DE10016619A1 - Verfahren zur Herabsetzung von Störkomponenten in Sprachsignalen - Google Patents

Verfahren zur Herabsetzung von Störkomponenten in Sprachsignalen

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herabsetzung von Störkomponenten in aus Sprachkomponenten und den Störkomponenten bestehenden elektrischen Signalen vorgeschlagen. Diese elektrischen Signale wurden mittels eines Mikrofons aus Sprachkomponenten und Störkomponenten bestehenden akustischen Signalen erzeugt. Die Herabsetzung der Störkomponenten erfolgt unter Verwendung eines adaptiven Filters, das von einem in Abhängigkeit von den Störkomponenten gebildeten elektrischen Störschätzwert, vorzugsweise in Form des Kurzzeit-Leistungsdichtespektrums oder der Kurzzeit-Autokorrelationsfunktion, gesteuert wird. Der Störschätzwert weist zumindest einen geschätzten, von dem Nachhall der akustischen Sprachkomponenten abhängigen Anteil auf. Zusätzlich kann der Störschätzwert einen geschätzten geräuschabhängigen Anteil enthalten. Hierdurch kann bei einem einkanaligen Verfahren mittels nur eines adaptiven Filters gleichzeitig eine Nachhall- und eine Geräuschreduktion mit unbeachtlicher Signalverzögerung bewirkt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.
In der Sprachkommunikation werden oft Freisprechein­ richtungen eingesetzt oder angestrebt (z. B. Telefo­ nieren ohne Handapparat), um dem Sprecher eine größe­ re Bewegungsfreiheit zu geben oder um während des Sprechens die manuelle Bedienung weiterer Geräte wie eine Tastatur oder einer PC-Maus zu ermöglichen. In­ folge der im Vergleich zum Telefonieren mit einem Handapparat nun größeren Entfernung zwischen dem Mikrofon und der Sprachquelle nimmt das Mikrofon nicht nur das gewünschte Sprachsignal mit dem Direkt­ schallanteil auf, sondern auch einen unerwünschten Signalanteil, der aus den Reflexionen des Sprachsig­ nals an den Raumwänden (Nachhall) besteht. Insbesondere in Räumen mit hoher Nachhallzeit und bei größe­ rer Entfernung zwischen Sprachquelle und Mikrofon kann die Sprachverständlichkeit erheblich beeinträch­ tigt werden. Eine zusätzliche Störung kann durch den Einfluß von Umgebungsgeräuschen entstehen, so daß der unerwünschte Signalanteil dann aus einer Überlagerung von Nachhallsignal und Geräuschsignal besteht.
Wünschenswert ist daher ein Verfahren, das aus dem aufgenommenen Mikrofonsignal möglichst gut den ge­ wünschten Direktschall-Sprachanteil rekonstruiert.
Zur Nachhall-Reduktion gibt es bereits eine Reihe von Vorschlägen. Eine Gruppe von Verfahren geht von dem Einsatz mehrerer Mikrofone aus, bei denen entweder Bündelungseigenschaften von Mikrofonarrays oder Kreuzkorrelationseigenschaften der Mikrofonsignale ausgenutzt werden (z. B. "Multimicrophone signal­ processing technique to remove room reverberation from speech signals" von J. B. Allen, D. A. Berkley und J. Blauert, J. Acoust. Soc. Am., Band 62, 1977, S. 912-915). Nachteilig ist jedoch der im Vergleich zur 1-Kanal-Aufnahme mit nur einem Mikrofon wesentlich erhöhte Aufwand an Hardware-Komponenten und Rechen­ leistung, so daß die auf mehreren Mikrofonen basie­ renden Verfahren nicht weiter betrachtet werden sol­ len.
Bei dem 1-Kanal-Verfahren gibt es mehrere Vorschläge, die auf dem Prinzip der Invertierung der Raumim­ pulsantwort beruhen, wie z. B. beschrieben in "Inver­ tibility of a room impulse response" von S. T. Neely und J. B. Allen, J. Acoust. Soc. Am., Band 66, 1979, S. 165-169. Sehr problematisch und aufwendig sind hier jedoch die exakte Bestimmung und die anschließende Inversion der Raumimpulsantwort; außerdem ist die exakte Inversion nur in Sonderfällen möglich.
Eine weitere Klasse von 1-Kanal-Verfahren beruht auf der Inversion der Modulations-Übertragungsfunktion des Raumes. Durch den Einfluß des Nachhalls wird die Modulation des Sprachpegels am Mikrofonort mit zuneh­ mender Modulationsfrequenz immer stärker gedämpft. Eine entsprechende inverse Filterung, die die ur­ sprüngliche Pegelmodulation möglichst gut rekonstru­ iert, ist z. B. beschrieben in "Die Enthallung von Sprache zur automatischen Spracherkennung in Räumen" von H. Hirsch und H. Finster, ITG-Fachbericht 105, 1988, S. 81-86, VDE-Verlag. Nachteilig ist jedoch, daß das rekonstruierte Sprachsignal oft auffällige und störende Artefakte enthält. Darüber hinaus sind auch die Signalverzögerungen, die zur Analyse der Pe­ gelmodulation erforderlich sind, in der Sprachkommu­ nikation oft nicht mehr akzeptabel.
Vom Realisierungsaufwand und von der Signalverzöge­ rungszeit her attraktiv sind einkanalige adaptive Filterverfahren, die auf dem Prinzip der Wiener-Fil­ terung beruhen. In der Literatur gibt es dazu jedoch nur Vorschläge für den Anwendungsbereich der Ge­ räuschreduktion (siehe "Signalverarbeitungsverfahren zur Verbesserung der Sprachkommunikation über Frei­ sprecheinrichtungen - Teil 3: "Verfahren zur Ge­ räuschreduktion" von R. Wehrmann, R. Poltmann, H. Schütze und R. Zelinski, Der Fernmelde-Ingenieur, Heft 2, 1995). Der störende Einfluß des Raum- Nachhalls wurde hierbei nicht berücksichtigt.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herabsetzung von Störkomponenten in aus Sprachkomponenten und den Störkomponenten beste­ henden elektrischen Signalen, die mittels eines elek­ troakustischen Wandlers aus Sprachkomponenten und Störkomponenten bestehenden akustischen Signalen er­ zeugt werden, unter Verwendung eines adaptiven Fil­ ters, das von in einem in Abhängigkeit von den Stör­ komponenten gebildeten elektrischen Störsignal ge­ steuert wird, anzugeben, mit dem es möglich ist, ei­ nen durch die akustischen Sprachkomponenten bewirkten Nachhall in den elektrischen Signalen weitgehend zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Merkmal. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungs­ gemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprü­ chen.
Dadurch, daß der Störschätzwert zumindest einen ge­ schätzten, von dem Nachhall der akustischen Sprach­ komponenten abhängigen Anteil aufweist, kann die Übertragungsfunktion des adaptiven Filters so gesteu­ ert werden, daß die auf dem Nachhall beruhenden Stör­ komponenten der elektrischen Signale weitgehend eli­ miniert werden.
Vorzugsweise enthält der Störschätzwert zusätzlich einen geschätzten geräuschabhängigen Anteil, mit des­ sen Hilfe auch eine Herabsetzung der auf vom akusti­ schen Wandler aufgenommenen Geräuschen beruhenden Störkomponenten in den elektrischen Signalen erfolgt.
Vorzugsweise wird das Ausgangssignal des adaptiven Filters mit einem von der Änderung des elektrischen Signals abhängigen Dämpfungsfaktor multipliziert.
Dieser Dämpfungsfaktor sollte bei ansteigendem Pegel des elektrischen Signals etwa gleich 1 und bei mit einer vorgegebenden Mindestgeschwindigkeit abfallen­ dem Pegel dieses Signals < 1 sein. Durch diese Maß­ nahme kann eine verstärkte Nachhalldämpfung erzielt werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher er­ läutert. Es zeigen:
Fig. 1 das Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Fig. 2 die Abhängigkeit des Dämpfungsfaktors von der Änderung des Signalpegels.
Das in einem Raum befindliche Mikrofon 1 erzeugt aus den aufgenommenen akustischen Signalen elektrische Signale x, die aus der Sprachkomponente s Direkt­ schallanteil und Störkomponenten n bestehen. Die Störkomponenten n beruhen auf dem Nachhall des aku­ stischen Sprachsignals im Raum sowie auf sonstigen akustischen Geräuschen. Das von Mikrofon 1 aufgenom­ mene elektrische Signal x = s + n wird einem adapti­ ven Wiener-Filter 2 zugeführt. Zur Filteradaption wird u. a. das von der Frequenz f abhängige Kurzzeit- Leistungsdichtespektrum PX(f) des elektrischen Si­ gnals x benötigt. In einer Prozessorstufe 3 wird hierzu das aktuelle Spektrum PX(f) aus einem Aus­ schnitt des Zeitsignals x mit einer Dauer im Bereich von etwa 16-32 ms ermittelt. Dies kann z. B. durch Anwendung der Diskreten Fourier-Transformation auf diesen Signalausschnitt und anschließende Bildung der Betragsquadrate der Frequenzbereichskomponenten geschehen.
In einer Verarbeitsstufe 4 wird das Kurzzeit- Leistungsdichtespektrum PH(f) des Nachhall- Signalanteils geschätzt. Hierzu wird angenommen, daß das aktuelle Nachhall-Spektrum PH(f) sich beschreiben läßt durch das Eingangssignalspektrum PX(f) aus einem zurückliegenden Zeittakt, zusätzlich gedämpft um ei­ nen Faktor γ < 1, der den Einfluß der Nachhallzeit berücksichtigt:
PH,k(f) = γ PX,k1(f) (1)
Hierbei beschreibt k den Zeittakt, dessen Inkrement k → k + 1 z. B. einem 32 ms-Schritt entspricht. Aus der Nachhallzeit des Raumes kann der Pegelabfall des Nachhallsignals berechnet werden, der innerhalb eines 32 ms-Schrittes zu erwarten ist. Der Wert von γ kann dann so gewählt werden, daß er genau diesem Pegelab­ fall entspricht. Aber auch eine davon abweichende Wahl von γ ist möglich, z. B. ein kleinerer Wert, um eine abgeschwächte Nachhallreduktion zu bewirken.
Bei geöffnetem Schalter 5 ist das geschätzte Stör­ spektrum PN(f) gleich dem Nachhallspektrum PH(f). Da das aktuelle Störspektrum niemals größer als das ak­ tuelle Eingangssignalspektrum PX(f) sein kann, er­ folgt in einer Begrenzerstufe 6 eine etwaige zusätz­ liche Leistungsbegrenzung gemäß
Das leistungsbegrenzte Störspektrum PB(f) repräsen­ tiert dann das korrigierte Störspektrum.
In dem Wiener-Filter 2 findet die Wiener-Filterung des gestörten Eingangssignals x statt. Zur Fil­ teradaption wird die Übertragungsfunktion WF(f) des Wiener-Filters 2 jeweils aktualisiert aus den Kurz­ zeit-Leistungsdichtespektren gemäß
Da das ungestörte Spektrum PS(f) des Sprach-Direkt­ schalls nicht bekannt ist, wird es nach dem Prinzip der spektralen Substraktion durch die Differenz PX(f) - PB(f) ersetzt, die eine Schätzung von PS(f) repräsentiert.
Zur Verstärkung der Nachhalldämpfung wird das Aus­ gangssignal des Wiener-Filters 2 mit einem variablen Dämpfungsfaktor β ≦ 1 gewichtet und anschließend als rekonstruiertes Sprachsignal zum fernen Teilnehmer übertragen. Der Dämpfungsfaktor β wird so gesteuert, daß bei einem ansteigenden Signalpegel keine Dämp­ fung, bei einem abfallenden Signalpegel jedoch eine zunehmende Signaldämpfung auftritt. Ein abfallender Signalpegel wird somit als Indiz dafür gedeutet, daß überwiegend nur noch Nachhall vorliegt und demzufolge die Signaldämpfung gesteigert werden kann. Der Dämp­ fungsfaktor β wird in der Pegelabfall-Steuerungsstufe 7 eingestellt durch Prüfung der Änderung des Pegels des Signals x (Pk ist der Signalpegel von x zum Zeit­ takt k):
Für Pk ≧ Pk-1: β = 1 und Pmax = Pk (4a)
Für Pk < Pk-1: β = Funktion (Pk/Pmax) (4b)
Pmaxneu = Pmax,alt.µ (4c)
Hierin beschreibt Pmax die Größe des letzten Pegelma­ ximums. Für einen Pegelabfall (Pk < Pk-1) wird β durch eine Funktion des Pegelquotienten Pk/Pmax gesteuert. Fig. 2 zeigt als Beispiel eine zweckmäßige Ausführung dieser Funktion. Um zu verhindern, daß bei einer Sil­ benfolge mit monoton abfallendem Signalpegel Pk die später folgenden leiseren Silben fälschlicherweise als Nachhall gedeutet werden, wird das Pegelmaximum Pmax gemäß Gleichung 4c mit µ < 1 aktualisiert. Da­ durch führt nur ein schneller Pegelabfall zu einer Signaldämpfung mit β < 1.
Über den Schalter 5 kann zusätzlich zur Nachhallre­ duktion auch eine Geräuschreduktion zugeschaltet wer­ den, die für zumindest näherungsweise stationäre Ge­ räuschsignale wirksam ist. Hierzu wird in einer Ver­ arbeitungstufe 8 das Kurzzeit-Leistungsdichtespektrum PG(f) des Geräuschsignalanteils geschätzt. Dies kann nach bekannten Verfahren geschehen, beispielsweise durch Einsatz eines Sprachpausen-Detektors oder durch Suche nach globalen Leistungsminima im Signal x. Das Mikrofonsignal x enthält in Sprachpausen einzig das Geräuschsignal, so daß dessen Spektrum dann unmittel­ bar bestimmt werden kann.
Das Geräuschspektrum PG(f) wird mit einem Faktor α ≦ 1 gewichtet und über den Schalter 5 zu einem Ad­ ditionsglied 9 übertragen, in welchem es dem Nach­ hallspektrum PH(f) überlagert wird. Das Summenspek­ trum PN(f) für die gesamte Störung enthält dann so­ wohl den Anteil des Nachhalls als auch den Anteil des Umgebungsgeräusches. Das entsprechend gesteuerte Wie­ ner-Filter 2 reduziert dann den Einfluß beider stö­ render Anteile:
Bei konstant gehaltenem Faktor α ergäbe sich eine auffällige Pegelmodulation des Restgeräuschanteils im rekonstruierten Sprachsignal , weil der varialble Dämpfungsfaktor β zur Nachhalldämpfung auch die Größe des Restgeräuschanteils beeinflußt. Um diesen auffäl­ ligen Effekt zu verhindern, wird in einer Dämpfungs­ ausgleichsstufe 10 aus dem aktuellen Wert von β ein Dämpfungsausgleich bewirkt. Je kleiner der Wert von β ist, um so kleiner wird auch der Wert von α gewählt. Dadurch verringert sich der Anteil des Geräuschspek­ trums PG(f) im Störspektrum PN(f) und die Geräusch­ dämpfung im Wiener-Filter 2 wird abgeschwächt. Dies ist erwünscht, denn die Dämpfung des Geräuschsignals wird ja bereits durch einen kleineren Wert von β rea­ lisiert.
Ein zweckmäßiger Sonderfall ergibt sich, wenn der Faktor α (β) so gewählt wird, daß die Geräuschdämp­ fung unabhängig von β stets gleich groß bleibt. Dies läßt sich erreichen, wenn man von folgender Betrach­ tung ausgeht: Bei stationärem Geräuschsignal und idealer Geräuschschätzung ergibt sich im sprachfreien Fall PG(f) = PX(f) und damit für das Wiener-Filter 2 gemäß Gleichung 3 die Übertragungsfunktion
WF(f) = 1 - (γ + α) (5)
Stellt man die Gesamtdämpfung WF(f) . β der Vorrich­ tung nach Fig. 1 bezüglich der Geräuschdämpfung auf einen konstanten Wert C ein, so ergibt sich unmittel­ bar
Ein exakter Dämpfungsausgleich bezüglich des Restge­ räuschanteils in wird also durch Auswahl von α (β) in der Dämpfungsausgleichsstufe 10 gem. Gleichung 6 realisiert.
Der Übersichtlichkeit halber wurden sowohl in Fig. 1 als auch in der Beschreibung alle frequenzabhängigen Größen ausschließlich im Frequenzbereich beschrieben. Es ist jedoch auch möglich, das gesamte Verfahren oder Teile hiervon im Zeitbereich zu realisieren. So können statt der Kurzzeit-Leistungsdichtespektren PX(f), PH(f) und PG(f) auch die entsprechenden Kurz­ zeit-Autokorrelationsfunktionen ermittelt werden. Die Übertragungsfunktion des Wiener-Filters 2 kann dann aus diesen aufbereiteten Korrelationsfunktionen be­ rechnet werden. Auch die Filterung des Signals x mit dem Wiener-Filter 2 kann im Zeitbereich erfolgen. Hierzu wird das Wiener-Filter 2 als Transversalfilter mit endlich vielen Koeffizienten berechnet, so daß die Filterung als Faltungsoperation mit dem Eingangs­ signal x realisiert wird.
Das vorliegende Verfahren zur Nachhallreduktion ar­ beitet einkanalig, d. h. es wird nur ein einziges Auf­ nahmemikrofon benötigt. Die für die adaptive Filte­ rung benötigte zusätzliche Signallaufzeit ist relativ gering, so daß eine bidirektionale Sprachkommunikati­ on hierdurch nicht beeinträchtigt wird. Die durch das Filter bewirkte Nachhallreduktion kann noch zusätz­ lich durch eine pegelabfallgesteuerte Dämpfung ver­ stärkt werden.
In Ergänzung zur Nachhallreduktion kann eine zusätz­ liche Geräuschreduktion zugeschaltet werden, wobei die Filterstruktur nicht verändert wird, d. h. beide Störarten werden in einem gemeinsamen Filterschritt abgeschwächt. Ein mit der Geräuschreduktion gekoppel­ ter Dämpfungsausgleich verhindert eine Pegelmodulati­ on des Restgeräusches im Ausgangssignal, das zum fer­ nen Teilnehmer übertragen wird.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herabsetzung von Störkomponenten in aus Sprachkomponenten und den Störkomponenten bestehenden elektrischen Signalen, die mittels eines elektroakustischen Wandlers aus aus Sprachkomponenten und Störkomponenten bestehen­ den akustischen Signalen erzeugt wurden, unter Verwendung eines adaptiven Filters, das von ei­ nem in Abhängigkeit von den Störkomponenten ge­ bildeten elektrischen Störschätzwert gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Störschätzwert zumindest einen geschätz­ ten, von dem Nachhall der akustischen Sprachkom­ ponenten abhängigen Anteil aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das adaptive Filter ein Wiener-Filter ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Nachhall abhängige Anteil des Stör­ schätzwertes anhand des elektrischen Signals in einem zurückliegenden Zeittakt, das um einen den Einfluß der Nachhallzeit berücksichtigenden Fak­ tor < 1 gedämpft wird, geschätzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Störschätzwert zusätzlich einen ge­ schätzten geräuschabhängigen Anteil aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der geräuschabhängige Anteil des Störschätz­ wertes anhand des während Sprachpausen auftre­ tenden akustischen Signals geschätzt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des adaptiven Filters mit einem von der Änderung des elektrischen Signals abhängigen Dämpfungsfaktor multipliziert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfungsfaktor bei ansteigendem Pegel des elektrischen Signals etwa gleich 1 und bei mit einer vorgegebenen Mindestgeschwindigkeit abfallendem Pegel des elektrischen Signals < 1 ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4-7, dadurch gekennzeichnet, daß der geräuschabhängige Anteil des Störschätz­ wertes zusätzlich vom Dämpfungsfaktor abhängig ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Störschätzwert auf den entsprechenden Nennwert des elektrischen Signals beschränkt wird, wenn er nicht kleiner als dieser ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Filteradaption mittels von der Frequenz abhängiger Kurzzeit-Leistungsdichtespektren des elektrischen Signals und des Störschätzwertes durchgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsdichtespektren auf eine Zeit­ spanne im Bereich von 16-32 ms bezogen sind.
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