CN1111465A - 用于减小噪声信号的谱估计中不希望的特征的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于减小输入信号中话音信号的事件之间
噪声信号的谱估计中不希望的特征的方法和装置。
对输入信号的频谱进行估计以产生包括不希望的噪
声信号特征的输入信号的谱估计。输入信号的频谱
在话音信号的事件期间经过第一带宽和在话音信号
的事件之间经过第二带宽被平滑，所述第二带宽基本
上大于第一带宽。可替换地，在话音信号的事件之间
对输入信号的谱估计滤波。
Description
本发明一般地涉及一种通信单元，该通信单元对一种包括噪声信号和话音信号的事件（occurrence）的输入信号执行谱分析，更具体地涉及一种用于减小话音信号的事件之间噪声信号的谱估计中不希望的特征的方法及装置。
通信系统诸如蜂窝无线电话系统、通信系统和陆地移动通信系统的基本操作和结构是本技术领域所公知的。通信系统通常包括具有多个用户单元的多个通信单元，预定数量的设置在整个地理区域中的基地单元（或转发器）和一个控制器。用户单元可以是车载或便携单元。用户单元和基地单元每个都包括或者一个发射机或者一个接收机、或者两者兼有以构成收发信机。用户单元通过一条通信信道与基地单元连接，已调信号例如射频（RF）信号经所述通信信道被发送和/或接收。控制器包括一个集中化的呼叫处理单元或一个一起工作的分布控制器的网络，以便为该通信系统中的通信单元建立通信通路。
具体地说，正如本领域众所周知的，通信单元可以包括至少一个编码器和一个解码器。编码器用于把信号从一种形式转换成另一种形式并且是本领域公知的。解码器也把信号从一种形式转换成另一种形式并且基本上用于一个编码器的逆转换。矢量和激励线性预测（VSELP）是对信号进行编码和解码的众多方式中的一种。某些编码器和解码器诸如VSELP对输入信号执行谱分析。该输入信号包括一个噪声信号和话音信号的事件。噪声信号一般具有如本领域中定义的广义平稳信号的特征。在谱分析期间，对该输入信号的频谱进行估计，以产生该输入信号的一个谱估计。
遗憾的是，该输入信号的谱分析不仅产生了该输入信号的一个谱估计而且还产生了一种不希望的噪声信号的特征。在正常通话期间，不希望的噪声信号的特征在话音信号的事件之间比在话音信号的事件期间要显著的多。由不希望的噪声信号的特征产生的声音通常被描述为在噪声信号背景中移动的弱乐音或描述为如在水下听到的由汽泡发出的声音。这种声音是不希望的并且降低了通信单元之间通信的质量。这种不希望的噪声信号的特征通常用描述其产生的声音的术语“涡旋”（swirlies）来描述。
在通信单元中可以使用现有技术来减小不希望的噪声信号的特征。用于减小不希望的噪声信号的特征的第一种技术包括衰减话音信号的事件之间输入信号。然而，这样做是所不希望的，因为通信单元的用户能够听到接入的和断开的噪音，这种噪音使得用户通信很困难。用于减小不希望的噪声信号的特征的第二种技术包含从输入信号中除去噪声。在理论上，这是可行的，但是也增加极大的复杂性。然而，在实际中，噪声信号不可能被完全消除，因而产生了相同的不希望的噪声信号特征。
因此，需要一种改进的方法和装置，用于减小在话音信号的事件之间不希望的噪声信号特征，以克服现有技术的缺陷。
当借助于附图阅读时，将会更好地理解本发明，其中
图1示出了按照本发明的一个通信单元，该通信单元包括一个具有输入信号的谱分析器;
图2示出了按照本发明的图1输入信号的一个曲线图，它包括一个噪声信号和话音信号事件;
图3示出了按照本发明的一个优选实施例的图2噪声信号之一部分的频谱曲线;
图4示出了按照本发明优选实施例的图3的噪声信号的一部分的放大频谱曲线;
图5示出了按照本发明的替换的实施例的图2噪声信号之一部分的频谱曲线;
图6示出了按照本发明该替换实施例的图5噪声信号的一部分的放大频谱曲线;和
图7示出了按照本发明优选和替换实施例由图1的谱分析器执行的步骤的流程图。
上述的需要和其它方面将通过用于减小在话音信号事件之间噪声信号的谱估计中不希望的特征的改进方法和装置来满足。
在输入信号的谱分析期间，对该输入信号频谱进行估计以产生该输入信号的谱估计，该谱估计包括不希望的噪声信号的特征。该输入信号频谱在话音信号的事件期间经第一带宽处理和在话音信号的事件之间经第二带宽处理，该第二带宽基本上大于第一带宽。另外，在话音信号的事件之间该输入信号的谱估计被滤波以产生在该话音信号的事件之间的输入信号的已滤波谱估计。
从另一个观点来看，在话音信号的事件之间表示输入信号的谱估计的极点的幅度和/或相位分量的有效部分被减小，以产生在话音信号的事件之间输入信号的改进谱估计。在本发明的一个优选实施例中，极点的幅度的有效部分的减小是通过在话音信号的事件期间经过第一带宽和在话音信号的事件之间经过第二带宽平滑该输入信号的频谱来实现的，所述第二带宽基本上大于第一带宽。可替换地，极点的幅度的有效部分的减小是通过对话音信号的事件之间输入信号的谱估计滤波来实现，以产生在该话音信号的事件之间输入信号的已滤波谱估计。
一般地讲，本发明提供了一种用于减小话音信号事件之间噪声信号的谱估计中不希望的特征的方法及装置。本发明在话音信号事件期间经过第一带宽和在话音信号203的事件之间经过第二带宽有利地对噪声信号进行平滑，该第二带宽基本上大于第一带宽。另外，在话音信号事件之间输入信号的谱估计被有利地滤波。从另一个观点来看，在话音信号事件之间表示输入信号的谱估计的极点的幅度和/或相位分量的有效部分被有利地减小，以产生在话音信号事件之间输入信号的改变的谱估计。
当借助于附图1-7阅读时，可对本发明有更好地理解。
图1示出了按照本发明的一个通信单元100，它包括具有输入信号的频谱分析器111。该通信单元一般包括一个话筒101、一个模/数转换器102、一个编码器103、一个发射机104、一个扬声器105、一个数/模转换器106、一个解码器107、一个接收机108、一个控制器109、一个天线110和一个双工器123。很明显，话筒101、模/数转换器102、编码器103、发射机104、扬声器105、数/模转换器106、解码器107、接收机108、控制器109、天线110和双工器123是本领域公知的，除了便于理解本发明之外将不对上述装置作进一步的描述。在1992年4月EIA/TIA IS-54出版物“蜂窝系统双模移动台-基站兼容性标准”中能够找到关于编码器和解码器的详细描述。
本发明中，通信单元既可以是用户单元也可以是如前所述的基地单元。
编码器103和解码器107一般包括一个新颖的谱分析器111，该谱分析器111包括谱平滑器112、谱估计器113、滤波器114、开关130和话音激活检测器115。明显地，谱平滑器112、谱估计器113、滤波器114、开关130和话音激活检测器115是本领域公知的，所以除便于理解本发明之外将不对这些装置作进一步讨论。按照本发明，与新颖谱分析器111相关的信号将在下面详细地描述和说明。
按照本发明，下文一般地描述了谱分析器111的谱平滑器112、谱估计器113、滤波器114和话音激活检测器115之间的功能关系。谱分析器111具有一个输入信号117，该输入信号包括如前所述的噪声信号和话音信号的事件。图2示出了按照本发明包括噪声信号201和话音信号202的事件的图1的输入信号117的曲线表示。该输入信号的曲线用电压与时间关系表示。一个时间帧上的噪声信号部分由参考数字203表示。
谱分析器111执行输入信号117的谱分析以产生包括不希望的噪声信号203的特征的输入信号117的谱估计119。利用谱平滑器112例如在话音信号202的事件期间经过第一带宽和在话音信号202的事件之间经过第二带宽对输入信号117的频谱进行处理，所述第二带宽基本上大于第一带宽。按照本发明，谱平滑器112在第一和第二带宽上对输入信号117的影响将在下面更详细地描述和说明。
可替换地，在话音信号202的事件之间，输入信号117的谱估计被滤波，以产生在话音信号202的事件之间输入信号117的已滤波的谱估计。按照本发明，滤波器114对输入信号117的谱估计的影响将在下面更详细地描述和说明。
从另一个观点来看，在话音信号202的事件之间代表输入信号117的谱估计119的极点的幅度和/或相位分量的有效部分被减小，以产生在话音信号事件之间输入信号117的改变谱估计120。在本发明的一个优选实施例中，极点的幅度的有效部分的减小是通过在话音信号202的事件期间经过第一带宽和在话音信号202的事件之间经过第二带宽使用谱平滑器112对输入信号117的频谱进行平滑来实现的，所述第二带宽基本上大于第一带宽。
可替换地，极点的相位的有效部分的减小通过使用滤波器114对话音信号202的事件之间的输入信号117的谱估计119滤波来实现，以产生话音信号202的事件之间输入信号117的已滤波的谱估计。按照本发明，输入信号117的谱估计119的极点将在下面进行更详细的描述和说明。
在本发明的优选实施例中，谱平滑器112更一般地被描述成一个处理器。一般地讲，谱平滑是本领域所公知的，除便于理解本发明之外，将不对其作进一步的讨论。对于谱平滑的详描述可参见Y.Tohkura.F.Itakura和S.Hashimoto的论文“在PARCOR语言分析合成中的谱平滑技术”（IEEE Trans.on Acoustics.Speech.and Signal Processing，Vol.Assp-26，No.6 December 1978）。
在本发明的优选实施例中，滤波器114对代表谱估计119的极点的相位和幅度滤波。滤波器114有效地减慢了谱估计119的极点的移动。这是通过把一个一阶低通滤波器直接施加于谱估计119的反射系数实现的，其中该滤波器具有如下传输函数：
H(z)= 0.02/(1-0.98z-1)
在本发明的优选实施例中，谱估计器113是一个使用本领域公知的如FLAT（定点晶格技术）算法的线性预测器。FLAT算法是本领域公知的，除便于理解本发明外将不对其作进一步的讨论。关于FLAT算法的详细描述可参见1992年4月EIA/TIA出版物“蜂窝系统双模移动台-基站兼容性标准”。
在本发明的优选实施例中，话音激活检测器115在噪声信号203出现的情况下通过测量输入信号117的能量和把它与噪声信号201中能量的估计值比较来检测话音信号202。话音激活检测器115产生一个具有两个状态的控制信号121和响应输入信号117中话音信号202的出现。话音激活检测器是本领域公知的，除便于理解本发明之外将不对其作进一步的讨论。
在本发明的优选实施例中，开关是普通的并且是响应于控制信号121工作的单刀双掷开关。
下文将更详细地描述按照本发明的谱分析器111的谱平滑器112、谱估计器113、滤波器114、开关130和话音激活检测器115之间的功能关系和相互连接。输入信号117被耦合到谱分析器111。在谱分析器111中，输入信号被同时耦合到谱平滑器112和话音激活检测器115。话音激活检测器115响应输入信号117中话音信号202的存在产生控制信号121。话音激活检测器115产生一个控制信号121，当话音信号202被检测到时，控制信号121具有第一状态，而当没检测到话音信号时，控制信号121具有第二状态。该控制信号121被耦合到谱平滑器112。响应处于第一状态的控制信号121，谱平滑器112经第一带宽例如80Hz平滑输入信号117的频谱。响应处于第二状态的控制信号121。谱平滑器112经第二带宽例如120Hz平滑输入信号117的频谱。需要在第一和第二带宽之间转换是因为在话音信号202期间第一带宽产生最佳结果，而在话音信号202之间第二带宽产生最佳结果。然而，相对于输入信号的带宽第二带宽不能太宽，因为噪声信号的形状会被丢失，而噪声会发出不自然的声音。谱平滑器112产生输入信号117的被平滑的频谱118。输入信号117的被平滑的频谱118被耦合到谱估计器113，它产生输入信号117的被平滑的频谱118的谱估计119。此外，第一和第二带宽之间的转换实际上用户察觉不到。
按照本发明的一个替换实施例，控制信号121被耦合到开关130而不是谱平滑器112。谱平滑器112仅经第一带宽例如80Hz对输入信号117的频谱进行平滑以产生输入信号117的被平滑频谱118。输入信号117的被平滑频谱118被耦合到谱估计器113，它产生输入信号117的被平滑频谱118的谱估计119。谱估计119被耦合到滤波器114和开关130。滤波器114对谱估计119滤波，以产生一个已滤波的谱估计120。开关130响应控制信号121的状态在谱估计119和已滤波的谱估计120之间选择。当控制信号121处于第一状态时，开关选择谱估计119。当控制信号121处于第二状态时，开关选择已滤波谱估计120。响应控制信号121接入和断开滤波器114是需要的，因为在话音信号202期间不产生最佳结果，而在话音信号202之间滤波产生最佳结果。此外，接入和断开滤波器114实际是不为用户所察觉的。
图3示出了按照本发明优选实施例图2的噪声信号201的一部分203的频谱曲线。该频谱曲线示出了幅度与频率关系。输入信号117的频谱、被平滑输入信号118的频谱和谱平滑的输入信号118的谱估计119说明了在谱分析器111中各点的噪声信号201的一部分203。谱估计119由极点301-305表示。如本领域公知的，极点301-305具有幅度和相位分量。在本发明的优选实施例中，各极点由1992年4月EIA/TIA IS-54出版物“蜂窝系统双模移动台-基站兼容标准”所规定。频率f1和f6分别为300Hz和3300Hz，并表示谱分析器111感兴趣的频率。由谱平滑器112使用的第一频率带宽由f3-f4表示并具有80Hz带宽。由谱平滑器112使用的第二频率带宽由f2-f5表示并具有1200Hz带宽。区域306是噪声信号201的一部分203的谱曲线，将在图4中被放大详细地讨论。
图4示出了按照本发明图3的噪声信号201的一部分203的被放大的谱曲线306。该放大的谱曲线部分地示出了输入信号117的频谱、被平滑输入信号118的频谱和谱平滑的输入信号118的谱估计119（如极点302）。在本发明的优选实施例中，输入信号117的峰值的幅度M4被减到该输入信号的被平滑频谱118的峰值幅度M3。由此减小了输入信号117的峰值的有效部分并最终平滑了围绕该峰值的谱形状。
假设引起“嘈杂”的不希望的特征是由在整个时间期间改变频率的输入信号117的峰值引起的。那么，如果由极点302表示的输入信号117的峰值在时间上的下一个谱估计期间在频率上稍微改变其位置，例如变到f2，则在新位置f2处幅度M3-M2的差会激剧地小于如果它未被平滑产生的幅度M4-M1的差。本发明有助于使噪声信号201的一部分203的谱形状随时间的变化最小化。以给出噪声信号201的一部分203更稳定和自然的声音。
图5示出了按照本发明的替换实施例图2的噪声信号201的一部分203的谱曲线。该谱曲线示出了幅度与频率的关系曲线。谱平滑的输入信号118的谱估计119和已滤波的谱估计120分别示出了在谱分析器111中滤波器114的输入和输出处的噪声信号201的一部分203。谱估计119由滤波前的极点301-305和滤波后的极点501-505表示。极点301-305和501-505具有幅度和相位分量如本领域公知的，在本发明的优选实施例中，各极点由1992年4月EIA/TIA IS-54出版物“蜂窝系统双模移动台-基站兼容标准”所规定。频率f1和f5分别为300Hz和3300Hz，并表示谱分析器111感兴趣的频率。f2表示在时间上以前滤波的谱估计的极点502的频率。频率f4表示滤波之前极点302的频率。频率f3表示滤波之后极点502的频率。因此，如前在图1中所述的，滤波器114在整个时间期间对极点的幅度和相位（即频率）进行滤波。区域506是如将在图6中被详细放大讨论的噪声音号201的一部分203的谱曲线的一部分。
图6示出了按照本发明图5的噪声信号的一部分203的放大频谱曲线506。该放大的频谱曲线506部分地示出了谱平滑的输入信号118的谱估计119（如极点302）和分别在谱分析器111中滤波器114的输入和输出处的噪声信号201的一部分203的已滤波谱估计120（如极点502）。对谱估计119滤波是有利地在整个时间期间减慢峰值移动的效果。当使用滤波器114时极点在频率f2和f3之间的极点移动比不使用滤波器114时极点在频率f2和f4之间的移动小得多。这样，本发明有利地在整个时间期间使噪声信号201的部分203的谱形状中的变化最小化、以给出噪声信号201的部分203更稳定和自然的声音。
图7示出了按照本发明的优选和替换实施例由图1的谱分析器执行的各步骤的流程图。该流程在步骤701开始。在步骤702，由话音激活检测器作出一个判决：是否在输入信号117中检测到话音激活。如果在步骤702检测到话音激活，重复步骤702。在该优选实施例中如果在步骤702没检测到话音激活，则流程进到步骤703。在步骤703，谱平滑器112平滑噪声信号203的频谱以产生噪声信号203的被平滑频谱118。在步骤704，谱估计器113对噪声信号203的被平滑频谱118的频谱进行估计。在步骤705流程返回到其它处理。
在本发明的替换实施例中，如果在步骤702没检测到话音激活，流程进到步骤706。在步骤702，谱估计器113对噪声信号203的频谱进行估计以产生噪声信号203的一个谱估计119。在步骤707，滤波器114对该噪声信号的谱估计滤波，以产生噪声信号203的已滤波谱估计120。在步骤705流程返回到其它处理。
于是，很明显，本发明提供了一种用于减小话音信号事件之间噪声信号的谱估计中不希望的特征的方法及装置，它完全满足了上述提出的要求。利用本发明基本解决了现有技术的接入和断开以及消除噪声信号的问题。本发明有利地在话音信号203的事件期间经过第一带宽f3-f4和在话音信号203的事件之间经过第二带宽f2-f5平滑噪声信号，该第二带宽f2-f5基本上大于第一带宽f3-f4。可替换地，在话音信号203的事件之间输入信号119的谱估计119被有利地滤波。从另一个观点来看，在话音信号203的事件之间代表输入信号119的谱估计的极点301-305的幅度和/或相位分量的有效部分被有利地减小，以产生在话音信号203的事件之间输入信号119的改变的谱估计。
虽然参考示例性的实施例对本发明进行了描述，但并不想将本发明限制到这些特定实施例上。本领域的技术人员将会认识到，只要不脱离如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围，可以对其作出各种改型和改进。
Claims (12)
1、在包括噪声信号和话音信号事件的输入信号的谱分析期间，其中对输入信号的频谱进行估计以产生包括不希望的噪声信号特征的输入信号的谱估计，一种减小话音信号的事件之间不希望的噪声信号的特征的方法，该方法包括如下步骤：
在话音信号的事件期间经过第一带宽和在话音信号的事件之间经过第二带宽对输入信号的频谱进行处理，该第二带宽基本上大于第一带宽。
2、在包括噪声信号和话音信号的事件的输入信号的谱分析期间，其中对输入信号的频谱进行估计以产生包括不希望的噪声信号特征的输入信号的谱估计，一种用于减小在话音信号事件之间不希望的噪声信号的特征的方法，所述方法包括如下步骤：
对话音信号的事件之间的输入信号的谱估计滤波，以产生在话音信号的事件之间输入信号的已滤波谱估计。
3、在包括噪声信号和话音信号的事件的输入信号的线性预测分析期间，其中对输入信号的频谱进行估计，以产生代表包括不希望的噪声信号特征的输入信号的谱估计的极点，其中这些极点由幅度和相位分量限定，一种用于减小在话音信号的事件之间不希望的噪声信号的特征的方法，所述方法包括如下步骤：
减小话音信号的事件之间极点的幅度和相位分量中的至少一种分量的有效部分，以产生在话音信号的事件之间输入信号的改变的谱估计。
4、根据权利要求3的方法，其中减小极点的幅度的有效部分的步骤进一步包括如下步骤：在话音信号的事件期间经过第一带宽和在话音信号的事件之间经过第二带宽平滑输入信号的频谱，所述第二带宽基本上大于第一带宽。
5、根据权利要求3的方法，其中减小极点的相位的有效部分的步骤进一步包括如下步骤：对话音信号的事件之间的输入信号的谱估计滤波，以产生在话音信号的事件之间输入信号的已滤波谱估计。
6、在具有包括噪声信号和话音信号的事件的输入信号的线性预测分析器中，其中谱估计器对输入信号的频谱进行估计，以产生代表包括不希望的噪声信号特征的输入信号的谱估计的极点，其中这些极点由幅度和相位分量限定，一种用于减小在话音信号的事件之间不希望的噪声信号特征的设备，所述设备包括：
一个极点分量缩减器，减小在话音信号的事件之间极点的幅度和相位分量中至少一种分量的有效部分，以产生在话音信号的事件之间输入信号的改变的谱估计。
7、在执行输入信号的谱分析的通信单元中，所述输入信号包括噪声信号和话音信号的事件，其中对该输入信号的频谱进行估计，以产生包括不希望的噪声信号特征的输入信号的谱估计，一种减小在话音信号事件之间不希望的噪声信号特征的方法，所述方法包括如下步骤：
接收一信号以产生所述输入信号;和
在话音信号的事件期间经过第一带宽和在话音信号的事件之间经过第二带宽对输入信号的频谱进行处理，该第二带宽基本上大于第一带宽。
8、在执行输入信号的谱分析的通信单元中，所述输入信号包括噪声信号和话音信号的事件，其中对该输入信号的频谱进行估计，以产生包括不希望的噪声信号特征的输入信号的谱估计。一种用于减小在话音信号事件之间不希望的噪声信号特征的方法，所述方法包括如下步骤：
在话音信号的事件期间经过第一带宽和在话音信号的事件之间经过第二带宽对输入信号的频谱进行处理，以产生一个被处理的信号，所述第二带宽基本上大于第一带宽;和
发送已处理的信号以产生一个发送的信号。
9、在执行输入信号的谱分析的通信单元中，所述输入信号包括噪声信号和话音信号的事件，其中对该输入信号的频谱进行估计，以产生包括不希望的噪声信号特征的输入信号的谱估计。一种用于减小在话音信号事件之间不希望的噪声信号特征的方法，所述方法包括如下步骤：
接收一个信号以产生所述输入信号;和
对话音信号的事件之间的输入信号的谱估计滤波以产生在话音信号的事件之间输入信号的已滤波谱估计。
10、在执行输入信号的谱分析的通信单元中，所述输入信号包括噪声信号和话音信号的事件，其中对该输入信号的频谱进行估计以产生包括不希望的噪声信号特征的输入信号的谱估计，一种用于减小在话音信号事件之间不希望的噪声信号特征的方法，所述方法包括如下步骤：
对话音信号的事件之间的输入信号的谱估计滤波以产生在话音信号的事件之间输入信号的已滤波谱估计。
发送输入信号的已滤波谱估计以产生一发送的信号。
11、在执行输入信号的线性预测分析的通信单元中，所述输入信号包括噪声信号和话音信号的事件，其中对输入信号的频谱进行估计，以产生表示包括不希望的噪声信号特性的输入信号的谱估计的极点，其中各极点由幅度和相位分量限定，一种减小话音信号的事件之间不希望的噪声信号特征的方法，所述方法包括如下步骤：
接收一个信号以产生该输入信号;和
减小话音信号的事件之间极点的幅度和相位分量中至少一种分量的有效部分，以产生在话音信号的事件之间输入信号的改变的谱估计。
12、在执行输入信号的线性预测分析的通信单元中，所述输入信号包括噪声信号和话音信号的事件，其中对输入信号的频谱进行估计，以产生代表包括不希望的噪声信号特征的输入信号的谱估计的极点，其中各极点由幅度和相位分量限定，一种用于减小话音信号事件之间不希望的噪声信号特征的方法，所述方法包括如下步骤：
减小话音信号的事件之间极点的幅度和相位分量中至少一种分量的有效部分，以产生在话音信号的事件之间输入信号的改变的谱估计;和
发送话音信号的事件之间的输入信号的改变的谱估计。
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