Brevet FR2770359A1 — publié le 19990430

La présente invention concerne les organes de compen- sation d'écho destinés aux téléphones et aux terminaux de conférence et, plus précisément, elle concerne un procédé de commande de la compensation d'écho dans un environnement à double parole. On sait déjà que, dans un système téléphonique, les signaux parvenant au récepteur du terminal sont fréquemment détectés par le microphone du terminal et, s'ils ne sont pas compensés, un signal est renvoyé sur le trajet d'émission vers un utilisateur placé à l'extrémité distante. Ces signaux sont connus comme étant des signaux d'écho et peuvent être extrêmement gênants pour les utilisateurs du téléphone. Les procédés connus de compensation d'écho reposent sur un algorithme normalisé des moindres carrés (NLMS). Cet algorithme est efficace contre les signaux d'écho qui apparaissent lorsque l'utilisateur de l'extrémité proche ne parle pas. Il arrive évidemment que l'utilisateur du côté proche choisisse de parler en même temps que l'utilisateur du côté distant. Cette situation dans laquelle les deux parties, aux extrémités opposées de la ligne téléphonique, parlent en même temps, est appelée "double parole". Pendant la double parole, l'algorithme précité NLMS a tendance à devenir instable. Pour que cette instabilité soit supprimée, les produits connus à organe de compensation d'écho inter- rompent ou au moins ralentissent le processus d'adaptation dès que la condition de double parole est détectée. Cepen- dant, cette solution ne permet pas d'éviter une divergence des facteurs de pondération d'adaptation dans l'intervalle de temps qui précède immédiatement la détection de la condi- tion de double parole. Dans la situation o la double parole est si faible que le détecteur de double parole ne peut pas la détecter, la divergence de l'algorithme NLMS devient même encore plus sérieuse. De plus, si le trajet des échos change pendant la condition de double parole (ce phénomène se pro- duisant souvent dans le cas des téléphones acoustiques mains libres), l'algorithme NLMS ne peut pas effectuer l'ajus- tement nécessaire car l'adaptation est gelée. Comme décrit précédemment, un écho dans le support téléphonique est le phénomène au cours duquel une version retardée ou déformée d'un signal original est renvoyée vers la source. Dans le système téléphonique, cet écho provoque une perturbation de la fidélité des signaux de parole et est souvent nuisible pour les utilisateurs. Le rôle de l'organe de compensation d'écho est d'estimer le trajet d'écho par rapport au signal de référence, de reproduire la réplique de l'écho et de la soustraire du signal reçu (voir figure 1). Actuellement, l'algorithme de compensation d'écho le plus utilisé est l'algorithme NLMS qui est décrit de la manière suivante. Si l'on appelle r(n) la parole de l'extré- mité distante et s(n) la parole de l'extrémité proche à l'entrée du microphone, le signal d'écho Se(n) peut être modélisé sous la forme: se(n) = h(n)*r(n) (1) h(n) étant le trajet inconnu de l'écho et * étant l'opérateur de convolution linéaire. Le signal d'entrée du microphone est: Sin(n) = se(n) + s(n) + v(n) (2) v(n) étant le bruit de fond. Pour éliminer le signal d'écho se(n), l'algorithme NLMS habituel estime d'abord le trajet d'écho h(n) avec le signal de référence r(n) et sin(n), et soustrait la réplique de l'écho h(n)*r(n) de sin(n) pour compenser l'écho. Avec l'algorithme NLMS, il est possible d'estimer de manière récursive h(n) afin que, au temps m, on ait: h(n)= hn) pe(m)r(m - n) A n) = h(n) +Ue(m) - 0) n =, 1,... N - 1 (3) Er N étant la longueur de h(n) et 0 h(n) converge vers le trajet véritable de l'écho h(n). Cepen- dant, lorsque s(n) est présent, c'est-à-dire en cas de situation de double parole, l'algorithme NLMS devient instable et diverge rapidement de son état original. Un nouvel algorithme insensible à la double parole, appelé algorithme normalisé des moindres carrés de double parole (DNLMS) est réalisé selon l'invention. Dans une condition de double parole, l'algorithme DNLMS peut non seulement stabiliser ses facteurs de pondération, mais aussi suivre les variations du trajet d'écho. Selon l'invention, l'algorithme NLMS est modifié afin qu'il soit stabilisé dans les conditions de double parole. Le nouvel algorithme DNLMS est tel que sa vitesse de conver- gence y est ajustée par adaptation en fonction de la condi- tion de double parole, c'est-à-dire de la différence de puissance entre Sin(n) et r(n). Contrairement à la plupart des organes de compensation d'écho téléphonique dans lesquels un détecteur de double parole est ajouté et l'adaptation est interrompue dès qu'une double parole est détectée, l'algorithme DNLMS continue à suivre le changement du trajet d'écho pendant la double parole, et le coût de sa réalisation est encore plus réduit que celui d'un simple détecteur de double parole. En conséquence, dans un premier aspect, l'invention concerne un système téléphonique un système téléphonique possédant un trajet de réception de signaux d'un utilisateur d'une extrémité distante et un trajet d'émission destiné à transmettre des signaux d'une extrémité proche vers l'utili- sateur de l'extrémité distante, le procédé étant destiné à la commande d'un organe acoustique de compensation d'écho destiné à compenser les composantes d'écho du signal de l'extrémité distante à partir du signal de l'extrémité proche dans une condition de double parole, le procédé com- prenant la création d'un signal d'écho reproduit d'après le signal de l'extrémité distante et une longueur estimée du trajet d'écho, et la compensation réglable du signal d'écho reproduit à partir du signal de l'extrémité proche à l'aide d'une vitesse de convergence ajustée par adaptation. Dans un autre aspect, l'invention concerne un procédé de commande d'un organe de compensation acoustique d'écho dans un système téléphonique, destiné à compenser les signaux d'écho à partir des signaux de l'extrémité proche dans une condition de double parole dans laquelle le signal d'écho comprend un signal réfléchi de l'extrémité distante, le procédé comprenant les étapes de mesure des intensités relatives du signal d'écho et du signal de l'extrémité proche, de compensation du signal d'écho par réglage de la vitesse de convergence, et d'ajustement par adaptation de la vitesse de convergence d'après les signaux d'écho et les signaux de l'extrémité proche. Dans un autre aspect, l'invention concerne un organe de compensation acoustique d'écho destiné à un réseau télé- phonique ayant un trajet de réception de signaux d'un utili- sateur d'une extrémité distante et un trajet d'émission destiné à transmettre les signaux d'extrémité proche vers un utilisateur de l'extrémité distante, l'organe de compensa- tion acoustique d'écho étant destiné à compenser les compo- santes d'écho du signal de l'extrémité distante à partir du signal de l'extrémité proche dans une condition de double parole, l'organe de compensation compreant un dispositif de calcul des intensités relatives des composantes d'écho et du signal d'extrémité proche, un dispositif de convergence destiné à faire converger les composantes d'écho, et un dispositif d'ajustement par adaptation de la vitesse de convergence d'après les intensités relatives des composantes d'écho et du signal de l'extrémité proche. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma d'un modèle de création d'écho dans un réseau téléphonique; la figure 2 est un schéma du bloc de création d'une réplique d'écho selon l'invention; la figure 3 est un graphique représentant la dimension du pas d'adaptation (y) en fonction de l'intensité du signal de l'extrémité proche, pour une intensité fixe du signal de l'extrémité distante; et la figure 4 représente graphiquement la relation entre la dimension du pas (y) et les intensités relatives des signaux des extrémités proche et distante. A cause du problème précité de la double parole, la plupart des produits ayant un organe de compensation d'écho comprennent un détecteur de double parole. Lorsqu'une condi- tion de double parole est détectée, la procédure d'adapta- tion s'arrête et tous les facteurs de pondération estimés d'écho sont gelés jusqu'à la suppression de la condition de double parole. Ce détecteur de double parole met en oeuvre un calcul d'énergie ou un calcul de corrélation. Cependant, étant donné la forte corrélation existant dans les signaux de parole, les détecteurs de double parole connus ont des difficultés à distinguer la double parole des changements de trajet d'écho. En outre, presque tous les détecteurs de double parole nécessitent un temps pour la formation de la moyenne. Avant qu'une double parole soit détectée, le signal de double parole peut déjà avoir provoqué une certaine divergence de l'algorithme NLMS. Le problème est encore pire lorsque les paroles de l'extrémité distante commencent à diminuer. Dans ces circonstances, le niveau d'énergie des paroles de l'extrémité distante (Er) est très petit et le signal d'erreur résiduelle e(n) est très grand, et un ajustement erroné important est réalisé sur l'estimation du trajet de l'équation (3) avant la détection de la double parole. De petits niveaux indétectables de double parole peuvent aussi provoquer une divergence du filtre d'adaptation. Certains autres algorithmes suggèrent l'utilisation de deux ensembles de filtres d'adaptation pour distinguer la double parole des changements de trajet d'écho. Cependant, le coût augmente alors considérablement, surtout si le trajet d'écho est long. Dans un terminal téléphonique mains libres, les condi- tions d'écho changent à cause du mouvement de la personne qui parle et du changement du milieu acoustique. Si les facteurs de pondération estimés d'écho sont gelés pendant la double parole, tous les facteurs de pondération doivent subir une procédure de nouvelle convergence lorsque la double parole disparaît. En conséquence, il faut un algo- rithme dans lequel non seulement les facteurs de pondération d'adaptation restent stables pendant la double parole mais encore suivant lequel les changements du trajet d'écho sont suivis. Dans l'algorithme NLMS, y constitue le facteur primor- dial qui règle la vitesse de convergence et l'erreur rési- duelle finale d'écho. On sait que, pour garantir la conver- gence de l'algorithme NLMS, y a habituellement une valeur comprise entre 0 et 2. Pour une grande valeur de y, la vitesse de convergence de l'algorithme NLMS est élevée, mais l'erreur résiduelle finale est grande. Lorsque des paroles sont présentes à l'extrémité proche, les facteurs de pondé- ration d'adaptation commencent à diverger. C'est la raison pour laquelle on observe une divergence dans une situation de double parole. Le problème de la divergence devient encore plus sérieux lorsque le signal de l'extrémité proche et le signal de l'extrémité distante présentent une grande corrélation (ce qui est par exemple le cas des signaux de parole). Pour une petite valeur de y, il existe une petite erreur résiduelle et, si le signal de l'extrémité proche et le signal de l'extrémité distante ne sont pas corrélés dans une grande fenêtre de temps, l'algorithme NLMS peut encore converger vers ses facteurs de pondération convenables. Cependant, la vitesse initiale de convergence est très lente avec une petite valeur de g et, si la convergence est trop lente, l'algorithme NLMS peut ne jamais converger dans des conditions acoustiques dans lesquelles le bruit du milieu est élevé et le trajet d'écho continue à changer. Il faut que la vitesse de convergence soit au moins supérieure à la vitesse de changement du trajet d'écho. Selon l'invention, la valeur de y est ajustée d'après le niveau instantané de double parole. La figure 2 repré- sente le bloc de reproduction d'écho 10 de la figure 1 selon l'invention sous forme plus détaillée. Comme représenté, la vitesse de convergence est ajustée par adaptation par la partie 12 d'après la dimension du pas y calculée dans la partie 14 du bloc 10 de reproduction d'écho. En mode de parole simple, y a sa plus grande valeur et, pendant la double parole, y est réduit d'après l'intensité de double parole. Si le signal de l'extrémité distante est absent, y est réduit à une valeur nulle et aucun ajustement des fac- teurs de pondération n'est exécute. Dans l'algorithme DNLMS, la valeur de y est indirectement réglée à l'aide de Er qui est le dénominateur du second terme de l'équation (3). L'adaptation des nouveaux facteurs de pondération suit la formule suivante: h(n) = h(n) + e(m)r(m - n) k = 0, 1,... N - (5) E Lorsque E = Er, il s'agit de l'algorithme NLMS normal et lorsque E > Er, le système équivaut à la réduction de p. Dans une réalisation en temps réel, le calcul de Er de l'équation (4) peut être remplacé de manière équivalente par l'algorithme récursif suivant: Er: 1- 1/Er + r(n)2 (6) Dans l'algorithme DNLMS, il est aussi nécessaire de calculer l'énergie de parole à l'extrémité proche Ein: En= 1- 1 En + s,n(n)2 (7) Avec Er et Ein, on peut calculer sous la forme: 3Er, si Er > aE (8) 3 E,, dans les autres cas dans laquelle a > 1 et [f > a. En mode de simple parole, Ein représente l'énergie de l'écho et, si elle est a fois inférieure à Er, on a E = Er et il s'agit de l'algorithme NLMS normal. Pendant une double parole, lorsque En (écho + parole de l'extrémité proche) dépasse Er/c, on a: E Ein = Rn.aEin >a.Er a a Ce comportement équivaut à considérer que y est réduit au moins par un facteur /a: P égale à 1. Dans ce nouveau schéma, l'adaptation se poursuit pendant la double parole et y est ajusté en fonction de l'intensité de double parole. Tous les signaux de parole ont des sections voisées, des sections non voisées et des périodes de silence. Pendant la double parole, les périodes actives de la parole de l'extrémité proche et de la parole de l'extrémité distance ne se recouvrent pas toujours. La valeur de i varie avec la différence entre les niveaux d'énergie de parole de l'extrémité distante (Er) et de parole de l'extrémité proche (Ein). Lorsque la double parole de l'extrémité proche est intense, une petite valeur y maintient une faible divergence des facteurs de pondération et, lorsque la parole de l'extrémité distante est intense, une grande valeur de y donne une grande vitesse de conver- gence. En conséquence, l'algorithme DNLMS permet la conser- vation de la stabilité de double parole et de suivi du changement de trajet d'écho pendant la double parole, et converge bien même lorsque les signaux de l'extrémité proche sont des signaux de tonalité multifréquences à double tonalité (DTMF) qui ont des périodes de présence et d'absence. Un exemple de variation de y avec les niveaux des signaux de l'extrémité proche et de l'extrémité lointaine est indiqué sur la figure 4 sur laquelle le graphique supé- rieur indique le niveau d'énergie du signal de l'extrémité proche, le graphique médian le niveau d'énergie du signal de l'extrémité distante, et le graphique inférieur la valeur de y. On peut noter que y a une valeur élevée aux moments opti- maux et qu'il ne faut aucun temps de suspension de double parole pour empêcher la divergence aux queues des paroles de l'extrémité proche. Il existe d'autres moyens pour calculer la valeur E, en plus de l'équation (8). L'énergie instantanée Ee de l'erreur résiduelle E(n) peut être utilisée à la place de Ein, sous la forme: Ee= (1)Ee + e(n)2 (9) Lorsque Ee est utilisé à la place de Ein dans l'équa- tion (8), a peut être choisi sous forme d'un nombre élevé pendant une simple parole car Ee représente l'énergie resi- duelle d'écho qui est bien inférieure à Ein. Pour une valeur élevée de a, l'algorithme DNLMS est plus sensible à la double parole. Dès que la double parole apparaît, aEe dépasse Er et y est réduit instantanément. L'adaptation est donc plus stable pendant la double parole. Le problème de l'utilisa- tion de Ee est que, pendant la période de convergence initiale et lorsque le trajet d'écho change, aEe est supé- rieur à Er même en mode de simple parole. En conséquence, une valeur élevée de a peut donner une faible vitesse de convergence avec une petite valeur de i. Cependant, une valeur plus petite de a est nécessaire pour la convergence initiale. Un autre schéma comprend la sélection de la valeur minimale entre alEin et %2Ee (sl > 0, (2 > cl), et E peut être calculé par les deux étapes suivantes: C(2Ee, (l E,n > C(2Ee E1 =:i 2E, a2Ee (10) a1, 2Ee et E Er si Er > El (11) PE, dans les autres cas (11) Lorsque j est réduit pendant la double parole d'un facteur au moins égal à y, on a p = P supplémentaires par rapport aux deux premiers schémas. Dans des essais spécifiques d'organes acoustiques de compensation d'écho, on a constaté que les paramètres sui- vants de ( et D convenaient dans les conditions habituelles des pièces. Schéma 1 (utilisant Er et Ein). La valeur initiale de y est rendue égale à 1. On a déterminé que les pertes par renvoi d'écho étaient d'au moins 6 dB et on a réglé ( à ( = 5. D est choisi à 50 afin que y soit réduit d'au moins dix fois pendant la double parole. Schéma 2 (utilisant Er et Ee). La valeur initiale de est encore mise à 1. a est choisi comme étant égal à 50 lorsque la perte par renvoi d'écho est d'au moins 6 dB et l'algorithme NLMS donne une suppression d'écho d'au moins dB. y est à nouveau réduit d'au moins dix fois pendant la double parole et D est choisi avec une valeur égale à 500. l1 Schéma 3 (utilisant Er et Ee). La valeur initiale de est encore réglée à 1 et les autres paramètres sont choisis sous la forme (i = 5, (X2 = 50 et D = 10. Ces valeurs reposent sur les mêmes hypothèses et les mêmes conditions: la perte par renvoi d'écho est d'au moins 6 dB, l'algorithme NLMS donne une suppression d'écho d'au moins 10 dB, et la valeur de g est réduite d'un facteur au moins égal à 10 pendant la double parole. Dans toutes les sélections des paramètres précités, on suppose que la perte par renvoi d'écho est d'au moins 6 dB. Cela signifie que, avec ces paramètres, la meilleure sup- pression d'écho peut être obtenue pour des pertes par renvoi d'écho de l'ordre de 6 à 20 dB (correspondant à la plupart des environnements en pratique). Cependant, la situation dans laquelle le trajet d'écho peut avoir un gain pouvant atteindre 6 dB peut aussi être géré avec ces paramètres. Les résultats d'essais montrent que, dans une condition de double parole, les facteurs de pondération d'adaptation se stabilisent et les changements de trajet d'écho peuvent être suivis. On a constaté que les trois schémas de calcul de E avaient des performances analogues et que la préférence dépendait de l'environnement: retard de l'écho, perte d'écho et intensité possible de double parole. Selon la présente invention, on obtient les caractéris- tiques suivantes: a) la mise au point d'un algorithme NLMS stabilisé et insensible à la double parole, b) la poursuite du trajet d'écho pendant la double parole sans coût supplémentaire, c) l'absence de nécessité du gel des points d'adapta- tion pendant la double parole, et d) l'ajustement par adaptation d'après l'intensité de la double parole. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux procédés et organes de compensation qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de réglage, dans un système téléphonique possédant un trajet de réception de signaux d'un utilisateur d'une extrémité distante et un trajet d'émission destiné à transmettre des signaux d'une extrémité proche vers l'utili- sateur de l'extrémité distante, le procédé étant destiné à la commande d'un organe acoustique de compensation d'écho destiné à compenser les composantes d'écho du signal de l'extrémité distante à partir du signal de l'extrémité proche dans une condition de double parole, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend: la création d'un signal d'écho reproduit d'après le signal de l'extrémité distante et une longueur estimée du trajet d'écho, et la compensation réglable du signal d'écho reproduit à partir du signal de l'extrémité proche à l'aide d'une vitesse de convergence ajustée par adaptation. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse de convergence dépend d'une dimension de pas variable. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la dimension du pas est fonction des intensités rela- tives des signaux de l'extrémité distante et de l'extrémité proche. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la dimension du pas (y) est ajustée en fonction du niveau instantané de double parole. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse de convergence est ajustée par adaptation d'après un algorithme normalisé et modifié des moindres carrés. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la vitesse de convergence dépend de la différence de puissance des signaux de l'extrémité proche et de l'extrémité distante. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la convergence est poursuivie en mode de double parole. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la vitesse de convergence suit un changement de longueur du trajet d'écho. 9. Procédé de commande d'un organe de compensation acoustique d'écho dans un système téléphonique, destiné à compenser les signaux d'écho à partir des signaux de l'extrémité proche dans une condition de double parole dans laquelle le signal d'écho comprend un signal réfléchi de l'extrémité distante, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend: la création d'un signal d'écho reproduit d'après le signal d'extrémité distante et d'une longueur estimée du trajet d'écho, la soustraction du signal d'écho reproduit du signal de l'extrémité proche par ajustement de la vitesse de convergence, et l'ajustement par adaptation de la vitesse de conver- gence d'après les intensités relatives des signaux d'écho et des signaux de l'extrémité proche. 10. Organe de compensation acoustique d'écho destiné à un réseau téléphonique ayant un trajet de réception de signaux d'un utilisateur d'une extrémité distante et un trajet d'émission destiné à transmettre les signaux d'extré- mité proche vers un utilisateur de l'extrémité distante, l'organe de compensation acoustique d'écho étant destiné à compenser les composantes d'écho du signal de l'extrémité distante à partir du signal de l'extrémité proche dans une condition de double parole, l'organe de compensation d'écho étant caractérisé en ce qu'il comprend: un dispositif (14) de calcul des intensités relatives des composantes d'écho et du signal d'extrémité proche, un dispositif de convergence destiné à faire converger les composantes d'écho, et un dispositif (12) d'ajustement par adaptation de la vitesse de convergence d'après les intensités relatives des composantes d'écho et du signal de l'extrémité proche.