Adaptive nichtlineare Systeme und ihre Anwendung zur Kompensation akustischer und elektrischer Echos in Telekommunikationseinrichtungen
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurden neue Strukturen und leistungsfähige Algorithmen zur nichtlinearen adaptiven Filterung untersucht, insbesondere im Hinblick auf eine Anwendung zur Kompensation akustischer Echos. Ausgehend vom allgemeinen Ansatz der Volterra-Filter wurden unterschiedliche Strukturen nichtlinearer Filter entwickelt, die zum einen eine aufwandsgünstige Realisierung erlauben, zum anderen aber auch deutlich schnellere und robustere Konvergenz als herkömmliche lineare adaptive Filter aufweisen. Da für realisierbare Systeme zur Kompensation nichtlinearer Verzerrungen ein geringer Modellierungsaufwand eine herausragende Stellung einnimmt, wurde mit dem Konzept der 'Power-Filter' eine rechentechnisch effiziente Approximation allgemeiner nichtlinearer Strukturen untersucht. Um dabei dem Einfluss der Korrelationen zwischen den einzelnen Signalpotenzen entgegenzutreten, wurden äquivalente, orthogonalisierte Strukturen mit verbessertem Konvergenzverhalten entwickelt. Da diese Strukturen jedoch nicht dazu geeignet sind, beliebige gedächtnisbehaftete Nichtlinearitäten zu modellieren, wurden daneben auch weiterhin adaptive Volterra-Filter untersucht. So wurden für Volterra-Filter im Zeitbereich zum einen eine theoretisch optimale Schrittweite sowie darauf aufbauend geeignete Schrittweitensteuerungen entwickelt. Speziell wurde auch eine proportionale Gewichtung der Adaptionsterme nach dem jeweiligen Wert der Koeffizienten eingeführt, die eine zusätzlich verbesserte Konvergenz bewirkt. Zum anderen wurden adaptive Volterra-Filter in Diagonalkoordinatendarstellung weiterentwickelt, die sich insbesondere gut zur Modellierung kaskadierter nichtlinearer Systeme eignen. Basierend auf den Blockverarbeitungstechniken linearer partitionierter Filter wurden entsprechende Realisierungen von Volterra-Filtern im DFT-Bereich entwickelt und in ihrem Adaptionsverhalten analysiert. Die hierbei entstandenen Algorithmen erlauben einerseits eine sehr effiziente Beschreibung im Frequenzbereich, zeichnen sich andererseits aufgrund der asymptotischen Orthogonalisierungseigenschaft der DFT aber auch durch eine robustere und schnellere Konvergenz aus. Um die Konvergenzgeschwindigkeit durch eine optimale Nutzung der verfügbaren Eingangsdaten weiter zu erhöhen wurde darüber hinaus der Einsatz einer rahmenweise iterierten Koeffizientenadaption erforscht. Neben der Entwicklung aufwandsgünstiger, "schneller" Implementierungen lag ein Schwerpunkt der Untersuchungen auf dem Verhalten der Algorithmen unter realistischen Bedingungen. Durch zahlreiche Experimente für unterschiedliche Störleistungen, schnelle und gravierende Systemänderungen und fehlende Nebensprech-Detektion konnte die Robustheit der Verfahren verifiziert werden. Die internationale Anerkennung für die im Rahmen des Projekts entstandenen Veröffentlichungen zu den neu entwickelten Algorithmen zeigt, dass dem Thema der adaptiven nichtlinearen Filter erhebliche Bedeutung beigemessen wird. Dabei bestätigen die Ergebnisse die Wirksamkeit der neuen Algorithmen zur nichtlinearen Filterung für besonders anspruchsvolle Modellierungsaufgaben mit komplexen gedächtnisbehafteten nichtlineare Systeme und instationärer Anregung durch Sprachsignale. Damit wurde durch das geförderte Forschungsprojekt ein vielbeachteter Beitrag zur Weiterentwicklung von nichtlinearen adaptiven Filtern geleistet, der auch die Grundlage für viele Anwendungen jenseits der akustischen Echokompensation geschaffen hat. Entsprechend bilden die in diesem Projekt entwickelten Verfahren auch den Ausgangspunkt für ein weitergehendes Forschungsprojekt zur Untersuchung allgemeinerer Konzepte zur Modellierung und Identifikation nichtlinearer Systeme. Ein entsprechender Förderantrag an die DFG (KE 890/5-1) wurde erfreulichen/ veise Mitte 2008 genehmigt.
Publications
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F Küch und W. Kellermann, 'Proportionate NLMS Algorithm for Second-Order Volterra Filters and its Application to Nonlinear Echo Cancellation', in Proc. Int. Workshop on Acoustic Echo and Noise Control (IWAENC), Kyoto (Japan), Sept. 2003, S. 75-78
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F. Kuch und W. Kellermann, 'Orthogonalized Power Filters for Nonlinear Acoustic Echo Cancellation', Signal Processing, Juni 2006, Bd. 86, Nr. 6, S. 1168-1181
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F. Kuch, M. Zeller und W. Kellermann, 'Input Signal Decorrelation Applied to Adaptive Second- Order Volterra Filters in the Time Domain', in Proc. IEEE 12th Digital Signal Processing WorkshopMth Signal Processing Education Workshop, Jackson Hole/Grand Teton National Park (USA), Sept. 2006, S. 348-353
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F. Küch und W. Kellermann, 'A Novel Multidelay Adaptive Algorithm for Volterra Filters in Diagonal Coordinate Representation', in Proc. IEEE Int. Conf on Acoustics, Speech, and Signal Processing (ICASSP), Montreal (Kanada), Mai 2004, Bd. 2, S. 869-872
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F. Küch und W. Kellermann, 'Coefficient-Dependent Step-Size for Adaptive Second-Order Volterra Filters', in Proc. European Signal Processing Conference (EUSIPCO), Wien (Österreich), Sept. 2004, S.l 805-1808
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F. Küch und W. Kellermann, 'Nonlinear Acoustic Echo Cancellation', in E. Hänslerand G. Schmidt (eds.) - Topics in Acoustic Echo and Noise Control, Heidelberg: Springer, Juni 2006, S. 205-257
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F. Küch und W. Kellermann, 'Partitioned Block Frequency-Domain Adaptive Second-Order Volterra Filter', IEEE Trans, on Signal Processing, Feb. 2005, Bd. 53, Nr. 2, S. 564-575
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F. Küch, A. Mitnacht und W. Kellermann, 'Nonlinear Acoustic Echo Cancellation Using Adaptive Orthogonalized Power Filters', in Proc. IEEE Int. Conf on Acoustics, Speech, and Signal Processing (ICASSP), Philadelphia (USA), März 2005, Bd. 3, S. 105-108
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F. Küch, Adaptive Polynomial Filters and their Application to Nonlinear Acoustic Echo Cancellation, Dissertation, Universität Erlangen-Nürnberg, Nov. 2005
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M. Zeller und W. Kellermann, 'Fast Adaptation of Frequency-Domain Volterra Filters Using Inherent Recursions of Iterated Coefficient Updates', in Proc. European Signal Processing Conference (EUSIPCO), Poznan (Polen), Sept. 2007, S. 1605-1609
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M. Zeller und W. Kellermann, 'Framewise Repeated Coefficient Updates for Enhanced Nonlinear AEC by Diagonal Coordinate Volterra Filters', in Proc. Joint Workshop on Hands-free Speech Communication and Microphone Arrays (HSCMA), Trento (Italien), Mai 2008, S. 196-199
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M. Zeller und W. Kellermann, 'Iterated Coefficient Updates of Partitioned Block Frequency-Domain Second-Order Adaptive Volterra Filters for Nonlinear AEC, in Proc. IEEE Int. Conf. on Acoustics, Speech, and Signal Processing (ICASSP), Honolulu (USA), April 2007, Bd. 3, S. 1425-1428
