(12) OPIS PATENTOWY. (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: , PCT/SE98/00535

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: , PCT/SE98/00535 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego: , W098/43368, PCT Gazette nr 39/98 (19) PL (11) (13) B1 (51) IntCl7 H04B 3/00 (54)Urządzenie do kasowania echa pochodzącego z cyfrowego telefonu ruchomego (30) Pierwszeństwo: , US,08/ (73) Uprawniony z patentu: TELEFONAKTIEBOLAGET LM ERICSSON (PUBL), Sztokholm, SE (62) Numer zgłoszenia, z którego nastąpiło wydzielenie: (72) Twórcy wynalazku: (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 10/00 Gunnar Eriksson, Huddinge, SE Tommy Svensson, Alta, SE Tonu Trump, Sztokholm, SE (45) o udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 08/04 (74) Pełnomocnik: Bury Lech, PATPOL Spółka z o.o. PL B1 (57) 1. Urządzenie do kasowania echa pochodzącego z cyfrowego telefonu ruchomego, zaopatrzone w procesor nieliniowy, do którego dołączony jest generator szumu dostosowującego, znamienne tym, że generator szumu dostosowującego (120) jest dołączony do drugiego procesora nieliniowego (126), do generowania sygnału szumu dostosowującego w odpowiedzi na oszacowany poziom szumu tła, do którego to drugiego procesora nieliniowego (126) dołączony jest jednocześnie estymator opóźnienia echa i poziomu mocy (128) do szacowania przynajmniej zależności pomiędzy poziomem mocy sygnału transmitowanego w kierunku cyfrowego telefonu ruchomego i mocą echa pochodzącego z ruchomego telefonu cyfrowego. FIG. 2

2 Urządzenie do kasowania echa pochodzącego z cyfrowego telefonu ruchomego Zastrzeżenia patentowe 1. Urządzenie do kasowania echa pochodzącego z cyfrowego telefonu ruchomego, zaopatrzone w procesor nieliniowy, do którego dołączony jest generator szumu dostosowującego, znamienne tym, że generator szumu dostosowującego (120) jest dołączony do drugiego procesora nieliniowego (126), do generowania sygnału szumu dostosowującego w odpowiedzi na oszacowany poziom szumu tła, do którego to drugiego procesora nieliniowego (126) dołączony jest jednocześnie estymator opóźnienia echa i poziomu mocy (128) do szacowania przynajmniej zależności pomiędzy poziomem mocy sygnału transmitowanego w kierunku cyfrowego telefonu ruchomego i mocą echa pochodzącego z ruchomego telefonu cyfrowego. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że procesor nieliniowy jest procesorem sygnału cyfrowego. 3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że zawiera układ kasowania echa pochodzącego z sieci PSTN. * * * Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do kasowania echa pochodzącego z cyfrowego telefonu ruchomego. W telekomunikacji, zwłaszcza w systemach telefonicznych, występuje problem powstawania echa. Echo jest zjawiskiem, które może wystąpić w systemie telefonicznym zawsze wtedy, gdy część energii transmitowanego sygnału mowy jest odbijana z powrotem do nadawcy. Te odbicia są spowodowane niedopasowaniem impedancji w analogowych częściach sieci telefonicznej. Może być wiele różnych źródeł echa, na przykład hybrydowy obwód konwersji linii czterożyłowej na dwużyłową w interfejsie abonenta publicznej komutowanej sieci telefonicznej PSTN, albo przesłuch akustyczny w ruchomym radiotelefonie. Występowanie echa ze znacznym opóźnieniem, na przykład opóźnieniem wskutek odległości fizycznej albo przetwarzania, poważnie zmniejsza jakość przetwarzanych sygnałów mowy. Układ kasowania echa jest urządzeniem, które stosuje się powszechnie w systemach telefonicznych, aby wytłumić albo usunąć echo w ruchu dalekosiężnym. Na przykład w komórkowych sieciach PLMN (Public Land Mobile Networks) układy kasowania echa stosuje się w centralach komutacji usług ruchomych MSC, aby wytłumić albo usunąć echo w połączeniach głosowych. Układy kasowania echa stosuje się również w ruchomych radiotelefonach i zwalniającym ręce wyposażeniu telefonicznym, aby skompensować echo akustyczne. Ogólny opis techniki kasowania echa znajduje się w artykule zatytułowanym A Double Talk Detector Based on Coherence (Podwójny detektor mowy oparty na koherencji) Ganslera i innych, Signal Processing Group, Dept, of Elec. Eng. and Comp. Science, Lund University, Szwecja. W zasadzie cyfrowy ruchomy mikrotelefon nie powinien generować echa, ponieważ stosowane połączenie obejmuje cztery przewody do mikrotelefonu. Jednak w praktyce wiele takich ruchomych telefonów generuje echo pochodzące z akustycznego albo mechanicznego przesłuchu w mikrotelefonie. Ten typ echa przeszkadza użytkownikom, zwłaszcza jeżeli operator systemu zdecydował się na podniesienie poziomów przysyłania sygnału. Podnoszenie poziomów przysyłania sygnału stało się przyjętą praktyką, ponieważ wielu klientów wnosi skargi co do niskiego poziomu wyjściowego głośników ruchomych mikrotelefonów. Istniejące systemy telefoniczne, które zapewniają połączenia dalekosiężne i ruchome centrale komutacyjne MSC w publicznych sieciach komórkowych PLMN, wykorzystują układy kasowania echa, aby kontrolować echo generowane po stronie PSTN połączenia. Na przykład na pos. I rysunku przedstawiono uproszczony schemat blokowy konwencjonalnego układu kaso-

3 wania echa 10, stosowanego w systemach ruchu dalekosiężnego i ruchomej centrali komutacyjnej MSC. Głównym elementem takiego układu kasowania echa jest adaptacyjny filtr 12 o skończonej odpowiedzi impulsowej FIR (Finite Impulse Response). Pod kontrolą algorytmu adaptacyjnego, na przykład działającego w oprogramowaniu, filtr 12 modeluje reakcję impulsową w ścieżce echa. Stosuje się procesor nieliniowy NLP 14 do usuwania resztkowego echa, które może pozostać po liniowym przetworzeniu sygnału wejściowego. Podwójny detektor mowy DTD 16 (Double Talk Detector) stosuje się do kontrolowania i wstrzymywania procesu adaptacyjnego, gdy stosunek sygnału echa do sygnału na bliskim końcu, ma taką wartość, że nie można uzyskać dalszej poprawy w oszacowaniu ścieżki echa przez dalszą adaptację filtra 12. Blok oznaczony przez 18 reprezentuje źródło echa w systemie telefonicznym, które generuje pożądany sygnał - y(t), jako funkcję sygnału dalekiego końca - x(t) i sygnału bliskiego końca - v(t). Generator szumu dostosowującego CNG 20 stosuje się do generowania sygnału szumu, który w zasadzie jest podobny do szumu tła na bliskim końcu. Sygnał szumu wstawia się do połączenia podczas gdy procesor nieliniowy NLP 14 jest aktywny. Przyjmuje się na ogół, że układ kasowania echa powinien być wyłączony na tych połączeniach, które przenoszą ruch danych o dużej przepustowości modemami serii V, ponieważ te modemy zawierają własne układy kasowania echa. W tym celu sieciowe układy kasowania echa zawierają wyłącznik tonu TD 22, który wykrywa ton odpowiedzi modemu (na przykład ton 2100 Hz) i wyłącza niektóre albo wszystkie funkcje układu kasowania echa, jeżeli zostaną odebrane tony o ustalonej wcześniej charakterystyce. Istnieje pewna liczba różnic pomiędzy charakterystyką sygnałów echa, które powstają w PSTN i powstającymi w cyfrowych telefonach ruchomych. Na przykład ścieżka echa od PSTN jest pseudoliniowa i dlatego może być od razu modelowana przez filtr liniowy. Można z powodzeniem stosować pewne istniejące rozwiązania, które są oparte na adaptacyjnych technikach filtrowania, aby kasować takie typy echa. Długość ścieżki echa widziana przez układ kasowania echa w takiej sieci może wynosić do 64 ms, co implikuje stosowanie filtra adaptacyjnego, który może mieć do 512 kluczy, aby modelować ścieżkę echa. Zasoby obliczeniowe wymagane do wykonania algorytmu adaptacyjnego dla filtra o takiej długości zużywają dużą część możliwości cyfrowego procesora sygnału DSP, który stanowi układ kasowania echa. Ponadto tłumienie odbitego echa ERL z sieci PSTN zależy od obwodu równoważącego stosowanego w sieci. Jako ogólna zasada, tłumienie odbitego echa ERL (mierzoną w db) można uważać za zmienną losową wybraną z rozkładu Gaussa, ze średnią 13,6 db i odchyleniem standardowym 2,8 db dla schematu równoważącego segregowanej pętli. Ścieżka echa dla cyfrowego telefonu ruchomego jest nieliniowa i zmienna w czasie, wskutek stosowania dwóch par koder/dekoder (kodek) mowy i interfejsów radiowych w torze transmisji. Dodatkowo poziom echa w cyfrowym telefonie ruchomym jest znacznie niższy niż w sieci PSTN. Na przykład specyfikacja dla cyfrowego komórkowego systemu GSM (Global System for Mobile Communications) wymaga ERL 46 db (dla telefonów ruchomych) mierzonego dla czystych tonów na poziomie 0 dbm w paśmie Hz. Jednak ERL może być niższy, jeżeli do pomiarów stosuje się sygnały inne niż czyste tony, ale nadal można oczekiwać poziomów tłumienia około 40 db. Innymi słowy szum kwantyzacji okazuje się znacznym źródłem nieliniowości ścieżki echa. Tłumienie sygnału echa ERL z cyfrowego telefonu ruchomego jest faktycznie porównywalne z tłumieniem sygnału echa ERL, która może być uzyskana przez część filtra liniowego konwencjonalnego układu kasowania echa sieci PSTN. Z przyczyn opisanych powyżej jest nieprawdopodobne, aby echo z cyfrowego telefonu ruchomego było tłumione o więcej niż kilka db przez filtr liniowy. Tak więc istniejące układy kasowania echa są przeznaczone do kasowania echa, które pochodzi tylko od jednej strony połączenia komutowanego. W konsekwencji, gdy trzeba kasować echo powstające po obu stronach połączenia komutowanego, stosuje się dwa układy kasowania echa na połączenie. W znanym rozwiązaniu integruje się wiele układów kasowania echa w cyfrowy system komutacyjny. Na przykład zintegrowano wiele układów kasowania echa wyprodukowanych przez Ericsson Radio Systems AB w cyfrowy system komutacyjny Ericsson AXE 10. Te układy kasowania echa tworzą część Podsystemu magistrali i sygnalizacji TSS AXE 10 i są podłączone

4 bezpośrednio do przełącznika grupowego w układzie grupowym (określanym jako ECP, albo układy kasowania echa w grupie). Sposobem sterowania tymi układami kasowania echa w sieci było podłączanie urządzenia do każdej magistrali. Innymi słowy, gdy potrzebne jest tłumienie echa, AXE 10 wybiera jeden z układów kasowania echa z grupy i kieruje połączenie poprzez wybrany układ kasowania echa. W ten sposób konfiguracja AXE 10 ECP może skoncentrować ruch i obniżyć przez to łączną liczbę stosowanych układów kasowania echa w porównaniu z wcześniejszymi stosowanymi układami magistrali połączenia bezpośredniego. Powstaje problem, jeżeli echo z obu stron połączenia komutowanego jest kontrolowane przez oddzielne układy kasowania echa. Na pos. II rysunku przedstawiono schemat znanego systemu 50, w którym stosuje się dwa układy kasowania echa 52 i 54 (czyli dwa układy kasowania echa 10 z pos. I) do kontrolowania echa powstającego po obu stronach połączenia w ruchomej centrali komutacyjnej MSC 56. Jak przedstawiono na pos. H, potrzebnych jest dwa razy więcej układów kasowania echa niż zwykle, aby kontrolować echo z obu stron połączenia, jeżeli stosuje się oddzielne urządzenia. Ponadto, jeżeli układy kasowania echa stosuje się w układzie grupowym (na przykład ECP 101 albo ECP 303 produkowane przez Ericsson Radio Systems AB), związany z tym wzrost liczby układów kasowania echa powoduje proporcjonalny wzrost liczby wymaganych pozycji wejścia/wyjścia przełącznika grupowego. Dodatkowo w obydwu stosowanych układach kasowania echa należy umieścić pewne inne funkcje, jak detektory tonu 2100 Hz. Korzystnie urządzenie do kasowania echa pochodzącego z cyfrowego telefonu ruchomego, zaopatrzone w procesor nieliniowy, do którego dołączony jest generator szumu dostosowującego, charakteryzuje się tym, że generator szumu dostosowującego jest dołączony do drugiego procesora nieliniowego do generowania sygnału szumu dostosowującego w odpowiedzi na oszacowany poziom szumu tła. Do drugiego procesora nieliniowego jest dołączony jednocześnie estymator opóźnienia echa i poziomu mocy do szacowania przynajmniej zależności pomiędzy poziomem mocy sygnału transmitowanego w kierunku cyfrowego telefonu ruchomego i mocą echa pochodzącego z ruchomego telefonu cyfrowego. Procesor nieliniowy jest korzystnie procesorem sygnału cyfrowego. Urządzenie według wynalazku korzystnie zawiera układ kasowania echa pochodzącego z sieci PSTN. Zgodnie z wynalazkiem, stosuje się pojedynczy dwukońcowy układ kasowania echa, który wykorzystuje adaptacyjny filtr FIR do modelowania reakcji impulsowej ścieżki echa i do tłumienia echa pochodzącego od strony PSTN połączenia, oraz nieliniowy procesor sterowany przez poziomy sygnału wejściowego do tłumienia echa powstającego po stronie ruchomego telefonu w połączeniu. Ponieważ nie stosuje się funkcji przetwarzania liniowego do tłumienia echa po stronie ruchomego telefonu, algorytmy przeznaczone do szacowania i tłumienia echa po obu stronach połączenia mogą być wykonywane w pojedynczym DSP. Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy przykładowego systemu, w którym zastosowano pojedynczy dwukońcowy układ kasowania echa do kontroli echa pochodzącego z obu stronach połączenia komutowanego, a fig. 2 przedstawia schemat blokowy pokazujący szczegóły przykładowego dwukońcowego układu kasowania echa pokazanego na fig. 1. Na fig. 1 pokazano schemat blokowy przykładowego systemu 100, który przedstawia zastosowanie pojedynczego dwukońcowego układu kasowania echa 102 do kontroli echa pochodzącego z obu stron połączenia komutowanego, zgodnie z korzystnym przykładem wykonania niniejszego wynalazku. Chociaż układ kasowania echa jest pokazany w środowisku sieci komórkowej PLMN, ma to tylko cele ilustracyjne i nie zakłada się takiego ograniczenia wynalazku. Na przykład można również pokazać układ kasowania echa 102 podłączony do przełącznika w systemie ruchu dalekosiężnego. Można więc zaoszczędzić istotną liczbę pozycji wejścia/wyjścia przełącznika grupowego (na przykład w ruchomej centrali komutacyjnej MSC 104) i można dzielić pewną liczbę funkcji (na przykład detekcję tonu i generowanie szumu dostosowującego) dla każdej strony połączenia w jednym układzie kasowania echa 102. Dodatkowo dwukońcowy układ kasowania echa 102 zajmuje mniej przestrzeni fizycznej w ruchomej centrali komutacyjnej MSC 104 niż jest zajmowana przez dwa konwencjonalne układy kasowania

5 echa. Jest to prawdą nawet wówczas, gdy dwukońcowy układ kasowania echa jest podłączony bezpośrednio do magistrali, co również znajduje się w zakresie niniejszego wynalazku. Na fig. 2 przedstawiono schemat blokowy, który pokazuje szczegóły przykładowego dwukońcowego układu kasowania echa 102 pokazanego na fig. 1. W zasadzie jedna część układu kasowania echa 102 kasuje echo pochodzące ze strony sieci PSTN, a druga część układu kasowania echa 102 kasuje echo pochodzące ze strony telefonu ruchomego. Korzystnie, telefon ruchomy stosowany z jednej strony jest cyfrowym telefonem ruchomym, ale może również stanowić telefon analogowy, albo hybrydowy analogowo-cyfrowy. Układ kasowania echa 102 zawiera adaptacyjny filtr FIR 112. Pod kontrolą algorytmu adaptacyjnego (na przykład wykonywanego jako program) filtr 112 modeluje reakcję impulsową ścieżki echa dla strony PSTN. Po stronie PSTN stosuje się nieliniowy procesor NLP 114 do usuwania echa resztkowego, które może pozostać po liniowym przetworzeniu sygnału wejściowego. Podwójny detektor mowy DTD 116 stosuje się do kontrolowania i wstrzymywania procesu adaptacyjnego, gdy stosunek sygnału echa do sygnału na bliskim końcu ma taką wartość, że nie można uzyskać dalszej poprawy w oszacowaniu ścieżki echa przez dalszą adaptację filtra 112. Blok reprezentuje źródło echa w systemie telefonicznym, które generuje pożądany sygnał - y(t), jako funkcję sygnału dalekiego końca x(t) i sygnału bliskiego końca - v(t). Generator szumu dostosowującego CNG 120 stosuje się do generowania sygnału szumu, który w zasadzie jest podobny do szumu tła na bliskim końcu. Sygnał szumu wstawia się do połączenia w czasie, gdy procesor nieliniowy NLP 114 jest aktywny. Pierwszy i drugi wyłącznik tonu TD 122 i 124 wykrywają tony odpowiedzi modemu (na przykład 2100 Hz) i wyłączają niektóre, albo wszystkie funkcje układu kasowania echa, jeżeli zostaną odebrane tony o pewnej ustalonej wcześniej charakterystyce. Druga cześć układu kasowania echa 102, która kasuje echo pochodzące z ruchomej strony połączenia komutowanego zawiera również drugi procesor nieliniowy NLP 126 i estymator opóźnienia i poziomu 128. Na ogół podczas pracy ta część układu kasowania echa 102 ustala najpierw, czy używany obecnie telefon ruchomy (nie pokazany w sposób jawny) generuje sygnały echa. Ponieważ niektóre telefony ruchome na rynku powodują małe problemy z echem, albo nie powodują ich w ogóle, natomiast inne generują dobrze słyszalne sygnały echa, drugi procesor nieliniowy NLP 126 obcina tylko słyszalne sygnały echa, a nie sygnały z dobrych telefonów ruchomych. Układ kasowania echa 102 szacuje następnie opóźnienie ścieżki echa dla strony połączenia telefonu ruchomego. Pomiary wykazały, że dyspersyjna część ścieżki echa ruchomego telefonu jest względnie krótka (co odróżniają od typowego echa sieci PSTN), a odnośnym parametrem do oszacowania jest opóźnienie ścieżki echa (nazywanym w dalszej części estymacją opóźnienia ). Następnie układ kasowania echa 102 szacuje zależność pomiędzy mocą sygnału transmitowanego w kierunku telefonu ruchomego (w b) i mocą echa (w a), co poniżej określa się estymacją poziomu. Jak już opisano, część układu kasowania echa 102, która kasuje echo ze strony połączenia telefonu ruchomego, zawiera jeszcze estymator opóźnienia i poziomu 128 do szacowania opóźnienia ścieżki echa i poziomu mocy echa, oraz drugi procesor nieliniowy NLP 126. Ten procesor NLP 126 jest aktywowany (czyli zastępuje sygnał nadchodzący ze strony ruchomej szumem dostosowującym) jeżeli wysłano sygnał o dostatecznej mocy w kierunku telefonu ruchomego, aby wygenerować słyszalne echo. Drugi procesor nieliniowy NLP 126 jest aktywowany na ustalony okres czasu po wykryciu progowej mocy sygnału (w b). Estymator opóźnienia i poziomu 128 ustala określony okres czasu aktywacji i poziom mocy sygnału, który stanowi progową wielkość mocy. Te szacunki uzyskuje się korzystnie, obliczając funkcje korelacyjne sygnałów przetworzonych nieliniowo w punktach (a) i (b) i następnie poszukując wartości maksymalnych. Korzystnie, drugi procesor nieliniowy NLP 126 aktywuje się jeżeli używany telefon ruchomy generuje znaczną ilość słyszalnego echa (czyli przekracza ustalony poziom progowy). Dodatkową zaletą jest to, że podwójny detektor mowy DTD 116 wyłącza działanie drugiego procesora nieliniowego NLP 126 (i/lub pierwszego procesora nieliniowego NLP 114), jeżeli strony używające telefonu ruchomego i telefonu w sieci PSTN, mówią jednocześnie.

6

7 POS.1 POS. II

8 FIG. 1 FIG. 2 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz Cena 2,00 zł.