FI105864B

FI105864B - Kaiunpoistomekanismi

Info

Publication number: FI105864B
Application number: FI971680A
Authority: FI
Inventors: Jyri Suvanen
Original assignee: Nokia Networks Oy
Priority date: 1997-04-18
Filing date: 1997-04-18
Publication date: 2000-10-13
Also published as: FI971680A; WO1998048527A3; AU6836498A; FI971680A0; WO1998048527A2; US6545985B1

Description

1 105864

Kaiunpoistomekanismi

Keksinnön tausta

Keksinnön kohteena on järjestely kaiun poistamiseksi matkavies-" tinjärjestelmässä, matkaviestinjärjestelmän kaiunpoistaja sekä transkooderi.

5 Viitaten kuvioon 1, nykyisissä puhelinjärjestelmissä puhelinkeskus ja puheenkäsittely-yksikkö on kytketty toisiinsa loogisen ja/tai fyysisen rajapinnan kautta. Tämän rajapinnan yli puhe välitetään pakatussa muodossa eli "kompandoituna”, esimerkiksi A- tai μ-lain mukaan koodattuina PCM-näytteinä. Yleensä tällaisella rajapinnalla bittinopeus on 64 kbit/s puhekanavaa kohti. 10 Hyvin tunnettu esimerkki tällaisesta järjestelmästä on GSM-järjestelmän matkapuhelinkeskuksen MSC ja transkooderiyksikön TRAU (Transcoder and Rate Adaptation Unit) välinen rajapinta, joka tunnetaan nimellä A-rajapinta. Kun matkaviestinjärjestelmässä muodostetaan puhelun kahden matkaviestimen, esimerkiksi MS1 ja MS2 välillä, matkaviestimestä MS1 lähtevä puhe kooda-15 taan kahteen kertaan, ensimmäisen kerran matkaviestimessä MS1 ja toisen kerran transkooderiyksikössä TRAU2. Tällaista tilannetta kutsutaan tan-demkoodaukseksi. Tandemkoodaus heikentää puheen laatua.

Tandemkoodauksen estämiseksi on esitetty erilaisia ratkaisuja. Viitteestä 1 tunnetaan eräs tällainen mekanismi. Tämän hakemuksen puitteis-20 sa tandemkoodauksen estämisestä käytetään nimitystä TFO (Tandem Free Operation). Jos TFO on aktiivisena, puhe välitetään A-rajapinnan yli puhepa-rametreina eikä A- tai μ-lain mukaisina näytteinä. Viitteen 1 mukaan on myös mahdollista välittää puheen molemmat esitysmuodot rinnakkain puhekanavas-sa samanaikaisesti. Kuviossa 1 ehjällä viivalla piirretty johdin 11 kuvaa PCM-25 näytteiksi koodattua puhetta ja katkoviivalla piirretty johdin 12 kuvaa matkaviestinjärjestelmän puhedekooderilla parametriseen muotoon koodattua puhetta.

Matkaviestimet aiheuttavat toiselle osapuolelle kuuluvaa akustista kaikua. Kuviossa 1 tällainen tilanne on nähtävissä siten, että matkaviestimeen 30 MS1 puhuttu puhe enkoodataan matkaviestimen puhe-enkooderilla. Enkoo-dattu puhe etenee toiselle matkaviestimelle MS2, jossa enkoodattu puhe dekoodataan ja johdetaan matkaviestimen kovaääniselle. Osa puheesta kiertää kaikuna matkaviestimen MS2 mikrofonin kautta takaisin matkaviestimen MS1 käyttäjälle. Normaalisti kaiku tulisi poistaa itse matkaviestimessä, mutta kaiun-35 poiston puutteellisen toteutuksen vuoksi joissakin tilanteissa voi välittyä tasoltaan matala, mutta silti häiritsevä akustinen kaiku. Tämä jäännöskaiku voidaan 2 105864 poistaa matkapuhelinverkon puolella olevalla akustisen kaiun poistajalla. Ensimmäiset kaiunpoistajat yksinkertaisesti katkaisivat estivät kaiun palaamisen puhujalle (katkaisemalla signaalitien) todetessaan, että kaikua on poistettava. Täydellinen hiljaisuus on puhujalle kuitenkin epämiellyttävää, koska hän saat-5 taa luulla, että yhteys on katkennut. Sen vuoksi uudemmat kaiunpoistajat lähettävät puhujalle ns. mukavuuskohinaa (comfort noise, CN), joka muodostetaan ottamalla näytteitä B-tilaajan taustakohinasta. Kaiunpoistaja AEC voi olla erillinen verkkoelementti. Vaihtoehtoisesti kaiunpoistotoiminto voidaan sijoittaa tai integroida jonkin toisen verkkoelementin yhteyteen. Yksinkertaisuuden 10 vuoksi jäljempänä tässä hakemuksessa mukavuuskohinalla tarkoitetaan sekä ’’vanhan” tyyppistä hiljaisuutta että "uuden” tyyppistä todellista mukavuuskohinaa.

Kun TFO-toiminto on aktiivisena, puheparametrit välitetään matkaviestinten MS1 ja MS2 välillä suoraan, ilman koodausta A- tai μ-lakinäytteiksi. 15 Kuviossa 1 tätä toimintaa kuvaa johdin 12. Jos ainakin toinen matkaviestimistä aiheuttaa akustista kaikua, tämä kaiku välittyy toiselle matkaviestimelle, ellei käytetä akustisen kaiun poistajaa AEC (Acoustic Echo Canceller).

Viitaten kuvioon 2, eräs vaihtoehto on kehittää mukavuuskohina suoraan parametriseen muotoon, jolloin alkuperäiset puhenäytteet korvataan 20 näillä mukavuuskohinaa kuvaavilla parametriesityksillä. Tällainen ratkaisu tunnetaan viitteestä 2. Tämän ratkaisun ongelmana on, että tällainen kohinan-muodostus on toteutettava eri tavalla jokaiselle puheenkoodausmenetelmälle. Tällöin tarvitaan myös matkaviestimessä mukavuuskohinan analysointitoiminto tai vaihtoehtoisesti kaiunpoistajassa erilliset enkoodaus- ja mukavuuskohinan 25 analysointitoiminnot, jotta parametritasoinen käsittely onnistuisi.

Viitaten nyt kuvioon 3, eräs tunnettu mekanismi on estää TFO-toiminto silloin, kun AEC on aktiivinen. Kuvion 3 mekanismi toimii seuraavasti. AEC tarkkailee puheaktiivisuutta alasuunnassa (MSC2 MS2). Havaittuaan puheaktiivisuutta alasuunnassa, AEC korvaa yläsuunnan (MS2 -> MSC2) pu-30 hesignaalin mukavuuskohinalla. Mukavuuskohina muodostetaan PCM-näyt-.· . teinä. Tämän mekanismin ongelmana on ainakin se, että tandemkoodauksen esto on neuvoteltava uudelleen transkooderiyksiköiden TRAU välillä aina AEC:n käytön jälkeen. Tämä tekniikka heikentää puheen laatua huomattavasti.

i 3 105864

Vielä eräs tunnettu tekniikka on se, että AEC:tä ei käytetä lainkaan, jos TFO on aktiivinen (kuvio 1, johdin 12). Tässä tapauksessa häiritsevä akustinen kaiku on selvästi kuultavissa.

* Keksinnön lyhyt selostus 5 Keksinnön tavoitteena on siten kehittää laitteisto siten, että yllä mainitut ongelmat saadaan ratkaistua. Keksinnön erityisenä tavoitteena on sallia kaiunpoistajan toiminta ilman, että samanaikaisesti häiritään tan-demkoodauksen poistamista. Keksinnön tavoitteet saavutetaan laitteistoilla, joille on tunnusomaista se, mitä sanotaan itsenäisissä patenttivaatimuksissa. 10 Keksinnön edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten patenttivaatimusten kohteena.

Keksintö perustuu siihen, että matkapuhelinverkossa välittyviä pu-heparametreja on jotenkin muutettava, jotta kaiku saadaan poistettua. Samanaikaisesti halutaan säilyttää tandemkoodauksen esto aktiivisena, jotta pu-15 heen laatu säilyisi mahdollisimman hyvänä.

Eräs mahdollinen ratkaisu tähän ongelmaan esitetään kuviossa 4. Tämä ratkaisu perustuu siihen, että TFO:ssa käytettävällä puheenkoodaus-menetelmällä koodataan mukavuuskohina parametriseen muotoon ja korvataan alkuperäiset puheparametrit näillä mukavuuskohinaa kuvaavilla paramet-20 riesityksillä. Tässä suoritusmuodossa kaiunpoistajaan tarvitaan ylimääräinen enkoodaustoiminto.

Kuviossa 5 esitetty keksinnön ensisijainen suoritusmuoto perustuu siihen, että kaiunpoistajaan sijoitetaan mukavuuskohinan kehittämistoiminto, : joka tuottaa kohinan PCM-näytteinä (eli A- tai μ-lakinäytteinä). Kahden matka- 25 viestimen välisessä puhelussa (tai yleisesti puhelussa, jonka kaikki osapuolet kykenevät TFO-toimintaan), tandemkoodauksen esto (TFO) on aktiivisena, eli puhe välitetään transkoodenen välillä parametrisessa muodossa. Jotta tämä onnistuisi, oletetaan lisäksi, että samanaikaisesti parametrien kanssa lähetetään PCM-näytteitä (eli A-Zp-Iakinäytteitä, kuten viitteessä 1 esitetään). Lisäksi ! 30 oletetaan, että transkooderien välillä lähetetään myös jonkinlaista kehysmuo toista signalointi-informaatiota.

’ Keksinnön mukaisen kaiunpoiston etuna on, että se poistaa akusti sen kaiun myös TFO-toiminnon aikana. Keksinnön ensisijaisen suoritusmuodon erityisenä etuna on, että se vaatii vain vähän ylimääräistä prosessointia. 35 Sen toinen etu on, että keksintö mahdollistaa samojen mukavuuskohinan ke- 4 105864 hittämisvälineiden käytön matkaviestinjärjestelmässä käytettävistä koodekeista riippumatta.

Kuvioiden lyhyt selostus

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen 5 yhteydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joista:

Kuvio 1 esittää akustisen kaiun syntymistä ja keksinnön selostamisen kannalta oleellisia osia matkaviestinjärjestelmässä;

Kuviot 2-3 havainnollistavat tunnettuja mekanismeja akustisen kaiun poistamiseksi; 10 Kuvio 4 esittää erästä mahdollista järjestelyä akustisen kaiun pois tamiseksi;

Kuvio 5 esittää keksinnön ensisijaisen suoritusmuodon mukaista järjestelyä akustisen kaiun poistamiseksi; ja

Kuvio 6 on keksinnön toimintaa havainnollistava vuokaavio.

15 Keksinnön yksityiskohtainen selostus

Viitaten kuvioon 5 selostetaan keksinnön mukaisen kaiunpoistajan ensisijaisen suoritusmuodon toiminta. Muiden kuvien tapaan kuvataan tilanne, jossa puhujana on matkaviestimen MS1 käyttäjä ja akustinen kaiku syntyy matkaviestimen MS2 kohdalla. Kuvion 5 esimerkissä (samoin kuin kuviossa 3) 20 kaiunpoistaja AEC tarkkailee puheaktiivisuutta alasuunnassa (MSC2 -> MS2). Havaittuaan puheaktiivisuutta alasuunnassa, AEC korvaa yläsuunnan (MS2 -> MSC2) puhesignaalin mukavuuskohinalla CN. Mukavuuskohina muodostetaan : PCM-näytteinä. Kaiunpoistaja AEC tarkkailee transkooderilta TRAU2 tulevia PCM-näytteitä. Mikäli kaiunpoistaja AEC havaitsee, että TFO on aktiivinen ja 25 kaikua tulisi poistaa, kaiunpoistaja korvaa alkuperäiset PCM-näytteet mukavuuskohinalla, lukuunottamatta vähiten merkitsevissä biteissä kulkevaa TFO-informaatiota. Sen lisäksi, keksinnön mukaisesti AEC tuottaa lisäinformaation AI (Additional Information), joka osoittaa, että parametrimuotoisen puhedatan 12 sijasta käytetään samanaikaisesti välitettäviä PCM-näytteitä. Vasteena li-30 säinformaatiolle AI puhujan (tässä esimerkissä matkaviestimen MS1) puoleisen transkooderin TRAU1 tulee enkoodata matkaviestimelle MS1 lähetettävä puhe käyttämällä kaiunpoistajan tuottamia PCM-näytteitä eikä lähettää para-metrimuotoista puhedataa sellaisenaan matkaviestimelle MS1. Muilta osin transkooderi TRAU1 toimii normaalisti (muita muutoksia TFO-toimintaan ei tar-35 vita).

5 105864

Lisäinformaatioksi AI riittää esimerkiksi 1 bitti kutakin TRAU-kehystä kohti. Lisäinformaatio voidaan tulkita puhujan puoleisessa transkooderissa ψ (kuvioissa TRAU1) esimerkiksi siten, että sellaisen TRAU-kehyksen, jossa kyseinen bitti on kaiunpoistoa osoittavassa tilassa, aikana ei käytetä TFO- % 5 alikanavassa välitettyjä kaikuisia parametreja, vaan sen sijaan enkoodataan mukavuuskohinaa PCM-näytteistä.

Kuvio 6 on vuokaavio, joka havainnollistaa erästä mahdollista tapaa keksinnön ensisijaisen suoritusmuodon toteuttamiseksi. Vaiheet 61 - 64 liittyvät kaiunpoistajan toimintaan ja vaiheet 65 - 67 transkooderiin. Vaiheessa 61 10 kaiunpoistaja AEC testaa, täyttyvätkö ehdot puhesignaalin korvaamiseksi mu-kavuuskohinalla CN. Eräs mahdollinen joukko kriteerejä mukavuuskohinan tuottamiseksi esitetään viitteessä 2. Mikäli kriteerit täyttyvät, vaiheessa 62 kaiunpoistaja korvaa puhesignaalin mukavuuskohinalla. Vaiheessa 63 testataan, onko tandemkoodauksen esto TFO aktiivinen, ja jos on, vaiheessa 64 kaiun-15 poistaja tuottaa lisäinformaation AI puhujan puoleiselle transkooderille TRAU1.

Vaiheessa 65 transkooderi TRAU1 tarkkailee mahdollisen lisäinformaation esiintymistä. Havaittuaan lisäinformaation AI, transkooderi TRAU1 vaiheessa 66 enkoodaa puhesignaalin kaiunpoistajan AEC tuottamasta PCM-muotoisesta mukavuuskohinasta. Ellei lisäinformaatiota esiinny, transkooderi 20 TRAU1 jatkaa normaalia TFO-toimintaa.

Eräs mahdollinen mekanismi lisäinformaation AI välittämiseksi kaiunpoistajan AEC ja transkooderin TRAU1 välillä esitetään viitteessä 1.

. Tämän hakemuksen mukaisen keksinnön toiminta on eräänlainen hybridi TFO-toiminnan ja AEC-toiminnon välillä. Normaali puhe välitetään 25 TFO-toiminnan mukaisesti (tandemkoodaus estetty), mutta mukavuuskohina tuotetaan PCM-muotoisena. Samalla välitetään kaiunpoistajalta AEC transkooderille TRAU1 lisäinformaatio, joka osoittaa, että transkooderin TRAU1 tulee enkoodata matkaviestimelle MS1 lähetettävä puhesignaali käyt-. ·. tämällä kaiunpoistajan AEC tuottamaa PCM-muotoista mukavuuskohinaa.

’ 30 Keksintö on havainnollisuuden vuoksi selostettu käyttäen GSM- e järjestelmän termejä, erityisesti puheen koodaus parametrisessa muodossa transkooderin alapuolella ja PCM-muodossa (A-lakinäytteet tai μ-lakinäytteet) transkooderin yläpuolella. Keksintö ei kuitenkaan rajoitu tähän, vaan sitä voidaan soveltaa muihinkin matkaviestinjärjestelmiin, joissa on tunnistettavissa 35 matkaviestinten puoleinen ensimmäinen koodausmuoto ja matkaviestinkes- 105864 6 kusten puoleinen toinen koodausmuoto. Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksinnön perusajatus voidaan muutenkin toteuttaa monin eri tavoin. Keksintöjä sen suoritusmuodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

5 Viitteet: 1. Suomalainen patenttihakemus FI951807 / PCT-kuulutusjulkaisu W096/32823 Transkooderi, jossa on tandemkoodauksen esto” - keksijä Matti Lehtimäki.

2. Suomalainen patenttihakemus FI952833 / PCT-kuulutusjulkaisu 10 W096/42142 "Akustisen kaiun poisto digitaalisessa matkaviestinjärjestelmäs sä" - keksijä Jyri Suvanen et ai.

i

Claims

7 105864

1. Järjestely ensimmäiselle matkaviestimelle (MS1) toiselta matkaviestimeltä (MS2) palautuvan akustisen kaiun poistamiseksi matkaviestinjärjestelmässä, joka mainittujen matkaviestinten (MS1, MS2) lisäksi käsittää: 5. ainakin yhden matkapuhelinkeskuksen (MSC1, MSC2); -ensimmäisen transkooderin (TRAU1) ja toisen transkooderin (TRAU2) siten, että ensimmäinen ja toinen matkaviestin (MS1, MS2) liittyvät mainittuihin matkapuhelinkeskuksiin (MSC1, MSC2) vastaavasti ensimmäisen ja toisen transkooderin (TRAU1, TRAU2) kautta ja transkooderit on järjestetty 10 muuntamaan puhesignaali matkaviestinten puoleisesta ensimmäisestä koo-dausmuodosta matkaviestinkeskusten puoleiseen toiseen koodausmuotoon ja päinvastoin; - tandemkoodauksen estotoiminnon (TFO) puhesignaalin välittämiseksi kokonaan ensimmäisessä koodausmuodossa vasteena sille, että puhe- 15 lun molemmat osapuolet kykenevät käyttämään ensimmäistä koodausmuotoa; - ainakin yhden akustisen kaiunpoistajan (AEC) matkapuhelinkeskusten (MSC1, MSC2) ja toisen matkaviestimen (MS2) välisellä osuudella; ja - kaiunpoistajalle (AEC) on määritelty ennalta määrätyt kriteerit, joiden täyttyessä se korvaa toisen matkaviestimen (MS2) yläsuunnan puhesig- 20 naalin toisessa koodausmuodossa olevalla mukavuuskohinalla (CN); tunnettu siitä, että: - kaiunpoistaja (AEC) tuottaa lisäinformaation (AI), mikäli tandemkoodauksen estotoiminto (TFO) on aktiivinen ja samanaikaisesti täyttyvät kriteerit puhesignaalin korvaamiseksi mukavuuskohinalla; 25. vasteena mainitulle lisäinformaatiolle (AI), ensimmäinen transkoo- deri (TRAU1) enkoodaa ensimmäiselle matkaviestimelle (MS1) lähetettävän puhesignaalin käyttämällä kaiunpoistajan (AEC) tuottamaa toisessa koodaus-muodossa olevaa mukavuuskohinaa (CN).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, - ,ί 30 että ensimmäisessä koodausmuodossa puhesignaali koodataan parametri-seen muotoon ja toisessa koodausmuodossa PCM-näytteiksi, edullisesti A-lakinäytteiksi tai μ-lakinäytteiksi.

3. Akustisen kaiun poistaja (AEC), joka on sovitettu: - toimimaan matkaviestinjärjestelmässä, jossa on matkaviestinten 35 (MS1, MS2) puoleinen ensimmäinen koodausmuoto ja matkaviestinkeskusten 8 105864 (MSC1, MSC2) puoleinen toinen koodausmuoto ja ainakin yksi transkooderi (TRAU1, TRAU2) puhesignaalin muuntamiseksi mainittujen koodausmuotojen välillä sekä tandemkoodauksen estotoiminto (TFO) puhesignaalin välittämiseksi kokonaan ensimmäisessä koodausmuodossa vasteena sille, että puhe-5 lun molemmat osapuolet ovat matkaviestintilaajia; ja - korvaamaan ennalta määrättyjen kriteerien täyttyessä matkaviestimen (MS2) yläsuunnan puhesignaali toisessa koodausmuodossa olevalla mukavuuskohinalla (CN); tunnettu siitä, että kaiunpoistaja (AEC) on lisäksi sovitettu: 10. tarkkailemaan, onko tandemkoodauksen estotoiminto (TFO) aktii vinen; ja - tuottamaan lisäinformaatiota (AI) kaiun etenemissuuntaiselle transkooderille (TRAU1) vasteena sille, että tandemkoodauksen estotoiminto (TFO) on aktiivinen ja samanaikaisesti täyttyvät kriteerit puhesignaalin kor- 15 vaamiseksi mukavuuskohinalla (CN).

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen kaiunpoistaja (AEC), tunnettu siitä, että se on sovitettu tarkkailemaan puheaktiivisuutta toisen matkaviestimen (MS2) alasuunnassa ja havaittuaan puheaktiivisuutta alasuun-nassa, korvaamaan toisen matkaviestimen (MS2) yläsuunnan puhesignaalin 20 mukavuuskohinalla.

5. Transkooderi (TRAU1), joka on sovitettu: - toimimaan matkaviestinjärjestelmässä, jossa on matkaviestinten (MS1, MS2) puoleinen ensimmäinen koodausmuoto ja matkaviestinkeskusten (MSC1, MSC2) puoleinen toinen koodausmuoto, ja muuntamaan puhesignaa- 25 lia mainittujen koodausmuotojen välillä, kun matkaviestinjärjestelmä lisäksi käsittää kaiunpoistajan (AEC), joka on sovitettu korvaamaan ennalta määrättyjen kriteerien täyttyessä matkaviestimen (MS2) yläsuunnan puhesignaali toisessa koodausmuodossa olevalla mukavuuskohinalla; : tunnettu siitä, että 30. transkooderi (TRAU1) on lisäksi sovitettu tarkkailemaan kaiun poistajan (AEC) tuottamaa lisäinformaatiota (AI); ja - vasteena mainitulle lisäinformaatiolle (AI), enkoodaamaan ala-suuntainen puhesignaali käyttämällä kaiunpoistajan (AEC) tuottamaa toisessa koodausmuodossa olevaa mukavuuskohinaa. ; i 9 105864