Исследование эхокомпенсатора и улучшение его характеристик в режиме одновременного разговора абонентов

Общие сведения об эхокомпенсации. Алгоритм быстрого преобразования Фурье. Физический смысл дискретного преобразования. Вычислительные алгоритмы, использующие симметрию и периодичность последовательности. Тестирование проектируемого эхокомпенсатора.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Введение

В настоящее время все более и более значимыми становятся электронные средства коммуникации. Телевидение, телефония и глобальные телекоммуникационные сети сделали грандиозный шаг вперед, превратившись из несовершенных любительских разработок в вещи, без которых не мыслит себя, наверное, любой цивилизованный человек. Из-за небывалого развития телекоммуникационных устройств, более ранние разработки порой «не успевают» за прогрессом. Поэтому приходится искать методы, чтобы обеспечить нормальную работу и совместимость между новейшими технологиями и технологиями, которые считались вершиной развития десятилетия назад. Так, например аналоговая телефония постепенно вытесняется цифровой . Но, несмотря на свои недостатки, она все же процветает, и будет существовать еще через многие годы. Проблема эхо-сигнала в телефонных линиях - лишь одна из многочисленных проблем, существующих на сегодняшний день в телефонии. Связана она с особенностями физической организации телефонных линий, изменять которую экономически нецелесообразно. Поэтому разрабатываются специальные методы и устройства, которые позволяют подавлять эхо-сигналы. Наибольшим успехом в вопросах эхокомпенсации пользуются адаптивные методы [1, 5].

Применение адаптивных фильтров в системах связи оказалось весьма плодотворным. Этому способствовало несколько причин:

прогресс полупроводниковой технологии, особенно в области сверхбольших интегральных схем, дал возможность создания адаптивных фильтров при приемлемых коммерческих затратах;

рост систем передачи данных создал необходимость в применении адаптивной фильтрации для преодоления искажений передачи, присущих существующим телефонным сетям;

улучшение систем передачи речи для тех случаев, когда отраженные сигналы вызывают существенное искажение передачи звука или нестабильность [1].

В последнем случае говорят об эхо-сигналах, возникающих из_за того, что передаваемые сигналы вследствие взаимосвязей попадают в обратный канал и возвращаются вновь к своему источнику. Наиболее общей причиной возникновения обратных связей является несогласованность полных сопротивлений дифференциальных систем на стыке двухпроводных систем с четырехпроводными. Полное согласование сопротивлений практически невозможно, поскольку коммутируемая сеть содержит множество различных абонентских и соединительных линий, каждая из которых имеет свое сопротивление [2].

Степень раздражающего воздействия эха, испытываемого говорящим, зависит как от величины обратного сигнала, так и от его задержки. При установлении соединений на короткие расстояния задержка мала, и эхо проявляется как естественное слияние сигналов в ухе говорящего. Однако при возрастании задержки необходимо принимать меры к подавлению эха с тем, чтобы минимизировать раздражающий эффект.

Одним из возможных способов подавления эхо-сигналов является применение эхокомпенсатора устанавливаемого в четырехпроводной части цепи [3, 4]. Его основное назначение - сформировать искусственную копию эха и вычесть ее из просочившегося эхо-сигнала, который возвращается через дифференциальную систему к дальнему абоненту [1, 2, 5, 6].

Среди основных требований, предъявляемых к эхокомпенсаторам рекомендациями МСЭ [3], выделим следующие:

слабое ухудшение подавления эхо-сигнала, при одновременном разговоре абонентов;

уверенное детектирование двойного разговора.

Выделение этих требований не случайно, т. к. поведение общепринятых адаптивных алгоритмов в условиях одновременного присутствия сигналов от двух абонентов может существенно отличаться от поведения в условиях присутствия сигнала только от одного абонента. Кроме того, в состав эхокомпенсатора входит не только адаптивный фильтр, но также и детектор двойного разговора (ДДР), в его работе возможны ошибки [7, 8], которые влияют на процесс адаптации и могут привести к неправильной работе алгоритма перестройки коэффициентов адаптивного фильтра и изменению оценки эхо-тракта.

Зависимость величины изменения оценки эхо-тракта от соотношения амплитуд сигналов абонентов, параметров используемых алгоритмов и параметров эхо-тракта ранее не исследовалась, что затрудняет разработку новых алгоритмов перестройки коэффициентов, которые могли бы улучшить работу эхокомпенсатора в режиме двойного разговора.

Целью работы является исследование эхокомпенсатора и улучшение его характеристик в режиме одновременного разговора абонентов. Исследуется зависимость расстройки коэффициентов адаптивного фильтра от величины шага подстройки адаптивного алгоритма, соотношения амплитуд сигналов абонентов, параметров эхо-тракта. Предлагается новый робастный адаптивный алгоритм, позволяющий уменьшить искажения коэффициентов адаптивного фильтра, вызванные неточностями в работе ДДР. Приводятся результаты исследования процессов в эхокомпенсаторе, когда сигналы дальнего и ближнего абонентов являются как детерминированными, так и случайными. Для задания случайных сигналов используется схема задания сигналов предложенная в рекомендации G. 165 [3].

Важным этапом в разработке новых алгоритмов является их реализация в виде конечного устройства.



1. Общие свединия о эхокомпенсации

Причиной эха в телефонных каналах является аналоговое устройство, называемое дифференциальной системой (hybrid) (см. рис. 1). Оно используется для разбиения дуплексного канала на два симплексных, и содержит в себе пару трансформаторов. [8]

В связи с просачиванием тока в диффсистеме, часть принимаемого сигнала отражается обратно к своему источнику. Это отражение вкупе с задержками, происходящими при передаче сигналов, вызывает следующее явление: говорящий слышит эхо собственного голоса, что (субъективно) очень неприятно.

Данный эхокомпенсатор выполнен на базе алгоритма с использованием поблочно адаптируемого линейного фильтра. Имеются нелинейный процессор (NLP) для подавления остаточной ошибки эхокомпенсации, детектор двойного разговора, механизм изменения скорости адаптации в случае наличия гармонических сигналов и пр.

Рис. 1. Простейший эхокомпенсатор

Сигнал y(i) является сигналом дальнего абонента (Far), сигнал x(i) является сигналом ближнего абонента (Near), сигнал u(i) является выходным сигналом эхокомпенсатора (Out). Эхокомпенсатор имеет два входа, на один из которых подаётся сигнал ближнего абонента, на другой - сигнал дальнего абонента. Если мы подробней рассмотрим сам ЭК (рис. 2), то видим что основой является адаптивный фильтр и так как он работает в реальном времени, то ему соответственно нужен наиболее быстрый алгоритм, к примеру можно использовать быстрое преобразование фурье(БПФ). Чтобы этот фильтр отличал встречный сигнал от эха, стоит детектор встречного разговора(DBP), также в данной модели стоят шумоподавитель(SH) для подавления постороних шумов и нелинейный процессор(NP) для управления процессом. Проследим собственно за ходом сигнала V(n), этот сигнал поступает на шумоподавитель и впоследущем на детектор встречного разговора(для временной записи для анализа) и на сумматор в виде сигнала y(n), где после идёт через процессор к абоненту, впоследующем от абонента идёт сигнал x(n) обратно и попадает на адаптивный фильтр и детектор. С детектора идёт на адаптивный алгоритм перестановки коэфициентов КИХ-фильтра, на котом одновременно есть пришедший обратный сигнал, прошедший обработку БПФ. В результате из фильтра выходит сигнал, который обрабатывается обратным преобразованием Фурье(ОБПФ) и этот сигнал y*(n) поступает на сумматор и вычинается из сигнала y(n), в результате мы получаем ошибку e(n)=y(n)-y*(n), которая поступает на анализ адаптивного алгоритма перестановки коэфициентов КИХ-фильтра , который подстраивает коэфициенты КИХ-фильтра таким образом чтобы ошибка была минимальной, в результате мы и получим эхоподавление [9].



Рис. 2. Более подробная схема эхокомпенсатора

Эхокомпенсатор является встроенным устройством и для его реализации используется сигнальный процессор (СП), который в последующем програмируется под заданный алгоритм.

1. 1 Быстрое преобразование Фурье (БПФ) 1. 2. 1 Физический смысл БПФ

Для чего нужно быстрое преобразование Фурье или вообще дискретное преобразование Фурье (ДПФ)? Давайте попробуем разобраться. Пусть у нас есть функция синуса x = sin(t) на рис. 3.

Рис. 3. функция синуса x = sin(t) 

Максимальная амплитуда этого колебания равна 1. Если умножить его на некоторый коэффициент A, то получим тот же график, растянутый по вертикали в A раз: x = Asin(t).

Период колебания равен 2р. Если мы хотим увеличить период до T, то надо умножить переменную t на коэффициент. Это вызовет растяжение графика по горизонтали: x = A sin(2рt/T).

Частота колебания обратна периоду: н = 1/T. Также говорят о круговой частоте, которая вычисляется по формуле: щ= 2рн = 2рT. Откуда: x = A sin(щt).

И, наконец, есть фаза, обозначаемая как ц. Она определяет сдвиг графика колебания влево. В результате сочетания всех этих параметров получается гармоническое колебание или просто гармоника на рис. 4.

Рис. 4. Гармонические колебания

Очень похоже выглядит и выражение гармоники через косинус на рис. 5.

Рис. 5 гармоника через косинус



Большой разницы нет. Достаточно изменить фазу на р/2, чтобы п...