CN1289500A - 带有用于在存在噪声下增强主观信号感觉的装置的电话 - Google Patents

Abstract

本发明包括声音信号的动态范围压缩,用于增强在存在噪声下这个信号的主观感觉:压缩信号的动态范围事实上相应于把这个信号的每个样本与取决于所述样本的幅度的增益相乘。所提出的压缩方法完全是自适应的,因为它包括从各种可能的规律中选择一个压缩规律作为测量噪声的函数。这个选择步骤考虑本地噪声(N_l)和远端噪声(N_r)的电平,也就是在接收的音频信号中所包含的噪声。应用项:显然是移动电话。

Description

带有用于在存在噪声下增强主观信号感觉的装置的电话

                    发明领域

本发明涉及声音恢复装置，包括用于测量噪声的装置和用于按照从各种可能的规律中选择的压缩规律来压缩音频信号的动态范围的装置。本发明也涉及声音恢复方法，包括用于测量噪声的步骤和用于按照从各种可能的规律中选择的压缩规律来压缩音频信号的动态范围的步骤。本发明最后涉及包括这样的装置、或实施这样的方法的电话。

本发明发现重要的应用，特别是对于在特别嘈杂的环境中使用的移动电话的应用。当周围环境声音水平变成为太高时，音频信号陷入到噪声中，这使得电话的使用非常不舒服。

                     发明背景

欧洲专利申请EP 0 661 858 A2描述了一种声音恢复装置，它包括用于修改接收的音频信号的动态范围(也就是说，在信号的最高幅度与最低幅度之间的比值)作为环境背景噪声的函数的装置。

这个恢复装置在接收的音频信号不包含太多的噪声时，也就是说，在被包括在接收的音频信号中的噪声没有太高的幅度时，给出良好的结果。

                    发明概要

本发明的一个目的是提出一种装置，它在音频信号包含噪声时给出良好的结果。这是通过本申请的权利要求1中提出的声音恢复装置来达到的。

本发明的另一个目的是提出一种按测量的噪声(特别是远端噪声)的函数调整压缩规律的特别有效的方法。这个目的是通过本申请的权利要求2中提出的声音恢复装置来达到的。有利地，压缩比、参考电平、和过渡门限值是测量的噪声(特别是远端噪声)的函数。

本发明的再一个目的是提出一种在远端噪声很高时特别有效的压缩规律。为了达到这个目的，加上一个扩展阶段，用于扩展低于扩展门限值(这个扩展门限低于过渡门限值)的声音信号的动态范围，以便减小远端噪声。在有利的实施例中，这个扩展门限值是测量的噪声的函数。

                      附图简述

通过非限制性的实例，参照此后描述的实施例，将明白本发明的这些和其它方面。

图1显示包括声音恢复装置的电话的实例，

图2、3、6、和7给出各种类型的压缩规律的实例，

图4是概括用于选择压缩规律、和此后用于按照所选择的压缩规律计算加到声音信号上的增益的各种步骤的方框图，以及

图5是概括按照本发明的声音恢复方法的步骤的方框图。

                 优选实施例描述

在图1上，给出了包括声音恢复装置2的电话1的例子。电话显然包括被连接到模拟/数字变换器20的话筒10，模/数变换器20本身被连接到语音编码器30。这个语音编码器30，一方面被连接到信道编码器40，以及另一方面，被连接到用于测量背景噪声N_l的装置50。信道编码器40的输出端被连接到传统的射频收发信机电路60。这个射频收发信机电路60也被连接到用于处理由电话所接收信号的信道译码器70。这个信道译码器70被连接到用于处理音频信号Uin的语音译码器80。这个语音译码器80，一方面被连接到用于测量被包含在音频信号Uin中的远端噪声N_r的装置90，以及另一方面，被连接到用于压缩音频信号Uin的动态范围的装置100。由噪声测量装置50和90执行的本地噪声N_l和远端噪声N_r的测量值被加到压缩装置的输入端。这些测量值被压缩装置100使用来确定要施加到音频信号Uin上的压缩规律。压缩装置100传递音频信号Uout，该音频信号被加到本身连接到耳机120的数字/模拟变换器110。

所述噪声测量装置包括：

-用于从包含语音和噪声的信号中区分出只有噪声的信号的传统装置(它们可以是，例如，语音检测装置)，

-用于测量只有噪声的信号功率的装置。

由于噪声可被看作为在2秒量级的周期上稳态的(而语音只是在20毫秒量级的周期上稳态的)，对于所接收的每个只是噪声的信号，重新开始噪声测量是足够的。

压缩装置100的目的是将音频信号的动态范围作为本地噪声的函数来压缩，以及在优选的实施例中，把它作为测量的远端噪声的函数来压缩。信号动态范围的压缩事实上相应于把这个信号的每个样本与取决于所述样本的幅度的增益相乘。

在图2上，给出第一规律组的三个压缩规律。这个规律组相应于作为幅度函数的增益的第一种类型变化曲线。

在以下的说明中，类型X_dB的基准被用来表示以dB计的变量X的数值，而类型X的基准(不带下标)被用来表示变量X的线性值。换句话说，X_dB=log(X)。

在图2上，增益G_dB是幅度Uin_dB的线性递减函数。三个增益变化曲线规律因此是直线D_i，它们由其斜率b_i表征，以及它们都在一个幅度电平C_dB处取零增益，该幅度电平在以下的说明中被称为参考电平。直线直线D_i的方程被写为：D_i:G_dB=b_i.[C_dB-Uin_dB] $\⇔D_1:\log \left(G\right)=b_i.[\log \left(C\right)-\log \left(\mathrm{Uin}\right)]=\log {(C/\mathrm{Uin})}^{\left(b_i\right)}$ $\⇔D_i:G={(C/\mathrm{Uin})}^{\left(b_i\right)}---\left(1\right)$

其中G、Uin和C是增益G_dB、幅度A_dB和参考电平C_dB的线性值，以及b_i是直线D_i的斜率的绝对值。

令Uin1和Uin2是加到压缩装置的输入端的音频信号的两个幅度，以及Uout1和Uout2是在压缩装置的输出端的两个输出幅度。从式(1)可以得出以下的关系式联系这两个幅度Uout1和Uout2： $\frac{\mathrm{Uout}1}{\mathrm{Uout}2}=\frac{{\left(\frac{C}{\mathrm{Uin}1}\right)}^{b_i}\·\mathrm{Uin}1}{{\left(\frac{C}{\mathrm{Uin}2}\right)}^{b_i}\·\mathrm{Uin}2}={\left(\frac{\mathrm{Uin}1}{\mathrm{Uin}2}\right)}^{(1-b_i)}---\left(2\right)$

从式(2)可以得出，输入信号的幅度的任何变化是以缩减因子(1-b_i)被传送到输出信号上的。这个缩减因子被称为压缩比，被表示为τ_i(τ_i=1-b_i)。式(1)因此也被写为：

G=(C/Uin)^(1-τi)       (1)

最后，音频信号的动态范围的压缩结果由于直线D_i的斜率b_i相当大，从而由于压缩比τ_i很低，而更加重要。在图2上，我们有b₁＜b₂＜b₃和τ₁＞τ₂＞τ₃。

图3上显示了第二规律组的另三个压缩规律。这个第二规律组相应于增益对幅度的第二种类型变化曲线。这些规律对于高于过渡门限值T2_dB的幅度Uin_dB是与图2的那些规律相同的，该过渡门限值T2_dB低于或等于C_dB在过渡门限值T2_dB以下时，增益G_dB具有恒定值Gmax，无论所考虑的幅度Uin是多少。换句话说，在本例中，对于加到音频信号的样本上的最大增益引入了一个限制。这个实施例允许被包含在音频信号中的远端噪声的放大的限制条件。事实上，存在于音频信号中的远端噪声通常相应于低于过渡门限值T2的幅度。当放大第幅度的音频信号时，人们就有放大远端噪声的风险。由于压缩很大，也就是说，压缩比很低，就更加存在这种发送远端噪声的风险。压缩越强，选择为限制可加到音频信号的最大增益的数值越低(图3上，有Gmax_3dB＞Gmax_2dB＞Gmax_1dB)。

以下将详细描述本发明的对于第二种类型规律组的一个实施例(图3)。

按照本发明，表示增益作为幅度(在刚描述的例子中的τ,C和T2)的函数的表征的演变的参量是包含在信号本身中的本地噪声和可能地远端噪声的连续或非连续函数：

T2=f₁(N_r,N_l)

C=f₂(N_r,N_l)

τ=f₃(N_r,N_l).

如前所述，低的压缩比的使用导致这种远端噪声的放大。在这种情况下，最好是停止或减小压缩。为此，至少采取以下的措施中的一个：

-提高过渡门限值T2，

-提高压缩比τ，

-减小参考幅度C。

这些测量可被归结为以下的方程 $\frac{\&PartialD;C}{\&PartialD;N_r}<0;\frac{\&PartialD;T2}{\&PartialD;N_r}>0;\frac{\&PartialD;\hat{o}}{\&PartialD;N_r}>0---\left(3\right)$

另一方面，当本地噪声Nl相当大时，压缩是非常有效的。因此压缩允许通过相对于参考幅度C提高低的幅度和减小高的幅度，而重新平衡音频信号的幅度。在这种情况下，通过提高信号的平均电平也可以增强感知程度。为此，至少采取以下的措施中的一个：

-提高参考幅度C，

-减小过渡门限值T2，以便较早地启动压缩，

-减小压缩比τ。

这些测量可被归结为以下的方程 $\frac{\&PartialD;C}{\&PartialD;N_1}>0;\frac{\&PartialD;T2}{\&PartialD;N_1}<0;\frac{\&PartialD;\hat{o}}{\&PartialD;N_1}<0---\left(4\right)$

通过非限制性的例子给出的以下的函数，满足由式(3)和(4)施加的条件： $T2=f_1(N_r,N_l)=\frac{|\mathrm{Uin}{|}_{\max }}{1+{\hat{a}}_1\frac{N_1}{N_r}}$ 对于0＜

＜1 $C=f_2(N_r,N_l)=\frac{|\mathrm{Uin}{|}_{\max }}{1+{\hat{a}}_2\frac{N_r}{N_1}}$ 对于0＜ ＜1和 ＜

$\hat{o}=f_3(N_r,N_l)=\frac{|\mathrm{Uin}{|}_{\max }}{1+{\hat{a}}_3\frac{N_l}{N_r}}$ 对于0＜

＜1

图4上以方框图形式显示了根据噪声测量N_r和N_l而加到样本的增益计算方法的例子的各个步骤。

为了简单起见，至今通过使用增益根据音频信号幅度的变化规律(式(1))来解释本发明。然而，最好是用信号的能量E来代替信号的幅度，以避免增益太快的变化。能量E的使用允许平滑信号Uout的变化，因此避免了语音信号的失真。实际上，最好使用以下类型的方程：

G(k)=[C/E(k)]^(1-τ)其中E(k)是对于音频信号的第k个样本的音频信号的能量。

E(k)是由以下的方程得出的：

E(k)=α·Uin(k)·+(1-α).E(k-1)，其中是α衰减因子。

实际上，能量E是通过滤波幅度·Uin(k)·而得到的：滤波器的转移函数的z变换因此被写为α/[1-(1-α).z^-1].

图4上显示了用于计算参量T2、C和τ(它们表征要被使用的压缩规律)的三个方块．这些方块在输入端接收远端噪声和本地噪声的测量值N_r和N_l，以及由此通过应用函数f₁,f₂和f₃得出参量T2、C和τ的数值．在方块200的输出端处得到的过渡门限值T2被加到计算块230，它计算在这个门限值T2与对于样本k计算的能量E(k)之间的最大值MAX。最大值MAX是被加到样本k上的增益G的计算参量，因为在低于过渡门限值时(也就是说，当MAX=T2时)，这个增益等于Gmax，以及在大于这个过渡门限值时(也就是说，当MAX=E(k)时)，它等于[C/E(k)]^(1-τ)。块240在输入端接收参量C、τ和MAX的数值以及由此得出要被加到样本k的增益的数值。

应当指出，在长的静默时间间隔的情况下(通常不太经常出现)，能量E(k)可以是零。如果T2=0，则可得出无限增益G(G=[C/E(k)]^(1-τ)))。因此，对称地使用非零门限T2，以便远离风险是有利的。这意味着，即使在不希望限制增益的最大值低于某个门限T2时，给予T2非常低的数值以避免在E(k)=0的情况下具有无限大的增益，是有利的。

图5概述了按照本发明的声音恢复处理的各个步骤。在步骤300，音频信号Uin和噪声N和N的测量值被加到压缩装置100。下一个步骤310允许作出决定，是激活还是不激活压缩。在有利的情况下：

-当远端噪声N_r是高时，无论本地噪声N_l是多少，以及当远端噪声N_r是低或中等时和当本地噪声N_l是低时，压缩不被激活；

-当远端噪声N_r是低或中等时和当本地噪声N_l是高或中等时，压缩被激活。

如果压缩不被激活，则输出的音频信号Uout等于输入的音频信号Uin(箭头311)。如果压缩被激活(箭头312)，则改变到下一个步骤320。在步骤320，计算音频信号的幅度·Uin·。然后，在步骤330，这个幅度被滤波，得到音频信号的能量(滤波器的转移函数的z变换被写为α/[1-(1-α).z^-1])。下一个步骤340是被加到输入信号上的增益的计算步骤。这个步骤参照图4更详细地被描述。在步骤350，音频信号Uin被乘以已被计算的增益G，以使得输出信号Uout等于(G.Uin)。

本发明不限于刚描述的实施例。更具体地：

-在整个说明中，认为噪声N_l和N_r的测量值是直接对于由电话接收的本地和远端信号进行的测量值。这些测量值可以是剩余噪声的测量值，也就是，在电话所接收的信号传递通过传统的噪声减小装置以后的本地噪声和/或远端噪声的测量值。这样的实施例允许在选择压缩规律时减小与测量值N_l和N_r的电平相联系的约束条件。

-也有可能通过使用本地噪声和远端噪声的非连续函数来计算表征规律组的参量。

一增益变化曲线本身可以是音频信号的幅度或能量的非连续函数。在这种情况下，有利地使用一个表格，用于存储要被分配给增益的、作为已被计算的压缩参量的函数的数值。

-步骤310，允许在某些情况下不激活压缩，是可任选的。

-有可能使用其它的增益作为音频信号的幅度或能量的函数的变化类型。

图6上显示了压缩规律，相应于作为幅度的函数的第三种类型的增益变化曲线。这个规律对于高于扩展的门限值T1_dB＜T2_dB的幅度Uin_dB是与图3的规律相同的。在低于这个扩展的门限值T1_dB时，增益G_dB是幅度Uin的线性增长函数．换句话说，在本实施例中引入了对于低于T1的幅度的音频信号的动态范围的扩展．这个扩展使得能够减小在音频信号中存在的远端噪声，从而增强了用户的收听舒适性。这个扩展门限T1的作用等同于过渡门限值T2的作用．门限值T1可以由以下类型的函数给出： $T1=f_4(N_r,N_l)=\frac{|\mathrm{Uin}{|}_{\max }}{1+{\hat{a}}_4\frac{N_l}{N_r}}$ 对于0＜

＜1和

＞

图7上显示了一个压缩规律，相应于作为幅度的函数的第四种类型的增益变化曲线。这个规律是与图6所示的规律相同的，但在由门限值T1_dB和T2_dB规定的三个区之间的过渡是渐进的，以使得这个规律由一条曲线描述，而不再由一系列直线段描述。

描述了这种情况，其中在低于过渡门限值时，作为幅度函数的增益变化是常数或增长的．这个变化也可以是减小的，比起高于门限值T2时具有较弱的减小。

Claims (10)

1．声音恢复装置，包括用于测量噪声的装置和用于按照从各种可能的规律中所选择的压缩规律来压缩音频信号(Uin)的动态范围的装置(100)，其特征在于，所述用于测量噪声的装置包括用于测量在音频信号中的被称为远端噪声(N_r)的噪声信号的装置(90)，以及所述压缩规律被选择为测量的远端噪声的函数。

2．如权利要求1中要求的装置，其特征在于，压缩规律至少被以下的作为所测量噪声函数的参量确定：

-压缩率(τ)，相应于作为幅度(Uin)函数的，至少从被称为过渡门限值(T2)的门限值起减少的增益(G)变化曲线，

-以及参考电平(C)，高于或等于所述过渡门限值，对于该门限值，增益(G)等于1。

3．如权利要求2中要求的装置，其特征在于，低于所述过渡门限值时，加到音频信号的增益具有作为音频信号幅度函数的恒定的和/或增加的变化曲线。

4．如权利要求2中要求的装置，其特征在于，所述过渡门限值是所测量噪声的函数。

5．具有声音恢复装置(2)的电话(1)，该声音恢复装置包括用于测量噪声的装置和用于按照从各种可能的规律中所选择的压缩规律来压缩音频信号(Uin)的动态范围的装置(100)，其特征在于，所述用于测量噪声的装置包括用于测量在音频信号中的被称为远端噪声(N_r)的噪声信号的装置(90)，以及所述压缩规律被选择为测量的远端噪声的函数。

6．如权利要求5中要求的电话，其特征在于，压缩规律至少被以下的作为所测量噪声的函数的参量确定：

-压缩率(τ)，相应于作为幅度(Uin)的函数的，至少从被称为过渡门限值(T2)的门限值起减少的增益(G)变化曲线，

-以及参考电平(C)，高于或等于所述过渡门限值，对于该门限值，增益(G)等于1。

7．如权利要求6中要求的电话，其特征在于，低于所述过渡门限值时，加到音频信号的增益具有作为音频信号幅度函数的恒定的和/或增加的变化曲线。

8．如权利要求6中要求的电话，其特征在于，所述过渡门限值是所测量噪声的函数。

9．声音恢复方法，包括用于测量噪声的步骤和用于按照从各种可能的规律中选择的压缩规律来压缩音频信号的动态范围的步骤，其特征在于，所述用于测量噪声的步骤包括用于测量在音频信号中的被称为远端噪声(N_r)的噪声信号的步骤，以及所述压缩规律被选择为测量的远端噪声的函数。

10．如权利要求9中要求的声音恢复方法，其特征在于，压缩规律至少被以下的作为所测量噪声函数的参量确定：

-压缩率(τ)，相应于作为幅度(Uin)的函数的，至少从被称为过渡门限值(T2)的门限值起减少的增益(G)变化曲线，

-以及参考电平(C)，高于或等于所述过渡门限值，对于该门限值，增益(G)等于1。

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