DE4119963A1 - Echokompensator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Echokompensator, wobei zur Echokompensation zwischen eine Empfangs- und eine Sende­ strecke ein adaptives Filter und in die Sendestrecke ein nichtlineares Filter einschaltbar ist, dessen Eingangssi­ gnal beim Unterschreiten des Betrags einer vorgebbaren Schwelle unterdrückt und beim Überschreiten des Betrags der Schwelle um den Betrag der Schwelle verringert wird.

Derartige Echokompensatoren werden insbesondere zur elek­ trischen Echokompensation von Sprachsignalen für Telefon­ verbindungen über Satellitenstrecken sowie zur akustischen Echokompensation bei Videokonferenzverbindungen benötigt. Hier kommt es aufgrund einer aufwendigen Bildkodierung zu einer zusätzlichen Verzögerung des Sprachsignals. Derarti­ ge Laufzeitverzögerungen des Sprachsignals führen bei Telefonverbindungen über Satellitenstrecken zu einem Lei­ tungsecho und bei Videokonferenzverbindungen zu einem akustischen Echo. Dies ist jedoch nur der Fall, wenn der ferne Sprecher aktiv ist oder wenn Doppelsprechen vor­ liegt, d. h. wenn der ferne und der nahe Sprecher aktiv sind. Im Ruhezustand sowie im Zustand "naher Sprecher aktiv" tritt kein Echo auf.

Ein Echokompensator der eingangs genannten Art ist aus EP 01 06 640 B1 bekannt. Dabei ist in Fig. 2 der EP 01 06 640 B1 ein Echokompensator dargestellt, der zwi­ schen einer Sende- und einer Empfangsstrecke eingeschaltet ist. Der Echokompensator besteht aus einem Filter 100, welches aus dem Empfangssignal einen Echoschätzwert bil­ det, und einem Subtrahierer 45, der den Echoschätzwert vom Sendesignal subtrahiert. Außerdem ist in die Sendestrecke nach dem Subtrahierer ein als Centerclipper bezeichnetes nichtlineares Filter eingeschaltet, wobei dessen Filter­ schwellwert vom Echoschätzwert steuerbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Echo­ kompensator der eingangs genannten Art anzugeben, der eine Verbesserung der Echokompensation insbesondere beim Zustand Doppelsprechen aufweist und bei dem eine irrtüm­ liche Aktivierung des nichtlinearen Filters beim ermittel­ ten Zustand Doppelsprechen nahezu vermieden wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Echokompensator der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zur Vorgabe der Schwelle in einer ein Sendesignal und ein Empfangssignal auswerten­ den Auswerteeinrichtung der Zustand Doppelsprechen sowie die verbleibenden Zustände ermittelt werden und daß beim ermittelten Zustand Doppelsprechen ein Vorwärts-Rückwärts­ zähler mit einem ersten Wert vorwärtszählt und bei den verbleibenden Zuständen mit einem gegenüber dem ersten Wert deutlich kleineren Wert rückwärtszählt, wobei eine Aktivierung des nichtlinearen Filters erst dann erfolgt, wenn die Auswerteeinrichtung den Zustand fernes Sprechen ermittelt und der Vorwärts-Rückwärtszähler den Wert Null erreicht.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß das größte Problem der Steuerung des nichtlinearen Filters, d. h. der Aktivierung des nichtlinearen Filters bzw. der Vorgabe der Schwelle, in der Erkennung von Doppelsprechen liegt. Werden lediglich das Empfangssignal und das Sende­ signal vor und ggf. auch nach dem Subtrahierer ausgewertet und hieraus der Zustand Doppelsprechen ermittelt, so wird in bestimmten Fällen, beispielsweise dann, wenn der nahe Sprecher leise spricht, irrtümlicherweise anstelle des Zu­ stands Doppelsprechen der Zustand fernes Sprechen ermit­ telt. Der dann fälschlich ermittelte Zustand fernes Spre­ chen hat zur Folge, daß das nichtlineare Filter aktiviert wird und damit Silben oder ganze Wortteile des nahen Spre­ chenden abgeschnitten werden. Hierdurch wird die Verstän­ digung erheblich beeinträchtigt. Zur Vermeidung einer der­ artigen irrtümlichen Aktivierung des nichtlinearen Filters werden von der Auswerteeinrichtung zunächst das Empfangs­ signal sowie das Sendesignal vor und nach dem Subtrahierer ausgewertet und hieraus die vier möglichen Zustände: Ruhe­ zustand, fernes Sprechen, nahes Sprechen und Doppelspre­ chen ermittelt. Zur Aktivierung des nichtlinearen Filters müssen zwei Bedingungen erfüllt sein. Eine Bedingung ist, daß als Zustand fernes Sprechen ermittelt worden ist und als zweite Bedingung muß darüber hinaus der Vorwärts- Rückwärtszähler den Wert Null erreicht haben. Der Vor­ wärts-Rückwärtszähler zählt dabei mit verschieden großen Werten vor und zurück. Der erste Wert zum Vorwärtszählen ist dabei wesentlich größer als der zweite Wert zum Rück­ wärtszählen. Ein Vorwärtszählen mit dem größeren ersten Wert des Vorwärts-Rückwärtszählers erfolgt lediglich dann, wenn von der Auswerteeinrichtung der Zustand Doppelspre­ chen ermittelt wird. Bei allen anderen ermittelten Zustän­ den, d. h. beim Ruhezustand, bei den Zuständen fernes Spre­ chen und nahes Sprechen, zählt der Vorwärts-Rückwärtszäh­ ler mit dem kleineren zweiten Wert zurück. Erst wenn beide Bedingungen - ermittelter Zustand fernes Sprechen und der Zähler nimmt den Wert Null an - erfüllt sind, erfolgt eine Aktivierung des nichtlinearen Filters. Hierdurch wird beim irrtümlich ermittelten Zustand fernes Sprechen statt des Zustands Doppelsprechen eine irrtümliche Aktivierung des nichtlinearen Filters vermieden. Insbesondere in den Fällen, in denen der nahe Sprecher leise spricht, wird damit eine erhebliche Verbesserung der Verständigung er­ möglicht.

Bei einer Ausgestaltungsform ist das Maximum des Vorwärts- Rückwärtszählers in Abhängigkeit der Dämpfung des Echo­ filters adaptiv vorgebbar. Ist die Dämpfung des Echo­ filters beispielsweise gering, so wird für das Maximum des Vorwärts-Rückwärtszählers ein großer Wert gewählt. Mit steigender Dämpfung des Echofilters wird das Maximum ver­ ringert. Dieser Ausgestaltungsform liegt die Überlegung zugrunde, daß der Zustand Doppelsprechen um so besser erkannt wird und damit Fehlentscheidungen um so seltener sind, je größer die Dämpfung des Echofilters ist.

Bei einer weiteren Ausgestaltungsform wird der Vorwärts­ zähleingang des Vorwärts-Rückwärtszählers vom ermittelten Zustand Doppelsprechen und der Rückwärtszähleingang von den verbleibenden Zuständen angesteuert, wobei der Ausgang für den Zustand fernes Sprechen der Auswerteeinrichtung mit dem Ausgang des Vorwärts-Rückwärtszählers mittels eines Und-Gliedes verknüpft. Hierdurch werden auf einfache Weise die zwei Bedingungen: als Zustand muß fernes Sprechen ermittelt sein und darüber hinaus muß der Vor- und Rückzähler den Wert Null erreicht haben, erfüllt.

Bei einer weiteren Ausgestaltungsform sind die Ausgänge für die verbleibenden Zustände der Auswerteeinrichtung mittels eines Oder-Gliedes verknüpft, dessen Ausgang an den Rückwärtszähleingang des Vorwärts-Rückwärtszählers angeschlossen ist. Mittels einer derartigen Oder- Verknüpfung der verbleibenden Zustände wird auf einfache Weise eine Ansteuerung des Rückwärtszähleingangs des Vorwärts-Rückwärtszählers ermöglicht.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Echokompensators,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Logikschaltung für einen Echokompensator.

Fig. 1 zeigt einen Echokompensator, wie er beispielsweise bei einer Videokonferenzverbindung einsetzbar ist. Der Echokompensator 1, 2, 3, 6 ist zwischen eine Sendestrec­ ke s und eine Empfangsstrecke r sowie um die Sendestrecke S eingeschaltet. Auf der Empfangsstrecke r werden von einem fernen Ende F übermittelte Sprachsignale digital übertragen. Diese werden einem Digital-Analog-Wandler D/A zugeführt, dessen analoger Ausgang an einen Lautsprecher 4 eines nahen Endes N angeschlossen ist. Am nahen Ende N ist darüber hinaus ein Mikrofon 5 angeordnet. Die Eingangs­ signale des Mikrofons 5 werden einem Analog-Digital-Wand­ ler A/D zugeführt, dessen digitaler Ausgang an die Sende­ strecke s angeschlossen ist. Der Echokompensator 1, 2, 3 besteht aus einem adaptiven Filter 3, aus einem Subtrahie­ rer 6, einer Auswerteeinrichtung 1 sowie einem nichtlinea­ ren Filter 2. Dem adaptiven Filter 3 wird das auf der Empfangsstrecke r übertragene digitale Signal zugeführt, wobei das adaptive Filter 3 aus dem Empfangssignal einen Echoschätzwert 22 bildet. Der vom adaptiven Filter erzeug­ te Echoschätzwert 22 wird vom Sendesignal mittels des Sub­ trahierers 6 subtrahiert. Außerdem ist in die Sendestrec­ ke s nach dem Subtrahierer 6 das als "Centerclipper" be­ zeichnete nichtlineare Filter 2 eingeschaltet, dessen Ausgangssignal an das ferne Ende F der Videokonferenzver­ bindung übertragen wird. Die Auswerteeinrichtung 1 wertet das auf der Empfangsstrecke r übertragene Empfangssignal 21 sowie das Sendesignal 23 vor und 24 nach dem Subtrahie­ rer aus und steuert das nichtlineare Filter 2. Am fernen Ende F ist vorteilhafter Weise ein gleichartiger Echokom­ pensator entsprechend dem in Fig. 1 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel vorgesehen.

Im folgenden soll die prinzipielle Arbeitsweise des in Fig. 1 dargestellten Echokompensators 1, 2, 3, 6 näher beschrieben werden. Als bereits bekannte Komponente ent­ hält der Echokompensator das adaptive Filter 3, dem das Empfangssignal 21 zugeführt wird. Das adaptive Filter 3 bildet einen Echoschätzwert 22. Das adaptive Filter 3 bildet die Übertragungseigenschaften zwischen Laut­ sprecher 4 und Mikrofon 5, d. h. die akustische Raumimpuls­ antwort, elektrisch nach und erzeugt das synthetische Echosignal 22, d. h. den Echoschätzwert 22. Dieses Echo­ signal 22 wird vom digitalisierten Sendesignal des Mikro­ fons 5 subtrahiert und löscht somit durch gegenphasige Addition das Raumecho annähernd aus. Die Koeffizienten des adaptiven Filters 3 müssen veränderbar sein, d. h. das Filter 3 muß adaptiv sein, da die Raumimpulsantwort stark von den Eigenschaften des Raumes sowie der Plazierung von Lautsprecher 4 und Mikrofon 5 abhängt. Zum Einstellen der Koeffizienten wird beispielsweise der sogenannte NLMS- Algorithmus (Normalised Least Mean Square) verwendet. Die Leistungsfähigkeit des adaptiven Filters 3 ist jedoch begrenzt. Das verbleibende Restecho des Signals 24 wird mittels des nichtlinearen Filters 2 (Centerclipper) unter­ drückt. Die Kennlinie des nichtlinearen Filters 2 ist innerhalb des Blocks 2 dargestellt. Hieraus ergibt sich, daß das Eingangssignal 24 des nichtlinearen Filters 2 beim Unterschreiten des Betrags einer vorgebbaren Schwelle un­ terdrückt wird und beim Überschreiten dieser Schwelle um den Betrag der Schwelle verringert wird. Mit anderen Wor­ ten: ist das Eingangssignal 24 des nichtlinearen Filters 2 kleiner als dessen Schwelle, so ist das Ausgangssignal identisch Null. Überschreitet das Eingangssignal die Schwelle, so erscheint am Ausgang des nichtlinearen Fil­ ters 2 ein verzerrtes Signal, das man sich als lineare Überlagerung des Eingangssignals 24 mit einem Störsignal vorstellen kann. Die Schwelle des nichtlinearen Filters 2 kann adaptiv gewählt werden. Nimmt die Schwelle den Wert Null an, so wird das nichtlineare Filter 2 zu einem Kurz­ schluß, wählt man die Schwelle sehr groß, so entspricht das nichtlineare Filter 2 einem offenen Schalter. Die Steuerung des nichtlinearen Filters 2 erfolgt mit Hilfe der Auswerteeinrichtung 1. Diese ermittelt, wie im Zusam­ menhang mit Fig. 2 noch ausführlicher beschrieben wird, aus dem Empfangssignal 21 sowie dem Sendesignal 23 vor bzw. 24 nach dem Subtrahierer 6 vier Zustände. Im Ruhezu­ stand liegt weder fernes noch nahes Sprechen vor. Dabei bleibt das nichtlineare Filter 2 inaktiv. Im Zustand fer­ nes Sprechen soll das nichtlineare Filter 2 aktiv sein und so das verbleibende Restecho des Signals 24 unterdrücken. Im Zustand nahes Sprechen sowie im Zustand Doppelsprechen soll das nichtlineare Filter inaktiv sein, d. h. die Schwelle des nichtlinearen Filters 2 soll den Wert Null annehmen. Das größte Problem bei der Ansteuerung des nichtlinearen Filters 2 besteht in der Erkennung von Dop­ pelsprechen. Die Entscheidung, ob fernes Sprechen oder ob Doppelsprechen vorliegt, erfolgt im allgemeinen durch einen Pegelvergleich der Signale 21 und 23, wobei ggf. auch das Signal 24 mit herangezogen wird. Insbesondere dann, wenn der nahe Sprecher leise spricht, kann jedoch irrtümlicherweise auf den Zustand fernes Sprechen statt des Zustands Doppelsprechen entschieden werden. Hierdurch wird bei bekannten Systemen dann irrtümlicherweise das nichtlineare Filter 2 aktiviert und hierdurch Silben bzw. ganze Wortteile des nahen Sprechers abgeschnitten. Hier­ durch wird die Verständigung erheblich beeinträchtigt.

Zur Vermeidung derartiger Beeinträchtigungen ist in der Auswerteeinrichtung 1 neben einer Auswerteeinheit zur Ermittlung der Zustände ein Zähler vorgesehen, dessen Minimum Null und dessen Maximum eine obere Grenze ist. Der Zähler wird bei Erkennen von Doppelsprechen mit einem ersten Wert inkrementiert und beim Nichterkennen von Dop­ pelsprechen mit einem zweiten Wert dekrementiert. Dabei ist der erste Wert, mit dem der Zähler inkrementiert, deutlich größer als der zweite Wert, mit dem der Zähler dekrementiert wird. Das nichtlineare Filter 2 wird von dem in der Logikschaltung 1 vorgesehenen Zähler so angesteu­ ert, daß das nichtlineare Filter erst aktiviert wird, wenn der Zähler den Wert Null erreicht. Hierdurch werden Fehl­ entscheidungen insbesondere während des Doppelsprechens überbrückt und das nichtlineare Filter 2 kann nicht irr­ tümlicherweise aktiviert werden. Das Maximum des Zählers ist ebenfalls adaptiv und hängt von der Dämpfung des adap­ tiven Filters 3 ab. Je größer die Dämpfung des adaptiven Filters 3 ist, um so besser wird Doppelsprechen erkannt und um so seltener werden Fehlentscheidungen. Ist die Dämpfung des adaptiven Filters gering, so wird für das Maximum des Zählers ein großer Wert gewählt. Mit steigen­ der Dämpfung des adaptiven Filters 3 wird das Maximum des Zählers verringert.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine in Fig. 1 im Echokompensator enthaltene Auswerteeinrichtung 1. Die Auswerteeinrichtung 1, die im folgenden auch als Logik­ schaltung bezeichnet wird, wird aus einer Auswerteein­ heit 12, einem Oder-Glied 13, einem Vorwärts-Rückwärtszäh­ ler 11 sowie einem Und-Glied 14 gebildet. Der Auswerteein­ heit 12 werden die Signale 21, 23, 24 zugeführt, die im Zusammenhang mit Fig. 1 bereits eingeführt wurden. Die Auswerteeinheit 12 führt eine Zustandsentscheidung durch und ermittelt aus den Signalen 21, 23, 24 die Zustände Ruhezustand a, nahes Sprechen b, fernes Sprechen c sowie Doppelsprechen d. Die Auswerteeinheit 12 weist darüber hinaus einen Ausgang m zur Vorgabe des Maximums des Vor­ wärts-Rückwärtszählers 11 auf. Die Ausgänge für die Zu­ stände Ruhezustand a, nahes Sprechen b sowie fernes Spre­ chen c bilden die Eingangssignale des Oder-Gliedes 13. Der Ausgang des Oder-Gliedes 13 ist an den Rückwärts­ zähleingang D des Vorwärts-Rückwärtszählers 11 ange­ schlossen. Der Vorwärtszähleingang U des Zählers 11 wird vom erkannten Zustand Doppelsprechen d angesteuert. Der Ausgang des Vorwärts-Rückwärtszählers 11 ist an einen ersten Eingang des Und-Gliedes 14 angeschlossen, wobei ein zweiter Eingang des Und-Gliedes 14 von dem erkannten Zustand fernes Sprechen c angesteuert wird. Der Ausgang des Und-Gliedes 14 liefert das Steuersignal 25 (Fig. 1) zur Ansteuerung des nichtlinearen Filters (Center­ clipper) 2.

Die prinzipielle Funktionsweise der Logikschaltung 1 erfolgt folgendermaßen: Der Zähler 11 wird beim Erkennen von Doppelsprechen d mit einem ersten Wert Z_U inkrementiert und bei Nichterkennen von Doppelsprechen, d. h. bei Erken­ nen der Zustände Ruhezustand a, nahes Sprechen b und fer­ nes Sprechen c, mit einem zweiten Wert Z_D dekrementiert. Dabei ist der erste Wert Z_U deutlich größer als der zweite Wert Z_D. Die in Fig. 2 dargestellte Logikschaltung 1 be­ wirkt somit, daß das in Fig. 1 dargestellte nichtlineare Filter 2 erst dann aktiv wird, d. h. ein Signal 25 anliegt, wenn die Auswerteeinrichtung den Zustand fernes Sprechen c und wenn der Vorwärts-Rückwärtszähler 11 den Wert Null angenommen hat. Auf diese Art und Weise werden Fehlent­ scheidungen des nichtlinearen Filters insbesondere während des Doppelsprechens d überbrückt und es wird eine irrtüm­ liche Aktivierung des nichtlinearen Filters 2 (Fig. 1) vermieden. Hierdurch ergibt sich eine wesentliche Ver­ besserung der Verständigung.

Die Auswerteeinheit 12 legt auch das Maximum Z_M des Zäh­ lers 11 fest. Dieses Maximum Z_M hängt von der Dämpfung des adaptiven Filters 3 (Fig. 1) ab. Je größer die Dämpfung des adaptiven Filters ist, um so besser wird der Zustand Doppelsprechen d erkannt und um so seltener werden Fehl­ entscheidungen. Ist die Dämpfung des adaptiven Filters gering, wird für das Maximum Z_M des Zählers 11 ein großer Wert gewählt. Mit steigender Dämpfung des adaptiven Fil­ ters wird das Maximum Z_M verringert.

Der im Ausführungsbeispiel beschriebene Echokompensator ist neben einer Anwendung für eine Videokonferenz­ verbindung auch für weitere Anwendungsfälle, bei denen eine Echokompensation benötigt wird, einsetzbar. So ist ein derartiger Echokompensator beispielsweise auch für die Echokompensation von Sprachsignalen bei der Übertragung von Telefongesprächen über Satellitenstrecken geeignet. In diesem Fall sind das in Fig. 1 dargestellte Mikrofon 5 sowie der Lautsprecher 4 durch eine Gabelschaltung eines Telefonhörers mit einer Sprech- sowie einer Hörmuschel zu ersetzen.

Claims (6)

1. Echokompensator (1, 2, 3, 6), wobei zur Echo­ kompensation zwischen eine Empfangs- (r) und eine Sende­ strecke (s) ein adaptives Filter (3) und in die Sende­ strecke (s) ein nichtlineares Filter (2) einschaltbar ist, dessen Eingangssignal (24) beim Unterschreiten des Betrags einer vorgebbaren Schwelle unterdrückt und beim Über­ schreiten des Betrags der Schwelle um den Betrag der Schwelle verringert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorgabe der Schwelle in einer das Sendesignal (23, 24) und ein Empfangssignal (21) auswertenden Auswerteeinrichtung (1) der Zustand Doppel­ sprechen (d) sowie die verbleibenden Zustände (a, b, c) ermittelt werden und daß beim ermittelten Zustand Doppel­ sprechen (d) ein Vorwärts-Rückwärtszähler (11) mit einem ersten Wert (Z_U) vorwärtszählt und bei den verbleibenden Zuständen (a, b, c) mit einem gegenüber dem ersten Wert (Z_U) deutlich kleineren zweiten Wert (Z_D) rückwärtszählt, wobei eine Aktivierung des nichtlinearen Filters (2) erst dann erfolgt, wenn der Zustand fernes Sprechen (c) ermit­ telt wird und der Vorwärts-Rückwärtszähler (11) den Wert Null (Z_N) erreicht.

2. Echokompensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (1) eine Auswerteeinheit (12) aufweist, die neben dem Zustand- Doppelsprechen (d) und dem Zustand fernes Sprechen (c) die Zustände Ruhezustand (a) und nahes Sprechen (b) ermittelt, wobei das nichtlineare Filter (2) bei ermitteltem Zustand, fernes Sprechen (c) aktiv und bei ermittelten Zuständen nahes Sprechen (b), Doppelsprechen (d) und Ruhezustand (a) inaktiv ist.

3. Echokompensator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorwärtszähleingang (U) des Vorwärts-Rückwärtszählers (11) vom ermittelten Zustand Doppelsprechen (d) und der Rückwärtszähleingang (D) von den verbleibenden Zuständen (a, b, c) angesteuert wird, wobei der Ausgang des ermittelten Zustands fernes Spre­ chen (c) der Auswerteeinrichtung (12) mit dem Ausgang (Z_N) des Vorwärts-Rückwärtszählers (11) mittels eines Und-Glie­ des (14) verknüpft ist.

4. Echokompensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Auswerte­ einheit (12) für die verbleibenden Zustände (a, b, c) mittels eines Oder-Gliedes (13) verknüpft sind, wobei der Ausgang des Oder-Gliedes (13) an den Rückwärtszähl­ eingang (D) des Vorwärts-Rückwärtszählers (11) ange­ schlossen ist.

5. Echokompensator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Maximum (Z_M) des Vorwärts- Rückwärtszählers (11) in Abhängigkeit der Dämpfung des a­ daptiven Filters (3) adaptiv vorgebbar ist.

6. Echokompensator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei geringer Dämpfung des adaptiven Filters (3) das Maximum (Z_M) des Zählers (11) einen großen Wert beträgt und daß mit steigender Dämpfung des adaptiven Filters (3) das Maximum (Z_M) verringert wird.