "Identifizierung einer Raumimpulsantwort zur Kompensation akustischer Echos" kann z. B. bei einer 8 kHz-Taktfrequenz N = 2000 betragen, so daß in diesem Fall, ca. 2000 Multiplikationen pro Abtasttakt eingespart werden.
• Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den zugehörenden Zeichnungen zeigen die
• 1 Struktur des Echokompensators,
• 2 Addition der Korrektursignale,
• 3a und 3b Teilstrukturen des Echokompensators,
• 4 Berechnung der Korrektursignale.
• Das empfangene Signal IN durchläuft das unbekannte System H (auch "Echopfad" genannt) und gelangt als unerwünschtes Echo Z an den Sendeeingang S_in Der Echokompensator EC hat die Aufgabe, das System H nachzubilden, einen Schätzwert ZC für das Echo Z zu bilden und ihn vom Echo Z zu subtrahieren, um damit das unerwünschte Echo Z möglichst gut zu kompensieren.
• Die Nachbildung des unbekannten, zu identifizierenden Systems H besteht aus einem Transversalfilter HC mit N Koeffizienten, wobei das Echo Z umso besser kompensiert werden kann, je größer N ist. Die N Koeffizienten werden von dem bekannten NLMS-Algorithmus adaptiv eingestellt. Der für diesen in der Update-Einrichtung UPD stattfindenden Koeffizientenabgleich notwendige Signalvektor U₁ der Länge N wird gewonnen, indem das Empfangssignal IN über das Dekorrelationsfilter F₁ geschickt wird, wobei stets sämtliche Werte des Vektors U₁ von demselben Dekorrelationsfilter beeinflußt sind Das Dekorrelationsfilter F₁ ist als Transversalfilter ausgebildet, dessen M zu bestimmende Koeffizienten a₁ ... a_M in gewissen Zeitabständen (z. B. alle 25 msec) mit Hilfe einschlägiger Verfahren selbsttätig aus dem Empfangssignal IN so neuberechnet werden, daß das Empfangssignal fortlaufend möglichst gut dekorreliert wird.
• Die für den in der Update-Einrichtung UPD stattfindenden Koeffizientenabgleich notwendige Aktualisierungsgröße U₂ wird gewonnen, indem das Fehlersignal E über ein gleiches Dekorrelationsfilter F₂ geschickt wird In diesem Filter werden an den in 2 näher gekennzeichneten Stellen. So S₁ ... S_M Korrektursignale addiert, die in 1 zu dem Korrektursignalvektor K zusammengefaßt sind und die die Wirkung haben, daß die in 1 gezeigte Struktur des Echokompensators EC eine exakte Realisierung des NLMS-Algorithmus darstellt.
• Zwei Ausführungsbeispiele hierzu zeigen die 3a und 3b. Die Berechnung der Korrektursignale Γ in der 3a bzw. γ₁ ... γ_ν in 3b kann entsprechend 4 erfolgen.
• Hierzu werden benötigt die Koeffizienten a₁ ... a_M des Dekorrelationsfilters F₁ zum laufenden Abtastzeitpunkt k und zum vorigen Abtastzeitpunkt k-1, und die Größe λ zum Abtastzeitpunkt k-1, die in der Update-Einrichtung UPD ohnehin gebildet wird und mit dem gefilterten Signalvektor U₁ multipliziert wird, um entsprechend dem NLMS-Algorithmus den Koeffizienten-Update-Vektor für das Transversalfilter HC zu erhalten. Ferner werden die aus dem Eingangssignal IN zu berechnenden Kurzzeit-AKF-Werte r_μ,ν, = x'(k – μ)x(k – ν) benötigt, wobei der Vektor x(k) die letzten N Abtastwerte des Eingangssignals IN enthält.
• Das Fehlersignal E wird gewonnen, indem der Subtrahierer s die Differenz Z-ZC bildet. Das geschätzte Echo ZC, auch Kompensationsecho genannt, entsteht durch Faltung des Eingangssignals IN mit den N Koeffizienten des Transversalfilters HC, wobei hierfür die letzten N Abtastwerte des Eingangssignals IN benötigt werden.
• Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal gegenüber dem Stand der Technik liegt in der in 1 gezeigten Anordnung der beiden Dekorrelationsfilter F = F₁ = F₂ in Verbindung mit dem Hinzufügen des Korrektursignalvektors K.
• Wichtig ist weiterhin, daß an den in 2 näher spezifizierten Stellen S₀, S₁ ... S_M Korrektursignale addiert werden mit der Wirkung, daß die in 1 gezeigte Struktur des Echokompensators EC eine exakte Realisierung des NLMS-Algorithmus darstellt, für die in 3a und 3b zwei Ausführungsbeispiele gezeigt sind.
• Die Berechnung der darin vorkommenden Korrektursignale Γ bzw. γ₁ ... γ_M kann entsprechend 4 erfolgen Diese Korrektursignale werden, wie oben bereits genauer geschildert, fortlaufend berechnet aus dem Eingangssignal IN, den Koeffizienten des Dekorrelationsfilters F und einer speziellen, in der Update-Einrichtung UPD gebildeten Größe. Von den in 3a und 3b gezeigten Ausführungsbeispielen ist das in 3b gezeigte Ausführungsbeispiel günstiger, da gegenüber dem Ausführungsbeispiel 3a noch M Multiplikationen eingespart werden (vergl. 4).

a₁ ... a_M

= zu bestimmende Koeffizienten des Dekorrelationsfilters F = F₁ = F₂

E

= Fehlersignal

EC

= Echokompensator

F₁

= erstes Dekorrelationsfilter, (Transversalfilter mit M + 1 Koeffizienten)

F₂

= zweites, mit dem ersten identisches Dekorrelationsfilter,

Γ

= Korrektursignal

γ₁ ... γ_M

= Korrektursignale

H

= unbekanntes System, Echopfad

HC

= adaptives Transversalfilter mit N Koeffizienten

IN

= empfangenes Signal

K

= Korrekiursignalvektor

k

= Abtastzeitpunkt

k-1

= voriger Abtastzeitpunkt

λ

= Größe, in UPD berechnet

N

= Zahl der abzugleichenden Koeffizienten des Transversalfilters HC

M

= Zahl der zu bestimmenden Koeffizienten des Dekorrelationsfilters

R_in

= Empfangssignaleingang

R_out

= Empfangssignalausgang

r_μ,ν

= aus IN zu berechnende Kurzzeit-AKF-Werte

S

= Subtrahierer

S_in

= Sendeeingang

S_out

= Sendesignalausgang

S₀, S₁ ... S_M

= Stellen für Korrektursignaladdition

T

= Verzögerungsglied

UPD

= Update-Einrichtung

U₁

= dekorrelierter Signalvektor der Länge N

U₂

= Aktualisierungsgröße

x(k)

= Vektor, der die letzten N Abtastwerte von IN enthält

Z

= Echo

ZC

= Schätzwert für das Echo Z

Claims (2)

1. Verfahren zur Echokompensation in Übertragungssystemen, bei dem zur selbsttätigen Identifikation der Übertragungseigenschaften der echoerzeugenden Systemmerkmale zur Schätzwertbildung (ZC) für das Echo (Z) mit Hilfe implementierbarer adaptiver NLMS-(Normalized Least Mean Square) Algorithmen eine Impulsantwort gebildet wird, welche die N Koeffizienten eines zur Systemnachbildung verwendbaren adaptiven Transversalfilters (HC) enthält, die in regelmäßigen Zeitabständen (Abtasttakt) nach Dekorrelieren der Eingangssignale (IN) mittels eines einen dekorrelierten Eingangssignalvektor (U₁) erzeugenden ersten Dekorrelationsfilters (F1) durch einen Koeffizientenabgleich neu eingestellt werden und bei dem der jeweils ermittelte Schätzwert (ZC) für das Echo (Z) vom Echo (Z) des Übertragungssystems (H) substrahiert wird, wobei von einem zweiten Dekorrelationsfilter (F2) eine Aktualiesierungsgröße (U₂) für den genauen Koeffizientenabgleich des adaptiven Transversalfilters (HC) erzeugt und entsprechend dem NLMS-Algorithmus mit dem dekorrelierten Eingangssignalvektor (U₁) in einer Update-Einrichtung (UPD) verknüpft wird, dadurch gekennzeichnet, daß fortlaufend Korrektursignale (Γ; γ₁ ... γ_M) gebildet und zu dem als Substraktionsergebnis erhaltenen und in der Folge mit den Koeffizienten (a₁, ... a_M) des zweiten Dekorrelationsfilters (F2) transformierten Fehlersignal (E) an Stellen (S₀; S₁ ..., S_M) des zweiten Dekorrelationsfilters (F₂)addiert werden, und daß die Korrektursignale (Γ; γ₁ ... γ_M) aus dem Eingangssignal (IN), den Koeffizienten (a₁ ... a_M) des zweiten Dekorrelationsfilters (F2) und einer in der Update-Einrichtung (UPD) gebildeten Größe (λ) gebildet werden.
2. Vorrichtung eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1.