Ekkokansellering som gir full duplex lyd

Når to personer snakker sammen over bordet kan de lytte og snakke samtidig. Over telefonen kan de gjøre det samme ved å benytte telefonrøret.

Slik burde det også være når man benytter en høyttalende telefon. De fleste av oss har prøvd en slik - men vi bruker den kun når vi må. Dette fordi en ordinær høyttalende telefon stykker opp samtalen. Du kan ikke snakke og lytte samtidig - lydretningen blir styrt av den som snakker høyest. Dette blir en kunstig måte å snakke sammen på, og i tillegg også ofte med dårlig lydgjengivelse. Denne teknikken er kalt halv duplex.

Skissen viser prinsippet for operasjonen av en vanlig høyttalende telefon. Her går lyden bare i en retning av gangen (halv duplex) - enten er mikrofonen sperret eller så er høyttaleren sperret. Man kan bare lytte eller snakke vekselsvis og systemet er laget slik at den som snakker høyest kommer gjennom ved at lydretningen snur.

Når du benytter telefonrøret kan begge parter snakke samtidig og fremdeles høre hverandre - dette er kalt full duplex eller åpen duplex. Med telefonrøret er dette mulig fordi høyttalervolumet er relativt lavt kombinert med at mikrofonen er plassert forholdsvis langt fra høyttaleren. Dermed unngår man at lyden fra høyttaleren blir plukket opp av mikrofonen. I en høyttalende telefon derimot, vil en vesentlig del av lyden bli ført tilbake til mikrofonen og systemet vil dermed gå i selvsving og hyle opp. Halv duplex er en måte å løse dette tekniske problemet på - men resultatet introduserer ofte et nytt problem for brukeren fordi samtaleretningen ikke snur raskt nok eller snur på feil grunnlag (for eksempel bakgrunnstøy). Dermed blir samtalen oppstykket og man opplever ofte at deler eller hele ord blir kuttet når telefonen snur samtaleretning.

Løsningen som man søker er full duplex lyd som telefonrøret gir, med de "hands-free" egenskapene som en høyttalende telefon representerer. Utfordringen her er å filtrere bort lydbildet som skriver seg fra høytaleren, slik at det bare er din stemme som blir sendt tilbake til personen i andre enden av telefonlinjen. Dette er en meget krevende oppgave siden lydbildet endrer seg hele tiden samtidig som lyden fra høyttaleren også brer seg tilbake til mikrofonen etter å ha blitt reflektert fra tak og vegger i rommet med ulik forsinkelse. Disse lydrefleksjonene er svært sammensatt og forandrer seg kontinuerlig etter hvert som lydbildet i rommet forandrer seg ved at personer for eksempel beveger seg.

Tidligere innredet større bedrifter spesielle telefonkonferanserom med polstrede tak og vegger for å absorbere lydrefleksjoner fra tak og vegger i rommet. Videre brukte man retningsvirkende mikrofoner, samt nøyaktig plassering av høyttalere, slik at lydbølgene fra disse i størst mulig grad nøytraliserte hverandre. Brukerne måtte sitte nøyaktig på sine angitte plasser - ingen ting kunne beveges eller endres i rommet under telekonferansen. Disse systemene var meget kostbare og fikk ingen stor utbredelse.

Figuren viser prinsippet for en moderne ekkokanselleringsenhet. Enheten inneholder et dynamisk filter som hele tiden oppdaterer seg med innkommende lyd fra høyttaleren samt endringer av lydbildet i rommet. På denne måten filtrerer enheten ut det sammensatte ekkoet som blir tilbakeført til mikrofonen. Dersom algoritmene er gode og signalprosessoren er rask, kan resultatet bli meget bra.

I de siste årene har stadig kraftigere signalprosessorer kommet på markedet til stadig lavere priser. Dette har muliggjort at avanserte softwarealgoritmer som operer i sanntid har løst utfordringen ovenfor. Med denne teknikken oppnår man en løsning som gir full duplex lyd, det vil si at man kan lytte og snakke samtidig. Men lydrefleksjoner fra tak og vegger gjør det vanskelig for filteret i ekkokanselleringsenheten å følge med. Selv om vi ikke er i stand til å oppfatte lydrefleksjoner på mindre enn 35 ms (35/1000 sekund), er likevel disse lydrefleksjonene med på å forvrenge det totale lydbildet som når frem til våre ører. Dette gjør at tale blir mindre tydelig.

Dette problemet lar seg vanskelig helt løse ved hjelp av avansert prosessorteknologi. For å kompensere for dette kan man bringe lydkildene nærmere hver enkelt deltaker og dermed dempe den totale lydstyrken vesentlig. Dette prinsippet benytter Eclipse seg av ved at man plasserer ut satellittenheter som står relativt nær hver enkelt deltaker i en konferansen. For overføringen av lyden til og fra satellittene benytter Eclipse infrarødt lys (IR).

Lydoverføring med infrarødt lys (IR)

Infrarødt lys (IR) er elektromagnetiske bølger med frekvens rundt 300 THz, som tilsvarer en bølgelengde på ca. 1 mikrometer (um), det vil si 1/1000 mm. Sammenlignet med synlig lys som ligger i området fra 0,4 um (blått) til 0,8 um (rødt), så ligger det infrarøde lyset som Eclipse anvender i området fra 0,8 um til 1,0 um.

Figuren viser hvor det infrarøde lyset hører hjemme blant andre former for kommunikasjonsbærere. Legg merke til at det infrarøde lyset befinner seg på den ene siden av det synlige lyset, mens det "farlige" ultrafiolette lyset befinner seg på den andre. De ultrafiolette stråler ønsker vi som kjent å unngå av helsemessige grunner. Det infrarøde lyset er uskadelig nettopp fordi det befinner seg på "riktig side" av det synlige lyset. Bølgelengden som Eclipse benytter til kommunikasjon ligger i den nedre delen av IR spekteret som vist på figuren.

Eclipse konferansesystem benytter IR lys til overføring av lyden til og fra satellittene. Denne overføringen er muliggjort ved at det usynlige infrarøde lyset blir blandet (modulert) med informasjon (lyd) og sendes ut via en infrarød sender i mange retninger i rommet. På samme måte som det synlige lyset, beveger det infrarøde lyset seg i rette linjer og blir spredd i rommet gjennom refleksjoner fra tak og vegger. På denne måten fylles rommet jevnt med det informasjonsbærende infrarøde lyset. Derfor behøver man ikke fri sikt for å oppnå god kommunikasjon, og personer kan dermed bevege seg fritt uten å forstyrre overføringen.

Rommet fylles av informasjonsbærende infrarødt lys ved hjelp av refleksjoner fra tak og vegger.

Senderene og mottakerne for IR lyset er skjult bak det spesielle plasthuset i Eclipse enhetene. Selv om huset er sort av farge, så er det likevel så godt som helt gjennomsiktig for infrarødt lys.

Eclipse systemet kan ha opp til to satellitter med mikrofon og et ubegrenset antall satellitter uten mikrofon. For dette benyttes tre IR kanaler - en til å overføre lyden ut til høyttaleren i satellittene og en kanal for hvert mikrofonsignal, det vil si to satellitter med mikrofon. Disse tre kanalene er muliggjort ved å benytte forskjellige bærefrekvenser. Det vil si at på den samme usynlige IR lysfrekvensen kan man ha mange informasjonskanaler (lydkanaler).