Электрическое эхо: заграждать или компенсировать?

С.С. ШАВРИН, доцент МТУСИ, кандидат технических наук

Этой статьей мы хотим дать новый вектор традиционным нучно-техническим семинарам, проводимым ИПК МТУСИ в содружестве с редакцией журнала “Вестник связи”. В отрасли заметно возрос интерес к научным исследованиям. Значительная их часть носит четкий прикладной характер. Эти исследования направлены на изучение новых технологий, разработку нетрадиционных решений практических задач связи, повышение качества предоставления услуг. Почему бы не обсудить на нашем семинаре результаты таких изысканий? Такой вопрос мы задали проректору МТУСИ по научной работе В.С. Алешину. С его легкой руки и появилась эта статья, которую мы планируем обсудить на нашем очередном семинаре, который будет проходить в ИПК 16 февраля с 15 часов.

Торжественный ввод в эксплуатацию первого трансатлантического телефонного кабеля ознаменовал более полувека назад начало эры борьбы человека с мешающим воздействием эффекта электрического эха в телефонных каналах. Эта борьба продолжается с переменным успехом вплоть до наших дней, однако только в последние несколько лет использование самых современных телекоммуникационных технологий в совокупности с самыми современными методами и средствами подавления эхосигналов сделало, наконец, проблему электрического эха достоянием широких масс населения.

В наши дни любой человек, взявший в руки мобильный телефон, через короткое время вынужденным образом знакомится на практике с эффектом электрического эха и сопутствующими явлениями, обусловленными некорректной работой эхоподавляющих устройств.

Мобильная связь, IP-телефония, спутниковые системы, криптосистемы, системы сжатия речевого сигнала, использующие предиктивные алгоритмы, — вот далеко не полный перечень приложений, обеспечивающих знакомство абонентов с эффектом электрического эха. И вопреки ожиданиям, не решает проблемы ни полностью четырехпроводная структура соединения, принятая в мобильной связи, ни использование импортной техники в надежде на ее совершенство.

Развитие теории и техники подавления эхосигналов происходило в направлении от заграждения к компенсации.

Исторически первые эхоподавляющие устройства (ЭПУ) — эхозаградители (ЭЗ) — работают по принципу внесения большого затухания (>50 дБ) в обратное направление передачи (ОНП) при передаче речи в прямом (ПНП). Эти устройства при правильном использовании обеспечивают практически полное подавление эхосигналов, однако их наличие в соединении заметно для абонентов, а работа ключевых элементов вызывает известный дискомфорт.

Как архитектурные решения, так и номенклатура характеристик ЭЗ претерпели в процессе развития ряд модификаций, отраженных в рекомендациях МСЭ-Т G.161 и G.164. Последняя из этих рекомендаций принималась в несколько сумбурной обстановке в надежде на последующие исправления и усовершенствования. Однако случившийся в тот период времени скачок в развитии цифровых сигнальных процессоров привел к началу серийного выпуска эхокомпенсаторов (ЭК) и, как следствие, потере интереса к устройствам заграждающего типа. Таким образом была увековечена архитектура ЭЗ, иллюстрируемая на рис. 1.

Нижний (по схеме) ключ К2 предназначен для подавления эхосигналов в режиме одностороннего разговора. Решение о подавлении выносится на основании сравнения уровня сигнала на входе детектора огибающей ДО2 сигнала ОНП с ожидаемым уровнем эхосигнала, определяемого измерителем затухания ИЗ. Включение детектора огибающей ДО1 на выходе ключевого элемента тракта приема обеспечивает гистерезис обнаружения ситуации встречного разговора, облегчая тем самым условия его ведения.

ЭК функционируют по принципу формирования копии эхосигнала (на основе принимаемого сигнала ПНП) с последующим ее вычитанием из сигнала ОНП.

Потенциально ЭК может обеспечить весьма высокое общее качество телефонной передачи, даже более высокое по сравнению с полностью четырехпроводным соединением, за счет сохранения для абонентов комфортного уровня местного эффекта. Однако для этого необходима весьма высокая степень подавления эхосигналов — более чем на 50 дБ, а это условие выполняется достаточно редко.

Архитектура современного ЭК иллюстрируется рис. 2, его характеристики регламентируются рекомендациями МСЭ-Т G.165 и G.168. Основу ЭК составляет трансверсальный фильтр, адаптивно настраиваемый по речевому сигналу таким образом, чтобы копия эхосигнала е' (t) в максимальной степени соответствовала реальному эхосигналу e (t).

Представляется нелишним попутно заметить, что ЭК представляет собой цепь, дублирующую эхотракт. Во многих случаях в отсутствие эхосигнала ЭК может сам явиться источником эхосигналов. Например, когда задержка сигнала в эхотракте превышает максимальное значение задержки, обеспечиваемое трансверсальным фильтром.

На практике адаптивная настройка трансверсального фильтра осуществляется по критерию минимума сигнала у' (t). Эту целевую функцию поддерживают используемые в настоящее время практически во всех серийных ЭК алгоритм наименьших нормализованных средних квадратов (НМНСК) и рекуррентный алгоритм наименьших квадратов (РМНК). Естественно, что эффективная самонастройка ЭК по названному критерию возможна только при одностороннем разговоре (сигнал у(t)=0). Во избежание расстройки ЭК процесс адаптации искусственно останавливается на время встречного разговора.

Используемые алгоритмы адаптации ЭК имеют свои особенности. Алгоритм НМНСК обеспечивает сравнительно быструю сходимость, в то же время он проигрывает алгоритму РМНК по предельной степени подавления эхосигналов.

Так, алгоритм РМНК в отсутствие шума и других дестабилизирующих факторов обеспечивает возможность подавления эхосигналов более чем на 50 дБ, однако интервал времени, необходимый для достижения этого значения на речевом сигнале, может достигать десятков секунд активной речи. За это время значительное количество абонентов успевает сбросить соединение и принять решение о необходимости предъявления претензий к оператору по качеству телефонной передачи.

Алгоритм НМНСК сходится на порядок быстрее, однако степень подавления эхосигналов даже в отсутствие дестабилизирующих факторов редко превышает 30 дБ, на порядок не дотягивая до нормативного значения, следствием чего является наличие остаточного эхосигнала, также часто вызывающего претензии со стороны абонентов.

Общий момент для этих двух алгоритмов — неспособность подавления эхосигналов ниже уровня шума тракта передачи. Это весьма важно для зашумленных (например, мобильных) соединений, поскольку восприятие эхосигналов абонентами имеет свою специфику и по мешающему воздействию эквивалентно гладкому шуму примерно в 25 раз большей мощности.

Не обольщаясь возможностями компенсационных алгоритмов в реальных условиях эксплуатации на сети, производители включают в состав архитектуры ЭК еще один обязательный узел — нелинейный процессор (НП).

Функция НП заключается в подавлении остаточных эхосигналов, имеющих амплитуду ниже ожидаемой. Таким образом, под понятием НП скрывается весьма простое устройство, имеющее нулевой коэффициент передачи для сигналов с мгновенными значениями ниже некоторого порога и единичный для сигналов с большей амплитудой. Значение порогового напряжения может устанавливаться программно или настраиваться автоматически.

Анализируя работу НП, нетрудно сформулировать два важных вывода:

работа НП при значимых уровнях остаточного эхосигнала эквивалентна использованию плохого ЭЗ, не имеющего гистерезиса фиксации встречного разговора;

некорректная работа ЭК может проявляться не только в наличии неподавленного эхосигнала, но и в клиппировании сигнала у(t) ближнего по отношению к ЭК абонента, выражающемся в выпадении фрагментов речи и шумов помещения, проходящих через НП.

Для смягчения эффекта клиппирования производители вводят в схему ЭК генераторы так называемого шума комфортности. Этот шум вносится в выходной сигнал по месту остаточного эхосигнала, подавленного НП.

Помимо рассмотренных явлений существует целый ряд факторов, нарушающих нормальную работу собственно компенсационного принципа подавления эхосигналов.

Нелинейность эхотракта. Трансверсальный фильтр ЭК представляет собой линейную систему, не способную сформировать в составе копии эхосигнала нелинейные продукты — гармонические и комбинационные составляющие. Учитывая, что нелинейность даже обычного нормально настроенного телефонного канала может достигать 10 %, следует ожидать неподавленных нелинейных составляющих эхосигнала с уровнями на 20 дБ ниже уровня исходного речевого — при том, что их субъективное мешающее воздействие может превышать даже мешающее воздействие обычного эхосигнала. В реальных условиях нелинейность эхотракта может достигать значительно больших величин, особенно в точке отражения от телефонного аппарата.

В качестве одного из частных случаев нелинейности следует рассматривать наличие в эхотракте систем сжатия речи, использующих предиктивные механизмы. Восстановленный после прохождения через систему кодер-декодер речевой сигнал по мгновенным значениям значительно отличается от исходного и, как показывают результаты исследований, не может быть скомпенсирован никакой линейной функцией исходного сигнала. Предельная степень подавления эхосигнала, прошедшего процедуры сжатия и восстановления, не превышает 10 — 12 дБ.

Еще одним частным видом нелинейности эхотрактов является сдвиг спектра эхосигнала по отношению к исходному сигналу, вызванный погрешностью восстановления частоты в двухполосных двухпроводных системах передачи по соединительным линиям местных сетей (например, систем КРР). Такой вид нелинейности может привести ЭК в состояние тяжелого нокаута, а абоненту представить усиленное эхо с биениями с частотой, соответствующей удвоенной погрешности восстановленной частоты.

Параметрические явления в эхотракте. Характеристики эхотракта, как показывает практика, нестабильны во времени. Колебания сопротивления угольных микрофонов, “мерцание контакта” на механических коммутационных станциях, переключение с одного телефонного аппарата на другой, колебания акустической составляющей эхосигнала и т. п. явления приводят к хаотическим изменениям вида импульсной характеристики эхотракта в текущем соединении. На каждое такое изменение ЭК реагирует отрезком эхосигнала с длительностью, соответствующей времени адаптации, возвращающимся к говорящему абоненту. И часто еще одним отрезком эхосигнала при восстановлении импульсной характеристики.

Низкое затухание эхосигналов. Уходит в прошлое классическая трансформаторная оконечная дифференциальная система (ДС). В современных цифровых коммутационных станциях ее функции включены в интегральные кофидеки, в которых балансный контур имитируется цифровым фильтром — обычно одним биквадратным звеном и одним звеном первого порядка.

Коэффициенты в отводах фильтров должны программироваться в соответствии со средними характеристиками используемых линий и входных цепей коммутационных станций (аналогично тому, как перекусывались перемычки в ДС) в целях повышения переходного затухания. Однако чаще всего никаких настроек ДС, равно как и диаграммы уровней, на сети не проводится, поскольку на цифровых сетях переход на двухпроводное окончание переместился с АМТС на коммутационные станции местных сетей, для персонала которых такие понятия, как переходной затухание, диаграмма уровней и эхо не являются профилирующими, а соответствующие настройки не входят в сферу деятельности.

Рассмотренные особенности функционирования ЭК должны учитываться операторами на всех этапах развития сети — от проектирования до коммерческой эксплуатации. К сожалению, это происходит далеко не всегда. Часто операторы, полагаясь на возможности встроенных в оборудование коммутационных станций ЭК, игнорируют реальные условия их эксплуатации, способствуя тем самым более широкому распространению проблемы электрического эха на абонентов.

Отдельным фактором, поддерживающим стабильное проявление на сети эффекта электрического эха, следует признать изобретение ISUP-R, исключившей из системы сигнализации ОКС-7 поля управления эхоподавляющими устройствами и сведшей на нет практически все положения Рекомендации Q.115. Использование на сети связи ISUP-R не гарантирует оптимального размещения ЭПУ в соединении, часто провоцируя их некорректную работу.

Резюмируя изложенные положения, представляется допустимым констатировать, что использование ЭК на сетях связи страны далеко не всегда в состоянии обеспечить требуемое качество телефонной передачи. Возможны такие неприятные эффекты, как неподавленное эхо и клиппирование передаваемого сигнала. В особенной степени это положение относится к использованию ЭК на стыках с аналоговыми местными сетями, в полной мере располагающими всеми возможными факторами, дестабилизирующими работу ЭК.

Параллельно развитию техники эхокомпенсации в стране на протяжении полутора последних десятилетий активно развивался и заграждающий метод.

Недостатки, свойственные ЭЗ, выполненному в соответствии с Рекомендацией G.164, были в значительной степени устранены в 1990 г. принятием новой номенклатуры динамических характеристик, исключившей возможность клиппирования протяженных отрезков речи. Эта мера позволила снять до 80 % претензий абонентов к качеству телефонной передачи.

В последующие версии ЭЗ были внесены следующие изменения:

ключевые элементы были заменены на плавно вносимые и устраняемые затухания, исключив раздражающую абонентов работу ключей;

включена поддержка компенсации незначимого начального участка импульсной характеристики (“плоской” задержки), уменьшив до незначительного уровня вероятность возникновения ложного перебоя, а также обеспечив возможность подавления эхосигналов, возникающих на дальнем конце канала при времени концевой задержки до 1 с;

применен принцип отрицательной обратной связи при адаптации статической диаграммы состояний, обеспечивший в совокупности с механизмом компенсации плоской задержки возможность более быстрой (на порядок по сравнению с G.164) и стабильной адаптации; эта мера обес-печила снижение эффекта клиппирования до практически незначимого уровня;

включен механизм внесения шума комфортности, в еще большей степени смягчивший остаточное клиппирование;

включены средства коррекции диаграммы уровней, обеспечивающие возможность ее правильной настройки.

Измененный алгоритм работы ЭЗ вошел в Руководящий документ по ОГСТфС как ЭЗ с улучшенной динамикой работы.

Устойчивость работы ЭЗ по отношению к мешающему воздействию факторов, дестабилизирующих работу ЭК, позволяет рекомендовать его использование там, где ЭК работают неустойчиво.

Еще более радикальным решением для проблемных направлений является использование тандема, состоящего из ЭЗ и ЭК с выключенным НП; такой тандем обеспечит наилучшую стабильность подавления эхосигналов и высокое качество телефонной передачи.

Весьма важным фактором успешного подавления эффекта электрического эха на ЕСЭ является системный подход к проблеме.

Подключение каждого нового оператора требует учета необходимости подавления эхосигналов для дополнительного трафика, создаваемого новым оператором, средствами сети общего пользования. Для этого в составе оборудования каждой АМТС должны быть предусмотрены дополнительные комплекты ЭПУ, количество которых должно обеспечить нормативный уровень потерь в процессе включения ЭПУ в соединения.

Сложившаяся ситуация усугубляется отсутствием адекватной требованиям времени нормативной базы, регламентирующей вопросы размещения ЭПУ на сети и управления их работой. Последняя редакция Руководящего документа по ОГСТфС, включающая эти вопросы, относится к 1997 г.

Развитие средств связи за прошедший период ставит необходимость разработки новой нормативной базы в ряд актуальнейших задач. В качестве одного из непременных положений в нормативные документы должно быть включено требование обязательных сертификационных испытаний ЭК, встроенных в оборудование коммутационных станций,  по отдельной от остального оборудования программе с учетом рассмотренных факторов