АДАПТИВНЫЙ ЭХОКОМПЕНСАТОР НА РЕКУРСИВНОМ ФИЛЬТРЕ М-ГО ПОРЯДКА

Полезная модель относится к области электросвязи и может быть использована в телекоммуникационных линиях двусторонней связи.
Известны адаптивные эхокомпенсаторы, описанные, например, в ЕР №0412691 А2 от 13.02.91 с приоритетом от 07.08.89; в патенте США №4964118 от 16.10.1990 г.
Адаптивный эхокомпенсатор по заявке ЕР №0412691 состоит из первого блока разделения первичного сигнала на совокупность сигналов, разделенных в пределах спектра первичного сигнала, и второй блок, выполняющий, аналогично первому блоку, функцию с вторичным сигналом. Также эхокомпенсатор включает множество адаптивных фильтров, рассчитанных на первичный и вторичный сигналы и обеспечивающих генерацию сигнала ошибки.
Недостатком данного фильтра является относительно высокий уровень нескомпенсированного эхосигнала.
Адаптивный эхокомпенсатор по пат. США №4964118 состоит из первого и второго канальных фильтров, обеспечивающих подавление эхосигнала за счет генерации компенсирующих сигналов. Эхокомпенсатор генерирует компенсирующий сигнал в соответствии с заданной функцией, позволяющей снижать его по экспоненциальному закону.
Недостатком данного аналога является относительно высокий уровень нескомпенсированного эхосигнала.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному является адаптивный эхокомпенсатор по авт. св. СССР №1436277, МПК Н04В 3/20, опубл. 7.11.1988, Бюл. №41. Ближайший аналог состоит из M≥2 канальных фильтров (КФ), N-отводной линии задержки (NO ЛЗ), сумматора, усилителя, блока вычитания. Каждый КФ содержит первый и второй перемножители, канальный сумматор (КС), канальный интегратор и канальную N-отводную ЛЗ.
В ближайшем аналоге речевой сигнал дальнего абонента после обработки и его сравнения с остаточным сигналом формируется сигнал оценки импульсной характеристики пути эха и формируется оценка эхосигнала на основе текущей оценки функции взаимной корреляции формируемых сигналов с учетом значений импульсной характеристики пути эха.
Однако прототип имеет недостатки;
недостаточный уровень подавления эхосигнала, что обусловлено линейной зависимостью обратной связи от сигнала ошибки и фиксированным уровнем ограничения амплитуды формируемого сигнала.
Техническим результатом от использования заявленного устройства является разработка адаптивного эхокомпенсатора, обеспечивающего более глубокое подавление эхосигнала во всем диапазоне речевого спектра за счет более точной сходимости итерационного процесса компенсации эхосигнала.
Заявленное устройство расширяет арсенал средств данного назначения. Поставленная цель достигается тем, что в известный адаптивный эхокомпенсатор (АЭК), содержащий М≥2 КФ, N-отводную ЛЗ, где N=M-1, вход которой является входом «сигнал дальнего абонента» (СДА) АЭК, M-входовый сумматор (МВх. СУМ), выход которого подключен к выходу блока вычитания (БВ), второй вход и выход которого являются соответственно входом «отраженный сигнал» (Вх. ОтС) и выходом «сигнал ошибки» (вых. СО), n-й отвод NO ЛЗ, где n=1, 2,…, N, подключен к сигнальному входу (n+1)-го КФ, а сигнальный вход первого КФ подключен к входу NO ЛЗ, сигнальный выход m-го КФ, где m=1, 2,…, M, подключен к m-му входу МВх. СУМ, дополнительно введен блок адаптивного управления (БАУ). БАУ снабжен M×M-разрядным сигнальным входом (M×MP СВх.), M-разрядным первым выходом «сигнал моделирующих коэффициентов» (1 MP Вых. СМК), M×N-разрядным вторым выходом «сигнал моделирующих коэффициентов» (2M×МР Вых. СМК), M-разрядным выходом «сигнал коррекции» (МР Вых. СМК), M-разрядным входом «обучающий сигнал» (МР Вх. ОбС). M-разрядный сигнальный выход (МР СВых.) m-го КФ подключен к m-му M-разрядному сигнальному входу БАУ, а m-й N-разрядный выход 2М×NP Вых. СМК подключен к второму N-разрядному входу «сигнал моделирующих коэффициентов» (МР Вх. СМК) m-го КФ. Выход «обучающий сигнал» (Вых. ОбС), вход «сигнал коррекции» (Вх. СК) и первый вход «сигнал моделирующих коэффициентов» (1 Вх. СМК) m-го КФ подключены к m-м разрядам соответственно МР Вх. ОбС, МР Вых. СК и 1 MP Вых. СМК БАУ. БАУ снабжен дополнительным входом «сигнал ошибки» (Вх. СО), который подключен к Вых. СО БВ, являющегося выходом АЭК.
КФ состоит из первого и второго M-входовых сумматоров (МВх. СУМ), первого, второго и третьего умножителей (УМ), первого и второго сумматоров (СУМ), первой и второй групп умножителей (ГУМ) по N умножителей в каждой группе, первой и второй N-отводных линий задержки (NO ЛЗ). Сигнальный вход первого УМ является сигнальным входом КФ. Первый УМ, первый и второй МВх. СУМ, первый и второй СУМ включены каскадно по сигнальным выходам. Выход второго СУМ подключен к входу первой NO ЛЗ и является сигнальным выходом КФ.
Принадлежащие соответственно первой и второй ГУМ выходы n-х умножителей подключены к m-ым входам соответственно первого и второго МВх. СУМ. Выходы умножителей, принадлежащих первой ГУМ, выполнены инверсными. Причем n-ые отводы второй NO ЛЗ и первой NO ЛЗ подключены к первым входам n-их умножителей, принадлежащих соответственно первой ГУМ и второй ГУМ. Первые входы УМ, принадлежащих первой ГУМ совместно с входом второй NO ЛЗ являются МР СВых. КФ. Вторые входы n-ых УМ первой ГУМ и второй ГУМ объединены и являются n-ым разрядом 2NPBx. СМК КФ. Выход второго УМ подключен к первому входу третьего УМ и к второму входу второго СУМ. Второй вход первого СУМ подключен к инверсному выходу третьего УМ, второй вход которого подключен к второму входу первого УМ и является 1 Вх. СМК КФ. Выход первой NO ЛЗ подключен к первому входу первого УМ, второй вход которого является Вх. СК КФ.
БАУ состоит из первого и второго формирователей весовых коэффициентов (ФВК), первого и второго корректоров весовых коэффициентов (КВК), формирователя сигнала обратной связи (ФСОС). M×M-разрядные входы ФПС являются М×М СВх. БАУ. M×M-разрядный вход ФПС подключен к M×M-разрядному входу первого ФВК. Выход ФПС подключен к первому входу первого КВК, выход которого подключен к входу «коррекция» первого ФВК. Первый M-разрядный и второй M×N-разрядный выходы «сигнал моделирующих коэффициентов» первого ФВК являются соответственно IMP Вых. СМК и 2М×NP Вых. СМК БАУ. МР вход ФСОС подключен к M-разрядному входу второго ФВК, M-разрядный выход которого является МР Вых. СК БАУ. Выход ФСОС подключен к первому входу второго КВК, выход которого подключен к входу «коррекция» второго ФВК. Вторые входы первого и второго КВК объединены и являются Вх. СО БАУ.
Благодаря указанной новой совокупности существенных признаков в заявленном устройстве обеспечивается адаптивное регулирование весовых коэффициентов в реальном масштабе времени, что в свою очередь обусловливает более точное формирование компенсирующего сигнала, и, следовательно, более глубокое подавление эхосигнала.
Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых показано:
на фиг.1 - общая структурная схема адаптивного эхокомпенсатора;
на фиг.2 - структурная схема канального фильтра;
на фиг.3 - структурная схема блока адаптивного управления;
на фиг.4 - блок-схема алгоритма работы БАУ.
1
2
M
1
n+1
m
m
m
m
АЭК на рекурсивном фильтре M-го порядка, показанный на фиг.1, состоит из M≥2КФ 1, 1,…, 1, NO ЛЗ 2, МВх. СУМ 3, БВ 4 и БАУ 5. Вход NO ЛЗ 2 подключен к информационному входу первого (m=1) КФ и является Вх. СДА устройства. Информационный вход (n+1)-го КФ 1 подключен к n-му отводу NO ЛЗ 2. Сигнальный выход m-то КФ 1 подключен к m-му входу МВх. СУМ 3. Выход МВх. СУМ 3 подключен к первому входу БВ 4, второй вход и выход которого являются соответственно Вх. ОтС и Вых. СО АЭК. Выход БВ 4 также подключен к Вх. СО БАУ 5. MP-сигнальный выход m-го КФ 1 подключен к m-му МР входу М×МР СВх. БАУ 5. Вых. ОбС, Вх. СК и 1 Вх. СМК m-го КФ 1 подключены к m-му разряду соответственно МР Вх. ОбС, МР Вых. СК и 1 MP Вых. СМК БАУ 5. 2 NP Вх СМК m-го КФ 1 подключен к m-му NP Вых. СМК 2М×NP Вых. СМК БАУ 5.
1
M
Канальные фильтры 1-1 предназначены для моделирования упреждающего речевого эхосигнала.
1
N
1
N
КФ 1, показанный на фиг.2, состоит из первого 1.3 и второго 1.4 МВх. СУМ, первого 1.2, второго 1.10 и третьего 1.9 УМ, первого 1.5 и второго 1.6 СУМ, первой 1.7 и второй 1.8 ГУМ по М умножителей в каждой группе, первой 1.11 и второй 1.1 NO ЛЗ. Сигнальный вход первого УМ 1.2 является сигнальным входом КФ 1. Первый УМ 1.2, первый 1.3 и второй 1.4 М Вх. СУМ, первый 1.5 и второй 1.6 СУМ включены каскадно по сигнальным выходам. Выход второго СУМ 1.6 подключен к входу первой NO ЛЗ 1.11 и является сигнальным выходом КФ 1. У первого 1.3 и второго 1.4 М Вх. СУМ m-е входы подключены к выходам n-ых УМ, принадлежащих соответственно первой 1.7 и второй 1.8 ГУМ. К первым входам n-ых УМ, принадлежащих соответственно первой 1.7 и второй 1.8 ГУМ подключены n-ые отводы соответственно второй 1.1 и первой 1.11 NO ЛЗ. Первые входы первой ГУМ 1.7 совместно с входом второй NO ЛЗ 1.1 являются M-разрядным сигнальным выходом КФ 1. Вторые входы УМ 1.7-1.7 из первой ГУМ 1.7 и соответствующие им вторые входы УМ 1.8-1.8 из второй ГУМ 1.8 объединены и являются 2 NP Вх. СМК КФ 1. Выход второго УМ 1.10 подключен к первому входу третьего УМ 1.9 и к второму входу второго СУМ 1.6. Второй вход первого СУМ 1.5 подключен к инверсному выходу третьего УМ 1.9. Второй вход третьего УМ 1.9 подключен к второму входу первого УМ 1.2 и является 1 Вх. СМК КФ 1. Выход первой NO ЛЗ 1.11 подключен к первому входу второго УМ 1.10, второй вход которого является Вх. СК КФ.
БАУ 5 предназначен для расчета и формирования весовых коэффициентов для каждого КФ1 по цепям прямой и обратной связи.
БАУ 5, показанный на фиг.3, состоит из первого 5.1 и второго 5.2 ФВК, первого 5.4 и второго 5.5. КВК, ФПС 5.3 и ФСОС 5.6. М×МР входы ФПС 5.3 являются М×MPCBx. БАУ 5. M×M-разрядный вход ФПС 5.3 подключен к M×M-разрядному входу первого ФВК 5.1. Выход ФПС 5.3 подключен к первому входу первого КВК 5.4, выход которого подключен к входу «коррекция» первого ФВК 5.1. Первый M-разрядный выход СМК и второй M×N-разрядный выход СМК первого ФВК 5.1 являются соответственно 1 MP Вых. СМК и 2М×NP Вых. СМК БАУ 5. M-разрядный вход ФСОС 5.6 подключен к M-разрядному входу второго ФВК 5.2. M-разрядный выход второго ФВК 5.2 является МР Вых. СК БАУ 5. Выход ФСОС 5.6 подключен к первому входу второго КВК 5.5, выход которого подключен к входу «коррекция» второго ФВК 5.2. Вторые входы первого 5.4 и второго 5.5 КВК объединены и являются Вх. СО БАУ 5.
Входящие в БАУ 5 элементы имеют следующее назначение:
m
Первый 5.1 и второй 5.2 ФВК предназначены для вычисления весовых коэффициентов  и  в цепях соответственно прямой и обратной связи для каждого m-го КФ 1 в период времени выборки Т.
K
K
co
Первый 5.4 и второй 5.5. КВК предназначены для вычисления в каждый период выборки Т сигналов коррекции Х, Y соответственно для цепей прямой и обратной связи с учетом остаточного уровня отраженного сигнала (сигнала ошибки) U.
Σ
Σ
ФПС 5.3 и ФСОС 5.6 предназначены для расчета суммарных сигналов Х, Y соответственно по цепям прямой и обратной связи в каждый временной период выборки Т.
Другие элементы, входящие в общую схему АЭК и схему КФ: умножители, сумматоры, линии задержки и блок вычитания известны и описаны, например, в книге Уидроу Б., Стирнз С., «Адаптивная обработка сигналов»: Пер. с англ. // М.: «Радио и связь», 1989 г., 440 с. или Chao J., Shigeo Т., A new IIR adaptive echo canceler: GIVE., IEEE journal on selected areas in communications. vol. 12, no. 9, december 1994.
Σ
Σ
БАУ 5 также может быть реализован в виде процессора, алгоритм работы которого показан на фиг.4. Порты П 2 и П 1 соответствуют М×MPCBx. и МР Вх. ОбС БАУ 5. При поступлении на эти порты сигналов по цепям соответственно прямой и обратной связи происходит вычисление их суммарных значений Х и Y (блоки 2 и 3 алгоритма).
к
к
1
M
п
о
Затем с учетом поступающего на порт П 3 от БВ 4 сигнала ошибки происходит вычисление сигналов коррекции Х и Y соответственно для цепи прямой и обратной связи (блоки 4, 5 алгоритма). Затем по методу наименьших квадратов происходит вычисление весовых коэффициентов для цепи прямой V связи для первой и второй групп N умножителей каждого m-го КФ 1 и обратной V связи для каждого m-го КФ 1, которые через порты П 6 и П 5 процессора поступают соответственно на 1 Вх СМК и Вх СК каждого m-го КФ 1. Кроме того, с порта П 4 вычисленные значения весового коэффициентов первой и второй групп N умножителей каждого m-го КФ 1, имеющее по отношению к соответствующему весовому коэффициенту порта П6 временную задержку на один период Т, являются 2М×NP Вых. СМК БАУ 5 и поступают на 2 NP Вх СМК каждого из КФ 1-1.
Заявленный АЭК работает следующим образом.
n+1
Речевой сигнал дальнего абонента x(t) поступает на вход N-отводной ЛЗ 2 и на сигнальный вход первого (m=1) КФ 1, а также на первый разряд М×MPCBx. БАУ 5 (фиг.1). Сигнальные входы других КФ 1 подключены к соответствующим отводам N-отводной ЛЗ 2, а именно n-й отвод N-отводной ЛЗ 2 подключен к сигнальному входу (n+1)-го КФ 1. Этим достигается задержка сигнала x(t) между n-м и (n+1)-ым отводами N-отводной линии на время Т.
На второй вход первого УМ 1.2 с соответствующего разряда 1 МР Вых. СМК БАУ 5 поступает вычисленный весовой коэффициент. На сигнальном выходе второго СУМ 1.6 формируется сигнал оценки импульсной характеристики пути эха x′(t), который поступает на соответствующий вход М - Вх. СУМ 3 и на вход первой N-отводной ЛЗ 1.11 соответствующего КФ 1. Сигнал с выхода первой N-отводной ЛЗ 1.11 поступает на первый вход второго УМ 1.10, а с соответствующих отводов - на первые входы второй группы умножителей 1.8 и далее на соответствующий разряд МР Вх. ОбС БАУ 5. На второй вход второго УМ 1.10 поступают вычисленные коэффициенты с соответствующего разряда МР Вых. СК БАУ 5. С выхода второго умножителя 1.10 преобразованный сигнал импульсной характеристики поступает на первый вход третьего УМ 1.9 и на второй вход второго СУМ 1.6. На второй вход третьего УМ 1.9 от соответствующего разряда 1 МР Вых. СМК БАУ 5 поступают вычисленные весовые коэффициенты.
В результате вторичного преобразования импульсной последовательности в третьем УМ 1.9 сформированный сигнал через инверсный выход поступает на второй вход первого СУМ 1.5. На вторые входы умножителей второй группы умножителей 1.8 и на вторые входы умножителей первой группы умножителей 1.7 поступает соответственно N-сигналов с второго NP-входа «сигнал моделирующих коэффициентов» на каждый КФ 1 от соответствующего разряда 2М×NP Вых. СМК БАУ 5. Эти сигналы обеспечивают преобразование импульсной характеристики, поступившей с выхода первой N-отводной ЛЗ 1.11 и дальнейшую его передачу на соответствующие входы второго M-входового сумматора 1.4. Сигналы импульсной последовательности с N-инверсных выходов первой группы умножителей 1.7 поступают на соответствующие входы первого M-входового сумматора 1.3. Эти инверсные N-сигналы являются результатом умножения в первой группе умножителей 1.7 импульсной характеристики, поступившей от выходов второй N-отводной ЛЗ 1.1 на первые входы первой группы умножителей 1.7 на коэффициенты усиления, поступившие на вторые входы первой группы умножителей 1.7. С сигнальных выходов всех КФ 1 сигналы поступают на соответствующие входы МВх. СУМ 3, на выходе которого формируется сигнал, соответствующий уровню эхосигнала y′(t), и далее поступает на первый вход БВ 4. На второй вход БВ 4 поступает эхосигнал y(f), подлежащий компенсации. Остаточный сигнал e(t) на выходе БВ 4 поступает на Вх. ОС БАУ 5 и на выход устройства.
Т.о. в АЭК сигнал оценки импульсной характеристики пути эха формируется не только на основе текущих оценок функции взаимной корреляции сигналов x(t) и e(f), но и с учетом значений оценок импульсной характеристики пути эха, получаемых на M предшествующих шагах настройки. Этим обеспечивается «предсказание» значений оценки эхосигнала в момент времени t на основе известных его значений в М предшествующих моментов времени x(t-Т), x{t-2Т),…, x(1-М·Т).
Коэффициенты усиления, получаемые с выходов БАУ 5 на входы УМ, являются коэффициентами предсказания, значения которых определяются методом наименьших квадратов в реальном масштабе времени.
Причем точное определение энергии сигнала на каждой итерации обеспечивает как устойчивую работу фильтра эхокомпенсатора, так и более глубокое подавление эхосигнала, т.е. обеспечивается достижение сформулированного технического результата.