JPH04160811A - 適応信号処理装置 - Google Patents

適応信号処理装置

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JPH04160811A
JPH04160811A JP28610890A JP28610890A JPH04160811A JP H04160811 A JPH04160811 A JP H04160811A JP 28610890 A JP28610890 A JP 28610890A JP 28610890 A JP28610890 A JP 28610890A JP H04160811 A JPH04160811 A JP H04160811A
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JP
Japan
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circuit
data
signal processing
processing device
coefficient
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JP28610890A
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Toyoo Kiuchi
木内 豊雄
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NEC Corp
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  • Filters That Use Time-Delay Elements (AREA)
  • Cable Transmission Systems, Equalization Of Radio And Reduction Of Echo (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、適応信号処理装置に関し、特に通信回線等の
エコーキャンセラに用いられる適応信号処理装置に関す
る。
〔従来の技術〕
適応信号処理装置は電話回線等のエコーキャンセラやノ
イズキャンセラなどに用いられていた。
適応信号処理装置を用いたエコーキャンセラは接続され
た回線固有のエフ−伝搬経路の周波数特性を時間系列の
インパルス応答として適応的に推定し、疑似的なエコー
信号(疑似エコー)を作り出してエコー信号から引き去
るもので、エコーサプレッサのように系に減衰を与える
事なくエコーを除去できるため自然な会話が可能となる
また、適応信号処理装置を用いたノイズキャンセラは二
つの信号入力手段によって、雑音混じりの音声信号と雑
音のみの観測信号が与えられたときに雑音混じりの信号
から雑音を除去して音声信号をエンハンスすることを可
能としている。
従来の適応信号処理装置では、予測誤差の二乗平均値を
最小化するようにフィルタ係数の修正を行うウィドロー
・ホフ(W idrow−Hof f )のLMS(L
east−Mean−Square)アルゴリズムに基
づく適応フィルタ処理等が行われていた。
最初に、この適応フィルタ処理の概要を説明する。
適応フィルタに対する現在までの入力信号列ベクトルを
、 5(k)=[5(k)、5(k−1)、5(k−2)、
−,5(k−N+1)]IT=(1)とし、フィルタ係
数ベクトルを、 A(k)=[al(k)、a2(k)、a3(k)、−
、aN(k)IT   −(2)とすると、現在までの
入力信号列による次の入力サンプルの予測値1)(k+
1)は次式で表される。
p(k+1):AT(k)・5(k)        
       −・(3)またフィルタ係数の修正式は
次式で表される。
A(k+1):A(k)+K(k+1)・e(k)  
       =(4)ここでe (k)は誤差信号で
あり、ゲインにはLMSアルゴリズムの場合、次式で示
される。
K (k+1 )=S (k )          
                  −・(5)実用
的には、伝送路誤りの影響を軽減するために(4)式の
代わりに次式が用いられる。
A(k+1):W−A(k)+(k+1)−e(k)(
0くwくl)                   
       −・(6)ここで、Wは重み係数である
第2図に以上説明した適応フィルタ処理のシグナル寺フ
ローを示す。
第2図においてステップ201〜213は乗算処理、ス
テップ220〜226は1サンプリング周期に相当する
時間だけ入力信号を遅延をする遅延処理、ステップ23
0〜236は加算処理で、破線で示した(C)の部分は
(C)と同一の処理が繰り返される。
ノイズ・キャンセラの場合、入力信号S (k)は雑音
たけの観測信号、次の入力サンプルの予測値p (k+
1)は雑音の推定値、誤算信号e(k)は雑音混じりの
音声信号と雑音の推定値との差に各々相当する。
次に、前述の適応フィルタ処理を実行する従来の適応信
号処理装置の構成及び動作について説明する。
第6図は、従来の適応信号処理装置の一例を示すブロッ
ク図である。
第6図において、従来の適応信号処理装置は、16ビツ
トX1Bビツトの乗算を1インストラクシヨンサイクル
(以下1ステップという)で実行し乗算結果を31ビツ
トで出力する乗算器1と、31ビツトの2人力を1ステ
ップで加算する加算器2と、加算器2の出力を保持する
31ビツトのアキュムレータ3と、データRAM4と、
256ワード×16ビツトの係数RAM5と、データR
AM4のアドレスを指定する8ビツトポインタで1ある
データRAMポインタ(以下DPという)7と、係数R
AM5のアドレスを指定する8ビ・ソトポインタである
係数RAMポインタ(以下CPという)8と、2人力の
うちの一方を選択出力するマルチプレクサ9と、16ビ
ツト幅の内部データバス20とから構成されていた。
LMSアルゴリズムを第3図に示す従来の適応信号処理
装置で実行する場合、次のサンプルの予測値p(k+1
)を求める(3)式については1タップ当り1ステップ
の処理で実現可能であるが、フィルタ係数の修正式(4
)については1タップ当り4ステップの処理を要する。
フィルタ係数の修正に関する各ステップの処理の詳細は
以下の通りである。
第1ステップは、係数ai(k)を係数RAM5より内
部データバス20及びマルチプレクサ9、加算器2を介
してアキュームレータ3ヘロードする。
第2ステップは、式(4)の第2項の乗算(LMSアル
ゴリズムの場合は、5(k−i+1)・e(k))を行
う。データ5(k−i+1)はデータRAM4より内部
データバス20を介し乗算器1の一方の入力ラッチへ入
力される。データe(k)は乗算器の一方の入力ラッチ
にあらかじめラッチしておけばよく、各夕・ンプの処理
毎に更新する必要はない。
第3ステップは、式(4)の第1項と第2項の加算を行
う。加算結果はアキュムレータ3に蓄えられる。このス
テップでは内部データバス20はドライブしない。
第4ステップは、新係数ai(k+1)をアキュムレー
タ3より内部データバス20を介し係数RAM5へ格納
する。
従って、第5図に示す従来の適応信号処理装置では1タ
ップ当り5ステップの処理が必要であった。
一方、実際の適応フィルタシステムでは非常に多くのタ
ップ数を必要とする。
たとえば、エコーキャンセラの場合、日本国内通信網で
の伝送遅延を考えるとエコー遅延量をカバーするインパ
ルス応答系列は、50〜60ms程度必要であり、40
0〜500り・ツブの適応フィルタを構成する必要があ
った。
また、車載オーディオ等の音場制御の場合は、自動車内
の音響空間における反射音や残響音(高次反射音)を考
えた場合の反射遅延時間をカバーするインパルス応答系
列は25m5程度は必要であり、48kHz標本化に対
して1200タップ程度のフィルタを構成する必要があ
る。
〔発明が解決しようとする課題〕
上述した従来の適応信号処理装置では、LMSアルゴリ
ズムの適応フィルタ処理のため1タップ当り多数のステ
ップの処理か必要であるという欠点があった。
また、実際の適応フィルタシステムは非常に多くのタッ
プ数を必要とするので、適応フィルタを構成するために
は膨大なハードウェア量が必要であるという欠点があっ
た。
たとえば、第5図に示す従来の適応信号処理装置の1ス
テップ実行時間を100nSとし、1サンプリング周期
を0.02m5とすると、1サンプリング期間中に実行
可能なタップ数は40タップとなる。したかって、適応
フィルタの必要タップ数が1000タツプの場合は、2
5台の適応信号処理装置を並列動作させる必要があった
〔課題を解決するための手段〕
本発明の適応信号処理装置は、予め定めたサンプリング
周期毎に、フィルタ係数の修正を行なう最小化二乗平均
値アルゴリズムに基ずき、入力データのサンプル値と前
記周期毎に修正した前記フィルタ係数との乗算を行なう
乗算回路と、前記乗算回路の出力値が入力される加算回
路と、 前記加算回路の加算出力値が保持される加算値保持回路
と、 前記周期毎の入力データのサンプル値を記憶する第一の
記憶回路と、 前記周期毎の前記フィルタ係数の最新値を交互に記憶す
る第二および第三の記憶回路と、前記第二または前記第
三の記憶回路の出力データの一方を選択する第一の選択
回路と、前記第一の選択回路の出力値と前記加算値保持
回路の出力値を切替え前記加算回路に入力する第二の選
択回路と、 前記加算値保持回路の出力値を前記フィルタ係数の最新
値として前記第二または第三の記憶回路′に出力するか
データバスに出力するかを切替える第三の選択回路とを
有するものである。
〔実施例〕
次に、本発明について図面を参照して説明する。
第1図は、本発明の第一の実施例を示すブロック図であ
る。
第1図において、本発明の適応信号処理装置は、前述の
従来の例と同様の構成要素である、16ビツト×16ビ
ツトの乗算を1インストラクシヨンサイクル(以下1ス
テップという)で実行し乗算結果を31ビツトで出力す
る乗算器1と、31ビツトの2人力を1ステップで加算
する加算器2と、加算器2の出力を保持する31ビツト
のアキュムレータ3と、データRAM4と、256ワー
ド×16ビツトの係数RAM5と、データRAM4のア
ドレスを指定する8ビツトポインタであるデータRAM
ポインタ(以下DPという)7と、係数RAM5のアド
レスを指定する8ビツトポインタである係数RAMポイ
ンタ(以下CPという)8と、2人力のうちの一方を選
択出力するマルチプレクサ9と、16ビツト幅の内部デ
ータバス20に加えて、以下のものから構成されている
すなわち、マルチプレクサ9と同様のマルチプレクサ1
0と、入力した16ビツトデータを一時保持するデータ
ラッチ11と、2人力のうちの一方の16ビツトデータ
を選択し2出力の両方へ出力するマルチプレクサ12と
、入力した31ビツトデータの上位16ビツトを2出力
のうちの一方へ出力するデマルチプレクサ13と、選択
回路15と、16ビツト幅データバスであるバス21〜
33と、31ビツト幅データバスであるバス40〜43
が追加されている。
選択回路15は、後述の選択信号S4とF/R選択信号
FRIを入力し、選択信号S3とR/W制御信号RW3
を出力する論理回路である。
第4図に、選択回路15の真理値表を示す。
次に、本実施例における信号の種類と、その機能につい
て説明する。
選択信号S1は、ハイレベルで、データRAM4を選択
する制御信号である。
選択信号S2は、ハイレベルで、係数RAM5を選択す
る制御信号である。
R/W制御信号RWIは、ローレベルでデータRAM4
を読出し状態とし、ハイレベルでデータRAM4を書込
み状態とする制御信号である。
R/W制御信号RW2は、ローレベルで係数RAM5を
読出し状態とし、ハイレベルで係数RAM5を書込み状
態とする制御信号である。
選択信号S3は、ハイレベルで、係数RAM6を選択す
る制御信号である。
R/W制御信号RW3は、ローレベルで係数RAM6を
読出し状態とし、ハイレベルで係数RAM6を書込み状
態とする制御信号である。
選択信号S4は、サンプリング周期毎にレベル反転する
制御信号である。
F/R制御信号FRIは、前述の(3)式に相当する入
力サンプルの予測値1)(k+1)を算出中はローレベ
ルとなり、前述の(4)式に相当するフィルタ係数の修
正処理中はハイレベルとなる制御信号である。
ラッチ制御信号L1は、データラッチ11のラッチタイ
ミングを指定する制御信号で、ハイレベルの間は、入力
データをそのまま出力し、立下がりエツジで入力データ
をラッチし、ラッチ結果をローレベル期間中出力する。
ドライブ制御信号D1はデマルチプレクサ13の出力の
うちバス33側をドライブ状態とするかハイインピーダ
ンス状態とするかを指示する制御信号で、ドライブ制御
信号D1がローレベルの場合ハイインピーダンスとなる
選択信号S5はローレベルでマルチプレクサ12の入力
としてデータバス20を選択し、ハイレベルでバス26
を選択する選択信号である。選択されたデータはバス2
7.28の両方へ出力される。
次に、前述の適応信号処理動作の説明に基づき本実施例
の動作を説明する。
最初フィルタ処理前の初期設定として係数RAM5にデ
ータバス20を介して適応フィルタ係数の初期値を設定
する。
この処理は選択信号S4をローレベル、F/R制御信号
FRIをハイレベル、選択信号S5をローレベル、ドラ
イブ制御信号D1をローレベルとすることにより実行さ
れる。
この場合、係数RAM5にデータバス20を介してデー
タ書き込みが行われると共に係数RAM6の内容がバス
31上に出力されるが、ドライブ制御信号D1がローレ
ベルであることから初期設定動作への影響はない。
以上の処理はサンプリング周期毎に実行される適応フィ
ルタ処理とは別に、あらかじめ実行される。
次に、サンプリング周期毎に実行される処理について説
明する。
最初に前述の(1)式のs (k)に相当する現在の入
力サンプル値をデータRAM4に書込む。
次に、前述の(3)式に相当する入力サンプルの予測値
p(k+1)を算出する。
この算出処理は選択信号S4をハイレベル、F/R制御
信号FRIをローレベル、ラッチ制御信号L 1をハイ
レベルとすることにより実行される。
この場合、係数RAM5のデータはデータバス31を介
して乗算器1に入力される。一方、データRAM4のデ
ータもデータバス20を介して乗算器1に入力される。
乗算結果は1ステップ後に加算器2へ入力される。
マルチプレクサ10は、アキュムレータ3から出力され
たバス42のデータをバス43へ出力し、加算器2に入
力するので、前述の乗算結果はさらに、アキュムレータ
3の内容に加算され、その加算結果がさらに、アキュム
レータ3に蓄えられる。
以上の処理を繰り返すことによって入力サンプルの予測
値p(k+1)が算出される。
ここで、乗算と1タツプ前の加算とは、同一ステップ内
で行われるため、予測値P(k+1)の算出処理は、1
タップ当り1ステップで実行されることになる。
予測値P(k+1)が求められると、ドライブ制御信号
DIがハイレベルとなり、アキュムレータ3からデータ
バス20へ、この予測値P (k十1)が出力される。
次に、(4)式に相当するフィルタ係数の修正処理のう
ちの1タップ分の処理について説明する。
この処理は選択信号S4をハイレベル、F/R制御信号
FRIをハイレベル、ラッチ制御信号L1をローレベル
、選択信号S5をハイレベル、ドライブ制御信号D1を
ローレベルとすることにより実行される。
1タップ分の処理は3ステップにわたり実行される。各
ステップに於ける処理は以下の通りである。
第1ステップは係数ai(k)を係数RAM5よりバス
31及びバス43を介して加算器2の一方の入力に転送
するとともに、式(4)の第2の乗算5(k−i)・e
 (k)を行う。この乗算は、データ5(k−i)をデ
ータRAM4よりデータバス20を介し乗算器1の一方
の大力ラッチへ入力することにより実行される。なおデ
ータe(k)はデータラッチ11にサンプリング周期の
はじめにあらかじめラッチしておく。
第2ステップは、1ステップ前に上記(1)と同様に実
行した乗算の結果5(k−j+1)・e(k)と1ステ
ップ前に上記(1)と同様に加算器2へ転送した係数a
i−1(k)との加算を行う。
加算結果はアキユムレータ3に蓄えられる。
第3ステップは、アキュムレータ3に蓄えられた新係数
ai(k+1)は、次のステップでアキュムレータ3よ
りバス26を介して係数RAM6へ書込まれる。
ここで係数ai(k)を読出すタイミングと新係数ai
(k+1)を書込むタイミングとは2ステップ分異なり
、2個の係数RAMに対してCPが1個のため、更新の
前後で係数のアドレスが2アドレス分異なることになる
このように同一タップの係数修正処理には3ステップを
要するか、1番目のタップに関する上記第1ステップの
処理と、i−1番目のタップに関する上記第2ステップ
の処理と、l−2番目のタップに関する上記第3ステッ
プの処理とは同一ステップ中にパイプライン的に処理さ
れる。
次のサンプリング周期においても同様の処理が行われる
が、係数RAM5と整数RAM6とが逆に用いられる。
係数RAM5と係数RAME3の選択は第4図に示す通
り選択信号S4とF/R制御信号FRIにより行なわれ
る。
以上説明したように、従来の適応信号処理装置では適応
フィルタ1タップ分の処理に5ステップを要していたが
、本実施例の適応信号処理装置では1タップ当り2ステ
ップで実行可能となる。
本実施例で述べたバスのバス幅、乗算器、加算器等のビ
ット構成、サンプリング周期等は、前述のデータバスの
バス幅、乗算器、加算器等のビット構成、サンプリング
周期等に制限される事なく、他の適切な構成によっても
実現できることは言うまでもない。
次に、本発明の第二の実施例について説明する。
第4図は本発明の第二の実施例のシステム構成図である
第4図において、係数RAM5のアドレスを指定する8
ビツトポインタである係数RAMポインタ(以下CPと
記す)17と係数RAM8のアドレスを指定する8ビツ
トポインタ16と、これらに接続されるバスを除いて前
述の第一の実施例と同じ構成である。
ここでは2個の係数RAMに対して各々CPが用意され
るため、係数ai(k)を読出すタイミングと新係数a
t(k+1)を書込むタイミングとが2ステップ分異な
った場合も、更新の前後で係数のアドレスを同一とする
ことができる。
本実施例2で述べたポインタのビット構成等も、8ビツ
トに制限される事なく、他の適切な構成によっても実現
できることは言うまでもない。
次に、本発明の第三の実施例について説明する。
第5図は、本発明の第三の実施例を示すブロック図であ
る。
第5図において、シフタ18と、選択回路19とが係数
RAM5.6のアドレスを指定する係数RAMポインタ
8の出力側に付加された以外は、前述の第一の実施例と
同様の構成である。
シフタ18は、係数RAMポインタ8の8ビツトの出力
データを、データ処理ごとに2ステップずつシフトする
ものである。
選択回路19は、係数RAME3の書込み読出しを制御
するR/W制御信号RW3により制御され、係数RAM
ポインタ8の出力データとシック18の出力データを切
替えて、それぞれ係数RAM5あるいは係数RAM6に
入力するものである。
すなわち、R/W制御信号RW3がローレベルのときは
、係数RAMポインタ8の出力データを係数RAM6に
入力するとともに、シフタ18の出力データを係数RA
M5に入力する。
逆に、R/W制御信号RW3かハイレベルのときは、係
数RAMポインタ8の出力データを係数RAM5に入力
するとともに、シフタ18の出力データを係数RAM6
に入力する。
前述のように、フィルタ係数の修正処理において、係数
ai(k)を読出すタイミングと、新係数ai(k+1
)を書込むタイミングとは2ステップ分異なるが、シフ
タ18と選択回路19により、係数RAM6に入力され
る書込みアドレスは、2ステップ前の係数RAM5の読
出しアドレスと同一となる。
したがって、更新前後でアドレスが異なることはないと
いう点が、前述の第一または第二の実施例との相違点で
ある。
また、R/W制御信号RW3の代りに、係数RAM5.
6の出力を切替えるマルチプレクサ9を制御する選択信
号S4を用いても、全く同様の動作となることは明らか
であり、本発明の主旨を逸脱しない限り適用できること
は勿論である。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明は、従来5ステップ要してい
た1タップ分の適応フィルタ処理が2ステップ、すなわ
ち、従来の215で実行できるという効果がある。
したがって、大幅なハードウェア量の削減が可能となる
という効果がある。
たとえば、第6図に示す従来の適応信号処理装置の1ス
テップ実行時間を100nS、1サンプリング周期を0
.02m5.適応フィルタの必要タップ数が1000タ
ツプの場合は、25台の適応信号処理装置を並列動作さ
せる必要があったが、本発明の適応信号処理装置では、
1ステップ実行時間を同一としても、10台の並列動作
に削減できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第一の実施例を示すブロック図、第2
図は適応フィルタ処理のシグナルフローチャート、第3
図は選択回路の真理値表を示す図、第4図は本発明の第
二の実施例を示すブロック図、第5図は本発明の第三の
実施例を示すブロック図、第6図は従来の適応信号処理
装置の一例を示すブロック図である。 1・・・乗算器、2・・・加算器、3・・・アアキュム
レータ、4・・・データRAM、5.6・・・係数RA
M、7・・・データRAMポインタ、8,16.17・
・・係数RAMポインタ、9,10.12・・・マルチ
プレクサ、11・・−データラッチ、15.19・・・
選択回路、18・・・シフタ、20・・・内部データバ
ス、21〜33.40〜43・・・バス。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、予め定めたサンプリング周期毎に、フィルタ係数の
    修正を行なう最小化二乗平均値アルゴリズムに基ずき、
    入力データのサンプル値と前記周期毎に修正した前記フ
    ィルタ係数との乗算を行なう乗算回路と、 前記乗算回路の出力値が入力される加算回路と、 前記加算回路の加算出力値が保持される加算値保持回路
    と、 前記周期毎の入力データのサンプル値を記憶する第一の
    記憶回路と、 前記周期毎の前記フィルタ係数の最新値を交互に記憶す
    る第二および第三の記憶回路と、前記第二または前記第
    三の記憶回路の出力データの一方を選択する第一の選択
    回路と、 前記第一の選択回路の出力値と前記加算値保持回路の出
    力値を切替え前記加算回路に入力する第二の選択回路と
    、 前記加算値保持回路の出力値を前記フィルタ係数の最新
    値として前記第二または第三の記憶回路に出力するかデ
    ータバスに出力するかを切替える第三の選択回路とを有
    することを特徴とする適応信号処理装置。 2、前記第一および第二および第三の記憶回路は書込み
    読出し制御信号により書込み読出し制御されアドレスポ
    インタによりアドレス指定されるRAMであることを特
    徴とする請求項1記載の適応信号処理装置。 3、前記第二の記憶回路は前記第三の記憶回路が書込み
    状態のとき読出し状態に制御され、前記第三の記憶回路
    は前記第二の記憶回路が書込み状態のとき読出し状態に
    制御されることを特徴とする請求項1または2記載の適
    応信号処理装置。 4、前記第二および第三の記憶回路はアドレス指定用の
    共通の前記アドレスポインタを有することを特徴とする
    請求項2記載の適応信号処理装置。 5、前記第二および第三の記憶回路はアドレス指定用の
    それぞれ専用の前記アドレスポインタを有することを特
    徴とする請求項2記載の適応信号処理装置。 6、前記第二および第三の記憶回路はアドレス指定用の
    共通の前記アドレスポインタと、前記アドレスポインタ
    の出力データをデータ処理ごとに2ステップずつシフト
    するシフト回路と、 前記アドレスポインタの出力データと前記シフト回路の
    出力データとを前記第二および第三の記憶回路にそれぞ
    れ切替え入力する第四の選択回路とを有することを特徴
    とする請求項4記載の適応信号処理装置。 7、前記第四の選択回路は前記第二の記憶回路の書込み
    読出し制御信号の制御により制御されることを特徴とす
    る請求項4記載の適応信号処理装置。 8、前記第四の選択回路は前記第一の選択回路を制御す
    る制御信号により制御されることを特徴とする請求項4
    記載の適応信号処理装置。
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