Оппенгейм - Применение цифровой обработки сигналов, страница 6

и приходящий, и уходящий сигналы переносятся одной и той же парой проводов). Это достигается за счет того, что телефонный аппарат абонента, соединительная пара проводов и оконечное устройство (гибридная катушка) в телефонной станции образуют сбалансированную мостовую схему, в которой гибридная катушка в точке преобразования двухпроводной линии в четырехпроводную позволяет разделять сигналы, про,ходящие в противоположных направлениях (рис. 1.10). В идеальном случае это разделение можно осуществить с большой ,степенью точности. В действительности, однако, экономически невыгодно подбирать на центральной телефонной станции для каждого абонента свою гибридную катушку.

Но так как абонентские линии имеют отличающиеся импедансы, то вышеупомянутая мо- Рис. 1.10. Преобразование двухпроводной линии в четырехпроводную. стовая схема часто может быть существенно разбалансированной, что приводит к отражению заметной части передаваемого сигнала и возвращению его к говорящему в виде эхо-сигнала. Для телефонных разговоров на расстояниях до нескольких сотен километров задержка отраженного сигнала составляет лишь несколько .миллисекунд, и, как показывает опыт, влияние даже больших эхо- 28 Глава 1 ПРименение ЦОС в системах связи рансеерсальный фильтр сигнал — — т. ,Уха- Иинтральная теларлннан палаеитель станиин Рис. 1.11. Эхо-подавитель. сигналов при таких задержках несущественно.

Для более протяженных линий и особенно линий связи через спутники, в которых задержка может достигать нескольких сотен миллисекунд, влияние эхо-сигнала является очень заметным. Для линий длиной в несколько тысяч километров (задержка в несколько десятков миллисекунд) проблему эхо-сигнала решают с помощью устройств, известных как эхо-заградитель. Эхо-заградитель ставят в такое место схемы, где есть доступ к обоим направлениям передачи сигнала. Он находит в каждый момент времени направление, в котором идет передача, и устанавливает затухание для противоположного (незанятого) направления, прерывая таким образом обратный путь и подавляя (или значительно ослабляя) эхо-сигнал.

Однако необходимо понимать, что этот метод контроля эхо-сигнала вносит свои собственные искажения в передачу, а именно создает прерывания речи в моменты, когда разговор идет в обоих направлениях одновременно. Тем не менее эхо-заградители представляют приемлемое решение проблемы эхо-сигналов для географической территории с размерами континентальных Соединенных Штатов. Возрастающая величина задержки для более протяженных линий осложняет задачу подавления эхо-сигнала и требует применения для этого более сложных методов. Наиболее перспективное решение этой задачи связывают с применением эхо-подавителей.

Схема такого устройства изображена на рис. 1.11. В его основе лежит трансверсальный фильтр с конечной импульсной характеристикой (КИХ), включенный, как показано, между двумя линиями передачи. Приходящий сигнал используется у этого фильтра как входной, а весовые коэффициенты на его отводах подбираются так, чтобы получить как можно более близкую копию сигнала, прошедшего через гибридную катушку.

Эхо-подавители можно строить и иа аналоговых элементах, однако цифровой вариант гораздо более привлекателен, поскольку он обеспечивает высокую стабильность, точность установки весовых коэффициентов (к тому же быстро подбираемых) и, кроме того, цифровая схема может использоваться одновременно для многих линий благодаря временному разделеиию каналов. Но эхо-подавитель, будь он аналоговым или цифровым, является достаточно дорогим устройством, так что его невыгодно ставить на каждую абонентскую линию.

Поскольку количество вызовов, связанных с большими задержками отраженного сигнала и требующих применения эхо-подавителей, относительно невелико в общем количестве вызовов, то каждый эхо-подавитель сможет обслуживать большое количество абонентов по их требованию. А это означает в свою очередь, что трансверсальный фильтр эхоподавителя должен быть достаточно сложным (т.

е. иметь достаточное число отводов), чтобы охватить все множество передаточиых функций системы с гибридной катушкой. Точная оценка необходимой сложности фильтра еще не получена, однако можно полагать, что для подавления эхо-сигнала на 35 — 40 дБ, что необходимо для нормальной работы линии, потребуется трансверсальиый фильтр с 200 отводами и точностью весовых коэффициентов, обеспечиваемой 10 разрядами. Оценка количества отводов сделана в предположении, что эхо-подавитель размещен так, что позволяет обслуживать много абонентов и все же находится не очень далеко (в пределах нескольких сотен километров) от места преобразования двухпроводной линии в четырехпроводную.

В противном случае число отводов, часть из которых должна использоваться для компенсации задержки на участке от эхо-подавителя до гибридной катушки, будет недопустимо велико. Из этого также следует, что необходимо иметь два эхо-подавителя, по одному у каждого конца телефонной линии, связывающей двух абонентов. Описываемый эхо-подавитель должен обладать способностью быстро перестраивать значения весовых коэффициентов (за время порядка нескольких сотен миллисекунд) всякий раз, когда устанавливается новый переговорный маршрут, используя лишь те сигналы, которые имеются в это время в линии. Требование наличия специального начального тренировочного периода усложнило бы существующую протяженную телефонную сеть и, более того, ие позволило бы эхо-подавителю отслеживать медленные изменения, происходящие в линии во время переговора. К счастью, существует метод быстрой настройки весовых коэффициентов применительно к рассматриваемому случаю; это впервые описанный Сондхи [151 адаптивный алгоритм.

В основе метода лежит расчет текущей функции корреляции между приходящим и уходящим сигналами (рис. 1.11) и последовательное изменение значений весовых коэффициентов фильтра таким образом, чтобы получался мииимум среднеквадратичного значения функции взаимной корре- Глава у Прил~енение ЦОС в системах связи ляции. Эта адаптивная схема напоминает схемы, которые использовал Лакки [1б] для установки отводов адаптивных выравнивателей при передаче данных. К сожалению, этот адаптивный алгоритм можно использовать только при наличии приходящего сигнала и отсутствии уходящего сигналов (но не его эхо-сигнала). Энергия сигнала от близкого абонента оказывает сильное влияние на работу алгоритма и часто может вызывать существенное отклонение весовых коэффициентов фильтра от их оптимальных значений.

Наиболее простое решение этой проблемы состоит в отключении схемы настройки коэффициентов и замораживании последних на время присутствия сигналов от близких источников. Это предопределяет необходимость быстрого распознавания сигналов, которые коррелированы, возможно, очень сложным образом с приходящим сигналом, и некоррелированных с ним сигналов.

Задача эта не простая, поскольку информация о сигнале от близкого источника на эхо-подавителе обычно отсутствует. Предложен ряд перспективных решений задачи, однако вопрос этот все еще активно исследуется. 1.10. Особенности разработки элементов аппаратуры систем с цифровой обработкой сигналов Приведенные в этой главе примеры взяты из областей применения систем с речевыми сигналами.

Здесь нет примеров применения методов цифровой обработки в системах с видео- и частотно- модулированными сигналами. Такой выбор областей применений обусловлен несколькими причинами. Во-первых, возможности применения цифровой обработки в системах с речевыми сигналами шире, что объясняется самой природой систем связи. Во-вторых, благодаря сравнительно узкой ширине полосы обрабатываемых сигналов по отношению к быстродействию существующих интегральных схем применяемый синхронизатор, управляющий ~процессором, может иметь быстродействие в несколько тысяч раз выше частоты дискретизации в каждом канале. Однако необходимость мультиплексной передачи нескольких тысяч каналов редко возникает в телефонной сети, и большие возможности применения мультиплексирования здесь ограничены.

К счастью, это противоречие не приводит к дилемме, потому что системы с последовательной передачей данных (в противоположность системам с параллельной передачей данных) позволяют за счет увеличения числа тактов на операцию существенно уменьшить потребляемую мощность и количество схем в арифметическом устройстве [17]. По указанным выше причинам в центре обсуждения аппаратной части систем будут процессоры с высокой степенью мультиплексирования (с числом каналов от 32 до 128), которые обычно выполняются с использованием последовательной арифметики [18]. 1.10.1.

Выбор структуры систем При проектировании системы для обработки сигнала в первую очередь концентрируют внимание на создании цифрового фильтра, поскольку значительная часть всей аппаратуры, в том числе арифметические и запоминающие устройства, предназначена для выполнения фильтрации при обработке сигнала. Для реализации нелинейных процессов, как правило, требуется более простая аппаратура, чем для выполнения функций умножения и задержки элементами цифровых фильтров. В детекторах, входящих в состав демодуляторов ЧМ-сигналов, операции ограничения, двухполупериодного выпрямления или умножения с демодуляцией реализуются на основе части вентилей, используемых при построении цифровых фильтров.