CN103684621B - 用于减少脉冲噪声干扰的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种音频处理系统。车载环境中的FM和AM接收机需要噪声抑制器电路或方法以减少音频信号中由例如点火噪声的脉冲噪声产生的可听干扰。本发明提出了一种时域处理和频域处理的组合以减少可听失真。时域处理在脉冲噪声突发期间内插信号,而频域处理在时间上分散剩余的信号失真,或者通过加窗技术将信号重定位到衰减所在的时间位置处。

Description

用于减少脉冲噪声干扰的方法和系统
技术领域
本发明涉及减少脉冲噪声干扰,例如在无线接收机中减少脉冲噪声干扰。
背景技术
FM和AM接收机通常具有噪声抑制器电路或方法以减少音频信号中由脉冲噪声产生的可听干扰。这在由车载收音机天线拾起脉冲噪声(例如点火噪声)的车载环境下尤其必要。
点火噪声导致音频信号中出现具有可变重复速率的短宽带尖峰,并且该速率与发动机转速成比例地变化。存在计多用于检测是否存在脉冲噪声的方法,这些方法产生消隐脉冲,并且当音频信号中出现干扰时消隐脉冲较高。在US6,385,261中公开了示例。
这些脉冲可以是固定长度或可变长度,并且指示哪些时间段已损坏。
用于减少对音频信号的干扰的现有技术方法使用固定值(这些也是在US6,385,261中公开的所谓电平保持方法)、使用损坏段附近的样本值的线性或高阶内插(例如在US2011／0129036中公开的方法)、或者使用信号模型获得的音频信号的预测值(例如在US7,260,163中公开的方法)来替代这些已损坏的时间段。
当脉冲噪声具有特定可能可变的重复速率时,在应用例如电平保持系统和信号内插的现有技术方法之后出现的信号不连续性也将是重复的,使得在感知上比单个不连续性更加恼人。因此降低这些不连续性的影响将是有益的。
在US7,260,163中描述的方法使用自适应全极点模型来模拟音频信号。因此,使用相对低阶的模型(例如语音)可以很好的预测(短持续时间)平稳信号,而该方法对该平稳信号将很好地工作,但是对复杂的和非平稳信号预计将表现的更差。
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系统和方法。
在一个方面,本发明提供了一种音频处理系统,包括：
检测器,用于是否存在检测脉冲噪声；
处理装置,用于根据检测到存在脉冲噪声在时域中处理音频输入信号；
第一装置,用于将输入音频信号从时域变换到频域；
用于提取频域信号的幅度谱和相位谱的装置；
用于根据检测到存在脉冲噪声修改至少部分相位谱的装置；
用于组合幅度谱和修改后的相位谱的装置；以及
第二装置,用于将组合信号从频域变换到时域。
因此,本发明提供了一种用于减少脉冲噪声的系统和方法,特别是用于解调的AM或FM音频信号。本发明在时域中使用信号处理(例如信号内插),随后在频域中使用处理步骤。该方法无需再使用预测模型,并因此可以用于任意复杂的非平稳信号。
用于修改相位谱的装置可以适于将相位设置为恒定值或者将相位设置为随机值。根据对应频率分量的幅度,可以为不同的频率分量设置相位。出于这个目的,可以基于幅度谱在频域中使用频率掩码(mask)进行相位修改。
在变换到频域之前以及变换回到时域之后可以应用时间窗。这具有抑制边缘效应的效果(在处理的时间窗内),而且对于抑制如果相位设置为恒定值而引起的边缘效应特别有用。
在另一方面,本发明提供了一种音频处理方法,包括：
检测是否存在脉冲噪声；
根据检测到存在脉冲噪声,在时域中处理音频输入信号；
将输入音频信号从时域变换到频域；
提取频域信号的幅度谱和相位谱；
根据检测到存在脉冲噪声修改至少部分相位谱；
组合幅度谱和修改后的相位谱；以及
将组合信号从频域变换到时域。
附图说明
下面将参照附图对本发明的示例进行详细描述,其中：
图1示出了本发明的系统的原理图；
图2示出了本发明的方法的流程图；
图3示出了使用可以被应用于图1的系统中进行时域处理的电平保持方法的已知信号内插；
图4示出了相位修改的效果的示例；
图5示出了图1的系统的频域处理模块的示例；
图6示出了使用相位随机化进行频域处理的效果的示例；以及
图7示出了使用相位归零进行频域处理的效果的示例。
具体实施方式
本发明提供了一种时域处理和频域处理的组合以减少脉冲噪声导致的可听失真。时域处理例如在脉冲噪声突发期间内插信号,频域处理在时间上分散剩余的信号失真,或者通过加窗将其重定位到衰减所在的时间位置。
图1以原理图的形式示出了本发明的系统的示例。
检测器信号(“det”)是可用的,当出现脉冲噪声突发时为高,当没有出现脉冲噪声突发时为低。可以使用的检测器的类型是已知的,例如选自上述确定的现有技术。
可以基于高通滤波来检测脉冲,或者使用自适应滤波来检测噪声尖峰。本质上,偏离预期的信号内容指示了尖峰的存在。这可以是通过如下方式滤波后的音频信号版本中的信号能量,即衰减音频内容并只保留更高频率的区域(在该区域中,预期没有音频内容,只有噪声干扰)。这也可以是预测音频的自适应模型的模型误差(较大的模型误差指示了干扰的存在)。
当检测器信号为高时(存在脉冲噪声),输入样本被标记为无效。使用无效样本的连续块之前和／或之后的样本对无效样本进行内插。由内插单元10实现这种内插。这包括时域处理,并机遇脉冲噪声的检测。
将样本进行缓冲以用于使用加权叠加相加(overlap-add)技术的FFT处理,该加权叠加相加技术是在文献中描述的标准技术。使用有限脉冲响应滤波器的加权叠加相加技术是实现FFT的有效方式。在该技术中,应用了窗口(在最后的叠加相加之前,以创建输出信号)。在音频压缩应用中使用该“输出窗口”以最小化处理伪象。该输出窗口逐渐减弱帧边界处的任何伪象,从而抑制可听的不连续性。
为单个帧计算FFT12,如果在时间帧中存在无效样本则在处理单元14中进一步处理。如果不存在无效样本,则不执行频域处理。
由逆FFT单元16将结果变换到时域,通常使用加权叠加／相加技术做适当处理,产生所提出方法的输出。
图2示出了所提出方法的对应的流程图。
在步骤20将输入进行缓冲。虽然未在图1中示出,但是该缓冲也是系统的一部分。该缓冲引入故意延迟,以便时域内插可以开始的足够早,并且在给定的FFT窗口内部检测到脉冲事件时,可以为该给定的FFT窗口处理频域相位修改。因此,检测信号使得在处理对应的FFT窗口之前检测脉冲事件。
如步骤22所示检测脉冲事件。
如果存在检测到的脉冲事件,则执行如步骤24信号内插所示的时域处理以取代无效样本,即对应的检测器信号为高的样本被新样本值取代。可以使用多种方法获得这些新样本值,其中：
电平保持方法,使用无效样本的连续块之前最近的有效样本值来取代无效样本；
信号内插,使用从无效样本的连续块之前最近和之后最近的有效样本值的线性(或高阶或其他)内插得到的值来取代无效样本；
信号处理,使用通过处理有效和无效样本值得到的值来取代无效样本。
这些方法都可以普遍被认为是包括信号内插,其中使用从合适的信号分析中获得的值取代时间窗内部的信号。
在步骤26时域信号(可能已处理或者尚未被处理)被缓冲并由FFT转换到频域。
再次使用脉冲事件相同的检测来控制相位修改。该检测如步骤28所示,如果存在检测到的脉冲事件,则在步骤30发生频域上的相位修改。在步骤32由IFFT将频域信号(可能已处理或者尚未被处理)转换回到时域。
使用已知的电平保持方法如何能够实现时域处理的示例如图3所示。
由虚线40表示输入。用两条垂直实线42划出检测器为高的段。在该区域内,输入样本值是无效的,使用电平保持技术取代无效样本值,即,使用样本在变成无效之前的样本值取代无效样本值。
由实线表示输出,该实线与划定区域外的虚线相同。可以观察到,由脉冲噪声引起的尖峰被有效地抵消,但在被内插的区域中的输出信号明显失真：没有遵循信号的特性。此外,在该区域的边缘,信号的导数存在不连续性。
如果这只发生一次,失真会难以察觉,但是脉冲噪声在本质上是重复的,这时失真将被视为是恼人的。
本发明提供了一种在完整的时间窗上分散信号失真的方法。该方法基于如下观察：通过修改其相位谱并保留其幅度谱可以在时间窗上分散该信号(失真)高峰。
参照图4解释本发明的方法。
干扰输入信号被显示为由细实线44表示的单个突发。假定图中所示的时间段与由频谱处理模块处理的单个帧相对应(因此,长度等于FFT的大小)。如果该信号变换到频域(使用FFT),则相位谱被随机化,保留幅度谱,然后将复值频谱变换回到时域(使用逆FFT),获得图4中由虚线46表示的信号。
可以观察到,将该高峰的能量(而不是将时间上集中的高峰(细实线44))“分散”在完整的时间帧上,产生具有相同幅度谱和能量的随机噪声作为输入。该高峰是由不同频率的相位的一定排列形成的,然后通过相位随机化而被破坏。
在感知上,以尖峰换取具有适度幅度的彩色噪声。该彩色噪声具有如集中在高峰中的相同能量,但是在时间窗上被分散。
将所有相位设置为零(而不是随机化相位谱),导致图4中由粗实线48表示的信号。
在这种情况下,可以观察到高峰在形式上稍微改变(因为FFT假定信号在时间窗上呈现周期性并且高峰从帧的结尾延伸到帧的开头)。更重要的是,高峰的能量仍然在时间上集中,但是其位置移动到时间窗的边界。
如同相位随机化的情况,因为没有在时间上分散能量,从而更好的保留了除高峰以外的信号特性。
由于形成一部分FFT处理的加权叠加相加技术,时间窗的边界得到抑制。特别地,时间帧与在边界具有非常低或零值的时间窗相乘,如平方根汉宁窗。因此,通过将相位设置为零,干扰首先移动到边界,之后通过平方根汉宁(或其他)窗将干扰抑制。
下面将参照图5详细解释图1中的频域处理模块14。
输入包括内插信号的复值频域谱。
在幅度单元50和相位单元52中分别计算幅度谱(“mag”)和相位谱(“phase”),并基于幅度谱来确定频率掩码。如果幅度谱低于特定阈值则该频率掩码为单位1(unity),否则为零。因此,频域处理使用阈值技术来确定每个频率点的相位是否应该被修改。该阈值可以是固定值,或者可以和时间窗的瞬时能量或预期的信号能量成比例。
该阈值方法基于如下事实,具有高幅度的频率点应该保持不变,而应该修改具有低幅度的频率点。如果干扰是脉冲(时间窗中只有一个非零值),干扰的幅度谱在所有频率点上都是相同的(脉冲的幅度谱是条平坦线),所以干扰对具有高幅度的频率点影响较小,而对具有低幅度的频率点影响较大。因此,只需修改具有对应低幅度的相位。
该阈值是可选的,而无论何时检测到脉冲噪声,都可以进行相位修改。
修改频率掩码为单位1的频率点的相位谱。在单元54中,用随机值代替原有值,或者将该频率点的相位设置为零来修改相位谱。
在组合单元56中将幅度谱和相位谱组合成复值频谱,该组合是处理模块14的输出。
如上所述,如果相位是随机的,则在时间窗上分散该失真或至少分散信号幅度为低处的那部分失真。如果将相位设置为零,则失真集中在时间窗的边界。
基于相位随机化的频域处理的示例如图6所示。
使用电平保持技术在时域处理原始输入信号(虚线60),在检测到脉冲的区域中产生水平的细实线62,由两条垂直实线设定。对其幅度谱低于平均幅度的相位进行随机化之后,获得粗实线64。可以观察到,粗实线64比脉冲窗外面的内插信号(细实线66)有更多噪声(更多“锯齿”),并且内插区域内的段比内插信号的水平线更加接近地遵循信号特性。
在完整的时间窗上分散内插信号的失真,使得信号经过完整的时间窗后有更多噪声。
基于相位归零的频域处理的示例如图7所示。
如同上一示例,使用相同的输入信号60和内插信号66。不采用相位随机化,而是将幅度谱低于平均幅度的相位设置为零,产生粗实线70。可以观察到,信号没有变得比内插信号具有更多噪声,并且内插区域被遵循信号特性的样本填充。
然而,失真集中在信号值增加的时间帧的起始处。由此可以看出,因为处理之前和之后的帧的起始值不匹配,因此与上一示例完全不同。通过加权叠加相加技术的加窗将减少这种效果。
本发明的方法可以被实现为处理FM或AM音频信号的软件模块。输入信号可以是单声道或立体声。该模块的优选实施方式使用如下组件：
检测器,用于是否存在脉冲噪声；
频域变换,包括变换之前和逆变换之后的加窗；
用于提取幅度谱和相位谱的装置；
用于基于幅度谱产生频率掩码的装置；
用于修改部分相位谱的装置；以及
用于将幅度谱和相位谱组合成复值频谱的装置。
本发明可以是FM或AM立体声调谐器的一部分。本发明可以被实现为软件模块以便在脉冲噪声存在的情况下提高音频信号质量,该脉冲噪声出现在车载环境中(如点火噪声)。
FFT加窗处理可以基于重叠相加技术或者加窗的重叠相加技术。基于第一种技术只在时间-频率变换之前使用加窗,而基于其他技术则在时间-频率变换之前和频率-时间变换之后都使用加窗。
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地使用。
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系统。
权利要求中的任何附图标记不应当被理解为对范围的限制。

Claims (13)

1.一种音频处理系统，包括：
检测器，用于检测在音频输入信号中是否存在脉冲噪声；
处理装置(10)，用于根据由检测器检测到存在脉冲噪声，在时域中内插音频输入信号；
第一装置(12)，用于将内插的音频输入信号从时域变换到频域；
用于提取频域信号的幅度谱和相位谱的装置；
用于根据所述由检测器检测到存在脉冲噪声来修改至少部分相位谱的装置(14)；
用于组合幅度谱和修改后的相位谱的装置；以及
第二装置(16)，用于将组合信号从频域变换到时域。
2.如权利要求1所述的系统，其中，用于修改相位谱的装置(14)适于将相位设置为恒定值。
3.如权利要求1所述的系统，其中，用于修改相位谱的装置(14)适于将相位设置为随机值。
4.如权利要求2或3所述的系统，其中，用于修改相位谱的装置(14)适于根据对应频率处的幅度为不同频率分量设置相位。
5.如权利要求4所述的系统，其中，用于修改至少部分相位谱的装置(14)适于根据幅度谱产生频率掩码，该频率掩码识别将要发生的相位修改所在的频率。
6.如上述权利要求1-3中的任意一个所述的系统，其中，用于变换的第一装置(12)适于在变换之前应用时间窗。
7.如权利要求6所述的系统，其中，用于变换的第二装置(16)适于在变换之后应用时间窗。
8.一种用于减少脉冲噪声的无线调谐器，包括如上述任一权利要求所述的系统。
9.一种音频处理方法，包括：
检测(22；28)在音频输入信号中是否存在脉冲噪声；
根据检测到存在脉冲噪声，在时域中内插(24)音频输入信号；
将内插的音频输入信号从时域变换(26)到频域；
提取频域信号的幅度谱和相位谱；
根据检测到存在脉冲噪声修改(30)至少部分相位谱；
组合幅度谱和修改后的相位谱；以及
将组合信号从频域变换(32)到时域。
10.如权利要求9所述的方法，其中，修改相位谱包括：
将相位设置为恒定值；或者
将相位设置为随机值。
11.如权利要求10所述的方法，其中，修改相位谱包括：根据对应频率处的幅度为不同频率分量设置相位。
12.如权利要求11所述的方法，其中，修改至少部分相位谱包括：根据幅度谱产生频率掩码，该频率掩码识别将要发生的相位修改所在的频率。
13.如权利要求9至12中任意一个所述的方法，其中，时域到频域的变换以及频域到时域的变换包括时间加窗。
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