DE2207141C3 - Circuit arrangement for suppressing unwanted speech signals by means of a predictive filter - Google Patents
Circuit arrangement for suppressing unwanted speech signals by means of a predictive filterInfo
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Description
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Unterdrückung unerwünschter Sprachsignale mittels eines vorhersagenden Filters mit einer Anordnung zur Ableitung einer elektrischen Wellenform, die ein Sprachsignal repräsentier;, einer Anordnung zur Ableitung von Parametern eines Sprachsignals, die vom Sprachsignal während der Intervalle der Sprachgrundwellenperiode gesteuert wird und einer Anordnung, die auf die abgeleiteten Parameter für die Wiedergewinnung der elektrischen Wellenform anspricht.The invention relates to a circuit arrangement for suppressing unwanted speech signals by means of a predictive filter having an arrangement for deriving an electrical waveform representing a Speech signal represent ;, an arrangement for derivation of parameters of a speech signal derived from the speech signal during the intervals of the basic speech wave period is controlled and an arrangement based on the derived parameters for recovery the electrical waveform responds.
Bei der Telefonie und anderen einschlägigen Gebieten kommt es häufiger vor, daß die Sprache einer Quelle, die ein Zuhörer zu hören wünscht, in ihrer Verständlichkeit ernsthaft durch die Sprache einer zweiten unerwünschten Quelle gestört wird. Zur Verringerung der Wirkungen der zweiten Sprachquelle wurden bereits zahlreiche Vorschläge gemacht Diese betreffen eine relative Verbesserung des erwünschten Spr?.chsignals, indem das unerwünschte Sprachsignal relativ unverständlich gehalten wird oder indem die Energie des unerwünschten Signals herabgesetz' wird. Unabhängig von der Art und Weise der Verbesserungen wurde als typisches Resultat erzielt, daß das gewünschte Sprachsignal nun verständlicher war, als es bei dem vollständigen Fehler, einer Sprachverarbeitung gewesen wäre. Die »Freihand«-Telefone sind Musterbeispiele für dieses Problem der gegenseitig in Konflikt geratenden Sprachquellen, da deren elektroakustischer Wandler (Lautsprecher) eine potentielle Quelle von unerwünschten Signalen am Mikrofon der gleichen Sprechstelle darstellen.It is more common in telephony and other related fields that the language one Source that a listener wishes to hear, seriously understandable through the language of one second unwanted source is disturbed. To reduce the effects of the second language source Numerous proposals have already been made. These relate to a relative improvement of the desired one Speech signal by keeping the unwanted speech signal relatively incomprehensible or by the Energy of the unwanted signal is reduced '. Regardless of the type of improvement the typical result achieved was that the desired speech signal was now more intelligible than it was with the complete error, a language processing would have been. The "hands-free" telephones are prime examples for this problem of mutually conflicting language sources, since they are more electroacoustic Converter (speaker) a potential source of unwanted signals on the microphone of the same Represent intercom.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, den genannten Nachteil der Störung eines gewünschten Sprachsignals durch ein unerwünschtes, insbesondere bei »Freihand«-Telefonen zu vermeiden.The object of the present invention is now to the mentioned disadvantage of the disruption of a to avoid the desired voice signal through an undesired one, especially with "hands-free" telephones.
Für eine Sprachverarbeitungseinrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Anordnung für die Ableitung der Parameter des Sprachsignals einen Verzögerungs- und Verstärkungsparameter unerwünschter Sprachsignalwerte (c) während eines Intervalls ableitet, das einen wesentlichen Teil der Grundwellenperiode des unerwünschten Sprachsignals umfaßt, welche Parameter dazu verwendet werden, das unerwünschte Sprachsignal wiederzugewinnen, und daß schließlich eine Kombinationsschaltung vorgesehen ist, die das wiedergewonnene, unerwünschte Sprachsignal mit einer Kombination (a + c) des unerwünschten und eines erwünschten (a) Sprachsignals kombiniert, so daß das gewünschte Sprachsignal übrig bleibt.For a speech processing device of the type mentioned at the beginning, this object is achieved in that the arrangement for deriving the parameters of the speech signal derives a delay and amplification parameter of undesired speech signal values (c) during an interval which comprises a substantial part of the fundamental wave period of the undesired speech signal, which Parameters are used to recover the unwanted speech signal, and that finally a combination circuit is provided which combines the recovered, unwanted speech signal with a combination (a + c) of the unwanted and a desired (a) speech signal, so that the desired speech signal remains .
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, bei der das unerwünschte Signal über eine ankommende Leitung in einer Empfängerstelle empfangen wird und die Kombinationsschaltung an eine abgehende Leitung für das Auslöschen ankommender Sprachsignale angeschlossen wird, die in Kombination mit dem abgehenden Signal vorliegen können.Another embodiment of the invention relates to a circuit arrangement in which the undesired Signal is received over an incoming line in a receiving station and the combination circuit connected to an outgoing line for canceling incoming voice signals which may be present in combination with the outgoing signal.
Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Further, advantageous configurations and developments of the subject matter of the invention are the Refer to subclaims.
Die Vorteile der Erfindung ergeben sich im wesentlichen aus der nachfolgenden Betrachtung:The advantages of the invention result essentially from the following consideration:
Die Erfindung beruht auf der allgemeinen Erkenntnis, daß ein unerwünschtes Sprachsignal auf der Basis seiner Sprachparameter unterdrückt werden kann.The invention is based on the general knowledge that an undesired speech signal on the basis of his Language parameters can be suppressed.
Der US-Patentschrift 36 31 520 sind bestimmte Sprachparameter zugrundegelegt. Ferner ist dort eine »vorhersagende Codierungs«-Technik für die Verringerung der Übertragungsbandbreite angegeben, in der eine Abschätzung des Augenblickswertes der Sprachsignalabtastung auf der Basis eines bekannten entsprechenden vorhergehenden Wertes vorgenommen wird. Aus diesen Daten wird ein Differenz- oder Fehlersignal erzeugt und zu einer fernen Empfangsstation zusammen mit bestimmten Vorhersage-Parametern übertragen. In der fernen Empfangsstation wird das gesamte Signal aus dem Fehlersignal, unter Verwendung der Vorhersage-Parameter, wieder neu gebildet.US Pat. No. 3,631,520 is based on certain language parameters. Also there is one "Predictive coding" technique for reducing the transmission bandwidth specified in the an estimate of the instantaneous value of the speech signal sample based on a known corresponding one previous value is made. A difference or error signal is generated from this data generated and transmitted to a remote receiving station together with certain prediction parameters. In the remote receiving station gets the entire signal from the error signal, using the prediction parameters, formed again.
Es wurde nun erkannt, daß der in der genannten US-Patentschrift angegebene Prozeß so umgestaltetIt has now been recognized that the process set forth in the referenced US patent would be so redesigned
werden kann, daß er ein gegebenes, unerwünschtes Sprachsignal im wesentlichen eliminieren kann.can be that he is a given, undesirable Can substantially eliminate speech signal.
Das grundlegende Konzept der Erfindung besteht darin, aus dem unerwünschten Signal einen Verzögerungs- und einen Verstärkungs-Parametei· abzuleiten. Diese Parameter steuern ein Verzögerungs- und Verstärkungsnetzwerk, durch das sowohl die gewünschten als auch die unerwünschten Signale geleitet werden. Die Verzögerungszeit entspricht etwa der augenblicklichen Dauer der Grundwellenperiode des unerwünschten Sprachsignals. Die Verstärkung wird nach einer von mehreren möglichen Formeln errechnet, so daß so das verzögerte, unerwünschte Signal auf ein Amplituden-Niveau des vorliegenden Wertes des unerwünschten Sprachsignals gebracht wird. Alternativ hierzu wird bei einer technisch weniger komplexen Ausführung die Verstärkung gleich 1 gesetzt In jedem Falle wird das Ausgangssignal des Netzwerkes dann subtraktiv auf das unerwünschte Sprachsignal oder auf irgendeinem komponenten Signal angewandt, das das urerwünschte Sprachsignal enthält Dieses Verfahren kann entweder in analoger oder digitaler Technik durchgeführt werden.The basic concept of the invention is to convert the unwanted signal into a delay and derive a gain parameter. These parameters control a delay and gain network through which both the desired as well as the unwanted signals. The delay time corresponds roughly to the current one Duration of the fundamental wave period of the unwanted speech signal. The reinforcement is after one of several possible formulas are calculated so that the delayed, unwanted signal is reduced to an amplitude level the present value of the unwanted speech signal is brought. Alternatively, at In a technically less complex version, the gain is set to 1 Output signal of the network then subtractively on the unwanted speech signal or on any component signal which contains the desired speech signal is applied. This method can either can be carried out in analog or digital technology.
Von Vorteil ist jedoch, wenn das Verfahren mit Hilfe einer Abtasttechnik durchgeführt wird, bei der das Signal mit einer Folgefrequenz von beispielsweise 6 kHz abgetastet wird, was bedeutet, daß je Grundwellenperiode 30 — 60 Abtastungen durchgeführt werden. Die Zahl der Abtastungen in einer Grundwellenperiode verändert sich mit der Frequenz der Sprachgrundwelle.However, it is advantageous if the procedure is carried out with the help of a sampling technique is carried out in which the signal with a repetition frequency of, for example, 6 kHz is sampled, which means that 30-60 samples are carried out per fundamental wave period. the The number of samples in a fundamental wave period varies with the frequency of the speech fundamental wave.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Sprache aus dem Lautsprecher eines handfreien Fernsprechapparates, die entweder direkt oder als Nachhallreflektion auf das Mikrofon des Apparates auftrifft, weitgehend aus dem Ausgangssignal des Mikrofones entfernt werden. Es wird dabei sowohl das Nachhallsignal als auch das direkte Signal unterdrückt, da sich die unerwünschten Sprachparameter während des Sprechens nicht schnell verändern.In one embodiment of the invention, speech from the loudspeaker can be hands-free Telephone set, either directly or as reverberation reflection on the set's microphone occurs, can be largely removed from the output signal of the microphone. It will do both that Reverberation signal as well as the direct signal suppressed, since the undesired speech parameters during of speaking do not change quickly.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird beispielsweise die Sprache von zwei Sprechern von einer Mehrzahl von Mikrofonen festgestellt und die Sprache eines Sprechers unter Verwendung der festgestellten Sprachparameter durch die Kombination der Ausgangssignale der Mikrofone unterdrückt.For example, in another embodiment of the invention, the language of two Speakers detected by a plurality of microphones and the language of a speaker among them Use of the determined speech parameters by combining the output signals of the microphones suppressed.
Es ist nun offensichtlich, daß die Umgestaltung des in der genannten US-Patentschrift aufgezeigten Verfahrens in einem Aspekt ein Filter darstellt, und zwar ein Filter mit kamipförmigem Frequenzspektrum, dessen Minima bei der Sprachgrundfrequenz (und deren Harmonische) des unerwünschten Sprachsignals liegen. Hierin unterscheidet sich das »vorhersagende« Filter der Erfindung von einer konventionellen Echosperre, die nur ein nachhallendes Signal spiegelt und diese Spiegelung von dem zusammengesetzten Signal, das aus dem Signal selbst und seiner Spiegelung besteht, subtrahiert.It is now evident that the redesign of the process disclosed in the cited US patent represents in one aspect a filter, namely a filter with a kamip-shaped frequency spectrum, its Minima lie at the basic speech frequency (and its harmonics) of the unwanted speech signal. This is where the "predictive" filter of the invention differs from a conventional echo canceller, which only reflects a reverberant signal and this reflection from the composite signal that is made up the signal itself and its reflection is subtracted.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines durch Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Es zeigtIn the following, the invention is explained in more detail with the aid of an exemplary embodiment illustrated by drawings described. It shows
Fig. 1 das schematische Blockschaltbild eines Sprachübertragungsnetzwerks mit einem handfreien Telefon und der erfindungsgemäßen Anordnung,Fig. 1 is a schematic block diagram of a voice transmission network with a hands-free Telephone and the arrangement according to the invention,
Fig.2 ein schematisches Blockschaltbild des erfindungsgemäßen vorhersagenden Filters,2 shows a schematic block diagram of the inventive predictive filter,
F i g. 3 ein schematisches Blockschaltbild zur weiteren Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Vorhersageschaltung, F i g. 3 is a schematic block diagram to further illustrate the prediction circuit according to the invention,
Fig.4—6 grafische Darstellungen verschiedener Kenniinien der Vorhersagcschaltung,Fig. 4-6 graphic representations of various Characteristics of the prediction circuit,
F i g. 7 u. 8 Darstellungen zweier weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung in einem Sprachübertragungsneizwerk mit handfreien Fernsprechapparaten undF i g. 7 and 8 representations of two further exemplary embodiments of the invention in a voice transmission network with hands-free telephone sets and
Fig.9 u. 10 schematische Darstellungen der Erfindung für die Unterdrückung der Sprache mehrerer Sprecher in einem Raum.9 and 10 are schematic representations of the invention for the suppression of the speech of several speakers in one room.
ίο Bei dem ersten, in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein handfreier Fernsprechapparat mit einem Lautsprecher 1 und einem Mikrofon 2 in einem nicht hallfreiem Raum 3 an eine Sprachverarbeitungseinrichtung 8 gemäß der Erfindung angeschlossen. Im allgemeinen kommt das gewünschte Sprachsignal als Eingangssignal für das Mikrofon 2 von der Sprachquelle 4, dem nahen Sprecher, dessen Signal a hauptsächlich den direkten Pfad 5 entlang wandert Die Schallreflexic ι der Quelle 4 ist in Fig. 1 nicht dargestellt L?r Lautsprecher 1, der das Signal des fernen Sprechers abgibt ist bezüglich des Mikrofons 2 die Quelle eines unerwünschten Eingangssignals, und zwar entweder auf dem direkten Weg 6 oder dem Reflexionsweg 7. Der direkte Sprachweg des Sprechers am fernen Ende ist mit cbezeichnetίο In the first, in F i g. 1 illustrated embodiment of the invention, a hands-free telephone set with a loudspeaker 1 and a microphone 2 in a non-reverberation-free room 3 is connected to a speech processing device 8 according to the invention. In general, the desired speech signal comes as an input signal for the microphone 2 from the speech source 4, the nearby speaker, whose signal a mainly travels along the direct path 5. The sound reflexion of the source 4 is not shown in FIG. of the signal of the far-end speaker outputs with respect to the microphone 2, the source of an undesired input signal, namely r entwede on the direct path 6 or the reflection path 7. the direct voice path is the far-end talker with cbezeichnet
Das in Fig. 1 dargestellte Sprachverarbeitungsnetzwerk besteht aus einem sogenannten Voraussagefilter 9. das mit de· Ausgangsschaltung des Mikrofons 2 verbunden ist. Wie die F ι g. 2 und 3 zeigen, besteht das Filter 9 aus zwei parallelen Zweigen. Der erste Zweig isi eine Vorhersageschaltung 11, die ein Netzwerk sein kann, das aus einem Verzögerungsnetzwerk 12 und einem Verstärker 13 besteht Der zweite Zweig ist ein direkter Nebenschlußpfad. Beide Zweige sind über einen Subtrahierer 10 miteinander verbunden. Die Vorhersageschaltung 11 wird in einer noch zu beschreibenden Weise von einem Parameterextraktor 14 gesteuert, der in den Kreis des Lautsprechers 1 eingeschaltet ist.The speech processing network shown in FIG consists of a so-called prediction filter 9. that with the output circuit of the microphone 2 connected is. Like the fig. 2 and 3 show the filter 9 consists of two parallel branches. The first branch isi a prediction circuit 11 which may be a network consisting of a delay network 12 and an amplifier 13. The second branch is a direct shunt path. Both branches are over a subtracter 10 connected to each other. The prediction circuit 11 is in a still to Descriptive manner controlled by a parameter extractor 14, which is in the circuit of the loudspeaker 1 is switched on.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt die Sprechverarbeitung digital. Ein Tiefpaß 15 mit einer vorzugsweisen Grenzfrequenz von 3 kHz und ein 6 kHz-Abtaster 16 sind in Reihe in die Ausgangsschaltung des Mikrofons 2 eingeschaltet. In ähnlicher Weise sind ein Tiefpaß 17 und ein Abtaster 18 parallel zur Eingangsschaltung des Lautsprechers 1 geschaltet und ferner in Reihe mit dem Parameterextraktor 14 verbunden.According to an exemplary embodiment of the invention, the speech processing takes place digitally. A low pass 15 with a preferred cut-off frequency of 3 kHz and a 6 kHz sampler 16 are in series in the output circuit of microphone 2 switched on. Similarly, a low-pass filter 17 and a sampler 18 are parallel connected to the input circuit of the loudspeaker 1 and also in series with the parameter extractor 14 tied together.
Eine Wellenform, die das Signal c des Sprechers am fernen Ende repräsentiert, ist in F i g. 4 dargestellt. Da ein Sprachsignal redundant ist, d.h. das Signal verändert seine äußere Form und die Länge der Grundwellenperiode von einer Grundwellenperiode zur nächsten nur sehr wenig, kann die Augenblicksform oder der Wert des Signals c durch eine lineare Vorhersage geschätzt werden, die auf einem früheren Wert des Signals c beruht.A waveform representing the far-end speaker's signal c is shown in FIG. 4 shown. Since a speech signal is redundant, i.e. the signal changes its external shape and the length of the fundamental wave period only very little from one fundamental wave period to the next, the instantaneous shape or the value of the signal c can be estimated by a linear prediction based on an earlier value of the signal c is based.
Das in F i g. 4 dargestellte Signal c ist aus Sprache in aufeinanderfolgenden Grundwellenperioden /ι, 4, /3 usw.The in Fig. 4 signal c shown is from speech in successive fundamental wave periods / ι, 4, / 3 etc.
aufgebaut. In den Sprachsignalen in den benachbarten Sprachgrundwellenperioden des Signals c sind ungleiche Amplituden vorhanden. So kann die Verstärkung b so errechnet werden (hier nicht beschrieben), daß, wenn sie auf das abgetastete Signal der Grundwellenperiode 1\ angewendet wird, sie bewirkt, daß dieses Signal sich dem in der nächsten Grundwellenperiode h abgetasteten Signal annähert. Wenn dann das verstärkte Signal der Periode /1 subtraktiv mit dem Signalwert derbuilt up. There are unequal amplitudes in the speech signals in the adjacent speech fundamental wave periods of the signal c. Thus, gain b can be calculated (not described here) such that when applied to the sampled signal of fundamental period 1 \ it causes that signal to approximate the signal sampled in the next fundamental period h. Then if the amplified signal of the period / 1 subtractively with the signal value of the
Periode h kombiniert wird, dann ergibt sich im wesentlichen eine Ausfilterung des Signals c. In ähnlicher Weise wird das gleiche Resultat erzielt, wenn das verstärkte Signal der Periode 1\ subtraktiv mit dem zusammengesetzten Signal a + c in dem Subtrahierer 10 kombiniert wird.Period h is combined, then the result is essentially a filtering out of the signal c. Similarly, the same result is obtained when the amplified signal of the period 1 \ subtractively combined with the composite signal a + c in the subtracter 10.
Dieses in mathematischen Termen ausgedrückt, bedeutet, daß Wn (die Amplitude des Abtastwertes n, der den SubtraWerer 10 über den direkten Weg in dem Vorhersagefilter 9 erreicht), wird subtraktiv mit Wn-* (der Amplitude des verzögerten Abtastwertes) kombiniert, wobei k die Zahl der Abtastungen in einer Grundwellenperiode ist. Vorzugsweise wird das Zeitfenster, über dem die Parameter ausgewertet werden, in der Größenordnung der Grundwellenperiode, um sicherzustellen, daß genügend Energie vorhanden ist. Ein Zeitfenster von 30 Abtastwerten mit einer Abtastfolgefrequenz von 6 kHz erfaßt in einer gegebenen Grundwellenperiode eine Zahl von Abtastwerten, die zwischen der halben und der Gesamtzahl der Abtastwerte liegt.Expressed in mathematical terms, this means that W n (the amplitude of the sample n which reaches the subtractor 10 via the direct path in the prediction filter 9) is subtractively combined with W n - * (the amplitude of the delayed sample), where k is the number of samples in one fundamental period. The time window over which the parameters are evaluated is preferably of the order of magnitude of the fundamental wave period in order to ensure that sufficient energy is available. A time window of 30 samples with a sampling rate of 6 kHz captures a number of samples in a given fundamental wave period which is between half and the total number of samples.
Da die Sprache während der Intonisation nur quasi-stationär ist, müssen der Verzögerungsparameter k und der Verstärkungsparameter b periodisch errechnet werden. Dieses wird mit Hilfe des digitalen Parameterextraktors 14, entsprechend der Lehre der US-Patentschrift 36 31 520, die bereits erwähnt wurde, durchgeführt.Since speech is only quasi-stationary during intonation, the delay parameter k and the gain parameter b must be calculated periodically. This is carried out with the aid of the digital parameter extractor 14, in accordance with the teaching of US Pat. No. 3,631,520, which has already been mentioned.
Wie dort ausgeführt wird, werden die Eingangssprachabtastwerte vom Abtaster 18 als »Rahmen« von Signalen gespeichert. Der Speicherinhalt wird dann zu einer Recheneinheit übertragen, die einen Teil des Parameterextraktors 14 bildet, und in der für 30 Abtastwerte Korrelationsrechenwerte X1 gemäß folgender Beziehung errechnet werden:As stated therein, the input speech samples are stored by sampler 18 as "frames" of signals. The memory content is then transferred to a computing unit which forms part of the parameter extractor 14 and in which correlation computing values X 1 are calculated for 30 samples according to the following relationship:
Σ w-w-, Σ w - w -,
γ _ η-η γ _ η-η
' Γ Ν T»Γ Ν ϊ'''Γ Ν T »Γ Ν ϊ''
Inn J L""0 JInn J L "" 0 J
wobei η vorzugsweise im Bereich von 30 — 60 Abtastungen liegen kann.where η can preferably be in the range of 30-60 samples.
Die errechneten Werte von X1 werden dann in einem Netzwerk, das ebenfalls Teil des Extraktors 18 ist, auf die Lage von Spitzenwerten hin untersucht, um den größten Wert von X1 zu bestimmen. Der Wert von j wird auf die Weise gefunden, daß X1 das Maximum aller Werte von X ist. Dieser bestimmte Wert von j ist der Verzögerungsparameter k, der als einer der Parameter zu dem Vorhersageiilter 9 übertragen wird. Es ist zu sehen, daß k eine variable Verzögerung ist. und daß der Maximalwert von X1 Xt ist Der Verzögerungsparameter k ist für einen typischen stimmhaften Sprachabschnitt in F i g. 6 dargestelltThe calculated values of X 1 are then examined for the location of peak values in a network which is also part of the extractor 18 in order to determine the greatest value of X 1. The value of j is found in such a way that X 1 is the maximum of all values of X. This particular value of j is the delay parameter k which is transmitted to the prediction filter 9 as one of the parameters. It can be seen that k is a variable delay. and that the maximum value of X 1 is Xt . The delay parameter k is for a typical voiced speech segment in FIG. 6 shown
Der Verstärkungsparameter b wird ebenfalls von der Rechenschaltung in dem Parameterextraktor 14 nach folgender Beziehung errechnet:The gain parameter b is also calculated by the computing circuit in the parameter extractor 14 according to the following relationship:
Σ W"W- Σ W " W -
b = b =
Der Verstärkungsparameter b wird in ähnlicher Weise zu dem Vorhersagefilter 9 übertragen.The gain parameter b is transmitted to the prediction filter 9 in a similar manner.
Die beschriebene Errechnung des Verzögerungsparameters k und Verstärkungsparameters b ist nur eine von mehreren Möglichkeiten, durch die aus einer Analyse des Sprachenergieinhalts in benachbarten oder im wesentlichen benachbarten Signalabschnitten Parameter errechnet werden können, die, wenn sie auf einen früheren Signalabschnitt angewendet werden, den letzteren in seiner Gestalt ziemlich ähnlich mit der Gestalt des augenblicklich vorliegenden Signalabschnitts halten werden.The described calculation of the delay parameter k and gain parameter b is only one of several possibilities by which parameters can be calculated from an analysis of the speech energy content in neighboring or essentially neighboring signal sections which, if applied to an earlier signal section, the latter in its Shape will be kept quite similar to the shape of the instantaneous signal section.
Daher wird die zu dem Lautsprecher 1 übertragene Sprache kontinuierlich analysiert, um aus ihr einen optimalen Verzögerungsparameter und einen Verstärkungsfaktor zu extrahieren. Diese Parameter werden periodisch, beispielsweise alle 5rns auf den neuesten Stand gebracht. Wenn am Lautsprecher 1 kein ankommendes Sprachsignal vorliegt, sind Verzögerung und Verstärkung null. Bei einem ankommenden Signal wird der errechnete augenblickliche Signalausgangswert der Vorhersageschaltung 11 von dem unverzögerten, unverstärkten Signalabtastwert subtrahiert, der die Signale a + cdarstellt.Therefore, the speech transmitted to the loudspeaker 1 is continuously analyzed to convert it into one to extract optimal delay parameters and a gain factor. These parameters are periodically, for example every 5rns up to date Stand brought. If there is no incoming speech signal at loudspeaker 1, there is a delay and gain zero. In the case of an incoming signal, the calculated current signal output value is used of the prediction circuit 11 is subtracted from the undelayed, unamplified signal sample which the Represents signals a + c.
Die Rückumwandlung in die analoge Form des Signals in der Ausgangsschaltung des Mikrofons 2 erfolgt in einem Digital-/Analogwandler 1OAThe reconversion into analog form of the signal in the output circuit of the microphone 2 takes place in a digital / analog converter 1OA
Das in F i g. 3 dargestellte und oben beschriebene Filter hat eine Übertragungsfunktion in Z-Transformationsschreibweise. The in Fig. The filter shown in FIG. 3 and described above has a transfer function in Z transform notation.
H(Z) = \-bZ-H (Z) = \ -bZ-
(3)(3)
Die Größe der Frequenzabhängigkeit einer typischen Ausführungsform des Filters 9 ist in F i g. 5 dargestellt, in der eine Vorhersageschaltung 11 verwendet wird, und T die Abtastperiode angibt.The magnitude of the frequency dependence of a typical embodiment of the filter 9 is shown in FIG. 5, in which a prediction circuit 11 is used and T indicates the sampling period.
Die Frequenzabhängigkeit für Verstärkungsparameter bs 1 wird durch den ausgezogenen Kurvenverlauf und für Verstärkungsparameter b> 1 durch gestrichelte Linien dargestellt. Da die Sprache während der Intonisation dynamisch ist, müssen die Parameter 6 und k. wie oben festgestellt wurde, optimal gewählt und periodisch, beispielsweise alle 5 ms, auf den neuesten Stand gebracht werden.The frequency dependency for gain parameter bs 1 is shown by the solid curve and for gain parameter b> 1 by dashed lines. Since speech is dynamic during intonation, parameters 6 and k. as stated above, optimally selected and periodically updated, for example every 5 ms.
Die Filterung der Eingangssprache mit Hilfe der errechneten Parameter führt während der Intonisation zu einer Unterdrückung bis zu 30 dB während des Vorliegens stimmhafter Sprachabschnitte des unerwünschten Signals c und zu einer mittleren Unterdrükkung von etwa 14 dB des unerwünschten Signals c. The filtering of the input speech with the help of the calculated parameters leads to a suppression of up to 30 dB during the intonation during the presence of voiced speech segments of the undesired signal c and to a mean suppression of about 14 dB of the undesired signal c.
Die errechneten Parameter b und it verändern sich bezüglich der Zeit nicht sanft. Die optimale Verzögerung verdoppelt sich gelegentlich während stimmhafter Sprachabschnitte. Auch während stimmloser Sprachabschnitte verändert sich die optimale Verzögerung über einen weiten Bereich, während die Korrelation relativ niedrig bleibt. Die errechneten Verstärkungen sindThe calculated parameters b and it do not change smoothly with respect to time. The optimal delay occasionally doubles during voiced speech segments. Even during unvoiced speech sections, the optimal delay changes over a wide range, while the correlation remains relatively low. The calculated gains are
fan jedoch während dieser stimmlosen Sprachabschnitte nicht vernachlässigbar.fan during these voiceless speech sections not negligible.
Die gewünschte Sprache a, die bezüglich des unerwünschten Signals α das unterdrückt werden soll, nicht korreliert ist. wird gedämpft wenn es durch einThe desired language a, which is to be suppressed with regard to the undesired signal α, is not correlated. is dampened when it is through a
bi Filter übertragen wird, das diese schnell veränderlichen Filterparameter besitzt während unter solchen Bedingungen keine zusätzliche Unterdrückung des unerwünschten Sprachsignals erfolgtbi filter is transmitted that they change quickly Filter parameter has no additional suppression of the undesired while under such conditions Speech signal takes place
Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, wird eine Logikschaltung eingebaut, um unerwünschte Veränderungen der Filterparameter b und k zu verhindern. Es wurde festgestellt, daß keine allzu große Unterdrückung erzielt wurde, wenn die Korrelation X/, kleiner als 0,85 war. Daher wird die Verstärkung b für Λ*<0,85 gleich null gesetzt. Dieses erfolgt durch eine Parametersteuerschaltung 19 in Fig. 1, die b für A"i<0,85 gleich null setzt. Die Wahl von Xk stellt einen Kompromiß dar zwischen einem größtmöglichen und einem ausreichend kleinen Wert, so daß alle stimmhaften Sprachabschnitte unterdrückt werden. Die resultierende Unterdrückung während der Intonisation ist unverändert, während die Dämpfung eines zweiien Sprachsignals verringert wird. F ι g. 6 zeigt die Verhinderung des Verzögerungsparameters k während eines typischen stimmhaften Sprachabschnittes. In order to avoid these difficulties, a logic circuit is built in to prevent undesired changes in the filter parameters b and k . It was found that the suppression was not too great when the correlation X / i was smaller than 0.85. Therefore, the gain b is set equal to zero for Λ * <0.85. This is done by a parameter control circuit 19 in FIG. 1, which sets b for A ″ i <0.85 equal to zero. The choice of X k represents a compromise between a maximum possible and a sufficiently small value so that all voiced speech segments are suppressed The resulting suppression during intonization is unchanged, while the attenuation of a two speech signal is reduced. FIG. 6 shows the prevention of the delay parameter k during a typical voiced speech segment.
Da die Parameter b und k sich während stimmhafter Sprachabschnitte relativ langsam verändern, ist das Vorhersagefilter 9 effektiv bei der Entfernung eines Teils des reflektierenden Signals, wie auch des direkten. Speziell der Teil des reflektierten Signals, dessen Parameter nicht zu sehr von den Filterparametern abweicht, wird in der Amplitude verringert.Since the parameters b and k change relatively slowly during voiced speech segments, the prediction filter 9 is effective in removing part of the reflective signal as well as the direct one. In particular, that part of the reflected signal whose parameters do not deviate too much from the filter parameters is reduced in amplitude.
Bei der obigen Erläuterung der Erfindung wurde angenommen, daß bei handfreien Fernsprechapparaten Lautsprecher 1 und Mikrofon 2 nicht getrennt voneinander angeordnet waren. In der Praxis jedoch wird eine beträchtliche Übergangszeit für das Wandern des Signals c längs des Weges 6 zu dem Mikrofon 2 benötigt. Es ist daher erforderlich, in dem Sprachverarbeitungsnetzwerk 8 die Lautsprecher-Mikrofonübergangszeit zu kompensieren. Dieses erfolgt mittels der Parameterverzögerungsschaltung 19A die in Reihe zwischen dem Ausgang der Parametersteuerung 19 und dem Vorhersagefilter 9 eingeschaltet ist. Die Parameter-Verzögerungsschaltung 19/4 ist vorteilhafterweise mit einer Einstellschaltung 19ß für die Dauer der Verzögerung ausgestattet, mit deren Hilfe eine Verzögerung eingestellt werden kann, die der Übergangszeitchrakteristik jedes gegebenen handfreien Fernsprechapparates entspricht.In the above explanation of the invention it was assumed that in hands-free telephones loudspeaker 1 and microphone 2 were not arranged separately from one another. In practice, however, a considerable transition time is required for the signal c to travel along the path 6 to the microphone 2. It is therefore necessary to compensate for the loudspeaker-microphone transition time in the speech processing network 8. This takes place by means of the parameter delay circuit 19A which is connected in series between the output of the parameter control 19 and the prediction filter 9. The parameter delay circuit 19/4 is advantageously equipped with a setting circuit 19β for the duration of the delay, with the aid of which a delay can be set which corresponds to the transition time characteristics of any given hand-free telephone set.
Die Fig. 7 und 8 zeigen die Kombination eines Vorhersagefilters mit einer Echounterdrückungsschalter-Mittenklippung gemäß der Deutschen Patentanmeldung P 21 56 641.2. Diese Kombination stellt einen möglichen Ersatz für Sprachumschaltung dar. die gegenwärtig für die Echo- und Rückkopplungsunterdrückung verwendet wird.Figures 7 and 8 show the combination of a prediction filter and echo canceller center clipping according to the German patent application P 21 56 641.2. This combination creates one possible substitute for language switching. those currently used for echo and feedback suppression is used.
F i g. 7 zeigt ein mit 50 bezeichnetes Netzwerk für die Beseitigung des Echos eines fernen Sprechers bei einem handfreien 4-Draht-Fernsprechapparat. In dieser Figur bezeichnen gleiche Nummern solche Bauteile, die den g'cicheri Bauteilen in den Fig. J—3 entsprechen. Das ferne Echo, das durch das Mikrofon 2 von dem Lautsprecher 1 aufgenommen wird, wird zuerst in seiner Amplitude während stimmhafter Sprachabschnitte von dem Sprachverarbeitungsnetzwerk 8 in der zuvor erläuterten Weise verringert Verstärkungs- und Verzögerungsparameter b und k des fernen Sprachsignals werden bezüglich des empfangenen Lautsprechersignals gemessen und die ferne Echokomponente des Mikrofonsignals durch die Filterung reduziert. Das übrig bleibende Ferne Signal am Ausgang des Sprachverarbeitungsnetzwerks 8 wird dann von dem Echounterdrücker mit Mittenklippung entfernt.F i g. Figure 7 shows a network, designated 50, for the removal of echo from a distant speaker in a 4-wire hands-free telephone set. In this figure, like numbers designate those components which correspond to the g'cicheri components in FIGS. The distant echo picked up by the microphone 2 from the loudspeaker 1 is first reduced in its amplitude during voiced speech segments by the speech processing network 8 in the manner explained above. Gain and delay parameters b and k of the distant speech signal are measured with respect to the received loudspeaker signal and reducing the far echo component of the microphone signal by the filtering. The remaining far signal at the output of the speech processing network 8 is then removed by the echo canceller with center clipping.
Wie in der oben genannten deutschen Patentanmeldung beschrieben wurde, wird nun das empfangene Signal dazu benutzt, die Klipp-Niveaus mit Hilfe der Klippungssteuerung 22 so einzustellen, daß sie gerade das Echo beseitigen. Das Ausgangssignal des Digital-/ Analogwandlers MM wird zu der Filterbank 40 übertragen, die mehrere aneinandergrenzende Bandfilter im Sprachfrequenzbereich enthält. Im Mittenklipper 41 wird das Signal in jedem Unterband des Filters 40 bei einem Niveau mittengeklippt, das von der Klippersteuerung 22 bestimmt wird und das das Energieniveau inAs described in the above-mentioned German patent application, the received Signal is used to adjust the clipping levels by means of the clipping control 22 so that they are straight eliminate the echo. The output signal of the digital / analog converter MM is sent to the filter bank 40 transmitted, which contains several contiguous band filters in the voice frequency range. In the middle clipper 41, the signal in each sub-band of filter 40 is center-clipped at a level determined by the clipper control 22 is determined and that the energy level in
ίο dem empfangenen Signal innerhalb jedes Unterbandes mißt. Das Ausgangssignal des Klippers 41 wird in der Filterbank 42 gefiltert, die einen ähnlichen Aufbau wie die Filterbank 40 besitzt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Klippersteuerung 22 in vorteilhafter Weise ebenfalls von dem Parameterextraktor 14 gesteuert. Da das Echo von dem Vorhersagefilter 9 während der Intonisation verringert wird, können die Klippniveaus um im wesentlichen den gleichen Betrag während der Intonisation verringert werden. Daher ist in F i g. 7 ein Steuersignal dargestellt, (gestrichelte Leitung) zwischen dem Parameterextraktor 14 und der Klippersteuerung 22, das eine Dämpfung des Eingangssignals zur Klipperniveausteuerung 22 bewirkt, die gleich der von dem Sprachverarbeitungsnetzwerk 8 erzielten Unterdrückung ist.ίο the received signal within each sub-band measures. The output signal of the clipper 41 is filtered in the filter bank 42, which has a similar structure to the filter bank 40 has. In this embodiment, the clipper controller 22 becomes more advantageous Way also controlled by the parameter extractor 14. Since the echo from the prediction filter 9 As the intonation is decreased, the clip levels can be increased by substantially the same amount can be decreased during intonation. Therefore, in FIG. 7 shows a control signal (dashed Line) between the parameter extractor 14 and the clipper control 22, which causes an attenuation of the input signal to the clipper level control 22, the is equal to the suppression achieved by the speech processing network 8.
Das optimale Arbeiten der KlipperniveausteuerungThe optimal working of the clipper level control
22 kann verwirklicht werden, wenn eine Verzögerung in ihren Eingangspfad eingefügt wird, um die bereits erwähnte Signalübergangszeit zwischen Lautsprecher 122 can be realized if a delay is inserted into its input path by the amount already mentioned signal transition time between loudspeaker 1
jo und Mikrofon 2 zu kompensieren. Mit auf diese Weise während stimmhafter Sprachabschnitte reduzierten Klippungsniveaus wird eine geringere Verstümmelung der Sprache am nahen Ende durch den Mittenklippungsprozeß erzielt. F i g. 8 zeigt eine Schaltung für die Eliminierung sowohl des Nahendechos (Echo des fernen Sprechers, bewirkt von der akustischen Kopplung durch die Raumakustik) als auch des nahen Echos (Echo des nahen Sprechers, bewirkt durch eine ungenügende Rückhördämpfungsschaltung) bei einem handfreien 2-Draht-Fernsprechapparat. Das ferne Echo wird von dem Netzwerk 50 in der oben im Zusammenhang mit F i g. 7 beschriebenen Weise eliminiert. Das nahe Echo wird von einer ähnlichen Schaltung 51 eliminiert, die auf der Empfangsseite des örtlichen 4-Draht-Netzwerkes eingeschaltet ist, wie die Figur zeigt.jo and microphone 2 to compensate. With this way during voiced sections of speech, reduced levels of clipping become less mutilated the near end of the language is achieved through the center clipping process. F i g. 8 shows a circuit for the Elimination of both the near end echo (echo of the distant speaker, caused by the acoustic coupling through the room acoustics) as well as the close echo (echo of the close speaker, caused by an insufficient Hearing loss circuit) in a hands-free 2-wire telephone set. The distant echo is from the network 50 in the above in connection with FIG. 7 is eliminated. The close echo is eliminated by a similar circuit 51, which is on the receiving side of the local 4-wire network is turned on, as the figure shows.
Ein alternatives Verfahren zur Einstellung der Klipper-Niveausteuerung durch den Parameterextraktor
14 über die Parameterverzögerungsschaltung 19/4 ist in der Schaltung 51 gezeigt Ein zweites Vorhersageso
filter 9Λ dient in der Schaltung 51 zur Dämpfung der Signale der Klippemiveausteuerung während stimmhafter
Sprachsignale Daher folgen die Klipperpegel dem Signal am Eingang des Schmalband-Mittenklippers, d.h.
an dem Ausgang des Vorhersagefihers 9A
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gestattet die Unterdrückung des Sprachsignals eines von zwei Sprechern in
einem Raum. F i g. 9 zeigt die erwünschte SprachquelleAn alternative method for setting the clipper level control by the parameter extractor 14 via the parameter delay circuit 19/4 is shown in the circuit 51. A second prediction filter 9Λ is used in the circuit 51 to attenuate the signals of the clip level control during voiced speech signals.Therefore, the clipper levels follow the signal at the entrance of the narrowband mid-clipper, that is to say at the exit of the predictor 9A
Another embodiment allows the suppression of the speech signal of one of two speakers in a room. F i g. 9 shows the desired language source
23 und eine unerwünschte Sprachquelle 24, während beide Sprachsignale das Eingangssignal für die Mikrofo-23 and an unwanted voice source 24, while both voice signals are the input signal for the microphone
bo ne 25 und 26 bilden. Die unerwünschte Quelle 24 ist so angeordnet, daß Zeitverzögerungen für die direkte Klangübertragung zu den Mikrofonen 25 und 26 gleich sind. Im Ausgangskreis des Mikrofones 25 befindet sich, wie F i g. 2 zeigt, das Vorhersagefilter 9, das bereitsform bo ne 25 and 26. The unwanted source 24 is like this arranged that time delays for the direct sound transmission to the microphones 25 and 26 are the same are. In the output circuit of the microphone 25 is like F i g. 2 shows the prediction filter 9 that has already been
b5 früher erläutert wurde. Die Vorhersageschaltung 11 in Fi g. 3 wird von einem 2-Mikrofon-Parameterextraktor 30 gesteuertb5 was explained earlier. The prediction circuit 11 in Fi g. 3 is from a 2 microphone parameter extractor 30 controlled
Zwei Signale. \V„ vom Mikrofon 25 und Wn vomTwo signals. \ V " from microphone 25 and W n from
Mikrofon 26, treten in den Parameterextraktor 30 ein, in dem eine Rechenschaltung die folgenden Rechenwerte errechnet:Microphone 26, enter the parameter extractor 30, in which an arithmetic circuit carries out the following arithmetic values calculated:
(4)(4)
η = 0η = 0
"'" S W"'" S W
(5)(5)
Ein Spitzenwertselektionsnetzwerk innerhalb des Extraklors wählt dann die Spilzenwefte von Xj und Yj aus, und ein Vergleicher findet den größten Spitzenwert, der in beiden Folgen Xj und Y1- für den gleichen Wert von j auftritt. Der Wert von j ist der Verzögerungsparameter k für das unerwünschte Sprachsignal, das zu dem Vorhersagefilter 9 übertragen wird.A peak selection network within the extraclor then selects the mushrooms of Xj and Yj , and a comparator finds the largest peak that occurs in both sequences Xj and Y 1 - for the same value of j . The value of j is the delay parameter k for the undesired speech signal which is transmitted to the prediction filter 9.
1010
Ein alternatives Verfahren für die Extraktion der Parameter ist in Fig. 10 dargestellt. Zwei zusätzliche Mikrofone 27 und 28 sind so angeordnet, daß die Verzögerungszeiten des erwünschten Sprachsignals 24 für die direkte Tonübertragung zu den Mikrofonen 27 und 28 gleich den Zeitverzögerungen zu den Mikrofonen 25 und 26 sind. Die Ausgangssignale aller Mikrofone 25 bis 28 werden von einem bekannten, nicht-linearen Verarbeiter 31 verarbeitet.An alternative method for the extraction of the parameters is shown in FIG. Two additional Microphones 27 and 28 are arranged so that the delay times of the desired speech signal 24 for the direct sound transmission to the microphones 27 and 28 equal to the time delays to the microphones 25 and 26 are. The output signals of all microphones 25 to 28 are from a known, non-linear Processor 31 processed.
Das Ausgangssignal des Verarbeiters 31 enthält das unerwünschte Signal und eine gedämpfte und gestörte Komponente des gewünschten Signals. (Die Ausgangssignale können alternativ addiert werden, um bloß das gewünschte Signal zu dämpfen). Das Ausgangssignal des nicht-linearen Verarbeilers 31 wird zu dem Sprachverarbeitungsnetzwerk 8 übertragen, welches das unerwünschte Sprachsignai 24 in der bereits beschriebenen Weise ausfiltert. Das Vorliegen eines geringen Betrages eines Sprachsignals am Ausgang des nicht-linearen Verarbeiters 31 beeinflußt den Verzögerungsparameter k nur gering, er führt jedoch zu einem kleinenFehler bei der Auswertung von Xk und b. The output of the processor 31 contains the undesired signal and an attenuated and disturbed component of the desired signal. (The output signals can alternatively be added to merely attenuate the desired signal). The output signal of the non-linear processing distributor 31 is transmitted to the speech processing network 8, which filters out the undesired speech signal 24 in the manner already described. The presence of a small amount of a speech signal at the output of the non-linear processor 31 has only a slight effect on the delay parameter k , but it leads to a small error in the evaluation of Xk and b.
Hierzu 4 Blatt ZeichnungenFor this purpose 4 sheets of drawings
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