DE19805942C1

DE19805942C1 - Verfahren zur Verbesserung der akustischen Rückhördämpfung in Freisprecheinrichtungen

Info

Publication number: DE19805942C1
Application number: DE19805942A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Schmidt
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Intel Germany Holding GmbH
Priority date: 1998-02-13
Filing date: 1998-02-13
Publication date: 1999-08-12
Anticipated expiration: 2018-02-14
Also published as: JP2002503924A; US6618481B1; WO1999041898A1; EP1055317A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbes serung der akustischen Rückhördämpfung in Freisprecheinrich tungen mit einer Pegelwaage und mehreren adaptiven Echokom pensationsfiltern, von denen jedes ein Teilband verarbeitet.

Bei Freisprecheinrichtungen ist es unbedingt erforderlich, die vom Lautsprecher ausgesandten und damit vom Mikrofon wie der aufgenommenen Signale des entfernten Teilnehmers zu un terdrücken, da sonst unangenehme Echos die Verbindung stören. Bisher wurde zur Unterdrückung dieser Echos, also zur akusti schen Rückhördämpfung, üblicherweise eine Pegelwaage vorgese hen, die abhängig von der Gesprächssituation den Sende- oder den Empfangspfad stark dämpft. Dadurch wird jedoch ein Gegen sprechen (Voll-Duplex-Betrieb) praktisch unmöglich.

Mit der bisherigen Technik wurde bereits versucht, eine aus reichende Rückhördämpfung trotz akzeptabler Gegensprechbe triebseigenschaften zur Verfügung zu stellen. Hierzu wurde zusätzlich zu der Pegelwaage eine frequenzselektive, steuer bare Echounterdrückung vorgesehen. Diesbezüglich wird auf die noch unveröffentlichte Patentanmeldung DE 197 14 966 der An melderin verwiesen. Andere Verfahren sind beispielsweise im Werbeprospekt der Firma NEC "Reflexion™ Acoustic Echo Can celler on the µPD7701x Family", 1996, oder in der Beschrei bung des Motorola DSP5600x Digitalprozessors (M. Knox, P. Ab bott, C. Cox: A Highly Integrated H.320 Audiosubsystem using the Motorola DSP5600x Digital Processor) beschrieben.

Solche Echounterdrückungsverfahren funktionieren in normalen Räumen zufriedenstellend. Bei der Verwendung von Freisprech einrichtungen in Kraftfahrzeugen wird die Erkennung von Ge gensprechen - abhängig von der Innenraumakustik - deutlich schwieriger als in Büroräumen. Insbesondere ist in Kraftfahr zeugen die Unterscheidung von abrupten Änderungen der Innen raumakustik, beispielsweise durch Bewegungen der Fahrzeugin sassen, gegenüber dem Gegensprechen außerordentlich schwie rig.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Verbes serung der akustischen Rückhördämpfung in Freisprecheinrich tungen anzugeben, bei dem auch in Kraftfahrzeugen eine klare Unterscheidung zwischen Gegensprechen und abrupten Änderungen der Innenraumakustik erkannt und bei der Steuerung der Frei sprecheinrichtung berücksichtigt werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren mit den Merkma len von Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nach der Erfindung ist in mindestens einem Teilband ein wei teres adaptives Filter (Schattenfilter) geringerer Ordnung dem adaptiven Echokompensationsfilter parallel geschaltet. Raumänderungen können dann durch die Kombination einer Lei stungsauswertung der beiden Restecholeistungen und einer Kor relationsanalyse des geschätzten und des gemessenen Mikro phonsignals detektiert werden.

Vorzugsweise können dabei mehrere unterschiedliche Abtastra ten verwendet werden. Dadurch kann der Rechenaufwand verrin gert werden.

Ebenso ist es bevorzugt, daß das weitere adaptive Filter eine wesentlich geringere Ordnung aufweist.

Die Echokompensation wird vorzugsweise mittels einer Filter bank in Frequenzteilbändern implementiert.

Vorzugsweise werden für die Adaptions- bzw. die Schrittwei tensteuerung sowohl Leistungsauswertungen von konkurrierenden adaptiven Filtern, als auch korrelationsbasierende Analysen verwendet.

Ebenso ist es bevorzugt, zur Schrittweitenbestimmung Lei stungsübertragungsfaktoren in Teilbändern zu schätzen.

Ebenso ist es bevorzugt, daß die Echokompensationsfilter Schätzwerte für die durch sie eingebrachte Echodämpfung lie fern, da diese Schätzwerte bevorzugt zur Steuerung der Dämp fung der Pegelwaage verwendet werden können. Dadurch kann die von der Pegelwaage einzubringende Dämpfung weiter reduziert und damit die Gesprächsqualität beim Gegensprechen weiter verbessert werden.

Zusätzlich ist es bevorzugt, die gleichzeitige Aktivität bei der Gesprächsteilnehmer (Gegensprechen) zu detektieren. Es ist dann beispielsweise möglich, die Gesamtdämpfung der Pe gelwaage im Gegensprechfall zu reduzieren, um die Gegen sprechfähigkeit (Full-Duplex-Betrieb) der Freisprecheinrich tung weiter zu verbessern.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand des in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein vereinfachtes Modell einer Freisprecheinrichtung mit Anschluß an eine digitale Verbindung;

Fig. 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Freisprech einrichtung;

Fig. 3 Kurven für die Dämpfungsanforderungen der Benutzer in Abhängigkeit von der Echolaufzeit;

Fig. 4 eine Übersichtsdarstellung des erfindungsgemäßen Ver fahrens mit Schattenfilter und Korrelationsanalyse;

Fig. 5 die Steuerung der Leistungsübertragungsfaktoren in ei ner übersichtlichen Darstellung;

Fig. 6 eine Übersichtsdarstellung zum Schattenfilteransatz.

In Fig. 1 ist ein vereinfachtes Modell einer Freisprechein richtung 10 mit Anschluß an eine digitale Verbindung 12 dar gestellt. Die im europäischen ISDN-Netz verwendete A-Law- Codierung bzw. Decodierung ist in den beiden linken Blöcken 14, 16 dargestellt. Auf der rechten Seite ist das Lautspre cher-Raum-Mikrophonsystem 18 (LRM-System) mit dem lokalen Ge sprächsteilnehmer 20, dem Benutzer der Freisprecheinrichtung, skizziert.

Durch die akustische Kopplung zwischen Lautsprecher und Mi krophon kommt es zum Übersprechen über das LRM-System. Dieses Übersprechen wird vom fernen Teilnehmer als störendes Echo wahrgenommen. Akustische Wellen treten dabei aus dem Laut sprecher aus und breiten sich im Raum aus. Durch Reflexion an den Wänden und anderen sich im Raum befindlichen Gegenständen entstehen mehrere Ausbreitungspfade, durch die unterschiedli che Laufzeiten des Lautsprechersignals entstehen. Das Echosi gnal am Mikrophon besteht somit aus der Überlagerung einer Vielzahl von Echoanteilen und ggf. dem Nutzsignal n(t): dem lokalen Sprecher.

Auch die Verbindung zwischen den Teilnehmern kann an Übergän gen zwischen verschiedenen Übertragungssystemen Echos erzeu gen. Die Netzbetreiber versuchen jedoch, direkt an den kriti schen Stellen besondere Maßnahmen gegen derartige Echo quellen zu treffen, so daß diese Echos hier außer Acht gelassen wer den können. Auch Gabelechos, die in Telefonen mit analogem Interface durch Fehlanpassung der Leitungsnachbildung an die Leitungsimpedanz entstehen, können bei der Verwendung von di gitalen Verbindungen außer Betracht gelassen werden.

In Fig. 2 ist eine Übersicht einer Freisprecheinrichtung dar gestellt. Zentrales Element ist eine Pegelwaage 22, welche im linken Teil der Fig. 2 dargestellt ist. Optional können zwei Verstärkungssteuerungen 24, 26 (Automatic Gain Control = AGC) in den Sende- und den Empfangspfad eingeschaltet werden. Die Pegelwaage 22 garantiert die durch die ITU- bzw. ETSI- Empfehlungen vorgeschriebenen Mindestdämpfungen, indem sie abhängig von der Gesprächssituation Dämpfungen in den Sende- und/oder den Empfangspfad einfügt. Bei Aktivität des fernen Teilnehmers wird der Empfangspfad freigeschaltet und das Si gnal des fernen Teilnehmers wird ungedämpft auf dem Lautspre cher ausgegeben. Die bei abgeschalteten oder schlecht abge glichenen Kompensatoren entstehenden Echos werden durch die in den Sendepfad eingefügte Dämpfung stark verringert. Bei Aktivität des lokalen Sprechers kehrt sich die Situation um. Während der Empfangspfad stark bedämpft wird, fügt die Pegel waage 22 in den Sendepfad keine Dämpfung ein und das Signal des lokalen Sprechers wird ungedämpft übertragen. Schwieriger wird die Steuerung der Pegelwaage 22 im Gegensprechfall. Hier erhalten beide Pfade (und damit auch die Teilnehmersignale) jeweils die Hälfte der einzufügenden Dämpfung oder bei nicht optimaler Steuerung wird zumindest einer der beiden Signal pfade gedämpft. Gegensprechen ist damit nicht oder nur einge schränkt möglich.

Abhilfe schafft hier der Einsatz von adaptiven Echokompensa toren 28 - dargestellt im rechten Teil der Fig. 2. Diese ver suchen das LRM-System digital nachzubilden, um dann den Echo anteil des fernen Teilnehmers aus dem Mikrophonsignal zu ent fernen. Je nachdem, wie gut die Kompensatoren dies bewerk stelligen, kann die durch die Pegelwaage 22 einzufügende Ge samtdämpfung reduziert werden.

Die Echokompensation wurde in Frequenzteilbändern implemen tiert, wobei die Breite der einzelnen Bänder zwischen 250 Hz und 500 Hz bei 8 kHz Abtastrate bzw. zwischen 500 Hz und 1000 Hz bei 16 kHz Abtastrate liegt. Der Einsatz einer frequenzse lektiven Echokompensation hat mehrere Vorteile. Zum einen kann durch Verwendung von Unter- und Überabtastung das System als Multiratensystem betrieben werden, wodurch sich der Si gnalverarbeitungsaufwand verringert. Zum anderen kann durch die Teilbandzerlegung die "Kompensationsleistung" unter schiedlich auf die einzelnen Frequenzbereiche verteilt werden und somit eine effektive Anpassung der "Kompensationslei stung" an Sprachsignale erreicht werden. Weiter hat die Teil bandverarbeitung eine dekorrelierende Wirkung, wenn die Ge samtbandverarbeitung mit den einzelnen Teilbandsystemen ver glichen wird. Für Sprachsignale bedeutet dies eine Erhöhung der Konvergenzgeschwindigkeit der adaptiven Filter. Neben diesen Vorteilen darf der Nachteil einer Teilbandverarbeitung nicht außer Acht gelassen werden. Die Zerlegung eines Signals in einzelne Frequenzbereiche bewirkt stets eine Laufzeit. Da das Verfahren jedoch für Videokonferenzen bzw. in GSM- Mobiltelefonen eingesetzt wird, sind solche Laufzeiten zuläs sig.

In Videokonferenzsystemen wird die Laufzeit hauptsächlich von der bildverarbeitenden Komponente bestimmt. Da im allgemeinen versucht wird, dem lokalen Teilnehmer Bild und Ton des fernen Teilnehmers lippensynchron aus zugeben, kann sich die Laufzeit der akustischen Echos auf mehrere hundert Millisekunden er höhen. In Fig. 3 sind die Ergebnisse einer Studie darge stellt, in der versucht wurde, herauszufinden, welche Echo dämpfung abhängig von der Laufzeit dieses Echos notwendig ist, damit 90, 70 bzw. 50 Prozent der Befragten mit der Ge sprächsqualität zufrieden waren.

Basierend auf dieser Studie sind bei der reinen Audiolaufzeit von 30-40 ms (bei 8 kHz Abtastrate) lediglich 35 dB Echo dämpfung notwendig. Bei lippensynchroner Ausstrahlung von Bild und Ton und einer damit verbundenen Laufzeit von bei spielsweise 300 ms erhöht sich die Anforderung auf 53 dB. Auch in GSM-Verbindungen kann die Laufzeit mehr als 100 ms betragen. Die Anforderungen, die an Echokompensationsverfah ren in Videokonferenz- und GSM-Systemen gestellt werden, sind somit höher als die Anforderungen an herkömmliche Freisprech telefone.

Da die Echokompensatoren in ihrer Leistungsfähigkeit begrenzt sind und derart hohe Echodämpfungen mit der zur Verfügung stehenden Hardware nicht erreichen können, wurde ein sog. Postfilter 30 eingeführt. Dieses wertet die Schrittweiten der einzelnen Teilbänder zusammen mit den anderen Detektorergeb nissen aus und filtert das Synthesefilterausgangssignal noch mals frequenzselektiv. Da der Einstellalgorithmus des Filters 30 gemäß einem Wiener-Ansatz entworfen wurde, wird diese Postfilterung im folgenden auch mit Wiener-Filterung bezeich net.

Die Steuerung der Echokompensatoren erfolgt in mehreren Stu fen. Alle leistungsbasierenden Steuereinheiten 32 arbeiten für jeden Kompensator autonom, also unabhängig von den rest lichen Frequenzbereichen. In Fig. 2 ist daher für jeden Kom pensator eine eigene Adaptions- und Steuereinheit 32 skiz ziert. Die auf Korrelationsanalysen des geschätzten und des gemessenen Mikrophonsignals basierende Stufe der Steuerung wird zur Gegensprechdetektion verwendet und daher in allen Frequenzbereichen gleichermaßen ausgewertet. Eine weitere Stufe trägt der durch die Festkommaarithmetik begrenzten Ge nauigkeit Rechnung und steuert die Adaption in Abhängigkeit der Aussteuerung.

Die endgültige Gegensprecherkennung erfolgt ebenfalls geson dert mit einer eigenen Einheit, die sich sowohl auf die De tektoren der Pegelwaage als auch auf die der Echokompensato ren stützt. Diese Einheit veranlaßt die Pegelwaage in Gegen sprechsituationen die einzufügende Gesamtdämpfung nochmals (gemäß der ITU-Empfehlung G.167) zu reduzieren.

Bei der Verwendung der Freisprecheinrichtung in Kraftfahrzeu gen wird die Erkennung von Gegensprechen - abhängig von der Innenraumakustik - deutlich schwieriger als in Büroräumen. Im besonderen kann mit bisherigen Verfahren nur eingeschränkt bei einer Erhöhung der Signalleistung im Sendepfad (Signal e(k)) zwischen Gegensprechen und abrupten Raumänderungen un terschieden werden. Im letzteren Fall führen Bewegungen des Fahrers (Lenkbewegungen, Gestikulieren) zu Veränderungen der Übertragungsstrecke zwischen Lautsprecher und Mikrophon, wo durch die Echokompensatoren nicht mehr auf den Raum abgegli chen sind. Abhängig von der Innenraumakustik erhöht sich da durch die Signalleistung des Rechtechos bis in Größenordnun gen, welche bei Gegensprechen erreicht werden. Um zu vermei den, daß in solchen Situationen der Gegensprechdetektor die Dämpfungsabsenkung aktiviert, wurde ein sog. Schattenfilter 36 eingesetzt.

Herbei wurde einem der Echokompensatoren 34 ein zweites Fil ter 36 mit deutlich reduzierter Ordnung - im folgenden Schat tenfilter 36 genannt - parallel geschaltet. Dieses zweite Filter 36 ist so bemessen, daß es lediglich den Direktschall kompensieren kann. Bedingt durch seine verkürzte Länge und durch seine angepaßte Steuerung kann es wesentlich schneller adaptieren als das eigentliche Echokompensationsfilter 34. Die Steuerung des Schattenfilters 36 basiert lediglich auf der Anregung durch den fernen Gesprächsteilnehmer. Nach Raumänderungen wird die Restfehlerleistung (Signal e (r)|SF (k_r), Fig. 4) des Schattenfilters 36 deutlich schneller reduziert als die des langen Echokompensationsfilters 34. Ein Detektor wertet die Fehlerleistungen der beiden konkurrierenden Filter aus und veranlaßt im Fall detektierter Raumänderungen eine schnelle Schätzung des Leistungsübertragungsfaktors zwischen den Signalen x(k) und e(k). Bei starken Veränderungen des Raums wird dadurch nicht mehr fehlerhaft auf Gegensprechen erkannt und die Pegelwaage 22 unterdrückt das anstehende Re stecho. Gleichzeitig wird die Schrittweite aller Echokompen satoren 28 angepaßt, was zu einer schnellen Neuadaption führt. Eine detaillierte Beschreibung folgt.

Die Unterscheidung zwischen Einzel- und Gegensprechphasen wird durch starkes Hintergrundgeräusch in Kraftfahrzeugen (z. B. Motor- und Windgeräusche) erschwert und ist mit den bishe rigen Detektoren nur eingeschränkt möglich. Um dieser Randbe dingung dennoch Sorge zu tragen, wird eine erweiterte Korre lationsanalyse vorgestellt. Diese Analyse verwendet - im Un terschied zu dem Stand der Technik - das geschätzte und das gemessene Mikrophonsignal eines Teilbandes. Diese Auswahl läßt erheblich höhere Hintergrundgeräuschpegel zu, ohne meß bar schlechtere Ergebnisse zu liefern. Fehldetektionen bei schlecht abgeglichenen Kompensatoren werden durch die Schat tenfilterauswertung abgefangen.

Die Kombination dieser beiden Detektionsverfahren - das Schattenfilter und die Korrelationsanalyse - lassen auch un ter den erschwerten Bedingungen in Kraftfahrzeugen eine schnelle und stabile Adaption der Echokompensatoren zu. Die Steuerung der Restdämpfung, welche durch die Pegelwaage ein zufügen ist, kann mit dem beschriebenen Verfahren zulässig durchgeführt werden. Hierbei ist die Steuerung der Dämpfungs reduktion bei Gegensprechen eingeschlossen.

Der Stand der Technik in bezug auf Schattenfilter ergibt sich beispielsweise aus S.D. Peters: A Self-Tuning NLMS Adaptive Filter Using Parallel Adaption, IEEE Transactions on Circuits and Systems - II, Analog and Digital Signal Processing, Vol. 44, No. 1, Jan. 1997. Hier werden zusätzlich zum eigentlichen adaptiven Gesamtbandfilter zwei Schattenfilter mit gleicher Länge parallel adaptiert. Aus den beiden Fehlersignalen wird dann die Schrittweite für das eigentliche Filter bestimmt.

Erst durch die Verwendung eines einzigen Teilbandschattenfil ters - welches deutlich kürzer als das eigentliche Filter ist - können Raumänderungen mit dem in dieser Erfindung vorge schlagenen Verfahren mit sehr geringem Aufwand detektiert werden.

Der Stand der Technik in bezug auf Korrelationsanalysen fin det sich beispielsweise in P. Heitkämper: Ein Korrelationsmaß zur Feststellung von Sprecheraktivitäten, 8. Aachener Kollo quium Signaltheorie, RTWH Aachen, März 1994. Hier wird die Korrelation zwischen dem Mikrophon- und dem Lautsprechersi gnal ausgewertet. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht in der mit steigendem Hintergrundgeräuschpegel ebenfalls stei genden Anzahl an Fehldetektionen, so daß die Anwendung in Fahrzeugen nicht oder nur eingeschränkt möglich ist.

Die für die Teilbandverarbeitung notwendige Frequenzbandana lyse und -synthese ist als Polyphasenfilterbank implemen tiert.

Um ein Freisprechverfahren mit einer Pegelwaage und mehreren adaptiven Echokompensationsfiltern, von denen jeder ein Teil band verarbeitet, auch in Kraftfahrzeugen verwenden zu kön nen, müssen Anpassungen an die veränderten Randbedingungen (im Vergleich zur Verwendung in "normalen" Büroräumen) vorge nommen werden.

So ist bei Freisprechen in Kraftfahrzeugen mit deutlichen - die Adaption störenden - Hintergrundgeräuschen (z. B. Motor- und Fahrtwindgeräusche) zu rechnen. Weiter kann die Leistung dieser Geräusche stark schwanken - als Beispiele können der Betrieb bei schneller Fahrt auf der Autobahn und der Betrieb auf einem ruhigen Parkplatz angeführt werden. Die Nachhall zeiten von Fahrzeuginnenräumen (ca. 50-80 ms) sind im Ver gleich zu Büroräumen deutlich geringer. Bewegungen des Fah rers (Lenken, Gestikulieren, etc.) wirken sich damit deutlich stärker auf die Impulsantwort des Lautsprecher-Raum-Mikro phon-Systems (LRM-Systems) aus.

Um unter den beschriebenen Randbedingungen eine stabile Adap tion der Echokompensatoren sowie eine entsprechende Steuerung der Dämpfungsanforderungen an die Pegelwaage zu gewährlei sten, wird die kombinierte Anwendung einer Korrelationsanaly se und eines Schattenfilters vorgestellt. Das weiter unten vorgestellte Verfahren schätzt die in Tabelle 1 aufgeführten Größen.

Die in Tabelle 1 eingeführte Notation der Formelzeichen wird während der gesamten Beschreibung beibehalten. Die hochge stellten ^(r) bzw. die tiefgestellten _r weisen auf die um den den Faktor r reduzierte Abtastrate hin. Geglättete Größen sind durch Überstriche gekennzeichnet. Die Auswahl einzelner Teilbänder erfolgt durch geeignete Wahl des Parameters µ.

Um eine stabile und schnelle Adaption der Echokompensatoren zu erreichen, werden die Teilbandechokompensatoren 28 durch ihre Schrittweiten α (r)|µ (k_r) gesteuert. Die Bestimmungsglei chung für diese Größen lautet:

Die Größen

und

stellen dabei geglättete Schätzwerte für die Signalleistung des fernen Teilnehmers bzw. für die Fehlerleistung dar. Beide Schätzgrößen werden durch nichtlineare rekursive Betragsglättungen erster Ordnung bestimmt.

Tabelle 1

Schätzgrößen und deren Bedeutung

Die Zeitkonstanten β_R bzw. β_F sind dabei so gewählt, daß ei nem Anstieg der Signalleistung schneller gefolgt werden kann, als einem Abfall der Leistung. Die eigentliche Berechnung der Schrittweiten verwendet eine DSP-spezifische Logarithmierung bzw. Linearisierung.

Die Leistungsübertragungsfaktoren

in den einzelnen Teilbändern werden, wenn es der Zustand der Freisprechein richtung zuläßt, geschätzt. Die Qualität dieser Schätzungen bestimmt nachhaltig auch die Qualität der gesamten Frei sprecheinrichtung, entsprechend wird bei der Bestimmung die ser Größen auch ein deutlich höherer Verfahrensaufwand be trieben.

In Fig. 5 ist eine Übersicht zur Schätzung der Leistungsüber tragungsfaktoren dargestellt. Grundsätzlich sollten diese Faktoren nur bei Einzelsprechen des fernen Teilnehmers ge schätzt werden. Wurde Einzelsprechen detektiert, so kann die Varianz der Schätzung durch verschiedene Zeit konstanten be einflußt werden. Sehr träge Schätzverfahren führen in sta tionären Umgebungen zu sehr guten Ergebnissen. In diesen Fäl len erreicht die Freisprecheinrichtung Zustände in denen sie voll-duplex-fähig oder zumindest nahezu voll-duplex-fähig ist, d. h. unter Einhaltung der ITU-Empfehlungen ist Gegen sprechen ohne merkliche Bedämpfung möglich.

Ändert sich der Zustand der Freisprecheinrichtung, z. B. durch Raumänderungen, so führen träge Schätzverfahren zu Fehldetek tionen und es kommt zu unerwünschten Reduzierungen der Echo dämpfung, also zu einer Verminderung der Gesprächsqualität.

Besonders kritisch ist die Unterscheidung zwischen Gegenspre chen und Raumänderungen. Beides führt zu einem Anstieg der Fehlerleistung. Bei Gegensprechen sollte die Schätzung der Leistungsübertragungsfaktoren angehalten und die Gesamtdämp fung der Pegelwaage gemäß den ITU-T- bzw. ETSI-Empfehlungen reduziert werden. Bei Raumänderungen sollten die Leistungs übertragungsfaktoren möglichst schnell neu geschätzt werden.

Bevor die expliziten Berechnungsformeln für die einzelnen Übertragungsfaktoren angegeben werden, sind in den beiden folgenden Abschnitten die beiden Detektoren, welche Raumände rungen bzw. Gegensprechen erkennen sollen, vorgestellt. Die kombinierte Auswertung, welche zur Bestimmung der Leistungs übertragungsfaktoren benötigt wird, ist ebenfalls in einem eigenen Abschnitt beschrieben.

Um Raumänderungen zu erkennen, wird im ersten Teilband - Fre quenzbereich 250 Hz-750 Hz - dem eigentlichen adaptiven Filter ein zweites Filter parallel geschaltet (Fig. 6). Die ses sog. Schattenfilter ist deutlich kürzer als das herkömm liche und ist so entworfen, daß es hauptsächlich den Direkt schall und die ersten Reflektionen kompensieren kann. Bedingt durch die verminderte Ordnung kann das Schattenfilter deut lich schneller abgleichen, wenn auch nicht so weit, wie das längere Echokompensationsfilter.

Das Schattenfilter

wird wie auch die Teilbandechokom pensatoren

mit einem NLMS-Algorithmus

adaptiert. Durch Unterstrich sind hierbei Vektoren gekenn zeichnet. Die Notation ^H steht für hermetisch - durch den hochgestellten Stern * ist komplexe Konjugation beschrieben. Der Vektor

geht durch entsprechende Längenkürzung aus dem Anregungsvektor des ersten Teilbandes

hervor. An ders als bei den Echokompensatoren erfolgt die Schrittweiten steuerung des Schattenfilters ausschließlich normgesteuert:

Der Parameter α_sf ist einstellbar und sollte etwa 1 betragen. Die Größe N_sf ist ebenfalls einstellbar und sollte an die Länge des Schattenfilters angepaßt werden.

Um Raumänderungen zu detektieren, werden die Fehlerleistungen des Echokompensationsfilters und des Schattenfilters vergli chen. Hierzu werden - wie bereits vorher eingeführt - nicht lineare, rekursive Betragsglättungen erster Ordnung berech net:

Der Quotient dieser beiden Schätzer

bestimmt den Detektorausgang, welcher wie folgt generiert wird:

Bedingung
Detektionsergebnis
R^(r)(k_r) ≧ R₀	keine Raumänderungen detektiert,
R₀ < R^(r)(k_r) < R₁	schwache Raumänderungen detektiert,
R₁ ≧ R^(r)(k_r)	starke Raumänderungen detektiert

Hierbei gilt R₀ < R₁. Die Quotientenberechnung wird wieder durch Verwendung der Logarithmierung bzw. Linearisierung durchgeführt. Die Weiterverwendung der Detektionsergebnisse ist weiter unten beschrieben.

Um Gegensprechen zu erkennen, wird die Berechnung einer nor mierten Korrelationsschätzung zwischen dem gemessenen y (r)|1 (k_r) und dem geschätzten Mikrophonsignal (r)|1 (k_r) vorgeschlagen. Zur Vereinfachung der Berechnung wird hierbei allerdings nicht das gesamte Signal, sondern nur der jeweilige Realteil ver wendet. Der Korrelationskoeffizient ρ (r)|0 (k_r) wird wie folgt berechnet:

Bedingt durch die Betragsbildungen kann der Korrelationskoef fizient einen Wertebereich von ρ (r)|0 (k_r) ∈ [0. . .1] annehmen. Kleine Werte bedeuten dabei nur geringe Korrelation zwischen den Si gnalen, d. h. Gegensprechen; Werte nahe bei 1 weisen dagegen auf eine hohe Korrelation, d. h. auf Einzelsprechen hin.

Die Korrelationsanalyse geht von bereits abgeglichenen Kom pensatoren aus - die Signale y (r)|1 (k_r) und (r)|1 (k_r) haben dann keine Laufzeitdifferenz. Bei schlecht abgeglichenen Kompensa toren gilt dies nicht. Um dennoch auch hier eine Analyse zu ermöglichen, wird die Auswertung auch für einen zeitlichen Versatz in beide Richtungen durchgeführt. Die Korrelations koeffizienten ρ (r)|n (k_r) werden für verschiedene Werte von n be rechnet:

Die Werte für n werden vorzugsweise einem Intervall ganzer Zahlen entnommen, das den Wert 0 enthält. Vorzugsweise wird ρ (r)|n (k_r) für fünf Werte von n berechnet.

Zur Reduktion des Aufwands können die Summen des Zählers bzw. des Nenners rekursiv berechnet werden. Entscheidend für den Detektorausgang ist das Maximum über die berechneten Korrela tionskoeffizienten

ρ (r)|max (k_r) = Max_n {ρ (r)|n (k_r)} (2.12)

Damit kann das Detektionskriterium wie folgt angegeben wer den:

Bedingung
Detektionsergebnis
ρ_max ^(r)(k_r) ≧ ρ_g	Einzelsprechen (fern) detektiert,
ρ_max ^(r)(k_r) < ρ_g	Gegensprechen detektiert

Mit den oben beschriebenen Detektoren kann die zunächst nur "grobe" Beschreibung (Fig. 5) der Schätzung der Leistungs übertragungsfaktoren konkretisiert werden. Die Anregungsde tektion des fernen Sprechers wird durch die Bedingung

abgefragt. Überschreitet die Betragsglättung einen Grenzwert, so werden weitere Kriterien abgefragt. Im anderen Fall wird auf ungenügende Anregung detektiert, was zu einem Anhalten der Adaption

α (r)|µ (k_r) = 0 (2.14)

und einem Beibehalten des vorherigen Übertragungsfaktor schätzwertes

führt. Die Schwellwerte sollten an die statistischen Eigen schaften des Eingangssignals, im besonderen an das Leistungs dichtspektrum angepaßt werden. Sollte ausreichende Anregung detektiert worden sein, so wird in einer zweiten Detektions stufe die Raumänderungserkennung des Schattenfilters ausge wertet. Sollte das Schattenfilter auf "starke" Raumänderungen

R₁ ≧ R^(r)(k_r) (2.16)

detektieren, so wird eine nichtlineare, rekursive Glättung erster Ordnung der Leistungsübertragungsfaktoren durchge führt. Diese Glättung verwendet im Vergleich zu den weiter unten durchgeführten Schätzungen die kürzesten Zeitkonstan ten. Die Schätzwerte werden also den Momentanwerten sehr schnell nachgeführt. Die Bestimmungsgleichung der Übertra gungsfaktoren lautet im Fall von detektierten starken Raumän derungen:

Die Zeitkonstante wird dabei wie folgt gesetzt:

Im Fall einer Detektion "schwacher" Raumänderungen

R₀ ≦ R^(r)(k_r) ≦ R₁ (2.19)

wird ebenfalls eine rekursive Glättung gemäß Gleichung 2.17 durchgeführt, allerdings mit den Zeitkonstanten

Im Vergleich zur Detektion starker Raumänderungen erfolgt die Neuschätzung der Leistungsübertragungsfaktoren langsamer, d. h. es gilt:

β_R1,F < β_R0,F (2.21)

β_R1,F < β_R0,R (2.22)

Wurden durch das Schattenfilter keine Raumänderungen detek tiert

R₀ ≦ R^(r)(k_r) (2.23)

so werden weitere Kriterien zur Unterscheidung von Einzel- und Gegensprechen ausgewertet. Die erste Stufe bildet hier die bereits erwähnte Korrelationsanalyse. Wird die Bedingung

ρ_max ^(r)(k_r) < ρ_g (2.24)

erfüllt, so wird auf Gegensprechen detektiert und die Über tragungsfaktorschätzung wird angehalten, d. h.

Im Falle einer Einzelsprechdetektion durch die Korrelationsa nalyse

ρ_max ^(r)(k_r) ≧ ρ_g (2.26)

wird noch ein weiterer Vergleich angestellt, um Gegensprech situationen weitmöglichst auszuschließen. Sollte die gemesse ne Gesamtbandfehlerleistung unter der geschätzten liegen, wird endgültig auf Einzelsprechen erkannt. Die Bedingung hierfür lautet:

Die zweite Stufe der Gegensprecherkennung wird mit Gesamt bandsignalen ausgewertet. Die Größen

bzw.

werden gemäß

mit

bestimmt. Auch bei diesen rekursiven Schätzern sind die Zeit konstanten β_GB,R und β_GB,F so gewählt, daß einem Anstieg der Signalleistung schnell gefolgt wird, einem Leistungsabfall dagegen langsamer - d. h. β_GB,F < β_GB,R. Da zwischen Mikro phon- und Fehlersignal eine Laufzeit durch die Filterbank eingefügt ist, wird das Anregungssignal des fernen Teilneh mers entsprechend verzögert, die Größe N_AS beschreibt daher die Länge des Analyse- bzw. Synthesefilters.

Die Berechnung des Gesamtbandleistungsübertragungsfaktors

erfolgt analog zu den Teilbandübertragungsfaktoren mit mehreren Detektoren. Zunächst wird die Anregungsleistung des fernen Teilnehmers überprüft - wird hier eine Schwelle nicht überschritten, wird die alte Schätzung beibehalten. Sollte ausreichende Anregung detektiert worden sein, wird die Feh lerleistung des Schattenfilters ausgewertet und bei Raumände rungsdetektion die

mit entsprechend kurzen Zeitkonstanten durchgeführt. Erkennt der Schattenfilterdetek tor keine Raumänderungen, wird die Korrelationsanalyse des ersten Teilbandes als letzte Steuerungsstufe ausgewertet. Sollte hierbei Einzelsprechen detektiert werden (Bedingung 2.26), wird eine rekursiv geglättete Schätzung durchgeführt, ansonsten wird der alte Übertragungsfaktor beibehalten.

Durch die Konstante K_GS kann auf die Varianz der in die Be dingung 2.27 eingehenden Größen reagiert werden - sie sollte so gewählt werden, daß nicht schon bei geringen Schwankungen der Signalleistungen auf Gegensprechen erkannt wird. Die De tektion sollte erst dann auf Gegensprechen erkennen, wenn die gemessene Fehlerleistung die geschätzte Leistung um einen be stimmten Wert überschreitet. In solchen Fällen wird die Schätzung der Leistungsübertragungsfaktoren (Gleichung 2.17) sehr träge durchgeführt, d. h.

Im anderen Detektionsfall - Erkennung auf Einzelsprechen - werden die Zeitkonstanten gemäß

gesetzt. Damit sind alle möglichen Pfade der Fig. 5 mit ex pliziten Angaben der Detektionsbedingungen versehen. Für die einzelnen Zeitkonstanten gilt dabei:

0 < β_R0,R < β_R1,R < β_R2,R < β_R3,R < 1 (2.31)

0 < β_R0,F < β_R1,F < β_R2,F < β_R3,F < 1 (2.32)

Die Qualität der Schätzung der Teilband- und des Gesamt bandübertragungsfaktors bestimmt nachdrücklich die Qualität der gesamten Freisprecheinrichtung. Die Teilbandschätzwerte sind für eine stabile und vor allem schnelle Adaption von großer Bedeutung. Nur wenn die Echokompensatoren hohe Echo dämpfungen erzielen, kann die Freisprecheinrichtung aus dem Halb-Duplex-Betrieb "herausgeführt" und nahezu ohne merkliche Dämpfung durch eine Pegelwaage arbeiten. Für den Fall starker Raumänderungen, welcher beim Betrieb in Kraftfahrzeugen häu figer auftritt, ist eine hohe Güte der Dämpfungsschätzung im Gesamtband

notwendig. Mit dem hier beschriebenen Verfahren können die gesetzten Anforderungen mit niedrigem Rechenaufwand zufriedenstellend erfüllt werden.

Claims

1. Verfahren zur Verbesserung der akustischen Rückhördämpfung in Freisprecheinrichtungen mit einer Pegelwaage (22) und meh reren adaptiven Echokompensationsfiltern (34), von denen je des ein Teilband verarbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem Teilband ein weiteres adaptives Filter (Schattenfilter (36)) anderer Ordnung dem adaptiven Echokom pensationsfilter (34) parallel geschaltet ist, und Raumände rungen anhand einer Korrelationsanalyse und einer Leistungs auswertung des Schattenfilterausgangs erkannt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere unterschiedliche Abtastraten verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Filter (36) eine wesentlich geringere Ordnung aus das eigentliche Echokompensationsfilter aufweist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Echokompensationsfilter (34) mittels einer Filterbank (28) in Frequenzteilbändern implementiert werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Adaption und der Schrittweite sowohl Lei stungsauswertungen von konkurrierenden adaptiven Filtern (34, 36) unterschiedlicher Ordnungen als auch korrelationsba sierende Analysen verwendet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schrittweitenbestimmung Leistungsübertragungsfaktoren in Teilbändern geschätzt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Echokompensationsfilter (34) Schätzwerte für die durch sie eingebrachte Echodämpfung liefern.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schätzwerte für die Dämpfung zur Steuerung der Dämpfung der Pegelwaage (22) verwendet werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichzeitige Aktivität beider Gesprächsteilnehmer (Gegensprechen) detektiert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtdämpfung der Pegelwaage (22) im Gegensprechfall re duziert wird.