CN1552146A

CN1552146A - 抑制周期干扰信号的装置和方法

Info

Publication number: CN1552146A
Application number: CNA018236723A
Authority: CN
Inventors: S��A��ֿ�; S·A·克林克
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2004-12-01
Also published as: DE50114877D1; EP1430674B1; EP1430674A1; WO2003036892A1; US20040242157A1

Abstract

本发明涉及用于抑制周期干扰信号的装置和方法，具有一个用于在被干扰的有用信号(x(k))的基础上输出错误信号(d(k))和附属系数(ai)的信号分析器(1)，其中去干扰单元在错误信号(d(k))的基础上产生去干扰的错误信号(d｀(k))，并且信号合成器(3)在去干扰的错误信号(d｀(k))和系数ai的基础上恢复去干扰的有用信号(x*(k))。

Description

抑制周期干扰信号的装置和方法

本发明涉及抑制周期干扰信号的装置和方法，特别涉及抑制声频波段中的周期干扰信号的装置和方法，例如由数字电信系统在数据传输时引起这种干扰并且馈入例如移动电信终端设备或外部设备、比如助听器中。

在许多数字电信系统中经过具有预先确定载频的脉冲高频信号在移动电信终端设备、比如移动电话和附属基站之间进行数据传输。对于所谓的GSM电信系统(Global System For Mobile Communications)该载频为900MHz，脉冲频率为大约217Hz。与此相比在DECT电信系统的情况下该载频为1800MHz并且附属的脉冲频率为100Hz。基于GSM的另外标准是DCS 1800标准，其同样工作在1800MHz的载频下。因此在数字电信系统中应用具有不同脉冲频率的多个载频，因此终端设备生产上越来越多地发展所谓的双频带或者三频带终端设备。

对此脉冲的高频信号常常特别引起这个问题。通过在终端设备中存在的传声器的非线性FET特性曲线解调脉冲高频信号，如此在声频范围内部分引起明显感觉到的干扰。

图1指出了在由于如此的脉冲高频信号干扰的信号源的输出端上、比如传声器、干扰频谱的简化图示。

图2指出了附属脉冲高频信号或者周期干扰信号的简化图示，例如在GSM或DECT电信系统中出现该干扰信号。在GSM标准中根据图2在大约4.7毫秒的时间间隔ΔT内传输包含真正信息的高频脉冲。在DECT标准中该时间间隔ΔT为10毫秒，与GSM中的217Hz不同这相当于100Hz。该周期干扰信号可能引入印刷电路板中并且特别引到信号源、比如传声器上，由此产生在图1中示出的干扰峰值。

传统的抑制周期干扰信号的装置和方法主要基于通过例如信号源的导电屏蔽外壳或者导电的传声器外壳屏蔽无线辐射。对此必须注意，该外壳尽可能完全闭合。大多数通过金属屏蔽达到最佳效果。可是特别是在设备、比如象移动的电信终端设备和/或助听器中如此屏蔽的费用是极其昂贵并且此外是位置紧凑的。

另一个用于抑制周期干扰信号的可能性通常在于，通过滤波排除导线连接的馈入。对此通常应用去干扰电容，其空间上安装在传声器的场效应晶体管附近，以便尽可能显著衰减周期高频干扰信号。对此电容的选择是特别关键的，因为在较高频率的情况下寄生电感的影响显著增加并且电容的容抗有在图3中示出的曲线。因此仅仅以一个电容实现最佳的去干扰，其容抗对于干扰信号的各自频率是最小的。可是对此缺点是，如此的、以电容调谐的信号源或者传声器花费明显多于传统的标准驻极体传声器。此外对于每个新电信终端设备或者便携模型或每种类型的助听器必须产生新的信号源或者传声器，因为硬件环境、比如终端设备或者助听器的印刷电路板布局、影响去干扰电容器的特性。另一个缺点在于，对于每个载频需要各自的去干扰电容器，如此对于双频带设备信号源需要有二个去干扰电容器，对于三频带设备信号源需要有甚至三个去干扰电容器。

因此本发明基于这个任务，建立用于抑制周期干扰信号的装置和方法，其中在改善干扰的情况下能够明显降低费用。

根据本发明通过权利要求1的特征解决关于装置的任务，通过权利要求18的特征解决关于方法的任务。

特别通过把信号分析器用于在被干扰的有用信号基础上输出错误信号和附属系数、把去干扰单元用于在错误信号的基础上产生一个具有降低的周期干扰信号的去干扰错误信号并且把信号合成器用于在去干扰的错误信号和系数的基础上恢复去干扰的有用信号，突出抑制了周期的干扰信号。去干扰单元对由信号分析器产生的错误信号的应用对感觉到讨厌的回声效应产生有利作用，如果去干扰单元直接应用被干扰的有用信号通常出现该回声效应。

信号分析器主要包括用于在语音信号的基础上输出序告错误信号和附属序告系数的FIR滤波器(Finite Impulse Response)，信号合成器主要包括一个用于在去干扰的错误信号和附属系数基础上恢复去干扰的语音信号的IIP滤波器(Infinite Impulse Response)。更确切地说，根据本发明在语音编码时在数字电信系统中本来应用的语音估算器用于抑制周期的干扰信号。特别是当应用在移动电信终端设备中时通过应用本来已经存在的语音编码的元件极其低成本地抑制周期干扰信号。以同样的方式，如此从语音编码或者语音估算中已知的元件也应用在外部设备中、比如助听器，由此特别是与由数字传输系统产生的周期干扰信号相比在另外的干扰抑制中能够进一步小型化。

信号分析器主要包括一个线性序告装置，其在20至400毫秒的时间范围内实施短时序告。因为在数字化的语音中通常涉及非常冗余的数据，也就是说在传输期间可以在较大的限度内容忍各个数据的损失或干扰，如此的线性短时序告能够产生足够准确的错误信号和系数以便进一步的信号处理。为了确定各自系数对此特别提供所谓的Levinson-Duebin算法，因为该算法在语音编码时通常特别应用在移动终端设备中并因此本来提供使用该算法。

在信号输入端上高通滤波器附加可以用于对被干扰的有用信号滤波并且用于改善在信号分析器中的系数计算，其中通常使用一个所谓的Preenfasys滤波器。由此可以进一步改善干扰抑制。信号输出端方面此外低通滤波器可以用于对去干扰的有用信号滤波并用于补偿在信号输入端上应用的高通滤波器，其中该滤波器通常表示为所谓的Deenfasys滤波器。

用于在错误信号的基础上产生去干扰的干扰信号的去干扰单元主要实施在时间范围内或在频率范围内的滤波。对此去干扰单元例如是一个梳状滤波器，其分别在周期干扰信号的基频和附属谐波附近具有最大衰减。

主要在无线电信终端设备中形成干扰抑制装置，因为已经存在多个元件并且由于在发射和接收部分之间非常接近馈入是特别难以解决的。可是该装置以同样的方式也可以在外部设备中并且也别是在助听器中形成，其中同样由于在数字电信系统的终端设备和外部设备之间非常接近存在较强的馈入。在进一步小型化和抗干扰性的情况下由此可以进一步降低如此助听器的费用。

在另外的权利要求中表明本发明的另外有益扩展。

下面根据实施例参考图详细描述本发明。

图示：

图1由信号源产生的、具有周期干扰信号的频谱的简化表示；

图2周期干扰信号的简化的时间表示；

图3以去干扰电容器实现的阻抗曲线的简化图示；

图4具有根据本发明的干扰抑制装置的整个系统的简化方框图；

图5根据本发明的干扰抑制装置的简化方框图；

图6根据图5的去干扰单元的简化方框图；和

图7根据图6的去干扰单元的频谱的简化图示。

图4指出了一个系统结构的简化方框图，在该结构中可以例如应用根据本发明的干扰抑制装置。

根据图4，M表示信号源或者用于把声音的语音信号转换为电语音信号或者有用信号的传声器。正如前面已经描述的，由于例如经过印刷电路板或经过无线辐射干扰信号的馈入真正的语音有用信号与干扰信号叠加，由此产生被干扰的有用信号x(k)。一般已知有用信号与周期干扰信号的如此叠加，其中由电流网络引起的蜂鸣是一个典型的实例。

正如开始已经描述的，如此干扰也可能出现在数字电信设备或者在这个终端设备的附近应用的设备中，其中在这种情况下由在移动电信终端设备和附属基站之间的数据传输引起周期的干扰信号。为了抑制如此的周期干扰信号可以实施开始描述的已知措施，比如预先规定信号源M的屏蔽和/或预先规定干扰信号前置滤波器C，该前置滤波器通常具有一个去干扰电容器并且同样适合于降低在有用信号x(k)中的周期干扰信号。根据本发明现在根据图4在一个方框F中实现周期干扰信号的抑制，其中已经已知的干扰抑制措施可以最佳地补充于根据本发明的干扰抑制。

图5指出了根据图4的干扰信号抑制装置F的简化方框图。为了简化下面的描述，首先以此为出发点，即选择的方框4和5在图5中不存在，并且因此被干扰的有用信号x(k)＝x`(k)。同样x*`(k)＝x*(k)。

对此抑制周期干扰信号的装置主要包括一个信号分析器1，该分析器用于在被干扰的有用信号或者被干扰的电语音信号的基础上输出一个错误信号d(k)和附属的系数a_i。在由信号分析器1输出的错误信号d(k)的基础上，去干扰单元2产生一个具有降低的周期干扰信号的去干扰错误信号d`(k)，其传递给信号合成器3。信号合成器3在去干扰的错误信号d`(k)和由信号分析器1产生的系数a_i的基础上实施信号综合以便恢复去干扰的有用信号x*(k)或者x*`(k)。因为去干扰应用在信号分析中产生的错误信号并且不应用真正被干扰的有用信号x(k)或者x`(k)，以致可靠避开了感觉到讨厌的回声效应并且在去干扰单元2适当匹配周期干扰信号的情况下没有损失有用信号质量地实现去干扰。因此可以显著改善去干扰的有用信号x*(k)的有用信号质量。

第一实施例

根据第一实施例在一个移动电信终端设备、比如移动电话中形成干扰抑制装置，其中在图5中示出的元件至少部分已经存在用于语音编码。

在数字化的语音中通常涉及非常冗余的数据。为了降低数据量以及对干扰的敏感程度因此特别在无线电信系统中应用所谓语音编码器，其在考虑人的接收能力的情况下改善信号质量或者抗干扰性。对此作为所谓的语音估算器产生FIR滤波器(Finite Impulse Response)和/或IIR滤波器，其用于在存在的语音信号的基础上输出序告错误信号和附属的序告系数。根据本发明信号分析器1可以应用如此的FIR滤波器，其用于在存在的被干扰的语音信号x(k)的基础上输出序告错误信号d(k)和附属的序告系数a_i。对此例如实施线性序告的线性序告装置用作信号分析器1，其中主要在20至400毫秒的时间范围内实施短时序告。另一方面在语音编码中一般已知如此的线性短时序告，其中为了计算序告系数a_i主要应用所谓的Leavsson-Durbin算法，因此下面放弃详细描述。

因此信号分析器1产生被干扰的错误信号d(k)以及不包含干扰的附属系数a_i。

根据图5在去干扰单元2中实施周期干扰信号的真正去干扰，其中例如可以应用在图6中描述的梳状滤波器。

由信号分析器1产生的错误信号主要包括被干扰的有用信号x(k)和附属的估算值^x(k)的差，也就是说d(k)＝x(k)-^x(k)。根据图6通过匹配的噪声降低从错误信号d(k)中清除周期干扰信号。可以按照多种方法不仅以在时间范围内的滤波而且也以在频率范围内的滤波实施干扰分量的抑制。下面仅仅示范描述一个可能的方法，以该方法可以抑制周期干扰信号。

由具有确定基频的周期时间信号引起在频率范围内的周期干扰分量(参见图1和2)。如果N₀示干扰信号的周期长度，如此可以按照下面的公式计算改善的或者至少部分去干扰的错误信号d`(k)：

d`(k)＝d(k)-b₀×d(k-N₀)，

其中d(k)表示有干扰的错误信号，d`(k)表示改善的或者至少部分去干扰的错误信号。对此例如涉及分别在周期干扰信号的基频和附属谐波附近具有最大衰减的梳状滤波器。可以通过系数b₀控制最大衰减，其中如果b₀等于0，则不衰减干扰分量，与此相反如果b₀等于1，则达到最大可能的衰减。

对此如此控制因数b₀，即在有有用信号的情况下不保持最大衰减。与此相反如果没有有用信号，则最大衰减达到其最大值。为了实现控制因数b₀，从公式中得出一个简单的方法：

b_{0} = \frac{Σ_{k = k_{1}}^{k = k_{0}} d (k) d (k - N_{0})}{Σ_{k = k_{1}}^{k = k_{0}} d^{2} (k - N_{0})}

根据图6去干扰单元因此包括一个具有N₀T的延迟节21、其中T是周期干扰信号的时间间隔、一个用于与因数b₀相乘的乘法器22和一个用于实现在估算的错误信号^d(k)和到达的错误信号d(k)之间差值的加法器23。

图7指出了在图6中示出的梳状滤波器的频率曲线的简化图示。

正如在描述引言中提到的，不仅仅可能出现一个周期干扰信号，而且特别是在双频带和三频带设备中也可能出现多个周期干扰信号。与传统的借助于电容器的滤波相比根据本发明能够特别简单地去干扰，因为现在去干扰单元2仅仅具有另外的因数b₁、b₂、...和附属的周期长度N₁、N₂、...。因此以一般的形式对于改善的错误信号d`(k)得出如下公式：

d`(k)＝d(k)-b₀×d(k-N₀)-b₁×d(k-N₁)-...，

其中以同因数b₀一样的方式计算附属因数b₁、b₂等等。

在本实施例中因此在所谓的双频带和三频带终端设备中在应用本来存在的元件的情况下可以实现特别低成本的去干扰。

接下来改善的或者至少部分去干扰的错误信号d`(k)与系数a_i综合，由此获得去干扰的有用信号或者原信号x*(k)。

为了进一步改善在信号分析器1中的系数计算，根据图5输入端方面此外应用一个高通滤波器4以便附加高通滤波被干扰的有用信号x(k)并且以便产生已滤波、可是还是被干扰的有用信号x`(k)。通常所谓的Preenfasys滤波器用作HP滤波器4，其结合从语音编码中应用的信号分析器引起进一步的改善。为了补偿选择嵌入的HP滤波4也可以输出端方面选择应用一个TP滤波5用于低通滤波去干扰的有用信号x*`(k)，其最后输出去干扰的有用信号x*(k)。如此的TP滤波器通常包括一个所谓的Deenfasys滤波器。

以同样的方式就描述的根据图5的干扰抑制装置可以再度选择补充已知的去干扰前置滤波器C以及信号源M的屏蔽，由此现在使用低成本的电传声器。对此去干扰电容器C直接固定于信号源或者传声器M的连接管脚上。前面描述的方法或者前面描述的装置的优点因此在于，通过信号分析和信号合成能够明显削弱由于传统的噪声降低产生的有用信号的可能伤害。

第二实施例

根据另一个实施例，根据本发明的装置或者附属方法没有集成在产生周期信号的系统中，而是作为外部设备实现。如此的外部设备可以特别是所谓的助听器，因为其通常应用在各个移动电信终端设备的附近，并因此特别遭受前面描述的周期干扰信号的馈入。更确切地说因此在助听器中实现前面描述的干扰抑制装置，其例如是一个在耳后的设备(HdO)、一个在耳内的设备(IdO)、耳道内设备(完全在耳道内，CIC)、袖珍设备、耳机、头带听筒和/或植入物。通过这种方式再度实现改善的助听器，其主要对由数字电信系统产生的周期干扰信号不敏感。

前面根据在GSM和DECT电信系统中的周期干扰信号描述了本发明。可是其不局限于此，同样包含通过另外无线或有线电信系统产生的周期干扰信号。同样本发明不局限于移动电信终端设备和助听器，而是同样包含另外的、特别遭受如此周期干扰信号的设备。

参考符号表

1 信号分析器

2 去干扰单元

3 信号合成器

4 HP滤波器

5 TP滤波器

M 信号源

C 干扰信号前置滤波器

F 干扰信号抑制装置

21 延迟节

22 乘法器

23 加法器

Claims

1.抑制周期干扰信号的装置，具有

一个用于在被干扰的有用信号(x(k))的基础上输出错误信号(d(k))和附属系数(a_i)的信号分析器(1)；

一个用于在错误信号(d(k))的基础上产生具有降低的周期干扰信号的去干扰错误信号(d｀(k))的去干扰单元(2)；

一个用于在去干扰的错误信号(d｀(k))和系数(a_i)的基础上恢复去干扰的有用信号(x*(k))的信号合成器(3)。

2.按照权利要求1的装置，其特征在于，信号分析器(1)具有一个FIR滤波器和/或一个IIR滤波器，其用于在语音信号(x(k))的基础上输出序告错误信号(d(k))和附属的序告系数(a_i)，信号合成器具有一个IIP滤波器和/或FIR滤波器，其用于在去干扰的序告错误信号(d｀(k))和附属的序告系数(a_i)的基础上恢复去干扰的有用信号(x*(k))。

3.按照权利要求1或2的装置，其特征在于，信号分析器(1)具有一个线性序告装置，其用于实施线性序告。

4.按照权利要求3的装置，其特征在于，线性序告装置(1)在20至400毫秒的时间范围内实施短时序告。

5.按照权利要求1至4之一的装置，其特征在于，信号分析器(1)借助于Levinson-Durbin算法确定系数(a_i)。

6.按照权利要求1至5之一的装置，其特征在于，HP滤波器(4)，其用于对被干扰的有用信号(x(k))滤波并用于改善在信号分析器(1)中的系数计算。

7.按照权利要求6的装置，其特征在于，HP滤波器(4)具有一个Preenfasys滤波器。

8.按照权利要求6或7的装置，其特征在于，TP滤波器(5)，其用于对去干扰的有用信号(x*(k))滤波并用于补偿HP滤波器(4)。

9.按照权利要求8的装置，其特征在于，TP滤波器具有一个Deenfasys滤波器。

10.按照权利要求1至9之一的装置，其特征在于，去干扰单元(2)实施在时间范围内或在频率范围内的滤波。

11.按照权利要求1至10之一的装置，其特征在于，去干扰单元(2)具有一个梳状滤波器，其分别在周期干扰信号的基频和附属谐波附近具有最大衰减。

12.按照权利要求1至11之一的装置，其特征在于，用于降低在有用信号(x(k))中的周期干扰信号的干扰信号前置滤波器(C)。

13.按照权利要求1至12之一的装置，其特征在于，由电传声器产生被干扰的有用信号(x(k))。

14.按照权利要求1至13之一的装置，其特征在于，在无线电信终端设备中形成该装置。

15.按照权利要求1至13之一的装置，其特征在于，在助听器中形成该装置。

16.按照权利要求15的装置，其特征在于，助听器是一个在耳后的设备、一个在耳内的设备、耳道内设备、袖珍设备、耳机和/或植入物。

17.按照权利要求1至16之一的装置，其特征在于，周期干扰信号是GSM和/或DECT信号和/或蓝牙信号。

18.抑制周期信号的方法，具有以下步骤：实施信号分析以便在被干扰的有用信号(x(k))的基础上输出错误信号(d(k))和附属的系数(a_i)；

实施去干扰以便在错误信号(d(k))的基础上产生具有降低的周期干扰信号的去干扰错误信号(d｀(k))；和

实施信号综合以便在去干扰的错误信号(d｀(k))和系数(a_i)的基础上恢复去干扰的有用信号(x*(k))。

19.按照权利要求18的方法，其特征在于，在信号分析中实施FIR滤波和/或IIR滤波以便在语音信号(x(k))的基础

上输出序告错误信号(d(k))和附属的序告系数(a_i)，信号综合实施IIR滤波和/或IIR(FIR)滤波以便在去干扰的序告错误信号(d｀(k))和序告系数(a_i)的基础上恢复去干扰的有用信号(x*(k))。

20.按照权利要求18或19的方法，其特征在于，在信号分析中实施线性序告。

21.按照权利要求20的方法，其特征在于，线性序告是在20至400毫秒的时间范围内的短时序告。

22.按照权利要求18至21之一的方法，其特征在于，在信号分析中借助于Levinson-Duebin算法确定系数(a_i)。

23.按照权利要求18至22之一的方法，其特征在于，这个步骤，实施HP滤波以便对被干扰的有用信号(x(k))滤波并且以便改善在信号分析中的系数计算。

24.按照权利要求23的方法，其特征在于，在HP滤波中实施Preenfasys滤波。

25.按照权利要求23或24之一的方法，其特征在于，另一个TP滤波的步骤以便对去干扰的有用信号(x*(k))滤波并且以便补偿HP滤波。

26.按照权利要求25的方法，其特征在于，在TP滤波中实施Deenfasys滤波。

27.按照权利要求18至26之一的方法，其特征在于，在去干扰中在时间范围或频率范围内实施滤波。

28.按照权利要求18至27之一的方法，其特征在于，在去干扰中实施梳状滤波，其分别在周期干扰信号的基频和附属谐波附近具有最大衰减。

29.按照权利要求18至28之一的方法，其特征在于，实施干扰信号的前置滤波以便降低有用信号(x(k))中的周期干扰信号的附加步骤。

30.按照权利要求18至29之一的方法，其特征在于，由电传声器产生被干扰的有用信号(x(k))。

31.按照权利要求18至30之一的方法，其特征在于，在无线通信终端设备中实施该方法。

32.按照权利要求18至30之一的方法，其特征在于，在助听器内实施该方法。

33.按照权利要求32的方法，其特征在于，周期干扰信号是GSM和/或DECT信号和/或蓝牙信号。