DE102009025541B3

DE102009025541B3 - Vorrichtung und Verfahren zur breitbandigen Rauschentfernung und Rauschreduktion (Denoising) bei der Signalnachbearbeitung eines Breitbandpeilers

Info

Publication number: DE102009025541B3
Application number: DE200910025541
Authority: DE
Inventors: René Dr. Cornils
Original assignee: PLATH GmbH
Current assignee: PLATH GmbH
Priority date: 2009-06-19
Filing date: 2009-06-19
Publication date: 2011-02-10
Anticipated expiration: 2029-06-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur breitbandigen Rauschentfernung und Rauschreduktion (denoising) bei der Signalnachbearbeitung mindestens eines Spektrums eines Breitbandpeilers, wobei das Spektrum eine Anzahl von K Spektrallinien aufweist, wobei jede Spektrallinie einen Satz zugehöriger Werte aufweist. Die Vorrichtung weist eine Einrichtung zum Bearbeiten einer i-ten Spektrallinie, eine Einrichtung zum Ermitteln von statistischen Parametern einer momentanen Rauschverteilung zur i-ten Spektrallinie, eine Einrichtung zum Vergleichen eines Wertes der i-ten Spektrallinie mit den statistischen Parametern der momentanen Rauschverteilung und eine Einrichtung zum Bestimmen einer Signifikanz für die i-te Spektrallinie anhand des Vergleichs des entsprechenden Linienwertes mit der momentanen Rauschverteilung auf. Anhand der Signifikanz wird eine Entscheidung getroffen, ob die bearbeitete Linie zum Rauschen gehört oder als Signal behandelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur breitbandigen Rauschentfernung und Rauschreduktion (denoising) bei der Signalnachbearbeitung mindestens eines Spektrums eines Breitbandpeilers. Die Erfindung eignet sich zur breitbandigen Rauschentfernung und Rauschreduktion (denoising) bei der Signalnachbearbeitung von durch einen Breitbandpeiler erfassten Signalen.
Moderne mehrkanalige Breitbandpeiler erfassen aufgrund ihrer großen Echtzeitbandbreite eine Vielzahl von Signalen gleichzeitig. Prinzipiell arbeiten diese Geräte in jedem Empfangskanal mit einer breitbandigen Analog/Digital-Wandlung und anschließender Zeit-Frequenztransformation – bspw. FFT –, wodurch komplexe Frequenzspektren gewonnen werden. Aus diesen Spektren können die Richtungsinformationen berechnet und weitere kennzeichnende Signalmerkmale von zu peilenden Sendern bestimmt werden. Jede Linie eines Spektrums enthält Informationen über Leistung, Peilwinkel und ggf. weitere Größen. Im einzelnen besteht jede Spektrallinie zumindest aus dem Frequenzindex i (der Linienindex) sowie dem Leistungswert P_i und dem Peilwinkelwert (die Linienwerte).
Als ein besonderes Problem erweist sich, dass in der Praxis die erfassten Signale in der Regel mit einem Rauschspektrum überlagert sind.
Es sind verschiedene Verfahren zur Rauschentfernung, Rauschunterdrückung usw. bekannt.
Die DE 10 2005 039 621 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur adaptiven Reduktion von Rausch- und Hintergrundsignalen in einem sprachverarbeitenden System. Dazu wird ein Audio-Eingangssignal mittels eines adaptiven Filters gefiltert, um ein Vorhersage-Ausgangssignal mit reduziertem Rauschen zu erzeugen. Dabei werden Beträge von Koeffizienten des adaptiven Filters kontinuierlich reduziert und zwar anhand einer Vielzahl von Reduktionsparametern. Einem ersten adaptiven Filter kann ein zweites Filter nachgeschaltet werden. Bei einer Ausführungsform reduziert das erste Filter das Rauschen über den gesamten wahrgenommenen Frequenzbereich. Dabei wird ein modifiziertes adaptives FIR-Filter darauf trainiert, das Audio-Eingangssignal, das z. B. Sprache und Rauschen enthält, möglichst gut aus den vergangenen n-Werten vorherzusagen. Das zweite Filter reduziert langanhaltende Hintergrundgeräusche. Dabei wird ausgenutzt, dass die Energie von Sprachsignalanteilen im Audio-Eingangssignal in einzelnen Frequenzbändern immer wieder auf Null abfällt, wohingegen langanhaltende Töne eher eine gleichbleibende Energie im Frequenzband haben.
In der DE 697 29 349 T2 wird ein breitbandiges Rauschunterdrückungssystem und Verfahren zur Rauschunterdrückung beschrieben. Dabei wird das Eingangssignal in Abtastfenstern digitalisiert, die jeweils eine Mehrzahl von Abtastdatenpunkten aufweisen. Ein Signaltransformations-Prozessorsystem, das Haar-Wavelet-Grundfunktionen über einzelne Zeitsegmente des Eingangssignals faltet, erzeugt Gruppen bzw. Anordnungen von Korrelationskoeffizienten. Signalrauschen wird durch die ausgewählten Haar-Wavelet Grundfunktionen schwach dargestellt, während die erwarteten Impulssignaleigenschaften durch die Grundfunktionen gut dargestellt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur breitbandigen Rauschentfernung und Rauschreduktion (denoising) bei der Signalnachbearbeitung mindestens eines Spektrums eines Breitbandpeilers bereitzustellen, das einfacher aufgebaut ist und schneller arbeitet.
Die Erfindung ermöglicht das Entfernen bzw. eine erhebliche Reduzierung von Rauschanteilen, ohne dass dabei die Signalanteile weichgezeichnet werden. Zudem wird besonderer Wert auf die Verfahrenseffizienz und Echtzeitfähigkeit gelegt.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst. Mit der Erfindung können Anforderungen hinsichtlich Breitbandigkeit, das heißt, ein größerer Frequenzbereich des Eingangssignals, mit einem geringeren Implementierungsaufwand, das heißt eine Vorrichtung mit geringer Komplexität, erfüllt werden. Zudem ist die Rechenzeit geringer, wodurch ein großer Gesamtdurchsatz von verarbeiteten Signalen ermöglicht wird. Außerdem hat die Erfindung den Vorteil, die Signale zu erhalten und entgegen den bekannten Verfahren keine Weichzeichnung der Signalanteile vorzunehmen.
Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, eine gute Abschätzung dafür zu erhalten, ob es sich bei einer Spektrallinie eines Spektrums um einen Signalbeitrag oder um eine Rauschkomponente handelt. Spektrallinien, die einen Signalbeitrag darstellen, werden weiter analysiert. Andererseits werden Spektrallinien, die als Rauschkomponenten zu werten sind, vorzugsweise nicht weiter beachtet. Die Werte, insbesondere der Leistungswert, der Peilwinkelwert und andere Linienwerte aller Spektrallinien, bleiben dabei zunächst unverändert erhalten. Die Entscheidung für jede Spektrallinie wird quasi in Echtzeit gefällt, wobei bei der vorliegenden Erfindung auf die Verfahrenseffizienz besonderer Wert gelegt wird, unter Berücksichtigung einer ausreichenden mathematischen Exaktheit.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird die dynamische Verteilung des Rauschanteils durch eine gewisse Reihe von statistischen Parametern charakterisiert, deren Werte adaptiv bei der Prozessierung der Spektrallinien bestimmt werden. Hiermit kann unmittelbar für jede Spektrallinie auf sehr effiziente Weise eine Signifikanzaussage getroffen werden, inwieweit die Linienwerte dem Signalanteil zuzurechnen sind. Anhand der Signifikanz wird eine Entscheidung getroffen, ob die bearbeitete Linie zum Rauschen gehört oder als Signal behandelt wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen und Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Ablaufdiagramm einer ersten Ausführungsform der Erfindung zur Entscheidung, ob es sich bei einer gegebenen Spektrallinie i um ein Signal oder Rauschen handelt,
2 ein Blockdiagramm der Komponenten und Verschaltung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Denoisers aufbauend auf 1,
3.1 ein Diagramm mit den Leistungswerten aller Linien anhand eines Beispiels mit 100 aufeinanderfolgenden Spektren eines Breitbandpeilers mit jeweils 16000 Linien,
3.2 ein Diagramm mit dem abgeschätzten Rauschniveau für die in 3.1 gezeigten Leistungswerte aller Linien, das durch eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ermittelt wird, und
3.3 ein Diagramm, das die Leistungswerte von als Signal identifizierten Linien des Diagramms von 3.1 zeigt.
Anhand von 1 wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung erläutert. In dem Ablaufdiagramm zur Entscheidung, ob es sich bei einer gegebenen Spektrallinie i um ein Signal oder Rauschen handelt, bei gleichzeitiger Fortschreibung der Rauschwerte, werden folgende Variablen und Symbole verwendet:

Pi:: Leistungswert der i-ten Spektrallinie
δi:: reduzierte Abweichung (Signifikanzmaß) der i-ten Spektrallinie
μi:: abgeschätzte Rauschleistung zur i-ten Spektrallinie
σi:: abgeschätzte Schwankungsbreite der Rauschleistung zur i-ten Spektrallinie
αn:: erster Schwellenwert für die reduzierte Abweichung zur Fortschreibung der Rauschparameterwerte
αs:: zweiter Schwellenwert für die reduzierte Abweichung zur Signalidentifikation
fμ:: Funktion zur Fortschreibung der Rauschleistung
fσ:: Funktion zur Fortschreibung der Schwankungsbreite der Rauschleistung

Dabei werden die Spektrallinien eines Spektrums, das von einem Breitbandpeiler bereitgestellt wird, einzeln untersucht und charakterisiert. Das Spektrum umfasst die jeweiligen Leistungswerte für jede Spektrallinie, wobei das Spektrum K Spektrallinien aufweist (l ≤ i ≤ K). Die Anzahl K der Linien ist eine beliebige natürliche Zahl vorzugsweise größer 100. Wie in dem Beispiel von 3.1 bis 3.3 gezeigt, kann ein Spektrum 16000 Linien aufweisen, d. h. K = 16000. In dem in 1 dargestellten Ablaufdiagramm wird der Leistungswert S1 der i-ten Spektrallinie mit statistischen Parametern der momentanen Rauschverteilung verglichen. Im Einzelnen wird die reduzierte Abweichung δ_i gebildet S2 als Differenz zwischen dem Leistungswert der i-ten Spektrallinie P_i und einer zuvor berechneten momentanen mittleren Rauschleistung μ_i, wobei die so gebildete Differenz dividiert wird durch eine zuvor berechnete momentane Schwankungsbreite der Rauschleistung σ_i: δ_i = (P_i – μ_i)/σ
Diese reduzierte Abweichung δ_i wird verglichen S3 mit einem ersten Schwellenwert α_n.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass eine Koppelung an absolute Leistungswerte durch die Reduktion (Division durch σ) vermieden werden kann. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden nicht Leistungsexzesse sondern Signifikanzen, also eine Art Zufallswahrscheinlichkeit, betrachtet.
Der erste Schwellenwert α_n wird vorzugsweise so bestimmt, dass die jeweiligen Anforderungen an die Rauschreduktion bzw. Rauschentfernung erfüllt werden. Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung des ersten Schwellenwerts α_n durch Einmessen der Vorrichtung und Optimierung der Ergebnisse. Der erste Schwellenwert α_n liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1,7 bis 3,0, weiter bevorzugt in einem Bereich von 2,0 bis 2,5 und besonders bevorzugt 2,15.
Wenn der erste Vergleich S3 ergibt, dass die reduzierte Abweichung δ_i kleiner als der erste Schwellenwert α_n ist, wird der Leistungswert dieser Spektrallinie sowohl für die Fortschreibung der mittleren Rauschleistung μ_i als auch für die Fortschreibung der Schwankungsbreite der Rauschleistung σ_i verwendet S4, und zwar gemäß folgenden Gleichungen: μ_i+1 = f_μ(μ_i, P_i, ..., P_i-N) und σ_i+1 = f_σ(σ_i, [P – μ]_i, ..., [P – μ]_i-N)
Hierbei werden neben dem momentanen Rauschniveau μ_i und dem derzeitigen Leistungswert P_i ggf. die früheren Leistungswerte P_i-1, ..., P_i-N einbezogen, d. h. der letzten N Spektrallinien. Ebenso werden neben der momentanen Schwankungsbreite des Rauschens σ_i und dem derzeitigen Leistungsexzess P_i – μ_i ggf. die früheren Werte [P – μ]_i-1, ..., [P – μ]_i-N für den Leistungsexzess einbezogen, d. h. der letzten N Spektrallinien. Die Anzahl N der zurückliegenden Spektrallinien ist eine beliebige nichtnegative ganze Zahl vorzugsweise identisch 0. Für diesen bevorzugten Fall wird mit der verwendeten exponentiellen Glättung nur der aktuelle Wert berücksichtigt, d. h. N = 0. Dies hat den Vorteil einer einfachen und schnellen Berechnung, bei der nur ein freier anzupassender Parameter (Glättungskonstante) verwendet wird.
Ergibt andererseits der Vergleich S3, dass die reduzierte Abweichung δ_i nicht kleiner als der erste Schwellenwert α_n ist, das heißt, die reduzierte Abweichung ist größer oder gleich dem ersten Schwellenwert, wird der Leistungswert der untersuchten Spektrallinie nicht zur Fortschreibung der mittleren Rauschleistung und der Schwankungsbreite der Rauschleistung verwendet. Stattdessen wird die zur nächsten, d. h. (i + 1)-ten, Spektrallinie zugehörige mittlere Rauschleistung μ_i+1 mit dem momentanen Wert μ_i der mittleren Rauschleistung gleichgesetzt, und ebenso die (i + 1)-te Schwankungsbreite der Rauschleistung σ_i+1 mit dem momentanen Wert σ_i für die Schwankungsbreite der Rauschleistung gleichgesetzt S5, und zwar gemäß folgenden Gleichungen: μ_i+1 = μ_i und σ_i+1 = σ_i
Zur wesentlichen Entscheidung betreffend der Signalzugehörigkeit wird die reduzierte Abweichung δ_i mit einem zweiten Schwellenwert α_s verglichen S6. Der zweite Schwellenwert α_s ist vorzugsweise größer als der erste Schwellenwert α_n. Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung des zweiten Schwellenwerts α_s durch Einmessen der Vorrichtung und Optimierung der Ergebnisse. Alternativ oder zusätzlich kann der zweite Schwellenwert α_s durch Adaption gewonnen werden. Dabei gilt allgemein, dass für größere Werte des zweiten Schwellenwerts α_s die Ausgangsdatenrate kleiner wird. Dadurch sind weniger Rauschanteile und weniger schwache Signale vorhanden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann durch adaptives Regeln des zweiten Schwellenwerts α_s die Ausgangsdatenrate gesteuert und besonders bevorzugt begrenzt werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Ausgangsdatenrate adaptiv geregelt werden, indem der zweite Schwellenwert α_s rückgekoppelt angepasst wird. Der zweite Schwellenwert α_s liegt vorzugsweise in einem Bereich von 2,0 bis 5,0, weiter bevorzugt in einem Bereich von 2,5 bis 4,0 und besonders bevorzugt 3,0.
Wenn die reduzierte Abweichung δ_i größer ist als der zweite Schwellenwert α_s, dann wird bestimmt dass die untersuchte Spektrallinie ein Signal darstellt S7, während im anderen Fall, dass die reduzierte Abweichung δ_i kleiner oder gleich dem zweiten Schwellenwert α_s ist, bestimmt wird, dass die i-te Spektralline zum Rauschen gehört S8.
Das entsprechende Signifikanzmaß, d. h. in dem vorliegenden Beispiel die reduzierte Abweichung δ_i, kann – in geeigneter numerischer Repräsentation – gespeichert und jeder Spektrallinie für die weitere Verarbeitung der aufgezeichneten Spektren mitgegeben werden. So ist es möglich, in nachfolgenden Bearbeitungsschritten individuelle Schwellenwerte α_s (Signifikanzniveaus) festzulegen.
Alternativ hierzu kann auch eine unmittelbare Manipulation der Spektrallinie erfolgen, beispielsweise eine sofortige Löschung oder ein Ersetzen der Linienwerte durch Rauschnormwerte bei Unterschreitung eines geeignet gewählten Schwellenwertes α_s für die Signifikanz.
Die statistischen Parameter zur Charakterisierung der Rauschverteilung sind vorzugsweise die momentane mittlere Rauschleistung (Erwartungswert der Verteilung) und die momentane Schwankungsbreite der Rauschleistung (Standardabweichung der Verteilung). Diese werden vorzugsweise durch exponentielle Glättung gewonnen, da hierbei keinerlei Historie vorgehalten werden muss, was wiederum eine hardwarenahe Implementierung erheblich vereinfacht. Die exponentielle Glättung erster Ordnung kann beispielweise mit folgenden Formeln durchgeführt werden:
Für die Berechnung der exponentiellen Glättung erster Ordnung liegen die Werte für β_μ prinzipiell zwischen 0 und 1, bevorzugt zwischen 0,015 und 0,063, besonders bevorzugt bei 0,042 und die Werte für β_σ prinzipiell zwischen 0 und 1, bevorzugt zwischen 0,00024 und 0,015, besonders bevorzugt bei 0,00049.
Bei Bedarf kann jedoch auch eine alternative Glättungsmethode zum Einsatz kommen.
Wie in dem Beispiel gezeigt, fungiert als entscheidendes Maß für die Beurteilung einer Spektrallinie die sogenannte reduzierte Abweichung – die Differenz des Leistungswertes zum mittleren Rauschniveau normiert anhand der Schwankungsbreite des Rauschens. Bei bekannter Form der Dichtefunktion der Rauschverteilung (Charakteristikum des verwendeten Breitbandpeilers, also prinzipiell zu vermessen) kann diese bei Bedarf anhand der zugehörigen Verteilungsfunktion in eine Signifikanz transformiert werden. Wenn die Leistungswerte hinreichend gut normalverteilt sind, ist die reduzierte Abweichung direkt die Signifikanz in Einheiten der Standardabweichung.
Überschreitet die reduzierte Abweichung δ_i einen geeignet gewählten zweiten Schwellenwert α_s, so wird die betreffende Spektrallinie dem Signal zugerechnet S7. Entsprechend wird ein erster Schwellenwert α_n eingeführt, bei dessen Unterschreitung der Leistungswert der Linie zur Fortschreibung der Rauschparameterwerte genutzt wird. Beide Schwellenwerte können i. A. unabhängig voneinander gewählt werden, wobei auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird.
Im Falle von Rauschen, welches sich stark mit der Frequenz (d. h. mit dem Linienindex) ändert, kann der Parametersatz zur Charakterisierung um Änderungsraten hinsichtlich der Frequenz erweitert werden. Um wiederum eine aufwendige Implementierung zu vermeiden, wird dies vorzugsweise als doppelte exponentielle Glättung der eigentlichen Parameter umgesetzt. Die exponentielle Glättung zweiter Ordnung kann mit folgenden Formeln durchgeführt werden: μ_i = β_μP_i + (1 – β_μ)(μ_i-1 + μ'_i-1), μ^r _i = β_μ'(μ_i – μ_i-1) + (1 – β_μ')μ'_i-1.
Dabei ist die Änderungsrate durch dμ/di gegeben, d. h. durch die Änderung der mittleren Rauschleistung pro Linienindex (Frequenzintervall). Ein Beispiel für eine konstant große Änderungsrate zeigt 3, insbes. 3.2 in dem Bereich für den Linienindex zwischen den Linien von etwa 10.500 und 15.000. Wie zu erkennen ist, steigt das Rauschniveau deutlich und zwar nahezu linear.
Des Weiteren kann das Verfahren zur Erkennung von breitbandigen Störungen kurzer Dauer, beispielsweise hervorgerufen durch das Einschalten elektrischer Verbraucher, konsistent erweitert werden. Dazu wird eine zu wählende Menge von Rauschwerten des sich in der Bearbeitung befindenden Spektrums n für einen Interspektrenvergleich gespeichert. Für die Störungserkennung werden die gewählten Rauschwerte bei jeder (weiteren) Bearbeitung eines Spektrums n mit den entsprechenden Werten des Vorgängerspektrums n – 1 verglichen, wobei vorzugsweise wiederum Signifikanzwerte in Form von reduzierten Abweichungen gemäß
zum Einsatz kommen. Sollte eine festgelegte Anzahl von Vergleichen ein signifikant höheres Rauschniveau, d. h. größer als ein dritter Schwellenwert, und/oder eine signifikant höhere Schwankungsbreite ergeben, d. h. größer als ein vierter Schwellenwert, so wird das gesamte Spektrum als gestört markiert und ggf. direkt aus dem Signalstrom entfernt. Die Vergleichswerte werden in diesem Fall nicht überschrieben. Um eine spontane Anhebung des Rauschniveaus zuzulassen, kann bei Bedarf die Anzahl aufeinanderfolgender Breitbandstörungen durch einen Zähler limitiert werden. Überschreitet dieser eine gewisse Maximalanzahl, so werden die Vergleichswerte überschrieben und der Zähler zurückgesetzt.
2 zeigt ein Blockdiagramm der Komponenten und Verschaltung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Denoisers aufbauend auf 1. Diese Ausführungsform weist eine rückgekoppelte Durchsatzsteuerung auf, die insbesondere als Durchsatzbegrenzung eingesetzt werden kann. Der Denoiser weist einen Rauschdetektor 1, einen Entstörer 2, einen Rauschentferner 3, einen Kodierer 4 und einen Durchsatzmesser 5 auf, die in dieser Reihenfolge hintereinander geschaltet sind. Ein Eingangssignal weist ein von einem Breitbandpeiler erzeugtes Frequenzspektrum auf, das Informationen über eine Leistung P und einen Peilwinkel für die Linien des Spektrums umfasst. In der gezeigten Ausführungsform wird die Leistung P an den Rauschdetektor 1 und der Peilwinkel an den Entstörer 2 angelegt.
Der Rauschdetektor 1 verarbeitet die Information über die Leistung P_i für jede Linie i gemäß dem zuvor mit Bezugnahme auf die 1 beschriebenen Verfahren. Als Ergebnis liefert der Rauschdetektor 1 für jede Linie eine Rauschmarkierung, ein Rauschniveau μ_i und eine Schwankungsbreite des Rauschens σ_i (Rauschbreite) sowie die Leistung P_i, die den nachfolgenden Komponenten zur Verfügung gestellt werden. Bei Bedarf kann der Rauschdetektor 1 zusätzlich die reduzierte Abweichung δ_i (Signifikanz) ausgeben.
Der Entstörer 2 weist vorzugsweise einen Pufferspeicher auf, der die Informationen vom momentan bearbeiteten Spektrum speichert. Der Entstörer führt bei gewissen Linienindizes anhand zweier Schwellenwerte einen Vergleich durch von Rauschniveau μ_i und Schwankungsbreite σ_i einer Linie i mit dem jeweiligen Rauschniveau μ_i und der Schwankungsbreite σ_i derselben Linie i des Vorgängerspektrums. Bei zu vielen Überschreitungen erfolgt eine Löschung des gesamten Spektrums. Es ist ein Pufferspeicher für das gesamte Spektrum vorgesehen, da die Entscheidung je nach den vorhandenen Informationen u. U. erst mit der letzten Linie fällt. Als Ausgangswerte liefert der Entstörer 2 für jede Linie die Rauschmarkierung, das Rauschniveau μ_i, die Leistung P_i und den Peilwinkel an den Rauschentferner 3.
Wenn die Rauschmarkierung gesetzt ist, entfernt der Rauschentferner 3 die betreffende Linie aus dem Datenstrom. Vom Rauschentferner 3 werden für jede Linie das Rauschniveau μ₁, die Leistung P_i und der Peilwinkel an den Kodierer 4 ausgegeben.
Der Kodierer 4 weist eine Vorrichtung auf zur Zusammenführung und ggf. Komprimierung der Datenströme nach bekannten Verfahren. Der Ausgangsdatenstrom wird an den folgenden Durchsatzmesser 5 angelegt. Dieser Durchsatzmesser 5 weist eine Vorrichtung auf zum Messen der Ausgangsdatenrate. Abhängig von der Ausgangsdatenrate kann der Durchsatzmesser den zweiten Schwellenwert α_s zur Signalidentifikation anhand gewisser Kriterien bzgl. der Datenrate verändern. Dieser zweite Schwellenwert α_s wird an den Rauschdetektor 1 geliefert. Auf diese Weise ist eine adaptive Regelung des zweiten Schwellenwert α_s möglich und die Ausgangsdatenrate kann gesteuert und besonders bevorzugt begrenzt werden.
Die 3.1, 3.2 und 3.3 zeigen ein Beispiel für eine breitbandige Rauschentfernung bzw. Rauschreduktion (denoising) bei der Signalnachbearbeitung eines Breitbandpeilers. 3.1 zeigt 100 aufeinanderfolgende Spektren eines Breitbandpeilers mit jeweils 16000 Linien. Die 3.2 zeigt das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung abgeschätzte Rauschniveau. Die 3.3 zeigt die Leistungswerte der Spektrallinien aus der 3.1, die als Signal identifiziert worden sind. Hierbei ist zu beachten, dass die Leistung in 3.2 in einem anderen Maßstab als in den 3.1 und 3.3 dargestellt ist.
Wie insbesondere der Vergleich von 3.1 und 3.3 ergibt, ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Identifizierung der als Signal zu betrachtenden Spektrallinien, wobei die Leistungswerte der Spektrallinien erhalten bleiben.
Der Rauschanteil wird bei dem genannten Verfahren quasi in-situ, also direkt bei der sequenziellen Verarbeitung der Spektrallinien, bestimmt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist somit ohne großen Aufwand und ohne bedeutende Latenzen in einen bestehenden Signalfluss zu integrieren.
Durch die Fortschreibung der Rauschparameter mit jedem bei einem Vergleich als Rauschen klassifizierten Leistungswert besitzt das Verfahren zudem einen sehr hohen Grad an Adaptivität. Es ist somit auch Situationen mit sehr dynamischer Entwicklung des Rauschanteils gewachsen. Ein bedeutendes Merkmal des Verfahrens ist des Weiteren, dass die Werte der als Signal identifizierten Linie die erfindungsgemäße Vorrichtung unverändert verlassen. Viele der gängigen Verfahren zur Rauschreduktion – wie beispielsweise Gauß-, Medianfilter oder Wavelet-Verfahren – haben einen Weichzeichnungseffekt auf den Signalanteil.
Durch die vergleichsweise einfache Prozesslogik sowie die geringe Anzahl von Parameter ist das Verfahren darüber hinaus sehr effizient hinsichtlich Gatteranzahl, Speicherplatz und Latenz in Hardware (DSP, FPGA, oder ASIC) zu implementieren.

Claims

Vorrichtung zur breitbandigen Rauschentfernung und Rauschreduktion bei der Signalnachbearbeitung mindestens eines Spektrums eines Breitbandpeilers, wobei das Spektrum eine Anzahl von K Spektrallinien aufweist, wobei jede Spektrallinie mindestens einen zugehörigen Leistungswert aufweist, mit: einer ersten Einrichtung zum Auswählen einer i-ten Spektrallinie (S1); einer zweiten Einrichtung zum Ermitteln von statistischen Parameter der momentanen Rauschverteilung zur i-ten Spektrallinie (S2); und einer dritten Einrichtung zum Vergleichen des Leistungswerts der i-ten Spektrallinie mit den statistischen Parametern der momentanen Rauschverteilung (S3). und einer vierten Einrichtung zum Bestimmen einer Signifikanz für die i-te Spektrallinie (S6) anhand des Vergleichs des zugehörigen Leistungswerts mit den statistischen Parameter der momentanen Rauschverteilung.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Einrichtung zum Ermitteln von statistischen Parameter der momentanen Rauschverteilung die momentane mittlere Rauschleistung und/oder die momentane Schwankungsbreite der Rauschleistung ermittelt (S2).
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die vierte Einrichtung zum Bestimmen der Signifikanz eine reduzierte Abweichung bestimmt, wobei die reduzierte Abweichung vorzugsweise aus einer Differenz des Leistungswertes der i-ten Spektrallinie zur momentanen mittleren Rauschleistung, normiert anhand der momentanen Schwankungsbreite der Rauschleistung, ermittelt wird.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einem ersten Vergleicher zum Vergleichen der Signifikanz der i-ten Spektrallinie mit einem ersten Schwellenwert (S3), wobei die i-te Spektrallinie zum Fortschreiben der Rauschparameterwerte verwendet wird (S5), wenn die Signifikanz kleiner als der erste Schwellenwert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, mit einer fünften Einrichtung zum Ermitteln der fortgeschriebenen mittleren Rauschleistung aus einer Glättung der momentanen Rauschleistung und des momentanen Leistungswertes sowie der Leistungswerte zu vorangegangenen Spektrallinien, wobei vorzugsweise eine exponentielle Glättung erster oder zweiter Ordnung Verwendung findet.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5 mit einer sechsten Einrichtung zum Ermitteln der fortgeschriebenen Schwankungsbreite der Rauschleistung aus einer Glättung der momentanen Schwankungsbreite der Rauschleistung und des momentanen Leistungsexzesses sowie der Leistungsexzesse zu vorangegangenen Spektrallinien, wobei vorzugsweise eine exponentielle Glättung erster oder zweiter Ordnung Verwendung findet.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einem zweiten Vergleicher zum Vergleichen der Signifikanz der i-ten Spektrallinie mit einem zweiten Schwellenwert (S6), wobei die i-te Spektrallinie dem Signalanteil des Spektrums zugerechnet wird (S7), wenn die Signifikanz größer als der zweite Schwellenwert ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer siebten Einrichtung zum Speichern der momentanen mittleren Rauschleistung, vorzugsweise mit Bezug zu der i-ten Spektrallinie.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer achten Einrichtung zum Speichern der momentanen Schwankungsbreite der Rauschleistung, vorzugsweise mit Bezug zu der i-ten Spektrallinie.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer neunten Einrichtung zum Speichern der Signifikanz der i-ten Spektrallinie.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer zehnten Einrichtung zum Bearbeiten der Linienwerte, insbesondere des Leistungswertes und/oder eines Peilwinkelwertes von Spektrallinien in Abhängigkeit von der jeweiligen Signifikanz, vorzugsweise zum Entfernen einer Spektrallinie oder zum Ersetzen eines oder mehrerer Werte einer Spektrallinie, wenn die Signifikanz kleiner oder gleich dem zweiten Schwellenwert ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer Detektionseinrichtung zum Detektieren eines sprunghaften Anstiegs der mittleren Rauschleistung und/oder der Schwankungsbreite der Rauschleistung, wobei vorzugsweise bei einem sprunghaften Anstieg die untersuchten Spektrallinien als breitbandgestört gekennzeichnet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 12, mit einem dritten Vergleicher zum Vergleichen der momentanen mittleren Rauschleistung und/oder der momentanen Schwankungsbreite der Rauschleistung an bestimmten Stellen des momentanen Spektrums (n) mit entsprechenden gespeicherten Werten eines vorherigen Spektrums (n – 1).
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die bestimmten Stellen des momentanen Spektrums (n) und des vorherigen Spektrums (n – 1) anhand von Linienindizes ausgewählt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14 mit einer Zähleinrichtung zum Zählen von Ereignissen, bei denen das Vergleichsergebnis ergibt, dass die momentane mittlere Rauschleistung des momentanen Spektrums (n) gegenüber dem entsprechenden Wert des vorherigen Spektrums (n – 1) größer als ein dritter Schwellenwert ist und/oder zum Zählen von Ereignissen bei denen die momentane Schwankungsbreite der Rauschleistung des momentanen Spektrums (n) gegenüber dem entsprechenden Wert des vorherigen Spektrums (n – 1) größer als ein vierter Schwellenwert ist, und mit einer elften Einrichtung zum Bestimmen, dass eine Breitbandstörung vorliegt, wenn die Anzahl der Ereignisse größer als eine festgelegte Anzahl ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Anzahl aufeinanderfolgender Breitbandstörungen begrenzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 16, mit einem Zähler zum Zählen aufeinanderfolgender Breitbandstörungen und zum Feststellen, dass andere Gründe für das erhöhte Rauschniveau vorliegen, wenn die Anzahl aufeinanderfolgender Breitbandstörungen größer als eine gewählte Maximalanzahl ist, wobei für diesen Fall die Vergleichswerte der statistischen Parameter der momentanen Rauschverteilung überschrieben und der Zähler zurückgesetzt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei gestörte Spektren für die Weiterverarbeitung geeignet markiert oder direkt aus dem Datenstrom entfernt werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 18, mit einem Kodierer (4) zur Zusammenführung und ggf. Komprimierung der Datenströme sowie einem Durchsatzmesser (5), der eine Ausgangsdatenrate erfasst und den zweiten Schwellenwert anhand einstellbarer Kriterien anpasst, wodurch die Ausgangsdatenrate gesteuert und vorzugsweise begrenzt wird.
Verfahren zur breitbandigen Rauschentfernung und Rauschreduktion bei der Signalnachbearbeitung mindestens eines Spektrums eines Breitbandpeilers, wobei das Spektrum eine Anzahl von K Spektrallinien aufweist, wobei jede Spektrallinie mindestens einen zugehörigen Leistungswert aufweist, mit den Schritten: Auswählen einer i-ten Spektrallinie (S1); Ermitteln von statistischen Parameter einer momentanen Rauschverteilung zur i-ten Spektrallinie (S2); und Vergleichen des Leistungswerts der i-ten Spektrallinie mit den statistischen Parametern der momentanen Rauschverteilung (S3) und Bestimmen einer Signifikanz für die i-te Spektrallinie anhand des Vergleichs des zugehörigen Leistungswerts mit den statistischen Parametern der momentanen Rauschverteilung.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Schritt zum Ermitteln von statistischen Parameter der momentanen Rauschverteilung das Ermitteln einer momentanen mittleren Rauschleistung und/oder einer momentanen Schwankungsbreite der Rauschleistung aufweist (S2).
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Schritt zum Bestimmen der Signifikanz das Bestimmen einer reduzierten Abweichung aufweist, wobei die reduzierte Abweichung vorzugsweise aus einer Differenz des Leistungswertes der i-ten Spektrallinie zur momentanen mittleren Rauschleistung, normiert anhand der momentanen Schwankungsbreite der Rauschleistung ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche mit dem Schritt: Vergleichen der Signifikanz der i-ten Spektrallinie mit einem ersten Schwellenwert (S3), wobei die i-te Spektrallinie zum Fortschreiben der Rauschparameterwerte verwendet wird (S5), wenn die Signifikanz kleiner als der erste Schwellenwert ist.
Verfahren nach Anspruch 23, mit dem Schritt: Ermitteln der fortgeschriebenen mittleren Rauschleistung aus einer Glättung der momentanen Rauschleistung und des momentanen Leistungswertes sowie der Leistungswerte zu vorangegangenen Spektrallinien, wobei vorzugsweise eine exponentielle Glättung erster oder zweiter Ordnung Verwendung findet.
Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, mit dem Schritt: Ermitteln der fortgeschriebenen Schwankungsbreite der Rauschleistung aus einer Glättung der momentanen Schwankungsbreite der Rauschleistung und des momentanen Leistungsexzesses sowie der Leistungsexzesse zu vorangegangenen Spektrallinien, wobei vorzugsweise eine exponentielle Glättung erster oder zweiter Ordnung Verwendung findet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche mit dem weiteren Schritt: Vergleichen der Signifikanz der i-ten Spektrallinie mit einem zweiten Schwellenwert (S6), wobei die i-te Spektrallinie dem Signalanteil des Spektrums zugerechnet wird (S7), wenn die Signifikanz größer als der zweite Schwellenwert ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit dem Schritt: Speichern der momentanen mittleren Rauschleistung, vorzugsweise mit Bezug zu der i-ten Spektrallinie.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit dem Schritt: Speichern der momentanen Schwankungsbreite der Rauschleistung, vorzugsweise mit Bezug zu der i-ten Spektrallinie.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit dem Schritt: Speichern der Signifikanz der i-ten Spektrallinie.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit dem Schritt: Bearbeiten der Linienwerte von Spektrallinien in Abhängigkeit von der jeweiligen Signifikanz, vorzugsweise zum Entfernen einer Spektrallinie oder zum Ersetzen eines oder mehrerer Werte einer Spektrallinie, wenn die Signifikanz kleiner oder gleich dem zweiten Schwellenwert ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit dem Schritt: Detektieren eines sprunghaften Anstiegs der mittleren Rauschleistung und/oder der Schwankungsbreite der Rauschleistung, wobei vorzugsweise bei einem sprunghaften Anstieg die untersuchten Spektrallinien als breitbandgestört gekennzeichnet werden.
Verfahren nach Anspruch 31, mit dem Schritt: Vergleichen der momentanen mittleren Rauschleistung und/oder der momentanen Schwankungsbreite der Rauschleistung an bestimmten Stellen des momentanen Spektrums (n) mit entsprechenden gespeicherten Werten eines vorherigen Spektrums (n – 1).
Verfahren nach Anspruch 32, wobei die bestimmten Stellen des momentanen Spektrums (n) und des vorherigen Spektrums (n – 1) anhand von Linienindizes ausgewählt werden.
Verfahren nach Anspruch 32 oder 33, mit dem Schritt: Zählen von Ereignissen, bei denen das Vergleichsergebnis ergibt, dass die momentane mittlere Rauschleistung des momentanen Spektrums (n) gegenüber dem entsprechenden Wert des vorherigen Spektrums (n – 1) größer als ein dritter Schwellenwert ist und/oder Zählen von Ereignissen bei denen die momentane Schwankungsbreite der Rauschleistung des momentanen Spektrums (n) gegenüber dem entsprechenden Wert des vorherigen Spektrums (n – 1) größer als ein vierter Schwellenwert ist, und mit dem weiteren Schritt: Bestimmen, dass eine Breitbandstörung vorliegt, wenn die Anzahl der Ereignisse größer als eine festgelegte Anzahl ist.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei die Anzahl aufeinanderfolgender Breitbandstörungen begrenzt wird.
Verfahren nach Anspruch 35, mit den Schritten: Zählen aufeinanderfolgender Breitbandstörungen und Feststellen, dass andere Gründe für das erhöhte Rauschniveau vorliegen, wenn die Anzahl aufeinanderfolgender Breitbandstörungen größer als eine gewählte Maximalanzahl ist, wobei für diesen Fall die Vergleichswerte der statistischen Parameter der momentanen Rauschverteilung überschrieben und – der Zähler zurückgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 36, wobei gestörte Spektren für die Weiterverarbeitung geeignet markiert oder direkt aus dem Datenstrom entfernt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 37, mit den weiteren Schritten: Zusammenführen und ggf. Komprimieren der Datenströme, Messen einer Ausgangsdatenrate und Anpassen des zweiten Schwellenwertes anhand einstellbarer Kriterien, wodurch die Ausgangsdatenrate gesteuert und vorzugsweise begrenzt wird.