SE518039C2 - Apparat och förfarande för ökning av förståeligheten av högtalarutmatning och för ekosläckning i telefoner - Google Patents

Description

20 25 'E'so 518 039 2 Det behövs en telefon som ökar förståeligheten av tal som utmatas av högtala- ren och som tillhandahåller kostnadseffektiv ekoslâckniiig.

KORT REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Föreliggande uppfinning år ett förfarande och en apparat som ökar förståelig- heten av tal som utmatas av en telefonhögtalare och som tillhandahåller ekoslâckning i en telefon. Föreliggande uppfinning kan utnyttjas i cellulåra radiotelefoner och fasta telefoner för att förbättra det tal som utmatas av en högtalare eller hörtelefonkapsel anordnad i mikrotelefonen eller i en hands-free- apparat såsom en taltelefon. En telefon enligt föreliggande uppfinning innefattar en förståelighetsförhöjare (Eng. intelligibility booster) för digital behandling av en talingångssignal för att generera en förståelighetsförhöjd signal som uppvi- sar en direkt signalkomponent samt en genklangssignalkomponent. En telefonhögtalare gensvarar på den förståelighetsförhöjda signalen och utmatar förståelighetsförhöjt tal motsvarande den förståelighetsförhöjda signalen. Tele- fonen innefattar vidare en ekoslåckare för digital behandling av en mikrofonsignal för att avlägsna eko som framställts av telefonhögtalarens talutmatning.

F örståelighetsförhöjaren innefattar en genklangssignalvâg för generering av en genklangssignal, en direkt signalvåg för utmatning av en direkt signal och en adderare för kombinering av genklangssignalen och den direkta signalen för att framställa den förståelighetsförhöjda signalen. Genklangssignalvägen innefattar en förståelighetsinformationsframhävare följd av en genklangsenhet. Förståe- lighetsinformationsframhävaren behandlar en talingångssignal digitalt med användande av ett högpassfilter och/ eller kompressorsteg. Förståelighetsinfor- mationsframhåvaren framhäver förståelighetsinformation av talet och utmatar en förståelighetstât signal som innefattar ett flertal sampel.

Genklangsenheten behandlar den förståelighetstâta signalen för att generera successiva sekvenser av viktade fördröjningssignaler. Genklangsenheten gene- rerar en sekvens av viktade fördröjningssignaler genom multiplicering av en lO 15 20 25 .TSG 518 039 3 sekvens av fördröjningssignaler med en sekvens av filterkoefficienter. Filterko- efficientsekvensen väljs ut så att amplituderna av en sekvens av viktade fördröjningssignaler viktas enligt ett exponentiellt avklingningsmönster som sträcker sig över en genklangsperiod. Sekvensen av viktade fördröjningssignaler uppvisar också ett exponentiellt ökande fördröjningsmönster genom att fördröj- ningsperioderna mellan successiva viktade fórdröjningssignaler ökar enligt ett i allmänhet exponentiellt mönster under genklangsperioden. Varje sekvens av viktade fórdröjningssignaler summeras för att framställa genklangssignalen.

Den direkta signalvägen behandlar ingångstalsignalen parallellt med gen- klangssignalvâgen och innefattar en dämpare för utmatning av en dämpad ingängssignal. Adderaren kombinerar sampel av den dämpade ingångssignalen med sampel av genklangssignalen för att framställa den förståelighetsförhöjda signalen som innefattar en genklangssignalkomponent innefattande en sekvens av viktade fördröjningssignaler, samt en direkt signalkomponent som bildas av den dämpade ingångssignalen. lngångstalsignalen dämpas i den direkta signal- vägen sa att den kombinerade effektnivän av den dämpade ingångssignalen och genklangssignalen (dvs. den förståelighetsförhöjda signalen) som utmatas av förstàelighetsförhöjaren ungefär är lika med effektnivån av den talingångssignal som inmatats till förstàelighetsförhöjaren. Följaktligen sä ökar behandlingen av förståelighetsförhöjaren inte högtalareffektnivån och hjälper till att förhindra högtalaren från överbelastning.

Högtalaren av telefonen utmatar en ljudtryckvåg, dvs. tal, i gensvar på den förståelighetsförhöjda signalen. Högtalarutrnatningen innefattar följaktligen en direkt komponent motsvarande den direkta ingångssignalen samt en artificiell - genklangskomponent motsvarande den genklangssignal som genereras av gen- klangssignalvägen. Den artificiella genklangskomponenten adderas ovanpå den direkta komponenten och adderar förståelighet till det tal som utmatas av hög- talaren.

Genklangskomponenten adderar förstàelighet till talutmatningen därför att den mänskliga hörselmekanismen "utjämnar" eller (medelvärdesbildar) inkomman- 10 15 20 25 . ”'30 , 518 039 de ljud över en genklangsperiod för att fastställa vad talet handlar om. I en optimal akustisk miljö för tal skapas en sekvens av fördröjningssignaler under en genklangsperiod när ett talljud utmatas i den akustiska miljön. Sekvensen av fördröjningssignaler som är associerad med talljudet uppvisar ett exponenti- ellt avklingningsmönster samt ett mönster med exponentiellt minskande fördröjningsperioder mellan successiva ekon under genklangsperioden. Gen- klangskomponenten resulterar i att den mänskliga hörselrnekanismen erhåller mer användbar ljudenergi i jämförelse med den ljudenergi som är tillgänglig enbart från den direkta (eller ursprungliga) signalen.

F örståeligheten av det tal som utmatas av en telefon enligt föreliggande uppfin- ning optimeras genom generering av en talutmatning som uppvisar en artificiell genklangskomponent som är parallell med det eko eller den genklang som ge- nereras av tal som utmatas i en optimal akustisk miljö. Mer bestämt innefattar talutmatningen en artificiell genklangskomponent som utgörs av successiva sekvenser av viktade fördröjningssignaler där de viktade fördröjningssignalerna av varje sekvens av viktade fördröjningssignaler uppvisar ett exponentiellt av- klingningsmönster och ett mönster med exponentiellt ökande fördröjnings- perioder mellan successiva ekon under genklangsperioden.

Genom utmatning av tal som uppvisar en artificiell genklangskomponent som har karakteristik som går parallellt med naturliga genklanger som skapats i ett optimalt akustiskt utrymme och som också är tät vad avser förståelighetsinfor- mation så låter det utmatade talet mer naturligt och innefattar mer för- ståelighetsinformation. Den ökade förståeligheten medger en telefonanvändare att bättre förstå tal som utmatas med en given effektnivä, i allmänhet, och i synnerhet när nivån av bakgrundsbrus är hög. Det utmatade talet har också tillräcklig identifikationsinformation för att få talet att låta naturligt, därför att, till skillnad från den artificiella genklangskomponenten, den direkta kompo- nenten inte behandlas för att framhäva förståelighetsinformation.

Ekosläckaren behandlar rnikrofoningångssignaler av en telefonmikrofon för att avlägsna ekosignaler som framställts av högtalarutmatningen. De ekosignaler 10 15 20 25 ëso 518 039 5 som framställs av högtalaren år en funktion av det okända system som bildas av den akustiska miljö som omger högtalaren såsom ekovägen i det inre av ett fordon eller det inre av en telefon. Ekosläckaren släcker den ekokomponent av mikrofonsignalen som år korrelerad med de ekon av högtalarutmatningen som framställs i den akustiska miljön. Ekokomponenten slåcks genom uttag (Eng. tapping) av talingångssignalen efter att talingängssignalen har behandlats av förståelighetsförhöjaren (dvs. uttag av den förståelighetsförhöjda signalen).

Ekosläckaren använder den förståelighetsförhöjda signalen vid slåckning av ekokomponenten av mikrofonsignalen. Genom uttag av talsignalen efter be- handling av förståelighetsförhöjaren så kan komplexiteten av ekosläckaren minimeras därför att det okändasysternet för ekosläckaren kan begränsas till den akustiska miljö som omger högtalaren.

I en alternativ utföringsform höjs förståeligheten av ingångstalsignalen också genom tillhandahållande av en vänster utgångskanal som leder till en vänster högtalare och en höger utgängskanal som leder till en höger högtalare. Den vänstra utgängskanalen innefattar en vänster genklangsenhet och den högra utgångskanalen innefattar en höger genklangsenhet. De vänstra och högra genklangsenheterna genererar var och en distinkta genklangskomponenter för att tillhandahålla ett pseudostereofält med extra rumslig information.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Fig. 1 är ett schematiskt diagram över en telefon enligt en föredragen utfö- ringsform av föreliggande uppfinning.

Fig. 2 är ett schematiskt diagram över förståelighetsförhöjaren enligt en före- dragen utföringsform av föreliggande uppfinning.

Fig. 3 visar ett diagram över frekvenssvaret för förståelighetsinformations- framhävaren enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen. 10 15 20 25 . ,3O ., 518- 039 6 Fig. 4 år en schematisk illustration över genklangssignalvâgen av förståelig- hetsförhöjaren enligt en föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning.

Fig. Sa visar ett första impulssvar av artificiell genklang som genererats av gen- klangsenheten enligt en föredragen utföringsform av föreliggande uppfmning.

Fig. Sb visar ett diagram över ett andra impulssvar av artificiell genklang som genererats av genklangsenheten enligt en föredragen utföringsform av förelig- gande uppfinning.

Fig. 6 år ett schematiskt diagram som visar ekoslâckaren enligt föreliggande uppfinning.

Fig. 7 år ett schematiskt diagram över en telefon enligt en alternativ föredragen utföringsform av uppfinningen.

Fig. 8 år ett schematiskt diagram över förståelighetslörhöjaren enligt en alter- nativ utföringsform av föreliggande uppfinning.

Fig. 9 visar ett irnpulssvar av artificiell genklang som genererats av den högra genklangsenheten och ett irnpulssvar av artificiell genklang som genererats av den vänstra genklangsenheten enligt en alternativ utföringsform av föreliggande uppfinning.

DETALJERAD BESKRIVNING AV DEN FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMEN Föreliggande uppfinning kommer nu att beskrivas mer fullständigt härefter med hänvisning till de medföljande ritningarna i vilka föredragna utföringsformer av föreliggande uppfinning visas. Uppfmningen kan emellertid utföras i många olika former och skall inte tolkas som begränsad till den utföringsform som beskrivs hår. Snarare tillhandahålls dessa utföringsformer så att denna be- skrivning skall vara grundlig och fullständig och så att den till fullo förmedlar uppfinningens omfattning till fackmannen inom området. Lika hânvisningssiff- ror hänvisar till lika element. 10 15 20 25 5.18 039 7 Med hänvisning till Fig. 1 visas en telefon 10 enligt en föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning. I den föredragna utföringsformen är telefonen 10 en cellulår radiotelefon som uppvisar en högtalare eller hörtelefonkapsel anordnad i en mikrotelefon. Telefonen 10 innefattar en konventionell sändare, RF-kretsar, och mottagare 12 för sändning och mottagning av talsignaler till och från en fjärrtelefon 14.

Mottagaren 12 tar emot en talsignal från fiärrtelefonen 14 och utmatar, efter normal demodulering, etc, en analog talingångssignal till en analog-till-digital (A/ D) omvandlare 16. A/ D-omvandlaren 16 omvandlar den analoga ingångs- signalen till en digital ingångssignal för digital behandling av en förståelighets- förhöjare 20. A/ D-omvandlaren 16 omvandlar den mottagna analoga ingångs- signalen till en digital ingångssignal genom sampling och kvantisering av den analoga ingångssignalen för att bilda en sekvens av sampel som representerar den analoga ingångssignalen. En typisk samplingshastighet för analoga signaler inom telekommunikation är 8000 sampel per sekund och samplen uppvisar typiskt en upplösning av 13 till 16 bitar.

Förståelighetsförhöjaren 20 implementeras genom en digital signalprocessor (DSP) 22 och genererar en förstäelighetsförhöjd signal som utmatas genom en högtalare 24 efter att ha passerat genom en konventionell digital-till-analog (D /A) omvandlare 26 och förstärkare 30. Högtalaren 24 utmatar ljudtryckvågor motsvarande den förståelighetsförhöjda signalen. Såsom visas i Fig. 1 utmatas ljudtryckvågorna in i ett akustiskt utrymme och ekon av ljudtryckvågorna fär- das längs en akustisk väg som leder till en mikrofon 32. Mikrofonen 32 producerar en mikrofonsignal som innefattar ekon av högtalarutmatningen.

Mikrofonsignalen inmatas till en konventionell förstärkare 34 och A/ D- omvandlare 36 för framställning av en digital mikrofonsignal lör behandling av ekoslåckaren 40. Ekosläckaren 40 implementeras genom en digital signalpro- cessor 22 och avlägsnar högtalareko från mikrofonsignalen. Såsom visas i Fig. l inmatas den förståelighetsförhöjda signalen som genererats av förståelighets- förhöjaren 20 in i ekosläckaren 40. Ekoslâckaren 40 använder den 10 15 20 Lao 518 039 8 förstäelighetsförhöjda signalen vid avlägsnande av högtalareko från mikrofon- ingängssignalen för att framställa en ekosläckt signal för utmatning till D /A- omvandlaren 42. D / A-omvandlaren 42 omvandlar den ekosläckta signalen till en analog utgångssignal för sändning av sändaren 12 till fjärrtelefonen 14.

Med hänvisning till Fig. 2 visas en schematisk illustration över förstäelighets- förhöjaren 20. En talingångssignal inmatas till förståelighetsförhöjaren 20 och behandlas i både en genklangssignalväg 41 och en direkt signalväg 43. Talin- gängssignalen bildas av en ström av sampel och betecknas som r(n), där n representerar ett sampel av den digitala ingångssignalen. Genklangssignalvägen 41 innefattar en förstäelighetsinformationsframhävare 44 följd av en genklangs- enhet 46 som tillsammans genererar en genklangssignal y(n) i gensvar på ingångssignalen r (n). Den direkta signalvägen 43 innefattar en dämpare 48 och genererar en dämpad ingängssignal W(n) i gensvar på ingångssignalen r(n). Den dämpade ingängssignalen W(n) är en direkt signal.

En adderare 49 kombinerar genklangssignalen y(n) och den dämpade ingångs- signalen W(n) för att generera den förståelighetsförhöjda signalen z(n).

Dämparen 48 av den direkta signalvägen 43 dämpar ingängssignalen r(n) un- gefär 0-3 dB.

Genklangssignalen y(n) genereras genom att först behandla ingångssignalen r(n) med användande av förstäelighetsinformationsframhävaren 44 anordnad i genklangssignalvägen 41. Förstäelighetsinformationsframhävaren 44 verkar för att framhäva förståelighetsinformation i talingångssignalen r(n) för att utmata . en förståelighetstät signal u(n). Förståelighetsinformationsframhävaren 44 implementeras i den föredragna utföringsformen genom ett högpassfilter. Fre- kvenssvaret för en föredragen förståelighetsframhävare 44 som implementerats genom ett högpassfilter visas i Fig. 3.

Högpassfiltret som visas i Fig. 3 tillhandahåller en låg gränsfrekvens pà ungefär l kHz. Följaktligen kommer den förståelighetstäta signalen u(n) att representera 10 15 20 25 '»so 518 039 9 talinformation som har ett frekvensintervall över 1 kHz. Det frekvensintervall som valts ut för framhävning genom högpassfiltret är ett högfrekvensintervall för tal som är tätt vad avser förståelighetsinformation. I telekommunikations- tillämpningar sträcker sig tal typiskt sett från 300Hz till 4kHz, men en stor del av förståelighetsinformationen i tal finns koncentrerad i ett högre frekvensinter- vall med början vid ungefär 1 kHz. I det lägre frekvensintervallet om 3OOHz till 1kHz så finns en hög koncentration av talidentifikationsinformation. Förståelig- hetsinformation i tal gör det möjligt för en lyssnare att fastställa vad talet rör sig om, medan identifikationsinformation gör det möjligt för en lyssnare att identifi- era den person som talar.

Förståelighetsíriformationsframhävaren 44 är utformad, när den implementeras genom ett högpassñlter, för att framhäva det höga eller förståelighetstäta fre- kvensintervallet för tal. Det förståelighetstäta frekvensintervallet av ingångs- signalen r(n) som valts ut för framhävning kan sträcka sig från ungefär 1 till 7kl-lz, och i den föredragna utföringsforrnen från cirka 1 till 3,2kHz. Framhäv- ning av det förståelighetstäta frekvensintervallet av ingångssignalen r(n) ökar mängden av förståelighetsinfonnation i förhållande till identifikationsinforma- tionen av den förståelighetstäta signalen u(n). Identifikationsinformationen för den förstäelighetstäta signalen u(n) offras för att tillhandahålla ökad förståelig- het för den förståelighetstäta signalen u(n) och på motsvarande sätt genklangs- signalen y(n).

Förståelighetsinforrnationsframhävaren 44 kan också implementeras genom ett kompressorsteg som förstärker lågamplitudkomponenterna och dämpar hög- amplitudkomponenterna av talingångssignalen r(n). Detta resulterar i en fram-. hävning av förståelighetsinformationen för talet därför att lågamplitud- komponenterna av talet är täta på förståelighetsinformation och högarnplitud- komponenterna av talet år täta på identifikationsinformation. Förståelighets- framhävaren 44 kan också innefatta både ett kompressorsteg och ett högpass- filter för generering av den förståelighetstäta signalen s(n). 10 15 20 .25 '-30 518 039 10 Genklangsenheten 46 är anordnad efter förstäelighetsinformationsframhävaren 44 i genklangssignalvägen 41 och behandlar den förståelighetstäta signalen u(n) för att framställa en genklangssignal y(n). Genklangsenheten 46 imple- menteras i den föredragna utföringsformen genom ett ändligt impulssvarsfilter (FIR), såsom visas i F ig. 4. I alternativa utföringsformer kan genklangsenheten 46 implementeras med andra typer av digitala filter såsom i oändliga impuls- svarsfilter (IIR). Den allmänna funktionen av en genklangsenhet 46 som implementerats genom ett FIR-filter är konventionell och beskrivs i det ameri- kanska patentet nr. 5,201,005 som utfärdats till Matsushita et al, 6 april, 1993; samt det amerikanska patentet nr. S,278,780, som utfärdats 1 1 januari, 1995.

Båda dessa patent införlivas i sin helhet genom hänvisningen.

I allmänhet verkar genklangsenheten 46 för att behandla den förståelighetstäta signalen u(n) för att generera en genklangssignal y(n) som uppvisar en gen- klangssignalkomponent. Genklangssignalkomponenten innefattar successiva sekvenser av viktade fördröjningssignaler. För att producera genklangssignalen y(n) innefattar genklangsenheten 46 en fördröjningsenhet 50 som uppvisar en sekvens av fördröjningsoperatorer z-l, en multipliceringsenhet 52 som uppvisar en sekvens av multiplicerare Wo, W1...WM.; samt en adderingsenhet 56 som uppvisar en sekvens av adderare Z.

Fördröjningsenheten 50 framställer en sekvens av fördröjningssignaler u(n- 1), u(n-2), ...u(n-M+1); och multipliceringsenheten 52 multiplicerar fördröjnings- signalerna med en sekvens av filterkoefficienter WO, W1...WM.1 för att generera de viktade fördröjningssignalerna. Adderingsenheten 56 summerar en sekvens av viktade fördröjningssignaler för att framställa genklangssignalen y(n). Gen- klangsenhetens utmatning ges av ekvation 1: M-l y k=O (Ekvation 1) där k=O,l...M-1. »- 10 15 20 _25 "30 518 039 ll Ekvation 1 hänvisas till som en åndlig faltningssumma därför att den faltar det ändliga impulssvaret (dvs. de viktade fördröjningssignalerna) av genklangsen- heten 46 för att generera genklangssignalen y(n). Följaktligen innefattar genklangssignalen y(n) en sekvens av viktade fördröjningssignaler.

Adderaren 49 kombinerar genklangssignalen y(n) och den dämpade ingångs- signalen w(n) för att framställa den förståelighetsförhöjda signalen z(n). Den dämpade ingångssignalen w(n) genereras genom behandling av ingångssignalen r(n) med dämparen 48 i den direkta signalvägen 43. Den dämpade ingångssig- nalen w(n) är en ingångssignal som inte har behandlats av förståelighets- informationsframhävaren 44. Den dämpade ingångssignalen w(n) tillhandahål- ler en normal mängd av både identifikations- och förstäelighetsinformation.

Emellertid tillhandahåller genklangssignalen y(n) som adderats ovanpå in- gångssignalen w(n) en framhävd mängd av förståelighetsinformation till den förståelighetsförhöjda signalen z(n).

Genklangssignalens y(n) karakteristik styrs av multipliceringsenhetens 52 fil- terkoefficientsekvens. Såsom visas i Fig. Sa uppvisar genklangsenhetens 46 impulssvar två viktiga särdrag som styrs av ñlterkoefficientsekvensen. För det första så viktas amplituderna av en sekvens av viktade fördröjningssignaler enligt ett exponentiellt avklingningsmönster under genklangsperioden. För det andra uppvisar tidsfördröjningen mellan successiva viktade fördröjningssigna- ler ett exponentiellt ökande fördröjningsmönster under genklangsperioden.

Mer bestämt så innefattar filterkoefficientsekvensen en exponentiellt avklingan- de sekvens av ñlterkoefficienter som används för att generera viktade fördröjningssignaler som uppvisar exponentiellt minskande viktade amplituder.

Filterkoefficientsekvensen innefattar också nollkoefficienter som har nollvärden eller värden nära noll inordnade mellan de exponentiellt avklingande filterkoef- ficienterna. Antalet koefflcienter som har nollvärden inordnade mellan de successiva exponentiellt avklingande filterkoefficienterna ökar exponentiellt under genklangsperioden för att öka iördröjningen mellan successiva viktade fördröjningssignaler under genklangsperioden. 10 15 20 __ 25 . 30 . sis 0392 12 I en alternativ utfóringsform innefattar filterkoefficientsekvensen för genklangs- enheten 46 exponentiellt avklingande filterkoefficienter, såsom visas i Fig. 4b, vilka varierar i tecken. Detta resulterar i att tecknet av amplituden av de vikta- de fördröjningssignalerna varierar under genklangsperioden. I denna alternativa utföringsform uppvisar amplitudema av de viktade fördröjningssig- nalerna också ett exponentiellt minskande fördröjningsmönster mellan successiva viktade fördröjningssignaler under genklangsperioden.

Förståelighetsförhöjaren 22 utmatar till högtalaren 24 en förståelighetsförhöjd signal z(n) som innefattar en direkt komponent motsvarande den dämpade ingängssignalen W(n) och en genklangskomponent motsvarande genklangssig- nalen y(n). Högtalaren 24 utmatar en ljudtryckvåg i gensvar på den förståelighetsförhöjda signalen z(n). Ljudtryckvågen innefattar en direkt kom- ponent motsvarande den dämpade ingångssignalen W(n) och en artificiell genklangskomponent motsvarande genklangssignalen y(n). Den direkta kom- ponenten av ljudtryckvågen tillhandahåller både förståelighetsinformation och identifikationsinformation till en lyssnare i det akustiska utrymme som omger högtalaren 24.

Den artificiella genklangskomponenten av ljudtryckvågen tillhandahåller en framhävd mängd förståelighetsinformation som adderas ovanpå den direkta komponenten. Den artificiella genklangskomponenten adderar förståelig- hetsinformation till det utmatade talet därför att den mänskliga hörsel- mekanismen "utjâmnar" (eller medelvärdesbildar) det inkommande ljudet med ett glidande fönster i tiden eller genklangsperioden för att utnyttja inte enbart det direkta ljudet men också reflektionerna och ekon från omgivningen. Den artificiella genklangskomponenten verkar som artificiella ekon som motsvarar naturliga ekon framställda i ett optimalt akustiskt utrymme. Den artificiella genklangssignalkomponenten av ljudvågen optimerar förståeligheten av det utmatade talet därför att genklangssignalkomponentens karakteristik motsva- rar karakteristiken för naturliga genklanger genererade i ett optimalt akustiskt utrymme. 10 15 20 __ 25 . 30 . 518 039« 13 I ett optimalt akustiskt utrymme reflekteras direkta ljudtryckvågor som fram- ställts i det akustiska utrymmet, i det akustiska utrymmet och framställer naturliga ekosekvenser. Åtminstone en del av de naturliga ekosekvenserna riktas mot en lyssnare i det akustiska utrymmet. Varje naturlig ekosekvens uppvisar en ström av ekon som faller inom en genklangsperiod som varar mel- lan ungefär 20 till 60 millisekunder. Dessa ekon tillhandahåller talinformation till lyssnaren i det akustiska utrymmet.

Varje naturlig ekosekvens som framställs i det optimala akustiska utrymmet har några viktiga särdrag som resulterar i att en optimal mängd av information tillhandahålls till lyssnaren. För det första tenderar amplituderna av fördröj- ningssignalerna att avklinga exponentiellt under genklangsperioden. För det andra tenderar ßrdröjningsperioderna mellan ekona att öka exponentiellt un- der genklangsperioden.

På ett motsvarande sätt genererar genklangsenheten 46 en genklangssignal som innefattar fördröjningssignalsekvenser som uppvisar ett mönster av expo- nentiellt avklingande amplituder och som uppvisar ett mönster av exponentiellt ökande tidsfördröjningar mellan fördröjningssignaler under genklangsperioden.

På grund av att fördröjningssignalsekvenserna som genererats av genklangsen- heten 46 svarar mot naturliga ekon som framställts i ett optimalt akustiskt utrymme så utmatar högtalaren 24 talljud som innefattar en artificiell gen- klangskomponent som maximerar mängden av talinforrnation som adderas av den artificiella genklangssignalkomponenten.

Ett tredje särdrag av en naturlig ekosekvens är att fasen av den ström av ekon - som kommer fram till mikrofonen eller lyssnaren varierar. Detta resulterar i att tecknet av amplituderna av det naturliga ekot varierar. Den mänskliga hörsel- mekanismen kompenserar för de varierande faserna av de naturliga ekona och en ekosekvens som har en ström av ekon med varierande faser låter naturligt för en lyssnare. 10 15 20 25 'É so 518 039 14 Genklangsenheten 46 varierar, i en alternativ utföringsform som visas i Fig. 4b, tecknet på filterkoefficienterna på ett i allmänhet omväxlande mönster. Genom att variera tecknet på ñlterkoefficienterna så varierar fasen av de viktade för- dröjningssignalerna som genererats av genklangsenheten 46. Följaktligen motsvarar den artificiella genklangssignalkomponenten av talutmatningen i högre grad naturliga ekon som framställts i en optimal akustisk miljö, vilket resulterar i en mer naturligt ljudande talutmatning.

Genklangsenheten 46 utmatar också en genklangssignal som är tät vad avser förståelighetsinformation till följd av behandlingen av talingångssignalen av förståelighetsinformationsframhävaren 44. Följaktligen utmatar högtalaren 24 tal som innefattar en artificiell genklangssignalkomponent som ökar mängden av förståelighetsinformation som adderas av den artificiella genklangssignal- komponenten. Förståelighetsförhöjaren 20 maximerar förståelighets- informationen i talutmatningen för att överkomma bakgrundsbrus som kan föreligga.

Med hänvisning till Fig. 5 så används förståelighetsförhöjaren 20 i kombination med en ekosläckare 40. Ekosläckare är kända sedan tidigare såsom anges ge- nom den amerikanska patentansökningen, serienummer 08 / 393,7 1 l, inlämnad 24 februari 1995 av Paul Dent och Torbjörn Sölve och betecknad "Apparatus and Method for Cancelling Acoustic Echoes including Non-Linear Distortíons in Loudspeaker Telephones" vilken införlivas i sin helhet genom denna hänvisning. Ekosläckaren 40 används i kombination med förståelig- hetsförhöjaren 20. Ekosläckaren 40 använder den förståelighetsförhöjda signalen z(n) i släckningen av högtalarekon från mikrofonsignalen m(n) som framställts av högtalarutmatningen (där n betecknar det tidsdiskreta tillfället n).

Ekosläckaren 40 implementeras med en digital signalprocessor 22. I den före- dragna utföringsformen innefattar ekosläckaren 40 ett FIR-filter 60 som uppvisar ñlterkoefñcienter hi (där i betecknar den itte fllterkoefficienten), ett LMS-anpassningsblock 62, samt en adderare 64. Ekosläckaren 40 släcker den 'so 10 15 20 25 518 039 15 del av mikrofonsignalen m(n) som är korrelerad med högtalarutmatningen z(n), dvs. högtalarekot.

För att utsläcka högtalarekot beräknar FIR-filtret 60 en ekouppskattning ü ("u- hatt") enligt följande ekvation 2: M-1 am) = 2 h, - z(n - i), (Ekvation 2) i=0 där M är antalet filterkoefñcienter.

Såsom anges i ekvation 2 beräknas ekouppskattningen ü som faltningssum- man av den förståelighetsförhöjda signalen z(n) som går till högtalaren 24 och FIR-filterkoeflicienterna (ibland kallade tappar), hi, (där i betecknar den izte koefficienten). I den föredragna utföringsformen är antalet filterkoefficienter ungefär 200 till 400 vilket är det antal koefficienter som typiskt sett används för att släcka ekon i det inre av ett fordon.

Filterkoefficienterna hi i ekvation 2 beräknas enligt den minsta medelkvadrat- metoden (LMS), vilken beskrivs av följande ekvation 3: h1(n+1) = hi(n) + p - e(n) - z (n-i) (Ekvation 3) där I=0...M-1; och u = steg- eller uppdateringsförstärkningsparametern.

LMS-metoden som först introducerades av Widrow och Hoff 1960 är en stokas- tisk gradientstegmetod (nedgående) som använder en grov (brusig) uppskattning av gradienten e(n) - z(n) för att ta ett litet steg i riktningen för att minimera energin hos ekot i den ekoreclucerade signalen e(n).

FlR-filtret 60 uppvisar, när det väl har konvergerat, ett impulssvar som unge- färligen är detsamma som den riktiga ekovägen (det okända systemet) från högtalaren 24 till mikrofonen 32. Ekokopian ü(n) subtraheras från det inkom- 10 15 20 .. 25 ':¿_3O 518 039 16 mande mikrofonsamplet m(n) och således subtraheras eller utsläcks ekot så- som beskrivs av följande ekvation 4: e(n) = m(n) - ü(n) (Ekvation 4) Antalet tappar eller filterkoefficienter som erfordras för att avlägsna högtalare- kot, och således ekosläckarens 40 komplexitet, hålls till ett minimum genom användning av den förståelighetsförhöjda signalen z(n) vid bestämning av eko- uppskattningen ü(n). Följaktligen kan ekosläckaren 40 användas i anslutning till förståelighetsförhöjaren 20 utan att en ekosläckare 40 som har en ökad komplexitet erfordras.

Med hänvisning till Fig. 7 visas en alternativt utförd telefon enligt föreliggande uppfinning och anges i allmänhet genom hânvisningssiffran lOa. Telefonen 10a innefattar en förståelighetsförhöjare 28 som är anpassad för att generera en höger förståelighetsförhöjd signal samt en vänster förståelighetsförhöjd signal från en enda talingångssignal. Den högra förståelighetsförhöjda signalen ut- matas till D/A-omvandlaren 26a, förstärkaren 30a och den högra högtalaren 24a. Den vänstra förstäelighetsförhöjda signalen utmatas till D /A-omvandlaren 26b, förstärkaren 30b och den vänstra högtalaren 24b. De högra och vänstra íörstàelighetsförhöjda signalerna bildar en pseudostereosignal som utmatas av den vänstra och högra högtalaren 24a, b, vilka tillhandahåller extra rumslig information till en lyssnare.

Med hänvisning till Fig. 8 så visas ett schematiskt diagram över en förståelig- hetsförhöjare 20a. Förståelighetsförhöjaren 20a innefattar en direkt signalväg . 43, en höger genklangssignalväg 4 la och en vänster genklangssignalväg 4 lb.

Den direkta signalvägen 43 innefattar en dämpare 48 för dämpning av insigna- len för att producera en dämpad direkt signal. Den högra genklangssignalvägen innefattar förstäelighetsinformationsframhävaren 44a följd av höger genklangs- enhet 46a för generering av en höger genklangssignal. Den vänstra genklangssignalvägen innefattar förståelighetsinformationsframhävaren 44b följd av vänster genklangsenhet 46b för generering av en vänster genklangssig- 10 15 20 __ 25 . . 30 .. . 518 039 17 nal. Adderaren 49a kombinerar den högra genklangssignalen och den dämpade direkta signalen för att producera den högra förståelighetsförhöjda signalen.

Adderaren 49b kombinerar den vänstra genklangssignalen och den dämpade direkta signalen för att generera den vänstra förståelighetsförhöjda signalen.

Den direkta signalvägen 43, den högra genklangssignalvägen 4 la och den vänstra genklangssignalvägen 4 lb behandlar var och en ingångssignalen på ett sätt som är analogt med det som beskrivits med avseende på förståelighetsför- höjaren 20 i den föredraget utförda telefonen 10. Den högra genklangsenheten 46a och den vänstra genklangsenheten 46b är emellertid anpassade för att ha olika impulssvarsfunktioner med avseende på varandra såsom visas i Fig. 9.

Fig. 9 visar impulssvaret ßr den högra genklangsenheten 46a med heldragna linjer och impulssvaret för den vänstra genklangsenheten 46b med streckade linjer. Såsom visas i Fig. 9 uppvisar de viktade fördröjningssignalerna som ge- nererats av den högra genklangsenheten 46a fördröjningar som är förskjutna från fördröjningarna av de viktade fördröjningssignaler som genererats av den vänstra genklangsenheten 46b. Genom förskjutning av tidsfördröjningarna av de viktade fördröjningssignalerna som genererats av de vänstra och högra gen- klangsenheterna 46a, b, så utmatar de högra och vänstra högtalarna 24a, b, något olika högtalarutmatningar. Följaktligen emulerar högtalarutmatningen från högtalarna 24a, b, ett pseudostereofält med extra rumslig information.

Karakteristiken av de högra och vänstra genklangssignalerna kan ställas in på det sätt som beskrivits för förståelighetsförhöjaren 20 i den föredraget utförda telefonen 10.

Föreliggande uppfinning tillhandahåller en apparat och ett förfarande för ök- ning av förståelígheten av en högtalarutmatning och för ekosläckning för telefoner. Uppfinningen kan utföras i många olika former och bör inte tolkas som begränsad till den utföringsform som beskrivits här. Snarare tillhandahålls dessa utföringsformer så att denna beskrivning blir grundlig och fullständig och så att den fullständigt överför uppfinningens omfattning till fackmannen inom området.

Claims (28)

10 15 20 '25 . . " 30 .. .. 518 039 18 PATENTKRAV

1. En telefon innefattande: a) en förståelighetsförhöjare som gensvarar på en tahngångssignal mottagen från en fjårrtelefon för generering av en förståelighetsförhöjd signal innefattande en direkt signalkomponent och en genklangssignalkomponent, varvid genklangssignalkomponenten innefattar en ström av genklangssekven- ser, i vilken varje genklangssekvens innefattar en ström av viktade fördröjnings- signaler som faller inom en på förhand bestämd genklangsperiod, varjåmte amplituderna av de viktade fördröjningssignalcrna av varje genklangssekvens viktas över genklangsperioden enligt ett exponentiellt avklingningsmönster; och b) en högtalare för framställning av en ljudtryckvåg i gensvar på den förståelighetsförhöjda signalen, varvid ljudtryckvågen innefattar en direkt kom- ponent motsvarande den direkta signalen och en artificiell genklangs- komponent motsvarande förståelighetsförhöjarens genklangssignal.

2. Telefonen enligt krav l, i vilken de viktade fördröjningssignalema av varje genklangssekvens uppvisar ett fördröjningsmönster där tidsfördröjningarna mellan viktade fördröjningssignaler tenderar att öka under genklangsperioden.

3. Telefonen enligt krav 1, i vilken tecknen på de viktade fördröjningssigna- lerna av en genklangssekvens varierar.

4. Telefonen enligt krav 3, i vilken tecknen på de viktade fördröjningssigna- lerna varierar enligt ett omväxlande mönster.

5. Telefonen enligt krav l, i vilken förståelighetsförhöjaren innefattar: a) en genklangssignalvåg innefattande: 1) en förståelighetsinformationsframhâvare som gensvarar på tal- ingångssignalen för framhâvande av förståelighetsinformation i ingångstalsig- nalen och för utmatning av en förståelighetstât signal, och e 10 15 20 25 '30 518 039 19 2) en genklangsenhet som gensvarar på den förståelighetstäta signalen för generering av genklangssignalkomponenten; b) en direkt signalvåg som gensvarar på talingångssignalen för utmat- ning av den direkta signalkomponenten; och c) i vilken genklangssignalkomponcnten och den direkta signalkom- ponenten kombineras för att bilda komponenter av den förståelighetsförhöjda signale n .

6. Telefonen enligt krav 5, i vilken förståelighetsinforrnationsframhåvaren år ett högpassfilter som har en nedre grånsfrekvens som motsvarar den nedre gränsen av ett på förhand bestämt frekvensintervall motsvarande ett förståelig- hetstätt frekvensintervall för tal.

7. Telefonen enligt krav 6, i vilken det på förhand bestämda frekvensinter- vallet har en nedre gräns som år större än ungefär 1 kHz.

8. Telefonen enligt krav 6, i vilken det på förhand bestämda frekvensinter- vallet år ungefär l kHz och 4 kHz.

9. Telefonen enligt krav 5, i vilken förståelighetsinformationsframhåvaren år en kompressor.

10. Telefonen enligt krav 5, i vilken den direkta signalvågen innefattar en dämpare som gensvarar på talingångssignalen för dämpning av talingångs- signalen så att den direkta signalkomponenten år en dämpad talingångssignal.

11. ll. Telefonen enligt krav 5, i vilken genklangsenheten år ett filter med ändligt impulssvar (FIR) . 10 15 20 *_ 25 Hnso 518 039 20

12. Telefonen enligt krav 1, vidare innefattande: a) en mikrofon som är placerad i en akustisk väg för de ljudtryckvågor som framställts av högtalaren och som genererar en mikrofonsignal; och b) en ekosläckare som gensvarar på den förståelighetsförhöjda signa- len och mikrofonsignalen för generering av en uppskattad ekosignal motsvarande den ljudtryckvåg som framställts av högtalaren och subtrahering av den uppskattade ekosignalen från mikrofonens utgångssignal för att därige- nom reducera högtalareko från mikrofonsignalen.

13. En telefon innefattande: a) en genklangsenhet som gensvarar på en talingångssignal för gene- rering av en genklangssignal, varvid genklangsenheten innefattar: l) en fördröjningsenhet som gensvarar på talingångssignalen för utmatning av fördröjningssignalsekvenser där varje fördröjningssignalsekvens innefattar en ström av fördröjningssignaler som faller inom en genklangsperiod, 2) en multipliceringsenhet som gensvarar på fördröjningssignal- sekvenserna för multiplicering av fördröjningssignalerna av varje fördröjnings- signalsekvens med en på förhand bestämd filterkoefficientsekvens för att fram- ställa en genklangssekvens av viktade fördröjningssignaler, ivilken filter- koefficientsekvensen uppvisar ett exponentiellt avklingningsmönster där vikter- na för fördröjningssignalerna av en fördröjningssignalsekvens tenderar att minska exponentiellt under genklangsperioden, och 3) en adderingsenhet för kombinering av de viktade fördröjningssig- nalerna av varje genklangssekvens för att bilda genklangssignalen; och b) en högtalare som gensvarar på genklangssignalen för utmatning av en ljudvåg som uppvisar en artificiell genklangskomponent motsvarande gen- klangssignalen som genererats av genklangsenheten.

14. Telefonen enligt krav 13, i vilken fördröjningsenheten uppvisar en sekvens av fördröjningsoperatorer för bestämning av tidsfördröjningarna mellan succes- siva fördröjningssignaler av varje fördröjningssignalsekvens, i vilken lO 15 20 :25 . . " 30 . 518 039 21 fördröjningsoperatorerna bestämmer tidsfördröjningarna enligt ett fördröj- ningsmönster där tidsfördröjningen mellan successiva fördröjningssignaler tenderar att öka under genklangsperioden.

15. Telefonen enligt krav 13, i vilken tecknen för filterkoefficientsekvensen varieras för att variera tecknen på de víktade fördröjningssignalema av varje genklangssekvens.

16. Telefonen enligt krav 15, i vilken tecknen för filterkoefficientsekvensen varieras enligt ett omväxlande mönster så att tecknen på de viktade fördröj- ningssignalerna av varje genklangssekvens växlar.

17. Telefonen enligt krav 13, i vilken genklangsenheten år ett filter med ândligt impulssvar (FIR).

18. En telefon innefattande: a) en genklangssignalvåg som gensvarar på en talingångssignal för generering av en genklangssignal, innefattande: 1) en förståelighetsinformationsframhåvare som gensvarar på tal- ingångssignalen för framhåvande av förståelighetsinformation i ingångstalsig- nalen och för utmatning av en förståelighetstât signal, och 2) en genklangsenhet som gensvarar på den förståelighetståta signalen för generering av genklangssignalen; b) en direkt signalvåg som gensvarar på talingångssignalen för utmat- ning av en direkt signal; c) en adderare för kombinering av genklangssignalen och den direkta signalen för att bilda en förståelighetsförhöjd signal; och d) en högtalare som gensvarar på den förståelighetsförhöjda signalen för utmatning av en ljudvåg som uppvisar en genklangskomponent motsvaran- de genklangssignalen och en direkt komponent motsvarande talingångssignalen. 10 15 20 wnso 518 039 22

19. Telefonen enligt krav 18, i vilken den direkta signalvägen av förståelig- hetsförhöjaren innefattar en dämpare för dämpning av talingångssignalen.

20. Telefonen enligt krav 18, i vilken genklangssignalen uppvisar genklangs- sekvenser av viktade fördröjningssignaler som sträcker sig över en genklangsperiod, och i vilken varje genklangssekvens uppvisar ett fördröj- ningsrnönster där tidsfördröjningarna mellan viktade fördröjningssignaler tenderar att öka under genklangsperioden.

21. Telefonen enligt krav .18, .i vilken genklangssignalen uppvisar genklangs- sekvenser av viktade fördröjningssignaler som sträcker sig över en genklangsperiod, och i vilken amplituderna av de viktade fördröjnings- signalerna av varje genklangssekvens är viktade över genklangsperioden enligt ett exponentiellt avklingningsmönster.

22. Telefonen enligt krav 18, i vilken förståelighetsinformationsframhävaren är ett högpassfilter som har en nedre gränsfrekvens som motsvarar den nedre gränsen av ett på förhand bestämt frekvensintervall motsvarande ett förståelig- hetstätt frekvensintervall för tal.

23. Telefonen enligt krav 18, ivilken förstäelighetsinformationsframhävaren är en kompressor.

24. Telefonen enligt krav 18, i vilken genklangsenheten är ett filter med ändligt impulssvar (F IR).

25. Telefonen enligt krav 1, vidare innefattande: a) en mikrofon som är placerad i en akustisk väg för de ljudtryckvägor som framställts av högtalaren och som genererar en mikrofonsignal; och b) en ekosläckare som gensvarar på den förståelighetsförhöjda signa- len och mikrofonsignalen för generering av en uppskattad ekosignal som .. ww... . 10 15 20 25 HHSO 518 039 23 motsvarar den ljudtryckvåg som framställts av högtalaren och subtrahering av den uppskattade ekosignalen från mikrofonens utgångssígnal för att därigenom reducera högtalareko från mikrofonsignalen.

26. En telefon innefattande: a) en förståelighetsförhöjare som gensvarar på en talingångssignal för generering av en första förståelighetsförhöjd signal och en andra förståelighets- förhöjd signal, varvid förståelighetsßrhöjaren innefattar: l) en första genklangssignalvâg som gensvarar på talingångssigria- len innefattande en första genklangsenhet för generering av en första genklangssignal, i vilken den första genklangssignalen år en komponent av den första förståelighetsförhöjda signalen, 2) en andra genklangssignalvåg som gensvarar på talingångssigna- len innefattande en andra genklangsenhet för generering av en andra genklangssignal, i vilken den andra genklangssignalen år en komponent av den andra iörståelighetsförhöjda signalen, och 3) i vilken de första och andra genklangsenheterna uppvisar olika impulsfunktioner med avseende på varandra för att generera olika genklangs- signaler; b) en direkt signalvâg som gensvarar på talíngångssignalen för utmat~ ning av en direkt signal; c) en adderare för kombinering av den första genklangssignalen och den direkta signalen för att bilda den första förståelighetsförhöjda signalen, och för kombinering av den andra genklangssignalen och den direkta signalen för att bilda den andra förståelighetsförhöjda signalen; d) en första högtalare som gensvarar på den första förståelighetsför- höjda signalen för utmatning av en första ljudvåg som uppvisar en första genklangskomponent motsvarande den första genklangssignalen och en direkt komponent motsvarande talingångssignalen; och e) en andra högtalare som gensvarar på den andra förståelighetsför- höjda signalen för utmatning av en andra ljudvåg som uppvisar en andra 10 518 039 24 genklangskomponent motsvarande den andra genklangssignalen och en direkt komponent motsvarande talingångssignalen.

27. Telefonen enligt krav 26, ivilken de första och andra genklangssignalerna var och en innefattar sekvenser av viktade fördröjningssignaler, och i vilken impulssvaret för de vänstra och högra genklangsenheterna svarar för olika tidsfördröjningar.

28. Telefonen enligt krav 26, i vilken den direkta signalvâgen av förståelig- hetsförhöjaren innefattar en dämpare för dämpning av talingångssignalen.