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Supresión y cancelación de eco

La supresión y cancelación de eco son métodos utilizados en telefonía para mejorar la calidad de la voz, evitando su generación o eliminándolo una vez presente. Además de mejora...

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La supresión y cancelación de eco son métodos utilizados en telefonía para mejorar la calidad de la voz, evitando su generación o eliminándolo una vez presente. Además de mejorar la calidad de audio subjetiva, la supresión de eco aumenta la capacidad lograda mediante la supresión de silencio , al impedir que el eco se propague a través de una red de telecomunicaciones . Los supresores de eco se desarrollaron en la década de 1950 como respuesta al primer uso de satélites para las telecomunicaciones.

Los métodos de supresión y cancelación de eco se conocen comúnmente como supresión de eco acústico ( AES ) y cancelación de eco acústico ( AEC ), y más raramente como cancelación de eco de línea ( LEC ). En algunos casos, estos términos son más precisos, ya que existen diversos tipos y causas de eco con características únicas, incluyendo el eco acústico (sonidos de un altavoz que se reflejan y graban mediante un micrófono, y que pueden variar sustancialmente con el tiempo) y el eco de línea (impulsos eléctricos causados, por ejemplo, por el acoplamiento entre los cables de envío y recepción, desajustes de impedancia, reflexiones eléctricas, etc., [ 1 ] que varían mucho menos que el eco acústico). En la práctica, sin embargo, se utilizan las mismas técnicas para tratar todos los tipos de eco, por lo que un cancelador de eco acústico puede cancelar tanto el eco de línea como el acústico. El término AEC, en particular, se usa comúnmente para referirse a los canceladores de eco en general, independientemente de si fueron diseñados para el eco acústico, el eco de línea o ambos.

Aunque los supresores y canceladores de eco tienen objetivos similares —evitar que una persona que habla oiga el eco de su propia voz— , los métodos que utilizan son diferentes:

  • Los supresores de eco funcionan detectando una señal de voz que viaja en una dirección por un circuito y, a continuación, silenciando o atenuando la señal en la dirección opuesta. Normalmente, el supresor de eco situado en el extremo más alejado del circuito realiza esta atenuación cuando detecta una voz proveniente del extremo más cercano. Esta atenuación impide que el hablante oiga su propia voz rebotando desde el extremo más alejado.
  • La cancelación de eco implica primero reconocer la señal transmitida originalmente que reaparece, con cierto retardo, en la señal transmitida o recibida. Una vez reconocido el eco, se puede eliminar restándolo de la señal transmitida o recibida. Esta técnica generalmente se implementa digitalmente mediante un procesador de señal digital o software, aunque también puede implementarse en circuitos analógicos. [ 2 ]

Las normas G.168 y P.340 de la UIT describen los requisitos y las pruebas para los canceladores de eco en aplicaciones digitales y de red telefónica pública conmutada (PSTN) , respectivamente.

Historia

En telefonía , el eco es la copia reflejada de la propia voz que se escucha tiempo después. Si el retraso es considerable (más de unos cientos de milisegundos), se considera molesto. Si el retraso es muy pequeño (decenas de milisegundos o menos [ 3 ] ), el fenómeno se denomina tono lateral . Si el retraso es ligeramente mayor, alrededor de 50 milisegundos, los humanos no pueden oír el eco como un sonido distinto, sino que oyen un efecto de coro . [ 3 ]

En los inicios de las telecomunicaciones, la supresión de eco se utilizaba para reducir las molestias que causaban los ecos a los usuarios. Una persona hablaba mientras la otra escuchaba, intercambiando mensajes. Un supresor de eco intentaba determinar la dirección principal y permitía que ese canal avanzara. En el canal inverso, aplicaba atenuación para bloquear o suprimir cualquier señal, asumiendo que se trataba de un eco. Si bien el supresor solucionaba eficazmente el problema del eco, este método generaba diversos inconvenientes que podían resultar frustrantes para ambas partes de la llamada.

  • Doble discurso : Es bastante común que en una conversación ambas personas hablen al mismo tiempo, al menos brevemente. Dado que cada supresor de eco detecta la energía de la voz proveniente del extremo opuesto del circuito, el efecto habitual sería la inserción de atenuación en ambas direcciones a la vez, bloqueando efectivamente la comunicación entre ambas partes. Para evitar esto, los supresores de eco pueden configurarse para detectar la actividad de voz del hablante más cercano y no insertar atenuación (o insertar una atenuación menor) cuando ambos hablantes están hablando simultáneamente. Esto, por supuesto, anula temporalmente el efecto principal de tener un supresor de eco.
  • Recorte: Dado que el supresor de eco inserta y elimina pérdidas alternativamente, con frecuencia se produce un pequeño retraso cuando un nuevo interlocutor comienza a hablar, lo que provoca que se recorte la primera sílaba de su discurso.
  • Si la persona que está al otro lado de la llamada se encuentra en un entorno ruidoso, quien está al otro lado oirá ese ruido de fondo mientras habla la otra persona. Sin embargo, el supresor de eco lo eliminará cuando quien está al otro lado empiece a hablar. La ausencia repentina de ruido de fondo da al usuario cercano la impresión de que la llamada se ha cortado.

En respuesta a esto, Bell Labs desarrolló la teoría del cancelador de eco a principios de la década de 1960, [ 4 ] [ 5 ] lo que luego dio como resultado canceladores de eco de laboratorio a finales de la década de 1960 y canceladores de eco comerciales en la década de 1980. [ 6 ] Un cancelador de eco funciona generando una estimación del eco a partir de la señal del hablante y restando esa estimación de la ruta de retorno. Esta técnica requiere un filtro adaptativo para generar una señal lo suficientemente precisa como para cancelar eficazmente el eco, donde el eco puede diferir del original debido a varios tipos de degradación en el camino. Desde su invención en AT&T Bell Labs, [ 5 ] los algoritmos de cancelación de eco se han mejorado y perfeccionado. Como todos los procesos de cancelación de eco, estos primeros algoritmos fueron diseñados para anticipar la señal que inevitablemente volvería a entrar en la ruta de transmisión y cancelarla.

Los rápidos avances en el procesamiento de señales digitales permitieron fabricar canceladores de eco más pequeños y económicos. En la década de 1990, se implementaron canceladores de eco en conmutadores de voz por primera vez (en el Northern Telecom DMS-250 ), en lugar de como dispositivos independientes. La integración de la cancelación de eco directamente en el conmutador permitió activar o desactivar los canceladores de eco de forma fiable para cada llamada, eliminando la necesidad de grupos de troncales separados para llamadas de voz y datos. La tecnología de telefonía actual suele emplear canceladores de eco en dispositivos de comunicación pequeños o portátiles mediante un motor de voz por software , que cancela tanto el eco acústico como el eco residual introducido por un sistema de puerta de enlace PSTN remoto; estos sistemas suelen cancelar las reflexiones de eco con un retardo de hasta 64 milisegundos.

Operación

Un cancelador de eco adaptativo para un circuito telefónico. La función de H , el transformador híbrido , es dirigir la voz entrante desde el extremo remoto x k al teléfono local y viceversa. Sin embargo, el híbrido nunca es perfecto, por lo que su salida d k contiene tanto la voz deseada del teléfono local como la voz filtrada del extremo remoto. El cancelador de eco es el filtro adaptativo f k , que intenta minimizar la señal de error ε k filtrando la voz entrante del extremo remoto en una réplica y k de la voz del extremo remoto que se filtra a través del híbrido. Una vez completada la adaptación, la señal de error consiste principalmente en la voz del teléfono local.

El proceso de cancelación de eco funciona de la siguiente manera:

  1. Se envía una señal desde el extremo remoto al sistema.
  2. La señal del extremo remoto se reproduce.
  3. La señal del extremo remoto se filtra y se retrasa para que se asemeje a la señal del extremo cercano.
  4. La señal filtrada del extremo lejano se resta de la señal del extremo cercano.
  5. La señal resultante representa los sonidos presentes en la sala, excluyendo cualquier sonido directo o reverberado.

El principal desafío para un cancelador de eco es determinar las características de respuesta del filtro que se aplicará a la señal del extremo lejano para que se asemeje al eco resultante del extremo cercano. El filtro es esencialmente un modelo del altavoz, el micrófono y los atributos acústicos de la sala. Los canceladores de eco deben ser adaptativos porque las características del altavoz y el micrófono del extremo cercano generalmente no se conocen de antemano. Los atributos acústicos de la sala del extremo cercano tampoco se conocen generalmente de antemano y pueden cambiar (por ejemplo, si el micrófono se mueve con respecto al altavoz, o si las personas caminan por la sala causando cambios en las reflexiones acústicas). [ 2 ] [ 7 ] Al usar la señal del extremo lejano como estímulo, los sistemas modernos usan un filtro adaptativo y pueden converger de proporcionar ninguna cancelación a 55  dB de cancelación en aproximadamente 200  ms.

La cancelación de eco por sí sola puede resultar insuficiente en muchas aplicaciones. La cancelación y la supresión de eco pueden funcionar conjuntamente para lograr un rendimiento aceptable.

Cuantificación del eco

El eco se mide comoPérdida de retorno de eco (ERL). Esta es la relación, expresada endecibelios, entre la señal original y su eco. [ 8 ] Los valores altos indican que el eco es muy débil, mientras que los valores bajos indican que el eco es muy fuerte. Un valor negativo indica que el eco es más fuerte que la señal original, lo que, si no se controla, provocaríaretroalimentación de audio.

El rendimiento de un cancelador de eco se mide en términos de mejora de la pérdida de retorno del eco (ERLE), [ 3 ] [ 9 ] que es la cantidad de pérdida de señal adicional aplicada por el cancelador de eco. La mayoría de los canceladores de eco pueden aplicar  una ERLE de 18 a 35 dB.

La pérdida total de señal del eco (ACOM) es la suma de ERL y ERLE. [ 9 ] [ 10 ]

Usos actuales

Las fuentes de eco se encuentran en entornos cotidianos, como por ejemplo:

  • Sistemas de teléfono manos libres para automóviles
  • Un teléfono fijo o un teléfono móvil en modo manos libres .
  • Altavoces independientes dedicados
  • Sistemas de sala de conferencias instalados , que utilizan altavoces de techo y micrófonos en la mesa.
  • Acoplamiento físico en el que las vibraciones del altavoz se transmiten al micrófono a través de la carcasa del auricular .

En algunos de estos casos, el sonido del altavoz llega al micrófono prácticamente sin alteraciones. Las dificultades para cancelar el eco se deben a la modificación del sonido original por el entorno. Estos cambios pueden incluir la absorción de ciertas frecuencias por los muebles tapizados y la reflexión de diferentes frecuencias con distinta intensidad.

La implementación de AEC requiere conocimientos de ingeniería y un procesador rápido, generalmente un procesador de señal digital (DSP). Este aumento en la capacidad de procesamiento puede resultar costoso; sin embargo, muchos sistemas embebidos cuentan con una función AEC completa.

Los altavoces inteligentes y los sistemas interactivos de respuesta de voz que aceptan voz como entrada utilizan la cancelación activa de eco (AEC) mientras se reproducen las indicaciones de voz para evitar que el propio sistema de reconocimiento de voz reconozca erróneamente las indicaciones repetidas y otras salidas.

módems

Las líneas telefónicas estándar utilizan el mismo par de cables tanto para enviar como para recibir audio, lo que provoca que una pequeña cantidad de la señal saliente se refleje. Esto resulta útil para las personas que hablan por teléfono, ya que les indica que su voz se está transmitiendo correctamente. Sin embargo, esta señal reflejada causa problemas al módem, que no puede distinguir entre la señal del módem remoto y el eco de su propia señal.

Por este motivo, los primeros módems de acceso telefónico dividían las frecuencias de la señal, de modo que los dispositivos en ambos extremos utilizaban tonos diferentes, lo que permitía a cada uno ignorar cualquier señal en el rango de frecuencia que estuviera utilizando para la transmisión. Sin embargo, esto reducía el ancho de banda disponible para ambos lados.

La cancelación de eco mitigó este problema. Durante el establecimiento y la negociación de la llamada, ambos módems envían una serie de tonos únicos y luego escuchan su retorno a través del sistema telefónico. Miden el tiempo total de retardo y configuran una línea de retardo para ese mismo período. Una vez completada la conexión, envían sus señales a las líneas telefónicas como de costumbre, pero también a la línea de retardo. Cuando su señal se refleja, se mezcla con la señal invertida de la línea de retardo, lo que cancela el eco. Esto permitió que ambos módems utilizaran todo el espectro disponible, duplicando la velocidad posible.

Muchas compañías telefónicas también aplican la cancelación de eco a la propia línea, lo que puede provocar corrupción de datos en lugar de mejorar la señal. Algunos conmutadores o convertidores telefónicos (como los adaptadores de terminal analógicos) desactivan la supresión o cancelación de eco cuando detectan los tonos de respuesta  de 2100 o 2225 Hz asociados a dichas llamadas, de acuerdo con la recomendación G.164 o G.165 de la UIT-T .

Los módems ISDN y DSL que operan en frecuencias superiores a la banda de voz sobre cables telefónicos de par trenzado estándar también utilizan la cancelación automática de eco para permitir la comunicación de datos bidireccional simultánea. La complejidad computacional en la implementación del filtro adaptativo se reduce considerablemente en comparación con la cancelación de eco de voz, ya que la señal transmitida es un flujo de bits digital. En lugar de una multiplicación y una suma para cada paso del filtro, solo se requiere la suma. Un esquema de cancelación de eco basado en una tabla de búsqueda en RAM [ 11 ] [ 12 ] elimina incluso la suma, simplemente accediendo a una memoria con un flujo de bits de transmisión truncado para obtener la estimación del eco. La cancelación de eco se implementa actualmente con técnicas de procesamiento digital de señales (DSP).

Algunos módems utilizan frecuencias de entrada y salida independientes o asignan intervalos de tiempo separados para transmitir y recibir, eliminando así la necesidad de cancelación de eco. Las frecuencias más altas, que superan los límites de diseño originales de los cables telefónicos, sufren una atenuación y distorsión significativas debido a las derivaciones y a una adaptación de impedancia incompleta . Esto suele generar brechas de frecuencia profundas y estrechas que no pueden corregirse mediante la cancelación de eco. Estas brechas se detectan y se gestionan durante la negociación de la conexión.

Véase también

Referencias

  1. ↑ "Octasic: Mejora de la calidad de voz y cancelación de eco" . Archivado del original el 21 de agosto de 2014. Consultado el 14 de abril de 2014 .
  2. 1 2 Eneroth, Peter (2001). Cancelación de eco acústico estereofónico: teoría e implementación (PDF) (Tesis). Universidad de Lund. ISBN 91-7874-110-6ISSN 1402-8662 . Consultado el 25 de junio de 2015 . 
  3. 1 2 3 "Eco en sistemas de voz sobre IP" . Consultado el 2 de julio de 2014 .
  4. ↑ Sondhi, Man Mohan (marzo de 1967). "Un cancelador de eco adaptativo" (PDF) . Bell System Technical Journal . 46 (3): 497– 511. Bibcode : 1967BSTJ...46..497S . doi : 10.1002/j.1538-7305.1967.tb04231.x . Archivado del original (PDF) el 16 de abril de 2014. Consultado el 14 de abril de 2014 .
  5. 1 2 US 3500000 , Kelly Jr., John L., "Cancelador de eco auto-adaptativo", publicado el 10 de marzo de 1970, asignado a Bell Telephone Laboratories, Inc. 
  6. ↑ Murano, Kazuo; Unagami, Shigeyuki; Amano, Fumio (enero de 1990). "Cancelación de eco y aplicaciones" (PDF) . IEEE Communications Magazine . 28 (1): 49– 55. Bibcode : 1990IComM..28a..49M . doi : 10.1109/35.46671 . ISSN 0163-6804 . S2CID 897792. Archivado del original (PDF) el 15 de abril de 2014. Recuperado el 14 de abril de 2014 .  
  7. ↑ Åhgren, Per (noviembre de 2005). "Cancelación de eco acústico y detección de doble habla mediante respuestas de impulso estimadas del altavoz" (PDF) . IEEE Transactions on Speech and Audio Processing . 13 (6): 1231– 1237. Bibcode : 2005ITSAP..13.1231A . CiteSeerX 10.1.1.530.4556 . doi : 10.1109/TSA.2005.851995 . S2CID 2575877 .  
  8. ↑ "¿Qué es la pérdida de retorno de eco (ERL) y cómo afecta a la calidad de la voz?" . Archivado del original el 26/06/2015.
  9. 1 2 "Análisis de eco para voz sobre IP" . Cisco Systems . Consultado el 2 de julio de 2014 .
  10. ↑ Kosanovic, Bogdan (11 de abril de 2002). "Cancelación de eco Parte 1: Lo básico y la cancelación de eco acústico" . EE Times . Consultado el 7 de julio de 2014 .
  11. ↑ Holte, N.; Stueflotten, S. (1981). "Un nuevo cancelador de eco digital para líneas de abonado de dos hilos". IEEE Transactions on Communications . 29 (11): 1573– 1581. Bibcode : 1981ITCom..29.1573H . doi : 10.1109/TCOM.1981.1094923 . ISSN 1558-0857 . 
  12. ^ US 4237463 , Bjor, Håkon E. & Raad, Bjørn H., "Acoplador direccional", publicado el 2 de diciembre de 1980, asignado a Elektrisk Bureau A/S 
  • "Cancelación de eco" . Consorcio Internacional de Ingeniería. Archivado del original el 8 de marzo de 2007.
  • Tutorial básico sobre eco . Ditech Networks. Archivado del original el 10 de julio de 2011.
  • "Cancelación de eco acústico Q-Sys" (PDF) . Productos de audio QSC . Archivado del original (PDF) el 15 de junio de 2016. Consultado el 28 de julio de 2016 .