CN1575620A - 消除冗余音频信号的干扰的方法和装置 - Google Patents

Abstract

在用于消除音频播放装置，譬如移动电话或者助听器，的冗余音频输入信号(1)的干扰的方法，其中所述的干扰集中在输入信号的整个频率范围中的部分频率范围内，这样地完成改善得出的音频输出信号的音响质量的任务：所述的方法包含依次接续的步骤：a)去除输入信号(1)中干扰集中的部分频率范围，b)把在步骤a)中所通过的输入信号的频率范围的强度划分成一个要保留的输入信号部分(4)和一个要进一步处理的输入信号部分(5)，c)在要进一步处理的输入信号部分(5)的基础上合成在步骤a)中去除的输入信号的部分频率范围，以及d)把由步骤b)中应保留的输入信号部分(4)与由步骤c)中合成的输入信号部分相融合以产生相对于输入信号降低了干扰的输出信号(10)。还提出了用于实施所述方法的装置。

Description

消除冗余音频信号的干扰的方法和装置

本发明涉及音频播放装置，譬如移动电话或者助听器，的消除冗余音频信号的干扰的方法和实施该方法的装置，其中所述的干扰集中在输入信号的整个频率范围中的部分频率范围内。

在受干扰的环境中，例如在在汽车内、在出现机器噪音的工业环境内，以及在开放的区域内，接收音频信号譬如语音信号时，存在由音频播放装置播放之前消除语音信号的干扰的问题。在此尽可能强地降低输入信号的不受欢迎干扰信号。还应当避免伪差，并且避免与干扰信号相关的伪差。

为消除音频信号干扰公知地使用所谓的压差微音器，所述的压差微音器具有方向特性，所述的方向特性用来相对于微音器的主方向中的有效信号，削弱与微音器主方向不同的方向发出的干扰信号部分。然而这种微音器的缺点在于，它对于风噪音和呼吸噪音有较高的灵敏度。这种灵敏度可以通过采用防风装置改善，但是防风装置却要考虑到它的大小而并不能用于每种类型的音频播放装置。例如通常不在把移动电话或者助听器用作音频播放装置时采用防风装置。

助听器中一般地在两个不定向的微音器基础上实现压差微音器，其中运用一种所谓的“延迟及扣除”的附件。这种附件的定向作用却在输入信号的较低频率范围内对实际上不可避免的微音器特性校准误差特别地敏感。此外在内部微音器交换方面事实还表明非常地困难。

此外，为了抑制音频信号中的干扰信号，还公知采用统计学的干扰抑制方法，诸如频谱相减方法、维纳滤波器、Ephraim & Malah，R；.Martin等的方法。这些方法利用语音有效信号和干扰信号的不同的统计学特征。它是从干扰信号比语音有效信号明显地静止出发的。一般地在语音时相中评估干扰信号成分并且连续地按频率特性从受干扰的输入信号中扣除之。评估干扰信号尤其是在非静态的干扰时是困难的，特别是干扰信号的电平高于有效信号时。

此外，在扣除所评估的噪音成分或干扰成分时，还会出现伪差，这一般地称为“乐音”。在进行干扰抑制方法后遗留的剩余干扰信号往往不再有原来的干扰信号特性，就是说噪音听起来不同，这是对于许多音频播放装置的使用者不习惯的并且是干扰性的。在例如＜5dB的低信噪比时，一般地扣除原理不起作用，从而受干扰的输入信号在使用者听来觉得要优于进行了干扰抑制方法得到的处理过的信号。

由此出发，本发明的任务在于创立一种方法，用于消除音频播放装置的冗余音频信号的干扰，以及创造一种用于实施该方法的装置，通过所述的装置改善得到的音频输出信号的音响质量。

该任务在方法方面通过消除音频播放装置，譬如移动电话或者助听器，的冗余音频信号的干扰的方法解决，其中所述的干扰集中在输入信号的整个频率范围中的部分频率范围内，其特征在于，所述的方法包含依次接续的步骤：

a)去除输入信号中干扰集中的部分频率范围，

b)把在步骤a)中所通过的输入信号的频率范围的强度划分成一个要保留的输入信号部分和一个要进一步处理的输入信号部分，

c)在要进一步处理的输入信号部分的基础上合成在步骤a)中去除的输入信号的部分频率范围，以及

d)把由步骤b)中应保留的输入信号部分与由步骤c)中合成的输入信号部分相融合以产生相对于输入信号降低了干扰的输出信号。

该方法与现有技术的方法的重要区别是，完全地摈弃其中集中了干扰的输入信号的部分频率范围。与之相反，在现有技术中总是说明减少地处理所涉的部分频率范围的途径。

根据所述的方法，合成在其中集中干扰的去除了的输入信号的部分频率范围，并且甚至是在输入信号的没有去除的频率范围的基础上。在此外充分地利用没有去除的以及要进一步处理的输入信号部分，能够在音频输入信号冗余的基础上推断去除的部分频率范围的频率特性。例如可以从每个音频音素存在一个所属的频谱出发，其中可以把部分频谱用于合成与所述的部分频谱相邻的频谱。

根据该方法，把要保留的输入信号部分，也就是实质上不包含干扰的输入信号的总频率范围的部分，与其中去掉了干扰的合成的部分频率范围融合，以产生相对于输入信号降低了干扰的输出信号。

优选地在步骤c)中输入信号的的部分频率范围的合成借助于带宽扩展法进行。例如，为了在低频范围(＜300Hz)扩展带宽，从EP0994464A公知通过高通功能再生与低频语音信号分界开的低频范围信号部分，其中所述的高通滤波例如在通过电话的语音传输时由远程的用户进行。

在此所述的再生通过产生低频范围的频率，通过非线性的信号处理，借助于信号的低次谐波频率产生，并且添加到高通信号中。在此要强调，在EP 0 994 464A中没有把发到移动电话或者助听器上的信号的干扰消除作为题材。与之相反，该新颖的方法可以主要用在移动电话、自由对讲装置、助听器以及其它的为移动地或者安装在含有干扰的环境中设置的通信装置中。

优选地在步骤c)中对合成输入信号的部分频率范围进行滤波以匹配输入信号的要保留的输入信号部分。由此确保，在d)中进行的这两个部分信号的融合导致降低了干扰的输出信号，其频谱尽可能地好到与输入信号的有效信号的整个频谱相应，尤其是在强度上。当然在步骤a)中滤波出的或者去除的输入信号的部分频率范围的合成必须考虑在步骤a)中投入使用的频谱滤波器的特性，因为它们确定要合成的频带。对于使用的滤波器的上升范围产生特殊的作用。

对于例如移动电话或者助听器的许多环境特性，有利的是，在步骤c)中合成的输入信号的部分频率范围在输入信号的总频率范围的低频侧。例如汽车的干扰或者通过风和呼叫造成的所谓流行噪音和流动噪音典型地在输入信号的低频范围内。往往干扰的强度明显地高于有效信号的强度。如果试图用现有技术的所谓频谱扣除方法消除这种干扰，只有在有较高强度的伪差的代价下才能进行。该新颖方法没有表现出这种局限。

用所述的方法同样地有可能，减轻或者避免输入信号的总频率范围的高频方的干扰。还可以抑制集中在输入信号的总频率范围的中间频率范围内的干扰。

该新颖的方法的另一个优点在于，还可以消除用频谱扣除法不可能去除的强的非静态干扰。所述的新颖的方法也可以以有利的方式与压差微音器结合，因为可以补偿后者的缺点，譬如流行噪音灵敏度和流动噪音灵敏度。

上述的任务在实施所述方法的装置方面通过一种用于播放或者转发冗余的音频输入信号的装置，譬如移动电话或者助听器，解决，所述的装置具有干扰抑制装置，用于抑制集中在输入信号的整个频率范围中的部分频率范围内的干扰，其特征在于，所述的干扰抑制装置具有：

-频谱滤波器，用于去除输入信号中干扰集中的部分频率范围，

-接在所述滤波器后面的分配装置，用于把所通过的输入信号的频率范围的强度划分成一个要保留的输入信号部分和一个要进一步处理的输入信号部分，

-接在所述的分配装置后面的处理装置，向它输送要进一步处理的输入信号的信号部分，以在要进一步处理的输入信号部分的基础上合成所滤除的输入信号的部分频率范围，和

-输出信号产生装置，向它输送由分配装置分配的要保留的输入信号部分和由处理装置合成的输入信号部分，以把所述的要保留的输入信号部分和合成的输入信号部分相融合以产生相对于输入信号降低了干扰的输出信号。

该装置的工作方式已经由前面讨论的新颖的方法得出，因此它们提供了为各个方法步骤所要求的装置。

此外有利地提出，所述的装置具有测量输入信号是否在滤波器的截止范围内表现有干扰的配置，并且设有一个开关用于在滤波器的截止范围内没有干扰的基础上跨越所述的干扰抑制装置。以此方式确保，只有在滤波器的截止范围内实际上存在干扰时才接入所述的干扰抑制装置。

此外还有利地提出，所述的装置具有测量或者评估干扰强度的配置，并且设有一个开关用于在所述强度测量/评估的基础上跨越所述的干扰抑制装置。这使之能够，只有在作为要求接收的干扰的强度基础上才接入所述的干扰抑制装置。在此还有可能通过例如移动电话的使用者人工地设定测量或者评估干扰强度的阈值。取代于所述的跨越所述的干扰抑制装置的开关，优选地还可以设有依据滤波器的截止范围内的干扰度交叠滤波器的截止范围内的输入信号部分和合成的信号部分的配置。

不论是对所述的方法还是对所述的装置都要强调，干扰在原理上可以集中在音频信号的总频率范围的任意部分频率范围内。所以相应去除的或者滤波掉的部分频率范围借助于带宽扩展方法合成，并且与保留的，没有被滤除的频度范围融合，以产生降低了干扰的输出信号。

下面下面参照附图借助于一个实施例更加详细地说明本发明。附图示出消除冗余的音频输入信号的干扰的装置的方框图。

该唯一的附图示出方法流程和用于实施所述方法要求的部件，以在声音上改善含有干扰的，冗余的音频信号1，譬如语音信号。语音信号内在地，不完全需要在一定的时间点存在的频谱，去说明什么音素归入当前的频谱。只要语音信号是冗余的，换言之，是可以摈弃频谱的一部分的，然而实质上在整个频谱上没有信息损失。这是基于，从保留的频谱可以推出摈弃了的部分频谱。

具体地，如从图中可见，输入信号1由例如移动电话或者助听器的接收模块接收以后被输送到频谱的高通滤波器2，所述的高通滤波器具有一定的滤波器特性，所述滤波器特性在本实施例中让300Hz以上的频率能够无衰减地通过，同时强衰减300Hz以下的频率。从而300Hz构成高通滤波器的截止频率f_A。

可通过的频率范围的信号出高通滤波器后抵达作为分配装置的分支点3，在此支点3处把所述信号划分成保留的部分信号4和进一步要处理的部分信号5。

不论是保留的部分信号4还是进一步要处理的信号5实质上都不具有300Hz以下范围的频率部分，从而把集中于300Hz以下的干扰从输入信号1中去除。只要是，所说明的实施例涉及在输入信号1的总频率范围的低频侧的干扰。

现在下一个方法步骤是，合成用高通滤波器2去除的部分频谱，并且还是借助于所述进一步要处理的信号5的可通过的频谱。

首先把进一步要处理的信号5输送到低通滤波器6，在图示的实施例中所述的低通滤波器强衰减高于2kHz的频率。该低通滤波器对于实施所述方法不是必须的，然而它却简化了在非线性的处理装置7中的信号进一步处理。尤其是，通过采用非线性的处理装置7出现所谓的互调效应，其出现通过低通滤波器6减轻或者避免。

该非线性的处理装置7这时或直接从进一步要处理的信号5，或从低通滤波器6的输出信号产生低通频谱，并且还是在考虑到高通滤波器2的特性的条件下，所述的高通滤波器2的特性是预知的并且在非线性的信号处理中直接地考虑的。非线性的处理装置7用作依据基础的语音信号再生基频的幅度和/或缺失的谐波的幅度。

从而，以理想的方式，离开非线性处理装置7的信号包含输入信号的1的基频和缺失的谐波，所述的缺失的谐波是在高通滤波器2中，与干扰一起去除的。

然后把非线性处理装置7的合成的语音信号形式的输出信号输送到带通滤波器8，所述的带通滤波器让低于高通滤波器2的300Hz的截止频率f_A以下的频率和例如100Hz的下限频率以下的频率通过。原则上带通滤波器8还可以用截止频率300Hz的低通滤波器代替。然而，如果要去除非线性处理装置7的输出信号中的等电压部分，带通滤波器就应当有适应的滤波性能。

把带通滤波器8的输出信号输送到作为输出信号产生装置的结合点9，在此点把所述信号添加到保留的信号4上以进行频带扩展，得到减轻了干扰的输出信号10，所述的输出信号10应当以理想的方式具有适当的幅度的输入信号1的全部语音有效信号频率。

附图中所示的消除对输入信号1的干扰的装置还可能如下修改，使得在输入信号1频谱的高频侧的干扰通过低通滤波器去除，于是其中设有非线性处理装置，所述的非线性处理装置对高频实施带宽扩展方法。在高频干扰的情况下，把图中的低通滤波器6用适当的高通滤波器替换。还有图中所示的带通滤波器8可以通过，在结合点9上把合成的信号部分与保留的信号部分4适当地结合的滤波器交换。

干扰还可能在输入信号1的总频率范围内部。在此情况下可以或在输入信号1的存在干扰的频率范围的高频侧，或在输入信号1的存在干扰的频率范围的低频侧实施带宽扩展方法，其中，所述的非线性处理单元起填补由于用带通滤波器代替高通滤波器2引起的频率空缺的作用。

在另一个图中未示出的本发明的实施形式中，可以设有依据外部参数引起图示装置接通的装置。作为例子举出用于测量输入信号在高通滤波器2的截止范围内显示干扰的配置，或者用于测取或者评估干扰的强度的装置。在两个情况下相应的配置构成用于操作安排在高通滤波器2之前的开关。

如果取代硬开关设置把各个投入使用的滤波器的截止范围内的输入信号1与合成信号交叠的配置，就会有特别的优点。交叠的程度可以取决于存在的干扰的强度。这样的控制所述类型的交叠的配置例如可以设在结合点9上，其中可以向所述的配置输送干扰信号的强度的估计值或者测量值作为控制量。

Claims (8)

1.方法，用于消除音频播放装置，譬如移动电话或者助听器，的冗余音频输入信号的干扰，其中所述的干扰集中在输入信号的整个频率范围中的部分频率范围内，

其特征在于，

所述的方法包含依次接续的步骤：

a)去除输入信号中干扰集中的部分频率范围，

b)把在步骤a)中所通过的输入信号的频率范围的强度划分成一个要保留的输入信号部分和一个要进一步处理的输入信号部分，

c)在要进一步处理的输入信号部分的基础上合成在步骤a)中去除的输入信号的部分频率范围，以及

d)把由步骤b)中应保留的输入信号部分与由步骤c)中合成的输入信号部分相融合以产生相对于输入信号降低了干扰的输出信号。

2.如权利要求1所述的方法，

其特征在于，

在步骤c)中输入信号的部分频率范围的合成借助于带宽扩展法进行。

3.如权利要求1或2所述的方法，

其特征在于，

在步骤c)中对输入信号合成的部分频率范围进行滤波以匹配输入信号的要保留的输入信号部分。

4.如权利要求1至3之一所述的方法，

其特征在于，

在步骤c)中输入信号合成的部分频率范围在输入信号的总频率范围的低频侧。

5.装置，用于播放或者转发冗余的音频输入信号(1)，譬如移动电话或者助听器，所述的装置具有干扰抑制装置，用于抑制集中在输入信号(1)的整个频率范围中的部分频率范围内输入信号的干扰，

其特征在于，

所述的干扰抑制装置具有：

-频谱滤波器(2)，用于去除其中干扰集中的输入信号的部分频率范围，

-接在所述滤波器(2)后面的分配装置(3)，用于把所通过的输入信号(1)的频率范围的强度划分成一个要保留的输入信号部分(4)和一个要进一步处理的输入信号部分(5)，

-接在所述的分配装置(3)后面的处理装置(6；7；8)，向它输送输入信号(1)的要进一步处理的信号部分(5)，以在要进一步处理的输入信号部分(5)的基础上合成所滤除的输入信号(1)的部分频率范围，和

-输出信号产生装置(9)，向它输送由分配装置(3)分配的要保留的输入信号部分(4)和由处理装置(6；7；8)合成的输入信号部分，以把所述的要保留的输入信号部分(4)和合成的输入信号部分相融合以产生相对于输入信号降低了干扰的输出信号(10)。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的装置具有测量输入信号(1)是否在滤波器(2)的截止范围内表现有干扰的配置，并且设有一个开关用于在滤波器(2)的截止范围内没有干扰的基础上跨越所述的干扰抑制装置。

7.如权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述的装置具有测量或者评估干扰强度的配置，并且设有一个开关用于在所述强度测量/评估的基础上跨越所述的干扰抑制装置。

8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的装置具有测量或者评估干扰强度的配置，并且设有依据干扰的强度交叠(berblenden)滤波器(2)的截止范围内的输入信号部分(4)和合成的输入信号部分的配置。

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