DE2719973C2

DE2719973C2 -

Info

Publication number: DE2719973C2
Application number: DE2719973A
Authority: DE
Inventors: Daniel Prof. Fort Collins Col. Us Graupe; G.Donald Chevy Chase Md. Us Causey
Original assignee: BIOCOMMUNICATIONS RESEARCH CORP CHEVY CHASE MD US
Current assignee: BIOCOMMUNICATIONS RESEARCH CORP CHEVY CHASE MD US
Priority date: 1976-05-04
Filing date: 1977-05-04
Publication date: 1988-03-10
Also published as: GB1579949A; DE2719973A1; NL7704922A; DK193577A; DK152633B; JPS53906A; US4025721A; JPS6031315B2; DK152633C

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und umfaßt ein zur Durchführung dieses Verfahrens bestimmtes adaptives Filter sowie eine Sprechverbindung und eine Hörhilfe.

Aus der Literaturstelle "Radio Engineering Handbook", McGraw-Hill 1959, Seiten 19-71 ist ein Rauschunterdrückungsverfahren bekannt, bei dem bei leisen Passagen die Bandbreite verringert wird. Hierbei geht es um das selbsttätige Herausfiltern bestimmter Geräuscharten aus Musik, wobei das Aufzeichnungsgeräusch als Motorlaufgeräusch bei niedrigen Frequenzen und als Kratzen bzw. Krachen im höheren oder hohen Frequenzbereich vorhanden ist. Wenn die Musik auf einem niedrigen Pegel wiedergegeben wird, erfolgt das Filtern bei niedrigen und hohen Frequenzen, um die Geräusche niedriger und hoher Frequenz auszufiltern. Wird die Musik mit einem hohen Pegel wiedergegeben, bei dem die Aufzeichnungsgeräusche übertönt werden, erfährt das Signal keine Dämpfung. Bei dieser bekannten Methode werden nicht Geräusche in einem beliebigen Bereich des Spektrums behandelt, sondern nur Geräusche in dem Bereich, für den die entsprechende Einrichtung ausgelegt ist. Ferner wird bei einem derartigen bekannten Verfahren bzw. einer solchen bekannten Einrichtung die vorherige Kenntnis der Natur der zu eliminierenden Geräusche benötigt.

Des weiteren ist aus der Literaturstelle "Internationale Elektronische Rundschau" 28 (1974), Heft 3, Seiten 45-49 bekannt, die Bewertungsfunktion eines Filters so zu wählen, daß das Rauschen herausgefiltert wird. Zu diesem Zweck wird das mittlere Quadrat der Abweichung des Ausgangssignales vom unverrauschten Nutzsignal minimiert. Weist das Nutzsignal Pausen auf, ist eine derartige optimale Einstellung des Filters besonders einfach zu erhalten, da es dann lediglich erforderlich ist, das Ausgangsrauschen zu minimieren. Ein derartiges bekanntes Filter ist ein Kalman-Filter, bei dem die Parameter des Signals und des Geräusches von vornherein bekannt sein müssen. Fehlt eine derartige Kenntnis der Parameter des Signals und des Geräusches, ist ein wirksamer Betrieb des Kalman-Filters nicht möglich. Die Notwendigkeit der Kenntnis des Geräusches und Signales zur Erzielung der gewünschten Filterung in einem derartigen bekannten Filter ergibt sich aus den Gleichungen 4, 5, 14 und 22 der vorgenannten Literaturstelle, so daß der Fachmann hieraus die Lehre entnimmt, wie ein Kalman-Filter aufgebaut und eingesetzt werden kann, wenn die Natur des Informationsinhaltes und des Geräusches vorbekannt ist.

Umgebungsgeräusche werden häufig von Personen mit einwandfreiem Gehör ertragen; solche Geräusche sind in der Regel lediglich unbequem und führt zu einer schlechteren Sprachverständigung. Für Personen mit nicht einwandfreiem Gehör, die eine Hörhilfe mit einem festen Frequenzspektrum haben, sind Umgebungsgeräusche jedoch häufig außerordentlich störend und führen oft dazu, daß diese Personen die Sprache nicht mehr verstehen und durch derartige Geräusche körperlichen Schmerz empfinden.

Umgebungsgeräusche können wie folgt klassifiziert werden:

(1) Geräusche verhältnismäßig kurzer Dauer, z. B. das Klappern von Schuhen beim Gehen oder das Stapeln von Tellern,
(2) Geräusche verhältnismäßig langer Dauer mit nahezu stationären Spektraleigenschaften, z. B. Geräusche, die durch vorbeifahrende Autos, Züge und Flugzeuge oder durch laufendes Gebläse oder Maschinen verursacht werden, und
(3) Geräusche verhältnismäßig langer Dauer, denen stationäre spektrale Eigenschaften fehlen, z. B. Hintergrundgeräusche, Unterhaltung usw.

Die letzterwähnte Klasse von Geräuschen kann Sprache verdecken und verhindern, daß diese Sprache von dem Benutzer einer Hörhilfe verstanden wird, so daß derartige Geräusche außerordentlich störend sind. Diese Art von Geräuschen greift das Ohr des Benutzers nicht in gleicher Weise an wie scharfe Geräusche und nahezu stationäre Geräusche verhältnismäßig langer Dauer.

Eine brauchbare Lösung dieses Problems harter bzw. knackender Geräusche wird dadurch erzielt, daß in der Schaltung der Hörhilfe eine automatische Verstärkungssteuerung eingebaut wird, die auf ein plötzliches lautes Knacken durch automatisches Reduzieren der Lautstärke während der Dauer des Knackens anspricht, so daß dieses Knacken am Eingang in das Ohr des Benutzers unterdrückt wird. Damit wird jedoch nicht nur das knackende Geräusch, sondern auch jede weitere Wahrnehmung, die gleichzeitig mit dem Knacken auftritt, beseitigt. Weil diese Verstärkungsreduzierung jedoch sehr kurz ist, bleibt die Verständlichkeit von Sprache erhalten, und das Ohr hat die Fähigkeit, eine relativ kurze Informationsunterbrechung zu überbrücken.

Bei nahezu stationären Geräuschen verhältnismäßig langer Dauer von mindestens mehreren Sprachintervallen mit dazwischen auftretenden Pausen ist eine derartige Lösung jedoch nicht brauchbar. Der Ausdruck "nahezu stationäre Geräusche relativ langer Dauer von mindestens mehreren Sprachintervallen mit dazwischen auftretenden Pausen", der nachstehend abgekürzt mit "Geräusche der beschriebenen Art" verwendet wird, bezieht sich auf Geräusche mit bestimmten Zeit- und Spektraleigenschaften, deren Frequenzspektrum sich mit der Zeit nicht oder nur innerhalb sehr geringer Grenzen ändert. Die minimale Dauer von Geräuschen dieser Art ist somit erheblich länger als Intervalle normaler Sprache, die zwischen Sprechpausen auftreten.

Aufgabe der Erfindung ist es, das eingangs genannte Verfahren und ein nach diesem Verfahren arbeitendes Filter so weiterzubilden, daß nahezu stationäre Geräusche mit einer Dauer von mindestens mehreren Sprachintervallen mit dazwischen auftretenden Pausen aus Sprache ausgefiltert werden, um Sprache in mit Geräuschen behafteter Umgebung verständlich bzw. verständlicher zu machen, ohne daß eine vorherige Kenntnis der Natur der zu eliminierenden Geräusche erforderlich ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mit einem Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen in Anspruch 1 bzw. mit einem Filter mit den kennzeichnenden Merkmalen in Anspruch 2 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Eine ein adaptives Filter nach der Erfindung enthaltende Einrichtung weist zwei Hauptbestandteile auf, nämlich eine Erkennungsschaltung und eine adaptive Filterschaltung. Die Erkennungsschaltung führt einen Parameteridentifizieralgorithmus durch, der die Parameter des Eingangssignales identifiziert. Eine solche Identifizierung wird in Zeitintervallen ausgeführt, die wesentlich kleiner sind als das kleinste Sprachintervall oder die Pause zwischen Sprachintervallen, die bei normaler Sprache voraussichtlich auftreten.

Die identifizierten Parameter werden in regulären Intervallen geprüft, um festzulegen, ob sie die Kriterien erfüllen, daß sie als stationär oder nahezu stationär betrachtet werden. Wenn die Kriterien erfüllt sind, bewirkt die Erkennungsschaltung, daß bestimmt wird, ob die Geräusche bei Fehlen von Sprache, d. h. während eines Pausenintervalles, auftreten. Wenn die Geräusche während einer Pause auftreten, werden die identifizierten Parameter dem adaptiven Filter zugeführt, dessen charakteristische Eigenschaften dadurch den Geräuschen angepaßt werden, und das Eingangssignal wird auf den Filterausgang geschaltet. Die adaptive Filterschaltung dient nicht nur zum Ausfiltern der Geräusche im Eingangssignal während des nachfolgenden Sprachintervalles, sondern auch zur Bestimmung, ob die Geräusche während eines Sprachintervalles, d. h. bevor eine Pause auftritt, beendet worden sind. Wenn eine Beendigung der Geräusche während eines Sprachintervalles auftritt, wird das Eingangssignal im Nebenschluß zum Filter gelegt und seine Arbeitsweise eingestellt, bis bevorstehende, eine Pause enthaltende Geräusche der beschriebenen Art angezeigt werden.

Die durch die Erkennungsschaltung identifizierten Parameter können zu anderen Zeiten als Pausen, in denen Geräusche enthalten sind, gespeichert und durch das adaptive Filter zu anderen Zeiten verwendet werden.

Ein adaptives Filter gemäß der Erfindung muß rechnerisch leistungsfähig und schnell sein und kann aus an sich bekannten digitalen Bauelementen aufgebaut sein. Während viele Anwendungsfälle nach der Erfindung nicht in bezug auf Größe, Gewicht oder Kosten begrenzt sind, erfordert die Anwendung der Erfindung auf Hörhilfen den Einsatz der Mikrocomputertechnik. Ein derart konstruiertes adaptives Filter kann elektrisch mit einer herkömmlichen, im Ohr getragenen Hörhilfe gekoppelt sein. Andererseits kann das adaptive Filter nach der Erfindung von dem Benutzer in der Tasche getragen und mit einer Höhrhilfe über Draht oder drahtlos verbunden sein.

Das adaptive Filter nach der Erfindung ist auch generell auf andere Arten von Sprachübertragungssystemen anwendbar, die bei Vorhandensein von Umgebungsgeräuschen hohen Pegels, die nahezhu stationär sind, arbeiten. Beispiele für derartige Systeme sind die Sprachübertragung vom Maschinenraum zur Brücke an Bord eines Schiffes oder die Sprachübertagung der Mannschaft untereinander an Bord eines Hubschraubers oder in einem Panzerfahrzeug.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer adaptiven Hörhilfe nach der Erfindung, die in Verbindung mit einer Sprachübertragung in Form einer herkömmlichen Hörhilfe verwendet wird,

Fig. 2 ein Zeitfolgediagramm, das eine typische Beziehung zwischen dem Auftreten von Geräuschen der beschriebenen Art und einem Sprachschema darstellt,

Fig. 3 ein Blockdiagramm, das die Funktionsbeziehung zwischen den wesentlichen Bestandteilen einer adaptiven Hörhilfe nach der Erfindung angibt,

Fig. 4a und 4b Teile eines detaillierten Blockschaltbildes einer Ausführungsform des adaptiven Filters nach der Erfindung, und

Fig. 5 eine Gesamtdarstellung der Teilblockdiagramme nach den Fig. 4a und 4b.

Ein in Fig. 1 mit 10 bezeichnetes adaptives Filter nimmt ein Eingangssignal auf, das Umgebungsgeräusche einschließlich Geräuschen der beschriebenen Art, d. h. Geräuschen mit mindestens einer Dauer von mehreren Sprachintervallen mit dazwischen auftretenden Pausen, sowie Sprache enthält, die additiv im Wandler 11, z. B. einem Mikrophon, kombiniert werden. Das Eingangssignal wird dem Filter 10 zugeführt, das in der nachstehend beschriebenen Weise arbeitet, um Geräusche der beschriebenen Art aus dem Eingangssignal auszufiltern und ein gefiltertes Signal an ein Übertagungssystem zu geben, das einen Verstärker und einen Lautsprecher enthält; dieses System ist als Hörhilfe 13 dargestellt. Der Ausgang aus der Hörhilfe wird dem Ohr eines Benutzers zugeführt, der somit in der Lage ist, den Nachrichtengehalt im Sprachteil des Eingangssignales weitgehend unbeeinflußt von dem Vorhandensein von Geräuschen der beschriebenen Art zu verstehen.

Das Filter 10 kann räumlich in die Hörhilfe 13 eingebaut sein, es kann jedoch auch von der benutzenden Person getragen und mit der Hörhilfe über Draht oder drahtlos verbunden werden.

Die Beziehung zwischen Geräuschen der beschriebenen Art und Sprache ist in Fig. 2 dargestellt. Sprache ist durch eine Reihe von getrennten Sprachintervallen gekennzeichnet, die einen einzelnen Ton, ein Wort oder eine Gruppe von Tönen oder Wörtern enthalten, welche von einem Individium gesprochen werden. Zwischen solchen Intervallen sind Pausen vorhanden, die keinen Nachrichtengehalt haben und die Geräusche der beschriebenen Art enthalten können oder auch nicht, abhängig von Faktoren, die von dem Nachrichtengehalt in den Sprachintervallen, welche einer Pause vorausgehen oder auf sie folgen, unabhängig sind.

Das Filter 10 , das in Fig. 3 gezeigt ist, weist zwei Hauptbestandteile auf, nämlich die Erkennungsschaltung 15 weist eine Parameteridentifizierschaltung 17 zum Identifizieren der Parameter des Einangssignales und einen Diskriminator 18 zur Prüfung der identifizierten Parameter auf, um festzustellen, ob sie die vorbestimmten Kriterien in bezug auf stationäres Auftreten erfüllen. Die Parameteridentifizierung wird vorzugsweise unter Verwendung einer Zeit-Serien-Identifizierung, z. B. einer autoregressiven Modellidentifizierung oder einer autoregressiven Modellidentifizierung mit beweglichem Mittelwert, wie in der Literaturstelle (1) von D. Graupe "Identification of Systems", Krieger Publishing Company, Huntington, N.Y., 1976, dargestellt, durchgeführt. Andererseits kann die Parameteridentifizierung durch spektrale Identifizierung, basierend auf einer Transformation des Zeit-Serien-Identifiziermodelles in den Frequenzbereich unter Verwendung der Fouriertransformationsvorgänge erfolgen. Wenn die Zeit-Serien-Identifizierung eine autoregressive Modellidentifizierung ist, kann die Transformation in den Frequenzbereich unter Verwendung der Lehre nach der Literaturstelle (2) von E. Parzen, IEEE Trans. an Auto Control, Dezember 1974 durchgeführt werden.

Unter dem Einfluß der Takteingabe 19 erfolgt die Parameteridentifizierung periodisch bei aufeinanderfolgenden Identifizierintervallen, die wesentlich kürzer sind als das kürzeste Signal von Sprache oder Pause zwischen Sprachintervallen, die bei normalen Sprachschemen auftreten. Identifzierversuche zeigen, daß die autoregressiven Modellparameter der Sprache üblicherweise mit Intervallen von etwa 0,05 sec. variieren. Aus diesem Grund beträgt die bevorzugte Prüfperiode etwa 0,1 sec., es können jedoch auch andere Perioden verwendet werden. Aus diesem Grund ist die Taktgeschwindigkeit als einstellbar angegeben. Die Prüfintervalle sind Unterintervalle der Sprach- und Pausenintervalle, wie in Fig. 2 gezeigt.

Der Diskriminator 18 prüft Änderungen in den identifizierten Parametern über eine Anzahl von Identifzierintervallen, die durch den Eingang 20 in den Diskriminator ausgewählt werden, um festzulegen, ob die identifizierten Paramter stationär sind. Während eines Sprachintervalles ändern sich die Identifizierparameter wesentlich über eine Anzahl von Identifizierintervallen unabhängig davon, ob Geräusche irgendeiner Art einschließlich Geräuschen der beschriebenen Art vorhanden sind; die identifizierten Parameter werden nicht als stationär betrachtet. Während einer Pause, die nur Geräusche der beschriebenen Art enthält, ändern sich die Parameter über eine Anzahl von Identifizierintervallen überhaupt nicht, oder aber die Änderung ist sehr gering. Änderungen innerhalb vorbestimmter Grenzen über eine vorbestimmte Anzahl von Identifizierintervallen ergeben die Kriterien, die bestimmen, ob die Parameter stationär sind und damit, ob eine Pause Geräusche der beschriebenen Art enthält.

Während einer Pause ohne Geräusche sind die Parameter Null, und der Ausgang 21 des Diskriminators 18, der durch das ODER-Gatter 22 gelangt, wirkt auf eine Steuervorrichtung 23, die den Anschluß C mit dem Anschluß A verbindet und ermöglicht, daß das Eingangssignal der Schaltung 16 in Nebenschluß liegt sowie am Eingang des Gatters 24 auftritt. Diese Verbindung wird solange aufrechterhalten, bis eine Pause enthaltende Geräusche der beschriebenen Art durch den Diskriminator 18 angezeigt werden. Wenn dies der Fall ist, sind die Parameter, die durch die Identifizierschaltung 17 identifiziert werden, charakteristisch für die Geräusche, und der Diskriminator 18 erzeugt einen Ausgang 25, der zuerst die Steuervorrichtung 23 beeinflußt und den Anschluß C mit dem Anschluß B verbindet, wodurch das Eingangssignal in die Schaltung 16 eingeführt wird. Der Ausgang 25 wirkt auch auf eine Übertragsschaltung 26, um den Übergang der identifizierten Parameter, welche charakteristisch für die Geräusche sind, auf den einstellbaren Parameterabschnitt des Filters 27 der Schaltung 16 zu bewirken. Die Filteranordnung 27 wird somit so eingestellt, daß sie die Frequenzen scharf dämpft, die die Geräusche darstellen, ohne daß andere Frequenzen in dem Eingangssignal in wesentlichem Maße beeinflußt werden.

Die Filteranordnung 27 ist vorzugsweise ein Domänenfilter mit minimaler Varianzzeit der in der Literaturstelle (3) von Sage und Melsa "Estimation Theory with Applications to Communications and Control", McGraw Hill, 1971 erwähnten Art. Beispielsweise kann das Filter ein erweitertes Kalman-Filter gefärbten Geräusches sein, wie in der Literaturstelle (3) beschrieben, oder es kann ein realisierbares Wiener-Filter sein, wie in den Literaturstellen (4) von N. Levenson and N. Wiener "Extrapolations, Interpolations and Smoothing of Stationary Time Series", MIT Press, 1964, und (5) von Y. Z. Tsypkin "Foundations of the Theory of Learning Systems", Academic Press, 1973, ausgeführt. Andererseits kann das Filter ein einstellbares Kerbfilter sein, wie es beispielsweise in den Literaturstellen (6) von M. Schwarz und L. Shaw "Signal Processing", McGraw Hill, 1975, und (7) von D. E. Johnson and J. L. Hilburn "Rapid Practical Design of Active Filters", John Wiley & Sons, 1975, beschrieben ist. Ein realisierbares Wiener-Filter nach Abschnitt 8.6 der Literaturstelle (5), bei dem die Autokorrelationsfunktion der Geräusche aus den autoregressiven Modellparametern der Geräusche unter Verwendung der Beziehung zwischen diesen Ausdrücken nach der Literaturstelle (1) berechnet werden kann, kann mit einer Modifizierung verwendet werden, derart daß der Fehlerwert direkt auf ein Minimum gebracht wird, damit eine raschere Filterung erzielt wird, als sie unter Verwendung des ursprünglichen Algorithmus nach Abschnitt 8.6 der Literaturstelle (5) erhalten wird.

Während des nächsten Sprachintervalles, das auf die angezeigte Geräusche enthaltende Pause folgt, bewirkt die Schaltung 16, daß die Geräusche im Eingangssignal ausgefiltert werden, während das Sprachsignal (vermindert um die Geräuschfrequenzen) weitgehend unbeeinflußt das Gatter 24 passieren kann. Diese Situation bleibt erhalten, wenn die Geräuschparameter im Parameterabschnitt der Filteranordnung bei Auftreten einer jeden Pause fortgeschaltet werden, bis die Geräusche enden. Wie im einzelnen nachstehend noch beschrieben, dient die Schaltung 16 nicht nur dazu, die Geräusche im Eingangssystem während Sprachvorgängen im Anschluß an die Anzeige von Pausen enthaltenden Geräuschen auszufiltern, sondern auch zur Bestimmung, ob die Geräusche während eines Sprachintervalles beendet worden sind.

Wenn die Geräuschbeendigungsschaltung 28 die Beendigung von Geräuschen während eines Sprachintervalles erkennt, bewirkt der Ausgang 29 eine Beeinflussung der Steuervorrichtung 23 über das ODER-Gatter 22, wobei der Anschluß C vom Anschluß B getrennt und mit dem Anschluß A verbunden wird, so daß das Eingangssignal direkt zum Ausgang des Gatters 24 gelangen kann. Somit umgeht das geräuschfreie Eingangssignal die Filteranordnung 27 während des Abgleiches des Sprachintervalles, innerhalb welchem die Geräusche beendet werden. Diese Anordnung eliminiert eine Störung, die das Filter eingeführt haben würde, nachdem die Geräusche beendet waren.

Der Ausgang 29 bewirkt auch eine Beendigung des Betriebes der Filteranordnung 27 und gibt den einstellbaren Parameterabschnitt frei. Die Filteranordnung ist somit bereit zur Aufnahme eines neuen Satzes von Parametern, wenn die nächste Pause Geräusche der beschriebenen Art enthält.

In den Fig. 4a und 4b, in denen der Anschluß A 1 mit dem Anschluß A 2 verbunden ist, usw., wird ein Sprachsignal s _k additiv mit einem Geräuschsignal der beschriebenen Art kombiniert, das mit n _k bezeichnet ist, damit ein Eingangssignal y _k = n _k+s _k erzielt wird. Das Eingangssignal wird der Erkennungsschaltung 15 A aufgegeben, das eine lineare Verzögerungsvorrichtung 30 mit einer Vielzahl von Anzapfungen 31 enthält, an welchen das Eingangssignal y _k zeitlich um das Intervall B verzögert erscheint. Betrachtet man die Zeitverzögerung B als Verzögerungsoperator, ergibt sich By _k ≡ y _{k -1}, B²y _k ≡ By _{k -1} = y _{k -2}, usw.

Die verzögerten Eingangssignale werden der Schaltung 32 aufgegeben, die die Varianz des Signals berechnet, und ferner der Schaltung 33, die kontinuierlich die Parameter identifiziert, die charakteristischen Eigenschaften des Eingangssignales zugeordnet sind. Die Schaltung 32 prüft die Analogeingänge und berechnet die Varianz (d. h. die Summe der Quadrate der Amplitude des Eingangssignales in jedem Augenblick der Prüfung, was nachstehend als geprüfte Varianz bezeichnet wird), und gibt sie an einen Schwellenwertdetektor 34. Wenn die Varianz den Grenzwert des Schwellenwertdetektors 34 nicht übersteigt, muß das Eingangssignal in diesem Augenblick eine Pause ohne Geräusche der beschriebenen Art repräsentieren. Ein Eingang aus der Leitung 35 des Detektors 34 dient somit zum Öffnen des Gatters 36, wodurch das Eingangssignal y _k in das ODER-Gatter 37 gelangen kann, deren Ausgang beispielsweise einer Hörhilfe aufgegeben wird. In diesem Fall wird das Eingangssignal direkt der Hörhilfe aufgegeben und umgeht die anderen Bestandteile des adaptiven Filters.

Ein Ausgang aus der Leitung 38 des Detektors, der auftritt, wenn die Varianz den Schwellenwert des Detektors 34 übersteigt, tritt auf, wenn das Eingangssignal in diesem Augenblick entweder eine Pause enthaltende Geräusche der beschriebenen Art oder Sprache (mit oder ohne Geräusche) darstellt. Ein Ausgang auf der Leitung 38 wird einem Gatter 39 wie auch UND-Gattern 40, 41 der adaptiven Filterschaltung 16 a aufgegeben. Das Gatter 39 richtet das Eingangssignal y _k in ein erweitertes Kalmanfilter 42. Anstatt dieser Art von Filtern kann der Block 42 ein einstellbares Kerbfilter oder ein Wiener-Filter nach Abschnitt 8.6 der Literaturstelle (5) enthalten. Die beiden letzteren Filter erfordern nur die Geräuschparameter (α n) für ihre Einstellung. Somit sind der Block 46 und die Gatter 45 und 47 in solchen Fällen nicht erforderlich.

Der Ausgang des Filters 42 wird dem ODER-Gatter 37 aufgegeben. Der Eingang in dieses Filter ist somit das Eingangssignal, das Geräusch der beschriebenen Art, oder Sprache enthält, die Geräusche der beschriebenen Art enthalten kann oder auch nicht.

Die Parameteridentifiziereinrichtung 33 nimmt die angezapften Signale y _k′ y_{k -1} usw. auf und erzeugt eine Vielzahl von Ausgängen, von denen einer jedem Parameter α _y (B) entspricht. Die Schaltung 43 testet die Parameter, ob sie stationär sind. Wenn die Parametereinstellung stationär ist (d. h. sich über mehrere Identifizier-Zwischenspiele nicht ändert) oder wenn die Parametereinstellung sich innerhalb vorgegebener Grenzen über ein festes Zeitintervall ändert, kann das Eingangssignal y _k nicht Sprache enthalten. Das Eingangssignal muß deshalb eine Geräusche der beschriebenen Art enthaltende Pause sein, wenn die Varianz den Schwellenwert des Detektors 34 übersteigt. Wenn somit das UND-Gatter 40 einen Ausgang hat, muß das Eingangssignal y _k eine Geräusche der beschriebenen Art enthaltende Pause sein. Der Ausgang des Gatters 40 bewirkt, daß die Geräuschparameter, die von der Identifiziereinrichtung 33 berechnet sind, im Pufferspeicher 43 gespeichert werden, wo sie für ihre Verwendung im Kalmanfilter 42 bereit sind.

Wenn andererseits das UND-Gatter 41 einen Ausgang besitzt, der dann, wenn α _y (B)-Parameter nichtstationär sind, und wenn gleichzeitig die Prüfvarianz von y _k den Schwellenwert des Detektors 34 übersteigt, der die Sprache darstellt, und der Gatter 45 geöffnet wird, um die Geräuschparameter α _n aufzugeben, die charakteristisch für Geräusche der beschriebenen Art sind, welche innerhalb des vorausgehenden Pausenintervalles auftreten, der Computerschaltung 46 zugeführt werden, die die Sprachparameter α _s aus den Geräuschparametern α _n berechnet, welche im Puffer 44 gespeichert sind, sowie die Eingangsparameter α _s, die laufend durch die Identifiziervorrichtung 33 identifiziert werden, werden letztere Parameter dem Rechner 46 über das Gatter 47 aufgrund des gleichen Ausganges der Schaltung 43 aufgegeben, der auf das Gatter 41 aufgegeben wird. Es ist dabei zu erwähnen, daß die a _s-Parameter nicht als Eingänge zum Block erforderlich sind, wenn letzterer ein Wiener-Filter nach Abschnitt 8.6 der Literaturstelle (5), oder aber ein einstellbares Kerbfilter ist.

Da das Filter 42 mit den Geräuschparamteren ausgestattet ist, die während eine Geräusche der vorbeschriebenen Art enthaltenden Pause erhalten werden, und da der übrige Teil der Parameter dieses Filters (wenn ein erweitertes Kalmanfilter im Block 42 verwendet wird) aus einem Sprachintervall erhalten werden, das einer Geräusche enthaltenden Pause folgt, und fortlaufend während des Sprachintervalles fortgeschaltet werden, enthält der Ausgang des Filters 42 die Schätzung die Auswertung _k des Sprachsignales s _k. Eine derartige Auswertung des Sprachsignales steht am Ausgang des ODER-Gatters 37 zur Verfügung. Wenn der Block 42 ein erweitertes Kalmanfilter enthält, sind sowohl die Geräuschparameter α _n, die während der letzten geräuschenthaltenden Pause erzielt werden, und die laufend identifizierten Eingangsparameter α _y erforderlich, um das Kalmanfilter einzustellen. Die Einstellung für dieses Filter erfolgt nach Abschnitt 12.8 der Literaturstelle (1), wobei die erweiterte Form eines solchen Filters berücksichtigt wird. Somit erfordert die Einstellung des erweiterten Kalmanfilters die Parameter α _s und die Parameter a _n (α _s wird aus α _y und α _x berechnet) zur Einstellung. Das Wiener-Filter nach Abschnitt 8.6 der Druckschrift (5) einzustellen oder aber ein Kerbfilter einzustellen, ist nur α _n erforderlich.

Wenn Geräusche der beschriebenen Art über das gesamte Sprachintervall andauern, wird der vorbeschriebene Zustand von Vorgängen fortgesetzt, bis eine Pause auftritt, die Geräusche der beschriebenen Art enthält.

Wird das Filter 42 mit dem Eingangssignal aufgrund des Zustandes des Gatters 39 gespeist, und enden die Geräusche während einer Pause, wird das Gatter 39 geschlossen, weil der Ausgang auf der Leitung 48 verschwindet, und das Eingangssignal wird dem ODER-Gatter 37 über das Gatter 36 aufgrund der Einleitung eines Ausganges aus der Leitung 35 aufgegeben. Dies wird fortgesetzt, bis eine Pause auftritt, die Geräusche der beschriebenen Art enthält. Derartige Geräusche können durch ähnliche oder andere Parameter charakterisiert sein.

Wenn die Geräusche während eines Sprachintervalles enden, wird der Betrieb des Filters 42 in Abhängigkeit von einer Änderung in der Zustandsfehler-Kovarianz-P-Matrix des Kalmanfilters (vgl. Abschnitt 8.1 der Druckschrift (3)) und in Abhängigkeit von einem plötzlichen Abfall in der Prüfkovarianz des Eingangssignales beendet. Die Schaltung 50 (die fehlt, wenn der Block 42 nicht auf einem erweiterten Kalmanfilter basiert) berechnet die P-Matrix, die eine Auswertung der Kovarianz der Differenz zwischen dem Sprachsignal s _k und der besten Auswertung des Sprachsignales s _k ist, wenn letzteres Geräusche enthält. Die Detektorschaltung 51 hat einen Ausgang, wenn der Schwellenwert, der im Detektor 41 eingestellt ist, überschritten wird. Zusätzlich berechnet die Schaltung 52 die Änderung in der Prüfvarianz des Ausganges der Schaltung 32, und der Schwellenwertdetektor 53 bestimmt, wann die Änderung in der Varianz plötzlich fällt. Die Koinzidenz dieser Ereignisse ergibt einen Ausgang auf das Gatter 54, der zum Freimachen des Pufferspeichers 44 und zur Beendigung der Filterwirkung des Filters 42 dient. Gleichzeitig wird das Gatter 50 geöffnet, damit das Eingangssignal zum ODER-Gatter 37 gelangen und das Filter 42 umgeben kann.

Andererseits kann die Beendigung der Geräusche der beschriebenen Art während eines Sprachintervalles angezeigt werden, falls die Prüfvarianz des Eingangs y _k plötzlich fällt, sofern der Filterausgang nicht gleichzeitig fällt.

Letztere Anordnung ist alternativ zu der nach den Fig. 4a und 4b und wird mit einem erweiterten, diskreten Wiener-Filter verwendet, oder aber es wird ein Korbfilter bei 42 anstelle des erweiterten Kalmanfilters eingesetzt. Wird ein Kerbfilter verwendet, werden ein oder mehrere Kerben vorbestimmter Tiefe vorgesehen. In einem solchen Fall wird die Kerbe oder werden die Kerben so eingestellt, daß sie in dem Frequenzbereich auftreten, in welchem die Geräusche der vorbeschriebenen Art als hauptsächlich konzentriert identifiziert werden, entweder über ein Zeitserien-Identifiziermodell, das auf ein Frequenzmodell transformiert wird, oder über eine direkte Frequenzspektrumanalyse des Geräuschsignales auf der Basis einer Fouriertransformation. Die spektrale Auswertung kann direkt auf das autoregressive Modell bezogen sein, wenn eine Identifizierung im Zeitbereich durchgeführt wird, indem Spektralauswertungen (minimaler Entropie) verwendet werden, wie in der Literaturstelle (2) angegeben. Unabhängig davon, welches Verfahren verwendet wird, um das Modell für die Geräusche oder den Kerbbereich für das Kerbfilter zu erzielen, können sowohl das Modell als auch der Kerbbereich in Abhängigkeit von der Zeit verändert werden, solange die Änderungen in den Geräuschen graduell sind oder sich in Abhängigkeit von der Zeit nur unwesentlich ändern.

Claims

1. Verfahren zum adaptiven Filtern von nahezu stationären Geräuschen mit einer Dauer von mindestens mehreren Sprachintervallen mit dazwischen auftretenden Pausen aus einem Sprachsignal, dadurch gekennzeichnet,

a) daß die Parameter, die die charakteristischen Eigenschaften eines Geräusche und Sprache enthaltenden Eingangssignales darstellen, periodisch identifiziert werden,
b) daß das Auftreten von Pausen, die Geräusche zwischen Sprachintervallen enthalten, angezeigt wird,
c) daß die Kenngrößen eines Filters auf solche Parameter eingestellt werden, die in Abhängigkeit von der Anzeige einer Geräusche enthaltenden Pause identifiziert werden, und
d) daß das Eingangssignal bis zur Beendigung der Geräusche durch das Filter geführt wird, nachdem die Geräusche enthaltende Pause angezeigt worden ist.

2. Adaptives Filter zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

a) einen Diskriminator (18) zum periodischen Identifizieren des Parameters, der die charakteristischen Eigenschaften eines Geräusche und Sprache aufweisenden Eingangssignales darstellt, und zum Anzeigen von Pausen, die Geräusche zwischen Sprachsignalen enthalten,
b) eine Filteranordnung ( 27) mit einstellbaren Kenngrößen,
c) eine Steuervorrichtung (23), die auf die Anzeige der Geräusche enthaltenen Pause anspricht, um die Kenngrößen der Filteranordnung auf die identifizierten Parameter einzustellen, und um das Eingangssignal durch die Filtervorrichtung zu führen, nachdem die Geräusche enthaltende Pause angezeigt worden ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

a) daß das Auftreten von Pausen ohne das Geräusch zwischen Sprachsignalen angezeigt wird und
b) daß das Eingangssignal während dieses Sprachintervalles, das auf die angezeigte Pause ohne Geräusch folgt, in Nebenschluß zum Filter geschaltet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal in Nebenschluß zum Filter in Abhängigkeit von der Beendigung des Geräusches innerhalb einer Pause zwischen Sprachintervallen geführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal in Nebenschluß zum Filter in Abhängigkeit von der Beendigung des Geräusches während eines Sprachintervalles geführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameteridentifizierung eine Zeitreihen-Identifizierung ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameteridentifizierung eine Autoregressions-Modellidentifizierung ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameteridentifizierung eine Autoregressions-Modellidentifizierung mit sich änderndem Mittelwert ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameteridentifizierung eine spektrale Identifizierung ist und die Frequenzdomäne dadurch erzielt wird, daß das Eingangssignal transformiert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameteridentifizierung durch spektrale Identifizierung eines Zeitreihen-Modells vorgenommen wird, die auf der Durchführung ihrer Fourrier-Transformation basiert.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameteridentifizierung durch spektrale Identifizierung eines Zeitreihen-Modells durchgeführt wird, die auf einer Transformation des Modells in ein Frequenzdomänenmodell basiert.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameteridentifizierung ein Autoregressions-Modell verwendet, das in ein Frequenzdomänenmodell transformiert wird.

13. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Diskriminator (18) Pausen ohne Geräusch anzeigt und daß die Steuervorrichtung (23) auf die Anzeige einer Pause ohne Geräusch anspricht, damit das Eingangssignal in Bypass zum Filter gelegt wird.

14. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (22) auf die Beendigung des Geräusches während einer Pause anspricht, damit das Eingangssignal in Nebenschluß zur Filteranordnung (27) gelegt wird, und damit die Filteranordnung zur Aufnahme eines neuen Satzes von Kenngrößen vorbereitet wird.

15. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Diskriminator (18) eine Einrichtung (32) zur Berechnung der abgetasteten Varianz des Eingangssignales aufweist und daß das adaptive Filter eine Einrichtung (34) enthält, die auf einen plötzlichen Abfall in der abgetasteten Varianz anspricht, damit das Eingangssignal in Nebenschluß zur Filteranordnung gelegt wird.

16. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter die Form eines erweiterten Kalman-Filters, nämlich eines Kalman-Filters mit bewertender Rauschmessung besitzt, bei welchem bestimmte Geräuschvektorelemente den Zustandsvektor erweitern.

17. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es die Form eines einstellbaren Kerbfilters, nämlich eines Kerbfilters besitzt, bei dem die Frequenzlage der Kerbe einstellbar ist.

18. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es die Form eines Wiener-Filters besitzt.

19. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es ein lineares Filter kleinsten Quadrates ist.

20. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es die Form eines erweiterten Kalman-Filters mit bewertender Rauschmessung hat.

21. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es die Form eines erweiterten Kalman-Filters besitzt und daß das adaptive Filter eine Einrichtung zur Berechnung der Kovarianz-Matrix P des Kalman-Filters sowie eine auf eine Schwellenwertzunahme im Wert der P-Matrix ansprechende Einrichtung aufweist, um das Eingangssignal in Bypass am Filter vorbei zu leiten.

22. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es die Form eines erweiterten Kalman-Filters besitzt und daß das adaptive Filter eine Einrichtung zur Berechnung der Kovarianz-Matrix P des Kalman-Filters, eine Einrichtung zur Berechnung der abgetasteten Varianz des Eingangssignales und eine auf einen plötzlichen Abfall der abgetasteten Varianz gleichzeitig mit einer Schwellenwertzunahme im Wert der P-Matrix ansprechende Einrichtung aufweist, um das Eingangssignal in Nebenschluß am Filter vorbei zu leiten.

23. Filter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Überwachung des Filterausganges vorgesehen ist, die anspricht, um einen der Ausgänge aufrechtzuerhalten, wenn die abgetastete Varianz plötzlich abnimmt, um das Eingangssignal am Filter vorbei zu leiten.

24. Sprechverbindung mit einer Filteranordnung nach Anspruch 2 in Verbindung mit einem durch Verstärker gesteuerten Lautsprecher, dessen Eingangssignal aus dem Ausgangssignal des Filters während des Auftretens der beschriebenen Geräusche abgeleitet ist.

25. Hörhilfe mit einem adaptiven Filter nach Anspruch 2 in Verbindung mit einer Hörhilfe, deren Eingang der Ausgang des Filters ist.

26. Hörhilfe nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das adaptive Filter räumlich in die Hörhilfe eingebaut ist.

27. Hörhilfe nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das adaptive Filter räumlich von der Hörhilfe getrennt, mit ihr jedoch über Draht gekoppelt ist.

28. Hörhilfe nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das adaptive Filter räumlich von der Hörhilfe getrennt, jedoch über Richtfunk damit gekoppelt ist.