Supresores de Eco(PDRS-I)

PLANES DE DESARROLLO DE REDES Y SERVICIOS I

Universidad Nacional Mayor de San MarcosDecana de América

Facultad de Ingeniería Electrónica y Eléctrica

CANCELADORES Y SUPRESORES DEL ECO

CURSO: PLANES DE DESARROLLO DE REDES Y SERVICIOS I

EAP: ING. DE TELECOMUNICACIONES

ALUMNO: AMBAR AVILA DIEGO

PROFESOR: Ing. JOSE VIDAL RONCAL

CÓDIGO: 11190057

CICLO: 2015-1

UNMSM-FIEE Página 1


CANCELADORES DE ECO

I. INTRODUCCIÓN:

El eco es el fenómeno en el cual una parte del sonido o señal de origen retrasada y distorsionado vuelve al origen. En este trabajo se relevaran técnicas de supresión del eco, en particular las usadas en Telecomunicaciones.

Todas las conversaciones telefónicas sufren la presencia de eco. El eco depende del retardo involucrado. Si el retardo es corto, el hecho es imperceptible, pero si el retardo es grande, el eco torna difícil la comunicación. Estadísticamente se puede suponer el umbral para el retado de 25mseg, o sea si el retado supera esto el eco es perceptible por el oído humano. Cualquier punto a lo largo de un sistema de transmisión donde exista una discontinuidad en la impedancia puede ser causante de eco. Dado que los sistemas de transmisión telefónicos están compuestos por diferentes sistemas con distintas posibilidades de interconexión, en cada conexión puede existir una discontinuidad de impedancia significativa. A pesar de esto, las centrales que conforman la red troncal pueden ser diseñadas para evitar discontinuidades de impedancia significativa entre ellas. Sin embargo, la conexión entre el subscriptor y la central local presenta un inconveniente debido a que los lazos locales que llevan la señal a cada subscriptor varían de uno a otro por las diferencias en longitud y calibre de los cables empleados en los lazos, por las condiciones del medio ambiente, etc. Este desacople de impedancias causa una reflexión, o eco, de la señal de la persona que habla que se regresa a través del canal por el cual está escuchando.

En su forma más simple, un sistema de transmisión telefónico consiste en un par de cables cuyos terminales conectan dos teléfonos. Aquí, cualquier reflexión puede ser causante de eco. Los sistemas de transmisión que intervienen en una conexión telefónica pueden ser de dos o de cuatro líneas. Para pasar de un sistema de dos líneas a uno de cuatro y viceversa se usa un acoplador pasivo direccional de cuatro puertos conocido como híbrida. Esta producirá un eco cercano. El híbrido del terminal opuesto también genera un eco que se regresará al canal de recepción del sistema de cuatro líneas mezclado con la señal transmitida por la otra persona. Otra causa de eco, es el eco acústico. Esto es la realimentación de auricular (o audífono) al micrófono. Esto depende la construcción y diseño del aparato terminal, se vuelve muy crítica en el diseño de teléfonos celulares. En una conversación telefónica, la tolerancia al eco dependerá de la magnitud del mismo, así como del retardo con que éste se perciba. La magnitud del eco dependerá de las pérdidas que éste experimente a su paso por el canal de ida y vuelta más la pérdida de retorno en el híbrido distante, mientras que las causas de retardos son debidas comúnmente a largas distancias físicas, procesamiento de las señales y dispersión en los canales telefónicos. Los retardos más grandes que se generan en un sistema telefónico se deben a largas distancias físicas. Por ejemplo en una transmisión por satélite el retardo puede ser superior a 520 mseg. Exciten dos formas de resolver el problema del eco: con supresores de eco y con canceladores de eco. Los supresores de eco funcionan suprimiendo la señal de voz del extremo con menos intensidad, haciendo



que la comunicación se vuelva halfduplex. Este funcionamiento se puede observar cuando se usa el “manos libres” de un teléfono.

Los canceladores de eco, son dispositivos más complejos, la idea básica es sintetizar una réplica del eco y restarla a la señal que retorna. En aplicaciones de telefonía celular estos dispositivos se ubican en el centro de interrupción móvil. En circuitos de telefonía de larga distancia se localizan usualmente en el centro de conmutación internacional.

Un esquema general de cancelación que se podría aplicar en telefonía es el siguiente:

Este esquema solo muestra una dirección de la transmisión, Los canceladores de eco se ubican en general lo más próximos posibles de donde se origina el eco. En este caso la señal que viene del extremo A hacia el extremo B, se filtra (por los desajustes de impedancia de la híbrida) a la señal que retorna a A, en el esquema esta señal es la r(n), que es la señal de eco. La señal x(n) representa la información que va desde a B a A. El filtro adaptivo toma como señal de referencia la que viene de A a B, y hace una estimación del eco, que se representa en el esquema como la señal d(n). Esta última señal se resta a la que proviene de la Hibrida (x(n)+r(n)), generando la señal e(n). La señal e(n) es usada para ajustar los coeficientes del filtro adaptivo.

II. EL ECO EN LOS SITEMAS TELEFONICOS ANALOGICOS Y DIGITALES

Cualquier punto a lo largo de un sistema de transmisión donde exista una discontinuidad en la impedancia puede ser causante de eco, ya que cuando esto ocurra cierta parte de la energía será regresa (se reflejara) y se mantendrá en la línea hasta que con el tiempo se disipe. Dado que los sistemas de transmisión telefónicos están compuestos por diferentes sistemas con distintas posibilidades de interconexión, en cada conexión puede existir una discontinuidad de impedancia significativa, aumentando mucho más el problema. A pesar de esto, las centrales que conforman la red troncal pueden ser diseñadas para evitar discontinuidades de impedancia significativa entre ellas. Sin embargo, la conexión entre el subscriptor y la central local presenta un inconveniente debido a que los lazos locales que llevan la señal a cada subscriptor varían de uno a otro por las diferencias en longitud y calibre de los cables empleados en los lazos, por las condiciones del medio



ambiente, etc. Este desacople de impedancias causa una reflexión, o eco, de la señal de la persona que habla que se regresa a través del canal por el cual está escuchando. Es más en el Perú estas discontinuidades de impedancias son bien notorias puesto que no se usa el mismo calibre desde la centran local hasta la línea de acometida, además de una gran falta de mantenimiento.

En su forma más simple, un sistema de transmisión telefónico consiste en un par de cables cuyos terminales conectan dos teléfonos. Aquí, cualquier reflexión puede ser causante de eco. Los sistemas de transmisión que intervienen en una conexión telefónica pueden ser de dos o de cuatro líneas. Para pasar de un sistema de dos líneas a uno de cuatro y viceversa se usa un acoplador pasivo direccional de cuatro puertos conocido como híbrido, descrito en la función BORSCHT, refería a la letra H de hibrido y se encuentra en el circuito de línea del abonado. Este producirá un eco cercano. El híbrido del terminal opuesto también genera un eco que se regresará al canal de recepción del sistema de cuatro líneas mezclado con la señal transmitida por la otra persona.

En una conversación telefónica, la tolerancia al eco dependerá de la magnitud del mismo, más alto es más molesto claro está, así como del retardo con que éste se perciba. La magnitud del eco dependerá de las pérdidas que éste experimente a su paso por el canal de ida y vuelta más la pérdida de retorno en el híbrido distante, mientras que las causas de retardos son debidas comúnmente a largas distancias físicas, procesamiento de las señales y dispersión en los canales telefónicos, donde este tema es más difícil de tratar.



Los retardos más grandes que se generan en un sistema telefónico se deben a largas distancias físicas. Por ejemplo en una transmisión por satélite el retardo puede ser superior a 520 ms, y generalmente se tienen que utilizar estos medios para llamadas al extranjero.

Si las llamadas son internacionales el eco producido es considerable (centenares de ms), en este caso son las mismas compañías telefónicas que normalmente se encargan (a nivel de centrales) de eliminar el eco que se produce.

CAUSAS DEL ECO:

El eco se produce por un fenómeno técnico en la conversión de 2 a 4 hilos de los sistemas telefónicos o por un retorno de la señal que se escucha por los auriculares y se induce de nuevo por el micrófono. El eco también se suele conocer como reverberación.

El eco es especialmente molesto cuanto mayor es el retardo y cuanto mayor es su intensidad con lo cual se convierte en un problema también en la tecnología digital de telefonía como VoIP puesto que los retardos suelen ser mayores que en la red de telefonía tradicional.


http://elastixtech.com/cancelacion-del-eco-en-elastix/cancelador-eco-elastix-2/


El problema ocurre cuando se tiene que realizar una llamada de VoIP hacia un terminal analógico que no soporta esta característica, y el principal problema, como ya lo hemos dicho muchas veces, es el circuito hibrido encargado de pasar de 4 hilos a 2 hilos.

El oído humano es capaz de detectar el eco cuando su retardo con la señal original es igual o superior a 10 ms. Pero otro factor importante es la intensidad del eco ya que normalmente la señal de vuelta tiene menor potencia que la original. Es tolerable que llegue a 65 ms y una atenuación de 25 a 30 dB.

III. SOLUCIONES AL EFECTO DEL ECO.

Hay dos posibles soluciones para evitar este efecto tan molesto.

Supresores de eco: Consiste en evitar que la señal emitida sea devuelta convirtiendo por momentos la línea full-dúplex en una línea half-duplex de tal manera que si se detecta comunicación en un sentido se impide la comunicación en sentido contrario. El tiempo de conmutación de los supresores de eco es muy pequeño. Impide una comunicación full-dúplex plena.

Canceladores de eco: Es el sistema por el cual el dispositivo emisor guarda la información que envía en memoria y es capaz de detectar en la señal de vuelta la misma información (tal vez atenuada y con ruido). El dispositivo filtra esa información y cancela esas componentes de la voz. Requiere mayor tiempo de procesamiento.

IV. CANCELADORES DE ECO:

La cancelación de eco es el proceso de remover eco de la comunicación de voz para mejorar la calidad de la llamada. La cancelación de eco es normalmente requerida debido a que técnicas de compresión de lenguaje y las demoras de procesamiento de paquetes generan eco.

La cancelación de eco no solo mejora la calidad sino que reduce el consume de ancho de banda debido a la técnica de supresión de silencio.

Existen dos (2) tipos de eco. Uno tiene alto nivel y poco retardo y se produce en el circuito híbrido de 2 a 4 hilos local; mientras que otro es de bajo nivel y gran retardo y se produce en el circuito separador híbrido remoto.

El eco es problema en una red de paquetes de voz cuando el retardo completo en la red es mayor que 50 msg, entonces se deben aplicar técnicas de cancelación de eco. El estándar G.165 de la UIT define el desempeño de los canceladores de eco, en la recomendación G.IEC se encuentran más características. La recomendación G.168 se describe los compensadores de eco para redes digitales.

Canceladores de eco están disponibles de ambas formas en implementaciones de software y de hardware. Pueden ser componentes independientes en un sistema de comunicaciones integrado en la unidad central de procesamiento del sistema de comunicaciones. Dispositivos que no eliminan eco algunas veces no producirán una buena duplexación.



La forma moderna para manejar este fenómeno es el empleo de un cancelador de eco. En aplicaciones de telefonía celular estos dispositivos se ubican en el centro de interrupción móvil. En circuitos de telefonía de larga distancia se localizan usualmente en el centro de conmutación internacional.

Un esquema general de cancelación que se podría aplicar en telefonía es el siguiente:

y=Señal transmitida por el hablante Nº 1 d=Señal del hablante Nº 2+eco e= Señal del hablante Nº 2 sin eco.

Estructuras básicas de filtros y algoritmos:

Estructura del filtro.



Algoritmos Adaptivos

Existen básicamente dos categorías de algoritmos para canceladores de eco, estas se observan en la tabla

Elección de un filtro FIR: El uso de un filtro IIR no trae aparejadas mejoras significativas en la performance del cancelador. Fundamentalmente esto se basa en tres o cuatro ideas. Primero, no es trivial garantizar que un algoritmo IIR alcance la mejor performance posible que el modelo IIR pueda ofrecer, debido a la probable existencia de un mínimo local. Lo que se puede obtener, basados en los resultados de Hankel para aproximación con mínimos cuadrados, son cotas superiores e inferiores para la norma del error en una implementación con filtros IIR. Luego, si



comparamos con los resultados que se obtienen para la solución óptima de un algoritmo con filtro FIR (minimizando el error cuadrático medio), graficando en un rango de hasta 1500 coeficientes, se puede apreciar que la solución para una implementación con FIR queda entre medio de las dos cotas de la solución con IIR y que a su vez, la diferencia en la norma del error obtenida en cada implementación, es muy poca cuando superamos los 500 coeficientes.

Ahora con un filtro adaptativo: Para el trabajo con señales dinámicas y no estacionarias como la voz, es necesaria la adaptación del filtro a los bruscos cambios de la señal de entrada. Mientras que un filtro transversal (tipo Wiener) solo se aplicaría a señales que son procesos estacionarios para los cuales conozco las propiedades estadísticas, el propósito de un filtro adaptativo es justamente no depender de esta hipótesis, generalmente falsa en la realidad, para funcionar. Un filtro adaptivo es aquel cuyos coeficientes son actualizados mediante un algoritmo que cumple con un criterio de performance predefinido, que puede ser minimizar el error cuadrático medio, como es el caso del LMS. La frecuencia de esta adaptación puede variar según la implementación y el tipo de señales que manejamos. Es evidente que un "refresco" de coeficientes con mayor frecuencia permite obtener una mejor adaptación del filtro, por eso es usual que se recalculen los coeficientes con cada muestra. Sin embargo, recalcular los coeficientes con cada nueva muestra aumenta la necesidad de cálculo y el retardo (tener presente que la cancelación del eco debe ser realizada en tiempo real). Por otro lado, la performance del filtro mejora cuando aumentamos el número de coeficientes. Esto genera una situación de compromiso entre la performance del filtro en cuanto a la cancelación y en lo que se refiere al retardo. Para la implementación de un sistema en tiempo real se hace necesario el uso de DSP. Esta combinación de DSP-filtro adaptativo, es una dupla frecuentemente encontrada en los sistemas de tratamiento de señales y de voz en particular.

El algoritmo de LMS es un clásico dentro de este tipo de filtros. La ventaja en este algoritmo es la simplicidad de implementación y la relativamente buena performance. Lo que se alega en contra del algoritmo LMS o NLMS, es que es muy costoso obtener un modelo acertado del "hecho path" con este algoritmo en sistemas altamente reverberantes, debido a la necesidad de un elevado número de coeficientes, requiriendo por ende gran capacidad computacional y bastante memoria. Dado que un cancelador de eco, para operar en tiempo real, debe poder ser implementado en un único DSP, existen algunas implementaciones más



eficientes que han sido desarrollados en los últimos 15 o 20 años. Ejemplos de ello, son los que pasamos a mencionar a continuación.

Filtrado adaptativo en sub bandas: La señal de entrada es procesada en M bandas idénticas a través de filtros de análisis (idealmente pasabandas) y luego cada sub banda es submuestreada por un factor L (L < M para evitar solapamientos luego, al recomponer). En el extremo lejano (parlante, por ejemplo), se aplica el mismo proceso que a la señal de entrada y luego se pasa cada sub banda a través de un filtro adaptativo tipo LMS. Las sub bandas correspondientes de señal y extremo lejano son combinadas (sumadas como en el LMS común) obteniendo M bandas, que luego son sobremuestreadas por L (vuelven a la frec. original) y filtradas en una etapa de síntesis. Finalmente, la suma de las señales resultantes en cada banda, es la señal con el eco cancelado.

Filtrado adaptativo en el dominio de la frecuencia: Es una aplicación en bloques del LMS en el dominio de la frecuencia. La versión que combina bajo costo de implementación con un retardo aceptable es denominada PBFDAF (Partitioned Block Frequency Adaptive Filters). En esta implementación, el filtro adaptativo de N retardos, se particiona en N/P (N/P entero) partes iguales Wj(k) (con j entre 0 y N/P - 1):

Wj(k) = w(k) , para k = [jP, (j+1)P - 1]

Wj(k) = 0 en otro caso

La expresión de w(k) es bastante compleja, por lo que no entraremos en detalle. La adaptación de w(k) en el paso n+1, sigue cumpliendo en rasgos generales la expresión mostrada en el algoritmo LMS, solo que ahora se le agregan transformadas de Fourier discretas (DFT) y el tratamiento en bloques de la señal.

A. Cancelación del Eco en la Central.

Un cancelador de eco adaptativo para un circuito telefónico. La función de H, el transformador híbrido, es ruta de voz entrante desde el otro extremo, x k

para el teléfono y la vía habla local desde el teléfono hasta el otro extremo. Sin embargo, el híbrido nunca es perfecto, por lo que su salida, d k contiene



tanto el discurso deseada desde el teléfono local más habla filtrada desde el otro extremo. El cancelador de eco es el filtro adaptativo f k, que trata de minimizar la señal de error ε k filtrando el discurso extremo entrante en una réplica, k y del discurso extremo que se fuga a través del híbrido. Una vez que la adaptación es completa, la señal de error consiste enteramente de expresión desde el teléfono local.

El proceso de cancelación de eco acústico (AEC) funciona de la siguiente manera:

1. Una señal de extremo lejano se entrega al sistema. 2. La señal del extremo lejano se reproduce. 3. La señal del extremo lejano se filtra y se retrasa para parecerse a la

señal de extremo cercano. 4. La señal del extremo lejano filtrada se resta de la señal de extremo

cercano. 5. La señal resultante representa los sonidos presentes en la

conversación sin incluir el sonido directo o reverberado.

El principal desafío para un cancelador de eco es la determinación de la naturaleza del filtrado a aplicar a la señal del extremo lejano de tal manera que se asemeja a la señal resultante de extremo cercano. El filtro es esencialmente un modelo de altavoz, el micrófono y los atributos acústicos de la sala. Canceladores de eco deben ser adaptativo porque las características de altavoz del extremo cercano y el micrófono generalmente no se conocen de antemano. Los atributos acústicas de la habitación del extremo cercano tampoco son generalmente conocidos de antemano, y pueden cambiar (por ejemplo, si el micrófono se mueve con respecto al altavoz, o si las personas caminan por la habitación provocando cambios en los reflejos acústicos). Mediante el uso de la señal del extremo lejano como el estímulo, los sistemas modernos utilizan un filtro adaptativo y pueden 'converger' de la nada a 55 dB de cancelación en alrededor de 200 ms.

Hasta hace poco la cancelación de eco sólo necesita aplicar al ancho de banda de voz de circuitos telefónicos. En PSTN las llamadas transmiten frecuencias entre 300 Hz y 3 kHz, el rango requerido para la inteligibilidad de la voz humana. Videoconferencia es un área donde se el audio es de ancho de banda completo. En este caso, se emplean productos especializados para llevar a cabo la cancelación de eco.

La supresión de eco puede tener el efecto secundario de eliminación de señales válidas de la transmisión. Esto puede causar la pérdida de señal audible que se llama "recorte" en la telefonía, pero el efecto es más como un " silenciamiento "de amplitud recorte. En una situación ideal, entonces, se utilizará la cancelación de eco solo. Sin embargo esto no es suficiente en muchas aplicaciones, en particular los teléfonos de software en redes con



retardo largo y escaso rendimiento. En este caso, cancelación de eco y supresión pueden trabajar en conjunto para lograr un rendimiento aceptable.

B. Cancelación del Eco en los Módems

El control del eco en las llamadas de voz y datos de frecuencia que utilizan módems de acceso telefónico puede causar daños en los datos. Algunos dispositivos telefónicos desactivar la supresión de eco o la cancelación de eco cuando detectan los 2.100 o 2.225 Hz tonos "respuesta" asociados a este tipo de llamadas, de conformidad con UIT-T Recomendación G.164 o G.165.

En la década de 1990 la cancelación de eco se hizo dentro de los módems de tipo v.32 y posteriores. En módems de banda de voz esto permitió el uso de las mismas frecuencias en ambas direcciones simultáneamente, aumentando enormemente la velocidad de datos. Como parte de la negociación de la conexión, cada módem envía señales de la sonda a la línea, mide los ecos, y así establece sus líneas de retardo. Los ecos en este caso no incluyó largos ecos causados por acoplamiento acústico, pero incluyó ecos cortos causados por desajustes de impedancia en el 2 hilos bucle local a la central telefónica, el circuito hibrido..

Después de la vuelta del siglo, los módems DSL también hicieron uso extensivo de cancelación de eco automatizado. A pesar de que utilizan las frecuencias de entrada y salida independiente, estas frecuencias fueron más allá de la banda vocal para lo que los cables fueron diseñados, ya a menudo sufrían distorsión de atenuación debido a tomas de puentes y la incompleta adaptación de impedancia. Lo cual resulto en lagunas profundas y estrechas de frecuencia, que no se podrían hacer utilizables por la cancelación de eco.

V. BIBLIOGRAFÍA. http://iie.fing.edu.uy/ense/asign/tes/materiales/monografias/

CanceladoresEco_Albana.pdf https://www.itu.int/rec/T-REC-G.168-201202-I/es http://iie.fing.edu.uy/ense/asign/dsp/proyectos/2001/grupo_h_canc_eco/

Cancelador_eco.htm


http://iie.fing.edu.uy/ense/asign/dsp/proyectos/2001/grupo_h_canc_eco/Cancelador_eco.htm

http://iie.fing.edu.uy/ense/asign/dsp/proyectos/2001/grupo_h_canc_eco/Cancelador_eco.htm

https://www.itu.int/rec/T-REC-G.168-201202-I/es

http://iie.fing.edu.uy/ense/asign/tes/materiales/monografias/CanceladoresEco_Albana.pdf

http://iie.fing.edu.uy/ense/asign/tes/materiales/monografias/CanceladoresEco_Albana.pdf

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