ADAPTIVNÍ POTLAOVÁNÍ OZVNY V TELEKOMUNIKACÍCH

Transkript

1 ADAPTIVNÍ POTLAOVÁNÍ OZVNY V TELEKOMUNIKACÍCH K. Uhlá, H. Bhan, J. ezá SITRONICS TS Abstrakt Práce se zabývá konstrukcí zaízení pro potlaování akustické ozvny (EC) se specifiky pro telekomunikace. Je zde popsána celková bloková koncepce EC s popisem principu a funkních ástí jednotlivých sub-blok. Velice dležitou ást tvoí popis principu vzniku akustice ozvny v telekomunikaním etzci. Bez tohoto kroku nelze vytvoit kvalitní EC použitelný v širokém rozsahu vstupních signál. Celý systém je integrován do uzaveného zptnovazebního okruhu, který mže znamenat významný problém pro celkovou stabilitu. Je velice dležité, aby za žádných okolností nedocházelo k výraznému zhoršení kvality výstupu, vlivem možných nestabilit. 1. Princip vzniku ozvny Akustická ozvna tvoí rušivou složku hovorového signálu a vzniká nežádoucím penosem mezi dvma penosovými kanály. Místo vzniku lze zjednodušen rozdlit do tí ástí: 1) ozvna vzniklá nedostateným potlaením vidlice, 2) penos signálu po sluchátku a odrazem od blízké ásti tla, 3) odrazy v místnosti. Add 1) Úkolem vidlice je slouení dvou hovorových kanál ze dvou fyzických vedení do jednoho hovorového kanálu na jedno fyzické vedení, vedoucímu ke koncovému úastníkovi. Zkreslení vznikající v této ásti soustavy je asov nemnné vzhledem k délce hovoru, a proto tento nežádoucí penos iní malé nároky na adaptaní algoritmus aproximující tuto penosovou funkci. Ukázka reálné impulsové odezvy vidlice pro rzné asové okamžiky bhem jednoho hovoru je uvedena na obrázku 1. Na obrázku 2 je zobrazeno místo vzniku nežádoucího penosu symbolem A (ást obrázku vpravo nahoe).

2 Obrázek 1: Reálná impulsová odezva vidlice mená v rzných asových stopách bhem hovoru. Add 2) Penos signálu po sluchátku a akustickým odrazem blízké ásti tla pedstavuje dominantní ást impulsové odezvy aproximující celkovou nežádoucí penosovou funkci. Nepíjemnou vlastností je rychlá zmna amplitudového spektra penosové funkce, která klade vysoké nároky na adaptaní algoritmus. Pes tuto ást se také ve vtšin 1 pípadu dostává nejvtší podíl energie akustické ozvny. Penos je zachycen na obrázku 2 symbolem B. Obrázek 2: Vznik a základní rozdlení akustické ozvny v telekomunikaním systému. A: ozvna vzniklá na vidlici, B: ozvna vzniklá akustickým vedením v materiálu, C: ozvna vzniklá odrazem v místnosti a D: signál mluvího z blízké strany [3]. 1 Z množiny všech mení provedených na reálných zaízeních šlo o významnou ást.

3 Add 3) Poslední ástí zjednodušen popisující nežádoucí penosy ozvny zpsobují odrazy v místnosti. Tento píspvek není nikterak dominantní, lze však najít pípady 2, pi nichž mže tvoit hlavní složku. Penos je ukázán na obrázku 2 písmenem C. Na Obrázku 3 je vyobrazena impulsovou odezvu reálného hovoru v trojrozmrném zobrazení. Osa x pedstavuje koeficienty impulsové odezvy (zde pro délku 128 ms), osa y as a osa z hodnoty reálných koeficient. První ára pes osu y je ozvna vzniklá na vidlici, nejdominantnjší ást je výsledkem penosu signálu po sluchátku a akustickým vedením po tle a poslední nežádoucí penos zpsobují odrazy v místnosti. Zpoždní mezi prvním a druhým lalokem vzniká ADPCM kódováním hovorového signálu v penosové asti telefonu systému DECT. Obrázek 3: Impulsová odezva v ase poízená bhem reálného hovoru. První ást tvoí penos na vidlici, druhá ást vzniká vedením zvuku po sluchátku a tle a poslední ást je výsledkem odraz v místnosti. (Aproximace je výsledkem ešení normálních rovnic pro délku bloku odhadu stední hodnoty 1920 ms.) 2 Zde významnou mrou záleží na prostedí, v nmž telefonní hovor probíhá. Pi vysoké odrazivosti materiálu prostedí (sklo, roky místností, ocel, ) dochází k výraznému zesílení tohoto efektu. Také povrch podlahy (koberce, linoleum, dlažba, ) a velikost místnosti hraje velkou roli.

4 2. Algoritmus adaptivního potlaování ozvny 2.1 Požadavky kladené na adaptivní potlaování ozvny Na konstrukci zaízení pro potlaování akustické ozvny v telekomunikacích jsou kladeny tyto požadavky: Rychlá konvergence adaptivní filtrace, Stabilita algoritmu, Vysoká míra potlaení nežádoucích signál, Robustnost pro širokou škálu vstupních signálu nezávislá kvalita výstupu, Možnost nastavení extrémn dlouhé impulsové odezvy systému, Malá výpoetní náronost výsledného algoritmu. 2.2 Bloková struktura systému pro potlaování ozvny (EC) Základní koncepce EC je uvedena na obrázku 4. Zde je uvedeno pouze zjednodušené blokové schéma, které však obsahuje všechny dležité bloky. Funkce a popis jednotlivých blok bude souástí obsahu následujících podkapitol. Obrázek 4: Blokové schéma systému pro potlaování akustické ozvny CORE K nejvtšímu potlaení echa dochází práv zde, v jáde. Adaptaní algoritmus provádí estimaci koeficient neznámé impulsové odezvy rušivé soustavy. Tato impulsová odezva je buzena vstupním signálem a výsledek je odeítán od signálu S in. Pomocí signálu e jsou zptnovazebn korigovány koeficienty impulsové odezvy. Adaptaní algoritmus obsažený v jáde je ízen pomocí dvou sub-blok DTD. Tyto bloky rozhodují, kdy a jak rychle se mají upravovat koeficienty filtru. Na soustavu DTD je kladen zvláš velký nárok a velkou mrou ovlivují výslednou kvalitu potlaení akustické ozvny. Díky tmto dvou blokm je také zajištna stabilita a konvergence jádra pro rzné typy signál.

5 2.2.2 DTD (Double Talk Detector) Celý subsystém DTD obsahuje dv ásti: HDTD a SDTD. Celá situace je uvedena na obrázku 4. HDTD tvrd rozhoduje o tom, zda je nebo není v signálu S in obsažena e ze vzdálené strany. Jeho výstup v každém kroku tvoí hodnota 1 adaptace je možná nebo 0 nelze adaptovat. Ukázka možného výstupu HDTD pro signál S in v ase t je vidt na obrázku 5. Obrázek 5: Ukázka výstupu z bloku HDTD (erven) na signál S in (mode) v ase. SDTD tvoí protiklad tvrdého rozhodování. Jeho výstupem je mkká míra rozhodování o adaptaci, neboli informace o variabilním adaptaním kroku. Tento blok na základ informace o signálu R in a S in rozhoduje o rychlosti adaptace, tak aby byla maximalizována rychlost konvergence a pitom zajištna maximální stabilita jádra. SDTD v urité míe také zajišuje konstantní výstupní parametry pro rzné typy vstupních signál. Obrázek 6: Výstup z bloku SDTD (erven) v ase. Oba bloky pracují vzájemn nezávisle a tato vlastnost dále zvyšuje míru spolehlivosti soustavy jako celku. Pi konstrukci bylo této vlastnosti využito ponkud jinak: neustálým

6 výpoetním zjednodušováním obou bloku se zaala zvyšovat míra chybovosti (avšak výpoetní náronost ekvivalentn klesala). Toto zjednodušení probíhalo tak dlouho, dokud celek fungoval v akceptovatelných mezích, i když jednotlivé ásti již vykazovaly znanou chybovost PF (Post-Filter) Úkolem PF [5] je dynamicky vyrovnávat krátkodobé zhoršení funkce jádra bhem rychlých zmn impulsové odezvy parazitního penosu. Rychlost adaptace jádra na náhlou zmnu probíhá pomalu a doasn mže dojít ke zhoršení potlaování akustické ozvny. Naopak adaptace PF je velmi rychlá, avšak k potlaování nežádoucích signál má tento blok pouze omezené možnosti. Dojde-li z njakých dvod k dlouhodobé 3 nefunknosti jádra, PF se pi potlaování nežádoucích penos již neprojeví. Obrázek 7: Zobrazení penosové funkce PF (vlevo) v závislosti na signálu R in a S in (vpravo). Princip bloku spoívá v odhadu velikosti zbytkové hodnoty echa po prchodu signálu jádrem a následném upravení této penosové funkce filtru. Na obrázku 7 je patrná zmna penosové funkce PF v závislosti na signálu S in a R in. První lalok penosové funkce má ve frekvenci tém konstantní penos signál S in není ovlivován 4 signálem R in, který se v daném okamžiku blíží tém k nule. Druhý a tetí lalok již konstantní není S in je ovlivován signálem R in ze vzdálené strany a podle pravdpodobné velikosti zbytkového echa je náležit upravena penosová funkce filtru. Penosová funkce filtru je upravena tak, aby bylo maximalizováno potlaení zbytkové akustické ozvny NLP (Non-Linear Processor) NLP spadá do množiny post-procesingových metod zpracování signál. V podstat se jedná o sofistikovanjší útlumový lánek, který lze použít pouze bhem tichých 5 pasáží, kde nebude docházet k potlaování užiteného signálu. 3 Zde pod pojmem dlouhodobé je myšlen výpadek v ádu stovek ms. 4 Pokud se signál R in blíží k nule, nežádoucí penosová soustava není buzena a tudíž nedochází k ovlivování signálu S in. 5 NLP se mže projevit i bhem hovoru. Pi tomto stavu však dochází k nepíjemnému a rušivému kolísání intenzity hovoru.

7 3. Závr Je velice dležité chápat vznik a povahu akustické ozvny vznikající v telekomunikaním etzci. Porozumní a popis tchto stochastických parametr signál tvoí velmi dležitou složku ped samotnou konstrukci zaízení pro potlaování akustické ozvny. Bez tohoto kroku nelze provést kvalitní výbr algoritmu. Použité algoritmy byly vybírány s ohledem na dobrý pomr mezi výpoetní nároností a efektivitou poskytnutých výsledk. Plánované nasazení ešeného systému musí zvládnou více než stovku kanálu na jedno DSP a tomuto požadavku byla pizpsobena celá konstrukce. Bhem vývoje se ukázala dležitost vedlejších podprných blok, které v úzkém intervalu zlepšují odhady nkterých dležitých parametr. Optimalizace a další vývoj bude probíhat práv tímto smrem. Reference [1] Chen, Z.: Proportionate Adaptation Paradigms and Aplication in Network Echo Cancellation. Communications Research Laboratory, McMaster University Hamilton, Canada, [2] Enorth, P., Gansler, T.: A Frequency Domain Adaptive Echo Canceller with Post- Processing Residual Echo Suppression by Decorrelation. Lund University, Lund, Sweden, November, [3] Yoo, H.: Introduction to Acoustic Echo Cancellation. Georgia Institute of Technology. April, [4] Soo, J.-S., Pang, K. K.: Multidelay Block Frequency Domain Adaptive Filter. IEEE Trancations on acoustic speech and signal processing, vol. 38 no. 2. February, [5] Nilsson, N.: An Echo Canceller with Frequency Dependent NLP Attenuation. [Master Thesis work at Ericsson Radio System AB], June, Kamil Uhlá kamil.uhlar@sitronicsts.com Hynek Bhan hynek.behan@sitronicsts.com Jakub ezá jakub.rezac@sitronicsts.com