Анализ возможностей современных эхокомпенсационных механизмов

Современный этап развития техники подавления эффекта электрического эха характеризуется широким распространением устройств компенсации эха и их преобладанием над устройствами эхозаграждения. Однако, несмотря на это, эхокомпенсаторы (ЭК) до сих пор обладают рядом недостатков, а их некорректная работа зачастую является причиной дискомфорта при разговоре абонентов.

К недостаткам эхокомпенсаторов следует отнести, в первую очередь, чувствительность к большому количеству дестабилизирующих воздействий, таких как: аддитивные шумы в тракте передачи ближнего абонента, нелинейные искажения эхосигнала, параметрические воздействия со стороны элементов сети, наличие внутренних корреляционных связей во входном сигнале и пр. Другим, не менее важным недостатком является ограничение максимально возможной задержки эхосигнала в эхотракте. Естественно, что развитие техники компенсации эха в последние десятилетия было направлено на борьбу с описанными выше явлениями, что привело к созданию целого ряда методов, решающих задачи компенсации эха на фоне того или иного дестабилизирующего воздействия. Процесс их создания и совершенствования продолжается в настоящее время, порождая задачу объединения достоинств этих методов в одном эхокомпенсаторе.

Анализируя архитектуру эхокомпенсатора (см. рис. 1) и саму идею компенсации эхосигналов, нетрудно заметить, что негативное влияние дестабилизирующих воздействий может быть связано с особенностями реализации либо исполнительного элемента, либо алгоритма адаптации.

ris1

Подавляющее большинство современных эхокомпенсаторов используют в качестве исполнительного элемента линейный КИХ-фильтр. Естественно, что подобная структура накладывает серьезные эксплуатационные ограничения, а именно ограничивает максимальную концевую задержку, при которой обеспечивается подавление эхосигналов, значением Nxtd (где N — порядок фильтра, a tg — период дискретизации) и накладывает на эхотракты требование линейности. Таким образом, ЭК с исполнительным элементом в виде линейного КИХ-фильтра, может оказаться неэффективным в случае больших задержек эхосигнала (например, при решении задачи компенсации акустического эха) или в случае наличия нелинейных искажений в эхотракте (например, при наличии нелинейных преобразований сигнала в эхотракте или при сдвиге спектра).

Необходимость преодоления описанных выше ограничений привела к применению в составе эхокомпенсаторов целого ряда исполнительных элементов специального вида. Для подавления акустического эхосигнала с большой задержкой целесообразно применять фильтры с БИХ-структурой, однако условия реализуемости и устойчивости БИХ-фильтра накладывают серьезные ограничения на форму импульсной характеристики эхотракта и, как следствие, во многом ограничивают область применения БИХ-фильтров. В настоящий момент БИХ-структуры успешно применяются для решения ряда задач, но в большинстве случаев предпочтительным решением представляется применение КИХ-структур высокого порядка. К сожалению, такой подход приводит к существенному возрастанию объемов вычислений.

Для компенсации продуктов нелинейного преобразования эхосигналов успешно применяют исполнительные элементы на основе фильтров Вольтерра, фильтров Гильберта или безынерционных полиномиальных корректоров. Применение того или иного средства обосновано характером нелинейных искажений. Наиболее интересным с точки зрения практики является фильтр на основе рядов Вольтерра. Такие фильтры обладают высокой эффективностью и теоретически неограниченной степенью подавления нелинейно искаженного эхосигнала. С другой стороны, его применение значительно повышает объем вычислений и снижает скорость адаптации эхокомпенсатора, что делает эти исполнительные элементы узкоспециализированными.

Узкая специализация присуща не только исполнительным элементам, но и многим алгоритмам адаптации. Спектр существующих алгоритмов адаптации весьма обширен, причем каждый из них обладает своими достоинствами и недостатками, иллюстрируемыми в рамках классификации на рис. 2.

Как видно из рис. 2, наиболее быстрый и корректный способ определения импульсной характеристики эхотракта заключается в непосредственном решении уравнения Виннера-Хопфа. К сожалению, решение этого уравнения является задачей математически сложной, причем объем вычислений сильно зависит от длительности значимой части импульсной характеристики эхотракта. По этой причине данный метод представляет практическую ценность только для эхотрактов с небольшой задержкой эхосигнала. В других случаях необходимо применять рекурсивные методы адаптации, базовыми из которых являются: нормализованный метод наименьших средних квадратов (НМНСК), рекурсивный метод наименьших квадратов (РНК), взаимокорреляционный алгоритм. Эти три метода отражают возможные пути упрощения решения уравнения Виннера-Хопфа и обладают разными свойствами (см. рис 2). Естественно, что выбор алгоритма необходимо осуществлять, исходя из предполагаемых условий эксплуатации эхокомпенсатора, требований к скорости адаптации, вычислительной сложности и уровня подавления эхосигнала.

ris2

Задача построения aуниверсального эхокомпенсатора может быть решена несколькими путями. Наиболее очевидным из них является прямое сочетание полезных свойств различных алгоритмов и методов. Такой подход представляется малоперспективным ввиду того, что сочетание полезных свойств неизбежно увеличивает вычислительную сложность до неприемлемых размеров и снижает область применения эхокомпенсатора. В то время как «универсализм» подразумевает, напротив, расширение области применения.

Например, применение фильтра Вольтерра в составе взаимокорреляционного эхокомпенсатора снижает скорость адаптации до неприемлемого значения и значительно увеличивает вычислительную сложность. Более того, некоторые методы не сочетаются принципиально. Скажем, фильтр Гильберта и фильтр Вольтерра реализовать в одном исполнительном элементе не представляется возможным.

В качестве альтернативы изложенному выше способу можно предложить метод, который заключается в параллельном подключении эхокомпенсаторов, обладающих нужными свойствами. Естественно, такой способ не имеет смысла, когда круг дестабилизирующих воздействий заранее очерчен, и они действуют постоянно. Однако специфика современных сетей связи такова, что заметные дестабилизирующие воздействия возникают обычно в результате выхода за пределы установленных норм характеристик оборудования или других элементов сети, в таких случаях характерно появление одного заметного, но заранее неизвестного дестабилизирующего воздействия.

Подобное универсальное устройство, обладающее способностью подавлять эхосигнал на фоне аддитивных шумов и нелинейных искажений, может иметь структурную схему, представленную на рис. 3.

ris3