УСТРОЙСТВО МНОГОКАНАЛЬНОЙ АДАПТИВНОЙ КОМПЕНСАЦИИ ЭХО-СИГНАЛОВ
DEVICE FOR MULTICHANNEL ADAPTIVE ECHO SIGNAL COMPENSATION

Изобретение относится к области вопросов создания систем связи обмена аудио информацией, относится к области создания систем телекоммуникаций обмена информацией акустическими речевыми сигналами в условиях внешних акустических помех. Изобретение может быть использовано в системах громкоговорящей связи, в оперативно-командных и управляющих телекоммуникационных системах аудиообмена.
Обмен аудио информацией телекоммуникационными системами громкоговорящей связи (ГГС) характеризуется наличием внешних акустических помех и акустических помех - эхо-сигналов. Поэтому при проектировании телекоммуникационных систем ГГС имеет место задача создания алгоритмов подавления акустических помех и компенсации акустических эхо-сигналов.
Известен ряд патентов по решению проблемы подавления помех вида эхо-сигналы. Так в соответствии с патентом на изобретение №2495506 (13) С2 известно «Устройство и способ расчета параметров управления фильтра эхоподавления и устройство и способ расчета величины задержки» [1].
Изобретение относится к устройствам и способам расчета параметров управления заграждающим фильтром. Техническим результатом является улучшение качества звучания акустических систем за счет подавления отраженных сигналов пропорционально уровню шумов. Устройство для расчета параметров управления фильтром подавления шума, предназначенное для фильтрования второго аудиосигнала с целью устранения эхосигнала на основании первого аудиосигнала, включает в себя вычислитель, имеющий в своей конструкции определитель значения для вычисления, по меньшей мере, одного энергопоказателя для полосового сигнала, по меньшей мере, двух последовательных во времени блоков данных, по меньшей мере, одного сигнала из группы сигналов. Вычислитель также включает в себя определитель среднего значения для определения, по меньшей мере, одного среднего значения, по меньшей мере, одного рассчитанного энергопоказателя для полосового сигнала. Вычислитель также включает в себя модификатор для корректировки, по меньшей мере, одного энергопоказателя для полосового сигнала на базе рассчитанного среднего значения для полосового сигнала. Вычислитель также включает в себя устройство расчета параметров управления (270) для фильтра подавления (210) на базе, по меньшей мере, одного скорректированного энергопоказателя.
Основными причинами, препятствующими достижению поставленного в представленном патенте результата, является то, что присутствие стационарных или квазистационарных помех и шумов в сигнале микрофона в таких случаях может существенно влиять на получаемое качество звучания системы в целом.
В соответствии с патентом на изобретение RU 2520359 (13) С2 известно «Устройство подавления акустического эха и фронтальное устройство конференцсвязи» [2].
Изобретение относится к средствам подавления акустического эха. Технический результат заключается в снижении вычислительной сложности и увеличении эффективности процесса подавления акустического эха. Акустический эхоподавитель включает в себя средство входного интерфейса для извлечения даунмикс-сигнала из входного сигнала, содержащего даунмикс и служебную параметрическую информацию, которые в совокупности представляют многоканальный сигнал; также включает в себя вычислитель для расчета коэффициентов пропускания адаптивного фильтра на основе даунмикс-сигнала и микрофонного сигнала или сигнала, производного от микрофонного сигнала; и адаптивный фильтр микрофонного сигнала или сигнала, производного от микрофонного сигнала, использующий заданные ему коэффициенты пропускания для подавления эха, возбуждаемого многоканальным сигналом в микрофонном сигнале.
В рассматриваемое устройство не включен многоканальный кодер, предназначенный для кодирования множества входных аудиосигналов с последующим преобразованием в даунмикс-сигнал и сопровождающую его служебную параметрическую информацию, которые совокупно вмещают в себя множество входных аудиосигналов, одним из которых является микрофонный сигнал, по меньшей мере, от одного микрофонного блока. По этой причине не предусматривается получение сигнала понижающего микширования как производного от сигнала микрофона, что снижает качество обработки передаваемых данных.
В соответствии с патентом на полезную модель №148617 (13) U1 известен «Адаптивный инвариантный эхокомпенсатор» [3].
Предлагаемая полезная модель относится к области электросвязи и может быть использована при модернизации существующих и разработки новых дуплексных систем передачи информации.
В этой модели осуществляется непрерывное оценивание и формирование компенсирующих сигналов и вычитание их из суммы принимаемых и компенсируемых эхосигналов, что и обеспечивает адаптивность инвариантного эхокомпенсатора.
Сруктурная схема адаптивного инвариантного эхокомпенсатора состоит из контура вычисления управляющих сигналов, двух контуров эхокомпенсации и модуля адаптации.
Принцип работы этой схемы предполагает этап обучения, во время которого сигналы от противоположной стороны должны отсутствовать, а передатчик передает обучающий сигнал единичной амплитуды, записываемый в блок памяти, а отклик эхотракта на него - во второй блок памяти.
В режиме передачи сообщений временные отсчеты передаваемых сигналов через ключ поступают на вход блока памяти, где хранятся в течение временного интервала дискретизации, и на первый вход делителя, который вычисляет управляющий сигнал, равный отношению двух временных отсчетов сигнала передатчика, передаваемых в данный и предыдущий моменты времени. В следствие свойства инвариантности - сохранения величины такого же отношения для соответствующих отсчетов эхосигнала на выходе дифференциальной системы (т.е. на выходе паразитного эхотракта) - умножение посредствам умножителя эха от предыдущего отсчета передаваемого сигнала, хранящегося во втором блоке памяти, на управляющий сигнал дает величину эха от передаваемого в данный момент отсчета сигнала передатчика. При вычитании с помощью вычитателя рассчитанной таким образом величины эха из суммы реального эха и принимаемого сигнала осуществляется компенсация эха первым контуром эхокомпенсатора.
Однако первый контур, устраняя сигналы эха, одновременно изменяет структуру принимаемых сигналов. Для ее восстановления служит второй (нижний) контур, который имеет зеркальную структуру, состоящую из сумматора, умножителя, блока памяти.
В результате изменения частотно-временных характеристик используемого канала связи после этапа обучения происходит разбалансировка дифференциальной системы, в результате чего во втором контуре возникают эхосигналы, повторяющие с точностью до неизвестного множителя форму передаваемых сигналов. Для устранения возникших эхосигналов используется модуль адаптации, содержащий делитель, интегратор, делитель, умножитель, вычитатель. При этом посредством делителя, интегратора и делителя происходит вычисление оценки величины.
Недостатком адаптивного инвариантного эхокомпенсатора является наличие погрешности эхокомпенсации, обусловленной помехами, поступающими на вход эхокомпенсатора из канала связи.
В соответствии с патентом на полезную модель №168793 (13) U1 известен «Корреляционный адаптивный инвариантный эхокомпенсатор» [4].
Полезная модель относится к электросвязи и может быть использована при модернизации существующих и создании новых дуплексных систем передачи информации.
Целью полезной модели является повышение точности компенсации эхосигналов, вносимых собственным передатчиком в принимаемый сигнал, при разбалансировки дифференциальной системы и воздействии помех. Для этого предлагается ввести в схему адаптивного инвариантного эхокомпенсатора дополнительные блоки, которые обнаруживают, вычисляют и устраняют эхосигналы, возникающие в следствие разбалансировки дифференциальной системы и воздействия помех. Устройство обнаруживает, вычисляет и устраняет возникающие из-за разбалансировки дифференциальной системы эхосигналы, благодаря их сходству с передаваемыми сигналами, а повышение точности эхокомпенсации обеспечивается за счет замены процедуры деления суммы принимаемых сигналов, помехи и эхосигналов на передаваемые сигналы на процедуру вычисления величины корреляции этой суммы с передаваемыми сигналами. При изменении параметров канала связи и возникновении при этом разбалансировки дифференциальной системы, а также при одновременном воздействии из канала помехи n(t), на выходе второго контура эхокомпенсатора, а именно, на выходе блока памяти БП3 появится сигнал совокупной погрешности эхокомпенсации ΔSэк(t): ΔSэк(t)=kSпер(t)+n(t), где k - изменение коэффициента передела эхотракта, возникшее в следствие разбалансировки дифференциальной системы. Уменьшение погрешности эхокомпенсации ΔSэк(t) осуществляется выполнением операций, реализуемых в модуле адаптации.
Основными причинами, препятствующими достижению поставленного в представленном патенте результата, является то, что вышеуказанная система не обеспечивает достаточную точность компенсации для целей оперативно-командных телекоммуникационных систем связи.
Компенсация акустических эхо-сигналов - это один из методов подавления такого вида внешних помех в системах телекоммуникаций ГГС. Сложность решения этой задачи во многом зависит от значений задержки эха. Если задержки в каналах распространения эха достигают величины порядка 0,5 с и больше, то задача усложняется требованиями, предъявляемыми к порядку адаптивного фильтра в составе эхо-компенсатора, который в этом случае должен иметь несколько тысяч отводов. Усложнение в этом случае обусловлено, в первую очередь, проблемой устойчивости и низкой скоростью сходимости таких фильтров.
Решить проблему устойчивости и низкой скорости сходимости фильтров можно, если ввести блок адаптивных фильтров, каждый из которых обеспечивает компенсацию только в своем диапазоне задержек, локализованных в окрестности некоторого характерного значения. При этом эхо-сигналы на различных интервалах задержек считаются взаимно некоррелированными. В результате число отводов этих фильтров уменьшается до двух-трех сотен, число интервалов локализованных задержек также уменьшается и находится в пределах нескольких единиц (от 1 до 3), таким образом, по суммарному числу отводов блока компенсации имеет место заметный выигрыш.
0
Схема адаптивного фильтра порядка L приведена на фиг. 1, на которой переменная  обозначает оценку задержки эха в k-канале,  - коэффициент, учитывающий оценку затухания в указанном канале и L - порядок фильтра, который устанавливается четным числом, х(n)=u(n)+y(n) оцифрованный сигнал на микрофонном выходе.
0
0
uy
Структурная схема устройства многоканальной адаптивной компенсации эхо-сигналов представлена на фиг. 2. В соответствии со схемой на фиг. 2, оцифрованный сигнал на микрофонном выходе в виде х(n)=u(n)+y(n-D), состоящий из полезного сигнала u(n) и эхо-сигнала y(n-D), подается на сумматор и на блок вычисления взаимной корреляционной функции (ВКФ) в виде R(kT). По вычисленной ВКФ осуществляется оценивание долговременных параметров задержки  и затухания  эхо-сигнала в k-канале.
При этом алгоритм оценивания долговременных параметров включает следующие шаги [5]:
1. Оценивание взаимной корреляции в виде
0
2. Вычисление энергии сигнала u(n), в соответствии с выражением вида
3. Выделение локальных экстремумов
Если  и  тогда
4. Оценивание долговременных параметров каналов эха
2
4.1. Оценивание затухания, если  тогда  где β - порог, определяемый дисперсией шума в канале в виде β=mσ, m∈{2÷3}, [5].
а
а
k
4.2. Оценивание значимой величины задержки. Если =, тогда
Полученные параметры подаются на блоки формирования опорной модели эхо-сигналов, в которой учитываются оценки задержки эха при формировании кадров и оценки затухания эха относительно начального уровня излученного сигнала. Сформированная модель эхо-сигнала образует опорный сигнал адаптивного фильтра L-того порядка, который подается на его вход. Алгоритм адаптивной компенсации эхо-сигналов при этом включает следующие шаги:
1. Формирование опорного сигнала адаптивного фильтра
1
2
L
2. Формирование матрицы U(n)=(hu(n)hu(n-1) … hu(n-L)),
3. Коррекция коэффициентов адаптивного фильтра в соответствии с правилом вида,
где
4. Коррекция матрицы:
k
- если Δ>0, тогда
k
- если Δ<0, тогда
k
- если Δ=0, тогда
5. Коррекция номера итерации n=n+1.
6. Безусловный переход к шагу 1.
Таким образом, сигнал с выхода адаптивного фильтра после коррекции матрицы поступает на сумматор, обеспечивая компенсацию эхо-сигнала до уровня ошибки оценивания
Исследования определения долговременных параметров проводились моделированием программными средствами в среде Matlab.
В качестве модели сигнала использовалась сумма одних и тех же фрагментов речевого сигнала с разными задержками и затуханиями. Исходный отрезок модели сигнала приведен на фиг. 3, отрезок модели, характеризующийся наличием фрагментов, имитирующих эхо-сигналы, приведен на фиг. 4. Вычисление ВКФ функции производилось по формуле п. 1 в алгоритме оценивания долговременных параметров.
На фиг. 5 представлен результат исследований нормированной ВКФ модели речевого сигнала в зависимости от задержки nT модели эхо-сигналов, который иллюстрирует применение метода корреляционно-экстремального оценивания долговременных параметров отраженных эхо-сигналов при разработке алгоритмов эхокомпенсации в системах телекоммуникаций аудиообмена [6, 7].
При исследованиях моделированием степени компенсации эхо-сигналов устройством многоканальной адаптивной компенсации в соответствии со структурной схемой на фиг. 2. Оценка уровня компенсации эхо-сигнала представлена гистограммой полученных значений компенсации на фиг. 6, из которой видно, что степень компенсации эхо-сигнала находится в пределах от 6 до 8,2 дБ. При этом максимум распределения уровня компенсации находится в окрестности 7,5 дБ.
Динамика настройки устройства многоканальной адаптивной компенсации эха приведена на фиг 7а. (кривая 2). Среднее время настройки можно при этом оценить в пределах от 0,2 до 0,4 секунд.
Повышение скорости настройки устройства многоканальной адаптивной компенсации эха подтверждается результатами экспериментального исследования зависимости времени настройки адаптивного фильтра от числа настраиваемых коэффициентов, которые представлены на фиг. 7б. Из фиг. 7б видно, что время настройки адаптивного фильтра в устройстве многоканальной адаптивной компенсации эха с оцениванием долговременных параметров сокращается более чем в два раза по сравнению со временем настройки эхо-компенсатора с адаптивным фильтром с числом настраиваемых коэффициентов L>1000.
Таким образом, в представленном устройстве многоканальной адаптивной компенсации эха увеличена скорость настройки адаптивных фильтров более чем в два раза по сравнению со скоростью настройки в известных эхо-компенсаторах, увеличена степень компенсации эхо-сигналов до -6÷-8 дБ, что на 1-4 дБ больше по сравнению с известными результатами.
Технический результат изобретения заключается:
- в минимизации ошибки оценивания задержки в k-ом канале по данным в пределах конечного временного окна, за счет итерационной коррекции коэффициентов настройки адаптивных фильтров эхо-компенсатора, а также за счет уменьшения числа отводов вышеуказанных фильтров и увеличения скорости настройки;
- введении в устройство многоканальной адаптивной компенсации эха, разработанного на основе метода корреляционно-экстремального оценивания долговременных параметров, алгоритма оценивания долговременных параметров модели акустических эхо-сигналов, что позволило создание многоканального алгоритма эхокомпенсатора с уменьшенным числом каналов компенсации, равным числу выделенных каналов эхо-сигналов со значимыми долговременными задержками;
- также технический результат заключается в повышении эффективности функционирования телекоммуникационных систем аудиообмена и ГГС в условиях интенсивного воздействия внешних акустических помех - эхо-сигналов.
Таким образом, предложенная структурная схема на фиг. 2 реализации способа многоканальной адаптивной компенсации эхо-сигналов обеспечивает возможность более эффективной передачи информации в системах телекоммуникаций аудиообмена, в системах ГГС.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент РФ №№2495506 (13) С2 (МПК G10L 21/02 (2013.01), Н04М 9/08 (2006.01), G11B 20/24 (2006.01)). Опубликован 10.10.2013. Бюл. №28.
2. Патент РФ №2520359 (13) С2 (МПК G10L 21/02 (2013.01), Н04М 9/08 (2006.01) Опубликован 20.06.2014. Бюл. 17.
3. Патент РФ №148617 (13) U1 (МПК Н04В 3/20 (2006.01)). Опубликован 10.12.2014. Бюл. №34.
4. Патент РФ №168793 (13) U1 (МПК Н04В 3/20 (2006.01) Опубликован 21.02.2017. Бюл. №6.
5. Ермолаев В.А., Кропотов Ю.А. О корреляционном оценивании параметров моделей акустических эхо-сигналов // Вопросы радиоэлектроники. 2010. Т. 1. №1. С. 46-50.
6. Kropotov Y.A., Belov А.А. Method of correlation-extreme parameter estimation of acoustic echoes in telecommunication audio exchange systems. 2015 International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON 2015 - Proceedings. 7147108.
7. Кропотов Ю.А., Ермолаев В.А. Моделирование и методы исследований акустических сигналов, шумов и помех в системах телекоммуникаций: моногр. - М. - Берлин: Директ-Медиа, 2016. - 256 с.