DE19818609A1

DE19818609A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Geräuschfilterung mit Bypass-Faktor

Info

Publication number: DE19818609A1
Application number: DE1998118609
Authority: DE
Inventors: Rainer Zelinski
Original assignee: Deutsche Telekom AG
Current assignee: Deutsche Telekom AG
Priority date: 1998-04-20
Filing date: 1998-04-20
Publication date: 1999-10-28
Anticipated expiration: 2018-04-21
Also published as: DE19818609C2

Abstract

Die bekannte Bypass-Funktion verringert gleichzeitig die irregulären Auswirkungen der Schätzfehler. Nachteilig ist jedoch, daß die erreichbare Geräuschdämpfung des Filters durch den Bypass alpha begrenzt ist. Eine Verringerung von alpha zur Erhöhung der Geräuschdämpfung würde aber eine Zunahme der unerwünschten Filter-Nebengeräusche hervorrufen, die infolge der zeitlichen Änderung des Geräuschfilters entstehen. Die Erfindung verfolgt die Aufgabe, die Filter-Nebengeräusche zu reduzieren und gleichzeitig ein ausreichend hohes Maß der Geräuschdämpfung zu gewährleisten. DOLLAR A Das Verfahren nach der Erfindung löst diese Aufgabe, indem der feste Wert alpha des Bypass-Faktors durch einen adaptiv gesteuerten Bypass-Faktor alpha(w) ersetzt und durch einen zusätzlichen Dämpfungsfaktor beta(w) ergänzt wird, wobei die Steuergröße w entsprechend der Wahrscheinlichkeit des Vorhandenseins eines Sprachsignals gebildet wird, so daß eine Übertragungsfunktion DOLLAR F1 bestimmt wird. DOLLAR A Anwendungsgebiet der Erfindung sind Freisprechsysteme aller Art; insbesondere solche, die geräuschvolle Umgebung berücksichtigen müssen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der im Oberbe griff des Patentanspruchs 1, und auf eine hierzu geeignete Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 3 näher bezeichneten Art. Ein derartiges Geräuschfilter ist von K. Janse, W. Kellermann, Ch. Knibbeler, R. Martin und P. Vary mit dem Titel "A Noise Reduction System for Automobiles" zum 3. International Workshop on Acoustic Echo Control, Plestin les Grèves, 1993 vorgestellt worden.

Der Einsatz von Freisprechsystemen zur Sprachkommunikation erfordert oft eine zusätzliche Geräuschreduktion, wenn der Sprecher sich in lärmerfüllter Umgebung aufhält. Kern einer solchen Geräuschreduktion ist in der Regel ein zeitvariantes Geräuschfilter, das sich auf die aktuellen Kurzzeitspektren von Sprach- und Geräuschsignal einstellt. Bei der zeitlichen Änderung der Parameter des Geräuschfilters treten häufig unerwünschte und für den menschlichen Hörer sehr auffällige Nebengeräusche auf. In der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur zeitveränderlichen Einstellung des Geräuschfil ters beschrieben, das auf einem zusätzlichen adaptiv gesteu erten Bypass-Faktor beruht und nahezu frei von wahrnehmbaren Nebengeräuschen ist.

Das zeitvariante Geräuschfilter im Geräuschreduktionssystem wird bezüglich des Übertragungsverhaltens so eingestellt, daß wenig gestörte Frequenzbereiche im Sprachband bevorzugt und stärker gestörte Frequenzbereiche abgeschwächt werden. Das Geräuschfilter wird meist als Wiener-Filter realisiert (siehe: "Signalverarbeitungsverfahren zur Verbesserung der Sprachkommunikation über Freisprecheinrichtungen; Teil 3: Verfahren zur Geräuschreduktion", R. Wehrmann, R. Poltmann, H. Schütze und R. Zelinski; Der Fernmelde-Ingenieur, Heft 2 1995) und durch die Übertragungsfunktion

beschrieben. Hierbei sind f die Frequenz, Ps(f) das Leistungs dichtespektrum des Sprachsignals und Pn(f) das Leistungsdich tespektrum des Geräuschsignals. Die Spektren Ps(f) und Pn(f) müssen aus den verfügbaren Mikrofonsignalen geschätzt werden. Bei mehrkanaligen Geräuschreduktionsverfahren kann z. B. Ps(f) aus der Kreuzkorrelation der unterschiedlichen Mikrofonsigna le geschätzt werden. Bei einkanaligen Geräuschreduktionsver fahren und stationären Störsignalen ist eine Schätzung von Ps(f) möglich durch Differenzbildung zwischen den aktuellen beobachtbaren gestörten Sprachspektren und dem geschätzten Störspektrum Pn(f), welches in den Sprachpausen ermittelbar ist. Durchunvermeidbare Schätzfehler wird jedoch nicht das optimale Wiener-Filter berechnet, sondern ein fehlerhaftes Filter H(f). Die Fehlerstruktur ändert sich zeitlich und führt insbesondere bei schwachen Sprachsignalen (P_s(f) < P_n(f)) zu auffälligen, oft tonalen Nebengeräuschen ("Musical tones").

Eine Abmilderung dieser Nebengeräusche ist möglich durch Ein führung eines Bypass-Faktors a (siehe: "A Noise Reduction System for Automobiles", K. Janse, W. Kellermann, Ch. Knib beler, R. Martin und P. Vary ; 3. International Workshop on Acoustic Echo Control, Plestin les Grèves, 1993), so daß ein Geräuschfilter mit der modifizierten Bypass-Übertragungsfunk tion:

entsteht.

Der Faktor α liegt im Wertebereich 0 ≦ α < 1 und bewirkt mit zunehmendem Wert von α eine Abschwächung der Filterwirkung, also einen "Bypass". Diese Bypass-Funktion verringert gleich zeitig die irregulären Auswirkungen der Schätzfehler in Ps(f) und Pn(f), so daß deutlich weniger "Filter-Nebengeräusche" bei der Filterung des gestörten Sprachsignals mit dem Filter H_B(f) auftreten. Nachteilig ist jedoch, daß nun die erreich bare Geräuschdämpfung des Filters H_B(f) durch den Bypass α begrenzt ist. In Frequenzbereichen mit geringer Sprachlei stung, also Ps(f) « Pn(f), nähert sich die Übertragungsfunktion dem Wert H_B(f) = α. Eine Verringerung von α zur Erhöhung der Geräuschdämpfung würde jedoch gleichzeitig eine Zunahme der unerwünschten Filter-Nebengeräusche hervorrufen, die infolge der zeitlichen Änderung des Geräuschfilters entstehen.

Die Erfindung verfolgt die Aufgabe, die Filter-Nebengeräusche zu reduzieren und gleichzeitig ein hohes Maß der Geräuschdämpfung zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird mit dem im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Verfahren gelöst.

Eine vorteilhafte Weiterbildungsmöglichkeit des Verfahrens ist aus dem Kennzeichen des Unteranspruches 2 ersichtlich.

Eine Vorrichtung, die zur Lösung dieser Aufgabe geeignet ist, ist im Kennzeichen des Patentanspruchs 3 beschrieben.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungs beispiele näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen die:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Vorrichtung und

Fig. 2 eine vorteilhafte Ausgestaltung der Kennlinien.

Es ergeben sich folgende Vorteile und technische Unterschei dungsmerkmale gegenüber dem Stand der Technik:
Bei dem in der Erfindung beschriebenen Verfahren wird das Geräuschfilter H_B(f) nicht mit einem festen Wert von α, son dern mit einem adaptiv gesteuerten Bypass-Faktor α(w) einge stellt. Ergänzend wird das Filter H_B(f) in Serie geschaltet mit einem zusätzlichen Dämpfungsfaktor

β(w), 0 < β(w) ≦ 1.

Die Steuergröße w ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit, daß zum aktuellen Zeitpunkt tatsächlich ein Sprachsignal vorliegt (w → 1) und nicht etwa ein sprachfreies Störsignal (w → 0).

Die Steuergröße w kann bei Mehrkanal-Geräuschreduktionsver fahren z. B. aus einer Kohärenzanalyse von Mikrofonsignalpaa ren gewonnen werden. Bei einkanaligen Verfahren und statio närem Störgeräusch kann das Maß w z. B. aus dem Pegelanstieg des gestörten Eingangssignals gewonnen werden.

Für Werte w → 1, also sicheres Vorliegen eines Sprachsignals, wird β(w) → 1 gesetzt und α(w) genügend klein gewählt, um die gewünschte Störreduktion zu erreichen. Wenn aber das Störsi gnal dominiert, also w → 0, so wird für α(w) ein größerer Wert eingestellt, um die unerwünschten Filter-Nebengeräusche gering zu halten. Als Ausgleich wird dann jedoch für β(w) ein Wert β(w) < 1 eingestellt, um die gewünschte Störreduktion weiterhin zu gewährleisten.

Im Gegensatz zum bisherigen Stand der Technik ist es mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens möglich, eine deutlich höhere Geräuschdämpfung zu erzielen, ohne dabei die Filter- Nebengeräusche über die Wahrnehmbarkeitsgrenze hinaus anzuheben.

Bei der Blockchaltung nach Fig. 1 wird das gestörte Sprach signal x dem Geräuschfilter mit der Übertragungsfunktion H_B(f) zugeführt. Der Bypass-Faktor α(w) ist einstellbar und wird in der Stufe BS (Bypass-Steuerung) durch Auswertung des Wahrscheinlichkeitsmaßes w festgelegt. In der Stufe BS wird auch der Wert der Zusatzdämpfung β(w) bestimmt. Das Ausgangs signal aus dem Geräuschfilter H_B(f) wird mit dem Wert β(w) multipliziert und ergibt das störreduzierte Sprachsignal .

Die Kennlinien α(w) und β(w) sind innerhalb gewisser Grenzen frei wählbar; ein Ausführungsbeispiel dazu ist in Fig. 2 angegeben.

Das Gesamtsystem nach Fig. 1 mit adaptivem Bypass läßt sich durch die Übertragungsfunktion

beschreiben. In Frequenzbereichen mit geringer Sprachlei stung, also P_s(f) « P_n(f), nähert sich die Übertragungsfunk tion dem Wert H_AB(f) = α(w) β(w).

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Kennlinien nach Fig. 2 ergibt sich, wenn α(w) und β(w) mit der Nebenbedingung α(w).β(w) = constant festgelegt werden. Die erzielbare Ge räuschdämpfung in den Frequenzbereichen mit geringer Sprach leistung ist dann unabhängig von dem aktuell vorliegenden Wert w. Daraus ergibt sich für den subjektiven Höreindruck der positive Effekt, daß die Geräuschdämpfung stets gleich groß ist, unabhängig vom Pegel des Sprachsignals. Eine sonst störende Modulation des Restgeräuschpegels infolge der schwankenden Sprachsignalenergie wird durch die Nebenbe dingung α(w).β(w) = constant vermieden.

Claims

1. Verfahren zur Geräuschfilterung mit Bypass-Faktor α mit einem Wert zwischen 0 und 1, mit dem die Auswirkungen der Schätzfehler der Leistungsdichtespektren des Sprachsignals Ps(f) und des Geräuschsignals Pn(f) gemildert werden, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Wert α des Bypass-Faktors durch einen adaptiv gesteuerten Bypass-Faktor α(w) ersetzt und durch einen zusätzlichen Dämpfungsfaktor β(w) ergänzt wird, wobei die Steuergröße w entsprechend der Wahrscheinlichkeit des Vorhandenseins eines Sprachsignals gebildet wird, so daß eine Übertra gungsfunktion
bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt von Bypass-Faktor α(w) und zusätzlichem Dämp fungsfaktor β(w) als konstant festgelegt wird.

3. Vorrichtung zur Geräuschfilterung mit Bypass-Faktor- Bildung durch ein Geräusch-Filter H_B(f), dadurch gekennzeichnet, daß dem Steuereingang des Geräusch-Filters (H_B(f)) eine Bypass-Steuerungsstufe (BS) vorgeschaltet ist, die auch die Größe der Zusatzdämpfung bestimmt.