DE19524847C1 - Vorrichtung zur Verbesserung gestörter Sprachsignale - Google Patents

Description

Sprachsignale können in der Medizintechnik zur Übertragung der Informationen eines Patienten benutzt werden. Insbeson­ dere in der Computertomographie oder Magnetresonanz, bei der der Patient in einem Untersuchungsgerät liegt, kann die Kom­ munikation des Patienten mit dem Bedienpersonal über Mikro­ phone im Untersuchungsgerät erfolgen. Dabei ist es erforder­ lich, die Sprachsignale möglichst störungsfrei nach außen zu übertragen.

In DE 32 30 391 C2 und DE 38 08 038 C2 sind verfahren zur Si­ gnalverbesserung von gestörten Sprachsignalen beschrieben, bei denen diese Signale mit Hilfe eines einzigen Mikrophons aufgenommen werden. Nichtstationäre Störgeräusche können da­ bei prinzipiell nicht reduziert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, durch die nichtstationäre, gestörte Sprachsignale so weit verbessert werden, daß sich die Störungen nicht nega­ tiv auf die Informationsübertragung auswirken.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Patentanspruches 1. Eine Weiterbildung ergibt sich aus dem Patentanspruch 2.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines medizinischen Un­ tersuchungsgerätes mit einer Übertragungsvorrichtung für Sprachsignale,

Fig. 2 eine Einzelheit der Übertragungsvorrichtung gemäß Fig. 1, und

Fig. 3 eine Darstellung des in Fig. 2 gezeigten Rechenglie­ des.

In der Fig. 1 ist ein medizinisches Gerät, z. B. ein Computer­ tomograph, dargestellt, das ein Meßfeld aufweist, in dem ein Patient liegt. Für die Kommunikation des Patienten mit der Außenwelt sind am Gerät zwei Mikrophone 1, 2 angebracht, de­ ren Signale über ein Filter nach außen übertragen werden.

Die Fig. 2 zeigt den Filteraufbau genauer. Den Mikrophonen 1, 2 sind A/D-Umsetzer 3, 4, Tiefpaßfilter 5, 6 zur Halbierung der Abtastrate, ein adaptiver Laufzeitausgleich 7, Übertra­ gungsglieder 8, 9, Tiefpaß/Hochpaßfilter 10, 11 zur Frequenz­ bandaufteilung, ein Rechenglied 12 zur adaptiven Berechnung der Koeffizienten eines adaptiven Filters 14, das an einem Summierer 13 angeschlossen ist, Multiplizierer 15, 16, Sum­ mierglieder 17, 18, ein Summierglied 19 und ein Multiplizie­ rer 20, ein Hochpaßfilter 21 und ein Tiefpaßfilter 22 zur Verdoppelung der Abtastrate nachgeschaltet.

Der Algorithmus ist für eine Abtastrate von 8 kHz ausgelegt. Höhere Abtastraten sind bei der vorgegebenen Rechenkapazität nicht möglich und auch nicht unbedingt erforderlich, da eine Tiefpaßbegrenzung des Signals auf 3,6 kHz wegen der breitban­ digen Störungen als subjektive Verbesserung des Signals emp­ funden wird.

Der Algorithmus umfaßt die folgenden Komponenten:
Digitaler rekursiver Tiefpaß 5 und 6. Ordnung und Abtast­ ratenwandlung von 16 kHz auf 8 kHz. Die Abtastratenumsetzung ist erforderlich, da sich die A/D-Umsetzer 3, 4 in der vor­ liegenden Hardware nicht auf eine Abtastrate von 8 kHz um­ schalten lassen.

Automatischer Laufzeitausgleich mittels Korrelation und Maxi­ mumsuche und SNR-Detektion (SNR = Signal/Rausch-Verhältnis). Der Laufzeitausgleich der Mikrophonsignale ist auf ca. ein halbes Abtastintervall genau.

Frequenzbandaufteilung bei 800 Hz zur Verminderung tieffre­ quenter Geräusche. Nur das obere Frequenzband wird der adap­ tiven Filterung zugeführt.

Störgeräuschunterdrückung mit zwei adaptiven Filtern im Re­ chenglied 12, Summensignalfilter 14 und Preemphase-Filtern 23. Die adaptiven Filter im Rechenglied 12 werden z. B. mit dem NLMS-Algorithmus linearphasig nachgestellt. Die Koeffizi­ entenzahl dieser Filter kann in Abhängigkeit von der Prozes­ sorauslastung in geringen Grenzen variiert werden. Für die linearphasige Verarbeitung sind maximal 59 Koeffizienten vor­ gesehen. Die Koeffizienten des Summensignalfilters 14 werden spektral geglättet.

Variable Mischung von gestörtem Eingangssignal und gefilter­ tem Ausgangssignal zur Verbesserung des subjektiven Ein­ drucks.

Dämpfung des tieffrequenten Signalzweiges mit variablem Fak­ tor b (0.05 b 0.8).

Digitaler rekursiver Hochpaß 21 zur Unterdrückung tieffre­ quenter Störgeräusche. Die Grenzfrequenz liegt bei 240 Hz, die Sperrdämpfung beträgt ca. 20 dB. Die Welligkeit im Durch­ laßbereich ist kleiner als 0.5 dB. Es wird vorausgesetzt, daß die analogen Hochpaßfilter der A/D-Umsetzer 3, 4 aktiv sind.

Digitaler nichtrekursiver Tiefpaß 22 der Ordnung 12-20 und Abtastratenwandlung von 8 kHz auf 16 kHz.

Für die Implementation sind folgende Punkte wesentlich:

• 1. Die Filterung der Mikrophonsignale mittels digitaler Hoch­ paßfilter ist an den Ausgang des Störunterdrückungssystems verlegt. Wegen der Bandaufteilung und der Preemphase-Fil­ terung wird die Adaption des Störgeräuschunterdrückungs­ filters nicht mehr durch tieffrequente Störanteile ge­ stört, so daß diese Filterung auch nach der adaptiven Fil­ terung erfolgen kann.
• 2. Das Signal im Tiefpaßsignalzweig wird adaptiv in Abhängig­ keit des im Zuge des Laufzeitausgleichs bestimmten SNR ge­ wichtet. Man erreicht dadurch eine zusätzliche Dämpfung des Störgeräusches in den Sprachpausen.
• 3. Zur weiteren Optimierung des Reststörgeräusches werden in den Sprachpausen hochfrequente Anteile durch ein Tiefpaß­ filter bedämpft. Die Dämpfung wird nach den gleichen Kri­ terien wie die Dämpfung des tieffrequenten Signalzweiges durchgeführt.

Folgende Varianten sind möglich:

• 1. Variante: Das adaptive Filter 14 am Ausgang des Systems entfällt. Es werden die gefilterten Signale der adaptiven Filter im Rechenglied 12 direkt an das nachfolgende Sum­ mierglied 18 ausgegeben. Diese Variante hat den geringsten Aufwand und eine gute Sprachqualität.
• 2. Variante: Die im Rechenglied 12 gefilterten Signale werden zusätzlich mit dem Filter 14 gefiltert (doppelte adaptive Filterung). Diese Variante hat die höchste Störgeräusch­ unterdrückung aber auch die schlechteste Sprachverständ­ lichkeit.

Die beschriebene Vorrichtung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß,
die Verarbeitung in drei Frequenzteilbändern vorgenommen wird im Frequenzband 0-240 Hz die Mikrophonsignale hochpaßgefil­ tert werden;
im Frequenzband 240-800 Hz das Signal mit einem skalaren Fak­ tor gewichtet wird, so daß dieses Frequenzband während der Sprachpausen gedämpft wird;
die skalare Gewichtung in dem Frequenzband 240-800 Hz auf der Grundlage eines geschätzten SNR eingestellt wird;
im oberen Frequenzband 800 bis 3400 Hz ein adaptives Filter 14 eingesetzt wird, das durch Mittelung aus zwei linearphasig adaptierten Filtern berechnet wird, wobei zur Adaption ein entsprechender Algorithmus eingesetzt wird und die Koeffizi­ enten spektral geglättet werden, wobei die spektrale Glättung durch die Wichtung der Filterkoeffizienten des Filters 14 mit einer geeigneten Fensterfunktion erreicht wird;
zu Beginn der Verarbeitung eine Höhenanhebung der Signale er­ folgt (Preemphase), die vor der Ausgabe des verbesserten Signals durch ein inverses Filter wieder rückgängig gemacht wird.

Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Rechengliedes 12. Die Verzögerungen T_H sind so zu wählen, daß die adaptiven Filter ein nichtkausales Wiener Filter approximieren.

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Verbesserung gestörter Sprachsignale mit mindestens zwei Mikrophonen, wobei die von den Mikrophonen aufgenommenen Signale aus einem sprachsignal- und einem Stör­ geräuschanteil bestehen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß
die Verarbeitung der Mikrophonsignale mit dem Ziel einer Re­ duktion des Störgeräuschanteils in drei Frequenzteilbändern vorgenommen wird;
das niedrige Frequenzband durch ein Hochpaßfilter (21) be­ dämpft wird;
im mittleren Frequenzband das Signal mit einem skalaren Fak­ tor b (20) gewichtet wird, so daß dieses Frequenzband während der Sprachpausen gedämpft wird;
die skalare Gewichtung (20) in dem mittleren Frequenzband auf der Grundlage eines geschätzten SNR eingestellt wird;
im oberen Frequenzband ein adaptives Filter (14) eingesetzt wird, das durch Mittelung aus zwei linearphasig adaptierten Filtern in einer Vorrichtung (12) berechnet wird, wobei die Koeffizienten spektral geglättet werden;
zu Beginn der Verarbeitung eine Höhenanhebung (23) der Sig­ nale erfolgt, die vor der Ausgabe des verbesserten Signals durch ein inverses Filter wieder rückgängig gemacht wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei dem das niedrige Fre­ quenzband zwischen 0 und 240 Hz, das mittlere Frequenzband zwischen 240 und 800 Hz und das obere Frequenzband zwischen 800 und 3400 Hz liegt.