Gemeinsame Optimierung von Echokompensation und Raumentzerrung für Freisprecheinrichtungen

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Karl-Dirk Kammeyer
• Subject Area: Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering
• Term: from 2007 to 2011
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 36146844

• Final Report Year: 2010

Final Report Abstract

Im Rahmen dieses Projektes wurden die Kombinationsmöglichkeiten für Systeme zur Echoreduktion (Acoustic Echo Canceller (AEC)) und zur Enthallung von Sprachsignalen durch Vorverzerrung des wiedergegebenen Lautsprechersignals für Freisprecheinrichtungen untersucht. Ziel moderner Freisprecheinrichtungen ist die Sprachübertragung über große Distanzen ohne Beschränkungen für den Nutzer, sei es durch das Tragen eines Headsets oder einer Einschränkung seiner Bewegungsfreiheit. Bei der Verwendung von Freisprecheinrichtungen treten im Wesentlichen drei Probleme auf. Erstens kommt es durch den vergrößerten Abstand zwischen Mund und Mikrofon zu einer signifikanten Verschlechterung des Signalpegels im Vergleich zum Pegel gleichzeitig vom Mikrofon aufgefangener Störsignale (Signal-to-Noise-Ratio (SNR)-Verlust). Zweitens wird das von den Freisprechlautsprechern abgestrahlte Signal von den Mikrofonen wieder aufgefangen. Dadurch hört der ferne Sprecher Teile seiner eigenen Sprache, verzögert um die Laufzeit des Systems. Dies wird als sehr störend empfunden. Weiterhin reduziert Raumhall, der durch wiederholte Reflexion des Signals an den Raumbegrenzungen (Wände, Decke, Boden) verursacht wird, die Verständlichkeit des Sprachsignals. Der Lösung der beiden letztgenannten Probleme, insbesondere bei der Kombination der beiden Teilsysteme zur Kompensation akustischer Echos und des Raumhalls, widmet sich das durchgeführte Projekt. Die beiden adaptiven Teilsysteme zur Kompensation akustischer Echos und zur Enthallung durch Raumentzerrung beeinflussen sich durch ihre Verschaltung gegenseitig im Bezug auf Konvergenzgeschwindigkeit und Leistung. Für den Entwurf eines Entzerrers, der das Mikrofonsignal so vorverzerrt, dass es am Ort des Nutzers unverzerrt (und somit unverhallt) vorliegt, wird die Kenntnis der zu entzerrenden Raumimpulsantwort (engl. room impulse response (RIR)) benötigt. Diese kann durch ein Echokompensationsfilter geschätzt werden, das parallel zur Raumimpulsantwort liegt. Die Güte der RIR-Schätzung beeinflusst maßgeblich die Entzerrerleistung. Daher wurden im Rahmen dieses Projektes Entzerrer entwickelt, die robust in Bezug auf Fehlschätzungen der RIR entworfen werden können und die Güte der Systemidentifikation durch den AEC explizit im Entwurf berücksichtigen. Ein Entzerrungsfilter, das vor dem Subsystem zur Reduktion akustischer Echos platziert ist, beeinflusst jedoch auch das Echokompensationsfilter durch Änderung der Eigenschaften des Eingangssignals des Echokompensators und damit dessen Konvergenzgeschwindigkeit. Entzerrer können dabei so entworfen werden, dass sie die Korrelation des Eingangssignals, die maßgeblich für die Konvergenzgeschwindigkeit des Echokompensators verantwortlich ist, positiv beeinflussen. Sowohl für den Echokompensator als auch für das Entzerrerfilter wurden angepasste adaptive Berechnungsvorschriften entwickelt und analysiert. So wurde z.B. ein neuartiger adaptiver Algorithmus zur Raumentzerrung vorgestellt, der bei geringer Rechenleistung sehr viel schneller konvergiert als bisher bekannte Algorithmen. Ein weiterer wichtiger Punkt bei der Entzerrung von Raumimpulsantworten ist die Berücksichtigung der räumlichen Abweichung zwischen Referenzmikrofonen und dem Nutzer des Systems, also die Entwicklung räumlich robuster Entzerrer. Diese wurde im Rahmen dieses Projektes bei jedem Entwurf mit berücksichtigt. Während der Durchführung des Projektes stellte sich wiederholt die Frage nach der reproduzierbaren objektiven Bewertung der erzielten Gewinne. Ein allgemein akzeptiertes objektives Maß zur Bewertung von Entzerrungs- bzw. Enthallungsalgorithmen existiert bisher nicht. Daher wurden Untersuchungen dazu durchgeführt, welche objektiven Maße zur Qualitätsbeurteilung von Enthallungsalgorithmen geeignet sind. Wie sich herausstellte müssen solche Maße, sofern sie ihre Aussage auf Grundlage der unverarbeiteten und verarbeiten Signalen berechnen, präzise Modelle des menschlichen auditorischen Systems berücksichtigen. Freisprecheinrichtungen werden sowohl im Auto, als auch bei Konferenzanlagen mehr und mehr im Alltag eingesetzt. Während Lösungen zur Kompensation akustischer Echos und von Störungen (z.B. Umgebungsrauschen) bereits am Markt erhältlich sind, ist die Reduktion von Hallanteilen ein wichtiges aktuelles Forschungsgebiet, das allgemein auf großes Interesse stößt. Insbesondere die Qualitätsbewertung verhallter und enthallter Signal wird als interessantes Arbeitsgebiet gesehen. Die an diesem Projekt beteiligten Mitarbeiter werden deshalb auch weiterhin an diesem Themengebiet arbeiten.

Publications

• A Study on Combining Acoustic Echo Cancelers with Impulse Response Shortening. Abstract in Proc. 4th Joint Meeting of ASA and ASJ, in J. Acoust. Soc. Am., Volume 120, Issue 5, p. 3258, Nov., 2006
  S. Goetze, M. Kallinger, A. Mertins und K.-D. Kammeyer
  
• Enhanced Partitioned Stereo Residual Echo Estimation, In Asilomar 2006 - Conference on Signals, Systems, and Computers, Pacific Grove, USA, 29. Oktober - 1. November, 2006
  S. Goetze, M. Kallinger, A. Mertins und K.-D. Kammeyer
  
• Least Squares Equalizer Design under Consideration of Tail Effects. In German Annual Conference on Acoustics (DAGA), pages 599–600, Stuttgart, Germany, March 2007
  S. Goetze, M. Kallinger, A. Mertins und K.-D. Kammeyer
  
• Spatial Sensitivity for Listening Room Compensation. Demonstration given at IEEE Workshop on Applications of Signal Processing to Audio and Acoustics (WASPAA), New Paltz, USA, Oct. 2007
  S. Goetze, M. Kallinger, K.-D. Kammeyer und A. Mertins
  
• A Decoupled Filtered-X LMS Algorithm for Listening-Room Compensation. In Proc. Int. Workshop on Acoustic Echo and Noise Control (IWAENC), Seattle, USA, Sep. 2008
  S. Goetze, M. Kallinger, A. Mertins und K.-D. Kammeyer
  
• Multi-Channel Listening-Room Compensation unsing a Decoupled Filtered-X LMS Algorithm. In Proc. Asilomar Conf. on Signals, Systems, and Computers, pages 811–815, Pacific Grove, USA, October 2008
  S. Goetze, M. Kallinger, A. Mertins und K.-D. Kammeyer
  
• Room Impulse Response Shaping based on Estimates of Room Impulse Responses. In German Annual Conference on Acoustics (DAGA), pages 829–830, Dresden, Germany, März 2008
  S. Goetze, M. Kallinger, A. Mertins und K.-D. Kammeyer
  
• System Identification for Multi-Channel Listening-Room Compensation using an Acoustic Echo Canceller. In Workshop on Hands-free Speech Communication and Microphone Arrays (HSCMA), pages 224–227, Trento, Italy, May 2008
  S. Goetze, M. Kallinger, A. Mertins und K.-D. Kammeyer
  
• Estimation of the Optimum System Delay for Speech Dereverberation by Inverse Filtering. In Int. Conf. on Acoustics (NAG/DAGA 2009), pages 976– 979, Rotterdam, The Netherlands, März 2009
  S. Goetze, M. Kallinger, A. Mertins und K.-D. Kammeyer