1. Постановка задачи

Разработка виртуальных инструментов в среде LabVIEW для исследования характеристик адаптивных компенсаторов эхосигналов.

2. Описание решения .

Развитие современного информационного общества сегодня во многом определяется уровнем развития и многообразием телекоммуникационных технологий. Эти технологии постоянно усовершенствуются в направлении повышения скорости передачи данных. Высокая скорость достигается за счет различных приемов, среди которых важную роль играет компенсация эхо- сигналов. Эхо-сигналы являются шумом, компенсация которого позволяет повысить качество связи. Поэтому разработка средств, обеспечивающих проведение исследований, связанных с эхокомпенсаторами, является актуальной задачей. Представленные в настоящей работе виртуальные инструменты дают возможность разработчикам связного оборудования проводить исследования в части адаптивных устройств компенсации эхо- сигналов.

Инструменты реализованы с использованием двух языков программирования. Основным является язык LabVIEW [1]. Богатые графические возможности LabVIEW позволяют создавать наглядные и удобные элементы управления. С их помощью создается виртуальная . приборная панель, на которой отображаются переключатели, средства ввода-вывода цифровых данных, а также средства вывода графических данных -осциллографы. Вычислительные процедуры: алгоритмы адаптивной фильтрации, расчет импульсных откликов, формирование сигналов, оценка параметров сигналов и показателей качества работы адаптивных фильтров реализованы на языке MATLAB [2]. При использовании двух языков моделирование выполняется в несколько раз быстрее, чем при использовании только языка MATLAB. Это обусловлено тем, что при моделировании в оперативное запоминающее устройство компьютера загружаются не все приложения языка MATLAB. Кроме того, осуществляется оптимизация переменных в соответствии с их типом.

На рис. 1 показана типовая схема организации телефонной связи. Связь между абонентами и телефонной станцией, а также между телефонными станциями осуществляется по проводным каналам. Расстояния между абонентами и телефонной станцией обычно небольшие, сигналы в проводниках ослабляются незначительно, и их не требуется усиливать. Поэтому из-за экономии проводников передача сигналов между абонентами и телефонной станцией осуществляется по двухпроводным линиям одновременно в обоих направлениях. Телефонные станции, как правило, располагаются на больших расстояниях. Передаваемые между станциями сигналы ослабляются из-за потерь в проводниках, поэтому эти сигналы необходимо усиливать. Из-за усилителей передача сигналов между телефонными станциями должна быть однонаправленной. Она осуществляется по четырехпроводным (двум двухпроводным) линиям.

Рис. 1. Схема телефонной связи

Рис. 2. Гибридная схема

Переходы между двух- и четырехпроводными линиями связи выполняются с помощью так называемых гибридных схем - в общем случае простых резистивных мостов (рис. 2), в одно из плеч которых включается развязывающий трансформатор с комплексным входным импедансом. Этот импеданс зависит от конструкции трансформатора и от параметров двухпроводной линии связи. Гибридная схема не может быть сбалансированной во всей интересуемой полосе частот А/*, так как i?j Ф2_{ и

Z_b=R_b. Поэтому образуется утечка сигнала в сторону удаленного абонента, в результате чего абонент слышит свой голос.

Обратное преобразование Фурье от передаточной функции гибридной схемы H(f) = U_CD /U_AB = Z_i(f) [R₁ + Z_i(f)] - Z_b(f) [R2 + Z_b(f)] - это линейный импульсный отклик w. Его свертка с сигналом удаленного абонента x(k) образует эхо-сигнал d(k), где к - индекс дискретного времени. Чем больше величина задержки между телефонными станциями, тем сильнее требуется подавлять эхо-сигнал (рис. 3) [3]. Принцип компенсации эхо-сигналов, возникающих в телефонной линии, показан на рис. 4.

Рис. 3. Требуемое подавление эхо-сигналов, обеспечивающее комфортный разговор

Рис. 4. Компенсация эхо-сигналов в телефонной сети

Неотъемлемыми компонентами связного оборудования являются модемы, в которых также используются гибридные схемы. Принцип компенсации эхо-сигналов, возникающих в модемах, показан на рис. 5.

Компенсация сигналов акустического эха, возникающего в устройствах голосовой связи, показана на рис. 6. Импульсный отклик на этом рисунке представляет собой свертку импульсных откликов помещения (акустического отклика), усилителя, громкоговорителя и микрофона. Его форма и длительность в основном определяются акустическими параметрами помещения и взаимным расположением источника и приемника звука.

Рис. 5. Компенсация эхо-сигналов в модеме

Рис. 6. Компенсация акустических эхо-сигналов

Подавление эхо-сигналов (рис. 4 - рис. 6) осуществляется с помощью адаптивных фильтров. В качестве алгоритмов адаптивной фильтрации обычно используется простейший с вычислительной точки зрения нормализованный алгоритм по критерию наименьшего среднеквадратичного отклонения (Normalized Least Mean Squares, NLMS) или используются более сложные, но и более эффективные, рекурсивные адаптивные алгоритмы по критерию наименьших квадратов (Recursive Least Squares, RLS) [5].

Адаптивный фильтр, характеризуемый вектором весовых коэффициентов

h_N(k), моделирует эхо-сигнал как d^~(k) = h^T_N(k-1)x_N(k), где x_N(k) -вектор входных сигналов, а N - число весовых коэффициентов фильтра. Сигнал d^~(k) вычитается из эхо-сигнала d(k), в результате чего образуется неподавленное остаточное эхо е(к). Весовые коэффициенты адаптивного фильтра меняются так, что е(к) → 0. Качество эхокомпенсатора - параметр Echo Return Loss Enhancement (ERLE) определяется как

где В - длина скользящего окна в отсчетах, на котором производится оценка энергии сигналов. Достижимые значения этого параметра зависят от соотношения длин импульсных характеристик w и h_N, вида обрабатываемого сигнала и типа алгоритма.

При проектировании эхокомпенсатора требуется проводить моделирование его работы с целью определения параметров адаптивного фильтра (числа весовых коэффициентов и вида используемого алгоритма), обеспечивающих требуемое значение ERLE. Для этого используются импульсные отклики w, представленные в стандартах [6], полученные путем расчетов или измерений. Расчеты электрических импульсных откликов можно выполнять с помощью калькулятора [7].

Рис. 7. Калькулятор акустического импульсного отклика

В разработанном калькуляторе акустического импульсного отклика (рис. 7) используется метод зеркальных отображений, описание и моделирующая программа которого на языке Fortran приведены в [8]. В калькуляторе применен аналог этой программы на языке MATLAB. В качестве параметров для расчета идентифицируемого импульсного отклика задаются размеры помещения, коэффициенты отражения его поверхностей, координаты источника и приемника звукового сигнала, коэффициент передачи усилителя и скорость распространения звука. Длительность моделируемого акустического импульсного отклика определяется частотой дискретизации сигналов и числом точек используемой процедуры быстрого преобразования Фурье. Импульсный отклик «громкоговоритель + микрофон» хранится в виде таблицы. Используемые и рассчитанные импульсные отклики, а также соответствующие им амплитудно-частотные (АЧХ) и фазочастотные (ФЧХ) характеристики отображаются на графиках. Результаты расчетов могут быть сохранены в виде файлов.

Рис. 8. Виртуальный инструмент для исследования адаптивного эхокомпенсатора: результат выполнения NLMS-алгоритма.

Для исследования эффективности компенсации сигналов электрического и акустического эха разработан виртуальный инструмент, представленный на рис. 8. Данный инструмент реализует модели (рис. 4 - рис. 6). Алгоритмы адаптивной фильтрации реализованы на языке программирования MATLAB. В качестве тестового сигнала используется речевая запись или шумовой сигнал, вырабатываемый моделирующей программой. Инструмент имеет средства ввода параметров файла входного сигнала и выбора импульсного отклика w. Можно выбирать вид тестового сигнала (речь или шум), задавать отношение сигнал-шум на входе сигнала d(k), выбирать тип алгоритма (NLMS или RLS), а также задавать параметры адаптивного фильтра.

В качестве выходных параметров выводятся измеренные значения отношения сигнал-шум на входе d, требуемое и измеренное значения уровня шума на этом входе, среднее значение ERLE. В графическом виде отображаются все сигналы, отмеченные на рис. 4 и рис. 5, а также зависимость во времени параметра ERLE и нормы расстояния межу импульсными откликами w и h_N: p(k) = 20lg(|h_N(k)-w|₂ /|w|₂). На одном графике представляются значения w и h_N в конце процесса адаптации.

Дополнительные сведения об инструментах приведены в работах [7, 9].

3. Используемое оборудование и ПО

Проекты инструментов реализованы на языках LabVIEW 7.0 и MATLAB 7.0. Для выполнения проектов требуется программное обеспечение указанных или более высоких версий. Специальные требования к ресурсам используемого персонального компьютера не предъявляются. Эти требования определяются указанным программным обеспечением.

4. Перспективы внедрения и развития решения - отрасли, названия предприятий, и т.п.

Представленные в работе инструменты использованы в Государственном унитарном предприятии г. Москвы «Научно-производственный центр «Электронные вычислительно-информационные системы», в Московском физико-технический институте (государственном университете) и Самарском государственном университете путей сообщения.

Инструменты могут применяться при исследовании и проектировании компенсаторов сигналов электрического эха, а также при проведении лабораторных работ.

Инструменты являются открытыми, что позволяет модифицировать и расширять их функциональные возможности.

Список литературы

5. Л.Г. Белиовская, А.Е. Белиовский. LabVIEW - школьный курс. - М.: National Instruments, 2006. - 200 с.

6. Е.Р.Алексеев. MATLAB 7.-М:НТ Пресс, 2006.-464 с.

7. H.R. Huntly. Transmission design of intertoll telephone trunks // Bell System Technical Journal. - 1953. - Vol. 32. - Sept. - P. 1019-1036.

8. D. Messerschmitt. Echo cancellation in speech and data transmission // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. - 1984. - Vol. 2. - № 2. - P. 283-297.

9. Б. Уидроу, С. Стирнз. Адаптивная обработка сигналов. Пер. с англ. под ред. Шахгильдяна В.В. - М.: Радио и связь, 1989. - 440 с.

10. Digital network echo cancellers // ITU-T Recommendation G.168. Series G: Transmission systems and media, digital systems and networks. - Geneva: ITU. - 2002. - 97 p.

11.Л.Г. Белиовская, М.В. Джиган, О.В. Джиган. Калькуляторы импульсных откликов // Материалы 15-й Международной конференции «Информационные средства и технологии». - Москва, 2007. - Том 1. -С. 72-75.

12. J.В. Allen, D.A.Berkley Image method for efficiently simulating small-room acoustics // The Journal Acoustic Society of America. - 1979. - Vol. 65. -№4. - P. 943-950.

13.Л. Белиовская, М. Джиган, О. Джиган. Совместное использование пакетов LabVIEW и MATLAB в задачах эхокомпенсации и выравнивания каналов связи // Современная электроника. - 2007. - №3. - С. 56-60.

..............................................................................................................................