8.4. Подавление эхо-сигнала в телефонии

Эхо-сигналы в цепях передачи в речевой полосе частот оказывают на передачу речи влияние двух типов: вызывают субъективные искажения и изменяют устойчивость цепи. Субъективные искажения речи возникают в цепях большой протяженности, где отраженные сигналы с задержкой, превышающей примерно 30 мс, могут полностью нарушить нормальный процесс разговора. Проблемы устойчивости могут возникать в таких применениях, как громкоговорящие телефоны и звукозаписывающая и звуковоспроизводящая аппаратура на конференции, где высокие коэффициенты усиления могут вызвать в цепях «подвывание». Традиционный способ решения обеих этих проблем заключается в использовании управляемого голосом затухания обратного канала в четырехпроводной части линии связи (рис. 8.1). Однако, при некоторых условиях, управляемое голосом затухание может вызывать субъективные искажения, например такие, как ограничение динамического диапазона речевых сигналов и обесточивание цепи. Более удачным решением будет подавление эхо-сигнала. Теперь опишем два варианта применения, дающих полное представление о конструктивных особенностях адаптивных фильтров, предназначенных для подавления речевых сигналов.

8.4.1. Устройство подавления эхо-сигналов в сетях

Устройства подавления эхо-сигналов в сетях располагаются в удобной точке четырехпроводной части телефонной цепи. Их цель – подавить эхо-сигналы при передаче речи, возникающие в обратном канале. Для цепи необходимы два устройства подавления эхо-сигналов, которые могут располагаться не в одной точке, поскольку, чем ближе к концам четырехпроводной цепи они располагаются, тем короче временные задержки эхо-сигналов, подлежащих подавлению. Для разработки устройства подавления эхо-сигнала необходимо знать длительность и временную задержку эхо-сигнала, в соответствии с местоположением устройства подавления эхо-сигнала в сети. На рис. 8.25 показаны некоторые типичные характеристики эхо-сигналов, измеренные на входе международной линии в Великобритании, для сигналов, полученных из Британской национальной сети [148]. Такие эхо-сигналы могут иметь задержки вплоть до 20 мс и очень затянутые незатухающие хвосты значительной энергии, длительность которых может достигать 30 мс с момента возникновения эхо-сигнала. Это противоречит данным, наблюдаемым для эхо-сигналов при передаче данных по каналам речевой связи, где ограничение ширины полосы сигнала вызывает более быстрое затухание хвоста эхо-сигнала (см. рис. 8.17). Однако большинство эхо-сигналов имеет меньшие временные задержки, и величина хвоста, которую надо подавить, зависит от необходимой степени подавления эхо-сигнала. Опубликованные конструкции устройств подавления эхо-сигналов предназначены для подавления составляющих эхо-сигналов, длительность которых достигает 16 мс, и получения таким путем баланса усиления обратных потерь сигнала на уровне от 25 до 30 дБ. Дальнейшее уменьшение остаточного эхо-сигнала достигается с помощью применения таких методов, как двухстороннее ограничение около нулевого уровня сигнала [150, 328]. При скорости дискретизации 8 000 импульсов в 1с, обычно используемой для кодирования речевого канала связи, адаптивный фильтр должен иметь 128 отводов. При цифровой реализации необходимо, чтобы входные импульсы фильтра имели точность в 12 разрядов, с учетом широкого динамического диапазона телефонных речевых сигналов. При обычных длинах слов, соответствующих необходимому количеству отводов, устройство подавления эхо-сигналов, передаваемых в речевой полосе, должно выполнять много операций сложного умножения и хранить значения слов большой длины. Очевидно, что устройства подавления речевого эхо-сигнала даже в этой минимальной форме являются более сложными для реализации, чем их информационно-управляемые аналоги. Решение таких проблем, как подавление изменяющихся во времени эхо-сигналов, приведет к еще более высокой степени сложности.

а.

б.

Рис. 8.25. Типичные импульсные характеристики эхо-сигнала для различных вариантов телефонных сетей, измеренные в точке международного ввода в Британскую сеть. (Из работы [148].)

в.

Рис. 8.25. (Продолжение).

Проблемы адаптации. При передаче данных входной сигнал устройства подавления эхо-сигнала обладает хорошими свойствами с точки зрения уровня мощности и спектра сигнала. Входной сигнал устройства подавления эхо-сигнала в речевой полосе частот необязательно обладает такими свойствами; в частности, его следующие свойства создают дополнительные серьезные проблемы:

1. Мощность речевого сигнала очень сильно меняется в зависимости от говорящего, а при одном и том же говорящем – для различных слогов. Следовательно, при использовании фиксированного значения , во избежание неустойчивости, его следует брать очень малым. Это часто преодолевается путем динамического нормирования  по мгновенным значениям мощности входных импульсов в линии задержки фильтра [88].

2. Некоторые слоги речи (например, гласные звуки) сильно коррелированы, что также может привести к неустойчивости, если значение  велико.

3. Разговорная речь, по своей сути, является полудуплексной, и, следовательно, время от времени входной сигнал адаптивного фильтра исчезает, что затрудняет отслеживание любых изменяющихся во времени эхо-сигналов.

4. Если бы разговорная речь на самом деле была полудуплексной, появление речевого сигнала с удаленного конца канала не имело бы значения, поскольку отсутствие входного сигнала препятствовало бы дрожанию задержки отвода из-за шумового сигнала ошибки. Однако, при телефонных переговорах имеются периоды одновременного разговора, когда речевые сигналы одновременно имеют место в обоих направлениях. Для предотвращения расстройки устройства подавления эхо-сигнала большинство разработок включают детекторы одновременных разговоров [328], которые препятствуют корректировке отводов в этот момент.

Реализация. Был разработан ряд экспериментальных сетевых устройств подавления эхо-сигналов, и по мере снижения стоимости реализации начинает иметь место коммерческая эксплуатация таких устройств. В самых простых конфигурациях игнорируются проблемы сдвига частоты, используются детекторы одновременных разговоров для предотвращения расстройки, а в некоторых случаях применяется двустороннее ограничение около нулевого уровня сигнала для улучшения общих характеристик. Типичная блок-схема такой конструкции показана на рис. 8.26. Для уменьшения аппаратной сложности применяется псевдологарифмическое   кодирование [150] речевых импульсов и значений коэффициентов отводов. Конструкции такого типа были объединены в одной СБИС  - типа с разрешением 5 мкм [89], и так как ряд устройств подавления отраженного сигнала может располагаться в одной точке, то на ТТЛ – микросхемах средней степени интеграции была реализована 12 – канальная объединенная аппаратная структура [88].

Были также разработаны экспериментальные конструкции, где была сделана попытка обработать изменяющиеся во времени эхо-сигналы, возникающие вследствие сдвига частоты. Обычно такие устройства являются гораздо более сложными, и в них используются такие методы, как задержка обратного канала во время выполнения быстрого оценивания отвода [71] и фазо - адаптивные структуры [328].

Рис. 8.26. Типичное устройство подавления эхо-сигналов речевой полосы.