Cancelación de ecos en telefonía

En todos los sistemas telefónicos (fijos o móviles), la señal del hablante al salir de la central telefónica se pasa por un convertidor comúnmente llamado “bobina híbrida” que es un convertidor de 2 a 4 hilos (2:4). Al realizarse este cambio, la señal se vuelve unidireccional, así al ser amplificada genera eco telefónico. Expliquemos esto:

Las señales procedentes del teléfono hacia la central y las que se dirigen a él desde ella viajan por una misma línea de sólo 2 hilos. Para poder combinar en una misma línea dos señales (ondas electromagnéticas) que viajen en sentidos opuestos y para luego poder separarlas, se utiliza el dispositivo nombrado anteriormente como bobina híbrida o, transformador híbrido, que no es más que un acoplador de potencia (duplexor). Por lo tanto, el eco se genera cuando parte de la señal transmitida regresa al transmisor en un convertidor de 2 a 4 hilos, debido a un desequilibrio en las impedancias (desadaptación de impedancias) entre los circuitos de 2 y 4 hilos, esto se muestra en siguiente figura:

El grado del eco escuchado por el que habla depende de la magnitud de la señal reflejada y la cantidad de retardo involucrado. En comunicaciones con distancias cortas el retardo es mínimo y el eco despreciable e imperceptible, sin embargo en comunicaciones de largo alcance (miles de kilómetros) el eco es perceptible.

Aquí la utilización del DSP juega un papel muy importante en la transmisión de voz, ya que al ser un hardware especializado en ejecutar muchas operaciones cada ciclo de reloj, proporciona al sistema la mejor combinación de rendimiento, consumo de potencia y precio. Esto es necesario puesto que para entablar una conversación en buenas condiciones, se requiere poco retardo y una mejora en la canalización de la señal de voz con poca distorsión. Además, la cancelación de eco no solo mejora la calidad sino que reduce el consumo de ancho de banda debido a las técnicas de supresión de silencio.

En cuanto a los algoritmos empleados en los DSP tenemos que para la cancelación de tanto ruido como de eco, se utiliza un tipo de filtro digital perteneciente al Filtrado Adaptativo, llamado Least Mean Square (LMS). Surge la necesidad de utilizar estos filtros por el simple hecho de que con éste es posible modificar los coeficientes del filtro durante el procesamiento, y con ello obtener un valor mínimo del cuadrado de la señal de error, definida como la diferencia entre la señal deseada y la señal producida a la salida del filtro. Además, pertenece a la familia de los algoritmos de gradiente estocástico, es decir, el filtro se adapta en base al error en el instante actual únicamente.

Los filtros adaptables están constituidos por dos partes básicas: la estructura propia del filtro y el tipo de algoritmo que va a hacer la adaptación. Respecto a la estructura puede ser de tipo no recursiva (FIR) o bien recursiva (IIR). La salida de un filtro digital programable de coeficientes variables y(n) menos una señal de referencia d(n) produce una señal de error e(n). La señal de error es usada en combinación con los elementos de la sucesión de entrada x(n), para actualizar los coeficientes del filtro, en base a algún criterio. El principio de un filtro adaptable se puede ver en esta figura:

Por lo tanto, podemos decir que el algoritmo de filtrado ejecuta dos procesos básicos:

- Un proceso de filtrado: donde se realiza el cómputo de la salida de un filtro lineal en respuesta a una señal de entrada, y además, se genera una estimación del error mediante la comparación de esta salida con la señal deseada.

- Un proceso de adaptativo: donde se realiza el ajuste automático de los parámetros del filtro de acuerdo al error estimado.

En cuanto a la estructura del algoritmo LMS, podemos decir que es un algoritmo que es convergente, de convergencia dependiente directamente de la potencia de la señal de entrada; simple y robusto en el cual con un solo parámetro a variar (tamaño de Paso μ) es suficiente para estimar pertinentemente la señal deseada.

Por último, decir que existen variantes de este algoritmo. Una de ellas es el llamado algoritmo NLMS (Normalizado) que se basa en eliminar la dependencia que exige el LMS, comentada anteriormente. Para ello, como su nombre indica se pretende normalizar el logaritmo y así conseguir una mayor velocidad de convergencia para el cálculo del valor del error mínimo.

-Fuentes:

· http://es.wikipedia.org/wiki/Algoritmo_LMS

· Sistemas electrónicos de comunicaciones (por Roy Blake, traducido por Fco Sánchez Fragoso).

· Desarrollo de técnicas de filtrado adaptable basadas en el algoritmo LMS y su aplicación en la cancelación de eco telefónico (Protocolo de Investigación, por Martín García Hernández)