Wykład 9: Usuwanie echa w sieci telefonicznej (echo cancelation)

PG – Katedra Systemów Mikroelektronicznych

ZASTOSOWANIE PROCESORÓW SYGNAŁOWYCH

Marek Wroński

Źródła powstawania echa w sieci telefonicznej

1.Echo bliski powstaje w wyniku niedopasowania impedancji rozgałęźnika (do siebie oraz do pętli abonenckiej). Powodują one odbicia sygnału.2.Echo dalekie – podobnie, ale spowodowane jest przenikaniem sygnału z gałęzi wejściowej do wyjściowej rozgałęźnika po prawej stronie (z sygnałem abon.)3.Echa akustyczne, np. w urządzeniach głośno-mówiących w wyniku przenikania sygnału z nadajnika (głośnika) do lokalnego odbiornika (mikrofonu) poprzez wibracje, dużo odbić od ścian (duże opóźnienie echa =droga/300m/s) itp.4. Interferencje/przenikanie między kanałami.Zjawisko echa ma decydujący wpływ na system transmisji cyfrowej w trybie

dupleksowym, tj. równocześnie w dwóch kierunkach

Funkcje rozgałęźnika (hybrydy)

1. Separacja i wzmacnianie (regeneracja) sygnałów nadawanych i odbieranych2. Koncentracja/kompresja sygnałów cyfrowych dla zwiększenia pojemności

Efektywna fun.transmit. linii długiej:

Charakterystyki kabli pętli abonenckiej (dł. w ft=0.305m)

Stłumianie echa poprzez zmienne wzmocnienie w różnych kierunkach (echo suppression)

Zamiast odcięcia wprowadza się szum dla lepszego komfortu

Konieczność pomiaru chwilowejmocy sygnału

Zasada działania redukcji echa - odjęcie jego kopii (f. Wienera)

sygnał referencyjny (mowa daleka)

sygnał adaptacyjny (mowa bliska)

echokopia echa

Zakładając liniowość i niezmienność wczasie - redukcja echa gdy H(z)=G(Z),

ale G=IIR, H=FIR dlatego N duże

Zakładając niezmienność współczynników minimalizujemy moc resztkowego echa

otrzymujemy równanie normalne:rozwiązanie:

Dla szumu białego(=g)

Adaptacyjna redukcji echa

Least Mean Square (LMS) algorytm:

Dla m=1(zgrubna korelacja) klasyczny LMS

zbieżność gdy:

Wybór adaptacyjnego wzmocnienia

Sygn.lokalny nieusuwalne echo (N) reszta od nieidealnych wsp. Echo Return Loss Enhancement (ERLE):

*1/M gdy współczynnikisą uaktualniane co M próbek

Dodanie Nieliniowego Procesora (NLP) i Bloku kontrolnego

Konieczność podejścia adaptacyjnego do redukcji echa

Wynika z nieznajomości odpowiedzi impulsowej ścieżki echa (różne drogi połączeń)

x(i) sygnał od abonenta podłączonego 2-przewodowo do hybrydy/komutatoray(i) i u(i) sygnały od i do drugiego abonenta dochodzące 4-przewodową liniąr(i) echo dodawane w A i odtwarzane jako r’(i) przez FIRe(i)=r(i)-r’(i) resztkowy błąd (residual echo error) do „adaptacji” współcz. FIRat.j. minimalizacji tego błędu (jako sygnał sprzężenia zwrotnego)Uwaga. Gdy y(i)=0 niemożliwa jest redukcja echa bo r(i) i r’(i) też są 0.

Dlatego potrzebny jest sygnał y(i), np..”Halo”, żeby zacząć adaptacjęnajlepiej gdy x(i)jest bliskie 0 – inaczej b. wolna adaptacja (double-talk)

Normalized Least Mean Squares (NLMS) algorytm

Znany również jako stochastic gradient algorithm – jest najczęściej używany –minimalizuje wartość sredniokwadratową resztkowego błędu na każdym kroku Adaptacji (t.j. dla każdej próbki). Normalizacja - bo mowa jest niestacjonarna

jest krokiem adaptacji od którego zależy zbieżność i jakość adaptacjie resztkowy błąd sygnału echay sygnał odległego mówcy2 moc sygnału referencyjnegoN liczba współczynników (wystarczająco duża dla pokrycia opóźnienia m. A i B) dla echa od rozgałęźnika 2-4ms przyjmując do 16ms potrzeba 128 wsp. dla 8kHz zaś dla akustycznego echa (odbicia w pokoju)- opóźnienia do 256 więc 2048 wsp.dlatego wsp.są przeliczane nie dla nowej próbki a dla bloku y(i)...y(i+N) i zamiast splotu w dziedzinie czasu realizujemy mnożenie w dziedzinie częstotl. (FFT) Dla polepszenia zbieżności i eliminacji szumu (w samochodach) stosuje się Multidelay Block Frequency Domain Adaptive Filters (także przy nieliniowych zniekształceniach echa>16dB harmoncznych dla 2 tonów, np.. 300 i 1800 Hz)

Niedokładna synchronizacja kodeków

Np.różnice w kwarcach – prowadzi do kumulacji próbek lub wyczerpaniu.Gdy jest niemożliwa synchronizacja zegarów(np.. ISDN) wtedy stosuje się bądź ciągłe dostrajanie bądź porzucanie próbek i powtórne wysyłanie gdynie ma nic do wysłania. Ale pojawiają się zniekształcenia nieliniowe i zmiany echa dlatego lepszym rozwiązaniem jest adaptacyjny konwerter szybkości –Różnica szybkości próbkowania użyta w sprzężeniu zwrotnym do adaptacji interpolatora do aktualnej szybkości próbkowania

Porównanie różnych algorytmów LMS

LMS:

NLMS:

Homogeneousadaptation alg.

Individualadaptation alg.

dla RLS minimaliz.(wagi zapominania)

Pomiary tłumienia powrotnego echa (ERLE)

N=200, krok=100,opóźnienie 280 próbek

Zmiana parametrów w algorytmie HA

Zmiana długości filtra N=50,100,250 Zmiana kroku c/100=1.0,0.51,0.23

Implementacja w modemie V.32

2-wymiarowa konstelacja:

sygnał echa:

odbierany (bliski) sygnał:

sygnał po wycięciu echa:

Stochastic gradient LMS FIR

Zwykle współczynniki filtrusą liczone w okresie treningowym.ale redukując można śledzićpowolne zmiany parametrów kanału

Algorytm

Frequency ofset compensation:

V.32 Modem Blok Diagram

Benchmarks:Nośna: 1800+7 Hz, redukcja 16 ms echa,dlatego przy 9600próbek/s potrzebny 154 FIR