DE60216590T2

DE60216590T2 - Verfahren und vorrichtung zur adaptiven steuerung eines digitalen mehrkanalechokompensators

Info

Publication number: DE60216590T2
Application number: DE60216590T
Authority: DE
Inventors: Gregoire Le Tourneur; Delphine Feurte
Original assignee: France Telecom SA
Current assignee: Orange SA
Priority date: 2001-05-16
Filing date: 2002-05-14
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2022-05-15
Also published as: DE60216590D1; FR2824982A1; FR2824982B1; EP1400097B1; WO2002093895A1; JP2004527186A; JP4167903B2; US20040131197A1; US7043013B2; EP1400097A1

Description

TECHNISCHES GEBIET UND STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum adaptiven Steuern eines Systems zum Kompensieren von Mehrwegechos sowie eine Vorrichtung, um das Verfahren durchzuführen.
Die Erfindung findet Anwendung auf den Freisprechbetrieb von Kommunikationsmitteln wie beispielsweise Mobiltelephonen, Personalcomputern (für gewöhnlich PC nach engl. Personnal Computer genannt) und allgemeiner jeder Art von Vorrichtung, die in den Audio- und/oder Video-Workstations vorhanden ist, bei denen die Audiokommunikation mit Hilfe von mehreren Lautsprechern erfolgt, die sich in einem Abstand von dem Teilnehmer oder den Teilnehmern befinden.
Das Echo ist ein Haupthindernis bei einem guten Freisprechbetrieb von Kommunikationsmitteln. Das Echo rührt von dem Signal her, das, nachdem es von einem Lautsprecher ausgestrahlt worden ist, entweder direkt oder aber durch Reflexion von einem Mikrophon aufgefangen wird. Das Problem des Echos ist Gegenstand zahlreicher Untersuchungen, sowohl im eindimensionalen Fall als auch im mehrdimensionalen Fall.
Im eindimensionalen Fall gibt es nur ein Tonaufnahmesignal und nur ein Tonwiedergabesignal, und zwar auch dann, wenn das Tonaufnahmesignal von mehreren Mikrophonen aufgefangen wird und das Tonwiedergabesignal von mehreren Lautsprechern wiedergegeben wird.
Im mehrdimensionalen Fall umfasst ein Echokompensationssystem N Signalempfangswege mit jeweils einem Lautsprecher HP_i (i = 1, 2,..., N) und M Tonaufnahmekanäle, wovon jeder ein Mikrophon MC_j (j = 1, 2,..., M) aufweist. Ein solches Echokompensationssystem ist in 1 gezeigt. Es umfasst N × M Schallwege und davon abgehend N × M Echokompensationsvorrichtungen H(i, j).
Jede Echokompensationsvorrichtung H(i, j) umfasst ein Identifizierungsfilter, das die akustische Kopplung zwischen dem Lautsprecher HP_i und dem Mikrophon MC_j schätzt. Neben dem Problem des Betriebs eines derartigen Systems in Echtzeit, das durch die erforderliche Rechenleistung hervorgerufen wird, tritt ein weiteres Problem auf, das die Konvergenz des Algorithmus zum Steuern der Identifizierungsfilter betrifft.
Eine Vorrichtung zum Kompensieren von Mehrwegechos ist aus dem Dokument EP 944 228 A bekannt.
Das Problem der Konvergenz des Algorithmus zum Steuern der Identifizierungsfilter ist Gegenstand zahlreicher Untersuchungen. Von den Konvergenzverfahren können beispielsweise das auf dem Hinzufügen zufälligen Rauschens basierende Verfahren oder das auf der Einführung einer nichtlinearen Funktion zum Dekorrelieren der zu verarbeitenden Signale basierende Verfahren angeführt werden. Dieses letztere Verfahren ist in dem US-Patent 5,828,756 von Benesty u. a. mit dem Titel "Stereophonic acoustic echo cancellation using nonlinear transformations", erteilt in den Vereinigten Staaten am 27. Oktober 1998, beschrieben.
Die Konvergenzverfahren des Standes der Technik weisen zahlreiche Nachteile auf, von denen die lange Rechenzeit angeführt werden kann.
Die Erfindung weist die oben erwähnten Nachteile nicht auf.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft nämlich ein Verfahren zum adaptiven Steuern eines Systems zum Kompensieren von Mehrwegechos, das N Lautsprecher HP_i (i = 1, 2,..., N), wobei N eine ganze Zahl größer oder gleich 2 ist, und M Mikrophone MC_j (j = 1, 2,..., M), wobei M eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist, aufweist, wobei das System N × M Identifizierungsfilter F_ij mit variablen Koeffizienten umfasst, wobei das Identifizierungsfilter F_ij ermöglicht, unter der Wirkung einer Steuerinformation die akustische Kopplung zwischen dem Lautsprecher HP_i und dem Mikrophon MC_j zu schätzen, wobei die Steuerinformation mit Hilfe eines Adaptionsalgorithmus auf der Grundlage eines Fehlersignals zwischen einem von dem Mikrophon MC_j erfassten Signal und einem Referenzsignal, das das geschätzte Signal enthält, das von dem Identifizierungsfilter F_ij ausgegeben wird, und mit Hilfe einer Adaptionsschrittweite der variablen Koeffizienten berechnet wird. Das Referenzsignal enthält außerdem ein Signal, das gleich der Summe der P zusätzlichen geschätzten Signale
_{k,j k≠i} (k = 1, 2,..., i – 1, i + 1,..., P + 1) ist, die von P Identifizierungsfiltern F_{kj k≠i} ausgegeben werden, wobei P eine ganze Zahl im Bereich von 1 bis N – l ist, wobei die Adaptionsschrittweite der variablen Koeffizienten von der Anwesenheit oder der Abwesenheit eines Signals in den P Lautsprechern HP_k (k ≠ i) abhängt.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zum adaptiven Steuern eines Systems zum Beseitigen von Mehrwegechos, die N Lautsprecher HP_i (i = 1, 2,..., N), wobei N eine ganze Zahl größer oder gleich 2 ist, und M Mikrophone MC_j, wobei M eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist, aufweist, wobei das System ein Identifizierungsfilter F_ij mit variablen Koeffizienten aufweist, um die akustische Kopplung zwischen dem Lautsprecher HP_i und dem Mikrophon MC_j zu schätzen, wobei das Identifizierungsfilter durch eine Steuerinformation gesteuert wird, die von einer Aktualisierungseinheit ausgegeben wird, die durch ein Fehlersignal zwischen einem von dem Mikrophon erfassten Signal und einem Referenzsignal, das das geschätzte Signal enthält, das von dem Identifizierungsfilter F_ij ausgegeben wird, und durch eine Adaptionsschrittweite der variablen Koeffizienten gesteuert wird. Die Vorrichtung um fasst Mittel, um zu dem Referenzsignal die geschätzten Signale
_{k,j k≠i} (k = 1, 2,..., i – 1, i + 1,..., P + 1), die von P Identifizierungsfiltern F_kj
k≠i ausgegeben werden, wobei P eine ganze Zahl ist, die im Bereich von 1 bis N – 1 liegen kann, zu addieren, und Mittel, um den Wert der Adaptionsschrittweite der variablen Koeffizienten in Abhängigkeit von der Anwesenheit oder der Abwesenheit des Signals bei P Lautsprechern HP_k (k ≠ i) zu modifizieren.
Wie später deutlich wird, ist gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Zahl P gleich N – 1.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich beim Lesen der Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, die mit Bezug auf die beigefügten Figuren gegeben ist, wobei
1 ein Prinzipschaltbild des Systems zum Kompensieren von Mehrwegechos zeigt;
2 eine Vorrichtung zum adaptiven Steuern eines Systems zum Kompensieren von Mehrwegechos gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
3 eine Vorrichtung zum adaptiven Steuern eines Systems zum Kompensieren von Mehrwegechos gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
1 ist bereits beschrieben worden; es ist daher nicht nötig, noch einmal darauf einzugehen.
2 zeigt eine Vorrichtung zum adaptiven Steuern eines Systems zum Kompensieren von Mehrwegechos gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
Die Steuervorrichtung von 2 ist die Steuervorrichtung gemäß der Erfindung, die das Kompensieren von Echos zwischen dem Mikrophon MC_j und dem Lautsprecher HP_i ermöglicht.
Die Steuervorrichtung umfasst ein Identifizierungsfilter F_ij mit variablen Koeffizienten, eine Aktualisierungseinheit 1, Mittel 2 zum Berechnen der Adaptionsschrittweite μ der variablen Koeffizienten, N Stimmaktivitätsdetektoren DAV(x_i) (i = 1, 2,..., N), einen Stimmaktivitätsdetektor DAV(y_i), einen Subtrahierer 3 und einen Addierer 4. Jeder Stimmaktivitätsdetektor gibt in Abhängigkeit von einer Entscheidungsschwelle die Anwesenheit oder die Abwesenheit eines Sprachsignals an. So gibt das Signal d(x_i), das vom Stimmaktivitätsdetektor DAV(x_i) ausgegeben wird, die Anwesenheit oder die Abwesenheit eines Signals bei dem Lautsprecher HP_i an. Genauso gibt das Signal d (y_j), das von dem Detektor DAV(y_j) ausgegeben wird, die Anwesenheit oder die Abwesenheit eines Signals im Mikrophon MC_j an.
Das Identifizierungsfilter F_ij ist ein programmierbares Filter mit endlicher Impulsantwort, dessen Koeffizienten anpasst werden müssen. Die Aktualisierungseinheit 1 passt die Koeffizienten des Filters auf der Grundlage des Signals x_i, das bei dem Lautsprecher HP_i vorliegt, der berechneten Schrittweite μ der variablen Koeffizienten und eines Fehlersignals e an. Die Aktualisierungseinheit 1 benutzt beispielsweise den Algorithmus des normierten stochastischen Gradienten (NLMS) oder aber den Algorithmus der affinen Projektion der Größenordnung 2 (APA2).
Die Aktualisierungseinheit 1 führt die Aktualisierung des Filters F_ij durch, wenn die nachstehenden Bedingungen erfüllt sind:

– vom Detektor DAV(x_i) wird eine Stimmaktivität erfasst,
– vom Detektor DAV(y_j) wird keine Stimmaktivität erfasst,
– von den Detektoren DAV(x_k,k≠i) wird keine Stimmaktivität erfasst.

Gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung ist der Wert der Schrittweite μ gleich null, falls irgendeines der Signale d(x_k), k ≠ i die Anwesenheit eines Signals bei einem Lautsprecher HP_k angibt. In dem Fall, in dem kein Signal erfasst wird, wird die Adaptionsschrittweite μ gewählt, die für den von der Aktualisierungseinheit benutzten Adaptionsalgorithmus als Optimum angesehen wird. Der Koeffizient μ ist dann beispielsweise gleich 0,33 für den NLMS-Algorithmus oder den APA2-Algorithmus.
Das Fehlersignal e ist gleich dem Unterschied zwischen dem Signal y_j, das im Mikrophon MC_j vorliegt, und einem Referenzsignal. Das Referenzsignal wird aus dem geschätzten Signal y_i,j, das vom Identifizierungsfilter F_ij ausgegeben wird, und aus der Gesamtheit der geschätzten Signale
_{k,j k≠i} die von den N – 1 Identifizierungsfiltern F_k,j ausgegeben werden, gebildet. Hierzu werden die Signale
_{k,j k≠i}, die von den N – 1 Identifizierungsfiltern F_k,j ausgegeben werden, vom Addierer 4 summiert.
Das Fehlersignal lässt sich wie folgt schreiben:
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht vorteilhaft, die Rechenzeit des Aktualisierungsschritts zu verringern, da das Festsetzen der Schrittweite μ auf den Wert null bei Anwesenheit eines Signals bei irgendeinem der Lautsprecher die Konvergenzrechnung beendet.
3 zeigt eine Vorrichtung zum adaptiven Steuern eines Systems zum Kompensieren von Mehrwegechos gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung wird die Adaptionsschrittweite μ der Koeffizienten gemäß dem Prinzip berechnet, das in der französischen Patentanmeldung mit dem Titel "Procédé et dispositif d'identification adaptative et annuleur d'écho adaptatif incluant un tel dispositif", in Frankreich am 13. September 1995 angemeldet und unter der Nummer 2 738 695 veröffentlicht, beschrieben ist. Die Steuervorrichtung umfasst ein Identifizierungsfilter F_ij mit variablen Koeffizienten, eine Aktualisierungseinheit 5, Mittel 6 zum Berechnen der Adaptionsschrittweite μ der variablen Koeffizienten, einen Detektor von Stimmaktivität am Lautsprecher HP_i, DAV(x_i), Mittel 7 zum Schätzen der Energie X_i des Signals x_i, Mittel 8 zum Schätzen der Energie Y_j des Signals y_j, Mittel 9 zum Schätzen der gewichteten Energie
der Signale x_k (k ≠ i), die von den N – 1 Lautsprechern HP_k (k = 1, 2,..., i – 1, i + 1,..., N) ausgegeben werden, einen Subtrahierer 3 und einen Addierer 4.
Die Aktualisierungseinheit 5 führt die Aktualisierung des Filters F_ij durch, wenn von dem Detektor DAV(x_i) eine Stimmaktivität erfasst wird.
Die Adaptionsschrittweite μ der variablen Koeffizienten wird dann anhand des Ausdrucks
berechnet, wobei a_i, b_i, c_j und d_k (k ≠ i) positive Koeffizienten sind. Als nicht einschränkendes Beispiel kann der Koeffizient a_i gleich 1 sein, der Koeffizient b_i gleich 3, der Koeffizient c_j kann im Bereich zwischen 10 und 100 enthalten sein (er hängt von den Bedingungen der akustischen Umgebung ab), und die Koeffizienten d_k können im Wesentlichen von gleicher Größenordnung wie der Koeffizient c_j sein.
Die Koeffizienten d_k ermöglichen vorteilhaft, die Steuerung der Schrittweite in Abhängigkeit von der Zahl der Lautsprecherwege einzustellen. Wenn auf wenigstens einem der Lautsprecherwege eine Stimmaktivität vorhanden ist, strebt der Koeffizient μ gegen null und die Adaption endet.
Ein besonderer Vorteil dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung ist, dass sie bewirkt, dass der Koeffizient μ in dem Maße stetig gegen null strebt, wie die Energie der Signale zunimmt. Die Verwendung von Stimmaktivitätsdetektoren hat diesen Vorteil nicht, da die Adaption mit Störsignalen stattfinden kann, solange die Entscheidungsschwelle nicht erreicht ist. Gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist es besonders einfach, eine Fehlanpassung des Filters zu vermeiden.
Welche auch ihre Ausführung ist, die Erfindung findet vorteilhaft auf jede Art von adaptivem Algorithmus Anwendung.

Claims

Verfahren zum adaptiven Steuern eines Systems zum Kompensieren von Mehrwegechos, das N Lautsprecher HP_i (i = 1, 2,..., N), wobei N eine ganze Zahl größer oder gleich 2 ist, und M Mikrophone MC_j (j = 1, 2,..., M), wobei M eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist, aufweist, wobei das System N × M Identifizierungsfilter F_ij mit variablen Koeffizienten umfasst, wobei das Identifizierungsfilter F_ij ermöglicht, unter der Wirkung einer Steuerinformation die akustische Kopplung zwischen dem Lautsprecher HP_i und dem Mikrophon MC_j zu schätzen, wobei die Steuerinformation mit Hilfe eines Adapationsalgorithmus auf der Grundlage eines Fehlersignals (e) zwischen einem von dem Mikrophon MCj erfassten Signal (y_j) und einem Referenzsignal, das das geschätzte Signal (ŷ_ij) enthält, das von dem Identifizierungsfilter F_ij ausgegeben wird, und mit Hilfe einer Adaptionsschrittweite (μ) der Koeffizienten berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal außerdem ein Signal enthält, das gleich der Summe der P zusätzlichen geschätzten Signale (ŷ_{k,j k≠i} (k = 1, 2,..., i – 1, i + 1,..., P + 1)), die von P Identifizierungsfiltern Fkj (k≠i) ausgegeben werden, wobei P eine ganze Zahl im Bereich von 1 bis N – 1 ist, und dass die Adaptionsschrittweite (μ) der variablen Koeffizienten von der Anwesenheit oder der Abwesenheit eines Signals in den P Lautsprechern HP_k abhängt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Adaptionsschrittweite (μ) der variablen Koeffizienten gleich null ist, falls die Anwesenheit eines Signals bei wenigstens einem der P Lautsprecher HP_k erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn der Adaptionsalgorithmus ein Algorithmus des normierten stochastischen Gradienten (NLMS) oder der Algorithmus der affinen Projektion der Größenordnung 2 (APA2) ist, die Adaptionsschrittweite (μ) der variablen Koeffizienten gleich 0,33 ist, falls bei den M Lautsprechern HP_k kein Signal erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst: – einen Schritt zum Schätzen der Energie X_i des Schallsignals, das von dem Lautsprecher HP_i ausgesendet wird, – einen Schritt zum Schätzen der Energie Yj des von dem Mikrophon MC_j empfangenen Signals, – einen Schritt zum Schätzen der gewichteten
Lautsprechern HP_k ausgesendet werden, wobei P eine ganze Zahl im Bereich von 1 bis N – 1 ist, und dass die Adaptionsschrittweite μ der variablen Koeffizienten durch den folgenden Ausdruck bestimmt ist:
wobei a_i, b_i, c_j und d_k (k ≠ i) positive Koeffizienten sind.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass: – a_i = 1, – b_i = 3, – c_j im Bereich von 10 bis 100 liegt und – d_k im Bereich von 10 bis 100 liegt.
Vorrichtung zum adaptiven Steuern eines Systems zum Beseitigen von Mehrwegechos, die N Lautsprecher HP_i (i = 1, 2,..., N), wobei N eine ganze Zahl größer oder gleich 2 ist, und M Mikrophone MCj (j = 1, 2,..., M), wobei M eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist, aufweist, wobei das System ein Identifizierungsfilter F_ij mit variablen Koeffizienten aufweist, um die Energie der Signale, die von P akustische Kopplung zwischen dem Lautsprecher HP_i und dem Mikrophon MC_j zu schätzen, wobei das Identifizierungsfilter durch eine Steuerinformation gesteuert wird, die von einer Aktualisierungsvorrichtung (1, 5) ausgegeben wird, die durch ein Fehlersignal (e) zwischen einem von dem Mikrophon (y_j) erfassten Signal und einem Referenzsignal, das das geschätzte Signal (ŷ_ij) enthält, das von dem Identifizierungsfilter F_ij ausgegeben wird, und durch eine Adaptionsschrittweite (μ) der Koeffizienten gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel, um zu dem Referenzsignal die geschätzten Signale (ŷ_{k,j k≠i} (k = 1, 2,..., i – 1, i + 1,..., P + 1)), die von P Identifizierungsfiltern F_kj(k+i) ausgegeben werden, wobei P eine ganze Zahl ist, die im Bereich von 1 bis N – 1 liegen kann, zu addieren, und Mittel, um den Wert der Adaptionsschrittweite (μ) der Koeffizienten in Abhängigkeit von der Anwesenheit oder der Abwesenheit des Signals bei P Lautsprechern HP_k zu modifizieren, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Modifizieren des Wertes der Schrittweite (μ) P Stimmaktivitätsdetektoren DAV (x_k) aufweist, wobei der Detektor DAV (x_k) ermöglicht, die Anwesenheit oder die Abwesenheit eines Signals bei dem Lautsprecher HP_k zu erfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Modifizieren des Wertes der Schrittweite (μ) erste Mittel (7) zum Schätzen der Energie X_i des Schallsignals, das von dem Lautsprecher HP_i ausgesendet wird, zweite Mittel (8) zum Schätzen der Energie Y_j des von dem Mikrophon MC_j empfangenen Signals, dritte Mittel (9) zum Schätzen der gewichteten Energie
der Signale, die von P Lautsprechern HP_k(k≠i) ausgesendet werden, wobei P eine ganze Zahl im Bereich von 1 bis N – 1 ist, und vierte Mittel zum Bestimmen der Adaptionsschrittweite (μ) der variablen Koeffizienten gemäß dem Ausdruck
wobei a_i, b_i, c_j und d_k (k≠i) positive Koeffizienten sind, umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass: – a_i = 1. – b_i = 3, – c_j im Bereich von 10 bis 100 liegt und – d_k im Bereich von 10 bis 100 liegt.