автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Исследование и разработка методов компенсации эхосигналов при нелинейных воздействиях в эхотракте

На правах рукописи

Шаврин Дмитрий Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ КОМПЕНСАЦИИ ЭХОСИГНАЛОВ ПРИ НЕЛИНЕЙНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ В ЭХОТРАКТЕ

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2006

Работа выполнена в Московском техническом университете связи и информатики (МТУСИ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Гордиенко Владимир Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Хромой Борис Петрович

Защита состоится 14 декабря 2006 г. в часов на заседании

диссертационного совета К 219.001.03 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Московском техническом университете связи и информатики по адресу: 111024, Москва, ул. Авиамоторная, д.8а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МТУСИ. Автореферат разослан « (0 » иоь^рл 2006 г.

кандидат технических наук Шевелев Сергей Владимирович

Ведущее предприятие: Федеральное государственное унитарное

предприятие Научно-исследовател ьски й институт радио (ФГУП НИИР)

ВРИО ученого секретаря диссертационного совета К 219.001.03

Попова А.Г.

Общая характеристика работы

Актуальность работы.

Современный уровень развития телекоммуникационных технологий предъявляет высокие требования к качеству телефонной связи. В последнее время в мире на телекоммуникационных сетях, в том числе и на сетях доступа, происходит активная замена аналоговой аппаратуры на цифровую. Это значительно улучшает качество телефонной связи по многим основным параметрам, однако может усугубить влияние некоторых эффектов, мешающих разговору абонентов, одним из которых является эффект электрического эха.

Как известно, мешающее воздействие эхосигналов на абонентов во многом определяется их задержкой. Включение в телефонный канал устройств, вносящих дополнительную задержку - систем криптографической защиты информации, сжатия речи, оборудования /Р-телефонни и сотовых систем связи - часто усугубляет негативное влияние сигналов электрического эха на абонентов. При этом пониженный уровень шума в цифровых каналах приводит к ослаблению эффекта маскирования эхосигналов, что также повышает их заметность и мешающее воздействие.

В настоящее время задача подавления эхосигналов решается с помощью двух типов устройств — эхозаградителей и эхокомпенсаторов. Первый тип устройств менее распространен на сетях связи вследствие заметности его функционирования для абонентов, хотя и позволяет добиться большей степени подавления вне зависимости от линейности эхотракта. Второй тип устройств потенциально обеспечивает более высокое качество связи и его работа в телефонном канале может быть незаметной для абонентов.

Однако в реальных условиях эксплуатации на сетях связи эхокомпенсаторы находятся под воздействием внешних факторов, мешающих их нормальной работе. Одним из основных факторов является нелинейность эхотрактов. Принципиальная неспособность современных эхокомпенсаторов сформировать адекватную копию нелинейно-искаженного эхосигнала может приводить к проникновению в обратное направление передачи неподавленных нелинейных составляющих эхосигнала. В то же время мешающее воздействие на абонентов нелинейных составляющих эхосигналов практически эквивалентно воздействию равного по мощности эхосигнала.

Для подавления нелинейных составляющих эхосигналов в современных эхокомпенсаторах применяется отдельный узел - «нелинейный процессор». Являясь по принципу действия упрощенным функциональным аналогом эхозаградителя, но не будучи в той же степени оптимизированным нелинейный процессор зачастую сам является источником существенных мешающих явлений, наиболее ярко проявляющихся при высоком уровне неподавленного эхосигнала на его входе. Часто возникают такие эффекты, как пропускание искаженного остаточного эхосигнала, превышающего пороговое значение

нелинейного процессора; блокировка обратного направления передачи без внесения шума комфортности, создающая у абонентов впечатление разрыва соединения; пропускание отрезков эхосигналов вследствие ложного детектирования встречного разговора; клиппирование речи дальнего абонента при встречном разговоре. Как показывает практика, нелинейные процессоры зачастую вносят более заметные мешающие эффекты, чем эхозаградители, вследствие чего их применение нельзя считать оптимальным решением задачи подавления нелинейных составляющих эхосигналов.

Количество работ, посвященных разработке альтернативных методов подавления нелинейных составляющих эхосигналов, невелико. Известны статьи группы авторов (FJCuch, W-Kellermann, A.Stenger, L.Trautmann и R.Rabenstein), в которых приводятся результаты исследований методов компенсации на основе рядов Вольтерра второго порядка и нелинейного безынерционного элемента. Для адаптации нелинейных фильтров используются те же алгоритмы, что и для адаптации эхокомпенсаторов. Результаты, приведенные в этих статьях, получены с некоторыми допущениями. В частности, рассматривается применение рядов Вольтерра только второго порядка, а при использовании безынерционных элементов не учитывается задержка сигнала в эхотракте. Среди работ отечественных авторов можно выделить работы Цыбулина М.К., Иванова В.И., Снегова А.Д., Кунегина C.B., посвященные исследованиям различных методов подавления эхосигналов, работы Ланнэ A.A., посвященные синтезу фильтров на основе рядов Вольтерра, но не имеющие телекоммуникационной направленности. Проблемой подавления сигналов электрического эха занимались и занимаются специалисты ведущих отраслевых институтов - ЦНИИС (Жарков М.А., Раппопорт Э.З. и др.), НИИР (Зачесов Н.И., Зимин И.П., Бялик Ю.Б. и др.), ЛОНИИС (Вемян Г.В., Петрова М.З. и др.).

Разработка и исследование характеристик компенсационных методов подавления нелинейных составляющих эхосигналов представляется весьма актуальной и перспективной задачей.

Цель и основные задачи работы.

Основной целью работы является разработка принципов и средств комплексной компенсации линейных и нелинейных составляющих эхосигналов.

Основными задачами работы являются: анализ существующих технических решений и исследование эффективности подавления нелинейных составляющих эхосигналов промышленными эхоподавляющими устройствами; разработка и исследование альтернативных структур компенсаторов и алгоритмов подавления нелинейных составляющих эхосигналов;

сравнение эффективности работы различных алгоритмов по ключевым параметрам на основе теоретического исследования и компьютерного моделирования;

разработка рекомендаций по применению различных алгоритмов подавления нелинейных составляющих эхосигналов в различных сетевых условиях.

Методы исследования.

Исследования, проведенные в настоящей диссертационной работе, базируются на методах математической статистики, теории выбора и принятия решений, теории систем автоматического управления, теории случайных процессов и методах, статистической радиотехники. В работе используются методы цифровой фильтрации, математического моделирования и моделирования на ПК. Исследования проводились на основе программного обеспечения, разработанного автором.

Научная новизна.

• Проведен цикл натурных экспериментов на сети связи общего пользования, нацеленных на исследование реальной статистики линейных и нелинейных характеристик эхотрактов. В частности, выявлено, что значимая часть импульсных характеристик эхотрактов, как правило, сосредоточена в диапазоне 5-ти — 7-ми отсчетов, а разность уровней исходного сигнала и уровня нелинейных составляющих эхосигнала в большинстве случаев лежит в пределах 25 - 30 дБ, однако в отдельных случаях может достигать 14 дБ.

• Разработан комплекс моделей, описывающих эхотракт с сосредоточенным и динамическим типами нелинейности, компенсаторы нелинейной составляющей с различными алгоритмами функционирования, а также принципы взаимодействия сигналов и шумов в их системе. Отличительными особенностями разработанных моделей является их построение на основе реальной статистики линейных и нелинейных характеристик эхотрактов, а также обеспечение возможности оптимизации характеристик компенсаторов.

• Предложен метод настройки компенсатора нелинейных составляющих эхосигналов, основанный на процедуре прямого вычисления ядер Вольтерра, не имеющий задержки компенсации вследствие адаптации ядер и обладающий более низкой по сравнению с итерационными методами зависимостью степени подавления нелинейных составляющих эхосигналов от основных характеристик передаваемого сигнала.

• Предложен алгоритм настройки безынерционного компенсатора нелинейных составляющих эхосигналов, основанный на аппроксимации по методу наименьших квадратов (МНК).

• Оптимизированы значения основных параметров компенсаторов нелинейных составляющих эхосигналов, обеспечивающие более высокое качество телефонной передачи по эхозащищенным каналам.

Практическая ценность.

• Результаты, полученные в ходе исследования статистики линейных и нелинейных характеристик эхотрактов, могут применяться при проектировании сетей связи с целью обеспечения наиболее эффективного размещения эхоподавляющих устройств различных типов и с различными характеристиками, а также оптимизации характеристик при разработке новых типов эхоподавляющих устройств. В частности, результаты были использованы для повышения качества подавления сигналов электрического эха в проблемных каналах на сетях операторов Вымпелком, Транстелеком и РЖД.

• Предложенная структура комплексного компенсатора линейных ' и нелинейных составляющих эхосигналов может быть применена при практической реализации эхокомпенсаторов, рассчитанных на подавление ■эхосигналов, претерпевших нелинейные искажения. Структура позволяет существенно снизить вычислительную сложность компенсаторов

• нелинейных составляющих, основанных на использовании рядов Вольтерра,

• а также повысить эффективность безынерционных компенсаторов нелинейных составляющих.

• Предложенные алгоритмы адаптации фильтров компенсаторов нелинейных составляющих эхосигналов могут быть применены при практической реализации новых комбинированных эхокомпенсаторов, а результаты исследования их эффективности — в качестве рекомендации по их применению на сети связи страны. В частности, в телефонных каналах с временем распространения сигналов в одном направлении менее 75 мс и сосредоточенным характером нелинейности в эхотракте возможно применение безынерционного элемента с настройкой на основе аппроксимации по методу МНК, а в каналах с временем распространения в одном направлении более 75 мс и малым затуханием нелинейных составляющих эхосигналов - применение компенсатора на основе'ряда Вольтерра и прямого вычисления ядер.

• Результаты, полученные в ходе подготовки диссертации, использованы в учебном процессе МТУСИ на кафедрах МЭС и РВиЭА.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались на межрегиональных и международных конференциях, конференциях профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ, а также были опубликованы в научных журналах.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 11 работ.

Объем и структура работы.

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Содержит 158 страниц текста и список литературы из 68 наименований.

Основные положения, выносимые на защиту.

• Использование безынерционных элементов с адаптивными нелинейными передаточными характеристиками на реальных эхотрактах обеспечивает подавление нелинейных составляющих эхосигналов в среднем на'5-6 дБ, что во многих приложениях достаточно для того, чтобы уменьшить мешающее воздействие эффекта электрического эха до допустимого уровня.

• Итеративная адаптивная настройка фильтров на основе рядов Вольтерра по широко применяемому в эхокомпексаторах нормализованному ^методу наименьших средних квадратов (НМНСК), на реальных речевых сигналах в условиях сети связи общего пользования обеспечивает подавление нелинейной составляющей эхосигнала на 16-20 дБ; при этом время сходимости алгоритма на активной речи в условиях одностороннего разговора не превышает 2000 мс, что дает основания для включения таких фильтров в архитектуру комбинированного эхокомпенсатора без ущерба для качества его работы в линейных эхотрактах.

• Используемая в обработке значимая часть импульсной характеристики эхотракта на реальных сетях может быть ограничена 5 — 7 отсчетами, что обеспечивает при известном значении времени концевой задержки возможность практической реализации эхокомпенсаторов на основе рядов Вольтерра на современной элементной базе.

• Использование прямой вычислительной процедуры для определения значений ядер ряда Вольтерра обеспечивает возможность компенсации нелинейных составляющих эхосигналов при разнице уровней сигнала и шума не менее 20 дБ. При этом в отличие от итерационной адаптации настройка имеет безынерционный характер.

• Значение величины задержки в эхотракте может быть определено на основе значений коэффициентов передачи в отводах линейной части эхокомпенсатора при условии одностороннего разговора.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, изложены основные научные результаты, приведены сведения об апробации работы и положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведено теоретическое исследование принципов функционирования существующих устройств эхоподавления с точки зрения эффективности подавления нелинейных составляющих эхосигналов с их помощью, а также основных источников нелинейности в телефонном соединении и их характеристик.

Источники нелинейных искажений в эхотрактах могут встречаться как в каналах цифровых систем передачи, так и на абонентских и соединительных линиях. На абонентских линиях источниками нелинейных искажений могут быть стационарные телефонные аппараты и мобильные терминалы, а также устройства, применяемые для разделения абонентов при спаренном подключении, аппаратура абонентского высокочастотного уплотнения (АВУ). Опасность с точки зрения возникновения нелинейных искажений на соединительных линиях представляет применение аналоговой аппаратуры уплотнения, тропосферных станций, систем статистического и интерполяционного уплотнения речевых сигналов. Постоянными источниками нелинейных искажений в цифровых каналах систем передачи являются компандеры ИКМ.

Во второй главе описана методика и приведены результаты натурного исследования нелинейных и импульсных характеристик эхотрактов на сети телефонной связи РФ. Измерения проводились на базе сетей связи сотовых операторов GSM города Москвы. На основании результатов измерений сделаны следующие основные выводы о статистике параметров эхотрактов на сети телефонной связи:

• импульсные характеристики эхотрактов, организованных на основе аналоговых АТС, имеют максимальные пиковые значения большие (примерно на 5 дБ), а задержку меньшую (примерно на 3 мс), чем организованных на основе цифровых АТС;

• задержка в сторону мобильных абонентов составляет 103 мс (206 мс по шлейфу) и вызвана, главным образом, кодированием и декодированием в транскодерах GSMh кодеках мобильных терминалов;

• в большинстве случаев импульсная характеристика эхотрактов носит сосредоточенный характер и большая часть ее энергии сосредоточена в интервале порядка пяти отсчетов;

• нелинейность эхотрактов может оказывать существенное мешающее воздействие на работу эхокомпенсаторов. Коэффициент нелинейных искажений эхотрактов зачастую может превышать 20 %. Средние значения затуханий отдельных комбинационных и гармонических составляющих относительно уровня тестового двухчастотного сигнала сведены в таблицу 1;

• в мобильных терминалах, используемых абонентами сотовых сетей связи, не всегда обеспечивается необходимая степень подавления эхосигналов. Наличие неподавленных эхосигналов со стороны мобильных терминалов

может быть обусловлено отсутствием или некачественной работой встроенных средств эхоподавления, а также влиянием нелинейности акустической цепи телефон — микрофон; • при переводе мобильного терминала в режим громкоговорящей связи через его акустический тракт возникает эхосигнал, уровень которого может быть соизмерим с уровнем полезного передаваемого речевого сигнала.

Таблица 1

Нелнв. составляю щ. 2*F, Fj + F, F,-F, 3* Fj 2*F2-F, Fj + 2*Fi

Значение, Гц 1240 1640 400 1860 1420 2260

Среднее затухание, дБ 27.5 32 27 32.5 29 25.5

Третья глава посвящена разработке требований, предъявляемых к средствам компенсации нелинейных составляющих эхосигналов в каналах телефонной связи. В главе также проведен теоретический анализ возможности и эффективности использования основных методов моделирования нелинейных продуктов в электрических системах для подавления нелинейных составляющих эхосигналов, описана разработка архитектур и математических моделей компенсаторов нелинейных составляющих на основе различных методов.

На основании результатов исследований задержек и нелинейных искажений в эхотрактах, приведенных в первой главе, а также известных зависимостей минимально допустимой величины затухания токов электрического эха от времени запаздывания, сделан вывод о том, что в случаях, когда задержка эхосигналов превышает 120 мс для проводных соединений и 200 мс для соединений через спутник, необходимо применение средств подавления нелинейных составляющих эхосигналов. Задержки такой длительности могут возникать при междугородних и международных соединениях, при соединениях с мобильными абонентами сетей GSM, в /Р-телефонии, при соединениях через спутниковые системы, в случаях применения систем сжатия речи, оперирующих блоками более 20 мс и т.д. Сделан вывод о том, что для обеспечения подавления нелинейных составляющих эхосигналов до уровня, при котором они не будут мешать разговору абонентов при любом приемлемом времени распространения сигналов, необходимо применение устройств, обеспечивающих затухание нелинейных составляющих на величину порядка 20 дБ. Однако в случаях, когда задержка не превышает 150 мс, достаточно обеспечить дополнительное затухание нелинейных составляющих эхосигналов на величину 6—10 дБ.

В качестве структур моделей альтернативных устройств подавления нелинейных составляющих эхосигналов рассматривались следующие:

а) безынерционный элемент с адаптивно настраиваемой передаточной характеристикой вида:

б) элемент, построенный на основе конечного ряда Вольтерра с передаточной характеристикой вида:

1 "-1 ¿*м-4

где ^ - количество отсчетов, соответствующее задержке эхосигнала в эхотракте, т • объем памяти фильтра Вольтерра, п — номер отсчета.

С целью обеспечения возможности последующей практической реализации предложена архитектура комбинированного эхокомпенсатора, представленная на рис.1.

Значение параметра <1, соответствующее концевой задержке сигнала в эхотракте, предлагается определять на основе максимального по абсолютному значению коэффициента фильтра настроенного линейного эхокомпенсатора.

Рис. 1

Настройку коэффициентов фильтра в блоке подавления нелинейных составляющих эхосигналов предлагается осуществлять следующими методами:

• настройка коэффициентов безынерционного элемента и элемента на основе ряда Вольтерра с помощью метода НМНСК, широко применяемого для адаптации коэффициентов в линейных эхокомпенсаторах;

• настройка коэффициентов передаточной характеристики безынерционного элемента на основе аппроксимации по методу наименьших квадратов;

• настройка коэффициентов элемента на основе ряда Вольтерра прямым вычислением коэффициентов.

При настройке _/ — го коэффициента по методу НМНСК, на п+1 - вом шаге значения вычисляются по формуле:

+ = + --*(„-/), (3)

■ ' 0(п) + д

где ц — некоторая константа, по величине близкая к нулю, используемая во избежание деления на ноль, а - коэффициент адаптации, определяющий скорость и точность сходимости алгоритма, Х(п) — отсчет исходного сигнала,

10

0(п) - дисперсия сигнала на входе тракта приема компенсатора, е(п) -погрешность эхоподавления, представляющая собой разницу между подавляемым сигналом и сигналом на выходе фильтра.

При поиске коэффициентов на основе полиномиальной аппроксимации по методу МНК, нахождение коэффициентов на основе N пар отсчетов сводится к решению относительно коэффициентов К системы из четырех уравнений вида:

Ко • £ х:+А-, • х х?+к,. £ х?+к, ■ £ х':3 = £ ■ г. (4>

м-0 л»0 ж»0 тшО

где / = 0, 1, 2, 3, Хт и Ут — отсчеты исходного и компенсируемого сигналов соответственно.

Реализация метода компенсации на основе прямого вычисления коэффициентов ряда Вольтерра сводится к решению относительно коэффициентов К системы уравнений, составленных в соответствии с выражением (2), по известным значениям Хн и Уя. В качестве метода решения системы уравнений предложено использовать один из методов Гаусса, основанный на циклическом повторении однотипных процедур, что упрощает программную реализацию.

При настройке коэффициентов по двум последним методам рассматривались два варианта работы алгоритма: в первом варианте коэффициенты, полученные в ходе обработки текущего набора отсчетов сигналов применялись для компенсации этого же набора, в другом - для компенсации следующего набора отсчетов. Условно первый вариант был назван «работа с обратным расчетом», а второй — «работа с прямым расчетом». Для увеличения эффективности подавления нелинейных составляющих эхосигналов этими методами, предложено:

• для метода подавления на основе аппроксимации — определить значение количества учитываемых пар отсчетов исходных сигналов и неподавленных составляющих эхосигналов, при котором стабильно достигается наиболее высокая степень подавления последних;

• для метода подавления на основе ряда Вольтерра — использовать избыточное количество уравнений, осуществлять решение системы уравнений на основе округленных значений амплитуд сигналов и суммировать значения коэффициентов системы уравнений в' соответствии со следующим правилом:

если а1*х+Ь1*у = г] и а2*х +Ь2*у = то (а^ а2)*х +(Ь1+Ъ2)*у = г,+г2.

Четвертая глава посвящена разработке модели и методики исследований эффективности подавления нелинейных составляющих эхосигналов предложенными методами. В главе также приведены результаты разработки алгоритмических и программных моделей эхотракта и моделей, реализующих описанные алгоритмы подавления нелинейных составляющих эхосигналов.

Модель нелинейного эхотракта была реализована на основе выражения ряда Вольтерра и описывает эхотракты с переменной конечной длительностью значимой части импульсной характеристики, равной т отсчетов, задержанной на с/, и нелинейными искажениями порядка не выше 3-го. Мгновенное значение амплитуды сигнала 5Л на выходе модели при подаче на ее вход отсчета тестового сигнала Хп может быть определено по формуле 5:

1-<1 1-4 к-]

где К- задаваемые пользователем коэффициенты ( ядра ) ряда Вольтерра.

Исследование эффективности подавления нелинейных составляющих эхосигналов различными методами производилось в соответствии со схемой, изображенной на рис.2.

Источник тестового сигнала Приемник тасгоаога сигнала о © О Ну • 11 1 № ы т

д г х ш ш Г» в Истечяик шумоаего еигиялж 4

Блок овравотки риупы им

Рис.2

При исследованиях ядра первого порядка ряда Вольтерра в модели эхотракта принимались равными нулю. При этом сигнал на входе модели компенсатора нелинейных составляющих эхосигналов соответствует сигналу на выходе линейного эхокомпенсатора в схеме, изображенной на рис.1, при оптимальной адаптации коэффициентов последнего. Для исследования влияния шумов в схеме , исследования присутствует источник шума изменяемого уровня. Подбор коэффициентов фильтра, описывающего эхотракт, осуществляется на основе результатов реальных измерений характеристик эхотрактов. Значение степени подавления нелинейных составляющих эхосигналов определяется на основе N отсчетов сигналов X/ на входе и У} на выходе модели компенсатора (в точках Б и А на рис.2) в соответствии с выражением:

Л = 1018 -^г— , дБ.

(6)

В пятой главе приведены результаты исследований эффективности подавления нелинейных составляющих эхосигналов моделями компенсаторов при различных значениях их параметров. Исследования проводились преимущественно на основе тестового речевого сигнала, рекомендованного МСЭ-Т для исследования систем сжатия речи.

По результатам исследования степени подавления нелинейных составляющих эхосигналов при компенсации на основе модели безынерционного устройства подавления нелинейных составляющих эхосигналов и аппроксимации полиномом сделаны следующие выводы:

• В режиме работы с обратным расчетом модели были получены намного более стабильные и высокие результаты, чем при работе модели в режиме с прямым расчетом. Вследствие высокой степени нестабильности работы модели в последнем режиме, рекомендовать его использование в целях компенсации нелинейных составляющих эхосигналов на реальных сетях можно со значительными ограничениями.

• Если в режиме работы с обратным расчетом модели наибольшая степень подавления достигалась при учете малого количества пар отсчетов (до 16 дБ при учете 5-7 пар), то при режиме работы с прямым расчетом - при учете 100 -150 пар (до 9дБ).

• Степень подавления, как правило, увеличивается при увеличении коэффициентов Келв и ряда Вольтерра эхотракта и уменьшении количества значимых отсчетов импульсной характеристики эхотракта (рис.3, 4).

• Чем больше уровень аддитивного Гауссовского шума, тем меньше степень подавления (рис.5). Работа модели в режиме с прямым расчетом и воздействии шумов с уровнем более -45дБ не удовлетворительна.

• Эффективность подавления нелинейных составляющих описанным методом практически одинакова для разных языков и динамики речи.

10 30 50 70 100 150 170 500

Число учитываемых пар отсчетов

»—Усиление Ко,о и Ко,о,о в 2 раза. »— Усиление Ко,о и Ко,о,о в 3 раза,

ь—Усиление Ко,о и

Ко,о,о в 5 раз.

з— Без усиления.

Рис.3

10

uj

"Е 8Н в> S

5 е-

6 4-

Я

10 30 50 70 100 150 170 500 Число учитываемых пар отсчетов

- Знач. Часть и.х = 3 отсч.

- Знач. Часть и.х = 5 отсч.

-Знач. Часть и.х = 7 отсч.

Рис.4

14 12-

й>

¡.10-

& «■

со

—»—Шум-39 дБ Шум-43 дБ ■а - Шум-45 дБ ----Без шума

7 10 30 50 70 100 150 170 500 Число учитываемых пар отсчетов

Рис. 5

По результатам исследования степени подавления нелинейных составляющих эхосигнапов при компенсации на основе модели безынерционного устройства и настройки коэффициентов полинома методом НМНСК сделаны следующие выводы:

• Стабильно высокая степень подавления нелинейных составляющих эхосигнапов достигается для французской речи при значениях коэффициентов адаптации при X, X1 и X3 равных соответственно а/=0.4,

«/=0.1, (Хг=0.015 независимо от объема памяти и распределения коэффициентов передачи фильтра Вольтерра в модели эхотракта. Для русской речи несколько более высокая степень подавления (на десятые доли децибелл) может быть достигнута при значении коэффициента аг=0.1.

• Степень подавления, как правило, увеличивается при увеличении коэффициентов К0,о,а и Кв.в ряда Вольтерра эхотракта (рис.6) и уменьшении количества значимых отсчетов импульсной характеристики эхотракта.

• Чем больше уровень аддитивного Гауссовского шума, тем меньше степень подавления нелинейных составляющих эхосигналов, хотя влияние шумов в рассматриваемых пределах мощности на степень подавления невелико и составляет доли децибел (рис. 6).

• Максимально достижимая степень подавления эхосигналов меньше, чем при аппроксимации с малым числом учитываемых пар отсчетов и приблизительно равна степени подавления при аппроксимации с числом пар равным 100-150.

Без усиления.

Усиление Ко,о и Ко,о,о в 2 раза.

Усиление Ко,о и Ко,о,о в 5 раз.

<п «И

а о> ж X 6 -5 ■

X & 3 • ? -

о 1 0 •

Без шума.

-46 43

Уровень шума, дБ

-39

Рис.6

По результатам исследования зависимостей степени подавления нелинейных составляющих эхосигналов при применении модели устройства подавления нелинейных составляющих эхосигналов на основе настройки коэффициентов ряда Вольтерра методом НМНСК сделаны следующие выводы:

• Оптимальные, с точки зрения обеспечения стабильно высокой степени подавления нелинейных составляющих эхосигналов, . значения коэффициентов адаптации различны для различных значений, памяти фильтра Вольтерра, применяемого в компенсаторе нелинейных составляющих эхосигналов. Так, для компенсаторов с памятью, равной 5 отсчетам, значениями, близкими к оптимальным, будут являться 1,5 и 0,5, а для компенсаторов с объемом памяти, равным 7 отсчетам - 1 и 0,3. ''

• Для русской речи оптимальные коэффициенты адаптации отличны от коэффициентов, оптимальных для тестового сигнала (французской речи).

В ¿том случае для компенсаторов с объемом памяти, равным 5 отсчетов, оптимальными будут значения а; порядка 0,3 — 0,7 и аз порядка 0,1 — 0,5. Чем больше уровень аддитивного Гауссовского шума, тем меньше степень подавления. Степень подавления при сосредоточенном характере нелинейности выше, чем при равномерно распределенном ( рис.7 ).

100 ч

Без шума

-45 -43

Уровень шума, дБ

- Без усиления Ко.о и Ко,о,о

-Усиление Ко,о и Ко.о,о в 2 раза.

-Усиление Ко,о и Ко,о,о в 5 раз.

Рис. 7

По результатам исследования зависимостей степени подавления нелинейных составляющих эхосигналов при применении модели устройства подавления нелинейных составляющих эхосигналов на основе прямого поиска коэффициентов ряда Вольтерра сделаны следующие выводы:

• При уровне шума меньшем, чем уровень нелинейных составляющих эхосигналов на 40 дБ, метод позволяет добиться степени подавления нелинейных составляющих эхосигналов большей, чем при использовании всех описанных ранее.

• Наиболее высокая степень подавления нелинейных составляющих эхосигналов достигается при суммировании 100 — 160 пар отсчетов.

• Работа модели при округлении менее, чем до трех знаков после запятой, невозможна. Следовательно, модель не устойчива при разнице между уровнем нелинейных составляющих эхосигналов и уровнем Гауссовского шума меньшей, чем 20 дБ.

• Степень подавления мало зависит от нелинейных характеристик эхотракта, но сильно зависит от степени округления отсчетов сигналов при вычислениях и числа усредняемых отсчетов. На рис. 8 представлена зависимость степени подавления нелинейных составляющих эхосигналов в режиме работы с обратным расчетом для различных типов нелинейности эхотрактов и округлении до 7 символов после запятой (без шума), а на рис. 9 - при округлении до 4 символов после запятой (отношение уровня компенсируемого сигнала к шуму порядка 40 дБ).

• Эффективность подавления нелинейных составляющих эхосигналов практически не зависит от языка и динамики речи.

* Усиленна КО,о и Ко.о.о в 2 раза.

—•— Усиление Ко,о и Ко.о.о в 3 раза.

—а— Усиление Ко.о и Ко.о.о в 5 раз.

Количество суммируемых пар отсчетов —♦—Без усиления.

Рис. 8

•— Усиление Ко,о и Ко.о.о в 2 раза.

■—Усиление Ко,о и Ко.о.о в 3 раза.

а—Усиление Ко,о и Ко.о.о в 5 раз.

•—Без усиления.

Рис.9

Исследованные методы настройки . коэффициентов нелинейной передаточной характеристики безынерционного элемента позволяют добиться подавления нелинейных составляющих эхосигналов в среднем на величину порядка 6 дБ, вследствие чего могут быть достаточно эффективны при задержках в канале менее 150 мс. Обеспечиваемая степень подавления тем больше, чем более сосредоточенный характер имеет нелинейность эхотракта. Зависимость степени подавления от уровня аддитивной помехи невелика. К преимуществам метода адаптации коэффициентов на основе аппроксимации можно отнести слабую зависимость степени подавления от параметров сигнала, а также подавление нелинейных составляющих эхосигналов во время адаптации коэффициентов. К недостаткам метода можно отнести внесение в обратное направление передачи задержки около 6 мс (50 отсчетов).

Методы компенсационного подавления нелинейных составляющих эхосигналов, основанные на рядах Вольтерра, позволяют добиться существенно более высокой степени подавления нелинейных составляющих эхосигналов (более 20 дБ), вследствие чего могут эффективно применяться в каналах с большими задержками. Процедура прямого вычисления ядер ряда Вольтерра позволяет добиться более высокой степени подавления в отсутствии шумов. К преимуществам такого метода адаптации также можно отнести слабую зависимость степени подавления нелинейных составляющих эхосигнала от параметров исходного сигнала (в том числе языка говорящего) и • подавление нелинейных составляющих эхосигналов во время адаптации

Количество суммируемых пар отсчетов

коэффициентов. К недостаткам процедуры прямого вычисления ядер по

отношению к настройке по методу НМНСК можно отнести существенно

меньшую устойчивость к воздействию аддитивных шумов.

Основные результаты, полученные в диссертации.

В ходе выполнения работы получены следующие результаты:

• Проведены измерения линейных и нелинейных характеристик эхотрактов на сети связи общего пользования. Их результаты применены для создания модели нелинейного эхотракта и исследования различных методов компенсации нелинейных составляющих эхосигналов.

• Предложена архитектура построения комбинированного эхокомпенсатора, обеспечивающая подавление как линейной, так и нелинейных составляющих эхосипнала. Предложенная архитектура обеспечивает возможность практической реализации эхокомпенсатора на современной элементной базе.

• Реализованы математические и программные модели, описывающие эхотракт с различными нелинейными характеристиками и компенсаторы нелинейных составляющих с различными алгоритмами функционирования. Отличительной особенностью разработанных моделей является их построение на основе реальной статистики линейных и нелинейных характеристик эхотрактов.

• На основе комплекса разработанных моделей произведена оптимизация их параметров и исследование их характеристик по принятым критериям; использование оптимальных параметров позволит обеспечить наиболее высокое качество телефонной передачи по эхозащищенным каналам.

• Предложен алгоритм адаптивной настройки компенсатора нелинейных составляющих эхосигналов, основанный на процедуре прямого вычисления ядер Вольтерра.

• Предложен алгоритм настройки безынерционного компенсатора нелинейных составляющих эхосигналов, основанный на аппроксимации по методу наименьших квадратов.

Публикации по теме диссертации.

1. Цыбулин М.К., Шаврин Д.С. Эхокомпенсация в каналах с нелинейными искажениями// Обработка сигналов в системах телефонной связи и вещания: Тез. докл. Межрегиональная конференция. - Москва - Пушкинские Горы, 2002. -С. 136-137.

2. Цыбулин М.К., Шаврин Д.С. Компенсация нелинейной составляющей эхосигаала в каналах телефонной связи// Научная конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава: Тез. докл.-М.: МТУСИ., 2003. Сборник №2. -С. 78-79.

3. Гордиенко В.Н., Шаврин Д.С. Архитектура эхокомпенсатора с полиномиальным корректором// Обработка сигналов в системах телефонной связи и вещания: Тез. докл. Межрегиональная конференция. - Москва -Пушкинские Горы, 2003. -С. 95-96.

4. Гордиенко В.Н., Шаврин Д.С. Результаты исследования эффективности подавления нелинейной составляющей эхосигнала// Обработка сигналов в системах телефонной связи и вещания: Тез. докл. Межрегиональная конференция. - Москва - Пушкинские Горы, 2003. -С. 97-102.

5. Гордиенко В.Н., Шаврин Д.С. Эхокомпенсация в нелинейных эхотрактах на основе рядов Вольтерра// Обработка сигналов в системах телефонной связи и вещания: Тез, докл. Межрегиональная конференция. - Москва -Пушкинские Горы, 2004. -С. 104-106.

6. Гордиенко В.Н., Шаврин Д.С. Создание компьютерной модели эхокомпенсатора на основе рядов Вольтерра// Научная конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава: Тез. докл. -М.: МТУ СИ., 2005. Книга 1. -С. 173.

7. Шаврин Д.С. Модель нелинейного эхотракта// Молодые ученые — науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике: Тез. докл. Международная научно-техническая школа-конференция. - Москва, 2005, -Ч. 2. -С.58-61.

8. Шаврин Д.С. Методика измерения задержки в эхотрактах на сотовых сетях связи. -М.: Деп. в ЦНТИ «Информсвязь», 26.05.06. -№2278 св 2006. -С.2-7.

9. Шаврин Д.С. Результаты исследования линейных и нелинейных характеристик эхотрактов на сети связи РФ// Электросвязь. — 2006. - № 9. -С.47-50.

10. Шаврин Д.С. Подавление нелинейных составляющих эхосигналов// Вестник связи. - 2006. - № 9. -С. 81 -83.

П.Шаврин ДС. Анализ возможности и эффективности использования основных методов моделирования нелинейных процессов для решения задачи эхоподавления в нелинейных эхотрактах// Труды МТУСИ. -2006. -С.152-158.

Подписано в печать 23.10.2006. Формат 60x84/16. Объем 1,2 усл.п.л. _Тираж 100 экз. Заказ 178._

ООО «Инсвязьиздат». Москва, ул. Авиамоторная, 8.

Содержание.

Введение.

1. Эффект электрического эха в телефонных каналах и проблема подавления нелинейных составляющих эхосигналов.

1.1. Эффект электрического эха в телефонных каналах, методы и средства борьбы с его мешающим воздействием.

1.2. Анализ причин появления и характеристик основных источников нелинейности в телефонном соединении.

1.2.1. Междугородние и местные каналы и соединительные линии.

1.2.2. Абонентские линии.

Выводы.

2. Исследование характеристик эхотрактов на сети телефонной связи

2.1. Исследование статистики импульсных характеристик эхотрактов.

2.1.1. Цель и методика исследования статистики импульсных характеристик эхотрактов.

2.1.2. Анализ результатов измерений импульсных характеристик эхотрактов.

2.2. Исследование характера, источников и статистики нелинейных искажений в эхотрактах.

2.2.1. Цель и методика исследования статистики нелинейных искажений в эхотрактах.

2.2.2. Анализ результатов измерения нелинейных искажений в эхотрактах.

Выводы.

3. Разработка методов компенсации нелинейных составляющих эхосигналов в каналах телефонной связи.

3.1. Разработка требований, предъявляемых к средствам компенсации нелинейных составляющих эхосигналов в каналах телефонной связи.57 3.2 Анализ возможности и эффективности использования основных методов моделирования нелинейных продуктов.

3.2.1. Полиномиальная коррекция.

3.2.2. Компенсация на основе рядов Вольтерра.

3.3. Разработка метода подавления нелинейных составляющих эхосигналов, основанного на полиномиальной коррекции.

3.3.1. Разработка архитектуры устройства подавления нелинейных составляющих эхосигналов.

3.3.2 Разработка математической модели компенсатора нелинейных составляющих эхосигналов.

3.4. Разработка метода подавления нелинейных составляющих эхоси1 палов, основанною на рядах Вольтерра и рекуррентной настройке коэффициентов.

3.4.1 Разработка архитектуры компенсатора нелинейных составляющих эхосигналов.

3.4.2. Разработка математической модели компенсатора нелинейных составляющих эхосигналов.

3.5. Разработка метода подавления нелинейных составляющих эхосигналов, основанного на рядах Вольтерра и прямом вычислении коэффициентов.

3.5.1 Разработка архитектуры компенсатра нелинейных составляющих эхосигналов.

3.5.2. Разработка математической модели компенсатора нелинейных составляющих эхосигналов.

Выводы.

4. Разработка методики исследований, моделей эхотракта и компенсаторов нелинейных составляющих эхосигналов.

4.1. Разработка моделей эхотракта и компенсаторов нелинейных составляющих эхосигналов различного типа.

4.1.1. Разработка математической модели эхотракта.

4.1.2. Разработка алгоритмической и программной моделей эхотракта

4.1.3. Разработка алгоритмической и программной моделей реализации метода компенсации нелинейных составляющих эхосигналов на основе полиномиальной аппроксимации.

4.1.4. Разработка алгоритмической и программной моделей реализации метода компенсации нелинейных составляющих эхосигналов на основе рекуррентной адаптации полинома.

4.1.5. Разработка машинной модели реализации метода компенсации нелинейных составляющих эхосигналов на основе рядов Вольтерра и рекуррентной адаптации.

4.1.6. Разработка машинной модели реализации метода компенсации нелинейных составляющих эхосигналов на основе рядов Вольтерра и прямого вычисления коэффициентов.

4.2. Разработка модели исследований.

4.3. Разработка методики исследований.

Выводы.

5. Анализ результатов исследований эффективности компенсационного подавления нелинейных составляющих эхосигналов.

5.1. Анализ результатов исследования эффективности метода компенсации нелинейных составляющих эхосигналов на основе аппроксимации полиномом.

5.2. Анализ результатов исследования эффективности метода компенсации нелинейных составляющих эхосигналов на основе адаптации полинома по методу НМНСК.

5.3. Анализ результатов исследования эффективности метода компенсации нелинейных составляющих эхосигналов на основе фильтра Вольтерра и настройки по методу НМНСК.

5.4. Ре$улbnaibi исследования зффекжвноаи метода компенсации нелинейных составляющих эхосигналов на основе фильтра Волмерра и прямого вычисления корней.

Выводы.

Актуальность работы.

Современный уровень развития телекоммуникационных технологий предъявляет высокие требования к качеству телефонной связи. В последнее время в мире на телекоммуникационных сетях, в том числе и на сетях доступа, происходит активная замена аналоговой аппаратуры на цифровую. Это значительно улучшает качество телефонной связи по многим основным параметрам, однако может усугубить влияние некоторых эффектов, мешающих разговору абонентов, одним из которых является эффект электрического эха.

Как известно, мешающее воздействие эхосигналов на абонентов во многом определяется их задержкой. Включение в телефонный канал устройств, вносящих дополнительную задержку - систем криптографической защиты информации, сжатия речи, оборудования IP-телефонии и сотовых систем связи - часто усугубляет негативное влияние сигналов электрического эха на абонентов. При этом пониженный уровень шума в цифровых каналах приводит к ослаблению эффекта маскирования эхосигналов, что также повышает их заметность и мешающее воздействие.

В настоящее время задача подавления эхосигналов решается с помощью двух типов устройств - эхозаградителей и эхокомпенсаторов. Первый тип устройств менее распространен на сетях связи вследствие заметности его функционирования для абонентов, хотя и позволяет добиться большей степени подавления вне зависимости от линейности эхотракта. Второй тип устройств потенциально обеспечивает более высокое качество связи и его работа в телефонном канале может быть незаметной для абонентов.

Однако в реальных условиях эксплуатации на сетях связи эхокомпенсаторы находятся под воздействием внешних факторов, мешающих их нормальной работе. Одним из основных факторов является нелинейность эхотрактов. Принципиальная неспособность современных эхокомпенсаторов сформировать адекватную копию нелинейно-искаженного эхосигнала может приводить к проникновению в обратное направление передачи неподавленных нелинейных составляющих эхосигнала. В то же время мешающее воздействие на абонентов нелинейных составляющих эхосигналов практически эквивалентно воздействию равного по мощности эхосигнала.

Для подавления нелинейных составляющих эхосигналов в современных эхокомпенсаторах применяется отдельный узел -«нелинейный процессор». Являясь по принципу действия упрощенным функциональным аналогом эхозаградителя, но не будучи в той же степени оптимизированным нелинейный процессор зачастую сам является источником существенных мешающих явлений, наиболее ярко проявляющихся при высоком уровне неподавленного эхосигнала на его входе. Часто возникают такие эффекты, как пропускание искаженного остаточного эхосигнала, превышающего пороговое значение нелинейного процессора; блокировка обратного направления передачи без внесения шума комфортности, создающая у абонентов впечатление разрыва соединения; пропускание отрезков эхосигналов вследствие ложного детектирования встречного разговора; клиппирование речи дальнего абонента при встречном разговоре. Как показывает практика, нелинейные процессоры зачастую вносят более заметные мешающие эффекты, чем эхозаградители, вследствие чего их применение нельзя считать оптимальным решением задачи подавления нелинейных составляющих эхосигналов.

Количество работ, посвященных разработке альтернативных методов подавления нелинейных составляющих эхосигналов, невелико. Известны статьи группы авторов (F.Kuch, W.Kellermann, A.Stenger, L.Trautmann и R.Rabenstein), в которых приводятся результаты 7 исследований методов компенсации на основе рядов Вольтерра второго порядка и нелинейного безынерционного элемента. Для адаптации нелинейных фильтров используются те же алгоритмы, что и для адаптации эхокомпенсаторов. Результаты, приведенные в этих статьях, получены с некоторыми допущениями. В частности, рассматривается применение рядов Вольтерра только второго порядка, а при использовании безынерционных элементов не учитывается задержка сигнала в эхотракте. Среди работ отечественных авторов можно выделить работы Цыбулина М.К., Иванова В.И., Снегова А.Д., Кунегина С.В., посвященные исследованиям различных методов подавления эхосигналов, работы Ланнэ А.А., посвященные синтезу фильтров на основе рядов Вольтерра, но не имеющие телекоммуникационной направленности. Проблемой подавления сигналов электрического эха занимались и занимаются специалисты ведущих отраслевых институтов -ЦНИИС (Жарков М.А., Раппопорт Э.З. и др.), НИИР (Зачесов Н.И., Зинин И.П., Бялик Ю.Б. и др.), ЛОНИИС (Вемян Г.В., Петрова М.З. и др.).

Разработка и исследование характеристик компенсационных методов подавления нелинейных составляющих эхосигналов представляется весьма актуальной и перспективной задачей.

Цель и основные задачи работы.

Основной целью работы является разработка принципов и средств комплексной компенсации линейных и нелинейных составляющих эхосигналов.

Основными задачами работы являются: анализ существующих технических решений и исследование эффективности подавления нелинейных составляющих эхосигналов промышленными эхоподавляющими устройствами; разработка и исследование альтернативных структур компенсаторов и алгоритмов подавления нелинейных составляющих эхосигналов; сравнение эффективности работы различных алгоритмов по ключевым параметрам на основе теоретического исследования и компьютерного моделирования; разработка рекомендаций по применению различных алгоритмов подавления нелинейных составляющих эхосигналов в различных сетевых условиях.

Методы исследования.

Исследования, проведенные в настоящей диссертационной работе, базируются на методах математической статистики, теории выбора и принятия решений, теории систем автоматического управления, теории случайных процессов и методах статистической радиотехники. В работе используются методы цифровой фильтрации, математического моделирования и моделирования на ПК. Исследования проводились на основе программного обеспечения, разработанного автором.

Научная новизна.

• Проведен цикл натурных экспериментов на сети связи общего пользования, нацеленных на исследование реальной статистики линейных и нелинейных характеристик эхотрактов. В частности выявлено, что значимая часть импульсных характеристик эхотрактов, как правило, сосредоточена в диапазоне 5-ти - 7-ми отсчетов, а разность уровней исходного сигнала и уровня нелинейных составляющих эхосигнала в большинстве случаев лежит в пределах 25 - 30 дБ, однако в отдельных случаях может достигать 14 дБ.

• Разработан комплекс моделей, описывающих эхотракт с сосредоточенным и динамическим типами нелинейности, компенсаторы нелинейных составляющих с различными алгоритмами функционирования, а также принципы взаимодействия сигналов и шумов в их системе. Отличительными особенностями разработанных моделей является их построение на основе реальной статистики линейных и нелинейных характеристик эхотрактов, а также обеспечение возможности оптимизации характеристик компенсаторов. Предложен метод настройки компенсатора нелинейных составляющих эхосигналов, основанный на процедуре прямого вычисления ядер Вольтерра, не имеющий задержки компенсации вследствие адаптации ядер и обладающий более низкой по сравнению с итерационными методами зависимостью степени подавления нелинейных составляющих эхосигналов от основных характеристик передаваемого сигнала.

Предложен алгоритм настройки безынерционного компенсатора нелинейных составляющих эхосигналов, основанный на аппроксимации по методу наименьших квадратов. Оптимизированы значения основных параметров компенсаторов нелинейных составляющих эхосигналов, обеспечивающие более высокое качество телефонной передачи по эхозащищенным каналам.

Практическая ценность. Результаты, полученные в ходе исследования статистики линейных и нелинейных характеристик эхотрактов, могут применяться при проектировании сетей связи с целью обеспечения наиболее эффективного размещения эхоподавляющих устройств различных типов и с различными характеристиками, а также оптимизации характеристик при разработке новых типов эхоподавляющих устройств. В частности, результаты были использованы для повышения качества подавления сигналов электрического эха в проблемных каналах на сетях операторов Вымпелком, Транстелеком и РЖД.

Предложенная структура комплексного компенсатора линейных и нелинейных составляющих эхосигналов может быть применена при практической реализации эхокомпенсаторов, рассчитанных на подавление эхосигналов, претерпевших нелинейные искажения.

10

Структура позволяет существенно снизить вычислительную сложность компенсаторов нелинейных составляющих, основанных на использовании рядов Вольтерра, а также повысить эффективность безынерционных компенсаторов нелинейных составляющих.

• Предложенные алгоритмы адаптации фильтров компенсаторов нелинейных составляющих эхосигналов могут быть применены при практической реализации новых комбинированных эхокомпенсаторов, а результаты исследования их эффективности - в качестве рекомендации по их применению на сети связи страны. В частности, в телефонных каналах с временем распространения сигналов в одном направлении менее 75 мс и сосредоточенным характером нелинейности в эхотракте возможно применение безынерционного элемента с настройкой на основе аппроксимации по методу МНК, а в каналах с временем распространения в одном направлении более 75 мс и малым затуханием нелинейных составляющих эхосигналов -применение компенсатора на основе ряда Вольтерра и прямого вычисления ядер.

• Результаты, полученные в ходе подготовки диссертации, использованы в учебном процессе МТУСИ на кафедрах МЭС и РВиЭА.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались на межрегиональных и международных конференциях, конференциях профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ, а также были опубликованы в научных журналах.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 11 работ.

Объем и структура работы.

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений.

Содержит 158 страниц текста и список литературы из 68 наименований.

11

Основные положения, выносимые на защиту.

Использование безынерционных элементов с адаптивными нелинейными передаточными характеристиками на реальных эхотрактах обеспечивает подавление нелинейных составляющих эхосигналов в среднем на 5-6 дБ, что во многих приложениях достаточно для того, чтобы уменьшить мешающее воздействие эффекта электрического эха до допустимого уровня. Итеративная адаптивная настройка фильтров на основе рядов Вольтерра по широко применяемому в эхокомпенсаторах нормализованному методу наименьших средних квадратов (НМНСК), на реальных речевых сигналах в условиях сети связи общего пользования обеспечивает подавление нелинейных составляющих эхосигналов на 16-20 дБ; при этом время сходимости алгоритма на активной речи в условиях одностороннего разговора не превышает 2000 мс, что дает основания для включения таких фильтров в архитектуру комбинированного эхокомпенсатора без ущерба для качества его работы в линейных эхотрактах.

Используемая в обработке значимая часть импульсной характеристики эхотракта на реальных сетях может быть ограничена 5-7 отсчетами, что обеспечивает при известном значении времени концевой задержки возможность практической реализации эхокомпенсаторов на основе рядов Вольтерра на современной элементной базе. Использование прямой вычислительной процедуры для определения значений ядер ряда Вольтерра обеспечивает возможность компенсации нелинейных составляющих эхосигналов при разнице уровней сигнала и шума не менее 20 дБ. При этом в отличие от итерационной адаптации настройка имеет безынерционный характер. Значение величины задержки в эхотракте может быть определено на основе значений коэффициентов передачи в отводах линейной части эхокомпенсатора при условии одностороннего разговора.

Выводы

Исследованные методы настройки коэффициентов нелинейной передаточной характеристики безынерционного элемента позволяют добиться подавления нелинейных составляющих эхосигналов в среднем на величину порядка 6 дБ, вследствие чего могут быть достаточно эффективны при задержках в канале менее 150 мс. Обеспечиваемая степень подавления тем больше, чем сосредоточенней характер нелинейности эхотракта. Зависимость степени подавления от уровня аддитивной помехи мала. К преимуществам метода адаптации коэффициентов на основе аппроксимации можно отнести независимость степени подавления от параметров сигнала, а так же не пропускание нелинейных составляющих эхосигналов во время адаптации коэффициентов. К недостаткам метода можно отнести внесение в обратное направление передачи задержки около 6 мс (50 отсчетов).

Методы компенсационного подавления нелинейных составляющих эхосигналов, основанные на рядах Вольтерра, позволяют добиться существенно большей степени подавления нелинейных составляющих эхосигналов (более 20 дБ), вследствие чего могут эффективно применяться в каналах с большими задержками. Методы также весьма эффективны при равномерно распределенной нелинейности эхотракта. Процедура прямого нахождения ядер ряда Вольтерра позволяет добиться большей степени подавления в отсутствии шумов. Также к преимуществам такого метода адаптации можно отнести независимость степени подавления от параметров сигнала (в том числе языка говорящего), непропускание неподавленных нелинейных составляющих эхосигналов во время адаптации коэффициентов, и отсутствие привязки к проведению вычислений в интервал времени, равный 125 мкс. К недостаткам процедуры прямого нахождения ядер по отношению к настройке по методу НМНСК можно отнести существенно меньшую устойчивость к воздействию аддитивных шумов, а также неработоспособность в случае, если число отсчетов значимой части импульсной характеристики эхотракта превышает объем памяти фильтра Вольтерра. Вследствие того, что при работе с обратным расчетом в сигнал обратного направления передачи вносится задержка, наиболее приемлемыми вариантами работы процедуры прямого поиска ядер ряда Вольтерра представляются режим с обратным расчетом и усреднением по порядка 10 отсчетов и режим с прямым расчетом и усреднением по порядка 160 отсчетов.

Заключение

Работа посвящена исследованию и разработке методов компенсационного подавления нелинейных составляющих эхосигналов. Актуальность работы обуславливается ростом числа телефонных каналов с большим временем распространения и существенными нелинейными искажениями в эхотрактах, а также недостатками существующих средств подавления эхосигналов в случае нелинейности эхотракта. К последним можно отнести эхозаградители и нелинейные процессоры, применяемые в составе эхокомпенсаторов.

Функционально оба типа устройств во многом идентичны и основываются на внесении значительного затухания в обратное направление передачи на время передачи информации по прямому. Различие заключается в том, что, не будучи основным элементом в архитектуре эхокомпенсатора, нелинейный процессор осуществляет функцию подавления только сигналов, уже прошедших компенсацию в цифровом трансверсальном фильтре, то есть сигналов со средним уровнем меньшим, чем средний уровень эхосигнала. С другой стороны, нелинейный процессор менее адаптирован для функционирования в различных сетевых условиях, чем эхозаградитель.

При таком алгоритме функционирования неизбежно проявление некоторых эффектов, мешающих разговору абонентов. Наиболее распространенными из них являются клиппирование и неадекватная работа при ложном детектировании встречного разговора. Показано, что при использовании нелинейного процессора могут возникать существенные мешающие явления, порой даже более заметные, чем при использовании эхозаградителей.

Более перспективным подходом к решению задачи подавления нелинейных составляющих эхосигналов является замена нелинейного процессора на элемент компенсационного подавления нелинейных составляющих эхосигналов, позволяющая во многих случаях избежать проявления описанных мешающих эффектов.

С целью разработки эффективных моделей компенсаторов нелинейных составляющих сигналов электрического эха, уменьшения вычислительной сложности их функционирования, а также создания адекватной модели исследования их эффективности и определения области их возможной применимости, в ходе работы был проведен ряд исследований линейных и нелинейных характеристик эхотрактов РФ на основе сетей мобильных операторов города Москвы. Проводились

148 измерения мощностей комбинационных и гармонических составляющих эхосигнала при подаче в прямом направлении передачи двухчастотного сигнала, а также измерение импульсных характеристик эхотрактов. По результатам измерений, в частности, сделаны следующие основные выводы:

1. Затухание различных гармонических и комбинационных составляющих эхосигнала, как правило, находится в пределах 25 - 30 дБ, однако в отдельных случаях может снижаться до 14 дБ.

2. Импульсные характеристики эхотрактов носят в основном сосредоточенный характер. В большинстве случаев основная часть их энергии сосредоточена в пределах трех - семи отсчетов.

На основании зависимостей допустимого значения затухания сигналов электрического эха от их задержки и того факта, что по мешающему воздействию на абонентов неподавленные нелинейные составляющие эхосигналов не уступают равным по мощности линейным составляющим, сделан вывод о том, что для снижения до допустимого уровня нелинейных составляющих эхосигналов необходимо обеспечить их дополнительное затухание на величину порядка 20 дБ, а в случаях, когда задержка эхосигналов не превышает 150 мс - на 6 дБ.

На основе результатов измерений характеристик эхотрактов предложена схема комплексного компенсатора, состоящего из последовательно включенных линейного эхокомпенсатора (с выключенным нелинейным процессором) и компенсатора нелинейных составляющих эхосигналов. С целью уменьшения вычислительной сложности последнего и повышения эффективности его функционирования предложено внести дополнительную задержку для сигнала тракта приема, используемого при формировании копии нелинейных составляющих эхосигналов. Величину задержки предложено определять на основе значений коэффициентов передачи в отводах трансверсального фильтра настроенного линейного эхокомпенсатора.

149

Рассмотрены два подхода к решению задачи компенсационного подавления нелинейных составляющих эхосигналов - компенсация на основе безынерционного элемента с передаточной характеристикой в виде степенного ряда и компенсация на основе элемента с передаточной характеристикой в форме ряда Вольтерра.

В качестве алгоритмов адаптации предложено использовать метод аппроксимации по методу наименьших квадратов для настройки безынерционного элемента и метод прямого вычисления ядер посредствам решения системы уравнений для элемента на основе ряда Вольтерра. Так же проведены исследования эффективности применения алгоритма НМНСК, широко применяемого в современных эхокомпенсаторах, для целей компенсации нелинейных составляющих эхосигналов.

В предлагаемых методах адаптации передаточная характеристика компенсатора нелинейных составляющих эхосигналов формируется на основе набора отсчетов исходного и отраженного сигналов. Предложены два режима работы алгоритмов, условно названые режимами с прямым и обратным расчетом. В первом случае полученная передаточная характеристика применялась для компенсации следующей группы отсчетов исходного и отраженного сигналов, а во втором - для той группы, на основе которой была сформирована. При работе моделей в режиме с обратным расчетом характерно внесение задержки в обратное направление передачи.

С целью увеличения эффективности подавления нелинейных составляющих эхосигналов предлагаемыми методами, проведены исследования влияния числа усредняемых пар отсчетов на степень подавления.

С целью исследования влияния сосредоточенного характера нелинейности эхотракта на степень подавления нелинейных составляющих эхосигналов предложено проводить исследования при

150 разном значении усиления первых ядер ряда Вольтерра и при разном объеме памяти модели нелинейного эхотракта.

К преимуществам применения предлагаемых алгоритмов адаптации по отношению к рекуррентным методам, применяемым, в частности, для компенсации линейных составляющих эхосигналов, можно отнести отсутствие процесса адаптации и связанной с ним задержки подавления, а также меньшую зависимость степени подавления нелинейных составляющих эхосигналов от параметров исходного сигнала.

На основе разработанных математических и программных моделей нелинейного эхотракта и компенсаторов нелинейных составляющих эхосигналов проведены исследования эффективности функционирования в условиях различных характеристик нелинейного эхотракта. Исследованы зависимости степени компенсационного подавления нелинейных составляющих эхосигналов от таких параметров нелинейного эхотракта, как сосредоточенность нелинейности в эхотракте и уровень аддитивного Гауссовского шума. Исследования проводились на основе тестового речевого сигнала, предложенного МСЭ-Т для проверки эффективности алгоритмов сжатия речи, и на основе группы сигналов русской речи.

Анализ результатов проведенных исследований служит основанием для следующих выводов:

1. При использовании безынерционного элемента степень подавления нелинейных составляющих эхосигналов сильно зависит от сосредоточенного характера нелинейности. В частности, при увеличении первых ядер в 5 раз максимальная степень подавления составила около 16 дБ при использовании аппроксимации и около 8 дБ при адаптации по алгоритму НМНСК, при усилении в 3 раза -10 дБ и 4 дБ, а без усиления - 6 дБ и 4 дБ соответственно.

2. При настройке передаточной характеристики безынерционного

151 компенсатора нелинейных составляющих на основе аппроксимации наиболее высокая степень подавления (до 16-ти дБ) достигалась в режиме работы с обратным расчетом и малым (около 7-ми) числом учитываемых пар. Однако с точки зрения мешающего влияния во время встречного разговора более удачным представляется рассмотрение более 30-ти пар отсчетов (задержка более 3 мс).

3. Степень подавления нелинейных составляющих эхосигналов безынерционным элементом слабо зависит от уровня шума и от языка речи.

4. Методы компенсации на основе рядов Вольтерра обеспечивают значгельно более высокую степень подавления (до 20 дБ при адаптации на основе НМНСК и до 60 дБ при адаптации на основе прямого вычисления) в слабой зависимости от сосредоточенного характера нелинейности.

5. Влияние шумов на степень подавления компенсаторами нелинейных составляющих эхосигналов на основе рядов Вольтерра велико. В частности, при адаптации по методу НМНСК изменение степени подавления практически равно изменению уровня аддитивного Гауссовского шума, а при работе компенсатора при прямом вычислении коэффициентов и разнице сигнал - шум менее 20 дБ функции подавления не обеспечивается.

1. LTU-T Rec. G. 111. Loudness Ratings In An International Connection. March 1993.

2. Telecommunications circuits. Personal communications, switching, subscriber and transient suppressors. Data book. Texas Instruments, 1993.

3. Многоканальные системы передачи. Под ред. Баевой Н.Н., Гордиенко В.Н. -М.: Радио и связь, 1997. -560 с.

4. Цифровые и аналоговые системы передачи. Под ред. Иванова В.И. -М.: Радио и связь, 1995. -232 с.

5. ITU-T Rec. G. 131. Control of talker echo. August 1996.

6. ITU-T Rec. G.107. The E-Model, a computational model for use in transmission planning. December 1998.

7. UIT-T Rec. G.108. Application of the E-model: A planning guide. September 1999.

8. UIT-T Rec. G.l 14. One-way transmission time. February 1996.

9. Пузырев В. Internet телефония: как «это» использовать. -М.: Познавательная книга плюс, 2002. -224 с.

10. Цыбулин М.К. Подавление электрического эха в телефонных каналах. -М.: Радио и связь, 1988. -113 с.

11. Цыбулин М.К., Шевелев С.В., Рыжавин А.А. Разработка методики оценки эффективности использования эхоподавляющих устройств на сети связи. Тезисы докладов LIII научной сессии. Посвященной Дню Радио. -М.: -1998. -С. 104-105.

12. Сондхи М.М., Беркли Д.А. Подавление эха в телефонных сетях: пер. с нгл. //ТИИЭР. -1980. т.68, №8.

13. Шаврин С.С. Электрическое эхо: заграждать или компенсировать? //Вестник связи 2005. - №1.

14. Снегов А.Д. Устройства для подавления электрического эха в протяженных каналах двусторонней связи.: Учебн. пособие: М. ВЗЭИС, 1985.-71с.

15. ITU-T Rec. G.164. Echo suppressors. November 1988.

16. Цыбулин, M. К. Эхозаградительные устройства на сетях связи. -М.: Связь, 1979.-88 с.

17. ITU-T Rec. G.165. Echo cancellers. March 1993.

18. Рекомендация МСЭ-Т G.168 «Цифровые эхокомпенсаторы», апрель 1997.

19. Murano К., Unagami S., Amano F. Echo cancellation and applications // I EES communications magazine, 1990, Vol 28, Iss 1, pp. 49-55.

20. Sundar G. Sankaran. Implementation and evaluation of echo cancellation algorithms. Electrical Engineering Virginia Polytechnic Institute and State University 1996.

21. Уидроу Б., Стринз С. Адаптивная обработка сигналов: пер. с анг. Сальникова Ю.К. -М.: Радио и связь, 1989. -440 с.

22. Коуэн К.Ф., Грант П.М. Адаптивные фильтры: пер. с анг. -М.: Мир, 1988.-392 с.

23. Jenschel Н. -J. Theory and applications of adaptive systems. // Dresden University ofTecnology, institute of Traffic Information Systems. -1997.

24. Лам K.K., Цыбулин M.K. Особенности использования механизма адаптации в эхоподавляющих устройствах компенсационного типа. // Электросвязь.-1995 -№12-с. 16-17.

25. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. Учебник для ВУЗов. Изд.2. Санкт-Петербург: Питер, 2005. -752 с.

26. Айфичер Эммануил С. Цифровая обработка сигналов. Практический154подход. Изд.2. Санкт-Петербург: Диалектика-Вильяме, 2004. -992 с.

27. Лэм Г. Аналоговые и цифровые фильтры: расчет и реализация. -М.: мир, 1982.-592 с.

28. Антонью А. Цифровые фильтры: анализ и проектирование. -М.: Радио и связь, 1983. -320 с.

29. Цыбулин М.К., Шевелев С.В. Подавление эхосигналов в телефонных сетях с нелинейными и нестационарными эхотрактами. Тезисы докладов LII сессии, посвященной Дню Радио. -М.: -1997 -с.101-102.

30. ITU-T Rec. G.711 (11/88) Pulse code modulation (PCM) of voice frequencies

31. Попов В.И. Основы сотовой связи стандарта GSM. -М.: Эко-Трендз, 2005. -296 с.

32. ITU-T Rec. G.729. General aspects of digital transmission systems. Coding of speech at 8 kbit/s using conjugate-structure algebraic-code-excited linear-prediction (CS-ACELP). Annex A. March 1996.

33. ITU-T Rec. G.726 (12/90) 40, 32, 24, 16 kbit/s Adaptive Differential Pulse Code Modulation (ADPCM)

34. ITU-T Rec. G.727 (12/90) 5-, 4-, 3- and 2-bits per sample embedded adaptive differential pulse code modulation (ADPCM)

35. А.И. Кизлюк. Справочник по устройству и ремонту телефонных аппаратов зарубежного и отечественного производства. М.: Библион, 1995.-192 с.

36. И. В. Ситняковский, О. Н. Порохов. Цифровые системы передачи абонентских линий. -М.: Радио и связь, 1987. -214 с.

37. Шаврин Д.С. Результаты исследования линейных и нелинейных характеристик эхотрактов на сети связи РФ// Электросвязь. 2006. -№ 9. -С.47-50.

38. ADSP-2100 Family user's manual. Analog Devices, inc. 1995.

39. Digital signal processing applications using the ADSP-2100 family.155

40. Analog Devices, inc. 1992.

41. Юкио Сато. Обработка сигналов. Первое знакомство. -М.: Додэка, 2002.-176 с.

42. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. Том 1.-М.:Мир, 1983.

43. Шаврин Д.С. Методика измерения задержки в эхотрактах на сотовых сетях связи. -М.: Деп. в ЦНТИ «Информсвязь», 26.05.06. -№2278 св 2006. -С.2-7.

44. Ремез Г.А. Курс основных радиотехнических измерений. -М.: Связьиздат, 1955.-448 с.

45. Chiouguey J. Chen. Modified Goertzel algorithm in DTMF detection using the TMS320C80. Texas Instruments, 1996.

46. ITU-T Rec. G.723.1 (03/96) Dual rate speech coder for multimedia communications transmitting at 5.3 and 6.3 kbit/s

47. Богданович Б.М. Нелинейные искажения в приемно-усилительных устройствах. -М.: Связь, 1980. -280 с.

48. Шаврин Д.С. Подавление нелинейных составляющих эхосигналов// Вестник связи. 2006. - № 9. -С. 81-83.

49. Цыбулин М.К., Шаврин Д.С. Эхокомпенсация в каналах с нелинейными искажениями// Обработка сигналов в системах телефонной связи и вещания: Тез. докл. Межрегиональная конференция. Москва - Пушкинские Горы, 2002. -С. 136-137

50. Цыбулин М.К., Шаврин Д.С. Компенсация нелинейной составляющей эхосигнала в каналах телефонной связи// Научная конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава: Тез. докл.- М.: МТУСИ., 2003. Сборник №2. -С. 78-79.

51. Гордиенко В.Н., Шаврин Д.С. Архитектура эхокомпенсатора с полиномиальным корректором// Обработка сигналов в системах телефонной связи и вещания: Тез. докл. Межрегиональная конференция. Москва - Пушкинские Горы, 2003. -С. 95-96.

52. A. Stenger, W. Kellermann, R. Rabenstein. Adaptation of acoustic echo cancellers incorporating a memoryless nonlinearity. IEEE Workshop on Acoustic echo and Noise Control (IWAENC'99), Pocono Manor, PA, USA, sept. 1999.

53. A. Stenger, R. Rabenstein. An acoustic echo canceller with compensation of nonlinearities. Proc. IX European Signal Processing Conference (EUSIPCO-98), Rhodes, Greece, sept. 1998.

54. Гордиенко B.H., Шаврин Д.С. Эхокомпенсация в нелинейных эхотрактах на основе рядов Вольтерра// Обработка сигналов в системах телефонной связи и вещания: Тез. докл. Межрегиональная конференция. Москва - Пушкинские Горы, 2004. -С. 104-106.

55. F. Kuch, W. Kellermann. Nonlinear line echo cancellation using a simplified second order Volterra filter. Int. Conf. on Acoustics, Speech, and Signal Proc. (ICASSP 2002),Orlando, Florida, 2002.

56. A. Stenger, L. Trautmann, R. Rabenstein. Nonlinear acoustic echo cancellation with 2nd order adaptive Volterra filters. IEEE Int. Conf. on Acoustics, Speech & Signal Processing (ICASSP), Phoenix, USA, March 1999.

57. A. Stenger, R. Rabenstein. Adaptive Volterra filters for nonlinear acoustic echo cancellation. Proc. NSIP'99 (Nonlinear Signal and Image Processing), Antalya, Turkey, June 1999.

58. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке бейсик для персональных ЭВМ. -М.: Наука, 1987. -240 с.

59. Головацкая А.П. Методы и алгоритмы вычислительной математики.157-М.: Радио и связь, 1999. -408 с.

60. Демидович Б.П. Марон И.А. Основы вычислительной математики. -М.: Наука, 1966. -665 с.

61. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы: Учеб. Пособие для вузов. М.: Наука, 1989. -432 с.

62. Шаврин Д.С. Анализ возможности и эффективности использования основных методов моделирования нелинейных процессов для решения задачи эхоподавления в нелинейных эхотрактах// Труды МТУСИ.-2006. -С. 152-158.

63. Шаврин Д.С. Модель нелинейного эхотракта// Молодые ученые -науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике: Тез. докл. Международная научно-техническая школа-конференция. Москва, 2005, -Ч. 2. -С.58-61.

64. Волченков Н.Г. Учимся программировать: Visual Basic 5. -М.: Диалог-МИФИ, 1998. -368 с.

65. Браун С. Visual Basic 6: учебный курс. -СПб: Питер, 1999. -576 с.

66. Схемы алгоритмов, программ, данных и систем. Межгосударственный стандарт. ГОСТ 19.701.90 (ИСО 5807-85), 26.12.1990.

67. Гордиенко В.Н., Шаврин Д.С. Создание компьютерной модели эхокомпенсатора на основе рядов Вольтерра// Научная конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава: Тез. докл. М.: МТУСИ., 2005. Книга 1. -С.173.