Beschreibung

Verfahren und Anordnung zur Steuerung von adaptiven Filtern

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum adaptiven Filtern von Signalen gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Anordnung zum adaptiven Filtern von Signalen gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 7.

Es ist bekannt, in der digitalen Signalverarbeitung adaptive Filter, also Filter, welche in der Lage sind, ihre Filterkoeffizienten eigenständig an das Eingabesignal anzupassen, einzusetzen.

Insbesondere bei dem Einsatz des adaptiven Filters bei so genannten Echo-Cancellern, welche vor allem in der Telekommunikation und insbesondere bei Sprachübertragung über auf dem Internet Protokoll (IP) basierenden Netzen - dem so genannten Voice over IP (VoIP) - eingesetzt werden, besteht das Prob- lern, dass es zu Fehladaptionen kommt, wenn in einer Phase, in der sich der Filter adaptiert, schmalbandige Signale wie beispielsweise Sinus-Töne auftreten.

Ein adaptives Filter funktioniert nämlich ideal, wenn ein an- liegendes Signal weißes Rauschen ist, da dann alle Frequenzen gleichzeitig auftreten und man vom Echopfad (übertragungskanal, Telefonleitung) die gesamte Information zur Berechnung der Koeffizienten des adaptiven Filters erhält. Bei schmal - bandigen Signalen fehlt zu den nicht auftretenden Frequenzen die Information, so dass dies zu einem Wegdriften der Koeffizienten führen kann.

Hierzu ist es bekannt, die Adaptionsphase zu verlängern bis wieder ein breitbandiges Signal anliegt, welches idealer Wei- se einem weißen Rauschen gleichkommt und ein Indiz für das Erreichen optimalen Zustandes der Adaption darstellt. Ein zwischenzeitliches Wegdriften der das zur Auslöschung des

Echos an das Echo angepassten Koeffizienten kann damit aber nicht verhindert werden.

Ferner ist es bekannt, die schmalbandigen Signale mittels eins Vergleichs des so genannten Crest-Faktors (Scheitelfaktor) eines empfangenen (Sprach-) Signals Ri _n , welcher das Verhältnis zwischen Spitzenwert (Scheitelwert) und Effektivwert des Sprachsignals beschreibt, sowie dem arithmetischen Mittelwert empfangenen (Sprach-) Signals Ri _n zu detektieren.

Nachteilig ist hierbei, dass der Crest-Faktor kein eindeutiges Zeichen für ein schmalbandiges Signal ist, da auch breit- bandige Signale denselben Crest-Faktor erzeugen können. Außerdem können auch schmalbandige Signale auftreten, die nicht über den Crest-Faktor erkennbar sind.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein insbesondere für die Echo Cancellation, optimiertes Verfahren sowie Anordnung zur Steuerung von adaptiven Filtern anzugeben.

Diese Aufgabe von dem Verfahren wird gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale sowie durch die Anordnung gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 7 durch dessen kennzeichnendes Merkmal gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung von adaptiven Filtern, wird in einem ersten Schritt bei einem zumindest zeitweise während einer Adaptionsphase des Filters auftretenden einen schmalbandigen Frequenzbereich aufweisenden ersten Eingangssignal am Eingang des Filters die Adaptionsphase solange fortgesetzt, bis eine vollständige Kompensation eines durch das erste Eingangssignal bedingten Echosignals gleichen Frequenzbereichs erfolgt, in einem zweiten Schritt bei Erreichen der vollständigen Kompensation des Echosignals eine Sus- pendierung der Adaptionsphase realisiert und in einem dritten Schritt ein Weiterführen der Adaptionsphase dann durchgeführt, wenn dem ersten Eingangssignal ein einen schmalbandigen Frequenzbereich aufweisendes sich zumindest um einen Fre-

quenzwert vom Frequenzbereich des ersten Eingangssignals unterscheidendes zweites Eingangssignal dem ersten Eingangssignal folgt, wobei beginnend mit dem ersten Schritt eine Wiederholung der vorstehenden Schritte erfolgt, oder in einem vierten Schritt eine neue Adaptionsphase durchgeführt wird, wenn dem ersten EingangsSignal ein einen breitbandigen Frequenzbereich aufweisendes drittes Eingangssignal folgt.

Es wird also erfindungsgemäß ein erster Zustand realisiert, bei dem eine normale Adaption auf ein breitbandiges Signal erfolgt, ein zweiter Zustand, bei dem eine verminderte Adaption auf ein schmalbandiges Signal erfolgt sowie ein dritter Zustand, bei dem die Adaption suspendiert wird, wenn kein Schamalbandsignal mehr gegeben ist und eine vollständigen Kompensation des Echosignals in diesem schmalbandigen Frequenzbereich vorliegt. Dabei kann ein Zustandswechsel aus jedem der genannten Zuständen in jeden anderen erfolgen. Dies ist abhängig von der Signalabfolge.

Hierdurch wird gewährleistet, dass die Adaption angepasst an die Art der anliegenden Signale erfolgt und somit die bei schmalbandigen Signalen auftretende Problematik des Wegdrif- tens von Koeffizienten und der Fehladaptionen vermieden wird, weil Schmalbandsignal um Schmalbandsignal eine vollständige Kompensation des jeweiligen Echos hierzu erfolgt und durch die Suspendierung die Adaption erst dann wieder aufgenommen wird, wenn ein breitbandiges Signal anliegt und somit für eine reguläre Adaption optimale Bedingungen vorliegen.

Besonders Vorteilhaft ist es, wenn gemäß einer Weiterbildung die Adaptionsphase im ersten Schritt mit kleiner Schrittweite erfolgt. Hierdurch werden Instabilitäten der Adaption vermieden, die bei einer schnellen Adaption durch ein Schwingen der Koeffizienten verursacht werden würden.

Vorzugsweise und besonders von Vorteil ist es auch wenn die Erfindung derart weitergebildet wird, dass im ersten Schritt und/oder vierten Schritt eine Aktualisierung von Adaptionsko-

effizienten erfolgt. Im ersten Schritt wird die erfindungsgemäße vorteilhafte Kernidee die Adaption an die schmalbandigen Signale anzupassen weiter unterstützt und insbesondere wenn mehrere schmalbandige Signale einander folgen von Vorteil und im zweiten Schritt, eine Neuadaption an das optimale Adaptionsbedingungen bietende breitbandige Signal erfolgt.

Vorzugsweise wird eine Detektion der Bandbreite des ersten, zweiten dritten Signals und jeweiligen Echos durch Filterung mittels einer Bandsperre, insbesondere eines Notch-Filters, durchgeführt. Diese Filterung ist besonders geeignet, ein Schmalbandsignal zu detektieren und insbesondere bei einer Filterung mittels Notchfilter ist eine Nullstelle des Filters, die sich nach der Adaption des Filters an das ihm zuge- führte Signal ergibt, kann als Eingangsgröße für folgende Auswertungsschritte verwendet werden.

Besonders geeignet ist eine Weiterbildung der Erfindung, bei der eine Fortführung der Adaption im Rahmen des ersten Schrittes dann erfolgt, wenn detektiert wird, dass ein Eingangsignal schmalbandig ist und ein hieraus resultierendes Echosignal den gleichen Frequenzbereich aufweist und eine Suspendierung der Adaption dann erfolgt, wenn detektiert wird, dass ein Eingangsignal schmalbandig ist und ein hieraus resultierendes Echosignal einen anderen Frequenzbereich aufweist - letzteres liefert vorteilhafter Weise den Hinweis, dass der Echo Canceller ein etwaiges vorangehendes durch ein schmalbandiges Signal verursachtes Echo vollständig kompensiert hat - sowie die Adaption im Rahmen des dritten Schrit- tes aufgenommen wird, wenn detektiert wird, dass das Eingangssignal breitbandig ist .

Erfasst gemäß einer Weiterbildung der Erfindung der Frequenzbereich eines schmalbandigen Signals eine Untermenge eines durch einen übertragungskanal gegebenen maximalen Frequenzbereichs und wird die Untermenge mit einem ersten Parameter verglichen, so lässt sich ein mittels beispielsweise durch Simulation gewonnener Wert für einen die Eigenschaft „schmal-

bandig" optimal wiedergebender Bereich definieren. „Schmal- bandig" bedeutet daher einen hinreichend kleinen Frequenzbereich bis hin zu einer einzigen Frequenz.

Der erfindungsgemäße adaptive Filter zeichnet sich durch

Steuerungsmittel zur Durchführung der vorstehend angeführten Verfahrensweisen aus und erlaubt somit auf vorteilhafte Weise die Implementierung und Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens, womit dessen Vorteile hierdurch ebenfalls zur Geltung kommen.

Vorzugsweise ist der adaptive Filter bei einer Weiterbildung mit

• zumindest einer ersten Bandsperreinrichtung zur Filterung eines Eingangssignals des adaptiven Filters, die derart ausgestaltet ist, das ein schmalbandiges Eingangssignal erkannt wird, und wobei ein erster Frequenzbereich des Eingangssignals bestimmt wird,

• zumindest einer Energieermittlungseinrichtung zur Ermittlung eines Pegels des Eingangssignals und des gefilterten Eingangsignals, welches ein Teil der erfindungsgemäßen Schmalbanderkennung ist,

• zumindest eine erste Vergleichereinrichtung zum Vergleich der Pegel, wobei zumindest ein erstes Steuersignal generiert wird, welches beispielsweise als Ergebnis einer boolschen Logikentscheidung „Schmalbandig JA/NEIN" wieder- gibt,

• zumindest einer zweiten Bandsperreinrichtung zur Filterung eines seitens des adaptiven Filters empfangenen Echosignals, die derart ausgestaltet ist, das ein zweiter Fre- quenzbereich des Echosignals bestimmt wird,

• zumindest einer Subtraktionseinrichtung, die derart ausgestaltet ist, dass sie den ersten Frequenzbereich vom zweiten Frequenzbereich subtrahiert und an eine Betrags-

bildereinheit zur Bildung des Betrags aus dem Ergebnis der Subtraktion weiterleitet,

• zumindest einer zweiten Vergleichereinrichtung zum Ver- gleich des Betrags des Ergebnisses mit einem ersten eine mit der Eigenschaft schmalbandig korrelierenden Parameter, wobei zumindest ein zweites Steuersignal generiert wird,

• einer Auswertungslogik, die derart ausgestaltet ist, dass sie auf Grundlage des ersten Steuersignals und des zweiten

Steuersignals den adaptiven Filter derart steuert, dass eine Fortführung der Adaption erfolgt die erste Vergleichereinrichtung feststellt, dass das Eingangsignal schmalbandig ist und das Echosignal den gleichen Frequenzbereich aufweist, eine Suspendierung der Adaption dann erfolgt, wenn detektiert wird, dass das Eingangsignal schmalbandig ist und das Echosignal den einen anderen Frequenzbereich aufweist, die Adaption im Rahmen des dritten Schrittes aufgenommen wird, wenn detektiert wird, dass das Eingangs- signal (Ri _n ) breitbandig ist, also als erstes Steuersignal das insbesondere logische Signal "Schalbandig NEIN" vorliegt.

ausgestaltet .

Weitere Einzelheiten sowie Vorteile der Erfindung werden ausgehend von in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungs- beispielen näher erläutert. Dabei zeigt

Figur 1 ein Blockschaltbild eines das erfindungsgemäße Verfahren umsetzenden Echo Cancellers, welcher eine erfindungsgemäße Steuerung der Adaption aufgrund einer Schmalbandsignaldetektion durchführt,

Figur 2 ein Blockschaltbild einer das erfindungsgemäße Verfahren umsetzenden Steuerung.

In Figur 1 ist das Blockschaltbild eines das erfindungsgemäße Verfahren umsetzenden Echo Cancellers dargestellt, welcher eine erfindungsgemäße Steuerung der Adaption aufgrund einer Schmalbandsignaldetektion durchführt .

In der schematischen Darstellung ist daher ein zwischen dem Echopfad, d.h. dem Pfeil zwischen einem ersten Port Si _n , auf dem auf den Echopfad ein zu sendendes Sprachsignal abgegeben wird, und einem zweiten Port S _out/ auf dem ein Echosignal vom Echopfad ankommt sowie einem dritten Port Ri _n , auf dem zu empfangende Sprachsignale vom Echopfad eingehen und über einen vierten Port R _Out an den Echopfad abgegeben werden, erfindungsgemäß ausgestalteter Echo Canceller dargestellt.

Dargestellt ist weiter ein eine adaptive Filterung realisierender Adaptionsblock AB, der für die Adaption notwendgie Koeffizienten und hierauf basierend ein Ausgangssignal, ein geschätztes Echosignal, erzeugt, welches zum Zwecke der Auslöschung eines Echos an einen Summierer SUM geleitet wird, wo es vom auf dem Echopfad über den zweiten Port S _Ou t empfangenen echobehafteten Signal abgezogen wird und vom Echo im Ideal- fall vollständig bereinigt über den ersten Port S _Ou t abgegeben wird.

Der Pfad zwischen dem ersten Port Si _n und dem zweiten Port S _out weist zudem einen nichtlinearen Prozessor auf, der bei einem Echo Canceller unter anderem die Funktion hat, Reste von Störsignalen, welche das adaptive Filter nicht kompensieren kann, zu entfernen, beispielsweise in dem es ein verblei- bendes Störsignal abschwächt und ein künstliches Hintergrundrauschen, auch als so genanntes Comfort Noise bezeichnet, bei Bedarf einfügt.

Zu erkennen ist ferner, dass der Adaptionsblock AB die hierzu erforderlichen aus dem Stand der Technik bekannten Verarbeitungsblöcke aufweist, wobei zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens zumindest die Adaptionssteuerung AC und eine den üblichen Koeffizientenupdate durchführende Einrichtung CU

modifiziert ist, um mit der erfindungsgemäßen Detektion von Schmalbandsignalen zu interagieren und die darauf gründende Steuerung der Adaption durchzuführen.

Zu dieser Steuerung des Adaptionsblocks AB werden daher, wie der Darstellung zu entnehmen ist, der Adaptionssteuerung AC neben weiteren üblichen Signalen durch den erfindungsgemäßen Schmalbanddetektor SD zumindest ein Steuersignal zugeführt, wie mit dem Pfeil angedeutet ist . Ferner wird vom Schmalband- detektor SD zumindest ein Steuersignal auch an die Koeffizientenupdate-Einrichtung CU zugeführt.

Erfindungsgemäß wird damit eine Sperrung der Adaption bewirkt, wenn durch ein am dritten Port Ri _n anliegendes schmalbandiges Störsignal - beispielsweise Sinussignale wie ein Freizeichen, DTMF Töne oder ähnliches - bewirktes Echo S _err mit gleichem schmalbandigem Frequenzbereich vollständig kompensiert ist, wobei die Sperrung dann aufgehoben wird, wenn am dritten Port Ri _n wieder ein breitbandiges Signal an- liegt, welches ein Sprachsignal indiziert und somit wieder eine reguläre Adaption zur Echokompensation angezeigt ist.

Während das schmalbandige Signal am dritten Port Ri _n anliegt, erfolgt dabei eine Adaption mit kleiner Schrittweite. Ferner erfolgt, falls sich die Frequenz des schmalbandigen Signals bzw. die Frequenz der Grundschwingung des am dritten Port Ri _n anliegenden schmalbandigen Signals ändert, die Sperrung erst wenn auch ein hierdurch erzeugtes Echo vollständig kompensiert ist. D.h. die Adaption mit kleiner Schrittweite wird solange fortgesetzt als schmalbandige Signale einander folgen und erst mit Kompensation aller hieraus folgender Echos gesperrt, d.h. bis zum Anliegen des breitbandigen Signals suspendiert .

Ein Ausführungsbeispiel einer dieses erfindungsgemäße Verfahren ermöglichenden Auswertungslogik ist in Figur 2 dargestellt.

Zu erkennen ist ein erstes adaptives Schmalbandfilter NFl, auch als Bandsperre bezeichnet, welches in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als so genanntes Notchfilter (Kerbfilter) ausgestaltet ist. Dieses adaptiert sich an den Frequenzbe- reich bzw. die Frequenz des Signals F_Rin ein Schmalbandsignal Ri _n und führt das gefilterte Signal zu einem Energieermittlungsblock EB.

Dabei stellt das erste adaptive Notchfilter NFl seine NuIl- stelle so ein, dass eine maximale Sperrung des Signals erfolgt. Beispielsweise wird im Fall, dass das schmalbandige Signal ein reines Sinussignal ist, das anliegende Schmal- bandsignal Ri _n zu 100% geblockt, so dass am Ausgang des ersten Notchfilter NFl kein Signal an einem Leistungsrechner EB, der den quadratischen Mittelwert bildet, anliegt.

Ferner wird diesem Energieermittlungsblock (Leistungsrechner) EB das Signal Ri _n auch in ungefilterter Form weitergeleitet, so dass sowohl für das gefilterte als auch ungefilterte Sig- nal Ri _n ein Pegel der Leistung, d.h. ein quadratischer Mittelwert, ermittelt wird.

Dabei wird nun die Leistung bzw. der Pegel des ungefilterten Signals einem Multiplizierer zugeführt und mit einem ersten Parameter Par: Bandbreite multipliziert. Der erste Parameter ist dabei ein Wert mit der die Eigenschaft „schmalbandig" bestimmt werden kann.

Das Ergebnis der Multiplikation sowie die Leistung bzw. der Pegel des gefilterten Signals werden des Weiteren einer ersten Vergleichseinrichtung Vl zugeführt. Diese vergleicht die beiden Pegel, wobei dieser Vergleich als Ergebnis eine Detek- tion dahingehend ermöglicht, ob das anliegende Signal Ri _n ein Signal mit breitem Frequenzband oder schmalem Frequenzband ist. Die Bewertung schmalbandig liegt vor wenn das Ergebnis der Multiplikation größer als die Leistung bzw. der Pegel des gefilterten Signals ist.

Ist nämlich das Signal Ri _n breitbandig, wird erfindungsgemäß eine Adaption mit normaler Schrittweite durchgeführt, da dies ja ein Indiz für ein Sprachsignal ist, so dass sich auf die Eliminierung von Störungen durch Echos, die insbesondere durch ein Gegensprechen ausgelöst sind, durch den Adaptions- block AB konzentriert werden kann, weil keine Gefahr eines Wegdriftens der Adaptionskoeffizienten besteht, welches im Fall von einem schmalbandigen Eingangssignal Rin jedoch der Fall wäre. Daher wird durch eine Auswertungslogik der Adapti- onsblock AB durch zumindest ein Signal entsprechend gesteuert.

Ist das anliegende Signal Ri _n gemäß dem Ermittlungsergebnis nicht breitbandig, erfolgt erfindungsgemäß eine Adaption mit kleineren Adaptionsschritten, welches die gezielte Eliminierung des durch dαα schmalbandigen Stören erzeugten Echos zum Ziel hat . Diese Anpassung der Adaptionsgeschwindigkeit verhindert vorteilhafter Weise ein instabiles Verhalten der A- daption.

Zur Anpassung der Adaptionsgeschwindigkeit wird daher seitens der Auswertelogik der Adaptionsblock AB entsprechend gesteuert und ein Update der Adaptionskoeffizienten durchgeführt und die Koeffizientenupdate-Einrichtung CU entsprechend ange- steuert, welches den erfindungsgemäßen Vorteil des Vermeidens eines Wegdriftens gewährleistet.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird also vorteilhafter Weise dem Problem begegnet, dass bei Anliegen eines schmal- bandigen Signals an einer Leitung anliegt und somit nur ein Echo in diesem vergleichsweise kleinen Frequenzbereich erzeugt, so dass das Verhalten dieser Leitung, d.h. des dort in der Regel gegebenen Echos, in den hierzu disjunkten Frequenzbereichen daher unbekannt ist und deswegen durch das adaptive Filter nicht kompensiert werden kann bzw. sogar zu einer Verstärkung des Echos bei diesen unbekannten Frequenzen führen kann.

Der erste adaptive Schmalbandfilter NFl liefert hierzu wie oben dargelegt, durch die Nullstellenermittlung auch eine Sperrfrequenz, die zum Beispiel die bei einer Sinusschwingung gegebene einzige Frequenz des Störsignals sein kann bzw. die- jenige Sperrfrequenz bei der der erste Notchfilter NFl am wenigsten Signalanteile des anliegenden Signals Ri _n durchläset . Diese Sperrfrequenz wird anschließend einem Subtraktionsglied SUB zugeführt. Diesem Subtraktionsglied wird auch die Sperrfrequenz des Echos S _err zugeführt, welche durch einen zweiten Notchfilter NF2 in analoger Weise wie beim ersten Notchfilter NFl, gefunden wird. Diese beiden Größen werden voneinander subtrahiert das Ergebnis erst einem Betragsbildner und anschließend einer zweiten Vergleichereinrichtung V2 zugeführt .

Diese zweite Vergleichereinrichtung V2 vergleicht dann den Betrag mit einem zweiten Parameter Par Fdiff durch den bestimmt wird, bei welcher Frequenzdifferenz die Adaption ausgesetzt wird.

Ergibt nämlich der durch die zweite Vergleichereinrichtung V2 durchgeführte Vergleich, dass der Betrag des Subtraktionsergebnisses größer ist als der zweite Parameter, so wird die Adaption gesperrt im Sinne von suspendiert und eine entsprechende Steuerung seitens der Auswertungslogik durchgeführt, da die Frequenzen als sich unterscheidend eingestuft werden. Andernfalls wird die Adaption fortgesetzt. Das heißt, es erfolgt die oben angesprochene Adaption mit kleineren Adaptionsschritten, welche mit der genannten Steuerung veranlasst wird.

Im Grunde wird also wenn sich die Frequenz ändert d.h. es eine neue Frequenz an der Leitung (Echo) anliegt und dies weitere Informationen über das Echo liefert, wird das adaptive Filter in die Lage versetzt das Echo auch in diesen Frequenz- bereich zu kompensieren. Sobald dieser Frequenzbereich durch das adaptive Filter kompensiert ist verschwindet diese Frequenz am zweiten Notchfilter NF2. Dieses stellt sich dann sofort auf eine andere Frequenz ein, vorzugsweise auf die Ober-

Schwingungen, die durch die nichtlinearen Verzerrungen entstehen. Dies wird dann über die Subtraktionseinrichtung SUB und dem Betragsbildner erkannt und zum Anhalten der Adaption benutzt .

Mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren und der sie durchführenden Anordnung werden somit Effekte durch nichtlineare Verzerrungen der in der Kommunikation bekannten A-Law. - bzw. μ-Law-Codecs (G.711) entstehende Oberschwingungen, die das Wegdriften der Koeffizienten des adaptiven Filters verursachen, vermieden. Eine Verstimmung der Adaption, die sich andernfalls sonst nach etwa 10-120 Sekunden einstellen würde, und somit hieraus resultierenden Fehladaptionen werden damit vermieden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der sie durchführenden Anordnung ist mit einer geeigneten Koeffizientenberechnung sogar auch eine vollständige Adaption möglich wenn die Frequenzen in einer beliebigen zeitlichen Abfolge auftreten.