DE19729521B4 - Method and device for suppressing noise and echo - Google Patents

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DE19729521B4 DE1997129521 DE19729521A DE19729521B4 DE 19729521 B4 DE19729521 B4 DE 19729521B4 DE 1997129521 DE1997129521 DE 1997129521 DE 19729521 A DE19729521 A DE 19729521A DE 19729521 B4 DE19729521 B4 DE 19729521B4
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Abstract

Verfahren zur Störgeräusch- und Echounterdrückung in einer eine Frensprecheinrichtung aufweisenden Fernsprecheinrichtung, bei dem als erstes das zu übertragende Signal (y(k)) einer Restecho erzeugenden Echokompensation unterzogen und als zweites eine Filterung des Ausgangssignals des Echokompensators durchgeführt wird, wobei das Filter eine Schätzung des Leistungsdichtespektrums des Störsignales (n(k)) und des Leistungsdichtespektrums des Restechosignals (b(k)) vornimmt und somit eine Filterung des echokompensierten Signals zur Dämpfung des Restechos und des Störgeräusches durchgeführt wird.Method for suppressing noise and echo in a telephone device having a speakerphone, in which the signal (y (k)) to be transmitted is first subjected to echo compensation which generates residual echo and, secondly, the output signal of the echo canceller is filtered, the filter estimating the Power density spectrum of the interference signal (n (k)) and the power density spectrum of the residual echo signal (b (k)) and thus filtering the echo-compensated signal to attenuate the residual echo and the noise is carried out.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Störgeräusch- und Echounterdrückung in einer eine Freisprecheinrichtung aufweisenden Fernsprecheinrichtung. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Störgeräusch- und Echounterdrückung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 15.The invention relates to a method for noise and echo cancellation in a telephone device having a hands-free device. Moreover The invention relates to a device for noise and echo suppression according to the preamble of claim 15.

Beim Betrieb von Freisprecheinrichtungen ergibt sich allgemein das Problem, daß die Sprache eines Teilnehmers aufgrund des Abstandes zu der Freisprecheinrichtung gedämpft und von Umgebungsgeräuschen überlagert übertragen wird. Häufig haben die Umgebungsgeräusche einen hohen Pegel, beispielsweise in LKW's oder in Fabrikhallen, sa daß der Signal-/Störabstand gering ist. Andererseits wird die Sprache des anderen Teilnehmers ebenfalls von dem Mikrophon der Freisprecheinrichtung aufgenommen und somit um die Laufzeit des Systems verzögert an diesen Teilnehmer zurückübertragen.When operating hands-free systems The general problem arises that the language of a participant damped due to the distance to the speakerphone and transmitted overlaid by ambient noise becomes. Frequently have the ambient noise a high level, for example in trucks or in factories, see that the signal / noise ratio is low. On the other hand, the language of the other participant also recorded by the microphone of the speakerphone and thus transmitted back to this subscriber delayed by the running time of the system.

Zur Reduktion der Störgeräusche und damit zur Verbesserung der subjektiven Qualität und der Verständlichkeit des zu übertragenden Sprachsignals werden Geräuschreduktionssysteme eingesetzt. Diese Systeme arbeiten vorzugsweise im Frequenzbereich und führen auf der Basis des geschätzten Leistungsdichtespektrums des Störgeräusches eine Filterung durch. Die Schätzung selbst erfolgt entweder während Sprachpausen oder fortlaufend.To reduce noise and thus to improve subjective quality and intelligibility the one to be transferred Speech signals become noise reduction systems used. These systems preferably operate in the frequency range and to lead based on the estimated Noise power density spectrum Filtering by. The estimation itself takes place either during Language breaks or continuously.

Zur Vermeidung beziehungsweise Verringerung von akustischen Echos werden sogenannte Echokompensatoren oder aber sogenannte Pegelwaagen eingesetzt. Um eine ausreichend hohe Dämpfung und damit ein sehr kleines Restecho zu erreichen, ist ein Echokompensator verhältnismäßig hoher Ordnung erforderlich. Dies führt jedoch zu einer verschlechterten Konvergenz, insbesondere wenn im Mikrophonsignal auch Umgebungs-Störgeräusche vorhanden sind. Der Einsatz einer Pegelwaage hat den Nachteil, daß durch die Signaldämpfung in einer Übertragungsrichtung die Duplexfähigkeit verschlechtert wird und zudem zu einem fluktuierenden Pegel vorhandener Umgebungsstörungen in dem zu übertragenden. Signal führt.To avoid or reduce So called echo cancellers or acoustic echoes so-called level scales are used. To have a sufficiently high damping and thus To achieve a very small residual echo is an echo canceller relatively higher Order required. this leads to however, to worse convergence, especially when in Microphone signal and ambient noise are also present. The stake A level balance has the disadvantage that the signal attenuation in a direction of transmission the duplex capability deteriorates and moreover to a fluctuating level environmental disturbances in the one to be transferred. Signal leads.

Aus der DE 43 37 653 A1 ist ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Verbesserung der Qualität der Sprachkommunikation in Freisprecheinrichtungen bekannt. Die Schaltungsanordnung umfaßt einen Echokompensator und einen Geräuschreduzierer. Das Ausgangssignal des Geräuschreduzierers wird über einen Rückführzweig zum Echokompensator zurückgeführt. Das Sendesignal des fernen Teilnehmers, welches als Empfangssignal bezeichnet wird, durchläuft einen Echopfad und gelangt als unerwünschtes Echo an den Sendeeingang zurück. Der dem Echokompensator nachgeschaltete Geräuschreduzierer bewirkt eine Reduzierung des Hintergrundgeräusches und liefert zusätzlich einen Schätzwert des ursprünglichen ungestör ten Sprachsignals. Der Schätzwert wird über den bereits erwähnten Rückführzweig des Geräuschreduzierers zum Echokompensator zurückgeführt. Daraus ergibt sich der Nachteil, daß das Hintergrundgeräusch lediglich in seiner Intensität herabgesetzt bzw. verkleinert wird. Außerdem ist nachteilig, daß der Geräuschreduzierer nur einen Schätzwert des ursprünglichen ungestörten Sprachsignals bereitstellt und daß ein Rückführzweig vom Geräuschreduzierer zum Echokompensator notwendig ist, um den Schätzwert vom Sendesignal durch den Echokompensator zu subtrahieren. Außerdem ist es dem Geräuschreduzierer nicht möglich, ein Signal bereitzustellen, das keine oder nur gering Anteile des Hintergrundgeräusches und eines Echos enthält. Durch die Master-Slave-Filteranordnung wird außerdem ein extrem hoher Rechenaufwand im Echokompensator hervorgerufen.From the DE 43 37 653 A1 a method and a circuit arrangement for improving the quality of voice communication in hands-free devices is known. The circuit arrangement comprises an echo canceller and a noise reducer. The output signal of the noise reducer is fed back to the echo canceller via a feedback branch. The transmission signal of the distant subscriber, which is referred to as the reception signal, passes through an echo path and returns to the transmission input as an undesired echo. The noise canceller connected downstream of the echo canceller reduces the background noise and additionally provides an estimate of the original undisturbed speech signal. The estimate is fed back to the echo canceller via the feedback branch of the noise reducer already mentioned. This results in the disadvantage that the background noise is only reduced or reduced in intensity. It is also disadvantageous that the noise reducer only provides an estimate of the original undisturbed speech signal and that a feedback branch from the noise reducer to the echo canceller is necessary in order to subtract the estimate from the transmitted signal by the echo canceller. In addition, it is not possible for the noise reducer to provide a signal which contains little or no components of the background noise and an echo. The master-slave filter arrangement also causes an extremely high computing effort in the echo canceller.

Aus der DE 43 05 256 A1 ist ein Verfahren zum Verbessern der akustischen Rückhördämpfung von elektroakustischen Anlagen bekannt. Das Verfahren arbeitet mit einem Echokompensator, dem ein Kompander und eine sprachgesteuerte Waage nachgeschaltet sind. Diese Schaltungsanordnung ermöglicht lediglich ein skalares frequenzunabhängiges Dämpfungsglied, welches für die Störgeräusch- und Echounterdrückung wenig leistungsfähig ist.From the DE 43 05 256 A1 a method for improving the acoustic attenuation of electroacoustic systems is known. The method works with an echo canceller, which is followed by a compander and a voice-controlled scale. This circuit arrangement only enables a scalar frequency-independent attenuator, which is not very powerful for noise and echo suppression.

In der DE 44,30 189 A1 ist ein Verfahren zur adaptiven Echokompensation wiedergegeben. Zur Durchführung des Verfahrens sind einem Echokompensator eine Baugruppe zum Schätzen der Restkopplung, ein Kom pander und ein lokaler Geräuschpegelschätzer nachgeschaltet. Diese Schaltungsanordnung bewirkt ebenfalls lediglich eine skalare frequenzunabhängige Dämpfung.In the DE 44.30 189 A1 shows a method for adaptive echo cancellation. To carry out the method, an assembly for estimating the residual coupling, a com pander and a local noise level estimator are connected downstream of an echo canceller. This circuit arrangement also only causes scalar frequency-independent damping.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die eine einfache und wirkungsvolle Störgeräusch- und Echoreduktion ermöglichen.It is therefore an object of the invention to provide a method and an apparatus that a simple and effective noise and Enable echo reduction.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Störgeräusch- und Echounterdrückung in einer eine Freisprecheinrichtung aufweisenden Fernsprecheinrichtung wird das zu übertragende Signal einer Restecho erzeugenden Echokompensation unterzogen. Im zweiten Schritt des Verfahrens erfolgt eine Filterung des Ausgangssignals des Echokompensators, wobei das Filter eine Schätzung des Leistungsdichtespektrums des Störsignals und des Leistungsdichtespektrums des Restechosignals vornimmt und somit eine Filterung des echokompensierten Signals zur Dämpfung des Restechos und des Störgeräusches durchgeführt wird.This task is done with a procedure solved, having the features of claim 1. In a first step of the method according to the invention for noise and echo cancellation in a telephone device having a hands-free device becomes the one to be transferred Signal subjected to residual echo-generating echo cancellation. in the The second step of the method involves filtering the output signal of the echo canceller, the filter being an estimate of the power density spectrum of the interference signal and the power density spectrum of the residual echo signal and thus filtering the echo-compensated signal to attenuate the Residual echoes and the background noise is carried out.

Die Aufgabe wird auch mit einer Vorrichtung zur Störgeräusch- und Echounterdrückung in einer eine Freisprecheinrichtung aufweisenden Fernsprecheinrichtung gelöst, die die Merkmale des Anspruchs 15 zeigt. Die Vorrichtung weist einen Echokompensator auf, dem erfindungsgemäß ein Filter nachgeschaltet ist, das eine kombinierte Restechodämpfung und Störgeräuschreduktion ausführt, wobei das Filter eine Schätzeinrichtung beinhaltet, die ein Leistungsdichtespektrum eines Restechosignals und ein Leistungsdichtespektrum eines Störsignals im Ausgangssignal des Echokompensators schätzt.The task is also done with a device for noise and echo cancellation in a telephone device having a hands-free device solved, which shows the features of claim 15. The device has one Echo canceller, which is followed by a filter according to the invention, which is a combined residual echo attenuation and noise reduction executing, the filter being an estimator includes a power density spectrum of a residual echo signal and a power density spectrum of an interference signal in the output signal of the echo canceller estimates.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens beziehungsweise der dieses Verfahren ausführenden Vorrichtung liegt darin, daß ein einzelnes Filter eine kombinierte Dämpfung des Restechos und eine Störgeräuschreduktion durchführt. Außerdem ist vorteilhaft, daß das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Störgeräusch- und Echounterdrückung in ihrem Aufbau und ihrer Struktur einfach sind.The advantage of the method according to the invention or the device carrying out this method lies in the existence single filter a combined attenuation of the residual echo and one Noise Reduction performs. Moreover it is advantageous that the inventive method and the device according to the invention for noise and echo cancellation are simple in structure and structure.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous embodiments of the invention result from the subclaims.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die einzige Figur erläutert. Diese zeigt ein Blockschaltbild eines Systems zur kombinierten Echodämpfung und Störgeräuschreduktion.The invention is now based on a embodiment explained with reference to the single figure. This shows a block diagram a system for combined echo attenuation and noise reduction.

In der einzigen Figur ist eine Freisprecheinrichtung 1 dargestellt, die ein Mikrophon 3 und einen Lautsprecher 5 umfaßt. Eine solche Freisprecheinrichtung 1 ist beispielsweise Bestandteil eines Autotelefons.In the single figure is a hands-free device 1 shown which is a microphone 3 and a speaker 5 includes. Such a speakerphone 1 is part of a car phone, for example.

Die Freisprecheinrichtung 1 weist darüber hinaus ein Echo- und Störsignal-Unterdrückungssystem 7 auf, das aus einem Echokompensator 9 und einem Filter 11 besteht.The speakerphone 1 also has an echo and noise suppression system 7 on that from an echo canceller 9 and a filter 11 consists.

Dem Echokompensator 9, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Zeitbereich arbeitet, wird das Mikrofonausgangssignal y(k) zugeführt. Das Mikrofonausgangssignal y(k) setzt sich zusammen aus einem Sprachsignal s(k), einem durch Umgebungsgeräusche verursachten Störsignal n(k) und einem vom Lautsprecher 5 verursachtes Echosignal d(k). Dem Lautsprecher 5 wiederum wird ein vom einem fernen Teilnehmer gesendetes Signal x(k) zugeführt.The echo canceller 9 , which operates in the time domain in the present exemplary embodiment, the microphone output signal y (k) is supplied. The microphone output signal y (k) is composed of a speech signal s (k), an interference signal n (k) caused by ambient noise and one from the loudspeaker 5 caused echo signal d (k). The loudspeaker 5 in turn, a signal x (k) sent by a remote subscriber is supplied.

Der Echokompensator 9 ermittelt anhand des ihm zugeführten fernen Sprachsignals x(k) ein geschätztes Echosignal d^(k), daß er vom Mikrophonsignal y(k) subtrahiert. Der Echokompensator 9 liefert somit ein Signal e(k), daß sich wie folgt darstellen läßt. e(k) = s(k) + n(k) + b(k), wobei b(k) das Restecho darstellt mit b(k) = d(k) – d(k).The echo canceller 9 uses the distant speech signal x (k) to determine an estimated echo signal d ^ (k) that it subtracts from the microphone signal y (k). The echo canceller 9 thus provides a signal e (k) that can be represented as follows. e (k) = s (k) + n (k) + b (k) , where b (k) represents the residual echo with b (k) = d (k) - d (k) ,

Das Signal e(k) wird dann dem Filter 11 zugeführt, gefiltert und dem fernen Teilnehmer als Signal s^(k) übermittelt.The signal e (k) is then the filter 11 fed, filtered and transmitted to the remote subscriber as signal s ^ (k).

Da die Funktions- und Arbeitsweise des Echokompensators 9 bekannt ist, wird auf eine nähere Beschreibung verzichtet.Because the function and operation of the echo canceller 9 is known, a detailed description is dispensed with.

Dem Filter 11 kommt nun die Aufgabe zu, ein Signal s^(k) bereitzustellen, das keine oder nur geringe Anteile des Restechosignals b(k) und des Störsignals n(k) enthält.The filter 11 The task now is to provide a signal s ^ (k) which contains no or only a small proportion of the residual echo signal b (k) and the interference signal n (k).

Das Filter 11 arbeitet im Frequenzbereich, was in der Figur durch zwei Fouriertransformationsbausteine 13, 15 angedeutet ist, wobei der Baustein 13 eine schnelle Fouriertransformation (FFT = Fast Fourier Transformation) vom Zeit- in den Frequenzbereich durchführt und der Baustein 15 eine schnelle Fouriertransformation vom Frequenzbereich in den Zeitbereich. Mittels des Pfeils 17 wird angedeutet, daß das Filter 11 keine Phasenverschiebung. ausführt, sondern lediglich die Amplituden bestimmter Frequenzbereiche verändert.The filter 11 works in the frequency domain, which is shown in the figure by two Fourier transforms 13 . 15 is indicated, the building block 13 performs a fast Fourier transformation (FFT = Fast Fourier Transformation) from the time domain to the frequency domain and the module 15 a fast Fourier transform from the frequency domain to the time domain. By means of the arrow 17 indicates that the filter 11 no phase shift. executes, but only changes the amplitudes of certain frequency ranges.

Das Spektrum S(Ωi), das dem Baustein 15 zugeführt wird, ergibt sich wie folgt: S(Ωi) = H(Ωi)E(Ωi), wobei E(Ωi) die diskrete Fouriertransformierte eines Rahmens aus N Abtastwerten des Signals e(k) angibt und i = 0, 1 ... M–1 einen Frequenzindex mit Ωi = (i/M)·2π.The spectrum S (Ω i ) that the block 15 is supplied as follows: S (Ω i ) = H (Ω i ) E (Ω i ) , where E (Ωi) indicates the discrete Fourier transform of a frame of N samples of the signal e (k) and i = 0, 1 ... M-1 a frequency index with Ω i = (i / M) · 2π.

Für die alleinige Geräuschreduktion existieren einige Gewichtungsregeln H(Ωi), die lediglich die Amplitude des Eingangssignals verändern und die Phase unverändert lassen. Zu diesen Gewichtungsregeln gehört beispielsweise das Wiener Filter und neuere Verfahren wie beispielsweise der „Minimum Mean Square Error Short Time-Estimator" (MMSE).For the sole noise reduction there are some weighting rules H (Ω i ) which only change the amplitude of the input signal and leave the phase unchanged. These weighting rules include, for example, the Wiener filter and newer methods such as the "Minimum Mean Square Error Short Time Estimator" (MMSE).

Für das Wiener Filter läßt sich die Gewichtungsregel für ein Geräuschreduktionsfilter H(Ωi) wie folgt darstellen:

Figure 00080001
wobei Rss(Ωi) das Leistungsdichtespektrum des Sprachsignals s(k) und Rnn(Ωi) das Leistungsdichtespektrum des Störsignals n(k) ist.For the Wiener filter, the weighting rule for a noise reduction filter H (Ω i ) can be represented as follows:
Figure 00080001
where R ss (Ω i ) is the power density spectrum of the speech signal s (k) and R nn (Ω i ) is the power density spectrum of the interference signal n (k).

Es hat sich nun herausgestellt, daß aufgrund der statistischen Unabhängigkeit der Signale s(k), n(k) und b(k) diese Gewichtungsregel derart modifiziert werden kann, daß ein, kombiniertes Echodämpfungs- und Geräuschreduktionsfilter möglich wird. Dabei wird das Leistungsdichtespektrum Rnn(Ωi) durch die Summe aus den beiden Leistungsdichtespektren Rnn(Ωi) und Rbb (Ωi) ersetzt, wobei letzteres das Leistungsdichtespektrum des Restechos b(k) darstellt. Es ergibt sich damit die Gewichtungsregel

Figure 00080002
It has now been found that, due to the statistical independence of the signals s (k), n (k) and b (k), this weighting rule can be modified such that a combined echo attenuation and noise reduction filter is possible. The power density spectrum R nn (Ω i ) is replaced by the sum of the two power density spectra R nn (Ω i ) and R bb (Ω i ), the latter representing the power density spectrum of the residual echo b (k). This results in the weighting rule
Figure 00080002

Diese Gewichtungsregel stellt das optimale Echodämpfungs- und Geräuschreduktionsfilter im Sinne eines minimalen quadratischen Fehlers dar.This weighting rule represents that optimal echo attenuation and noise reduction filter in the sense of a minimal quadratic error.

Die Berechnung des Filters H(Ωi), die nach jeweils einem Zeitrahmen von N Abtastwerten, beispielsweise 256 Abtastwerten erfolgt, benötigt die Werte der beiden Leistungsdichtespektren Rnn(Ωi) und Rbb(Ωi). Wie unten gezeigt wird, kann die Berechnung der Gewichtungsregel H(Ωi) auch auf der Grundlage von Si gnalrauschverhältnissen erfolgen. Das für die Gewichtungsregel erforderliche Leistungsdichtespektrum Rss(Ωi) wird dabei implizit geschätzt.The calculation of the filter H (Ω i ), which takes place after a time frame of N samples, for example 256 samples, requires the values of the two power density spectra R nn (Ω i ) and R bb (Ω i ). As shown below, the weighting rule H (Ω i ) can also be calculated on the basis of signal-to-noise ratios. The power density spectrum R ss (Ω i ) required for the weighting rule is implicitly estimated.

Die Modifikation der Gewichtungsregel für das Wiener Filter ist in analoger Weise auch bei dem MMSEVerfahren möglich; auch hier wird die Störsignalkomponente als Summe der Störsignal- und der Restechokomponente interpretiert.The modification of the weighting rule for the Wiener filter is also possible in an analogous way with the MMSE method; also here is the noise component as the sum of the interference signal and interpreted the residual echo component.

Die MMSE-Gewichtungsregel läßt sich als Funktion eines a priori und eines a posteriori Signalrauschverhältnisses (SNR) angeben. Das a priori SNR ist definiert als

Figure 00090001
wobei das ε(.) für einen Schätzwert (Erwartungswert) steht, und das a posteriori SNR definiert ist alsThe MMSE weighting rule can be specified as a function of an a priori and an a posteriori signal to noise ratio (SNR). The a priori SNR is defined as
Figure 00090001
where ε (.) stands for an estimated value (expected value), and the a posteriori SNR is defined as

Figure 00090002
Figure 00090002

Damit läßt sich die Wiener Gewichtungsregel wie folgt beschreiben:

Figure 00090003
The Vienna weighting rule can be described as follows:
Figure 00090003

Die obengenannten Formeln beziehen sich auf ein Geräuschreduktionsfilter. Sie lassen sich jedoch in analoger Weise auch auf ein Filter zur Dämpfung des Restechos anwenden, indem N(Ωi) durch B(Ωi) ersetzt wird.The above formulas refer to a noise reduction filter. However, they can also be applied in an analogous manner to a filter for damping the residual echo by replacing N (Ω i ) with B (Ω i ).

Die Berechnung des a posteriori SNR ist durch Verwendung der Spektralkomponente E(Ωi) und den geschätzten Leistungsdichtespektren Rnn(Ωi)und Rbb(Ωi) möglich. Die a priori SNR werden in einem rekursiven Verfahren aus den a posteriori SNR unter Verwendung eines geschätzten Werts aus dem vorhergehenden Rahmen berechnet. Es ergibt sich mit m als Rahmenindex für

Figure 00100001
der geschätzte Wert
Figure 00100002
wobei P(X) = ½(|X| + X) ist. Die Berechnung von
Figure 00100003
erfolgt analog mit einem Glättungsparame ter ab.The a posteriori SNR can be calculated using the spectral component E (Ω i ) and the estimated power density spectra R nn (Ω i ) and R bb (Ω i ). The a priori SNR are calculated recursively from the a posteriori SNR using an estimated value from the previous frame. It results with m as a frame index for
Figure 00100001
the estimated value
Figure 00100002
where P (X) = ½ (| X | + X). The calculation of
Figure 00100003
takes place analogously with a smoothing parameter.

Die Wahl der Parameter αn und αb hängt stark von der Charakteristik der zu entfernenden Signalkomponente ab. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, den Wert αn auf 0,97 und den Wert αb auf 0,9 zu setzen.The choice of the parameters α n and α b depends strongly on the characteristics of the signal component to be removed. It has proven to be advantageous to set the value α n to 0.97 and the value α b to 0.9.

Für die erfindungsgemäße kombinierte Echodämpfung und Geräuschreduktion des Filters 11 lassen sich die unterschiedlichen SNR-Ausdrücke kombinieren zu

Figure 00100004
und SNRe b+n(Ωi) . Die Berechnung des
Figure 00100005
Werts kann wie folgt durchgeführt wer den:
Figure 00100006
For the combined echo attenuation and noise reduction of the filter according to the invention 11 the different SNR expressions can be combined
Figure 00100004
and SNR e b + n (Ω i ). The calculation of the
Figure 00100005
Value can be carried out as follows:
Figure 00100006

Der Wert

Figure 00110001
läßt sich in der zuvor beschriebenen Weise durch ein rekursives Verfahren unter Verwendung des Werts
Figure 00110002
r berechnen. Eine weitere Möglichkeit zur Berechnung des Werts
Figure 00110003
bei der die beiden Werte
Figure 00110004
und
Figure 00110005
bestimmt werden können, ergibt sich wie folgt:
Figure 00110006
The value
Figure 00110001
can be done in the manner described above by a recursive method using the value
Figure 00110002
calculate r. Another way to calculate the value
Figure 00110003
where the two values
Figure 00110004
and
Figure 00110005
can be determined as follows:
Figure 00110006

Dadurch, daß

Figure 00110007
und
Figure 00110008
unabhängig von einander berechnet werden können, lassen sich die beiden Parameter αb und αn optimieren. Hiermit kann das Filter 11 in unterschiedlichen Betriebsarten arbeiten, beispielsweise als reines Geräuschreduktionssystem dann, wenn kein Restecho vorhanden ist, also
Figure 00110009
ist.As a result of that
Figure 00110007
and
Figure 00110008
can be calculated independently of each other, the two parameters α b and α n can be optimized. This allows the filter 11 work in different operating modes, for example as a pure noise reduction system when there is no residual echo, i.e.
Figure 00110009
is.

Zur Berechnung des Filters ist – wie erwähnt – der Wert des Leistungsdichtespektrums Rbb(Ω) erforderlich. Die Schätzung dieses Werts wird nun wie folgt durchgeführt:
Ausgangspunkt der Überlegungen zur Abschätzung eines Werts ist eine zur Echokompensation äquivalente Übertragungsfunktion F(Ω), F(Ω) = B(Ω)/D(Ω) wobei D(Ω) beziehungsweise B(Ω) die Fouriertransformierten des Echos und des Restechos sind.As mentioned, the value of the power density spectrum R bb (Ω) is required to calculate the filter. This value is now estimated as follows:
The starting point of the considerations for estimating a value is a transfer function F (Ω) equivalent to echo compensation, F (Ω) = B (Ω) / D (Ω) where D (Ω) and B (Ω) are the Fourier transforms of the echo and the residual echo.

F(Ω) wird geschätzt durch

Figure 00120001
wobei Ryy(Ω), Ree(Ω) Rdd(e) die Leistungsdichtespektren des Mikrofonsignals y(k), des echokompensierten Signals e(k) und des geschätzten Echos d^(k) sind.F (Ω) is estimated by
Figure 00120001
where R yy (Ω), R ee (Ω) R dd (e) are the power density spectra of the microphone signal y (k), the echo-compensated signal e (k) and the estimated echo d ^ (k).

Die Schätzung der reellwertigen Funktion F(m)(Ω) erfolgt rahmenweise mit Rahmenlänge M = 1,2,3,... (typischerweise M = 128) und mit m als dem aktuellen Rahmenindex. Durch eine Mittelwertbildung von F(m)(Ω) in K (zum Beispiel K = 8) Frequenzbändern mit den Grenzfrequenzen 0 ≤ Ω0 < Ω1 < ... < ΩK ≤ π werden die mittleren Werte

Figure 00120002
, k ε {0, 1, ..., K – 1} ermittelt. Die Grenzfrequenzen Ω0 beziehungsweise ΩK können dabei zum Beispiel an die Bandbreite eines Fernsprechkanals angepaßt werden.The real value function F (m) (Ω) is estimated frame by frame with frame length M = 1,2,3, ... (typically M = 128) and with m as the current frame index. By averaging F (m) (Ω) in K (for example K = 8) frequency bands with the cut-off frequencies 0 ≤ Ω 0 <Ω 1 <... <Ω K ≤ π, the mean values become
Figure 00120002
, k ε {0, 1, ..., K - 1} determined. The limit frequencies Ω 0 and Ω K can be adapted to the bandwidth of a telephone channel, for example.

Bei der Mittelwertbildung von F(m)(Ω) im Frequenzband k, das heißt über dem Intervall Ik = [Ωk, Ωk+1] werden nur die Frequenzen betrachtet, bei denen

Figure 00120003
gilt, mit zum Beispiel η = 0.01. Die Mitteleng erfolgt weiter nur, wenn die genannte Bedingung mindestens über einer bestimmten Menge ψk von Frequenzen im Intervall Ik erfüllt ist. Im anderen Fall kann zum Beispiel die Schätzung
Figure 00120004
vom vorherge henden Rahmen verwendet werden oder es wird
Figure 00120005
zu Null gesetzt. Beispielsweise kann ψk 25% des Intervalls Ik entsprechen.When averaging F (m) (Ω) in the frequency band k, i.e. over the interval I k = [Ω k , Ω k + 1 ], only the frequencies at which
Figure 00120003
applies, for example with η = 0.01. The mean narrowing continues only if the condition mentioned is fulfilled at least over a certain amount ψ k of frequencies in the interval I k . In the other case, for example, the estimate
Figure 00120004
used from the previous frame or it will
Figure 00120005
set to zero. For example, ψ k can correspond to 25% of the interval I k .

Wenn Ω0 > 0 ist, wird der Schätzwert für

Figure 00130001
auch als Schätzung der Übertragungsfunktion der Frequenzen unterhalb Ω0 verwendet. Entsprechendes gilt für Frequenzen oberhalb ΩK wenn ΩK < π.If Ω 0 > 0, the estimate for
Figure 00130001
also used as an estimate of the transfer function of the frequencies below Ω 0 . The same applies to frequencies above Ω K if Ω K <π.

Die auf diese Weise geschätzte Übertragungsfunktion

Figure 00130002
weist eine Treppenform auf. Sie kann weiter zeitlich geglättet werden.
Figure 00130003
wird nun durch
Figure 00130004
und das Auto-/Kreuzleistungsdichtespektrum
Figure 00130005
, z ε {y,e,d} berechnet, zum Beispiel durch
Figure 00130006
The transfer function estimated in this way
Figure 00130002
has a staircase shape. It can be further smoothed over time.
Figure 00130003
is now through
Figure 00130004
and the auto / cross power density spectrum
Figure 00130005
, z ε {y, e, d} calculated, for example by
Figure 00130006

Alternativ können andere Funktionen von F(m)(Ω) verwendet werden, die auch eine, Konstante beinhalten, zum Beispiel

Figure 00130007
Alternatively, other functions of F (m) (Ω) can be used that also include a constant, for example
Figure 00130007

Für die Unterdrückung der vom Kompensator nicht erfaßten Echos kann auch das geschätzte Leistungsdichtespektrum früherer Rahmen miteinbezogen werden, zum Beispiel durch

Figure 00140001
mit zum Beispiel
Figure 00140002
To suppress the echoes not detected by the compensator, the estimated power density spectrum of previous frames can also be included, for example by
Figure 00140001
with for example
Figure 00140002

Zur Berechnung des Filters H(m)(Ω) ist neben dem geschätzten Leistungsdichtespektrum Rbb(Ω) auch das Leistungsdichtespektrum Rnn(Ω) erforderlich. Das Verfahren zur Schätzung dieses Werts ist bekannt, so daß auf dessen Beschreibung verzichtet wird.In addition to the estimated power density spectrum R bb (Ω), the power density spectrum R nn (Ω) is required to calculate the filter H (m) (Ω). The method for estimating this value is known, so that its description is omitted.

Mit Hilfe der beiden geschätzten Werte für die Leistungsdichtespektren Rnn und Rbb lassen sich die Filter für die Restechodämpfung und für die Störreduktion separat berechnen mit

Figure 00140003
wobei – wie bereits hergeleitet – giltWith the help of the two estimated values for the power density spectra R nn and R bb , the filters for the residual echo attenuation and for the interference reduction can be calculated separately
Figure 00140003
where - as already derived - applies

Figure 00140004
Figure 00140004

Figure 00150001
Figure 00150001

Alternativ kann für eine erhöhte Dämpfung zum Beispiel

Figure 00150002
gewählt werden.Alternatively, for increased damping, for example
Figure 00150002
to get voted.

Um eine erhöhte Restechodämpfung zu bekommen, kann auch die berechneten SNR gewichtet werden, zum Beispiel durch

Figure 00150003
mit zum Beispiel μ1 = 1. Die SNR können, um eine höhere Sprachqualität zu erreichen, vor einer Kombination auf minimale Werte Tb und Tn begrenzt werden. Diese Werte können zum Beispiel eine Funktion der Leistungsdichte des Restechos und/oder der Störungen sein, zum Beispiel mit
Figure 00150004
In order to obtain an increased residual echo damping, the calculated SNR can also be weighted, for example by
Figure 00150003
with, for example, μ 1 = 1. In order to achieve a higher voice quality, the SNR can be limited to minimum values T b and T n before a combination. These values can, for example, be a function of the power density of the residual echo and / or the interference, for example with
Figure 00150004

Durch Tn läßt sich gezielt der Pegel der Reststörungen im Ausgangssignal einstellen,The level of the residual interference in the output signal can be set in a targeted manner by T n ,

Die Filterung des echokompensierten Signals e(k) zur Schätzung des Sprachsignals s(k) erfolgt dann entweder mit dem berechneten Filter H(Ω) im Frequenzbereich oder mit dem äquivalenten Filter h(k) im Zeitbereich. Die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren erlauben es also, eine Restechodämpfung und eine Geräuschreduktion mittels eines Filters durchzuführen, wobei die Filterparameter unabhängig voneinander einstellbar und optimierbar sind.The filtering of the echo-compensated Signals e (k) for estimation of the speech signal s (k) then takes place either with the calculated one Filter H (Ω) in the frequency domain or with the equivalent Filter h (k) in the time domain. The device according to the invention and the method according to the invention thus allow residual echo damping and a noise reduction using a filter, where the filter parameters are independent are adjustable and optimizable from each other.

Claims (16)

Verfahren zur Störgeräusch- und Echounterdrückung in einer eine Frensprecheinrichtung aufweisenden Fernsprecheinrichtung, bei dem als erstes das zu übertragende Signal (y(k)) einer Restecho erzeugenden Echokompensation unterzogen und als zweites eine Filterung des Ausgangssignals des Echokompensators durchgeführt wird, wobei das Filter eine Schätzung des Leistungsdichtespektrums des Störsignales (n(k)) und des Leistungsdichtespektrums des Restechosignals (b(k)) vornimmt und somit eine Filterung des echokompensierten Signals zur Dämpfung des Restechos und des Störgeräusches durchgeführt wird.Method for noise and echo suppression in a telephone device having a speakerphone, in which the signal to be transmitted (y (k)) is first subjected to echo compensation which generates residual echo, and the filtering of the output signal of the echo canceller is carried out, the filter being an estimate of the Power density spectrum of the interference signal (n (k)) and the power density spectrum of the residual echo signal (b (k)) and thus filtering the echo-comp ensen signal for damping the residual echo and the noise is carried out. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zur Echokompensation äquivalente Übertragungsfunktion F(Ω) geschätzt wird mit F(Ω) = B(Ω)/D(Ω), wobei B(Ω) und D(Ω) die Fouriertransformierten des Restechos beziehungsweise des Echosignals sind.Method according to Claim 1, characterized in that a transfer function F (Ω) equivalent to echo compensation is estimated with F (Ω) = B (Ω) / D (Ω), where B (Ω) and D (Ω) are the Fourier transforms of the residual echo and the echo signal, respectively. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zur Echokompensation äquivalente Übertragungsfunktion F(Ω)geschätzt wird mit
Figure 00190001
wobei Ryy, Ree, Rdd die Leistungsdichtespektren des Mikrofonsignals y(k) der Freisprecheinrichtung, des echokompensierten Signals e(k) und des geschätzten Echos d^(k) sind.Method according to Claim 1, characterized in that a transfer function F (Ω) which is equivalent to echo compensation is estimated with
Figure 00190001
where R yy , R ee , R dd are the power density spectra of the microphone signal y (k) of the hands-free device, the echo-compensated signal e (k) and the estimated echo d ^ (k). Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die reellwertige Funktion F(m)(Ω) rahmenweise berechnet wird, mit einer Rahmenlänge m = 1,2,3..M, vorzugsweise M = 128, wobei m den aktuellen Rahmenindex angibt.Method according to Claim 3, characterized in that the real-valued function F (m) (Ω) is calculated frame by frame, with a frame length m = 1,2,3..M, preferably M = 128, where m indicates the current frame index. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch Mittelwertbildung der Übertragungsfunktion F(m)(Ω) in K, vorzugsweise K = 8, Frequenzbändern mit den Grenzfrequenzen 0≤Ω0<Ω1 < ... < ΩK ≤ π die mittleren Werte
Figure 00200001
ermittelt werden.Method according to Claim 4, characterized in that by averaging the transfer function F (m) (Ω) in K, preferably K = 8, frequency bands with the cut-off frequencies 0≤Ω 0 <Ω 1 <... <Ω K ≤ π are the middle ones values
Figure 00200001
be determined. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfrequenzen Ω0 bzw. ΩK an die Bandbreite eines Fernsprechkanals angepaßt werden.A method according to claim 5, characterized in that the limit frequencies Ω 0 and Ω K are adapted to the bandwidth of a telephone channel. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Mittelwertbildung im Frequenzband k mit den Frequenzbereich Ik = [Ωk, Ωk+1] nur Frequenzen betrachtet werden für die gilt:
Figure 00200002
mit vorzugsweise η = 0,01.Method according to Claim 6, characterized in that when averaging in the frequency band k with the frequency range I k = [Ω k , Ω k + 1 ] only frequencies are considered for which:
Figure 00200002
with preferably η = 0.01. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelwertbildung nur dann erfolgt, wenn
Figure 00200003
über eine bestimmte Menge von Frequenzen im Intervall Ik erfüllt ist.Method according to claim 7, characterized in that the averaging takes place only if
Figure 00200003
is satisfied over a certain amount of frequencies in the interval I k . Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktion
Figure 00200004
geschätzt wird.A method according to claim 8, characterized in that the function
Figure 00200004
is appreciated. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktion
Figure 00200005
zeitlich geglättet wird.Method according to claim 9, characterized in that the function
Figure 00200005
is smoothed in time. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
Figure 00210001
berechnet wird durch
Figure 00210002
und das Auto-/Kreuzleistungsdichtespektrum
Figure 00210003
mit z∈{y, e, d}, beispielsweise mit
Figure 00210004
A method according to claim 10, characterized in that
Figure 00210001
is calculated by
Figure 00210002
and the auto / cross power density spectrum
Figure 00210003
with z∈ {y, e, d}, for example with
Figure 00210004
 Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in die Berechnung von
Figure 00210005
das geschätzte Leistungsdichtespektrum früherer Rahmen einbezogen wird, vorzugsweise mit
Figure 00210006
A method according to claim 11, characterized in that in the calculation of
Figure 00210005
the estimated power density spectrum of previous frames is included, preferably with
Figure 00210006
 Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Filter H(m)(Ω) für die Restechodämpfung und die Störgeräuschreduktion als Funktion der geschätzten Leistungsdichtespektren
Figure 00210007
und
Figure 00210008
berechnet wird als
Figure 00210009
Method according to claim 12, characterized in that a filter H (m) (Ω) for the residual echo damping and the noise reduction as a function of the estimated power density spectra
Figure 00210007
and
Figure 00210008
is calculated as
Figure 00210009
 Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß εn = 0,97 und εb = 0,9 ist.A method according to claim 13, characterized in that ε n = 0.97 and ε b = 0.9. Vorrichtung zur Störgeräusch- und Echounterdrückung in einer eine Freisprecheinrichtung aufweisenden Fernsprecheinrichtung, mit einem Echokompensator, dadurch gekennzeichnet, daß dem Echokompensator (9) ein Filter (11) nachgeschaltet ist, das eine kombinierte Restechodämpfung und Störgeräuschreduktion ausführt, wobei das Filter eine Schätzeinrichtung beinhaltet, die ein Leistungsdichtespektrum eines Restechosignals und ein Leistungsdichtespektrum eines Störsignals im Ausgangssignal des Echokompensators (9) schätzt.Device for suppressing noise and echo in a telephone device having a hands-free device, with an echo canceller, characterized in that the echo canceller ( 9 ) a filter ( 11 ) is connected downstream, which carries out a combined residual echo attenuation and noise reduction, the filter including an estimation device which has a power density spectrum of a residual echo signal and a power density spectrum of a noise signal in the output signal of the echo canceller ( 9 ) estimates. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter die Übertragungsfunktion hat
Figure 00220001
Apparatus according to claim 15, characterized in that the filter has the transfer function
Figure 00220001
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