DE10162559B4

DE10162559B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Unterdrückung von periodischen Störsignalen

Info

Publication number: DE10162559B4
Application number: DE10162559A
Authority: DE
Inventors: Stefano Ambrosius Dr. Klinke; Christoph Poerschmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-12-19
Filing date: 2001-12-19
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2021-12-20
Also published as: WO2003052746A3; CN1606773A; EP1456839B1; EP1456839A2; DE10162559A1; CN100380445C; US7656933B2; ES2268123T3; WO2003052746A2; DE50207531D1; US20050096002A1

Abstract

Verfahren zur Unterdrückung von periodischen Störsignalen in einem gestörten Eingangssignal mit den Schritten:
a) Bereitstellen einer Periodendauer (T) des periodischen Störsignals (S);
b) Ermitteln eines dem Störsignal (S) entsprechenden Signals (S'); und
c) Durchführen einer Subtraktion des dem Störsignal entsprechenden Signals (S') von dem gestörten Eingangssignal (E) zum Erzeugen eines entstörten Eingangssignals (E')
dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) in Abhängigkeit von der Periodendauer (T) des Störsignals (S) ein Überlagerungssignal durch eine vielfache Überlagerung von dem Eingangssignal (E) derart erzeugt wird, dass in dem Überlagerungssignal an gleicher Stelle befindliche Störsignale (S) zunehmend verstärkt werden und Nutzsignale (N) aus dem Eingangssignal (E) zunehmend ausgelöscht werden, und eine anschließende Normierung des Überlagerungssignals durchgeführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Unterdrückung von im Wesentlichen periodischen Störsignalen und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Unterdrückung von periodischen Störungen im Audiofrequenzbereich, die beispielsweise von einem digitalen Telekommunikationssystem bei der Datenübertragung verursacht und in z.B. ein mobiles Telekommunikationsendgerät oder ein externes Gerät wie z.B. ein Hörhilfegerät eingekoppelt werden.

Aus der US 5 903 819 A ist ein Verfahren zur Unterdrückung von periodischen Störsignalen in einem gestörten Eingangssignal nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Zur Abschätzung des Störsignals wird mit Hilfe eines Autokorrelators eine Periodendauer des Störsignals festgestellt. Eine Abschätzung für das Störsignal wird von einem mit einer Störung behafteten Eingangssignal subtrahiert.

Ein weiteres Verfahren zur Entstörung eines Nutzsignals, das mit einem periodischen Störsignal behaftet ist, wird in der US 6,320,968 B1 beschrieben, wobei Maßnahmen getroffen sind, ein aktuelles Eingangssignal dadurch zu entstören, dass ein weiteres Signal, dass das Störsignal enthält, davon abgezogen wird.

Als technischer Hintergrund zu der Erfindung ist außerdem der Fachartikel von Meir Feder „Parameter estimation and extraction of helicopter signals observed with a wide-band interface" (IEEE Transactions on signal processing, IEEE, Inc. New York, US, Bd. 41, Nr. 1, 1993, Seiten 232–244) zu erwähnen.

In einer Vielzahl von digitalen Telekommunikationssystemen erfolgt eine Datenübertragung zwischen einem mobilen Telekommunikationsendgerät wie z. B. einem Mobiltelefon und einer dazugehörigen Basisstation über ein gepulstes Hochfrequenzsignal mit einer vorbestimmten Trägerfrequenz. Für ein sogenanntes GSM-Telekommunikationssystem (global system for mobile communications) beträgt die Trägerfrequenz 900 MHz und eine Impulsfrequenz ca. 217 Hz. Im Falle eines DECT-Telekommunikationssystems beträgt dagegen die Trägerfrequenz 1800 MHz und die zugehörige Impulsfrequenz 100 Hz. Ein auf GSM-basierenden weiterer Standard ist der DCS1800-Standard, der ebenfalls bei einer Trägerfrequenz von 1800 MHz arbeitet. Bei digitalen Telekommunikationssystemen werden somit eine Vielzahl von Trägerfrequenzen mit unterschiedlichen Impulsfrequenzen verwendet, weshalb die Endgerätehersteller zunehmend sogenannte Dual-Band- bzw. Triple-Band-Endgeräte zur Implementierung der verschiedenen Standards entwickeln.

Insbesondere das gepulste Hochfrequenzsignal bereitet hierbei oft Probleme. Das gepulste Hochfrequenzsignal wird beispielsweise durch die nicht lineare FET-Kennlinie eines im Endgerät vorhandenen Mikrofons demoduliert und verursacht so zum Teil deutlich wahrnehmbare Störungen im Audiofrequenzbereich.

1 zeigt eine vereinfachte zeitliche Darstellung eines periodisch gestörten Signals, wie es beispielsweise am Ausgang einer durch ein gepulstes Hochfrequenzsignal gestörten Signalquelle wie z.B. einem Mikrofon ausgegeben wird.

2 zeigt eine vereinfachte zeitliche Darstellung des zugehörigen gepulsten Hochfrequenzsignals bzw. periodischen Störsignals, wie es beispielsweise in GSM- oder DECT-Telekommunikationssystemen auftritt. Beim GSM-Standard werden gemäß 2 in einem zeitlichen Abstand T von ca. 4,7 Millisekunden Hochfrequenzimpulse übertragen, die die eigentlichen Informationen enthalten. Beim DECT-Standard beträgt dieser zeitliche Abstand T 10 Millisekunden und entspricht einer Frequenz von 100 Hz im Gegensatz zu 217 Hz bei GSM. Diese periodischen Störsignale können nunmehr in einer gedruckten Leiterplatte und insbesondere an einer Signalquelle wie z.B. einem Mikrofon eingebracht werden, wodurch sich die in 1 dargestellten Störspitzen ergeben.

Herkömmliche Vorrichtungen und Verfahren zur Unterdrückung dieser periodischen Störsignale basieren im Wesentlichen auf einer Abschirmung der Funkeinstrahlung durch beispielweise ein leitfähiges Abschirmgehäuse der Signalquelle bzw. ein leitfähiges Mikrofongehäuse. Hierbei ist zu beachten, dass das Gehäuse möglichst vollständig geschlossen ist. Eine optimale Wirkung wird meist durch eine metallische Abschirmung erreicht. Der Aufwand für eine derartige Abschirmung ist jedoch insbesondere bei Geräten wie z.B. einem mobilen Telekommunikationsendgerät und/oder einem Hörhilfegerät kostspielig und darüber hinaus platzintensiv.

Eine weitere Möglichkeit zur Unterdrückung dieser periodischen Störsignale besteht üblicherweise darin, die leitungsgebundene Einkopplung durch eine Filterung zu beseitigen.

Hierbei werden in der Regel Entstörkondensatoren verwendet, die räumlich nahe am Feldeffekttransistor (FET) des Mikrofons angebracht werden, um dort das periodische Hochfrequenzstörsignal möglichst stark zu dämpfen. Die Auswahl des Kondensators ist hierbei besonders kritisch, da der Einfluss parasitärer Induktivitäten bei hohen Frequenzen stark zunimmt.

Folglich wird eine optimale Entstörung nur mit einem Kondensator erzielt, dessen Impedanz für die jeweilige Frequenz des Störsignals minimal ist. Nachteilig ist hierbei jedoch, dass derartige mit Kondensatoren abgestimmte Signalquellen bzw. Mikrofone deutlich mehr kosten als herkömmliche Standardelektretmikrofone. Ferner muss für jedes neue Telekommunikationsendgerät bzw. Handymodell oder auch jeden Typ von Hörhilfegerät eine neue Signalquelle bzw. Mikrofon entwickelt werden, da die Hardwareumgebung wie z.B. das Leiterplatten-Layout des Endgeräts bzw. der Hörhilfe die Eigenschaften des Entstörkondensators beeinflusst. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass für jede Trägerfrequenz ein jeweiliger Entstörkondensator benötigt wird, so dass für ein Dual-Band-Gerät Signalquellen mit zwei Störkondensatoren und für ein Triple-Band-Gerät Signalquellen mit sogar drei Entstörkondensatoren notwendig sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Unterdrückung von im Wesentlichen periodischen Störsignalen zu schaffen, wobei eine vereinfachte und verbesserte Entstörung ermöglicht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens durch die Maßnahmen des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des Patentanspruchs 20 gelöst.

Insbesondere durch eine in Abhängigkeit von der Periodendauer des Störsignals durchgeführte vielfache Überlagerung des Eingangssignals und eine anschließende Normierung des vielfach überlagerten Eingangssignals kann ein dem Störsignal entsprechendes Signal auf besonders einfache Weise ermittelt werden, wobei man durch eine nachfolgend durchgeführte Subtraktion des dem Störsignal entsprechenden Signals von dem gestörten Eingangssignal ein sehr gut entstörtes Eingangssignal erhält. Ein derartiges Verfahren ist einfach zu implementieren und benötigt darüber hinaus sehr wenig Rechenleistung, wobei zusätzlich keine Verzögerungen im Eingangssignal wie z.B. einem Audiosignal auftreten.

Vorzugsweise wird das Eingangssignal als digitalisiertes Signal über eine Vielzahl von Periodendauern zwischengespeichert, wodurch eine Überlagerung in Abhängigkeit von der Periodendauer sehr einfach realisierbar ist.

Vorzugsweise wird das Ermitteln des dem Störsignal entsprechenden Signals durch eine Mittelwertbildung über eine vorbestimmte oder sich ändernde Anzahl von Perioden durchgeführt, die bei einer softwaremäßigen Realisierung problemlos ermöglicht wird.

Zusätzlich kann die Überlagerung des Eingangssignals mit unterschiedlichen Gewichtungsfaktoren durchgeführt werden und insbesondere eine gleitende Mittelwertbildung angewendet werden, wodurch man eine besonders hochwertige Störsignalunterdrückung erhält. Die Gewichtungsfaktoren können hierbei eingangssignalabhängig festgelegt werden, wodurch sich eine weitere qualitative Verbesserung der Störunterdrückung auch unabhängig von einem jeweiligen Eingangssignalpegel bzw. Verhältnis zum Störsignal ergibt.

Vorzugsweise wird für die Normierung eine Division verwendet, wobei auch weitere Normierungsverfahren grundsätzlich denkbar sind, um das überlagerte Eingangssignal wieder in seinen ursprünglichen Amplitudenbereich überzuführen.

Bei einer unbekannten periodischen Störung kann die Periodendauer auch aus dem gestörten Eingangssignal ermittelt werden, wobei insbesondere eine Autokorrelation eines Abschnitts des gestörten Eingangssignals zum Bestimmen von Wertemaxima durchgeführt wird und anschließend die Periodendauer aus einem zeitlichen Abstand der Wertemaxima ermittelt wird. Auf diese Weise können auch unbekannte periodische Störsignale automatisch erfasst und unterdrückt werden. In gleicher Weise können dadurch auch Störsignale erfasst und unterdrückt werden, die nur eine im Wesentlichen gleichmäßige Periodendauer aufweisen und folglich geringe Schwankungen haben können.

Vorzugsweise wird bei dem Verfahren nicht ein unmittelbar gestörtes Eingangssignal, sondern ein davon abhängiges Fehlersignal zur Störunterdrückung herangezogen, wobei zum Ausgeben des Fehlersignals und zugehöriger Koeffizienten auf der Grundlage eines gestörten Nutzsignals eine Signalanalyse durchgeführt wird und anschließend zum Rückgewinnen eines entstörten Nutzsignals auf der Grundlage eines entstörten Fehlersignals und der Koeffizienten eine Signalsynthese durchgeführt wird.

Vorzugsweise wird bei der Signalanalyse eine FIR-Filterung zum Ausgeben eines Prädiktionsfehlersignals und zugehöriger Prädiktorkoeffizienten auf der Grundlage eines Sprachsignals und bei der Signalsynthese eine IIR-Filterung zum Rückgewinnen des entstörten Nutzsignals auf der Grundlage eines entstörten Prädiktionsfehlersignals und der Prädiktorkoeffizienten durchgeführt. Somit können in vorteilhafter Weise die bei der Sprachkodierung in digitalen Telekommunikationssystemen ohnehin verwendeten Sprachschätzer dazu verwendet werden, die periodischen Störsignale weiter zu unterdrücken. In gleicher Weise können derartige aus der Sprachkodierung bzw. Sprachschätzung bekannten Elemente auch in externen Geräten eingesetzt werden, wie z.B. Hörhilfegeräten, wodurch eine weitere Miniaturisierung bei weiterer Störunterdrückung insbesondere gegenüber den von digitalen Übertragungssystemen erzeugten periodischen Störsignalen ermöglicht wird.

Der besondere Vorteil ergibt sich insbesondere aus der Tatsache, dass nach der durchgeführten Signalanalyse lediglich das Fehlersignal die periodischen Störer enthält, während die zugehörigen Koeffizienten unbeeinflusst bleiben.

Vorzugsweise wird bei der Signalanalyse eine lineare Prädiktion und insbesondere eine Kurzzeitprädiktion in einem Zeitbereich von 20 bis 400 Millisekunden durchgeführt. Derartige lineare Kurzzeitprädiktoren ermöglichen die Erzeugung von ausreichend genauen Fehlersignalen und Koeffizienten zur weiteren Signalverarbeitung. Zur Bestimmung der jeweiligen Koeffizienten bietet sich hierbei insbesondere der sogenannte Levinson-Durbin-Algorithmus an, da dieser üblicherweise insbesondere in mobilen Endgeräten bei der Sprachkodierung verwendet wird und somit ohnehin zur Verfügung steht.

Vorzugsweise wird die Subtraktion in Abhängigkeit von einer Signalenergie des gestörten Eingangssignals und des entstörten Eingangssignals durchgeführt. Auf diese Weise können auch derartige Störsignale behoben werden, die nicht in jedem Rahmen bzw. nach jeder Periodendauer T ein Störsignal aufweisen, sondern beispielsweise eine Periodendauer überspringen. Ein derartiges unregelmäßiges Fehlen von Störsignalen innerhalb der Periodendauer wird oftmals impliziert durch die verwendeten Telekommunikationsstandards, so dass auch ein derartiges Fehlen von Störsignalen keine unerwünschte Verschlechterung der Störunterdrückung verursacht.

In den weiteren Ansprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigen:
1 eine vereinfachte zeitliche Darstellung eines von einer Signalquelle erzeugten periodisch gestörten Signals;
2 eine vereinfachte zeitliche Darstellung des periodischen Störsignals;
3 eine vereinfachte Blockdarstellung eines Gesamtsystems mit der Störunterdrückungsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
4 eine vereinfachte Blockdarstellung der Störunterdrückungsvorrichtung;
5 eine vereinfachte zeitliche Darstellung des in der Störunterdrückungsvorrichtung erzeugten und dem Störsignal entsprechenden Signals; und
6 eine vereinfachte Blockdarstellung eines Teilsystems mit der Störunterdrückungsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Erstes Ausführungsbeispiel
3 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Systemkonfiguration, in der die erfindungsgemäße Störunterdrückungsvorrichtung beispielsweise verwendet werden kann. Gemäß 3 bezeichnet M eine Signalquelle bzw. ein Mikrofon zum Umwandeln eines akustischen Sprachsignals in ein elektrisches Sprachsignal bzw. Nutzsignal. Wie bereits vorstehend beschrieben wurde, kann auf Grund der Einkopplung von Störsignalen beispielsweise über die Leiterplatte oder über eine Funkeinstrahlung ein eigentliches Sprach-Nutzsignal N mit einem Störsignal S überlagert werden, wodurch sich ein gestörtes Eingangssignal E ergibt. Eine derartige Überlagerung eines Nutzsignals mit einem periodischen Störsignal ist allge mein bekannt, wobei das vom Stromnetz verursachte Brummen ein typisches Beispiel darstellt.
Wie eingangs bereits beschrieben wurde, können solche Störungen jedoch auch in digitalen Telekommunikationsgeräten bzw. in unmittelbarer Nähe dieser Endgeräte verwendeten Geräten geschehen, wobei in diesem Fall das periodische Störsignal von der Datenübertragung zwischen dem mobilen Telekommunikationsendgerät und der dazugehörigen Basisstation verursacht wird. Zur Unterdrückung derartiger periodischer Störsignale können die eingangs beschriebenen bekannten Maßnahmen durchgeführt werden, wie z.B. das Vorsehen einer Abschirmung der Signalquelle M und/oder das Vorsehen eines Störsignal-Vorfilters, der üblicherweise einen Entstörkondensator aufweist und ebenfalls zur Reduzierung des periodischen Störsignals im gestörten Eingangssignal E geeignet ist. Das zunächst analoge gestörte Eingangssignal wird durch einen A/D-Wandler W in ein digitalisiertes gestörtes Eingangssignal E umgewandelt und anschließend der eigentlichen Störsignalunterdrückungsvorrichtung U zugeführt, die durch eine Subtraktion eines dem Störsignal entsprechenden Signals S' von dem gestörten Eingangssignal E ein entstörtes Eingangssignal E' erzeugt, welches beispielsweise über eine Luft-Schnittstelle I übertragen oder über einen Rückhörpfad R zur Realisierung eines notwendigen Echos an einen nicht dargestellten Hörer-Lautsprecher rückgekoppelt wird.
4 zeigt eine vereinfachte Blockdarstellung der Störsignalunterdrückungsvorrichtung U gemäß 3. Gemäß 4 wird das vom Wandler W ausgegebene digitalisierte gestörte Eingangssignal E, welches sich aus dem Nutzsignal N und dem periodischen Störsignal S zusammensetzt, beispielsweise einer Periodendauer-Ermittlungseinheit 1 zugeführt, die eine Periodendauer T des Störsignals S ermittelt. Eine derartige Identifizierung der Periodendauer T des Störsignals S kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Vorzugsweise wird jedoch mittels Autokorrelation in einem Abschnitt des Eingangssig nals E bzw. eines gestörten Audiosignals (z.B. kurz nach dem Aufbau der Telefonverbindung oder in gelegentlichen Intervallen während des Gesprächs) Signalmaxima bestimmt und aus den zeitlichen Abständen zwischen den Signalmaxima der Autokorrelationsfunktion direkt die Periodendauer T des Störsignals S ermittelt. Eine derartige Periodendauer-Ermittlung kann demzufolge einmalig oder in zeitlich vorbestimmten Abständen erfolgen.
Für den Fall, dass wie z.B. in Sprachpausen kein Sprachsignal übertragen wird, kann alternativ auch direkt zwischen zwei Maximalwerten des Störsignals bzw. des gestörten Eingangssignals die Periodendauer ermittelt werden, wodurch die Periodendauer T besonders einfach bestimmt wird.
Alternativ kann die Periodendauer-Ermittlungseinheit 1 auch durch eine nicht dargestellte Periodendauer-Bereitstellungseinheit realisiert werden, die beispielsweise bei Kenntnis eines existierenden periodischen Störsignals dessen Periodendauer T ausgibt.
In einer Störsignal-Ermittlungseinheit 2 wird nunmehr ein dem Störsignal S entsprechendes Signal S' ermittelt und anschließend mittels einer Subtraktions-Einheit 3 vom gestörten Eingangssignal E subtrahiert, wodurch man das entstörte Eingangssignal E' = N + S – S' erhält, welches folglich im Wesentlichen dem Nutzsignal N entspricht.
Zur Ermittlung des dem Störsignal S entsprechenden Signals S' wird gemäß 4 in der Störsignal-Ermittlungseinheit 2 in Abhängigkeit von der Periodendauer T des periodischen Störsignals S eine vielfache Überlagerung des Eingangssignals E und eine anschließende Normierung des vielfach überlagerten Eingangssignals durchgeführt.
In der Störsignal-Ermittlungseinheit 2 wird demzufolge im zeitlichen Abstand der Periodendauer T eine vielfache Überla gerung des Eingangssignals E durchgeführt, wodurch die jeweils an der gleichen Stelle befindlichen Störsignale zunehmend verstärkt werden und das statistisch verteilte Nutzsignal bzw. Audiosignal N zunehmend ausgelöscht wird. Nach einer Normierung, die beispielsweise einer Division entsprechend der Anzahl von durchgeführten Überlagerungen entspricht, erhält man wiederum ein dem gestörten Eingangssignal E entsprechendes Signal S', das im Wesentlichen dem im Eingangssignal befindlichen Störsignal S gleicht. Durch die im Subtrahierer 3 durchgeführte Subtraktion erhält man folglich ein entstörtes Eingangssignal E', welches im Wesentlichen dem Nutz- bzw. Audiosignal N entspricht.
Vorzugsweise wird über eine Reihe von Phasen bzw. Rahmen des periodischen Störsignals gemittelt. Da eine Mittelwertbildung über einen unendlich langen Zeitraum nicht möglich ist, erfolgt beispielsweise eine Mittelwertbildung über eine vorbestimmte oder sich ändernde endliche Anzahl von Perioden bzw. Periodendauern T. Zur Verbesserung der Qualität einer durchgeführten Störunterdrückung hat sich hierbei die Einführung von sogenannten Gewichtungsfaktoren als sinnvoll erwiesen, wobei weiter in der Vergangenheit liegende Perioden schwächer zu gewichten sind als eine jeweils anliegende bzw. aktuelle Periode, um somit einen gewichteten Mittelwert zu erhalten.
Vorzugsweise wird eine gleitende Mittelwertbildung in der Störsignal-Ermittlungseinheit 2 nach folgendem Schema durchgeführt: Mittelwert_n = a × Mittelwert_n–1 + (1 – a) × Mittelwertaktuell wobei n die Anzahl der jeweiligen Perioden bzw. Rahmen und a einen Gewichtungsfaktor beschreibt.
Dabei kann der Gewichtungsfaktor a fest im Bereich zwischen 0 und 1 gewählt werden. Für einen Gewichtungsfaktor von a = 0,8 und einer gleitenden Mittelwertbildung über 2 Periodendauern T ergeben sich damit folgende Werte: Mittelwert0 = 0,2 × Eingangssignal0 Mittelwert1=aktuell = 0, 2 × Eingangssignal1=aktuell + 0, 8 × (0, 2 × Eingangssignal0)usw.
Auf diese Weise erhält man durch den Mittelwert ein dem Störsignal S sehr gut entsprechendes Signal S', welches anschließend vom Eingangssignal subtrahiert werden kann.
Eine andere Möglichkeit ist es, diesen Gewichtungsfaktor a zu variieren, d.h. das System adaptiv zu gestalten. Dabei ist es sinnvoll, über einen längeren Zeitraum zu mitteln, wenn das Störsignal beispielsweise durch einen Sprecher überlagert wird. Genauer gesagt kann beispielsweise der Gewichtungsfaktor a in Abhängigkeit vom Eingangssignal bzw. in Abhängigkeit von dessen Signalpegel (Lautstärke) groß gewählt werden. Andererseits kann beispielsweise in Sprachpausen, wenn z.B. der Signalpegel des Nutzsignals bzw. Audiosignals N sehr klein ist, der Gewichtungsfaktor a kleiner gewählt werden. In diesem Fall wird die aktuelle Phase bzw. der Rahmen oder Periode des Störsignals stärker gewichtet.
Dieses in der Störsignal-Ermittlungseinheit 2 ermittelte Signal bzw. der nicht gewichtete Mittelwert S' wird anschließend in dem aktuellen Rahmen bzw. der augenblicklichen Periodendauer vom Eingangssignal (Audiosignal) subtrahiert, wodurch das Störsignals S stark verringert werden kann. Enthält der Mittelwert den gesamten Anteil des periodischen Störsignals, so wird dieser sogar komplett aus dem Eingangssignal herausgerechnet.
Die Qualität der Störunterdrückungsvorrichtung kann ferner durch eine Subtraktion in Abhängigkeit von einer Signalenergie des gestörten Eingangssignals und des entstörten Eingangssignals E' verbessert werden. Hierbei wird der Subtrahierer 3 um die folgende Abschätzung erweitert:
Wird durch die Subtraktion des dem Störsignal S entsprechenden Signals S' vom Eingangssignal E eine Signalenergie des entstörten Eingangssignals E' im betrachteten Rahmen bzw. der Periode erhöht, so wird auf die Subtraktion verzichtet oder die Subtraktion mit einem Gewichtungsfaktor b (kleiner 1) durchgeführt. Eine Erhöhung der Signalenergie des entstörten Eingangssignals E' gegenüber dem gestörten Eingangssignal E durch die Subtraktion deutet nämlich darauf hin, dass in dem betrachteten Rahmen das Störsignal (unerwarteterweise) nicht aufgetreten ist und somit durch die Subtraktion eine Verschlechterung der Störunterdrückung erzielt würde. Da ein solches Ausbleiben des periodischen Störsignal z.B. bei DECT-Telekommunikationssystemen nicht unüblich ist und in mehr oder weniger regelmäßigen Abständen auftritt, wird durch eine derartige abhängige Subtraktion mit eventuell adaptiven Subtraktions-Gewichtungsfaktoren b eine weitere Qualitätsverbesserung erzielt.
5 zeigt eine vereinfachte zeitliche Darstellung des von der Störsignal-Ermittlungseinheit 2 ermittelten Signals S', welches im Wesentlichen dem Störsignal S entspricht und vom Eingangssignal gemäß 1 subtrahiert wird. Auf diese Weise erhält man ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Unterdrückung von periodischen Störsignalen, wodurch auf eine metallische Abschirmung beispielweise der Mikrofone verzichtet werden kann. Somit können die Kosten für die Mikrofone bzw. Signalquellen gesenkt werden. Ferner muss bei der Führung der Eingangssignale bzw. Audiosignale auf einer Leiterplatte nicht mehr auf HF-Einstreuungen geachtet werden, wodurch sich das Layout wesentlich vereinfacht und eine Mikrofonposition freier gewählt werden kann. Ferner ist das vorstehend be schriebene Verfahren sehr einfach zu implementieren und benötigt darüber hinaus nur sehr geringe Rechenleistung, da im Wesentlichen nur zwei Additionen und Multiplikationen pro Abtastwert notwendig sind. Auch treten durch das Verfahren keine zusätzlichen Verzögerungen im Audiosignal auf.
Vorzugsweise wird das Eingangssignal als digitalisiertes Signal über eine Vielzahl von Periodendauern T in einem nicht dargestellten Zwischenspeicher gespeichert, wodurch sich eine Weiterverarbeitung und insbesondere die vorstehend beschriebene Überlagerung bzw. Mittelwertbildung besonders einfach realisieren lässt.
Das vorstehend beschriebene Verfahren wurde gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel direkt auf das Eingangssignal E bzw. die Audiosignaldaten angewendet. In gleicher Weise kann es jedoch auch auf Fehlersignale bzw. Residuensignale angewendet werden, wie sie beispielsweise bei der Sprachschätzung auftreten.
Zweites Ausführungsbeispiel
6 zeigt eine vereinfachte Blockdarstellung eines Teilsystems mit der Störunterdrückungsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Zur Vereinfachung der nachfolgenden Beschreibung wird zunächst davon ausgegangen, dass die optionalen Blöcke 4 und 5 in 6 nicht vorhanden sind und somit das gestörte Nutzsignal x(k) = x'(k) ist. In gleicher Weise gilt: x*'(k) = x*(k).
Im Wesentlichen besteht die Vorrichtung zur Unterdrückung von periodischen Störsignalen gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel aus einem Signalanalysator SA zum Ausgeben eines Fehlersignals E(k) und dazugehöriger Koeffizienten a_i auf der Grundlage des gestörten Nutzsignals bzw. eines gestörten elektrischen Sprachsignals. Auf der Grundlage des vom Signalanalysator SA ausgegebenen Fehlersignals E(k) erzeugt nunmehr die vorstehend beschriebene Störsignalunterdrückungsvorrichtung U wiederum ein entstörtes Fehlersignal E'(k) mit reduzierten periodischen Störsignalen, welches an einen Signalsynthetisierer SS weitergeleitet wird. Der Signalsynthetisierer SS führt auf der Grundlage des entstörten Fehlersignals E'(k) und der vom Signalanalysator SA erzeugten Koeffizienten a_i eine Signalsynthese zum Rückgewinnen eines entstörten Nutzsignals x*(k) bzw. x*'(k) durch. Die Nutzsignalqualität des entstörten Nutzsignals x*(k) kann demzufolge weiter verbessert werden.
Vorzugsweise wird die Störunterdrückungsvorrichtung U in einem mobilen Telekommunikationsendgerät wie z.B. einem Mobiltelefon ausgebildet, wobei die in 6 dargestellten Elemente zumindest teilweise zur Realisierung einer Sprachkodierung bereits vorhanden sind.
Zur Reduzierung einer Datenmenge sowie einer Anfälligkeit gegenüber Störungen werden insbesondere in drahtlosen Telekommunikationssystemen sogenannte Sprachkodierer verwendet, die unter Berücksichtigung der menschlichen Empfangsmöglichkeiten eine Signalqualität bzw. Störunempfindlichkeit verbessern. Hierbei werden als sogenannte Sprachschätzer FIR-Filter (finite impulse response) oder IIR-Filter zum Ausgeben eines Prädiktionsfehlersignals und dazugehöriger Prädiktorkoeffizienten auf der Grundlage eines anliegenden Sprachsignals erzeugt. Erfindungsgemäß kann nunmehr der Signalanalysator SA einen derartigen FIR-Filter zum Ausgeben eines Prädiktionsfehlersignals E(k) und dazugehöriger Prädiktorkoeffizienten a_i auf der Grundlage des anliegenden gestörten Sprachsignals x(k) verwenden. Demzufolge wird das von der Störunterdrückungsvorrichtung U angewandte Verfahren nunmehr nicht direkt auf das Eingangssignal E bzw. das Audiosignal angewendet, sondern auf ein dazugehöriges Fehlersignal bzw. Residuensignal. Hierbei kann beispielsweise ein linearer Prädiktor zum Durchführen einer linearen Prädiktion als Signalanalysator SA verwendet werden, wobei vorzugsweise eine Kurzzeitprädiktion in einem Zeitbereich von 20 bis 400 Millisekunden durchgeführt wird. Derartige lineare Kurzzeitprädikatoren, wobei zur Berechnung der Prädiktorkoeffizienten a_i vorzugsweise der sogenannte Levinson-Durbin-Algorithmus verwendet wird, sind wiederum bei der Sprachkodierung allgemein bekannt, weshalb nachfolgend auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet wird.
Der Signalanalysator SA erzeugt demzufolge ein gestörtes Fehlersignal E(k) sowie zugehörige Koeffizienten a_i, welche keine Störung beinhalten.
Gemäß 6 wird nunmehr in der vorstehend beschriebenen Signalunterdrückungsvorrichtung U die eigentliche Entstörung des periodischen Störsignals durchgeführt.
Das vom Signalanalysator SA erzeugte Fehlersignal E(k) besteht im Wesentlichen aus der Differenz des gestörten Nutzsignals x(k) und einem dazugehörigen Schätzwert x^(k), d. h. e(k) = x(k) – x^(k). Anschließend wird das verbesserte bzw. zumindest teilweise entstörte Fehlersignal E'(k) in Verbindung mit den Koeffizienten a_i synthetisiert, wodurch man das entstörte Nutzsignal bzw. Originalsignal x*(k) erhält.
Zur weiteren Verbesserung der Koeffizientenberechnung im Signalanalysator SA kann gemäß 6 eingangsseitig ferner ein Hochpassfilter 4 zur zusätzlichen Hochpassfilterung des gestörten Nutzsignals x(k) und zum Erzeugen eines gefilterten aber noch gestörten Nutzsignals x'(k) verwendet werden. Üblicherweise wird als HP-Filter 4 ein sogenannter Preenfasys-Filter verwendet, das in Verbindung mit den aus der Sprachkodierung verwendeten Signalanalysatoren eine weiter Verbesserung herbei führt. Zur Kompensation des optional eingeführten HP-Filters 4 kann optional auch ein TP-Filter 5 ausgangsseitig zur Tiefpass-Filterung des entstörten Nutzsignals x*'(k) verwendet werden, das schließlich das entstörte Nutzsignal x*(k) ausgibt. Ein derartiges TP-Filter besteht üblicherweise aus einem sogenannten Deenfasys-Filter.
In gleicher Weise können optional zur beschriebenen Störsignalunterdrückungsvorrichtung gemäß 6 wiederum die bekannten Entstörvorfilter sowie eine Abschirmung der Signalquelle M hinzugefügt werden, wodurch sich nunmehr der Einsatz von kostengünstigen Elektretmikrofonen ergibt. Die Entstörkondensatoren wären hierbei unmittelbar an den Anschlusspins der Signalquelle bzw. des Mikrofons M zu befestigen. Der Vorteil des vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiels liegt demzufolge darin, dass mögliche Artefakten im Nutzsignal, die wegen einer herkömmlichen Geräuschreduktion entstehen können, durch die Signalanalyse und Signalsynthese deutlich abgeschwächt werden können.
Drittes Ausführungsbeispiel
Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das dazugehörige Verfahren nicht in ein das periodische Störsignal generierendes System integriert, sondern als externes Gerät realisiert. Derartige externe Geräte können insbesondere sogenannte Hörhilfegeräte darstellen, da sie üblicherweise in unmittelbarer Nähe eines jeweiligen mobilen Telekommunikationsendgerätes verwendet werden und somit der Einkopplung von vorstehend beschriebenen periodischen Störsignalen besonders ausgesetzt sind. Genauer gesagt wird die vorstehend beschriebene Störsignal-Unterdrückungsvorrichtung mit direkter oder indirekter Anwendung auf das Eingangssignal demzufolge in einem Hörhilfegerät realisiert, welches beispielsweise ein Hinter-dem-Ohr-Gerät (HdO), ein In-dem-Ohr-Gerät (IdO), ein Im-Kanal-Gerät (complete in the canal, CIC), ein Taschengerät, ein Headset, einen Kopfhörer und/oder ein Implantat darstellen kann. Wiederum können auf diese Weise verbesserte Hörhilfegeräte realisiert werden, die gegenüber den von digitalen Telekommuni kationssystemen erzeugten periodischen Störsignalen im Wesentlichen unempfindlich sind.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand von periodischen Störsignalen im GSM- und DECT-Telekommunikationssystem beschrieben. Sie ist jedoch nicht darauf beschränkt und umfasst in gleicher Weise periodische Störsignale, die durch andere drahtlose, drahtgebundene Telekommunikationssysteme oder sonstige System erzeugt werden. In gleicher Weise ist die Erfindung nicht auf mobile Telekommunikationsendgeräte und Hörhilfegeräte beschränkt, sondern umfasst in gleicher Weise auch andere Geräte, die derartigen periodischen Störsignalen besonders ausgesetzt sind.

Claims

Verfahren zur Unterdrückung von periodischen Störsignalen in einem gestörten Eingangssignal mit den Schritten: a) Bereitstellen einer Periodendauer (T) des periodischen Störsignals (S); b) Ermitteln eines dem Störsignal (S) entsprechenden Signals (S'); und c) Durchführen einer Subtraktion des dem Störsignal entsprechenden Signals (S') von dem gestörten Eingangssignal (E) zum Erzeugen eines entstörten Eingangssignals (E') dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) in Abhängigkeit von der Periodendauer (T) des Störsignals (S) ein Überlagerungssignal durch eine vielfache Überlagerung von dem Eingangssignal (E) derart erzeugt wird, dass in dem Überlagerungssignal an gleicher Stelle befindliche Störsignale (S) zunehmend verstärkt werden und Nutzsignale (N) aus dem Eingangssignal (E) zunehmend ausgelöscht werden, und eine anschließende Normierung des Überlagerungssignals durchgeführt wird.
Vorrichtung zur Unterdrückung von periodischen Störsignalen in einem gestörten Eingangssignal mit: einer Periodendauer-Bereitstellungseinheit (1) zum Bereitstellen einer Periodendauer (T) des periodischen Störsignals (S); einer Störsignal-Ermittlungseinheit (2) zum Ermitteln eines dem Störsignal entsprechenden Signals (S'); und einer Subtraktions-Einheit (3) zum Subtrahieren des dem Störsignal entsprechenden Signals (S') von einem gestörten Eingangssignal (E) und zum Erzeugen eines entstörten Eingangssignals (E') dadurch gekennzeichnet, dass die Störsignal-Ermittlungseinheit (2) in Abhängigkeit von der Periodendauer (T) des periodischen Störsignals (S) ein Überlagerungssignal durch eine vielfache Überlagerung von dem Eingangssignal (E) derart erzeugt, dass an gleicher Stelle befindliche Störsignale (S) zunehmend verstärkt werden und Nutzsignale (N) aus dem gestörten Eingangssignal (E) zunehmend ausgelöscht werden, und eine Normierung des Überlagerungssignals zur Ermittlung des dem Störsignal entsprechenden Signals (S') durchführt.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Normierung durch eine Divisionseinheit zur Realisierung eines Verhältnisses des überlagerten Eingangssignales mit der Anzahl der Überlagerungen durchgeführt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangssignal (E) als digitalisiertes Signal über eine Vielzahl von Periodendauern zwischengespeichert wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) eine Mittelwertbildung über eine vorbestimmte oder sich ändernde Anzahl von Periodendauern (T) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) die Überlagerung des Eingangssignals (E) mit unterschiedlichen Gewichtungsfaktoren (a) durchgeführt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine gleitende Mittelwertbildung durchgeführt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtungsfaktoren (a) eingangssignalabhängig festgelegt werden.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Normierung eine Division aufweist.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) die Periodendauer (T) aus dem gestörten Eingangssignal (E) ermittelt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) eine Autokorrelation eines Abschnitts des gestörten Eingangssignals (E) zum Bestimmen von Maxima durchgeführt wird und die Periodendauer (T) aus einem zeitlichen Abstand der Maxima ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangssignal ein unmittelbar gestörtes Eingangssignal (E) oder ein davon abhängiges Fehlersignal (E(k)) darstellt.
Verfahren nach Patentanspruch 10 mit den Schritten: Durchführen einer Signalanalyse zum Ausgeben des Fehlersignals (E(k)) und zugehöriger Koeffizienten (a_i) auf der Grundlage eines gestörten Nutzsignals (x(k)); und Durchführen einer Signalsynthese zum Rückgewinnen eines entstörten Nutzsignals (x*(k)) auf der Grundlage eines entstörten Fehlersignals (E'(k)) und der Koeffizienten (a_i).
Verfahren nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Signalanalyse eine FIR-Filterung und/oder IIR-Filterung zum Ausgeben eines Prädiktionsfehlersignals (E(k)) und zugehöriger Prädiktorkoeffizienten (a_i) auf der Grundlage eines Sprachsignals (x(k)) und die Signalsynthese eine IIR-Filterung und/oder FIR-Filterung zum Rückgewinnen des entstörten Nutzsignals (x*(k)) auf der Grundlage eines entstörten Prädiktionsfehlersignals (E'(k)) und der Prädiktorkoeffizienten (a_i) durchgeführt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Signalanalyse eine lineare Prädiktion durchgeführt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die lineare Prädiktion eine Kurzzeitprädiktion in einem Zeitbereich von 20 bis 400 Millisekunden darstellt.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Signalanalyse die Koeffizienten (a_i) mittels Levinson-Durbin-Algorithmus bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die Subtraktion in Abhängigkeit von einer Signalenergie des gestörten Eingangssignals (E) und des entstörten Eingangssignals (E') durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass es in einem drahtlosen Telekommunikationsendgerät durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass es in einem Hörhilfegerät durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das periodische Störsignal ein GSM- und/oder DECT-Signal darstellt.
Vorrichtung nach Patentanspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Störsignal-Ermittlungseinheit (2) einen Zwischenspeicher zum Zwischenspeichern des Eingangssignals (E) als digitalisiertes Signal über eine Vielzahl von Periodendauern (T) aufweist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Störsignal-Ermittlungseinheit (2) eine Mittelwertbildung über eine vorbestimmte oder sich ändernde Anzahl von Periodendauern (T) durchführt.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Störsignal-Ermittlungseinheit (2) eine gleitende Mittelwertbildungseinheit mit unterschiedlichen Gewichtungsfaktoren (a) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 20 bis 24, gekennzeichnet durch einen Signalanalysator (SA) zum Ausgeben eines Fehlersignals (E(k)) als Eingangssignal und zugehöriger Koeffizienten (a_i) auf der Grundlage eines gestörten Nutzsignals (x(k)); und einen Signalsynthetisierer (SS) zum Rückgewinnen eines entstörten Nutzsignals (x*(k)) auf der Grundlage eines entstörten Fehlersignals (E'(k)) und der Koeffizienten (a_i).
Vorrichtung nach Patentanspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalanalysator (SA) ein FIR-Filter und/oder IIR-Filter zum Ausgeben eines Prädiktionsfehlersignals (E(k)) und dazugehöriger Prädiktorkoeffizienten (a_i) auf der Grundlage eines Sprachsignals (x(k)) und der Signalsynthetisierer (SS) einen IIR-Filter und/oder FIR-Filter zum Rückgewinnen des entstörten Nutzsignals (x*(k)) auf der Grundlage eines entstörten Prädiktionsfehlersignals (E'(k)) und dazugehöriger Prädiktorkoeffizienten (a_i) aufweist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalanalysator (SA) einen linearen Prädiktor zum Durchführen einer linearen Prädiktion aufweist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der lineare Prädiktor (SA) eine Kurzzeitprädiktion in einem Zeitbereich von 20 bis 400 Millisekunden durchführt.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalanalysator (SA) die Koeffizienten (a_i) mittels Levinson-Durbin-Algorithmus bestimmt.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 25 bis 29, gekennzeichnet durch ein HP-Filter (4) zur Filterung des gestörten Nutzsignals (x(k)) und zur Verbesserung der Koeffizientenberechnung im Signalanalysator (SA).
Vorrichtung nach Patentanspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass das HP-Filter (4) ein Preenfasys-Filter aufweist.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 30 oder 31, gekennzeichnet durch ein TP-Filter (5) zur Filterung des entstörten Nutzsignals (x*(k)) und zur Kompensation des HP-Filters (4).
Vorrichtung nach Patentanspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass das TP-Filter ein Deenfasys-Filter aufweist.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 25 bis 33, gekennzeichnet durch ein Störsignalvorfilter zur Reduzierung des periodischen Störsignals im Nutzsignal (x(k)).
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 20 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass das gestörte Nutzsignal (x(k)) von einem Elektretmikrofon erzeugt wird.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 20 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einem drahtlosen Telekommunikationsendgerät ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 20 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einem Hörhilfegerät ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass das Hörhilfegerät ein Hinter-dem-Ohr-Gerät, ein In-dem-Ohr-Gerät, ein Im-Kanal-Gerät, ein Taschengerät, einen Kopfhörer und/oder ein Implantat darstellt.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 20 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass das periodische Störsignal ein GSM- und/oder DECT-Signal darstellt.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 20 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Periodendauer-Bereitstellungseinheit eine Periodendauer-Ermittlungseinheit (1) aufweist, die zum Bestimmen von Signalmaxima eine Autokorrelation eines Abschnitts des gestörten Eingangssignals (E) durchführt und die Periodendauer (T) aus einem zeitlichen Abstand der Signalmaxima ermittelt.