WO2001069371A2 - Rechnergerät mit mehrwege-akustikaus- und-eingabesystem - Google Patents

Rechnergerät mit mehrwege-akustikaus- und-eingabesystem Download PDF

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WO2001069371A2
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Stefano Ambrosius Klinke
Karl-Heinz Pflaum
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04M1/00—Substation equipment, e.g. for use by subscribers
    • H04M1/58—Anti-side-tone circuits

Definitions

  • the invention relates to a Rechnergerat with multidirectional acoustic ⁇ off and -eingabesystem according to the preamble of claim 1.
  • Telephone devices for example, have means for eliminating acoustic echo signals, so-called acoustic echo elimination circuits, also known as acoustic echo cancellers (AEC), which are coupled in by the handset of the telephone device through the room and the speech cup.
  • AEC acoustic echo cancellers
  • the Acoustic Echo Canceller is particularly important when speaking freely, i.e. without an acoustic signal device being held on the ear and mouth.
  • An essential part of the Acoustic Echo Canceller is an adaptive filter.
  • the task of the adaptive filter is to simulate the transfer function of the room.
  • the Acoustic Echo Canceller receives the output signal, which is sent to the loudspeaker, on the one hand as a reference signal and, on the other hand, receives the input signal, which is introduced by the microphone into the system.
  • the output signal follows two separate paths. Once it is applied directly and once it is led through the room through the loudspeaker and the microphone. If the filter is well adapted, the two ways are equivalent.
  • the two paths are equivalent because, with a good adaptation, the adaptive filter exactly replicates the path of the output signal via the loudspeaker, the room and the microphone. The difference between the two signals is therefore at least almost zero. In this way the suppression of the echo is achieved.
  • the echo can only be suppressed if the signal that reaches the loudspeaker and the signal that is picked up by the microphone correlate in time.
  • a temporal correlation means that only one cons ⁇ aunt delay is present between the two mentioned signals.
  • the signals arriving at the Acoustic Echo Canceller ie the signal that is output via the loudspeaker and the signal that is picked up by the microphone, do not correlate with one another in time. Once the adaptive acoustic echo canceller has been adjusted, it is therefore not sufficient to always suppress the echo.
  • the acoustic signals applied to the adaptive filter of the acoustic echo canceller are namely the f o r the handset or speaker Rechnergerats be ⁇ agreed acoustic signal picked up by the microphone acoustic signal and independent of occurring variations in time delays of the components of the acoustic signals always correlated with each other in time.
  • FIG. 1 shows a basic connection circuit of a filter of an acoustic echo canceller in a telephone arrangement according to the prior art
  • FIG. 2 shows a basic functional circuit diagram of the output and input of acoustic signals in a computer device according to the prior art
  • FIG. 3 shows a functional circuit diagram according to FIG. 3 with delay elements added in a basic manner
  • FIG. 4 shows a functional circuit diagram according to FIG. 4 with an acoustic echo canceller shown in detail according to FIG. 1, and
  • FIG. 5 shows a basic functional circuit diagram for the output and input of acoustic signals in a computer device according to the invention.
  • FIG. 1 schematically shows an acoustic echo canceller, the core of which is an adaptive filter F.
  • an acoustic signal to be output is conducted as an analog electrical signal via a line a to an input of the filter F and to a loudspeaker L.
  • the loudspeaker L converts the analog electrical signal into an acoustic signal and radiates it into a room R.
  • a Microphone M is received, the acoustic signal and a m e reshaped l ektwitzs analog signal.
  • the analog signal is ü b via a line to a positive input of a circuit sums ⁇ S guided.
  • An output signal of the filter F is fed to a negative input of the summation circuit S.
  • a result signal of the summing circuit S is input to an averaging jerk Kopp ⁇ of the filter F led to Nachregel connectoren.
  • the filter F is set in such a way that it compensates the delay circuit for a signal that travels the way from line a via loudspeaker L, room R, microphone M and line b, to the extent that the Input of the filter F applied signal arrives at the summation circuit S at the same time as the signal carried over the said route. In this way, an echo can be suppressed.
  • the system shown in FIG. 1 has only a constant delay, so that the signals on lines a and b are temporally correlated.
  • FIG. 2 shows the part of a personal computer that is relevant for outputting audio signals.
  • This part comprises first means Ml for digitally processing or processing acoustic data to be output or received.
  • This part also has second means M2 for processing for forwarding the acoustic data provided by the first means M1 for output or for processing for forwarding to the first means M1 of the acoustic data received.
  • this part has third means M3, which are used to convert the acoustic data processed by the second means M2 for transmission into analog acoustic signals and to acoustically output the converted analog acoustic signals via lines a and the loudspeaker L via this case.
  • the third means M3 also serve to convert the second means M2 m d igital acoustic data from constricting the microphone M and vorlie ⁇ case above about lines b recorded analog acoustic signals ⁇ .
  • the loudspeaker L and the microphone are each acoustic converters.
  • the loudspeaker L for example, represents a first and the microphone M a second acoustic transducer.
  • an acoustic echo canceller can be used successfully in the personal computer despite the fact that multiple channels are used for the audio outputs or inputs in a personal computer.

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Abstract

Es wird vorgeschlagen, wenigstens einen Akustikaus- mit wenigstens einem Akustikeingang eines Rechnergerätes mit Mehrwege-Akustikaus- und -eingabesystem miteinander zu verbinden und das über diese Verbindung geleitete Akustiksignal einem Acoustic Echo Canceller (F) als ein Referenzsignal zuzuführen für einen Abgleich mit einem Akustiksignal, das dem Acoustic Echo Canceller (F) von wenigstens einem anderen, mit einem Mikrofon (M) verbundenen Mehrwege-Akustikeingang zugeführt ist. Hierdurch ist eine Echofilterung in einem Personal Computer möglich, weil die zugeführten Signale unabhängig von durch das Betriebssystem verursachten Verzögerungen in der Signalverarbeitung stets zeitlich miteinander korreliert sind. Die Echofilterung wiederum ermöglicht das Freisprechen bei einer Spracheingabe.

Description

Rechnergerat mit Mehr ege-Akustikaus- und -eingäbeSystem
Die Erfindung betrifft ein Rechnergerat mit Mehrwege-Akustik¬ aus- und -eingabesystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Telefongerate zum Beispiel weisen Mittel zur Elimination akustischer Echosignale sogenannte Akustik Echo Elimmations- Schaltungen bekannt auch unter dem Namen Acoustic Echo Canceller (AEC) auf, die vom Hörer des Telefongerats durch den Raum und m die Sprechmuschel eingekoppelt werden. Der Acoustic Echo Canceller ist insbesondere dann wichtig, wenn frei gesprochen wird, also ohne dass ein Akustikemgabegerat an Ohr und Mund gehalten wird.
Ein wesentlicher Bestandteil des Acoustic Echo Cancellers ist ein adaptiver Filter. Die Aufgabe des adaptiven Filters besteht darin, die Übertragungsfunktion des Raumes nachzubilden. Der Acoustic Echo Canceller erhalt einerseits als ein Referenzsignal das Ausgangssignal, das an den Lautsprecher geleitet wird, und erhalt andererseits das Eingangssignal, das vom Mikrofon m das System eingeleitet wird. Damit folgt das Ausgangssignal zwei getrennten Wegen. Einmal ist es direkt angelegt und einmal ist es über den Lautsprecher durch den Raum und das Mikrofon gefuhrt. Ist der Filter gut adaptiert, sind die zwei Wege gleichwertig. Die beiden Wege sind gleichwertig, weil bei einer guten Adaption der adaptive Filter den Weg des Ausgangssignals über den Lautsprecher, den Raum und das Mikrofon genau nachbildet. Die Differenz der beiden Signale ist daher zumindest fast null. Auf diese Weise wird die Unterdrückung des Echos erreicht.
Die Unterdrückung des Echos ist nur dann möglich, wenn das Signal, das den Lautsprecher erreicht, und das Signal, das vom Mikrofon aufgenommen wird, zeitlich korrelieren. Eine zeitliche Korrelation bedeutet m diesem Zusammenhang, dass zwischen den beiden angesprochenen Signalen nur eine kons¬ tante Verzögerung vorhanden ist.
Neben den allgemein bekannten Telefongeraten werden mehr und mehr Rechnergerate wie z.B. Personal Computer zum Telefonie¬ ren verwendet. Dabei wird Vielfach auch ein Freisprechen praktiziert. Beim Freisprechen ist es, wie oben schon gesagt, besonders wichtig, dass eine gute Adaption des adaptiven Fil¬ ters des Acoustic Echo Cancellers vorhanden ist, weil das Si- gnal des fernen Sprechers ungehindert auf das Mikrofon ein¬ wirken kann. Ein Rechnergerat hat anders als Telefongerate den Nachteil, dass die Mittel zur Bereitstellung auszugeben¬ der akustischer Signale und die Mittel zur Verarbeitung von in Empfang genommener akustischer Signale im Laufe der Zeit keine konstante Verzögerung aufweisen. Aus verschiedenen vom Betriebssystem des Rechnergerats verursachten Gründen sind die Verzogerungen auf dem Weg über den Lautsprecher, den Raum und das Mikrofon nicht konstant. Die am Acoustic Echo Canceller ankommenden Signale, d.h. das Signal, das über den Laut- Sprecher ausgegeben wird und das Signal, das vom Mikrofon aufgefangen wird, korrelieren nicht zeitlich miteinander. Eine einmal eingestellte Adaption des adaptiven Acoustic Echo Cancellers genügt daher nicht, das Echo stets zu unterdrucken.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ausgehend von einem Rechnergerat der eingangs genannten Art technische Maßnahmen anzugeben, durch die eine stets genaue Adaption des Filters des Acoustic Echo Cancellers unabhängig von den für Akustiksi- gnale variablen zeitlichen Verzogerungen der Komponenten des Rechnergerats gegeben ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelost.
Auf Grund dieser Merkmale sind die am adaptiven Filter des Acoustic Echo Cancellers anliegenden Akustiksignale, nämlich das für den Hörer bzw. Lautsprecher des Rechnergerats be¬ stimmte Akustiksignal und das vom Mikrofon aufgenommene Akus- tiksignal, unabhängig von auftretenden Schwankungen bei der Zeitverzogerungen der Komponenten für die Akustiksignale stets zeitlich miteinander korreliert.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteranspruchen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung naher erläutert. Darin zeigen:
Figur 1 eine Prinzipanschlussschaltung eines Filters eines Acoustic Echo Cancellers m einer Telefonieranord- nung gemäß dem Stand der Technik,
Figur 2 ein prinzipielles Funktionsschaltbild der Aus- und Eingabe akustischer Signale in einem Rechnergerat gemäß dem Stand der Technik, Figur 3 ein Funktionsschaltbild gemäß der Figur 3 mit in prinzipieller Weise ergänzten Verzogerungsgliedern,
Figur 4 ein Funktionsschaltbild gemäß der Figur 4 mit einem im Detail dargestellten Acoustic Echo Canceller gemäß der Figur 1, und Figur 5 ein prinzipielles Funktionsschaltbild der Aus- und Eingabe akustischer Signale in einem Rechnergerat gemäß der Erfindung.
In den Figuren sind gleiche Teile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Figur 1 zeigt schematisch einen Acoustic Echo Canceller, dessen Kern ein adaptives Filter F ist. Ein auszugebendes akustisches Signal wird im vorliegenden Fall als analoges elektrisches Signal über eine Leitung a an einen Eingang des Filters F und an einen Lautsprecher L gefuhrt. Vom Lautsprecher L wird das analoge elektrische Signal in ein akustisches Signal umgeformt und in einen Raum R abgestrahlt. Von einem Mikrofon M wird das akustische Signal empfangen und m ein elektrisches Analogsignal umgeformt. Das Analogsignal wird über eine Leitung b an einen positiven Eingang einer Summen¬ schaltung S gefuhrt. Ein Ausgangssignal des Filters F ist an einen negativen Eingang der Summenschaltung S gefuhrt. Ein Ergebnissignal der Summenschaltung S ist an einen Ruckkopp¬ lungseingang des Filters F zu Nachregelzwecken gefuhrt.
Das Filter F ist m der Weise eingestellt, dass es den Verzo- gerungskreis für ein Signal, das den Weg von der Leitung a über den Lautsprecher L, den Raum R, das Mikrofon M und die Leitung b zurücklegt, soweit ausgleicht, dass das am Eingang des Filters F anliegende Signal gleichzeitig mit dem über die genannte Strecke geführten Signal an der Summenschaltung S ankommt. Auf diese Weise kann ein Echo unterdruckt werden.
Das m der Figur 1 angegebene System hat nur eine konstante Verzögerung, so dass die Signale auf den Leitungen a und b zeitlich korreliert sind.
Bei einem komplexen System, wie es zum Beispiel ein Personal Computer ist, erfolgt die Aus- und Eingabe von Audiosignalen auf einem anderen Weg. Figur 2 zeigt den für eine Aus- Eingabe von Audiosignalen maßgeblichen Teil eines Personal Co - puters . Dieser Teil umfasst erste Mittel Ml zur digitalen Ver- bzw. Bearbeitung von auszugebenden bzw. in Empfang genommenen Akustikdaten. Weiter weist dieser Teil zweite Mittel M2 zur Aufbereitung für eine Weitergabe der von den ersten Mitteln Ml f r eine Ausgabe vorgesehenen Akustikdaten bzw. zur Aufbereitung für eine Weitergabe an die ersten Mittel Ml der in Empfang genommenen Akustikdaten auf. Schließlich weist dieser Teil dritte Mittel M3 auf, die zur Umwandlung der von den zweiten Mitteln M2 zur Weitergabe aufbereiteten Akustikdaten in analoge Akustiksignale und zur akustischen Ausgabe der umgewandelten analogen Akustiksignale über m diesem Fall Leitungen a und den Lautsprecher L dienen. Die dritten Mittel M3 dienen ferner zur Umwandlung für die zweiten Mittel M2 m digitale Akustikdaten von über das Mikrofon M und im vorlie¬ genden Fall über Leitungen b aufgenommenen analogen Akustik¬ signalen.
Im konkreten Fall sind die ersten Mittel Ml wenigstens zum Teil durch Programmsteuerungselemente des der Figur 2 zu Grunde liegenden Rechnergerats gebildet. Weiter sind die zweiten Mittel durch sogenannte Treiber gebildet, die notwen¬ dig sind, um spezielle Gerateteile eines Rechnergerats be- treiben zu können. Die dritten Mittel M3 bilden schließlich eine sogenannte Soundkarte nach. Die Soundkarte wandelt m die eine Richtung digitale Signale in analoge Signale und m die andere Richtung analoge Signale m digitale Signale um.
Der Lautsprecher L und das Mikrofon sind jeweils Akustikwandler. In diesem Sinn stellt zum Beispiel der Lautsprecher L einen ersten und das Mikrofon M einen zweiten Akustikwandler dar.
Der Umstand, dass die Anordnung gemäß der Figur 2 mehrere Wege zum Lautsprecher bzw. mehrere Wege vom Mikrofon aufweist, deutet an, dass eine Ausgabe bzw. eine Aufnahme von Audiosignalen bzw. Akustiksignalen getrennt voneinander auf mehreren Kanälen erfolgen kann, wie das beispielsweise bei Stereoubertragungen der Fall ist. In einem solchen Fall sind dann wenigstens ein weiterer Lautsprecher L bzw. wenigstens ein weiteres Mikrofon M vorgesehen.
Im vorliegenden Fall ist jedoch keine Stereoubertragung bzw. -aufnähme realisiert. Es ist daher sowohl für die Ausgabe als auch für die Aufnahme von Audiosignalen vom Prinzip her j e eine Leitung a bzw. b redundant vorhanden.
Die Übertragung von Signalen von den ersten Mitteln Ml an die zweiten Mittel M2 und von den zweiten Mitteln M2 an die dritten Mittel M3 bzw. von den dritten Mitteln M3 an die zweiten Mittel M2 und von den zweiten Mitteln M2 an die ersten Mittel U) (-0 to r I—1 1
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Auch wenn sich die durch die Verzogerungsglieder Dl, D2 versinnbildlichten Verzogerungen andern, bleiben auf diese Weise das Echosignal und das Referenzsignal für den Filter immer zeitlich korreliert. Hierdurch ist es möglich, einen Acoustic Echo Canceller in einem Personal Computer zu realisieren.
Ist die Soundkarte in der Weise ausgebildet, dass sie neben einem oder mehreren Audioaus- bzw. -eingangen, d e für die Audioaus- bzw. -eingäbe genutzt werden, wenigstens einen weiteren Audioaus- und -eingang aufweist, der nicht für die Audioaus- bzw. -eingäbe genutzt wird, kann trotz des Umstandes, dass in einem Personal Computer mehrere Kanäle für die Audioaus- bzw. -eingäbe verwendet werden, in dem Personal Computer ein Acoustic Echo Canceller mit Erfolg eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Rechnergerät mit Mehrwege-Akustikaus- und -eingabesys- tem, aufweisend erste Mittel zur digitalen Ver- bzw. Be- arbeitung von auszugebenden bzw. in Empfang genommenen Akustikdaten, zweite Mittel zur Aufbereitung für eine Weitergabe der von den ersten Mitteln für eine Ausgabe vorgesehenen Akustikdaten bzw. zur Aufbereitung für eine Weitergabe an die ersten Mittel der in Empfang genomme- nen Akustikdaten, und dritte Mittel einmal zur Umwandlung der von den zweiten Mitteln zur Weitergabe aufbereiteten Akustikdaten in analoge Akustiksignale und zur akustischen Ausgabe der umgewandelten analogen Akustik- signale über wenigstens einen einzigen der Ausgabe-Mehr- wege und durch wenigstens einen einzigen ersten Akustikwandler und einmal zur Umwandlung für die zweiten Mittel in digitale Akustikdaten von über wenigstens einen einzigen der Eingabe-Mehrwege und durch wenigstens einen einzigen zweiten Akustikwandler aufgenommenen analogen Akustigsignalen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Ausgabe-Mehrwege mit wenigstens einem der Eingabe-Mehrwege verbunden ist, und dass die ersten Mittel (Ml) eine Akustik Echo Eliminations- Schaltung (F) nachbildende Mittel umfassen, die ein- gangsseitig mit dem mit einem Ausgabe-Mehrweg verbundenen Eingabe-Mehrweg und ausgangsseitig mit einem mit einem zweiten Akustikwandler (z.B. M) verbundenen Eingabe- Mehrweg verbunden sind.
2. Rechnergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Verbindungen zwischen einem Ausgabe-Mehrweg und einem Eingabe-Mehrweg als Kurzschlussverbindung ausgeführt ist.
3. Rechnergerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel (Ml) Elemente einer Programmsteuerung, die zweiten Mittel (M2) Trei- berfunktionen und die dritten Mittel (M3) Soundkarten- Funktionen umfassen.
4. Rechnergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Akustikwandler durch Lautsprecher (L) und die zweiten Akustikwandler durch Mikrofone (M) gebildet sind.
PCT/DE2001/001006 2000-03-16 2001-03-16 Rechnergerät mit mehrwege-akustikaus- und-eingabesystem WO2001069371A2 (de)

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