Echo -onderdrukking en annulering

Echo -onderdrukking en echo -annulering zijn methoden die worden gebruikt in telefonie om de spraakkwaliteit te verbeteren door te voorkomen echo van het maken of verwijderen van het nadat het al aanwezig is.Naast het verbeteren van de subjectieve audiokwaliteit, verhoogt echo -onderdrukking de capaciteit die wordt bereikt door stilte onderdrukking door te voorkomen dat echo over een telecommunicatienetwerk.Echo -onderdrukkers werden in de jaren 1950 ontwikkeld als reactie op het eerste gebruik van satellieten voor telecommunicatie.

Echo -onderdrukking en annuleringsmethoden worden gewoonlijk genoemd akoestische echo -onderdrukking (AES) en akoestische annulering (AEC), en zeldzamer Lijn echo annulering (LEC).In sommige gevallen zijn deze termen nauwkeuriger, omdat er verschillende soorten en oorzaken van echo zijn met unieke kenmerken, waaronder akoestische echo (geluiden van een luidspreker die worden weerspiegeld en opgenomen door een microfoon, die in de loop van de tijd aanzienlijk kan variëren) en lijn -echo (Elektrische impulsen veroorzaakt door bijvoorbeeld koppeling tussen het verzenden en ontvangen van draden, impedantie -mismatches, elektrische reflecties, enz.,[1] wat veel minder varieert dan akoestische echo).In de praktijk worden echter dezelfde technieken gebruikt om alle soorten echo te behandelen, zodat een akoestische echo -canceller lijn -echo en akoestische echo kan annuleren. AEC In het bijzonder wordt vaak gebruikt om te verwijzen naar echo -annuleerders in het algemeen, ongeacht of ze bedoeld waren voor akoestische echo, lijn echo of beide.

Hoewel echo -onderdrukkers en echo -annulers vergelijkbare doelen hebben - een sprekend individu hebben om een echo van hun eigen stem te horen - zijn de methoden die ze gebruiken verschillend:

  • Echo -onderdrukkers werken door Een spraaksignaal detecteren In de ene richting op een circuit gaan, en vervolgens het signaal in de andere richting dempen of verzwakken.Gewoonlijk doet de echo-suppressor aan het uiteinde van het circuit dit demping wanneer het de stem detecteert die uit de nabije uiteinde van het circuit komt.Deze demping voorkomt dat de spreker zijn eigen stem van het uiteinde hoort horen terugkeren.
  • Echo-annulering omvat het eerst herkennen van het oorspronkelijk verzonden signaal dat opnieuw verschijnt, met enige vertraging, in het verzonden of ontvangen signaal.Nadat de echo is herkend, kan deze worden verwijderd door deze af te trekken van het verzonden of ontvangen signaal.Deze techniek wordt over het algemeen digitaal geïmplementeerd met behulp van een digitale signaalprocessor of software, hoewel het ook in analoge circuits kan worden geïmplementeerd.[2]

ITU -normen G.168 en P.340 Beschrijf de vereisten en tests voor echo -annulers in digitale en PSTN toepassingen, respectievelijk.

Geschiedenis

In telefonie, Echo is het weerspiegelde exemplaar van iemands stem, gehoord wat later.Als de vertraging vrij significant is (meer dan een paar honderd milliseconden), wordt deze als vervelend beschouwd.Als de vertraging erg klein is (10s milliseconden of minder[3]), het fenomeen wordt genoemd zij toon.Als de vertraging iets langer is, ongeveer 50 milliseconden, kunnen mensen de echo niet als een duidelijk geluid horen, maar in plaats daarvan een kooreffect.[3]

In de vroegere dagen van telecommunicatie werd echo -onderdrukking gebruikt om de aanstootgevende aard van echo's tot menselijke gebruikers te verminderen.De ene persoon spreekt terwijl de andere luistert en ze spreken heen en weer.Een echosuppressor probeert te bepalen welke de primaire richting is en zorgt ervoor dat dat kanaal vooruit kan gaan.In het omgekeerde kanaal plaatst het verzwakking om te blokkeren of onderdrukken Elk signaal in de veronderstelling dat het signaal echo is.Hoewel de suppressor effectief omgaat met echo, leidt deze aanpak tot verschillende problemen die voor beide partijen frustrerend kunnen zijn voor een oproep.

  • Double-talk: het is vrij normaal in gesprek voor beide partijen om tegelijkertijd tegelijkertijd te spreken, althans kort.Omdat elke echo-suppressor vervolgens spraakergie uit het verre uiteinde van het circuit zal detecteren, zou het effect normaal gesproken zijn dat verlies in beide richtingen tegelijk wordt ingevoegd, waardoor beide partijen effectief worden geblokkeerd.Om dit te voorkomen, kunnen echo-onderdrukkers worden ingesteld om spraakactiviteit van de bijna-end spreker te detecteren en om verlies niet in te voegen (of een kleiner verlies in te voegen) wanneer zowel de bijna-end spreker als de verre spreker praten.Dit verslaat natuurlijk tijdelijk het primaire effect van het hebben van een echo -onderdrukker.
  • CLIPPING: Aangezien de Echo -onderdrukker afwisselend verlies invoegt en verwijdert, is er vaak een kleine vertraging wanneer een nieuwe spreker begint te praten die resulteert in het knippen van de eerste lettergreep uit de toespraak van die spreker.
    Verdere informatie: Detectie van spraakactiviteit § Prestatie -evaluatie
  • Dead-set: als de verre end partij op een oproep in een lawaaierige omgeving is, zal de bijna-end spreker dat achtergrondgeluid horen terwijl de verre spreker aan het praten is, maar de echo-suppressor zal dit achtergrondgeluid onderdrukken wanneer de nabij is-Ed -spreker begint te praten.De plotselinge afwezigheid van achtergrondruis geeft de bijna-end gebruiker de indruk dat de lijn dood is gegaan.

In reactie hierop, Bell Labs ontwikkelde Echo -annuleringstheorie in de vroege jaren zestig,[4][5] die vervolgens resulteerde in laboratorium -echo -annuleerders in de late jaren zestig en commerciële echo -annuleerders in de jaren tachtig.[6] Een echo -canceller werkt door een schatting van de echo uit het signaal van de prater te genereren en die schatting van het retourpad af te trekken.Deze techniek vereist een adaptief filter Om een signaal te genereren dat nauwkeurig genoeg is om de echo effectief te annuleren, waarbij de echo onderweg kan verschillen van het origineel vanwege verschillende soorten afbraak.Sinds uitvinding bij AT&T Bell Labs[5] Echo -annuleringsalgoritmen zijn verbeterd en aangescherpt.Zoals alle echo-annuleringsprocessen, zijn deze eerste algoritmen ontworpen om te anticiperen op het signaal dat onvermijdelijk het transmissiepad zou invoeren en het uit te annuleren.

Snelle vooruitgang in digitale signaalverwerking toegestane echo-annulers kunnen kleiner en kosteneffectiever worden gemaakt.In de jaren negentig werden echo -annulers geïmplementeerd binnen spraakschakelaars Voor het eerst (in de noordelijke telecom DMS-250) in plaats van als zelfstandige apparaten.De integratie van echo-annulering rechtstreeks in de schakelaar betekende dat echo-annulers betrouwbaar op call-by-call kunnen worden ingeschakeld, waardoor de noodzaak van afzonderlijke trunkgroepen voor spraak- en gegevensoproepen wordt verwijderd.De hedendaagse telefonietechnologie maakt vaak gebruik van echo -annulers in kleine of handheld communicatieapparaten via een software spraakmotor, die een annulering van akoestische echo of de resterende echo biedt die wordt geïntroduceerd door een verre PSTN Gateway-systeem;Dergelijke systemen annuleren doorgaans echo -reflecties met maximaal 64 millisecondenvertraging.

Operatie

Een adaptieve echo -annuler voor een telefooncircuit.De functie van H, de hybride transformator, is om inkomende spraak vanaf het verre einde te routeren xk naar de lokale telefoon- en route -spraak van de telefoon naar het uiteinde.De hybride is echter nooit perfect, dus de uitvoer dk Bevat zowel de gewenste toespraak van de lokale telefoon plus gefilterde spraak vanaf het uiteinde.De Echo Canceller is het adaptieve filter fk, die probeert het foutsignaal te minimaliseren εk Door de inkomende verre end speech in een replica te filteren yk van de verre speech die door de hybride lekt.Zodra de aanpassing is voltooid, bestaat het foutsignaal voornamelijk uit spraak van de lokale telefoon.

Het echo -annuleringsproces werkt als volgt:

  1. Een verre end signaal wordt geleverd aan het systeem.
  2. Het verre signaal wordt gereproduceerd.
  3. Het verre-end signaal wordt gefilterd en vertraagd om te lijken op het bijna-end signaal.
  4. Het gefilterde verre-end signaal wordt afgetrokken van het bijna-end signaal.
  5. Het resulterende signaal vertegenwoordigt geluiden die aanwezig zijn in de kamer met uitzondering van direct of weergalmerd geluid.

De primaire uitdaging voor een echo-canceller is het bepalen van de aard van de filtering die op het verre signaal moet worden toegepast, zodat deze lijkt op het resulterende bijna-end signaal.Het filter is in wezen een model van luidspreker, microfoon en de akoestische attributen van de kamer.Echo-annulers moeten adaptief zijn omdat de kenmerken van de spreker van de nabije end en microfoon over het algemeen niet van tevoren bekend zijn.De akoestische eigenschappen van de kamer van de nabije end zijn ook niet algemeen bekend en kunnen veranderen (bijvoorbeeld als de microfoon wordt verplaatst ten opzichte van de spreker, of als individuen door de kamer lopen die veranderingen in de akoestische reflecties veroorzaken).[2][7] Door het verre-end signaal als stimulus te gebruiken, gebruiken moderne systemen een adaptief filter en kan convergeren Van het bieden van geen annulering tot 55 dB annulering in ongeveer 200 ms.

Tot voor kort hoefde Echo -annulering alleen te solliciteren op de spraakbandbreedte van telefooncircuits. PSTN Oproepen verzendfrequenties tussen 300 Hz en 3 kHz, het bereik vereist voor menselijke spraakverstaanbaarheid. Videovergaderen is een gebied waar volledige bandbreedte audio wordt gebruikt.In dit geval worden gespecialiseerde producten gebruikt om echo -annulering uit te voeren.

Omdat echo -onderdrukking beperkingen heeft gekend, zal in een ideale situatie alleen echo -annulering worden gebruikt.Dit is echter onvoldoende in veel applicaties, met name softwarefoons op netwerken met lange vertraging en magere doorvoer.Hier kunnen echo -annulering en onderdrukking samenwerken om acceptabele prestaties te bereiken.

Kwantificering van echo

Echo wordt gemeten als echo -retourverlies (Erl).Dit is de verhouding, uitgedrukt in decibel, van het origineel en zijn echo.[8] Hoge waarden betekenen dat de echo erg zwak is, terwijl lage waarden betekenen dat de echo erg sterk is.Negatief geeft aan dat de echo sterker is dan het oorspronkelijke signaal, dat als er niet wordt aangevinkt, zou veroorzaken Audio feedback.

De prestaties van een echo -canceller worden gemeten in echo -verbeteringsverliesverlies (Erle),[3][9] dat is het bedrag van extra signaalverlies dat wordt toegepast door de Echo Canceller.De meeste echo -annulers kunnen 18 tot 35 dB ERLE toepassen.

Het totale signaalverlies van de echo (ACOM) is de som van de ERL en ERLE.[9][10]

Huidig ​​gebruik

Bronnen van echo zijn te vinden in de dagelijkse omgeving zoals:

  • Handsfree autosystemen
  • Een standaard telefoon of mobiel in speakerphone modus
  • Toegewijde zelfstandige sprekers
  • Geïnstalleerd vergaderruimte Systemen die plafondluidsprekers en microfoons op tafel gebruiken
  • Fysieke koppeling waar trillingen van de luidspreker overbrengen naar de microfoon via de handset behuizing

In sommige van deze gevallen komt geluid van de luidspreker bijna ongewijzigd in de microfoon.De moeilijkheden bij het annuleren van Echo komen voort uit de wijziging van het originele geluid van de omgeving van de omgeving.Deze veranderingen kunnen omvatten dat bepaalde frequenties worden geabsorbeerd door zachte meubels en reflectie van verschillende frequenties op verschillende sterkte.

Het implementeren van AEC vereist technische expertise en een snelle processor, meestal in de vorm van een digitale signaalprocessor (DSP), deze kosten in verwerkingscapaciteit kunnen een premie hebben, maar veel ingebedde systemen hebben een volledig functionele AEC.

Slimme luidsprekers en Interactieve stemreactie Systemen die spraak voor input accepteren, gebruiken AEC terwijl spraakprompts worden gespeeld om te voorkomen dat de eigen spraakherkenning van het systeem de echo -prompts en andere output valselijk herkent.

Modems

Standaard telefoonlijnen gebruiken hetzelfde paar draden om zowel audio te verzenden als te ontvangen, wat resulteert in een klein aantal van het uitgaande signaal dat wordt weerspiegeld.Dit is handig voor mensen die aan de telefoon praten, omdat het een signaal geeft aan de spreker dat hun stem het systeem doorkomt.Dit gereflecteerde signaal veroorzaakt echter problemen voor een modem, die niet in staat is om onderscheid te maken tussen een signaal van de externe modem en de echo van zijn eigen signaal.

Om deze reden, eerder inbelmodems split de signaalfrequenties, zodat de apparaten op beide uiteinden verschillende tonen gebruikten, waardoor elk alle signalen in het frequentiebereik kon negeren dat het gebruikte voor transmissie.Dit verminderde echter de hoeveelheid bandbreedte die beschikbaar is voor beide partijen.

Echo -annulering heeft dit probleem beperkt.Tijdens de oproepinstellingen- en onderhandelingsperiode sturen beide modems een reeks unieke tonen en luisteren ze vervolgens naar hen om terug te keren door het telefoonsysteem.Ze meten de totale vertragingstijd en configureren vervolgens een vertragingslijn voor diezelfde periode.Zodra de verbinding is voltooid, sturen ze hun signalen als normaal in de telefoonlijnen, maar ook in de vertragingslijn.Wanneer hun signaal wordt weerspiegeld, wordt het gemengd met het omgekeerde signaal uit de vertragingslijn, die de echo ophaalt.Hierdoor konden beide modems het volledige beschikbare spectrum gebruiken, waardoor de mogelijke snelheid werd verdubbeld.

Echo -annulering wordt ook door veel telco's op de lijn zelf toegepast en kan gegevenscorruptie veroorzaken in plaats van het signaal te verbeteren.Sommige telefoonschakelaars of converters (zoals analoge terminaladapters) schakelen echo -onderdrukking of echo -annulering uit wanneer ze de 2100 of 2225 Hz detecteren antwoord tonen geassocieerd met dergelijke oproepen, in overeenstemming met Itu-t aanbeveling g.164 of G.165.

ISDN en DSL -modems werken op frequenties boven de spraakband boven standaard gedraaid paar Telefoondraden maken ook gebruik van geautomatiseerde echo -annulering om gelijktijdige bidirectionele gegevenscommunicatie mogelijk te maken.De computationele complexiteit bij het implementeren van het adaptieve filter is veel verminderd in vergelijking met het annuleren van spraak echo omdat het zendsignaal een digitale bitstream is.In plaats van een vermenigvuldiging en een toevoegingsbewerking voor elke tik in het filter, is alleen de toevoeging vereist.EEN RAM Opzoektafelgebaseerde echo -annuleringsschema[11][12] Elimineert zelfs de toevoegingsbewerking door eenvoudigweg een geheugen aan te pakken met een afgeknotte zendbitstroom om de Echo -schatting te verkrijgen.Met vooruitgang in halfgeleidertechnologie wordt echo -annulering nu vaak geïmplementeerd met Digitale signaalprocessor (DSP) Technieken.

Sommige modems gebruiken afzonderlijke inkomende en uitgaande frequenties of wijzen afzonderlijke tijdslots toe voor het verzenden en ontvangen om de behoefte aan echo -annulering te elimineren.Hogere frequenties voorbij de oorspronkelijke ontwerplimieten van telefoonkabels lijden aanzienlijk verzwakking vervorming door Bridge -kranen en onvolledig impedantie -matching.Diepe, smalle frequentiekloven die niet kunnen worden verholpen door echo -annulering, ontstaan vaak.Deze worden gedetecteerd en in kaart gebracht tijdens de onderhandeling van de verbinding.

Zie ook

Referenties

  1. ^ "Octasic: Voic Quality Enhancement & Echo -annulering". Gearchiveerd van het origineel op 2014-08-21. Opgehaald 14 april 2014.
  2. ^ a b Energoth, Peter (2001). Stereofonische akoestische echo -annulering: theorie en implementatie (PDF) (Stelling). Lund University. ISBN 91-7874-110-6. ISSN 1402-8662. Opgehaald 2015-06-25.
  3. ^ a b c "Echo in voice -over IP -systemen". Opgehaald 2 juli 2014.
  4. ^ Sondhi, Man Mohan (maart 1967). "Een adaptieve echo -annuler" (PDF). Bell System Technical Journal. 46 (3): 497–511. doen:10.1002/j.1538-7305.1967.tb04231.x. Gearchiveerd van het origineel (PDF) op 2014-04-16. Opgehaald 14 april 2014.
  5. ^ a b VS 3500000, Kelly Jr., John L., "Self Adaptive Echo Canceller", gepubliceerd 1970-03-10, toegewezen aan Bell Telephone Laboratories, Inc. 
  6. ^ Murano, Kazuo;Unagami, Shigeyuki;Amano, Fumio (januari 1990). "Echo -annulering en toepassingen" (PDF). IEEE Communications Magazine. 28 (1): 49–55. doen:10.1109/35.46671. ISSN 0163-6804. S2CID 897792. Opgehaald 14 april 2014.
  7. ^ Åhgren, per (november 2005). "Akoestische echo -annulering en doubletalk -detectie met behulp van geschatte luidsprekerimpulsreacties" (PDF). IEEE -transacties over spraak- en audioverwerking. 13 (6): 1231–1237. Citeseerx 10.1.1.530.4556. doen:10.1109/tsa.2005.851995. S2CID 2575877.
  8. ^ "Wat is Echo Return Loss (ERL) en hoe beïnvloedt dit de spraakkwaliteit?". Gearchiveerd van het origineel op 2015-06-26.
  9. ^ a b "Echo -analyse voor voice -over IP". Cisco Systems. Opgehaald 2 juli 2014.
  10. ^ Kosanovic, Bogdan (2002-04-11). "Echo -annulering Deel 1: de basisprincipes en akoestische echo -annulering". Ee tijden. Opgehaald 7 juli 2014.
  11. ^ Holte, N.;Stuefles, S. (1981). "Een nieuwe digitale echo-annulering voor tweedraads abonnee-lijnen". IEEE -transacties op communicatie. 29 (11): 1573–1581. doen:10.1109/tcom.1981.1094923. ISSN 1558-0857.
  12. ^ US 4237463, Bjor, Håkon E. & Raad, Bjørn H., "Directal Coupler", gepubliceerd 1980-12-02, toegewezen aan Elektisk Bureau A/S 

Externe links