АДАПТИВНЫЙ ЭХОКОМПЕНСАТОР НА РЕКУРСИВНОМ ФИЛЬТРЕ

Полезная модель относится к области радиосвязи и может быть использована в телекоммуникационных линиях двусторонней связи.
Известны адаптивные эхокомпенсаторы, описанные, например, в ЕР №0412691А2 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 М≥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=М-1, вход которой является входом «сигнал дальнего абонента» (СДА) АЭК, М-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,…,М, подключен к m-му входу МВх.СУМ, дополнительно введен блок адаптивного управления (БАУ). БАУ снабжен M-разрядными сигнальным входом (МР СВх.), первым и вторым выходами «сигнал моделирующих коэффициентов (1 МР Вых.СМК и 2 МР Вых.СМК), выходом «сигнал коррекции» (МР Вых.СК) и входом «обучающий сигнал» (МР Вх.ОбС). К сигнальному входу m-го КФ подключен m-й разряд МР СВх.БАУ, а m-е разряды IMP Вых. СМК и 2МР Вых.СМК, МР Вых.СК и МР Вх.ОбС БАУ подключены соответственно к первому и второму входам «сигнал моделирующих коэффициентов» (1 вх. СМК и 2 вх. СМК), входу «сигнал коррекции» (Вх.СК) и выходу «обучающий сигнал» (Вых.ОбС) m-го КФ. БАУ снабжен дополнительным входом «сигнал ошибки» (Вх.СО), который подключен к Вых.СО БВ, являющегося выходом АЭК.
КФ состоит из первого, второго, третьего, четвертого и пятого умножителей (УМ), первого и второго канальных сумматоров (КСУМ), первого и второго сумматоров (СУМ), первой и второй линий задержки (ЛЗ).
Первый вход первого УМ является сигнальным входом КФ. Второй КСУМ, первый КСУМ, первый СУМ и второй СУМ включены каскадно по сигнальным входам. Первый вход первого УМ подключен к входу второй ЛЗ, выход которой подключен к первому входу третьего УМ. Инверсный выход третьего УМ подключен к второму входу второго КСУМ.
Инверсный выход пятого УМ подключен к второму входу первого СУМ. Выход второго СУМ подключен к входу первой ЛЗ и является сигнальным выходом КФ. Выход второго УМ подключен к первому входу пятого УМ и к второму входу второго СУМ. Выход первой ЛЗ подключен к первому входу второго УМ, к первому входу четвертого УМ и является Вых.ОбС КФ. Вторые входы третьего и четвертого УМ объединены и являются 2 Вх.СМК КФ. Второй вход второго УМ является Вх.СК КФ. Второй вход пятого умножителя и второй вход первого умножителя объединены и являются 1 Вх.СМК КФ.
БАУ состоит из первого и второго формирователей весовых коэффициентов (ФВК), первого и второго корректоров весовых коэффициентов (КВК) формирователя прямого сигнала (ФПС) и формирователя сигнала обратной связи (ФСОС). M-разрядные входы ФПС и ФСОС являются соответственно МР СВх. и МР Вх.ОбС БАУ. M-разрядный вход ФПС подключен к M-разрядному входу первого ФВК. Выход ФПС подключен к первому входу первого КВК, выход которого подключен к входу «коррекция» первого ФВК. M-разрядные первый и второй выходы СМК первого ФВК являются соответственно IMP Вых.СМК и 2МР Вых.СМК БАУ. M-разрядный вход ФСОС подключен к M-разрядному входу второго ФВК. M-разрядный выход второго ФВК 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 обеспечивает более глубокое подавление эхосигнала.
Заявленный адаптивный эхокомпенсатор 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
м
1
n+1
m
Адаптивный компенсатор на рекурсивном фильтре, показанный на фиг.1, состоит из М≥2 КФ 1, 1,… 1, NO ЛЗ 2, МВх.СУМ 3, БВ4 и БАУ 5. Вход NO ЛЗ 2 подключен к сигнальному входу первого (m=1) КФ 1, и является Вх.СДА АЭК. Сигнальный вход (n+1)-го КФ 1 подключен к n-му отводу NO ЛЗ 2 и (n+1)-му разряду МР СВх. БАУ 5. Первый разряд (m=1) МР СВх. БАУ 5 подключен к входу NO ЛЗ 2. Сигнальный выход m-го КФ 1 подключен к m-му входу МВх. СУМ 2, выход которого подключен к первому входу БВ 4. Второй вход БВ 4 является Вх.ОтС АЭК. Выход БВ 4 подключен к Вх.СО БАУ 5 и является Вых.СО АЭК. Вых.ОбС, 1 Вх.СМК, 2Вх. СМК и Вх.СК m-го КФ 1д, подключены к m-ым разрядам соответственно МР Вх.ОбС, IMP Вых.СМК, 2МР Вых.СМК и МР Вых.СК БАУ 5.
1
м
Канальные фильтры 1-1 предназначены для моделирования упреждающего речевого эхосигнала.
Каждый канальный фильтр 1 выполнен в соответствии с моделью речевого сигнала, в частности, как показано на фиг.2. КФ 1 состоит из первого 1.2, второго 1.10, третьего 1.7, четвертого 1.8 и пятого 1.9 УМ, первого 1.4 и второго 1.3 КСУМ, первого 1.5 и второго 1.6 СУМ, первой 1.11 и второй 1.1 ЛЗ.
Первый УМ 1.2, второй КСУМ 1.3, первый КСУМ 1.4, первый СУМ 1.5 и второй СУМ 1.6 включены каскадно по сигнальным (первым) выходам (входам). Первый вход первого УМ 1.2 является сигнальным входом КФ 1. Первый вход первого УМ 1.2 подключен к входу второй ЛЗ 1.1, выход которой подключен к первому входу третьего УМ 1.7. Инверсный выход третьего УМ 1.7 подключен к второму входу второго КСУМ 1.3. Выход четвертого УМ 1.8 подключен к второму входу первого КСУМ 1.4. Инверсный выход пятого УМ 1.9 подключен к второму входу первого СУМ 1.5. Выход второго СУМ 1.6 подключен к входу первой ЛЗ 1.11 и является сигнальным выходом КФ 1. Выход второго УМ 1.10 подключен к первому входу пятого УМ 1.9 и второму входу второго СУМ 1.6. Выход первой ЛЗ 1.11 подключен к первому входу второго УМ 1.10 и к первому входу четвертого УМ 1.8 и является Вых.ОбС КФ 1.
Вторые входы третьего 1.7 и четвертого 1.8 УМ объединены и являются 2Вх.СМК КФ 1. Второй вход пятого УМ 1.9 и второй вход первого УМ 1.2 объединены и являются 1Bx.CMK КФ 1. Второй вход второго УМ 1.10 является ВХ.СК КФ1.
БАУ 5 предназначен для расчета и формирования весовых коэффициентов для каждого канального фильтра 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. M-разрядные входы ФПС 5.3 и ФСОС 5.6 являются соответственно M-разрядными сигнальным входом и МР Вх.ОбС БАУ 5. M-разрядный вход ФПС 5.3 подключен к М-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. IMP Вых.СМК и 2МР Вых.СМК первого ФВК являются соответственно IMP Вых.СМК и 2МР Вых.СМК БАУ 5. M-разрядный вход ФСОС 5.6 подключен к M-разрядному входу второго ФВК 5.2, M-разрядный выход которого 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:
Первый 5.1 и второй 5.2 ФВК предназначены для расчета весовых коэффициентов  и  в цепях соответственно прямой и обратной связи для каждого m-го канального фильтра в период времени выборки Т.
к
к
co
Первый 5.4 и второй 5.5 КВК предназначены для вычисления в каждый период выборки Т сигналов коррекции Х и Y соответственно для цепи 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 в каждый период выборки Т суммарных сигналов Х и Y соответственно по цепям прямой и обратной связи.
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 связью, 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.
∑
∑
БАУ 5 также может быть реализован в виде процессора, алгоритм работы которого показан на фиг.4. Порты П 1 и П 2 соответствуют МР С Вх. 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
м
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 цепей прямой V и обратной V связи для каждого m-го КФ1, которые через порты П 6 и П 5 процессора поступают на 1 Вх СМК и Вх СК каждого m-го КФ 1. Кроме того, с порта П 4 вычисленное значение весового коэффициента, имеющего по отношению к соответствующему весовому коэффициенту порта П 6 временную задержку на один период Т, поступает на 2Вх СМК каждого из КФ 1-1.
Заявленное устройство 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 МР СВх. 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 МВх.СУМ 3 и на вход первой ЛЗ 1.11 соответствующего КФ 1. Сигнал с выхода первой ЛЗ 1.11 поступает на первые входы второго УМ 1.10 и четвертого УМ 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 пятого УМ 1.9 и на второй вход второго СУМ 1.6. На второй вход пятого УМ 1.9 от соответствующего разряда 1 МР Вых.СМК БАУ 5 поступают вычисленные весовые коэффициенты.
В результате вторичного преобразования импульсной последовательности в пятом УМ 1.9 сформированный сигнал через инверсный выход поступает на второй вход первого СУМ 1.5. На вторые входы четвертого УМ 1.8 и третьего УМ 1.7 поступает «сигнал моделирующих коэффициентов» от соответствующего разряда 2МР Вых.СМК БАУ 5. Эти сигналы обеспечивают преобразование импульсной характеристики, поступившей с выхода первой ЛЗ 1.11 и дальнейшую его передачу на второй вход первого КСУМ 1.4. Сигнал импульсной последовательности с инверсного выхода третьего УМ 1.7 поступает на второй вход второго КСУМ. Этот сигнал является результатом умножения в третьем УМ 1.7 импульсной характеристики, поступившей от выхода второй ЛЗ 1.1 на первый вход третьего УМ 1.7 на коэффициент усиления, полученный на второй вход третьего УМ 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(t), 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(t), но и с учетом значений оценок импульсной характеристики пути эха, получаемых на М 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(t-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.