DE69634841T2

DE69634841T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Echokompensation

Info

Publication number: DE69634841T2
Application number: DE69634841T
Authority: DE
Inventors: Pascal Scalart; Pierre Duhamel; Abdelkrim Benamar
Original assignee: France Telecom SA
Current assignee: Orange SA
Priority date: 1995-09-13
Filing date: 1996-09-10
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2016-09-11
Also published as: JPH09139696A; US5734715A; EP0767569A1; DE69634841D1; DE69633045T2; JP4101317B2; EP1401183B1; EP1401183A1; EP0767569B1; DE69633045D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur adaptiven Echounterdrückung.
Der gegenwärtige Aufschwung der Telekommunikationen im Bereich der großen Öffentlichkeit und insbesondere der Funkkommunikationen mit Mobiltelefonen führt die Entwickler dieser Systeme zum Einsatz optimaler technischer Lösungen im Sinne von Benutzungskomfort.
In diesem Sinn sind die industriellen Forschungs- und Entwicklungsteams häufig mit Problemen der adaptiven Systemidentifikation konfrontiert. Von diesen Problemen kann man im Rahmen der Funkkommunikationen mit Mobiltelefonen die Problematik nennen, die mit der Entzerrung der Übertragungskanäle und mit der akustischen Echokompensation für die Freisprech-Funktelefonie verbunden ist.
Diese Probleme der Systemidentifikation werden häufig durch die Anwendung von Signalverarbeitungsverfahren gelöst, in die adaptive Identifikationsprozesse integriert sind. Ein anderes Beispiel für den Stand der Technik ist aus dem Dokument US-A-4 513 177 bekannt. Bis heute jedoch erlaubt keine dieser Vorrichtungen deren automatische Einstellung auf die Bedingungen von Umgebungsgeräusch.
Die Anwendung von solchen adaptiven Verfahren zur Systemidentifikation birgt einen wesentlichen Nachteil, der in starker Korrelation zwischen den erzielten Leistungen und der Wahl der ihnen zugeordneten Steuer-/Regelparameter liegt. Diese Wahl ist umso mehr entscheidend, als sich die Benutzungsumgebung dieser Vorrichtungen im Laufe der Zeit weiterentwickelt, wie das z.B. bei der akustischen Echokompensation im Kontext mit Funkkommunikationen mit den Mobiltelefonen der Fall sein kann.
Die Kostenzwänge treiben die Konstrukteure von Echounterdrückungsvorrichtungen oft dahin, ihre Anstrengungen auf Algorithmen zur Variation von Verstärkungen zu konzentrieren, welche weniger komplex sind als die Algorithmen zur adaptiven Identifikation. Bis heute erlaubt aber keine Vorrichtung zur Variation von Verstärkungen, sich automatisch an Bedingungen von umgebendem Lärm anzupassen, ohne Erfassungsmechanismen zur Stimmaktivität zu verwenden.
In einer Echunterdrückungsvorrichtung mit variablen Verstärkungen wird eine Empfangsverstärkung auf das direkte Signal angewendet, bevor es am Lautsprecher verwendet wird (Eingang des Echogeneratorsystems), und eine Sendeverstärkung wird am durch das Mikrofon eingefangenen Signal verwendet (Ausgang des Echogeneratorsystems), um das Rückgabesignal zu bilden. Stimmaktivitätsdetektoren beim Empfang (DAVR) und Stimmaktivitätsdetektoren beim Senden (DAVE) sowie ein Doppelstimmendetektor (DDP) tiefem die notwendigen Informationen an Module, welche die Sende- und die Empfangsverstärkungen berechnen. Wenn also der entfernte Sprecher spricht (Erfassung durch DAVR), wird die Sendeverstärkung verringert, um das Echo zu unterdrücken. Im Falle der Sprachaufnahme durch den lokalen Sprecher (Erfassung durch DAVE) wird diese Bedingung zur Sendeverstärkung freigegeben, und die Empfangsverstärkung wird verringert. Im Falle der Doppelstimme (beide Sprecher sprechen gleichzeitig; durch DDP erfasstes Phänomen), bestimmt ein Komparator den Sprecher, dessen Pegel höher ist und bevorzugt dessen Senderichtung, oder eine Zwischeneinstellung der Sende- und Empfangsverstärkungen wird hergestellt.
Diese klassischen Verfahren sind in drei wichtigen Situationen von Nachteil:

– Für Endgeräte mit starker Kopplung führt die erforderliche Verstärkungsvariation zu einer quasi wechselnden Konversation. Dieser mögliche Wechsel kann das Abbrechen von Wortanfängen oder Wortenden hervorrufen, was die Verständlichkeit der Konversation erheblich stört.
– In einer stark lärmigen Umgebung (beispielsweise im mobilen Kontext bzw. Umfeld) kann der Komparator auf einer Übertragungsrichtung blockiert bleiben, was die Kommunikation einseitig macht. In einer solchen Umgebung kann der entfernte Sprecher erhebliche Variationen des Lärmpegels wahrnehmen, was seinen Hörkomfort stark stört.
– Die Vorrichtungen zur Stimmaktivitätserfassung und zur Doppelstimmenerfassung weisen keine vollständige Zuverlässigkeit auf, insbesondere in stark lärmigen Situationen. Ein solcher Mangel an Zuverlässigkeit kann zu fehlerhaften Berechnungen von Verstärkungen führen, was die Qualität der Konversation reduziert.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Echounterdrückungsprozess vorzuschlagen, welcher auf einer adaptiven Variation von Verstärkungen basiert, der dabei die Leistungsfähigkeiten verbessert und die Komplexität reduziert.
Die Erfindung schlägt also ein Echounterdrückungsverfahren vor wie in Anspruch 1 dargelegt.
Die Adaptionsvariable μ_t berücksichtigt in einer geeigneten Art und Weise Sprach-, Echo-, und Lärmbedingungen, um die Verstärkungswerte zu bestimmen. Wenn die Leistung P1_t kleiner ist als der Schwellwert, ist normalerweise kein signifikantes Echosignal vorhanden, wobei die Variable μ_t also Null sein kann. In der Situation von einfachem Echo ist die Leistung des Beobachtungssignals kleiner als M-mal die Leistung des Eingangssignals, wobei M eine Majorante des Quadratmoduls der Transferfunktion des Echogeneratorsystems ist. In diesem Fall ist die Variable μ_t nahe an ihrem Maximalwert a/(c + d·M). Bei Vorhandensein von Echo, von Lärm und von lokaler Sprache (Doppelsprache) wird die Leistung P2_t größer, ja sogar sehr viel größer als die Leistung P1_t und zwar derart, dass μ_t gegen Null tendiert.
Die Berücksichtigung dieser Adaptionsvariable μ_t erlaubt es also, auf Detektoren von Sprachaktivität und Doppelsprache zu verzichten, welche die bekannten Echounterdrückungsvorrichtungen, die auf dem Prinzip der adaptiven Verstärkungen beruhen, kompliziert machen.
Vorzugsweise werden die Empfangsverstärkungen Gr_t und die Sendeverstärkungen Ge_t in regressiver Weise in folgender Form bestimmt: Get = γ·Get-1 + (1 – γ)·f(μt) Grt = 1 – δGet worin Ge_t-1 den Wert der Sendeverstärkung zum vorhergehenden Berechnungszeitpunkt bezeichnet, f(μ_t) eine abfallende Funktion der Adaptionsvariable μ_t bezeichnet, und γ und δ positive Konstanten kleiner als 1 bezeichnen.
Die Sendeverstärkung und die Empfangsverstärkung sind so mittels eines Auslassungsfaktors γ geglättet, was es erlaubt, die Reaktivität des Systems zu steuern/regeln. Dies trägt auch dazu bei, das Risiko des Abbrechens von Wortanfängen und -enden zu reduzieren.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Echounterdrückungsvorrichtung wie in Anspruch 4 dargelegt.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten, jedoch die Erfindung nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen, in denen:
die 1 ein Übersichtsschema einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Echounterdrückungsvorrichtung ist; und
die 2 ein Organigramm eines erfindungsgemäßen Prozesses zur Adaption von Verstärkungen ist.
Die 1 zeigt eine Vorrichtung, welche die vorliegende Erfindung benutzt, beispielsweise gebildet durch eine freihändige Fernsprechstelle. Es wird angenommen, dass diese Stelle digitale Signale x_t, y'_t empfängt und aussendet, die als direktes Signal und als Rückgabesignal bezeichnet sind (im Falle von analogen Kommunikationen sind geeignete Umwandler vorgesehen, damit die Signale x_t und y'_t in einer digitalen Form verfügbar sind, wobei der Index t = 0, 1, 2, ... die aufeinander folgenden Stichprobenzeitpunkte bezeichnet).
Im dargestellten Beispiel umfasst die Freihandfemsprechstelle einen Lautsprecher 11 und ein Mikrofon 13, welche Teil eines Echogeneratorsystems 14 sind.
Ein Eingangssignal x'_t wird erhalten, indem eine Empfangsverstärkung Gr_t mittels eines Multiplikators 66 am direkten Signal x_t angewendet wird. Das Eingangssignal x'_t wird durch einen Umwandler 68 in ein analoges Signal umgewandelt und verstärkt, bevor es am Lautsprecher 11 verwendet wird.
Das durch das Mikrofon 13 eingefangene Signal umfasst in allgemeiner Art und Weise Echokomponenten z_t, welche vom durch den Lautsprecher 11 ausgesendeten Signal stammen, und lokale Ausgangskomponenten b_t, welche Lärm und/oder taugliches Signal (Sprache des lokalen Sprechers) umfassen. Dieses vom Mikrofon 13 abgeleitete Signal wird verstärkt und durch den Umwandler 70 digitalisiert, um ein digitales Beobachtungssignal y_t zu erzeugen.
Eine Sendeverstärkung Ge_t wird mittels eines Multiplikators 72 am Beobachtungssignal y_t angewendet, um das Rückgabesignal y'_t zu erzeugen.
Um die Empfangs- und die Sendeverstärkungen zu bestimmen, umfasst die Echounterdrückungsvorrichtung zwei Einheiten 74, 76 zur Schätzung der augenblicklichen Leistungen, eine Einheit 78 zur Berechnung einer Adaptionsvariable μ_t und eine Einheit 80 zur Berechnung der Verstärkungen. Im in der 1 dargestellten Fall ist die durch die Einheit 74 berechnete Schätzung P1_t die Schätzung der Leistung des Eingangssignals x'_t, und die durch die Einheit 76 berechnete Schätzung P2_t ist die Schätzung der Leistung des Beobachtungssignals y_t.
Um die Leistung P1_t des Eingangssignals x'_t zu einem Zeitpunkt t zu schätzen, verwendet die Einheit 74 ein exponentielles Fenster, dessen Zeitkonstante mit λ₁ bezeichnet ist (0 ≤ λ₁ < 1) P11 = λ1·P1t-1 + x't 2 (18)oderP1t = λ1·P1't-1 + (1 – λ1) x't 2 (18bis)wobei x'_t das Muster des Eingangssignals zum Zeitpunkt t darstellt.
Der gleiche Typ von exponentiellem Fenster kann durch die Einheit 76 verwendet werden, um die Schätzung P2_t zu berechnen. Wenn P2_t eine Schätzung der Leistung des Beobachtungssginals y_t darstellt, so ist diese gegeben durch: P2t = λ2·P2t-1 + yt 2 (19)oderP2t= λ2·P2t-1 + (1 – λ2)yt 2 (19bis)wobei y_t das Muster des Eingangssignals zum Zeitpunkt t ist, und 0 ≤ λ₂ < 1 ist (λ₂ gleich wie oder unterschiedlich als λ₁).
Der Schritt 50 in 2 stellt die durch die Einheiten 74 und 76 durchgeführten Operationen dar (im Falle der Formel (18bis) und (19bis)).
Die Einheit 78 berechnet auf Grundlage der Schätzungen P1_t und P2_t eine Adaptionsvariable μ_t, welche verwendet wird, um die Verstärkungswerte zu bestimmen. Die Einheit 78 führt auch die Schritte 51 bis 53 aus, welche in der 2 dargestellt sind. Sie bestimmt zuerst, ob die Schätzung der Leistung P1_t größer ist als ein Schwellwert T (welcher fest oder anpassbar sein kann). Wenn P1_t > T ist, wird die Adaptionsvariable μ_t gleich 0 genommen. Sonst wird sie entsprechend der folgenden Formel berechnet:
wobei a, c und d positive Konstanten bezeichnen.
Die Einheit 80 berechnet also in Funktion der Variable μ_t die Verstärkungen Gr_r und Ge_t, welche den Multiplikatoren 66, 72 geliefert werden. In einer ersten Phase berechnet die Einheit 80 eine Größe f in Form von einer absteigenden Funktion f(μ_t) der Adaptionsvariable μ_t. Im in der 2 dargestellten Beispiel (Schritte 54 bis 58) ist diese Funktion f(μ_t) 1, wenn die Adaptionsvariable μ_t kleiner als ein erster Schwellwert T1 ist, β(1 – α·μ_t), wenn die Adaptionsvariable μ_t größer ist als ein zweiter Schwellwert T2, und 1 – α·μ_t, wenn die Adaptionsvariable μ_t zwischen den Schwellwerten T1 und T2 liegt. Die Parameter α und β sind positive Konstanten. Die Schwellwerte T1 und T2 können fest oder anpassbar sein. Die Konstante β, welche im Allgemeinen kleiner als 1 ist, erlaubt es, die kleinen Werte der Variable μ_t hervorzuheben, was wiederum eine größere Anpassbarkeit bei der Auswahl der Parameter a, c und d erlaubt.
Ein exponentielles Fenster erlaubt dann, die Sendeverstärkung Ge_t in der Form einer über die Zeit der zuvor berechneten Größe f geglätteten Version zu berechnen. So berechnet die Einheit 80 beim Schritt 59 die Sendeverstärkung Ge_t zum Zeitpunkt t in der Form Get = γ·Get-1 + (1 – γ)·f,wobei γ ein Auslassungsfaktor zwischen 0 und 1 ist. Die Empfangsverstärkung Gr_t zum Zeitpunkt t wird ebenfalls berechnet gemäß Grt = 1 – δ·Get, wobei δ eine Konstante zwischen 0 und 1 ist.
Mit der obigen Berechnungsmethode sind die Empfangs- und die Sendeverstärkungen direkt mit der Energie des akustischen Echos verbunden, was es erlaubt, das Echo in adaptiver Art und Weise abzuschwächen und das Risiko des Verlustes von Wortanfängen oder -enden zu reduzieren.
Ferner ist der Variationsbereich der Sendeverstärkung Ge_t eine absteigende Funktion des Lärmpegels, was es erlaubt, die Risiken heftiger Variation des Lärmpegels erheblich zu reduzieren, welche durch den entfernten Sprecher wahrgenommen werden.
Es ist zu beachten, dass diese Vorteile erreicht wurden, ohne auf Detektoren zur Sprachaktivität oder Doppelsprache zurückzugreifen, welche in den bekannten Echounterdrückungsvorrichtungen komplexe Elemente mit gelegentlich ungenügender Zuverlässigkeit sind.
In der Praxis kann die erfindungsgemäße Echounterdrückungsvorrichtung mit adaptiven Verstärkungen realisiert werden, indem ein Prozessor programmiert wird, der für die Signalbehandlung (DSP) spezialisiert ist wie dies üblich ist. Sie kann ebenfalls realisiert werden mittels eines spezifischen integrierten Schaltkreises (ASIC), der für diese Anwendung vorgesehen ist.
Wenn die Tonaufnahme mehrere Mikrofone und/oder wenn die Tonrückgabe mehrere Lautsprecher verwendet, können selbstverständlich das „Eingangssignal" und das "Beobachtungssignal", deren Leistungen geschätzt werden, durch lineare Kombinationen von durch die Mikrofone gemessenen Signalen oder an die Lautsprecher gerichteten Signalen gebildet werden.
Unter anderem kann beim Mitteln einer eventuellen Anpassung der verwendeten Konstanten die durch die Einheit 74 berechnete Schätzung P1_t der Leistung des direkten Signals x_t entsprechen und nicht derjenigen des Eingangssignals x'_t, und die durch die Einheit 76 berechnete Schätzung P2_t kann der Leistung des Rückgabesignals y'_t und nicht derjenigen des Beobachtungssignals y_t entsprechen, wie dies durch die punktierten Pfeile in der 1 schematisch dargestellt ist.
Die Erfinder konnten die guten Betriebsleistungen des Verfahrens zur Anpassung von Verstärkungen gemäß der Erfindung in einer Echounterdrückungsvorrichtung verifizieren. Beispielhaft hat das Verfahren gute Betriebsleistungen gezeigt beim Vorhandensein von Echo allein bei Ruhe und bei Lärm und beim Vorhandensein von Doppelsprache, mit den nachfolgenden numerischen Werten:

– die unterschiedlichen digitalen Signale sind in Stichproben von 16 bit bei 8 kHz aufgeteilt;
– λ₁ = 0,9375, und λ₂ = 0,9961 (Schritt 50);
– T = 100 000 (Schritt 51);
– a = 1, c = 2 und d = 4 (Schritt 53);
– α = 2, β = 0,1, T1 = 0,2 und T2 = 0,25 (Schritte 54 bis 58);
– γ = 0,9375 und δ = 0 (Schritt 59).

Claims

Verfahren zur Echounterdrückung zum Dämpfen von Echokomponenten eines direkten Signals (x_t) in einem Rückgabesignal (y'_t), wobei beim Verfahren eine Empfangsverstärkung (Gr_t) am direkten Signal angewendet wird, um ein in einem Echogeneratorsystem (14) ausgesendetes Eingangssignal (x'_t) zu erzeugen, und wobei eine Sendeverstärkung (Ge_t) an einem vom Echogeneratorsystem ausgegebenen Beobachtungssignal (y_t) angewendet wird, um das Rückgabesignal zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangs- und die Sendeverstärkung (Gr_t, Ge_t) zu einem Zeitpunkt, an dem eine Schätzung P1_t der Leistung des direkten Signals (x_t) oder des Eingangssignals (x'_t) größer ist als ein vorbestimmter Schwellwert (T), auf der Basis einer Adaptionsvariable μ_t bestimmt werden, die in folgender Form berechnet wird:
worin a, c und d positive Konstanten bezeichnen, und P2_t eine Schätzung der Leistung des Beobachtungssignals (y_t) oder des Rückgabesignals (y'_t) zum betrachteten Zeitpunkt bezeichnet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsverstärkung Gr_t und die Sendeverstärkung Ge_t in rekursiver Weise in folgender Form bestimmt werden: Get = γ·Get-1 + (1 – γ)·f(μt) Grt = 1 – δGet worin Ge_t-1 den Wert der Sendeverstärkung zum vorhergehenden Berechnungszeitpunkt bezeichnet, f(μ_t) eine abfallende Funktion der Adaptionsvariable μ_t bezeichnet, und γ und δ positive Konstanten kleiner als 1 bezeichnen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion f(μ_t) 1 ist, wenn die Adaptionsvariable μ_t kleiner ist als ein erster Schwellwert (T1), β(1 – α·μ_t) ist, wenn die Adaptionsvariable μ_t größer ist als ein zweiter Schwellwert (T2), wobei α und β positive Konstanten bezeichnen, und 1 – α·μ_t ist, wenn die Adaptionsvariable μ_t zwischen dem ersten und dem zweiten Schwellwert (T1, T2) enthalten ist.
Echounterdrückungsvorrichtung zum Dämpfen von Echokomponenten eines direkten Signals (x_t) in einem Rückgabesignal (y'_t), umfassend erste Verstärkungsanwendungsmittel (66), um eine Empfangsverstärkung (Gr_t) am direkten Signal anzuwenden, und um ein in einem Echogeneratorsystem (14) ausgesendetes Eingangssignal (x'_t) zu erzeugen, und zweite Verstärkungsanwendungsmittel (72), um durch Anwenden einer Sendeverstärkung (Ge_t) an einem vom Echogeneratorsystem ausgegebenen Beobachtungssignal (y_t) das Rückgabesignal zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner Berechnungsmittel (74, 76, 78, 80) umfasst, um die Empfangs- und die Sendeverstärkung (Gr_t, Ge_t) zu einem Zeitpunkt, an dem eine Schätzung P1_t der Leistung des direkten Signals (x_t) oder des Eingangssignals (x'_t) größer ist als ein vorbestimmter Schwellwert (T), auf der Basis einer Adaptionsvariable μ_t zu bestimmen, die in folgender Form berechnet wird:
worin a, c und d positive Konstanten bezeichnen, und P2_t eine Schätzung der Leistung des Beobachtungssignals (y_t) oder des Rückgabesignals (y'_t) zum betrachteten Zeitpunkt bezeichnet.
Echounterdrückungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungsmittel (80) die Empfangsverstärkung (Gr_t) und die Sendeverstärkung (Ge_t) in rekursiver Weise in folgender Form berechnen: Get = γ·Get-1 + (1 – γ)·f(μt) Grt = 1 – δGet worin Ge_t-1 den Wert der Sendeverstärkung zum vorhergehenden Berechnungszeitpunkt bezeichnet, f(μ_t) eine abfallende Funktion der Adaptionsvariable μ_t bezeichnet, und γ und δ positive Konstanten kleiner als 1 bezeichnen.
Echounterdrückungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion f(μ_t) 1 ist, wenn die Adaptionsvariable μ_t kleiner ist als ein erster Schwellwert (T1), β(1 – α·μ_t) ist, wenn die Adaptionsvariable μ_t größer ist als ein zweiter Schwellwert (T2), wobei α und β positive Konstanten bezeichnen, und 1 – a·μ_t ist, wenn die Adaptionsvariable μ_t zwischen dem ersten und dem zweiten Schwellwert (T1, T2) enthalten ist.