Подавление отражений в длинных линиях

Из-за явления отражений в длинных телефонных линиях возникает ослабление сигнала [16, 17]. За прошедшее десятилетие разработанные фирмой Bell Telephone Laboratories устройства подавления отражений значительно усовершенствованы. Традиционные методы подавления отражений недостаточно эффективны при передаче телефонных сообщений между континентами по спутниковым линиям. Поэтому ведется разработка адаптивных устройств подавления отражений. Время задержки при передаче радиосигнала на синхронный спутник и обратно на землю равно примерно 250 мс, а общее время — около 0,5 с. При таких больших задержках распространения коммутация с традиционным подавлением отражений вносит сильные искажения. Без адаптивного подавления отражений спутниковые линии лучше всего использовать аналогично радиотелефонным каналам в полудуплексном режиме, когда в один интервал времени говорит только один абонент.

Рис. 12.24. Четырехпроводная абонентская телефонная система

Для описания задачи подавления отражений рассмотрим кратко работу телефонной сети. Чтобы сконцентрировать внимание на прохождении сигналов, не будем рассматривать многих функций телефонной сети, таких, как, например, коммутация. На рис. 12.24 приведена простая телефонная система с двумя абонентами. На каждом направлении имеется угольный микрофон, последовательно соединенный с наушниками и батареей. Для каждого направления используется независимая линия. Такой подход является очень простым, но имеет свои недостатки. Преимущество системы, приведенной на рис. 12.25, заключается в том, что для соединения каждого абонента с центральной станцией (где находятся батареи и осуществляется локальная коммутация) используется два провода. Однако в системе на рис. 12.25 возникает так называемый местный эффект, при котором речевой сигнал абонента проходит в его собственные наушники. Обратная связь дает возможность говорящему регулировать уровень речи.

Рис. 12.25. Двухпроводная абонентская телефонная система

Рис. 12.26. Упрощенная двухпроводная абонентская телефонная система

Современный телефон несколько сложней системы на рис. 12.25, Значительно упрощенная его схема приведена на рис. 12.26. Здесь схема перехода от 4-проводной к 2-проводной цепи, заложенная в основу телефона, состоит из преобразователя, который пропускает постоянный ток батареи центральной станции через угольный микрофон, но не пропускает через наушники. Таким образом, четыре провода микрофона и наушников спарены в одну двухпроводную линию, соединяющую абонента с центральной станцией. Такая телефонная система является основной в настоящее время.

При передаче телефонных сообщений на большие расстояния используют промежуточные усилители, для которых, как показано на рис. 12.27, требуются раздельные цепи по обоим направлениям. Важным элементом системы является дифференциальная система, с помощью которой входной сигнал протяженной линии подается и а телефонный аппарат так, что он слышен в наушниках, в то время как с этого же телефонного аппарата снимается сигнал микрофона, подаваемый в передающую линию.

Рис. 12.27. Протяженная телефонная система

Дифференциальная система преобразует цепи 2-проводной схемы (где входной и передаваемый сигналы существуют вместе) в 4-проводную цепь, в которой входной и передаваемый сигналы разделены. Идеальная дифференциальная система пропускает входной сигнал на приемную пару с ослаблением на 3 дБ и совсем не пропускает его на свою передающую пару. Более того, при этом не возникает явлений отражения. На рис. 12.28 приведена упрощенная схема протяженной линии передачи, в которой устройства переприема и линии передачи представлены в виде задержек.

Дифференциальные системы по многим причинам не обеспечивают идеальных характеристик. Разброс характеристик приборов, длины и сопротивления линий передачи приводит к неидеальному разделению принимаемого и передаваемого сигналов. Таким образом. некоторые составляющие принимаемого сигнала проникают в цепи передачи. Обычно в дифференциальной системе эти составляющие ослабляются по амплитуде примерно на 15 дБ относительно принимаемого сигнала. По существу, тракт прохождения помех является линейным и обладает неизвестными амплитудно- и фазочастотной характеристиками. Даже при уровне этих составляющих ниже уровня принимаемого сигнала на 40 дБ для некоторых абонентов отчетливо проявляется эффект эхо.

В течение последних 50 лет на протяженных линиях связи в США применяли устройства подавления эхо, которые успешно решали эту задачу при общей задержке в линии связи не более 100 мс. На рис. ,12.29 показана схема телефонной системы, оборудованной устройствами подавления эхо-сигналов. Если детектор уровня сигнала обнаруживает принимаемый сигнал, реле в устройстве подавления эхо данного абонента отключает передающую цепь. Кроме того, если еще один детектор сигнала обнаруживает сигнал, поступающий с микрофона этого абонента, реле, снова замыкается, и восстанавливается передающая цепь. Таким образом, при прохождении эхо-сигнала разомкнуты только цепи приема. При передаче сигнал, даже если речевые сигналы поступают в оба конца линии одновременно, передающая цепь замкнута.

Рис. 12.28. Упрощенный вариант протяженной телефонной системы

Рис. 12.29. Протяженная телефонная система с устройствами подавления эхо-сигналов

При общих задержках в линиях связи, превышающих, как это имеет место в спутниковой связи, 100 мс, в процессе переключения устройств подавления эхо-сигналов возникают обрывы речевого сигнала и потери частей слов. Наличие такого эффекта привело к разработке адаптивных устройств подавления эхо-сигналов [17]. На рис. 12.30 приведена система с адаптивным подавлением эхо. Эта система имеет простой принцип действия. На конце линии связи принимаемый сигнал подается как на дифференциальную систему, так и на адаптивный фильтр. Выходной сигнал адаптивного фильтра вычитается из выходного сигнала дифференциальной системы. Разность этих сигналов, представляющая собой сигнал ошибки для адаптивного фильтра, используется для перестройки весовых коэффициентов. Адаптивный фильтр осуществляет максимальное в среднеквадратическом смысле подавление проникающих через дифференциальную систему составляющих. Возможность подавления ограничена только возможностью согласования фильтра с трактом прохождения паразитных составляющих через дифференциальную систему.

Скорость и точность квантования имеют ограничения с точки зрения стоимости реализации адаптивного фильтра, но они преодолеваются по мере развития технологии. Существенные ограничения накладывают относительное среднее значение СКО адаптивного фильтра и нелинейность тракта прохождения паразитных составляющих в дифференциальной системе.

Рис. 12.30. Протяженная телефонная система с адаптивным подавлением эхо-сигналов

Например, эффективное адаптивное устройство подавления эхо может иметь частоту отсчетов 8 кГц и 128 весовых коэффициентов.

При адаптивном подавлении эхо-сигналов возникают некоторые проблемы, связанные с влиянием шума вектора весовых коэффициентов. На рис. 12.31 приведена схема с адаптивными фильтрами, на которой показаны необходимые сигналы. При анализе будем считать, что адаптивные фильтры имеют достаточное число степеней свободы для согласования с передаточными функциями трактов прохождения паразитных составляющих в дифференциальных системах, значение соответствует области устойчивости адаптивных фильтров, а помехи в линиях и сигналы микрофонов имеют нулевые средние значения. Кроме этого, положим, что процессы адаптации обоих адаптивных фильтров протекают независимо. Строго говоря, это предположение является некорректным, но экспериментальные исследования показывает, что при раздельном рассмотрении адаптивных процессов их можно проанализировать с достаточно хорошим приближением. В действительности телефонная сеть с обоими адаптивными фильтрами представляет собой цепь с обратной связью. Входной сигнал адаптивного фильтра на конце А частично проникает с выхода адаптивного фильтра на конце В, и наоборот. Однако сигналы микрофонов, помехи в линиях связи и в абонентских линиях не зависят от адаптивных процессов. Будем полагать, что сигналы и помехи в схеме на рис. 12.31 являются независимыми стационарными случайными процессами. Такое предположение сделано для упрощения анализа [6, 17], эффективность которого подтверждается практическими исследованиями.

При всех этих предположениях можно прийти к заключению, что после адаптации адаптивные фильтры имеют такие векторы весовых коэффициентов, при которых полностью компенсируются передаточные функции трактов прохождения паразитных составляющих через дифференциальные системы.

Рис. 12.31. Модель прохождения сигналов в адаптивном устройстве подавления эхо-сигналов

Однако еще один результат процесса адаптации состоит в том, что в установившемся режиме шумовая составляющая значений весовых коэффициентов, которая по случайному закону модулирует входные сигналы адаптивного фильтра, приводит к появлению в сигналах микрофона, передаваемых далее по протяженным линиям связи, дополнительных составляющих случайной помехи.

Для проведения анализа будем считать, что значение адаптивного фильтра на конце А очень мало, поэтому шумом вектора весовых коэффициентов можно пренебречь. Тогда на конце А адаптивный фильтр полностью подавляет паразитные составляющие и не вызывает дополнительных «побочных явлений». Сигнал со стороны А при его подаче на линию связи равен сумме сигнала микрофона и шума абонентской линии Положим, что коэффициент передачи линии связи равен единице, тогда входной сигнал, поступающий на сторону В, равен , где — шум на стороне В, возникающий в линии связи

На практике требуется, чтобы значение было достаточно большим для обеспечения разумного времени сходимости адаптивного фильтра и возможности слежения за изменениями параметров дифференциальной системы. В соответствии с этим в значениях весовых коэффициентов появляется шумовая составляющая. Пусть МА — относительное среднее значение СКО адаптивного фильтра на стороне А. Из рис. 12.31 следует, что минимальное среднеквадратическое значение сигнала ошибки

(12.73)

Это определение вводится в предположении одновременной передачи речевого сигнала с обеих сторон, причем

входной сигнал и полезный отклик адаптивного фильтра соответственно. Для среднего значения СКО имеем или

что представляет собой мощность аддитивной независимой случайной помехи, возникающей из-за шумовой составляющей в значениях весовых коэффициентов. Соответственно мощность входного шума на стороне В равна

Следовательно, отношение сигнал-шум на стороне В

(12.76)

В представляющих интерес случаях уровень шума абонентской линии очень мал по сравнению с уровнем шума в протяженной линии связи. Учитывая это, имеем

(12.77)

При уменьшении , и медленной адаптации можно уменьшить МА. Если произведение мощности сигнала на МА пренебрежимо мало по сравнению с мощностью шума, достигается максимальное отношение сигнал-шум:

(12.78)

Такое отношение сигнал-шум достигается в системе с подавлением- эхо-сигналов при односторонней передаче речевых сигналов или в системе с адаптивным подавлением при двусторонней передаче. Из-за наличия относительного среднего значения СКО адаптивное устройство подавления эхо-сигналов при двусторонней передаче обеспечивает отношение сигнал-шум (12.77), которое можно записать в виде

(12.79)

Таким образом, во время двусторонней передачи для обеспечения отношения сигнал-шум, близкого к максимальному, необходимо поддерживать низкий уровень относительного среднего значения ско.