CN103684487A

CN103684487A - 减少多径干扰

Info

Publication number: CN103684487A
Application number: CN201310403669.0A
Authority: CN
Inventors: 泰穆金·高塔马
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2012-09-13
Filing date: 2013-09-06
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2033-09-06
Also published as: EP2709324B1; CN103684487B; US20140072122A1; US9380389B2; EP2709324A1

Abstract

本发明提供了一种音频信号处理***，其中基于多径干扰的测量来处理频域音频信号的幅度谱。例如通过用幅度谱的时间上平滑版本代替幅度谱，这种处理在多径干扰期间保持幅度谱近似固定。将幅度谱(如果需要则为处理后的幅度谱)和相位谱相合以获得频域输出，并将频域输出变换到时域。

Description

减少多径干扰

技术领域

本发明涉及减少多径干扰，特别是在调频无线接收机中减少多径干扰。

背景技术

调频无线接收机需要能够处理各种类型的干扰，其中多径噪声可以在音频信号中引入尖峰突发脉冲串(burst)。

这种类型的干扰源于一个事实，即无线天线接收直接来自发送天线的信号以及接收表示直接信号经过物体和建筑物反射的间接信号。这些反射的信号通常与直接信号异相，并且当组合两个信号时可能出现相长干扰和相消干扰。

在调频广播中，解调的调频立体声信号包含以和信号(L+R，“主”通道)形式并作为30Hz至15kHz范围内的基带音频传输的单声道音频信号、19kHz的导频信号以及在38kHz子载波上调幅并占据24kHz至53kHz基带范围的立体声差信号(L-R，“子”通道)。和信号与差信号(而不是左音频信号与右音频信号)作为立体声音频信号的表示形式，确保与只使用主通道的单声道接收机的兼容性。

多径干扰可以在和信号与差信号上引起短尖峰突发脉冲串。存在几种已知的方法来检测多径干扰的存在，例如US6173166中公开的方法。

为了减少由多径干扰造成的音频伪象，已知的方法包括调节立体声分离度(对差信号进行衰减)、当检测到多径干扰时对音频信号进行低通滤波以及进行信号内插(例如US6826392中公开的方法)。

减少由多径干扰造成的音频伪象的已知方法可能是不够的。当调节立体声分离度时，只是移除了差信号上的伪象，而没有解决和(单声道)信号上的伪象。

通过对音频信号低通滤波，移除了干扰的高频部分，但同时移除了音频信号的高频成分，从而导致可听的伪象。

最后，信号内插可以很好地工作，但是这在很大程度上依赖于信号的频率内容和内插的阶数。对有些信号，内插将引入信号的不连续性。

发明内容

根据本发明，提供了一种如独立权利要求中定义的方法和设备。

在一个方面，本发明提供了一种音频信号处理***，包括：

输入，用于接收至少一个被无线发送的音频信号；

延迟元件；

时域到频域转换器；

提取单元，用于分别提取具有幅度分量和相位分量的幅度谱和相位谱；

处理器，用于根据多径干扰的指示来处理幅度谱；

组合器，用于组合处理后的幅度谱和相位谱以获得频域输出；以及

频域到时域转换器。

本发明基于在多径干扰期间信号特性保持基本不变的假设。通过以处理后的幅度谱代替多径干扰期间的幅度谱，可以以这样的方式重构信号：信号特性与干扰之前的音频信号保持相同(或基于干扰之前的音频信号)。该方法可以应用到和信号与差信号，并且不引入滤波影响。因此，与已知方法相比，输出的音频信号包含更少的可听伪象。

幅度谱的使用基于相位失真比幅度失真对信号具有更小的影响这一事实。

多径干扰的指示可以是存在(presence)指示或电平指示，或基于其他监测参数的预测。

处理器可以在时间上(over time)执行平滑功能。

平滑功能可以工作在干扰检测期间和正常接收期间。该平滑可以包括每次接收到新样本时产生更新值的实时功能。然后，新样本对更新值的影响可以依赖于时间常数。时间常数越大，以前的信号值越能决定输出。

典型的多径干扰的长度为5ms的数量级。当没有检测到干扰时，时间常数可以足够小以便捕获音频中的变化。

当没有检测到干扰时，在与相位谱重新组合之前可以不对幅度谱作任何处理。

当检测到干扰时，可以使用平滑功能输出。然后可以采用较长的时间常数(因此干扰期间接收的样本对更新值影响不大)或者可以停止平滑处理，相当于无限时间常数。

这种停止相当于处理器在多径干扰期间执行固定功能，固定功能将幅度谱固定于检测到多径干扰之前的幅度谱电平，或者基于检测到多径干扰之前的平均值将幅度谱固定到于平滑后的电平。

以这种方式，可以在多径干扰期间连续地执行平滑功能，并执行固定功能。

在一个示例中，处理器接收指示多径干扰存在或不存在的二进制信号，并当指示存在多径干扰时，以不同的方式处理幅度谱。如上文所述，当不存在多径干扰时，可以连续地执行平滑功能。当指示存在多径干扰时，幅度谱或者保持固定不变，或者用较长的时间常数进行平滑。

在另一个示例中，处理器接收指示多径干扰电平的检测器信号，并且依赖于多径干扰电平来处理幅度谱。这使得处理能够针对干扰的电平。例如，可以使用混合比依赖于检测器信号的混频器来混合幅度谱和处理后的幅度谱。

在另一方面，本发明提供了一种音频信号处理方法，包括：

接收被无线发送的至少一个音频信号；

延迟音频信号；

将延迟的音频信号从时域转换到频域；

分别提取具有幅度分量和相位分量的频域信号的幅度谱和相位谱；

根据多径干扰的指示来处理幅度谱；

组合处理后的幅度谱和相位谱以获得频域输出；

将频域输出转换到时域。

本发明可以被实现为包括代码装置的计算机程序，当在计算机上运行所述代码装置时实现本发明的方法。

附图说明

下面将参照附图详细描述本发明的示例，其中：

图1示出了本发明的音频处理***的示例；

图2示出了本发明的方法的示例；以及

图3示出了用于说明本发明的方法的操作的波形。

具体实施方式

本发明提供了一种音频信号处理***和方法，其中基于多径干扰的测量来处理频域音频信号(例如和信号)的幅度谱。例如通过利用幅度谱的时间上平滑版本代替幅度谱，这种处理在多径干扰期间保持幅度谱近似固定不变。将幅度谱(如果存在干扰期间则为处理后的幅度谱)和原始的相位谱相组合以获得频域输出。

用于抑制多径干扰的本发明的***的示例如图1所示。

这本示例中，输入“in”包括和信号。然而，该***可以对差信号重复执行类似的处理。

由延迟线10延迟该输入，之后由FFT单元12将输入变换到频域。通过幅度单元14和相位单元16，分别将得到的复值频谱分成幅度谱(“magl”)和相位谱。该复值FFT频谱包括一系列复值数字，每一个复值数字对应一个频率。通过获得这些复值数字的幅度来得到幅度谱，通过获取相位来得到相位谱。

由平滑单元18在时间上对幅度谱进行平滑(产生“magS”)，并且基于对多径干扰敏感的检测器，如果检测到多径干扰，则幅度谱“magl”被平滑后的幅度谱“magS”代替，或者与“magS”相混合。由组合器20将得到的幅度谱(“mag2”)和原始的相位谱相组合，并通过IFFT单元22得到这种复值频谱的逆FFT。这产生增强的输出。

流程图如图2所示。

在步骤24对输入进行延迟，然后在步骤26将输入转换到频域。

在步骤28获得幅度谱和相位谱。

步骤30示出了检测多径干扰。在所示的示例中，提供了多径干扰是否存在的指示(是或否)。如果没有检测到干扰，则不需要进行处理(如图1所示)。然而，应用平滑功能以建立平滑值的存储器，适于当检测到干扰时使用。这种平滑基于短持续时间的平滑时间常数(例如5ms至30ms)。这被示为步骤32。

如果检测到干扰，使用平滑后的输出来代替幅度谱。改变平滑常数，以便之后干扰期间接收的样本对平滑输出影响很小。因此平滑切换到较长持续时间的平滑时间常数(例如1s)，以便音频信号很大程度上基于干扰之前接收的信号。这被示为步骤34。

可以由停止代替平滑，因此使用单个之前的平滑值作为输出。这相当于无限时间常数，并被称为图2中的“停止平滑”。

在不同的示例中，使用指示干扰电平的多电平信号来控制音频处理。

在步骤36得到输出的幅度谱，在步骤40转换回时域之前，在步骤38将该输出的幅度谱与原始的相位信息组合。

下面描述所提方法背后的理由。

在多径干扰期间，音频信号无论是幅度还是相位都被噪声污染。因此，频域中幅度谱和相位谱均有失真。如果假定纯净的音频信号是短时间静态的，即信号的统计数据在较短时间跨度(期间，例如5ms)内保持不变，则幅度谱不会很快地变化。因此，如果幅度谱被多径干扰之前的幅度谱(或在线的平滑版本)代替，可以相当大地降低幅度失真。相位谱仍然失真，但是这比幅度失真较不明显。

可以以数种方式得到平滑后的幅度谱。可以使用固定的时间常数(例如30ms)计算该平滑后的幅度谱。该时间常数定义了遗忘因子(在平均值上反映了变化快慢的度量)。该平滑功能可以基于平均值的递归估计：

av[k]=α*av[k-1]+(1-α)*newValue[k]

α的值与平滑时间常数有关。无限时间常数对应于α=1，而且新的值不改变运行平均值。较低的时间常数相当于α的值接近0，因此新样本值对运行平均值有影响。该时间常数可以被认为是其中之前的样本具有影响的时间窗。时间窗越长，新样本的影响越小。然而，截至干扰检测点，需要较小的时间常数，以便检测到导致干扰事件的音频变化。一旦检测到干扰，则需要较长的时间窗，以便减小无效样本的影响。

可以使用非对称平滑来计算平滑功能，在这种情况下，根据magl(ω)小于还是大于之前的magS(ω)，可以使用不同的时间常数(分别针对每个频率ω)。

当magl(ω)>magS(ω)时如果时间常数较大，对于magl(ω)中峰值的平滑将更慢，而平均值对峰值更鲁棒。然而，随着magl(ω)的增大平滑会更慢。

目的在于在多径干扰期间平均幅度谱不显著变化(或者甚至保持不变)。

延迟线10用于实现超前机制。实际上，在多径干扰之前开始幅度谱的替换可能是有益的。以这种方式，可以以更加渐进的方式执行处理，降低了由于在平滑后的幅度谱(“magS”)和原始的幅度谱(“magl”)之间切换而产生的可能伪象。输出的幅度谱(“mag2”)可以被计算为magl和magS的加权和：

mag2(ω)=γmagl(ω)+(1-γ)magS(ω) (1)

其中γ为混合因子，在超前期间从1减小到0，之后从0增加到1。

图3对此进行了演示。

图3的上部图示出了多径检测器(″det″)的输出，当检测到多径干扰时输出为高。第二幅图示出了单个频率的幅度“magl”(实线所示)。可以观察到，由于超前延迟线，导致在检测开始了较短时间段之后干扰开始。

在没有延迟线的情况下，干扰会与检测器信号的开始同时开始或者甚至稍微提前(在检测需要一些处理时间的情况)。平滑后的幅度“magS”由虚线表示，并且可以看出，当检测器输出为高时停止平滑。

在第三幅图中示出了混合因子γ。

检测开始时，在检测期间混合因子线性减小到零并保持为零。当检测器返回到零时，混合因子在等于超前延迟线的时段期间内保持为零，之后线性增大到与原来一致。

第四幅图示出了对于特定频率得到的输出频谱(“mag2”)，通过上述公式1得到。

用于多径干扰的概率的度量方法是可用的，而无需使用用于多径干扰的0/1检测器。然后，可以使用该准则来控制平滑时间常数和混合因子，该混合因子通过如图2所示的混合切换用于将未处理的幅度谱和平滑后的幅度谱组合。这可以降低由于在幅度谱之间切换产生的可听伪象的风险。

利用针对每个频率计算平均幅度谱，该***以基于每个频率的方式工作。然而，只有一个用于全局(非特定频率)干扰事件的检测信号。

本发明可以被实现为处理FM音频信号的软件模块。输入信号是和信号，也可选择差信号。

该模块需要以下组件：

检测器或用于多径干扰的概率的准则

时间至频率变换

用于提取幅度谱和相位谱的装置

用于平滑幅度谱的装置

用于计算增强的幅度谱的装置，由用于多径干扰的检测器或准则进行控制

用于将幅度谱和相位谱组合为复值频谱的装置；以及

频率至时间变换。

本发明可以是调频立体声调谐器的一部分，实现为软件模块以便当存在多径干扰时改善音频信号的质量。

本发明利用多径干扰的存在或电平的指示。可以以已知的方式获得该指示。

例如可以基于瞬时噪声电平及其导数的分析来检测多径噪声。如果该导数超过阈值(取决于广播信号的调制能量)，则确定为存在多径噪声。

另一种方法是将瞬时信号强度和平均信号强度进行比较，并与阈值进行比较。

另一种方法是测量高频信号能量并与阈值进行比较。

另一种方法是检测接收的信号强度下降到低于阈值(指示相消干扰)。

这些方法在US6173166中进行了概述。

本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时，从附图、公开内容和附加权利要求的研究中可以理解和实现所公开的实施例的其他变形。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一种”不排除复数。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中所述的若干项的功能。某些措施记载在相互不同的从属权利要求中，这一事实并不表示这些措施的组合不能被有利使用。

可以在适合的介质上存储／分布计算机程序，例如一起提供或作为其他硬件的一部分的光存储介质或固态介质，但也可以分布于其他形式，例如通过因特网或其他有线或无线远程通信***。

权利要求中的任何附图标记不应当被理解为对保护范围的限制。

Claims

1.一种音频信号处理***，包括：

输入，用于接收被无线发送的至少一个音频信号；

延迟元件(10)；

时域到频域转换器(12)；

提取单元(14，16)，用于提取具有幅度分量和相位分量的幅度谱和相位谱；

处理器(18)，用于根据多径干扰指示(det)来处理幅度分量；

组合器(20)，用于组合处理后的幅度谱和相位谱以获得频域输出；以及

频域到时域转换器(22)。

2.如权利要求1所述的***，其中，处理器(18)执行时间上平滑功能。

3.如权利要求2所述的***，其中，当没有检测到多径干扰时，处理器(18)利用第一时间常数执行平滑功能，当检测到多径干扰时，利用较长的第二时间常数执行平滑功能。

4.如权利要求2所述的***，其中，当没有检测到多径干扰时，处理器(18)利用第一时间常数执行平滑功能，当检测到多径干扰时，处理器(18)执行固定功能，所述固定功能将幅度分量固定于检测到多径干扰之前的幅度分量的平滑后电平。

5.如上述权利要求中的任意一个所述的***，其中：

处理器(18)接收指示多径干扰存在或不存在的二进制信号(det)，并且仅当指示存在多径干扰时处理幅度分量(magl)；或者

处理器(18)接收指示多径干扰电平的检测器信号，并且依赖于多径干扰电平来处理幅度分量。

6.如权利要求5所述的***，其中，处理器包括：混频器，使用依赖于检测器信号的混合比来混合幅度分量和处理后的幅度分量。

7.一种调频FM无线接收机，包括如上述任一权利要求所述的***和无线接收机电路，所述无线接收机电路用于接收立体声FM广播信号，并提供和信号作为所述***的输入。

8.一种音频信号处理方法，包括：

接收至少一个被无线发送的音频信号；

(24)延迟音频信号；

(26)将延迟的音频信号从时域转换到频域；

(28)提取频域信号的具有幅度分量和相位分量的幅度谱和相位谱；

(34)根据多径干扰指示来处理幅度分量；

(38)组合处理后的幅度谱和相位谱以获得频域输出；以及

(40)将频域输出转换到时域。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述处理包括时间上平滑功能。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述处理包括：当没有检测到多径干扰时利用第一时间常数的平滑功能，以及当检测到多径干扰时利用较长的第二时间常数的平滑功能。

11.如权利要求9所述的方法，其中，所述处理包括：当没有检测到多径干扰时利用第一时间常数的平滑功能，以及当检测到多径干扰时的固定功能，所述固定功能将幅度分量固定于检测到多径干扰之前的平滑后幅度分量的电平。

12.如权利要求8至11中任意一个所述的方法，包括：

接收指示多径干扰存在或不存在的二进制信号(det)，并且仅当指示存在多径干扰时处理幅度谱；或者

接收指示多径干扰电平的检测器信号，并且依赖于多径干扰电平来处理幅度谱。

13.如权利要求12所述的方法，包括：接收指示多径干扰电平的检测器信号，并且使用依赖于所述检测器信号的混合比来混合幅度谱和处理后的幅度谱。

14.一种包括代码装置的计算机程序，当在计算机上运行所述代码装置时实现权利要求8至13中任意一个所述的方法。