A supressão de eco e o cancelamento de eco são métodos utilizados em telefonia para melhorar a qualidade da voz, prevenindo a formação de eco ou removendo-o após este já estar presente. Além de aprimorar a qualidade subjetiva do áudio, a supressão de eco aumenta a capacidade obtida por meio da supressão de silêncio, ao impedir que o eco viaje através de uma rede de telecomunicações. Os supressores de eco foram desenvolvidos na década de 1950 em resposta ao primeiro uso de satélites para telecomunicações.
Os métodos de supressão e cancelamento de eco são comumente chamados de supressão de eco acústico (AES, do inglês acoustic echo suppression) e cancelamento de eco acústico (AEC, do inglês acoustic echo cancellation) e, mais raramente, cancelamento de eco de linha (LEC, do inglês line echo cancellation). Em alguns casos, esses termos são mais precisos, pois existem vários tipos e causas de eco com características distintas, incluindo o eco acústico (sons de um alto-falante sendo refletidos e captados por um microfone, que podem variar substancialmente ao longo do tempo) e o eco de linha (impulsos elétricos causados, por exemplo, pelo acoplamento entre os fios de envio e recebimento, descasamentos de impedância, reflexões elétricas etc., que variam muito menos do que o eco acústico). Na prática, no entanto, as mesmas técnicas são usadas para tratar todos os tipos de eco, de modo que um cancelador de eco acústico pode cancelar tanto o eco de linha quanto o eco acústico. A sigla AEC, em particular, é comumente usada para se referir a canceladores de eco em geral, independentemente de terem sido projetados para eco acústico, eco de linha ou ambos.
Embora os supressores de eco e os canceladores de eco tenham objetivos semelhantes — impedir que a pessoa que está falando ouça o eco da própria voz — os métodos que eles utilizam são diferentes:
Os supressores de eco operam detectando um sinal de voz que trafega em uma direção de um circuito e, em seguida, silenciando ou atenuando o sinal na direção oposta. Normalmente, o supressor de eco na extremidade remota do circuito realiza esse silenciamento quando detecta a voz proveniente da extremidade local do circuito. Esse silenciamento impede que o interlocutor ouça o eco de sua própria voz retornando da extremidade remota. O cancelamento de eco envolve, primeiramente, o reconhecimento do sinal originalmente transmitido que reaparece, com algum atraso, no sinal transmitido ou recebido. Uma vez reconhecido o eco, ele pode ser removido subtraindo-o do sinal transmitido ou recebido. Esta técnica é geralmente implementada digitalmente utilizando um processador digital de sinais ou software, embora também possa ser implementada em circuitos analógicos.
As normas G.168 e P.340 da UIT descrevem os requisitos e testes para canceladores de eco em aplicações digitais e de PSTN, respectivamente.
História Na telefonia, o eco é a cópia refletida da voz de alguém ouvida algum tempo depois. Se o atraso for razoavelmente significativo (mais de algumas centenas de milissegundos), ele é considerado incômodo. Se o atraso for muito pequeno (dezenas de milissegundos ou menos, o fenômeno é chamado de sidetone (ou efeito local). Se o atraso for ligeiramente maior, em torno de 50 milissegundos, os seres humanos não conseguem ouvir o eco como um som distinto, mas ouvem, em vez disso, um efeito chorus.
Nos primórdios das telecomunicações, a supressão de eco era utilizada para reduzir a natureza incômoda dos ecos para os usuários humanos. Uma pessoa fala enquanto a outra escuta, alternando entre si a fala. Um supressor de eco tenta determinar qual é a direção primária e permite que esse canal avance. No canal reverso, ele insere atenuação para bloquear ou suprimir qualquer sinal sob a suposição de que o sinal seja eco. Embora o supressor lide eficazmente com o eco, essa abordagem leva a diversos problemas, os quais podem ser frustrantes para ambas as partes em uma chamada.
Conversação simultânea (double-talk): É bastante comum em uma conversa que ambas as partes falem ao mesmo tempo, pelo menos brevemente. Como cada supressor de eco detectará energia de voz vinda da extremidade remota do circuito, o efeito normalmente seria a inserção de perda em ambas as direções simultaneamente, bloqueando efetivamente ambas as partes. Para evitar isso, os supressores de eco podem ser configurados para detectar a atividade de voz do interlocutor local e deixar de inserir perda (ou inserir uma perda menor) quando tanto o interlocutor local quanto o remoto estiverem falando. Isso, naturalmente, anula de forma temporária a finalidade primordial de se ter um supressor de eco. Ceifamento (clipping): Uma vez que o supressor de eco insere e remove perda alternadamente, há com frequência um pequeno atraso quando um novo interlocutor começa a falar, o que resulta no ceifamento da primeira sílaba da fala desse locutor. Linha muda (dead-set): Se a parte remota em uma chamada estiver em um ambiente barulhento, o interlocutor local ouvirá esse ruído de fundo enquanto o interlocutor remoto estiver falando, mas o supressor de eco suprimirá esse ruído quando o interlocutor local começar a falar. A ausência repentina de ruído de fundo dá ao usuário local a impressão de que a linha ficou muda.
Em resposta a isso, o Bell Labs desenvolveu a teoria dos canceladores de eco no início da década de 1960,{ o que resultou em canceladores de eco de laboratório no final dos anos 1960 e em canceladores de eco comerciais na década de 1980. Um cancelador de eco opera gerando uma estimativa do eco a partir do sinal do interlocutor e subtrai essa estimativa do caminho de retorno. Essa técnica requer um filtro adaptativo para gerar um sinal com precisão suficiente para cancelar efetivamente o eco, nos casos em que o eco pode diferir do original devido a vários tipos de degradação ao longo do percurso. Desde a sua invenção na AT&T Bell Labs, os algoritmos de cancelamento de eco foram aprimorados e aperfeiçoados. Como em todos os processos de cancelamento de eco, esses primeiros algoritmos foram projetados para antecipar o sinal que inevitavelmente reentraria no caminho de transmissão e cancelá-lo.
Avanços rápidos no processamento digital de sinais permitiram que os canceladores de eco se tornassem menores e mais econômicos. Na década de 1990, os canceladores de eco foram implementados dentro de centrais de voz pela primeira vez (no modelo DMS-250 da Northern Telecom), em vez de operarem como dispositivos autônomos. A integração do cancelamento de eco diretamente na central permitiu que eles fossem ativados ou desativados de forma confiável chamada por chamada, eliminando a necessidade de rotas de troncos separadas para chamadas de voz e de dados. A tecnologia telefônica atual frequentemente emprega canceladores de eco em dispositivos de comunicação pequenos ou portáteis por meio de um motor de voz via software, o qual fornece o cancelamento tanto do eco acústico quanto do eco residual introduzido por um sistema de gateway da PSTN na extremidade remota; tais sistemas normalmente cancelam reflexões de eco com até 64 milissegundos de atraso.
Operação miniaturadaimagem|400x400px| Um cancelador de eco adaptativo para um circuito telefônico. A função de H, o transformador híbrido, é rotear a fala de entrada vinda da extremidade remota para o telefone local e rotear a fala do telefone local para a extremidade remota. No entanto, a híbrida nunca é perfeita, de modo que sua saída contém tanto a fala desejada do telefone local quanto a fala filtrada da extremidade remota. O cancelador de eco é o filtro adaptativo , que tenta minimizar o sinal de erro ao filtrar a fala de entrada da extremidade remota em uma réplica da fala da extremidade remota que vaza através da híbrida. Uma vez concluída a adaptação, o sinal de erro consiste majoritariamente na fala proveniente do telefone local. O processo de cancelamento de eco funciona da seguinte forma:
Um sinal da extremidade remota é entregue ao sistema. O sinal da extremidade remota é reproduzido. O sinal da extremidade remota é filtrado e atrasado para se assemelhar ao sinal da extremidade local. O sinal filtrado da extremidade remota é subtraído do sinal da extremidade local. O sinal resultante representa os sons presentes no ambiente, excluindo qualquer som direto ou reverberado.
O principal desafio de um cancelador de eco é determinar as características de resposta do filtro a ser aplicado ao sinal da extremidade remota, de modo que ele se assemelhe ao eco resultante na extremidade local. O filtro é essencialmente um modelo do alto-falante, do microfone e dos atributos acústicos do ambiente. Os canceladores de eco devem ser adaptativos porque as características do alto-falante e do microfone locais geralmente não são conhecidas previamente. Os atributos acústicos da sala local também não são conhecidos com antecedência e podem mudar (por exemplo, se o microfone for movido em relação ao alto-falante ou se pessoas caminharem pela sala causando alterações nas reflexões acústicas). Ao utilizar o sinal da extremidade remota como estímulo, os sistemas modernos utilizam um filtro adaptativo e conseguem convergir de nenhuma atenuação até 55 dB de cancelamento em cerca de 200 ms.
O cancelamento de eco por si só pode ser insuficiente em muitas aplicações. O cancelamento e a supressão de eco podem funcionar em conjunto para alcançar um desempenho aceitável.
Quantificando o eco O eco é medido como perda de retorno de eco (ERL, do inglês echo return loss). Esta é a razão, expressa em decibéis, entre o sinal original e o seu eco. Valores altos indicam que o eco é muito fraco, enquanto valores baixos indicam que o eco é muito forte. Um valor negativo indica que o eco é mais forte que o sinal original, o que, se não for controlado, causaria realimentação de áudio (microfonia).
O desempenho de um cancelador de eco é medido pelo aumento da perda de retorno de eco (ERLE, do inglês echo return loss enhancement), que é a quantidade adicional de perda de sinal aplicada pelo cancelador de eco. A maioria dos canceladores de eco é capaz de aplicar de 18 a 35dB de ERLE.
A perda total do sinal do eco (ACOM) é a soma do ERL e do ERLE.
Usos atuais As fontes de eco são encontradas em ambientes cotidianos, tais como:
Sistemas viva-voz veiculares Um telefone convencional ou celular no modo viva-voz Aparelhos de viva-voz autônomos dedicados Sistemas integrados para salas de conferência, que utilizam alto-falantes de teto e microfones sobre a mesa Acoplamento físico em que as vibrações do alto-falante se transferem para o microfone através do invólucro do monofone
Em alguns desses casos, o som vindo do alto-falante entra no microfone praticamente sem alterações. As dificuldades em cancelar o eco decorrem da alteração do som original pelo espaço ambiente. Essas mudanças podem incluir certas frequências sendo absorvidas pela mobília macia e a reflexão de diferentes frequências com intensidades variáveis.
A implementação de AEC requer expertise em engenharia e um processador rápido, geralmente na forma de um processador digital de sinais (DSP). Esse custo em capacidade de processamento pode ser elevado; no entanto, muitos sistemas embarcados contam com um AEC totalmente funcional.
Caixas de som inteligentes e sistemas de resposta audível interativa que aceitam voz como entrada utilizam AEC enquanto mensagens de voz são reproduzidas, a fim de evitar que o próprio sistema de reconhecimento de fala reconheça erroneamente os comandos reproduzidos e outras saídas sonoras como comandos do usuário.
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