에코 억제 및 캔슬레이션

에코 억제(echo suppression) 및 에코 캔슬레이션(echo cancellation)은 텔레포니에서 메아리가 발생하는 것을 방지하거나 이미 발생한 메아리를 제거하여 음성 품질을 향상시키는 데 사용되는 방법이다. 에코 억제는 주관적인 오디오 품질을 향상시키는 것 외에도, 메아리가 통신 네트워크를 통해 전달되는 것을 방지함으로써 무음 억제를 통해 달성되는 용량을 증가시킨다. 에코 억제기는 통신에 위성이 처음 사용된 것에 대응하여 1950년대에 개발되었다.

에코 억제 및 캔슬레이션 방법은 일반적으로 음향 에코 억제(acoustic echo suppression, AES) 및 음향 에코 캔슬레이션(acoustic echo cancellation, AEC), 드물게 라인 에코 캔슬레이션(line echo cancellation, LEC)이라고 불린다. 경우에 따라 이러한 용어는 더 정확한데, 음향 에코(스피커에서 나는 소리가 마이크에 반사되어 녹음되는 것으로, 시간이 지남에 따라 상당히 달라질 수 있음) 및 라인 에코(예: 송수신 와이어 간의 결합, 임피던스 불일치, 전기적 반사 등으로 인한 전기적 충격 – 음향 에코보다 훨씬 덜 변함)를 포함하여 고유한 특성을 가진 다양한 유형과 원인의 에코가 존재하기 때문이다. 그러나 실제로는 모든 유형의 에코를 처리하는 데 동일한 기술이 사용되므로 음향 에코 캔슬러는 음향 에코뿐만 아니라 라인 에코도 제거할 수 있다. 특히 AEC는 음향 에코, 라인 에코 또는 둘 다를 목적으로 했는지 여부에 관계없이 일반적으로 에코 캔슬러 전반을 지칭하는 데 사용된다.

에코 억제기와 에코 캔슬러는 비슷한 목표를 가지고 있지만(말하는 개인이 자신의 목소리 에코를 듣는 것을 방지함), 사용하는 방법은 다르다:
 에코 억제기는 회로에서 한 방향으로 가는 음성 신호를 감지한 다음, 다른 방향의 신호를 음소거하거나 감쇠시키는 방식으로 작동한다. 일반적으로 회로의 원격지에 있는 에코 억제기는 회로의 근거리에서 음성이 오는 것을 감지하면 이 음소거를 수행한다. 이 음소거는 화자가 자신의 목소리가 원격지에서 되돌아오는 것을 듣는 것을 방지한다.
 에코 캔슬레이션은 먼저 원래 전송된 신호가 어떤 지연과 함께 전송되거나 수신된 신호에 다시 나타나는 것을 인식하는 것을 포함한다. 에코가 인식되면 전송되거나 수신된 신호에서 에코를 빼서 제거할 수 있다. 이 기술은 일반적으로 디지털 신호 처리 장치나 소프트웨어를 사용하여 디지털 방식으로 구현되지만, 아날로그 회로에서도 구현할 수 있다.

ITU 표준 G.168 및 P.340은 각각 디지털 및 PSTN 애플리케이션에서 에코 캔슬러에 대한 요구 사항 및 테스트를 설명한다.

 역사 
텔레포니에서 에코는 자신의 목소리가 한참 후에 들리는 반사된 복사본이다. 지연이 상당히 길면(수백 밀리초 이상) 짜증스럽게 느껴진다. 지연이 매우 짧으면(수십 밀리초 이하) 이 현상을 사이드톤이라고 한다. 지연이 50밀리초 정도로 약간 더 길면 사람은 에코를 별개의 소리로 들을 수 없지만, 대신 코러스 효과를 듣게 된다.

초기 통신 시대에는 에코 억제가 인간 사용자에게 불쾌한 에코의 성질을 줄이는 데 사용되었다. 한 사람이 말하고 다른 사람이 듣고, 서로 말을 주고받는다. 에코 억제기는 주 방향을 결정하고 해당 채널이 진행되도록 허용하려고 시도한다. 역방향 채널에서는 신호가 에코라는 가정 하에 신호를 차단하거나 억제하기 위해 감쇠를 가한다. 억제기는 에코를 효과적으로 처리하지만, 이 접근 방식은 통화 중인 양 당사자에게 좌절감을 줄 수 있는 몇 가지 문제로 이어진다.
 더블 토크: 대화에서 양 당사자가 동시에, 적어도 잠시라도 말하는 것은 상당히 정상적인 일이다. 각 에코 억제기가 회로의 원격지에서 음성 에너지가 오는 것을 감지하기 때문에, 일반적으로 양방향으로 동시에 손실이 발생하여 양 당사자를 효과적으로 차단하는 효과가 발생한다. 이를 방지하기 위해 에코 억제기는 근거리 화자의 음성 활동을 감지하고, 근거리 화자와 원격지 화자가 모두 말할 때 손실을 삽입하지 않도록(또는 더 작은 손실을 삽입하도록) 설정할 수 있다. 물론 이는 에코 억제기가 있는 주된 효과를 일시적으로 무효화한다.
 클리핑: 에코 억제기가 손실을 번갈아 삽입하고 제거하기 때문에, 새로운 화자가 말을 시작할 때 종종 작은 지연이 발생하여 해당 화자 발언의 첫 음절이 클리핑된다. 
 데드-셋: 통화 중 원격지 당사자가 시끄러운 환경에 있는 경우, 근거리 화자는 원격지 화자가 말하는 동안 배경 소음을 들을 수 있지만, 근거리 화자가 말을 시작하면 에코 억제기가 이 배경 소음을 억제한다. 갑작스러운 배경 소음의 부재는 근거리 사용자에게 회선이 끊어졌다는 인상을 준다.

이에 대응하여 벨 연구소는 1960년대 초에 에코 캔슬러 이론을 개발했고, 이는 1960년대 후반에 실험실 에코 캔슬러, 1980년대에 상업용 에코 캔슬러로 이어졌다. 에코 캔슬러는 화자의 신호에서 에코를 추정하고, 그 추정치를 회귀 경로에서 빼는 방식으로 작동한다. 이 기술은 도중에 발생하는 다양한 종류의 감쇠로 인해 에코가 원본과 다를 수 있는 경우에도 에코를 효과적으로 제거할 수 있을 만큼 정확한 신호를 생성하기 위해 적응 필터를 필요로 한다. AT&T 벨 연구소에서 발명된 이후 에코 캔슬레이션 알고리즘은 개선되고 정교해졌다. 모든 에코 캔슬링 프로세스와 마찬가지로, 이러한 첫 번째 알고리즘은 전송 경로로 필연적으로 다시 들어올 신호를 예측하고 이를 상쇄하도록 설계되었다.

디지털 신호 처리의 급속한 발전으로 에코 캔슬러는 더 작고 비용 효율적으로 제작될 수 있었다. 1990년대에는 에코 캔슬러가 처음으로 독립형 장치가 아닌 음성 교환기 내부에 구현되었다(노던 텔레콤 DMS-250에서). 에코 캔슬레이션이 교환기에 직접 통합되면서 에코 캔슬러를 통화별로 안정적으로 켜거나 끌 수 있게 되었고, 음성 및 데이터 통화에 대한 별도의 트렁크 그룹이 필요 없어졌다. 오늘날의 텔레포니 기술은 종종 소프트웨어 음성 엔진을 통해 소형 또는 휴대용 통신 장치에 에코 캔슬러를 사용하며, 이는 음향 에코 또는 원격지 PSTN 게이트웨이 시스템에 의해 도입된 잔여 에코를 제거한다. 이러한 시스템은 일반적으로 최대 64밀리초 지연의 에코 반사를 제거한다.

 작동 
섬네일|400px| 전화 회로용 적응형 에코 캔슬러. 하이브리드 변압기 H의 기능은 원격지에서 들어오는 음성 xk를 지역 전화로 라우팅하고, 전화에서 원격지로 음성을 라우팅하는 것이다. 그러나 하이브리드는 완벽하지 않으므로 출력 dk에는 지역 전화의 원하는 음성과 하이브리드를 통해 누출되는 원격지 음성 필터링된 것이 모두 포함된다. 에코 캔슬러는 적응형 필터 fk로, 들어오는 원격지 음성을 하이브리드를 통해 누출되는 원격지 음성의 복사본 yk로 필터링하여 오차 신호 εk를 최소화하려고 시도한다. 적응이 완료되면 오차 신호는 주로 지역 전화의 음성으로 구성된다.

에코 캔슬레이션 프로세스는 다음과 같이 작동한다:

 원격지 신호가 시스템으로 전달된다.
 원격지 신호가 재생된다.
 원격지 신호가 필터링되고 지연되어 근거리 신호와 유사하게 만든다.
 필터링된 원격지 신호가 근거리 신호에서 차감된다.
 결과 신호는 직접 또는 잔향된 소리를 제외한 방에 존재하는 소리를 나타낸다.

에코 캔슬러의 주요 과제는 원격지 신호에 적용될 필터의 응답 특성을 결정하여 결과적인 근거리 에코와 유사하게 만드는 것이다. 필터는 본질적으로 스피커, 마이크 및 방의 음향 속성을 모델링한다. 에코 캔슬러는 근거리 스피커 및 마이크의 특성이 일반적으로 사전에 알려져 있지 않기 때문에 적응형이어야 한다. 근거리 방의 음향 속성도 일반적으로 사전에 알려져 있지 않으며 변경될 수 있다(예: 마이크가 스피커에 대해 이동하거나, 사람들이 방을 돌아다니며 음향 반사에 변화를 일으키는 경우). 원격지 신호를 자극으로 사용하여 현대 시스템은 적응형 필터를 사용하며, 200밀리초 내에 무정지에서 55데시벨의 캔슬레이션으로 수렴할 수 있다.

많은 애플리케이션에서 에코 캔슬레이션만으로는 불충분할 수 있다. 에코 캔슬레이션과 억제는 함께 작동하여 허용 가능한 성능을 달성할 수 있다.

 에코 정량화 
에코는 (ERL)로 측정된다. 이는 원래 신호와 그 에코의 비율을 데시벨로 표현한 것이다. 높은 값은 에코가 매우 약하다는 것을 의미하고, 낮은 값은 에코가 매우 강하다는 것을 의미한다. 음수 값은 에코가 원래 신호보다 강하다는 것을 나타내며, 이를 방치하면 오디오 피드백을 유발할 수 있다.

에코 캔슬러의 성능은 에코 반환 손실 향상(ERLE)으로 측정되는데, 이는 에코 캔슬러에 의해 적용되는 추가 신호 손실의 양이다. 대부분의 에코 캔슬러는 18에서 35데시벨의 ERLE를 적용할 수 있다.

에코의 총 신호 손실(ACOM)은 ERL과 ERLE의 합계이다.

 현재 사용 
일상 환경에서 에코의 원인은 다음과 같다.
 핸즈프리 차량 전화 시스템
 스피커폰 모드의 일반 전화 또는 휴대폰
 전용 독립형 스피커폰
 천장 스피커와 테이블 위의 마이크를 사용하는 설치형 회의실 시스템
 핸드셋 케이싱을 통해 스피커의 진동이 마이크로 전달되는 물리적 결합

이러한 경우 중 일부에서는 스피커에서 나오는 소리가 거의 변형되지 않은 채 마이크로 들어간다. 에코를 제거하는 어려움은 주변 공간에 의해 원본 소리가 변형되는 것에서 비롯된다. 이러한 변화에는 특정 주파수가 부드러운 가구에 흡수되거나 다른 주파수가 다양한 강도로 반사되는 것이 포함될 수 있다.

AEC를 구현하려면 엔지니어링 전문 지식과 빠른 프로세서가 필요하며, 일반적으로 디지털 신호 처리 장치(DSP)의 형태로 나타난다. 이러한 처리 능력 비용은 프리미엄으로 다가올 수 있지만, 많은 임베디드 시스템은 완전히 기능하는 AEC를 가지고 있다.

입력으로 음성을 허용하는 스마트 스피커 및 대화식 음성 응답 시스템은 음성 프롬프트가 재생되는 동안 AEC를 사용하여 시스템 자체의 음성 인식이 에코된 프롬프트 및 기타 출력을 잘못 인식하는 것을 방지한다.

 모뎀 
표준 전화선은 동일한 한 쌍의 전선을 사용하여 오디오를 송수신하며, 이로 인해 나가는 신호의 소량이 다시 반사된다. 이는 전화로 통화하는 사람들에게 유용한데, 자신의 목소리가 시스템을 통해 전달되고 있다는 신호를 화자에게 제공하기 때문이다. 그러나 이 반사된 신호는 원격 모뎀의 신호와 자신의 신호의 에코를 구별할 수 없는 모뎀에 문제를 일으킨다.

이러한 이유로 초기 다이얼업 모뎀은 신호 주파수를 분할하여 양쪽 끝의 장치가 다른 톤을 사용하도록 했고, 각 장치가 전송에 사용하고 있는 주파수 범위 내의 신호를 무시할 수 있도록 했다. 그러나 이는 양쪽에 사용 가능한 대역폭의 양을 감소시켰다.

에코 캔슬레이션은 이 문제를 완화했다. 통화 설정 및 협상 기간 동안 양쪽 모뎀은 일련의 고유한 톤을 보낸 다음 전화 시스템을 통해 다시 돌아오는 톤을 듣는다. 그들은 총 지연 시간을 측정하고, 그 동일한 기간 동안 지연 라인을 구성한다. 연결이 완료되면 평소처럼 전화선으로 신호를 보내지만, 지연 라인으로도 보낸다. 그들의 신호가 다시 반사될 때, 지연 라인에서 온 역전된 신호와 혼합되어 에코를 상쇄한다. 이는 양쪽 모뎀이 사용 가능한 전체 스펙트럼을 사용할 수 있도록 하여 가능한 속도를 두 배로 늘렸다.

에코 캔슬레이션은 많은 통신 회사에 의해 회선 자체에도 적용되며, 신호를 개선하는 대신 데이터 손상을 일으킬 수 있다. 일부 전화 교환기 또는 변환기(예: 아날로그 터미널 어댑터)는 ITU-T 권고 G.164 또는 G.165에 따라 이러한 통화와 관련된 2100 또는 2225 Hz 응답 톤을 감지할 때 에코 억제 또는 에코 캔슬레이션을 비활성화한다.

표준 꼬임쌍선 전화선을 통해 음성 대역 이상의 주파수에서 작동하는 ISDN 및 DSL 모뎀도 동시 양방향 데이터 통신을 허용하기 위해 자동 에코 캔슬레이션을 사용한다. 적응형 필터 구현의 계산 복잡성은 음성 에코 캔슬링에 비해 훨씬 줄어든다. 전송 신호가 디지털 비트 스트림이기 때문이다. 필터의 각 탭에 대한 곱셈 및 덧셈 연산 대신 덧셈만 필요하다. RAM 룩업 테이블 기반 에코 캔슬링 방식은 잘린 전송 비트 스트림으로 메모리를 단순히 주소 지정하여 에코 추정치를 얻음으로써 덧셈 연산조차 제거한다. 에코 캔슬레이션은 이제 일반적으로 디지털 신호 처리(DSP) 기술로 구현된다.

일부 모뎀은 에코 캔슬레이션의 필요성을 없애기 위해 별도의 수신 및 발신 주파수를 사용하거나 송수신을 위한 별도의 시간 슬롯을 할당한다. 전화 케이블의 원래 설계 한계를 초과하는 더 높은 주파수는 브리지 탭과 불완전한 임피던스 매칭으로 인해 상당한 감쇠 왜곡을 겪는다. 에코 캔슬레이션으로 해결할 수 없는 깊고 좁은 주파수 간격이 종종 발생한다. 이러한 간격은 연결 협상 중에 감지되고 매핑된다.

 같이 보기 
 오디오 피드백
 최소 평균 제곱 필터
 믹스-마이너스
 신호 반사
 음성 엔진

 각주 

 외부 링크 

분류:전화
분류:통신 회로