Причины возникновения сигнала эха

Эхо - это физический процесс отражения звуковых сигналов, поступающих на дифсистему, осуществляющую согласование 4-проводного и 2-проводного каналов. Отраженные таким образом сигналы поступают обратно к говорящему абоненту и ухудшают разборчивость принимаемой речи.

Эхо становится существенной проблемой, если задержка распространения звукового сигнала от источника к приемнику и обратно становится большей 50 мс. В VoIP сетях такая задержка почти всегда выше 50 мс, и может привести к тому, что этот эффект будет являться раздражающим фактором для абонента, уменьшая комфортность общения, или сделает разговор практически невозможным. В связи с этим в системе должен быть предусмотрен механизм устранения эха.




Важно полностью понимать причины возникновения этого эффекта, прежде чем предпринимать меры по его устранению. Содержимое этой страницы пытается четко и ясно объяснить, откуда берется сигнал эха. После того, как Вы прочтёте и поймете изложенное тут, Вы можете приступать к прочтению странице, посвященной подавлению сигнала эха в сервере Asterisk.

Типичное телефонное соединение

Ненадолго забудем про связь через VoIP каналы и рассмотрим обычный сеанс телефонной связи между двумя абонентами:

>)---<-+                                 4-пр линия                                    +->--(<
       |                       +---------------->--------------+                       |
       |        2-пр линия     |                               |       2-пр линия      |
     Гибрид <---------------> Гибрид                         Гибрид <---------------> Гибрид
       |                       |                               |                       |
       |                       +----------------<--------------+                       |
 o)-->-+                                                                               +-<--(o

 Вызывающий                                                                         Вызываемый

Выше показан (сильно упрощенный) сеанс телефонного разговора, где используется двухпроводная линия, которая соединяет каждого из абонентов с АТС. Каждая из двухпроводных линий между телефоном и АТС несет голосовые сигналы в двух направлениях, от одного телефона к другому и обратно. Далее используется 4-проводная линия (одна пара для передачи сигнала, вторая - для его приема), которая используется в качестве линии связи между АТС, т.к., если мы хотим нормально общаться с очень удаленными абонентами, мы должны усилить сигналы, затухающими в длинных аналоговых линиях. Однако сначала надо отделить посылаемые и получаемые сигналы. Это разделение осуществляется с помощью специального прибора, называемого гибридом ("hybrids"), который конвертирует сигналы между двухпроводной и четырехпроводной линиями (Аналоговые АТС соединяются между собой четырехпроводными линиями).

Двухпроводная телефонная линия, соединяющая абонентов с АТС, часто называется обычная телефонная линия (POTS).

Источники появления эхосигнала

В вышеприведенной системе существует насколько точек, которые могут послужить источником сигнала эха.

Если рассматривать эти места с точки зрения абонента в левой части рисунка, то они могут быть следующими:

• Акустическое эхо. Оно создается громкоговорителем телефона. Выходящий из динамика звук ударяется о стены, потолок и другие объекты в комнате, отражается и возвращается обратно к микрофону телефона. Подавление этого типа эха решается как дизайном самого телефона, так и его собственными средствами борьбы с ним, и в любом случае, этот тип не является большой проблемой - причины этого изложены ниже.

• Гибридное эхо. На гибриде, который согласует четырехпроводную линию с двухпроводной для "правого" абонента. Не сбалансированный надлежайшим образом гибрид не сможет нормально отфильтровать весь передаваемый сигнал, и почти всегда часть передаваемого сигнала, посланная гибриду с четырехпроводной стороны, возвращается обратно, как эхо, наложенное на принимаемый сигнал, которое и слышит "левый" абонент. Несбалансированность может быть связана с применением устаревшего оборудования или с непредсказуемым сопротивлением (импедансом) двухпроводной линии, идущей от АТС к абоненту (очень частая причина). Последний случай включает в себя следующие факторы:
  • Мокрые или поврежденные кабеля двухпроводной абонентской сети.
  • Шунты на абонентской линии (решается обычно на самой АТС).
  • Дешевые аналоговые телефоны, установленные у абонента.
  • Применение некоторых дорогих аналоговых телефонов абонентом.
  • Применение длинных не скрученных (прямых) проводов в пределах помещения абонента.

• Акустическое эхо на стороне удаленного абонента. Возникает в телефонной трубке удаленного абонента, например, если он не держит ее у своей головы, пользуется громкой связью или, если сама телефонная трубка плохо спроектирована. При этом микрофон этого абонента может улавливать звуки идущие от наушника или спикера, и отражать их обратно в линию.

Стоит отметить, что каждая из этих причин создает эхо только в одном направлении; каждый отдельный компонент являющийся причиной эха, создает его только для одного из пользователей. Причиной, как видно из списка выше, может быть точка, расположенная рядом с абонентом или отнесенная от него на значительное расстояние. Стоит также отметить, что не все из вышеперечисленных источников сигнала эха так уж сильно влияют на качество сигнала, объяснение этого смотрите в следующей главе.

Важность фактора задержки сигналов

Знание потенциальных источников сигнала эха - это не все, что нам нужно, чтобы получить общую картину. Чтобы эхо стало проблемой надо чтобы одновременно: (a) оно должно быть громким и (b) его сигнал имел значительную задержку относительно оригинального передаваемого сигнала. Рассмотрим это подробнее: что будет происходить, если каждый раз, когда вы говорите, Вы слышите себя и думаете, что кто-то пытается прервать Вас! В данном случае, человеческий мозг довольно хорошо приспособлен к отфильтровыванию звука Вашего собственного голоса, а фактически даже ожидает его услышать. Однако, теперь представим, что кто то повторяет все то что Вы говорите секунду спустя. Этот попугай будет Вас раздражать? Это точно! В том случае, если задержка сигнала эха небольшая, то Вы даже не заметите его, но если появляется некоторая задержка сигнала эха и станет больше некоторого порогового значения (считается, что для нормального восприятия сигнала эха, задержка должна быть не больше чем 50ms), то Вы начнете замечать его, а при больших задержках - около 100ms и больше - вести беседу станет довольно проблематично.

Вообще, Вам даже возможно захочется, чтобы абонент слышал в трубке свое эхо без задержек. Это называется - самопрослушивание и обсуждается на странице эхо и самопрослушивание. По этой причине, в телефоне предусмотрена передача части сигнала, поступающего с микрофона, обратно к наушнику, как уже обсуждалось выше.

Однако, то, что нам действительно не нужно, так это наличие любого сигнала эха, которое возвращается к нам после значительного промежутка времени. Посмотрим еще раз на вышеприведенный рисунок, и возьмем задержку равную примерно 50ms, как максимально допустимую для задержки сигнала эха. Предполагая, что сигнал по проводам распространяется со скоростью света (такое приближение уместно для наших целей), мы можем рассчитать максимальную дистанцию между нами и источником эха по следующей формуле:

 50 ms * 3.10^8 m/s / 2 = 7500 км 

(Замечание: Мы поделили результат на два, т.к. задержка обусловлена прохождением сигнала в обе стороны, а не в одну, что нас, собственно, и интересует.)

Короче говоря, Вы вряд ли заметите любые проблемы с эхом при внутригородских вызовах без применения технологии VoIP. Однако, при использовании спутниковых каналов связи (задержка около 540ms) или для вызовов в другую часть мира, этот фактором может стать источником реальных проблем. К тому же, и это как раз то, что нас интересует на данной странице - VoIP системы всегда вносят десятки миллисекунд в задержку голосового сигнала, который они передают, и чем больше узлов в сети или чем больше загрузка сети, тем больше будет вносимая этими системами задержка.

Подводя итог вышесказанному:

• Для того чтобы сигнал эха был заметен, он должен иметь некоторую задержку.
• Сигнал эха слышит противоположный абонент относительно того места где оно появилось с задержкой, равной прохождению сигнала в обе стороны до этого места.

Роль VoIP каналов в проблеме, связанной с появлением эхосигналов

Предположим, что мы заменяем телефон вызывающего абонента на VoIP систему, таким образом, получаем следующее:

            канал VoIP
 >)-<- D-to-A ===<== A-to-D --<-+                     4-пр. транк                      +->--(<
                                |                    +------>-----+                    |
                                |      2-пр. линия   |            |      2-пр. линия   |
                              Hybrid <------------> Hybrid       Hybrid <-----------> Hybrid
                                |                    |            |                    |
                                |                    +------<-----+                    |
 o)->- A-to-D ===>== D-to-A -->-+                                                      +-<--(o


 ^^^^^^^^^^^^               ^^^^^^^^^^^^
  VoIP телефон               шлюз PSTN-VoIP

Как мы уже знаем, несбалансированный "гибрид" будет отражать часть передаваемого по четырехпроводной линии обратно в эту линию. Итак, посмотрим, что случиться, если "гибрид" на шлюзе PSTN-VoIP несбалансирован (VoIP канал можно представить в виде четырехпроводной линии): голос вызывающего абонента проследует через VoIP канал, часть его будет отражена обратно гибридом, и вернется обратно через этот канал, до того как достигнет уха этого абонента. Исходя из того, что задержки в канал VoIP относительно большие, то вероятнее всего этот сигнал будет восприниматься как эхо.

Конечно, не все шлюзы PSTN-VoIP имеют двухпроводный интерфейс в PSTN. Карта TDM400P и ее модули имеют интерфейсы для двухпроводных линий; Карты TE4xxP используют цифровой канал и поэтому представляют собой четырехпроводной интерфейс (что приводит к удалению двух гибридов из вышеприведенной диаграммы). Однако, все, кто говорит, что эхо невозможно при использовании четырехпроводного интерфейса в публичную телефонную сеть (а многие так и думают) говорит ерунду. Мы уже установили тот факт, что источником эха может служить удаленный конец канала связи, и эта ситуация не является исключением - мы только устранили один из возможных источников возникновения сигнала эха.

Решение проблемы эхо сигналов

По существу, есть три способа, которыми можно справиться с проблемой эха.

Устранение источников, порождающих сигнал эха

В основном, это означает, что нужно попробовать сделать так, чтобы все "гибриды" были сбалансированы. Обычно, Вы можете влиять на работу "гибридов" только на Вашей стороне линии связи, и в статье: Подавление эха в сервере Asterisk: для линий типа FXO и FXS содержится несколько замечаний, относительно этой задачи, на которые стоит обратить внимание, если конечно к вашему серверу Asterisk подключены двухпроводные аналоговые линии связи. Однако, работа "гибрида" никогда не приведет к полному подавлению сигнала эха, и почти всегда будет оставаться в телефонной сети некоторый неподавленный эхосигнал.

Компенсация эхо-сигналов

Эхокомпенсатор - это простой, управляемый голосом, переключатель, который выключает канал передачи от говорящего абонента к слушающему, если он молчит. Это, однако, не столь замечательное решение, как это могло бы показаться, т.к.: первое, она плохо справляется с задачей, когда оба абонента одновременно разговаривают, и во вторых, появляются неприятные разрывы в речи, которые являются следствием работы переключения, что может раздражать так же, как и сигнал эха. Однако, это система, применялась в ранних межконтинентальных телефонных линиях связи.

Эхоподавление

Эхоподавление использует математические алгоритмы при вычитании только той части передаваемого сигнала из принимаемого, которые гарантируют подавление только эхо сигналов не искажая сам принимаемый сигнал. Данный процесс обсуждается на странице: Эхоподавление в сервере Asterisk.

Комутаторы нового поколения - NGS (Next Generation Services) switches

Так же стоит упомянуть, что уже вроде как некоторые телефонные операторы начали вводить технологию, базирующуюся на коммутации пакетов, вместо коммутации каналов, и на протоколы, такие как ATM. Эти коммутаторы сами непосредственно вносят некоторую задержку в передачу сигнала, и поэтому сами могут осуществлять подавление сигнала эха. Однако, дало в том, что т.к. вызовы могут, как проходить через такие коммутаторы, так и не проходить, а это может сделать проблему с эхом периодической, что создаст еще больше проблем в процессе его ликвидации.