DE69713805T2

DE69713805T2 - Korrektur einer akustischen rückkopplung

Info

Publication number: DE69713805T2
Application number: DE69713805T
Authority: DE
Inventors: Edward Ensor; Vaughan Lewis
Original assignee: British Telecommunications PLC
Current assignee: British Telecommunications PLC
Priority date: 1996-04-03
Filing date: 1997-04-02
Publication date: 2003-08-07
Anticipated expiration: 2017-04-03
Also published as: AU2301297A; CN1215540A; CA2249283A1; AU712787B2; DE69713805D1; JP2000508483A; CA2249283C; US6389440B1; EP0951798B1; EP0951798A1; WO1997038552A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine adaptive Filtervorrichtung zum Korrigieren akustischer Rückkopplung. Sie hat besonderen Nutzen in bezug auf die Echoentfernung in einer Einrichtung für Videokonferenzen.
Eine häufige Situation, in der die akustische Rückkopplung ein Problem verursacht, tritt bei einer Vorrichtung für öffentliche Vorträge auf, wo die Spracheingabe in einem Mikrophon verstärkt wird, bevor sie von einem Lautsprecher in der Nähe ausgegeben wird. Weil eine geschlossene Schleife gebildet werden kann, wenn ein akustischer Pfad zwischen dem Lautsprecher und dem Mikrophon vorhanden ist, kann das Signal vom Lautsprecher zum Mikrophon rückgekoppelt werden kann, so daß es abermals verstärkt und vom Lautsprecher ausgegeben wird. Wenn das Mikrophon zu dicht am Lautsprecher angeordnet ist, oder wenn die Ausgabe des Lautsprechers zu laut ist, kann die Verstärkung um die geschlossene Schleife eins überschreiten, woraufhin der Lautsprecher einen heulenden Schall erzeugen wird, der der akustischen Rückkopplung zugeordnet ist.
Eine andere Situation, in der die akustische Rückkopplung ein Problem darstellen kann, tritt bei einer Zweiwege-Verbindung zwischen zwei Standorten auf. In diesem Fall ist eine Kombination aus einem Lautsprecher und einem Mikrophon an jedem Standort vorgesehen. Das Problem, das sich dann ergibt, ist, daß irgendeine Rückkopplung vom Lautsprecher zum Mikrophon an einem Standort bewirken wird, daß die Person, die in das Mikrophon am anderen Standort spricht, ein Echo seiner oder ihrer Stimme hört. Dieses Problem ist in bezug auf Einrichtungen für Videokonferenzen besonders akut, wo eine lange Verzögerung bei der Ankunft des Echos dadurch verursacht wird, daß das Sprachsignal verzögert wird, um mit der Zeit übereinzustimmen, die beim Komprimieren des Videosignals benötigt wird, das das Sprachsignal begleitet. Weil diese Verzögerung beträchtlich länger ist als die Länge einer Silbe, wird selbst ein relativ leises Echo das Sprechen in das Mikrophon schwierig machen. Eine Technik, die verwendet wird, um die akustische Rückkopplung zu verringern, besteht darin, ein Filter zwischen den Lautsprechereingang und den Mikrophonausgang zu schalten. Das Filter ist so beschaffen, daß der akustische Weg zwischen dem Lautsprecher und dem Mikrophon modelliert wird und dadurch ein Signal geschaffen wird, das zu dem ähnlich ist, das am Mikrophon vom Lautsprecher empfangen wird. Sobald das Signal bereitgestellt worden ist, kann es vom Ausgangssignal des Mikrophons subtrahiert werden, um ein korrigiertes Ausgangssignal des Mikrophons ohne die Rückkopplungskomponente zu schaffen.
Ein weiteres Problem, das Einrichtungen für Videokonferenzen zugeordnet ist, besteht darin, daß der akustische Weg zwischen dem Lautsprecher und dem Mikrophon an keinem Standort konstant ist. Die Erfinder haben z. B. gezeigt, daß, wenn eine Person, die in einer Sitzung einer Videokonferenz anwesend ist, sich in ihrem Stuhl zurücklehnt, dies eine signifikante Wirkung auf die Art des akustischen Weges zwischen dem Lautsprecher und dem Mikrophon haben kann. Es ist deshalb bekannt, ein aktives Filter vorzusehen, das versucht, sein Modell des akustischen Weges zwischen dem Lautsprecher und dem Mikrophon anzupassen, wie sich dieser akustische Weg ändert. Normalerweise sind derartige adaptive Filter unter Verwendung eines Filters mit finiter Impulsantwort implementiert, dessen Gewichte auf der Grundlage des vorausgehend erwähnten korrigierten Signals aktualisiert werden.
Ein Beispiel einer Anordnung, die ein adaptives Filter mit finiter Impulsantwort verwendet, ist im US-Patent 5.467.394 offenbart. Eine Filteranordnung, die die Echobeseitigung in jedem von verschiedenen Frequenzbändern enthält, findet sich in der internationalen Patentanmeldung WO92/12583. Die europäische Patentanmeldung EP 0 301 627 beschreibt eine Filteranordnung, die so beschaffen ist, daß eine richtige Schätzung der Filtergewichte gesichert ist, selbst wenn das Mikrophon außer der Rückkopplung die Stimme eines Anwenders vom Lautsprecher empfängt.
Die Geschwindigkeit, mit der das Filter sein Modell des akustischen Weges anpassen kann, ist wenigstens teilweise durch den Betrag bestimmt, um den die Filtergewichte in einer einzelnen Aktualisierung geändert werden können. Wenn jedoch der Betrag, um den die Gewichte geändert werden können, vergrößert wird, um die Anpassung des Filters zu beschleunigen, ist das Filter dann weniger in der Lage, den akustischen Weg genau zu modellieren. Dies ist so, weil, selbst wenn der akustische Weg für eine bedeutende Zeitdauer konstant bleibt, die Filtergewichte nicht auf Idealwerte einschwingen, sondern statt dessen innerhalb eines breiten Streubereichs von Werten um die Idealwerte fluktuieren. Folglich muß üblicherweise ein Kompromiß zwischen der Geschwindigkeit der Anpassung und der Fluktuation geschlossen werden, die auftritt, sobald sich das Filter an den geänderten akustische Weg angepaßt hat. Es ist festgestellt worden, daß das Vorhandensein der Fluktuation zum sogenannten "Fehleinstellungsrauschen" führt. Wenn das Eingangssignal des Lautsprechers Sprache ist, dann führt das "Fehleinstellungsrauschen" zu einem unnatürlich klingenden Restecho.
Es ist außerdem festgestellt worden, daß die Geschwindigkeit der Anpassung der herkömmlichen Vorrichtungen von der Art des Eingangssignals des Lautsprechers abhängig ist. Wenn das Eingangsignal Sprache oder Musik ist, ist die Geschwindigkeit der Anpassung langsamer, als wenn das Eingangssignal weißes Rauschen ist. Weil in der Umgebung für eine Audiokonferenz eine Echobeseitigungseinrichtung normalerweise auf ein Sprachsignal wirkt, ist die Geschwindigkeit der Anpassung derartiger Echoentfernungseinrichtungen relativ langsam.
Ein weiteres Problem ergibt sich, weil die Verstärkung des akustischen Weges zwischen dem Lautsprecher und dem Mikrophon normalerweise frequenzabhängig ist. Es ist z. B. möglich, daß die Verstärkung um die geschlossene Schleife für einige Frequenzen im hörbaren Spektrum -40 dB beträgt, während sie für andere Frequenzen lediglich -10 dB beträgt.
In einem derartigen Fall, würde, wenn die Lautstärke des Lautsprechers vergrößert wäre, anfangs akustische Rückkopplung lediglich bei diesen anderen Frequenzen auftreten, wobei dadurch verursacht wird, daß ein klingendes Geräusch zu hören ist, das zunehmend lauter werden würde, bis die Grenzen der Leistung des Lautsprechers erreicht würden. Im allgemeinen wird die Rückkopplung zuerst bei den Frequenzen auftreten, bei denen die Verstärkung der geschlossenen Schleife relativ hoch ist (Frequenzen mit hoher Schleifenverstärkung), und dann später bei Frequenzen, bei denen die Verstärkung der geschlossenen Schleife relativ niedrig ist (Frequenzen mit niedrigerer Schleifenverstärkung). Der Betrag, um den die Verstärkung der geschlossenen Schleife vergrößert werden kann, bevor sie eins erreicht (und folglich das Klingeln oder Heulen auftritt), ist als die "Verstärkungsgrenze" bekannt. Es ist eindeutig erwünscht, die Verstärkungsgrenze soweit wie möglich zu vergrößern, aber um dies zu tun, ist es notwendig, die Rückkopplung bei allen Frequenzen mit hoher Schleifenverstärkung im hörbaren Spektrum zu verringern. Bisher haben viele Rückkopplungsentfernungsvorrichtungen wenig Verbesserungen zur Verstärkungsgrenze beigetragen.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf, einige oder alle der obigen Probleme zu lindern.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Filtervorrichtung zum Korrigieren der Rückkopplung von einem Lautsprecher zu einem Mikrophon geschaffen, wobei die Vorrichtung umfaßt:
ein adaptives digitales Filter, das im Gebrauch ein ankommendes Signal empfängt und ein modelliertes Rückkopplungssignal erzeugt, das von einem abgehenden Signal subtrahiert wird, um ein korrigiertes abgehendes Signal zu erzeugen; und
Mittel zum Ändern der Gewichte des Filters in Übereinstimmung mit einem Algorithmus zum Reduzieren der Differenz zwischen einem Ist-Rückkopplungssignal und dem modellierten Rückkopplungssignal, wobei jede Gewichtsänderung einen variablen Skalierungsfaktor enthält, der sich in Übereinstimmung mit dem Verhältnis eines ersten Wertes, der die Langzeit-Durchschnittsleistung des rückgekoppelten Schalls angibt, zu einem zweiten Wert, der die Kurzzeit-Durchschnittsleistung des rückgekoppelten Schalls angibt, ändert.
Um eine Vorrichtung zu schaffen, die ausreichend schnell ist, implementieren viele Rückkopplungsentfernungsvorrichtungen vereinfachte Algorithmen, die Annahmen enthalten, die für Signale, wie z. B. Sprache oder Musik, die statistische Eigenschaften besitzen (z. B. globale Varianz, Varianz als eine Funktion der Frequenz) und die sich kurzfristig signifikant ändern, zum größten Teil ungültig sind. Die Wirkung des variablen Skalierungsfaktors der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Änderungen der Filtergewichte zu Zeitpunkten zu steuern, zu denen derartige Annahmen versagen. Auf diese Weise bietet die vorliegende Erfindung den Vorteil, daß die Geschwindigkeit der Anpassung ohne eine begleitende Zunahme im Fehlanpassungsrauschen, das auftritt, sobald die Anpassung erreicht worden ist, verbessert werden kann, wenn das Signal Sprache oder Musik ist.
In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird der Langzeitdurchschnitt über eine Periode, die länger als 250 ms ist, gebildet - dies ist effektiv, um Variationen in der Sprachleistung zu überspannen, die zwischen einem Phonem und dem nächsten auftreten.
Vorzugsweise wird der Kurzzeitdurchschnitt über eine Periode, die kürzer als 25 ms ist, gebildet.
Der erste und/oder der zweiten Wert können unter Verwendung entweder des ankommenden Signals oder des abgehenden Signals abgeleitet werden. In vorteilhaften Ausführungsformen wird das abgehende Signal verwendet, da es die Art des akustischen Weges zwischen dem Lautsprecher und dem Mikrophon berücksichtigt.
Vorzugsweise repräsentiert der erste Wert den Mittelwert des vorzeichenlosen Wertes von m Abtastwerten des abgehenden Signals vor der Gewichtsänderung und der zweite Wert repräsentiert den Mittelwert des vorzeichenlosen Wertes von n Abtastwerten des abgehenden Signals vor der Gewichtsänderung, wobei m größer als n ist. Diese Anordnung besitzt den Vorteil, daß der Skalierungsfaktor leicht berechnet werden kann.
Im bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen die m Abtastwerte alle vorausgehenden Abtastwerte, die in der momentanen Betriebsperiode der Vorrichtung aufgenommen wurden.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist n gleich 1, wobei der zweite Wert folglich ein vorzeichenloser Wert des momentanen Abtastwertes des Ausgangssignals des Mikrophons ist. Dies besitzt den Vorteil, daß die Rechenanforderungen der Vorrichtung weiter verringert werden können.
In den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist n größer als 1. Der Vorteil des Vergrößerns der Größe von n ist, daß die Stabilität des Modells des Rückkopplungsweges vergrößert wird.
Vorteilhafterweise kann der Suchalgorithmus ein Gradientensuchalgorithmus der kleinsten Quadrate sein. Im Betrieb eines Algorithmus der kleinsten Quadrate wird angenommen, daß der unmittelbar quadrierte Fehler gleich dem mittleren quadrierten Fehler ist. Mit anderen Worten, es wird angenommen, daß der momentane Wert des quadrierten korrigieren abgehenden Signals mit dem Mittelwert des quadrierten korrigierten abgehenden Signals völlig gleich ist. Diese Annahme ist eine Annahme, die versagt, wenn die statistischen Parameter des ankommenden Signals nicht stationär sind, z. B. wenn das ankommende Signal ein Sprachsignal repräsentiert. Das Vorhandensein des Skalierungsfaktors der vorliegenden Erfindung kompensiert die Ungültigkeit diese Annahme unter diesen Umständen.
Vorzugsweise wird der zweite Wert dann, wenn er kleiner als ein Schwellenwert ist, auf den Schwellenwert gesetzt. Diese Anordnung besitzt den Vorteil, daß große Änderungen an den Gewichten im Ergebnis von sehr niedrigen Werten des abgehenden Signals vermieden werden.
Vorzugsweise wird der zweite Wert dann, wenn die Leistung des ankommenden Signals kleiner als ein Leistungsschwellenwert des ankommenden Signals ist, auf einen vorgegebenen Wert gesetzt. Diese Anordnung besitzt den Vorteil, daß Probleme gelindert werden, die durch eine lokale Rauschmaskierung des entfernten Signals verursacht werden.
Vorzugsweise wird der Schwellenwert während des Betriebs der Vorrichtung verändert. Dies ist vorteilhaft, weil es ermöglicht, daß die Größe der Änderungen an den Gewichten eingeschränkt wird, sobald das Filter den geänderten akustischen Pfad richtig modelliert, wobei auf diese Weise ein übermäßiges Fehlanpassungsrauschen verhindert wird, während die Geschwindigkeit der Anpassung durch die Einschränkung der Größe der Änderungen, die an den Gewichten ausgeführt werden, während den frühen Stufen der Anpassung nicht eingeschränkt wird.
Vorteilhafterweise kann eine zusätzliche Erhöhung an jedem der Gewichte ausgeführt werden, wobei diese zusätzliche Erhöhung nicht vom Skalierungsfaktor abhängt, wobei die Gewichtsänderung und die zusätzliche Erhöhung in vorgegebenen Verhältnissen addiert werden, um die Gesamterhöhung für jedes Gewicht zu schaffen. Diese Anordnung besitzt den Vorteil, daß die Gewichtsänderung in Übereinstimmung mit dem in der vorliegenden Erfindung implementierten Algorithmus mit der Gewichtsänderung in Übereinstimmung mit einem anderen Algorithmus gemischt werden kann. Die vorteilhaften Eigenschaften des durch die vorliegende Erfindung implementierten Algorithmus können beibehalten werden, während seine Schwächen durch den Einfluß des anderen Algorithmus gelindert werden können.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Echoentfernungsvorrichtung geschaffen, die eine Filtervorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch enthält, wobei das adaptive Filter ein erstes modelliertes Rückkopplungssignal erzeugt, das vom abgehenden Signal subtrahiert wird, um ein erstes korrigiertes abgehendes Signal zu erzeugen.
Vorzugsweise umfaßt die Echoentfernungsvorrichtung ferner:
ein statisches Filter, das im Gebrauch das ankommende Signal empfängt und ein zweites modelliertes Rückkopplungssignal erzeugt, das von dem abgehenden Signal subtrahiert wird, um ein zweites korrigiertes abgehendes Signal zu erzeugen; und
Komparatormittel, die die ersten und zweiten korrigierten abgehenden Signale vergleichen und das kleinere der beiden Signale als ein korrigiertes abgehendes Signal ausgeben; und
Mittel, die die Gewichte des adaptiven Filters im statischen Filter ersetzen, wenn das erste korrigierte abgehende Signal kleiner als das zweite korrigierte abgehende Signal ist.
Der zweite Aspekt der Erfindung besitzt den Vorteil, daß die Genauigkeit, mit der der akustische Weg modelliert wird, verbessert wird, insbesondere wenn das Rückkopplungssignal Sprache enthält.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Filtervorrichtung zum Korrigieren einer akustischen Rückkopplung von einem Lautsprecher zu einem Mikrophon geschaffen, wobei die Vorrichtung umfaßt:
Mittel zum Aufteilen eines ankommenden Signals in mehrere im Frequenzband verteilte ankommende Signale;
Mittel zum Aufteilen des abgehenden Signals in mehrere im Frequenzband verteilte abgehende Signale;
mehrere adaptive Filter, die so betreibbar sind, daß sie entsprechende der im Frequenzband verteilten ankommenden Signale empfangen und entsprechende modellierte, im Frequenzband verteilte Rückkopplungssignale erzeugen, die von entsprechenden im Frequenzband verteilten abgehenden Signalen subtrahiert werden, um entsprechende im Frequenzband verteilte korrigierte abgehende Signale zu erzeugen;
Mittel zum Ändern der Gewichte der Filter in Übereinstimmung mit einem Algorithmus zum Reduzieren der Differenz zwischen den im Frequenzband verteilten abgehenden Signalen und den entsprechenden im Frequenzband verteilten, modellierten Rückkopplungssignalen, wobei die Gewichtsänderungen variable Skalierungsfaktoren enthalten, die sich in Übereinstimmung mit den entsprechenden Verhältnissen eines ersten Wertes, der die Langzeit- Durchschnittsleistung in einem Frequenzband des rückgekoppelten Schalls angibt, zu einem zweiten Wert, der die Kurzzeit-Durchschnittsleistung in dem Frequenzband des rückgekoppelten Schalls angibt, ändern; und
Mittel, die die mehreren im Frequenzband verteilten korrigierten abgehenden Signale kombinieren, um ein korrigiertes abgehendes Signal zu erzeugen.
Der dritte Aspekt der vorliegenden Erfindung besitzt den Vorteil, daß die Geschwindigkeit der Anpassung verbessert wird, während das Niveau der Rechenkomplexität verringert wird.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Erzeugen eines modellierten Rückkopplungssignals zum Korrigieren einer akustischen Rückkopplung von einem Lautsprecher zu einem Mikrophon geschaffen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
Eingeben des ankommenden Signals in ein adaptives Filter, wobei das Ausgangssignal des Filters ein modelliertes Rückkopplungssignal ist, das von dem abgehenden Signal subtrahiert wird, um ein korrigiertes abgehendes Signal zu erzeugen; und
Andern der Gewichte des Filters in Übereinstimmung mit einem Algorithmus zum Reduzieren der Differenz zwischen dem Ist- Rückkopplungssignal und dem modellierten Rückkopplungssignal, wobei jede Gewichtsaktualisierung einen variablen Skalierungsfaktor enthält, der sich in Übereinstimmung mit dem Verhältnis eines ersten Wertes, der die Langzeit-Durchschnittsleistung des rückgekoppelten Schalls angibt, zu einem zweiten Wert, der die Kurzzeit- Durchschnittsleistung des rückgekoppelten Schalls angibt, ändert.
Nun werden spezifische Ausführungsformen der Erfindung lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, worin:
Fig. 1 ein schematischer Überblick der Vorrichtung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 eine schematischer Darstellung ist, die den Betrieb des adaptiven digitalen Filters veranschaulicht, das in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird; und
Fig. 3 ein schematischer Überblick der Vorrichtung einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
Fig. 1 zeigt die Vorrichtung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in einem Videokonferenzraum installiert ist. Ein ankommendes Kupferkabel 10 überträgt die Video- und Audiosignale, die vom anderen Standort übertragen werden, der an der Videokonferenz beteiligt ist, in einen Codierer/Decodierer 12. Innerhalb des Codierers/Decodierers 12 wird die Videokomponente des Signals durch ein Video-Expansionsmittel 14 und einen Digital- Analog-Umsetzer 16 geleitet, bevor es an einen oder mehrere Fernsehmonitore 18 ausgegeben wird. Eine oder mehrere Kameras 20 sind außerdem in dem Videokonferenzraum vorgesehen, wobei die von ihnen ausgegebenen Signale längs eines Koaxialkabels zu einem Eingang des Codierers/Decodierers 12 geleitet werden. Diese Signale werden dann über einen Analog-Digital-Umsetzer 22 und ein Video- Kompressionsmittel 24, das sich im Codierer/Decodierer 12 befindet, geleitet, bevor sie an ein abgehendes Kupferkabel 26 ausgegeben werden, das die Signale zum anderen Standort überträgt, der an der Videokonferenz beteiligt ist.
Der Audioteil des ankommenden Signals wird durch einen zweiten Digital-Analog-Umsetzer 28 geleitet, bevor es an einen Lautsprecher 30 ausgegeben wird. Ein Mikrophon 32 ist innerhalb des Videokonferenzraumes bereitgestellt, wobei ein Adernpaar die Signale vom Mikrophon 32 in den Codierer/Decodierer 12 überträgt, wo die Signale durch einen Analog-Digital-Umsetzer 34 in ein digitales Format umgesetzt werden.
Der Draht, der vom Audio-Analog-Digital-Umsetzer 34 wegführt, wird durch eine Signalkombiniereinrichtung 36 unterbrochen, bevor er zum abgehenden Kupferkabel 26 fortgesetzt wird. Der Codierer/Decodierer 12 enthält außerdem ein Filter 38 mit finiter Impulsantwort, dessen Eingang eingeschlossen ist, um das ankommende digitale Audiosignal zu empfangen, und dessen Ausgang an die Kombiniereinrichtung 36 angeschlossen ist. Außerdem ist ein Mikroprozessor 40 angeschlossen, um Daten aus dem Filter 38 mit finiter Impulsantwort lesen und Daten in das Filter 38 mit finiter Impulsantwort schreiben zu können, und um das nicht korrigierte Ausgangssignal des Mikrophons, das vom Analog-Digital-Umsetzer 34 ausgegeben wird, und außerdem das korrigierte Ausgangssignal des Mikrophons, das von der Kombiniereinrichtung 36 ausgegeben wird, empfangen zu können.
Das digitale Filter 38 besitzt einen Acht-Kilobyte-Speicher 42, um die letzten 4096 Eingangs-Abtastwerte zu speichern, und einen Zwölf- Kilobyte-Speicher 44, um die 4096 zugeordneten Gewichte zu speichern, und ein Register 46, um den momentanen Wert des modellierten Ausgangssignals zu speichern. Der Mikroprozessor 40 besitzt zwei Register 47, 48, die die momentanen Werte des nicht korrigierten bzw. des korrigierten Ausgangssignals des Mikrophons speichern.
Fig. 2 ist eine ausführlichere schematische Veranschaulichung des Filters 38 mit finiter Impulsantwort und des zugeordneten Mikroprozessors 40. Die ersten drei und die letzte der 4096 Positionen (von jeweils zwei Byte), die den Acht-Kilobyte-Speicher 42 bilden, sind gezeigt, wie die ersten drei und die letzte der 4096 Positionen (von jeweils drei Byte) gezeigt sind (wl,k, ..., wL,k), die den Zwölf-Kilobyte- Speicher 44 bilden.
Im Betrieb wird die Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zuerst in einer herkömmlichen Weise initialisiert, d. h. die Impulsantwort des Videokonferenzraums wird aufgezeichnet und dann mit einer Abtastrate von sechzehn Kilohertz digitalisiert. Die ersten 4096 erhaltenen Werte werden innerhalb der Bytes gespeichert, die den Gewichtsspeicher 44 bilden.
Sobald das Filter mit finiter Impulsantwort initialisiert ist, arbeitet es, indem es 16.000 Betriebszyklen pro Sekunde ausführt. In jedem Betriebszyklus wird der momentane Wert des Audiosignals in eine Position 421 des Eingangspeichers 42 eingegeben, nachdem die vorausgehend gelesenen Werte des Eingangsaudiosignals in Wirklichkeit zu einer nachfolgenden Position innerhalb des Speichers 42 verschoben worden sind. Das Filter 38 mit finiter Impulsantwort berechnet dann das Produkt aus jeder Position (421, 422, ..., 42L) im Eingangsspeicher 42 mit einer zugeordneten Position (wl,k, ..., wLk) im Gewichtsspeicher 44. Der momentane Wert für das Ausgangssignal ist dann durch die Summe dieser Produkte gegeben, wobei er zum Register 46 geliefert wird. Entsprechend der in Fig. 2 verwendeten Bezeichnung kann die modellierte Ausgabe für den k-ten Betriebszyklus mathematisch als
yk = wl,kxk-l+1
ausgedrückt werden, wobei L die Anzahl der gespeicherten Werte des Eingangssignals ist, in diesem Fall 4096.
Sobald das Ausgangssignal aus dem Filter 38 mit finiter Impulsantwort berechnet worden ist, wird es an die Kombiniereinrichtung 36 ausgegeben, wo es vom momentanen Wert des Ausgangssignals des Mikrophons subtrahiert wird. Die Kombiniereinrichtung 36 gibt deshalb ein "korrigiertes" Ausgangssignal zum abgehenden Kupferkabel 26 aus.
Um die innerhalb des Filters 38 mit finiter Impulsantwort verwendeten Gewichte anzupassen, gibt der Mikroprozessor 40 den momentanen Wert des Ausgangssignals pk des Mikrophons und das korrigierte Ausgangssignal ek des Mikrophons während des k-ten Betriebszyklus des Filters 38 mit finiter Impulsantwort aus. Dann berechnet der Mikroprozessor 40 das l-te Gewicht für den (k + 1)-ten Betriebszyklus in Übereinstimmung mit der folgenden Gleichung:
wobei WL,k das l-te Gewichte für den k-ten Betriebszyklus ist, α ist eine vorgegebene Konstante und E[ pk ] ist der Durchschnitt aller vorausgehenden Meßwerte des vorzeichenlosen Ausgangssignals pk des Mikrophons, wobei die anderen Elemente wie oben definiert sind.
Die Gewichtswerte für den (k + 1)-ten Betriebszyklus werden dann durch den Mikroprozessor 40 in den Gewichtsspeicher 44 in Bereitschaft für den nächsten Betriebszyklus geschrieben. Das Ergebnis des einige Sekunden langen Wiederholens dieses Betriebszyklus 16000mal pro Sekunde besteht darin, daß das Ausgangssignal yk das in das Mikrophon rückgekoppelte Signal modelliert. Die Subtraktion des Ausgangssignals yk des Filters vom Ausgangssignal pk des Mikrophons durch die Kombiniereinrichtung bedeutet, daß der Anwender der Videokonferenz am anderen Standort kein Echo seiner eigenen Stimme hört.
Die Fachleute werden erkennen, daß, wenn der Skalierungsfaktor
E[ pk ]/ pk
entfernt wäre, sich dann der Rest der Gewichtsänderung in Übereinstimmung mit einem herkömmlichen Algorithmus der kleinsten Quadrate befinden würde. Dieser Algorithmus basiert auf der Annahme, daß der momentane quadratische Fehler als der mittlere quadratische Filter genommen werden kann. Wie oben festgestellt ist, versagt diese Annahme, wenn die statistischen Parameter des Ausgangssignals pk des Mikrophons nicht stationär sind, z. B. wenn das Ausgangssignal des Mikrophons Sprache enthält.
Der Vorteil der Verwendung der obigen Gewichtsänderung besteht darin, daß der Skalierungsfaktor bewirkt, daß die Größe der an den Gewichten in jedem Betriebszyklus auszuführenden Änderungen zu verkleinern ist, falls der momentane Wert des Ausgangssignals des Mikrophons höher als der Durchschnitt ist. Indem die Gewichtsänderungen auf diese Weise gesteuert werden, wird die Leistung der Vorrichtung verbessert.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform wird der Kurzzeitdurchschnitt des vorzeichenlosen Ausgangssignals des Mikrophons als der Nenner im Skalierungsfaktor verwendet. Dieser kann z. B. während der letzten 80 Betriebszyklen gebildet werden, oder, mit anderen Worten, während der vorherigen fünf Millisekunden des Ausgangssignals des Mikrophons. Dies ist im Vergleich zur ersten Ausführungsform vorteilhaft, weil der Kurzzeit-Durchschnittswert eines fluktuierenden Signals, wie z. B. Sprache, seltener unter den Langzeitdurchschnitt fällt, als der momentane Wert unter den Langzeitdurchschnitt fällt. Während in der ersten Ausführungsform die Gewichtsaktualisierung oft beim Vorhandensein eines fluktuierenden Signals vergrößert wird (weil der momentane Wert des Signals kleiner als der Langzeitdurchschnitt ist), ist es daher weniger wahrscheinlich, das dies in der zweiten Ausführungsform auftritt. Dies führt vorteilhafterweise zu einer Zunahme in der Stabilität der Anpassung der Vorrichtung.
In einer dritten Ausführungsform führt der Mikroprozessor 40 außerdem die Funktion des Vergleichens des vorzeichenlosen Wertes des Ausgangssignals des Mikrophons mit einem Schwellenwert aus. Der Schwellenwert kann z. B. zweimal der Pegel des lokalen Raumgeräuschs sein. Wenn der vorzeichenlose Wert des Ausgangssignals des Mikrophons kleiner als der Schwellenwert ist, dann wird der vorzeichenlose Wert des Mikrophonsignals durch den Schwellenwert ersetzt, bevor die Gewichtsänderungen für diesen Betriebszyklus berechnet werden.
Dies überwindet ein Problem, das auftreten kann, falls das vorzeichenlose Ausgangssignal des Mikrophons in irgendeinem gegebenen Betriebszyklus den Wert null besitzt. Wenn dies z. B. in bezug auf die erste Ausführungsform auftreten würde, dann wird beim Berechnen des Skalierungsfaktors der Mikroprozessor 40 infolge eines Versuchs, durch null zu dividieren, abstürzen. Dieses Problem wird durch die dritte Ausführungsform überwunden, weil die Division statt dessen durch den Schwellenwert erfolgen wird.
In einer bevorzugten Form der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Schwellenwert vergrößert, wenn das modellierte Rückkopplungssignal das Ausgangssignal des Mikrophons genau modelliert. Folglich ist am Anfang der Anpassung, wenn das modellierte Rückkopplungssignal signifikant vom Ausgangssignal des Mikrophons verschieden ist, der Schwellenwert niedrig, wobei die Größe der Gewichtsänderungen nicht signifikant gesteuert wird. Dies hat das Ergebnis, daß die Geschwindigkeit der Anpassung des modellierten Rückkopplungssignals an das Ausgangssignal des Mikrophons nicht ungünstig beeinflußt wird. Trotzdem wird danach, wende das modellierte Rückkopplungssignal das Ausgangssignal des Mikrophons genau modelliert, der Schwellenwert vergrößert, wobei dadurch große Änderungen an den Gewichten des Filters verhindert werden. Im Ergebnis wird das Fehleinstellungsrauschen infolge des Betriebs des Filters verringert. Daher wird ersichtlich, daß der herkömmliche Kompromiß zwischen der Geschwindigkeit der Anpassung und dem Vorhandensein des Fehleinstellungsrauschens durch die bevorzugte Form der dritten Ausführungsform überwunden wird.
In einer vierten Ausführungsform berechnet der Mikroprozessor 40 die Änderung an einem gegebenen Gewicht, indem er zuerst eine teilweise Gewichtsänderung ohne Verwendung der Skalierungsfaktors berechnet, wobei er dann eine teilweise Gewichtsänderung unter Verwendung des Skalierungsfaktors berechnet. Die gesamte Gewichtsänderung wird dann berechnet, indem die teilweise Gewichtsänderungen einem vorgegebenen Verhältnis addiert werden. Dies wird erreicht, indem ein Faktor für das systematische Beeinflussen r auf einen Wert zwischen 0 und 1 gesetzt wird, und dann die erste teilweise Gewichtsänderung mit r und die zweite teilweise Gewichtsänderung mit 1 - r multipliziert wird. Dann können die zwei teilweisen Gewichtsänderungen addiert werden, um die gesamte Gewichtsänderung zu erzeugen.
Der Vorteil der vierten Ausführungsform besteht darin, daß der Faktor für das systematische Beeinflussen eingestellt werden kann, um bevorzugte Leistungseigenschaften zu schaffen. Durch das Setzen von r größer als null kann die Wirkung des Skalierungsfaktors auf die Anpassung verringert werden. Dies kann insofern vorteilhaft sein, als die Stabilität des modellierten Ausgangssignals verbessert werden kann.
Die Vorrichtung einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 3 veranschaulicht. Die Vorrichtung dieser Ausführungsform ist zu der der ersten Ausführungsform bis auf die Hinzufügung eines statischen Filters 50 und zugeordneter Komponenten völlig gleich. Das statische Filter 50 ist zum adaptiven Filter 38 insofern ähnlich, als es einen Acht-Kilobyte-Speicher 56 für das Speichern der letzten 4096 Abtastwerte des Eingangssignals des Lautsprechers, einen Zwölf-Kilobyte-Speicher 58 für das Speichern der 4096 zugeordneten Gewichte und ein Register 60 für das Speichern des momentanen Ausgangswertes eines modellierten Rückkopplungssignals besitzt. Der Betrieb des statischen Filters 50 ist zu dem des adaptiven Filters 38 ähnlich, abgesehen davon, daß der Mikroprozessor 40 die Gewichte des statischen Filters auf der Grundlage des durch eine zweite Kombiniereinrichtung 52 bereitgestellten korrigierten Ausgangssignals des Mikrophons nicht ändert. Das statische Filter 50 stellt ein modelliertes Rückkopplungssignal bereit, das durch die Kombiniereinrichtung 52 vom Ausgangssignal des Mikrophons subtrahiert wird, um ein zweites korrigiertes Ausgangssignal des Mikrophons zu schaffen. Sowohl das korrigierte Ausgangssignal des Mikrophons aus der Kombiniereinrichtung 36 als auch das zweite korrigierte Ausgangssignal des Mikrophons aus der zweiten Kombiniereinrichtung 52 werden zu einem Komparator 54 geleitet. Der Komparator 54 ist betreibbar, um das niedrigere der ersten oder zweiten korrigierten Ausgangssignale des Mikrophons auszugeben. Es ist außerdem eine Verbindung vom Komparator 54 zum Mikroprozessor 40 vorgesehen, die ein Signal überträgt, das anzeigt, welches der zwei korrigierten Ausgangssignale des Mikrophons das niedrigere ist.
Wenn der Mikroprozessor 40 feststellt, daß das erste korrigierte Ausgangssignal des Mikrophons niedriger ist, d. h., daß das adaptive Filter 38 ein genaueres Modell der Rückkopplung bereitstellt als das statische Filter 50, dann überträgt der Mikroprozessor 40 im Betrieb die Gewichtswerte vom adaptiven Filter 38 zum statischen Filter 50. Wenn jedoch das statische Filter 50 ein besseres Modell des Rückkopplungsweges bereitstellt, dann werden die Gewichte des statischen Filters nicht geändert. Während jedes Betriebszyklus werden die Gewichte des adaptiven Filters geändert, wie sie es in bezug zur ersten Ausführungsform werden.
Es wird manchmal festgestellt, daß die durch das adaptive Filter 38 bereitgestellte Genauigkeit des Modells des Rückkopplungsweges abnimmt, wenn es eine plötzliche Änderung im Ausgangssignal des Mikrophons gibt. Der Vorteil der vorliegenden Ausführungsform besteht darin, daß die ruinierende Wirkung einer derartigen plötzlichen Änderung verhindert wird, weil das durch das statische Filter 50 bereitgestellte Modell verwendet wird, bis die Genauigkeit des durch das adaptive Filter 38 bereitgestellten Modells die Genauigkeit des durch das statische Filter 50 bereitgestellten Modells abermals übertrifft.
Gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Quadratur-Spiegelfilter verwendet, um das Eingangssignal des Lautsprechers und das Ausgangssignal des Mikrophons in ein Hochfrequenzsignal und ein Niederfrequenzsignal aufzuteilen. Es sind zwei adaptive digitale Filter vorgesehen, ein erstes gibt den Hochfrequenzteil des Eingangssignals des Lautsprechers ein, wobei es den Hochfrequenzteil eines modellierten Rückkopplungssignals bereitstellt. Dieses modellierte Signal wird dann zu einer Kombiniereinrichtung geleitet, wo es vom Hochfrequenzteil des Ausgangssignals des Mikrophons subtrahiert wird, um den Hochfrequenzteil eines korrigierten Ausgangssignals des Mikrophons bereitzustellen. Diese letzten zwei Signale werden zu einem Mikroprozessor rückgekoppelt, der dann die Gewichte des ersten adaptiven Filters in Übereinstimmung mit dem in bezug auf die erste Ausführungsform verwendeten Algorithmus ändert. Ein zweites adaptives Filter und eine zweite Kombiniereinrichtung sind vorgesehen, um ähnliche Operationen in bezug auf den Niederfrequenzteil der beteiligten Signale auszuführen. Sowohl der Hochfrequenzteil des korrigierten Ausgangssignals des Mikrophons als auch der Niederfrequenzteil des korrigierten Ausgangssignals des Mikrophons werden dann durch entsprechende Synthesefilter geleitet, bevor sie kombiniert werden, um das korrigierte Ausgangssignal des Mikrofons zu schaffen, daß entlang des abgehenden Kupferkabels zu leiten ist.

Claims

1. Filtervorrichtung zum Korrigieren der Rückkopplung von einem Lautsprecher zu einem Mikrophon, wobei die Vorrichtung umfaßt:

ein adaptives digitales Filter (38), das im Gebrauch ein ankommendes Signal (xk) empfängt und ein modelliertes Rückkopplungssignal (yk) erzeugt, das von einem abgehenden Signal (pk) subtrahiert wird, um ein korrigiertes abgehendes Signal zu erzeugen; und

Filtergewicht-Anpassungsmittel (40), die so beschaffen sind, daß sie im Betrieb die Gewichte (wn,k) des Filters in Übereinstimmung mit einem Algorithmus zum Reduzieren der Differenz (ek) zwischen einem Ist-Rückkopplungssignal (pk) und dem modellierten Rückkopplungssignal (yk) ändern;

wobei die Filtervorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß:

die Filtergewicht-Anpassungsmittel (40) so beschaffen sind, daß sie im Betrieb jede Gewichtsänderung mit einem variablen Skalierungsfaktor skalieren, der sich in Übereinstimmung mit dem Verhältnis eines ersten Wertes, der die Langzeit-Durchschnittsleistung des rückgekoppelten Schalls angibt, zu einem zweiten Wert, der die Kurzzeit-Durchschnittsleistung des rückgekoppelten Schalls angibt, ändert.

2. Filtervorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Langzeitdurchschnitt über eine Periode, die länger als 250 ms ist, gebildet wird.

3. Filtervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Kurzzeitdurchschnitt über eine Periode, die kürzer als 25 ms ist, gebildet wird.

4. Filtervorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der die ersten und zweiten Werte aus dem abgehenden Signal (pk) abgeleitet werden.

5. Filtervorrichtung nach Anspruch 4, bei der der erste Wert den Mittelwert des vorzeichenlosen Wertes von m Abtastwerten des abgehenden Signals (pk) vor der Gewichtsänderung repräsentiert und der zweite Wert den Mittelwert des vorzeichenlosen Wertes von n Abtastwerten des abgehenden Signals (pk) vor der Gewichtsänderung repräsentiert, wobei m größer als n ist.

6. Filtervorrichtung nach Anspruch 5, bei der der erste Wert den Mittelwert des vorzeichenlosen Wertes aller vorhergehenden Abtastwerte des abgehenden Signals, die während der momentanen Betriebsperiode der Vorrichtung erhalten werden, repräsentiert.

7. Filtervorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, bei der n ≥ 1, wobei der zweite Wert ein momentaner Abtastwert des abgehenden Signals ist.

8. Filtervorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der der Algorithmus ein Gradientensuchalgorithmus ist.

9. Filtervorrichtung nach Anspruch 8, bei der der Gradientensuchalgorithmus ein Algorithmus der kleinsten Quadrate ist.

10. Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, bei der der zweite Wert dann, wenn er kleiner als ein Schwellenwert ist, auf den Schwellenwert gesetzt wird.

11. Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, bei der der zweite Wert dann, wenn die Leistung des ankommenden Signals (xk) kleiner als ein Leistungsschwellenwert des ankommenden Signals ist, auf einen vorgegebenen Wert gesetzt wird.

12. Filtervorrichtung nach Anspruch 10, bei der der Schwellenwert während des Betriebs der Vorrichtung verändert wird.

13. Filtervorrichtung nach Anspruch 11, bei der der Leistungsschwellenwert des ankommenden Signals während des Betriebs der Vorrichtung verändert wird.

14. Filtervorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der eine erste partielle Gewichtsänderung, die nicht von dem Skalierungsfaktor abhängt, und eine zweite partielle Gewichtsänderung, die von dem Skalierungsfaktor abhängt, in vorgegebenen Verhältnissen addiert werden, um die Gewichtsänderung zu erzeugen.

15. Echoentfernungsvorrichtung, die eine Filtervorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch enthält, wobei das adaptive Filter (38) ein erstes modelliertes Rückkopplungssignal erzeugt, das von dem abgehenden Signal (pk) subtrahiert wird, um ein erstes korrigiertes abgehendes Signal zu erzeugen.

16. Echoentfernungsvorrichtung nach Anspruch 15, die ferner umfaßt:

ein statisches Filter (50), das im Gebrauch das ankommende Signal (xk) empfängt und ein zweites modelliertes Rückkopplungssignal erzeugt, das von dem abgehenden Signal (pk) subtrahiert wird, um ein zweites korrigiertes abgehendes Signal zu erzeugen; und

Komparatormittel (54), die die ersten und zweiten korrigierten Signale vergleichen und das kleinere der beiden Signale als ein korrigiertes abgehendes Signal ausgeben; und

Mittel, die die Gewichte des adaptiven Filters (38) im statischen Filter (50) ersetzen, wenn das erste korrigierte abgehende Signal kleiner als das zweite korrigierte abgehende Signal ist.

17. Filtervorrichtung zum Korrigieren einer akustischen Rückkopplung von einem Lautsprecher (30) zu einem Mikrophon (32), wobei die Vorrichtung umfaßt:

Mittel zum Aufteilen eines ankommenden Signals in mehrere im Frequenzband verteilte ankommende Signale;

Mittel zum Aufteilen des abgehenden Signals in mehrere im Frequenzband verteilte abgehende Signale;

mehrere adaptive Filter, die so betreibbar sind, daß sie entsprechende der im Frequenzband verteilten ankommenden Signale empfangen und entsprechende modellierte, im Frequenzband verteilte Rückkopplungssignale erzeugen, die von entsprechenden im Frequenzband verteilten abgehenden Signalen subtrahiert werden, um entsprechende im Frequenzband verteilte korrigierte abgehende Signale zu erzeugen;

Filtergewicht-Anpassungsmittel, die so beschaffen sind, daß sie im Betrieb die Gewichte der Filter in Übereinstimmung mit einem Algorithmus zum Reduzieren der Differenz zwischen den im Frequenzband verteilten abgehenden Signalen und den entsprechenden modellierten, im Frequenzband verteilten Rückkopplungssignalen ändern; und

Mittel, die die mehreren im Frequenzband verteilten korrigierten abgehenden Signale kombinieren, um ein korrigiertes abgehendes Signal zu erzeugen;

wobei die Filtervorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß:

die Filtergewicht-Anpassungsmittel so beschaffen sind, daß sie im Betrieb jede Gewichtsänderung mit entsprechenden variablen Skalierungsfaktoren skalieren, die sich in Übereinstimmung mit den entsprechenden Verhältnissen eines ersten Wertes, der die Langzeit- Durchschnittsleistung in einem Frequenzband des rückgekoppelten Schalls angibt, zu einem zweiten Wert, der die Kurzzeit-Durchschnittsleistung in dem Frequenzband des rückgekoppelten Schalls angibt, skalieren.

18. Verfahren zum Erzeugen eines modellierten Rückkopplungssignals zum Korrigieren einer akustischen Rückkopplung von einem Lautsprecher (30) zu einem Mikrophon (32), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

Eingeben des ankommenden Signals in ein adaptives Filter (38), wobei das Ausgangssignal des Filters ein modelliertes Rückkopplungssignal (yk) ist, das von dem abgehenden Signal (pk) subtrahiert wird, um ein korrigiertes abgehendes Signal zu erzeugen; und

Ändern der Gewichte des Filters (pn,k) in Übereinstimmung mit einem Algorithmus zum Reduzieren der Differenz zwischen dem Ist-Rückkopplungssignal (pk) und dem modellierten Rückkopplungssignal (yk);

wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß jede Gewichtsaktualisierung einen variablen Skalierungsfaktor verwendet, der sich in Übereinstimmung mit dem Verhältnis eines ersten Wertes, der die Langzeit-Durchschnittsleistung des rückgekoppelten Schalls angibt, zu einem zweiten Wert, der die Kurzzeit-Durchschnittsleistung des rückgekoppelten Schalls angibt, ändert.