DE2432371A1

DE2432371A1 - Sprachsignal-verarbeitungsanordnung

Info

Publication number: DE2432371A1
Application number: DE19742432371
Authority: DE
Inventors: Philip Walter Denby; Gary James Foster; Alan Victor Mayhew
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1973-07-06
Filing date: 1974-07-05
Publication date: 1975-02-27
Also published as: FR2236320B3; SE7408878L; IT1014479B; FR2236320A1

Description

PatentanwöTta
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Dlpl-Ing. K. LA\i P^iETCHT O / O O O Π Λ

Dr.-lng. R. BEETZJr, Ä «♦ O £ O / I

β Manchen 22, Sieinedorftrtr. 14

293-22.877P 5. 7. 197²*

The Secretary of State for Defence in Her Britannic Majesty's Government of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, Whitehall, London (Großbritannien)

Sprachsignal-Verarbeitungsanordnung

Die Erfindung betrifft eine Sprachsignal Verarbeitungsanordnung mit automatischer Geräuschsperre, insbesondere zum Verarbeiten von Sprachsignalen, die bei starkem Umgebungsgeräusch erzeugt werden und deren Stärke sich über einen längeren Zeitraum stark ändert.

Eine Bordsprechanlage muß häufig in einer Umgebung verwendet werden, die ein starkes Geräusch oder Rauschen erzeugt. Zum Beispiel kann der Umgebungsgeräuschpegel in einem Flugzeug während

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4es Abhebens oder bei Niedrigflug in derselben Größe wie der Pegel eines Sprachsignals sein, das über die Bordsprechanlage übertragen werden soll. Das in die Sprechanlage eingespeiste Geräusch soll so klein wie möglich sein, da es sich zu dem bereits vorhandenen hohen Geräusch addiert, dem das Bedienungspersonal der Anlage ausgesetzt ist. Eine einem hohen Geräuschpegel ausgesetzte Person versucht laut zu sprechen, so daß die Bordsprechanlage übersteuert wird, wenn diese einen begrenzten Aussteuer bereich hat, weshalb die Verständlichkeit weiter verringert wird. Somit besteht der Wunsch nach einem Verfahren zum Begrenzen des Geräusches in der Bordsprechanlage. Bei einem Verfahren wird dazu eine Geräuschsperre verwendet, die die Bordsprechanlage abschaltet, wenn kein Sprachsignal vorhanden ist, so daß bei Sprechpausen kein Geräusch übertragen werden kann. Eine bereits entwickelte sprachgesteuerte oder sprechpausenausgelöste Geräuschsperre läßt nur jene Signale ungehindert durch, deren mittlerer Pegel über einem vorbestimmten Schwellenwert liegt, während jene Signale, deren mittlerer Pegel unter diesem Schwellenwert liegt, gesperrt werden. Eine derartige Geräuschsperre kann Sprachsignale mit niedriger Amplitude entfernen. Wenn der Geräuschpegel verhältnismäßig konstant ist, -läßt sich ein optimaler Schwellenwert finden, der so viel Geräusch wie möglich entfernt, ohne daß zuviel Information über das Sprachsignal verlorengeht. In einem Flugzeug jedoch und in vielen anderen Fällen kann sich der Geräuschpegel stark ändern: während des Abhebens ist er hoch und beim Fliegen in großer Höhe niedrig. In einer normalen Geräuschsperre ist der Schwellenwert verhältnismäßig tief eingestellt, so daß die Geräuschsperre während Geräuschspitzen sogar bei Abwesenheit eines Sprachsignals Geräusch über die Anlage überträgt. Wenn der Schwellenwert der Geräuschsperre andererseits hoch genug eingestellt ist, um Durchschlagen von Geräusch

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während Spitzen im Geräuschsignal zu verhindern, werden möglicherweise einige Phoneme des Sprachsignals unterdrückt, so daß besondere Anstrengungen erforderlich sind, um die Verständlichkeit sicherzustellen,· dadurch entstehen unnötige Schwierigkeiten, wenn der Geräuschpegel niedrig ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine neue und verbesserte sprachgesteuerte Geräuschsperre anzugeben.

Diese Aufgabe wird für eine elektronische Signalverarbeitungsanordnung mit einem Eingang und einem Ausgang, einer Geräuschsperre zwischen Ein- und Ausgang, einem Empfänger für ein Eingangssignal aus Geräusch und intermittierender Sprache, um daraus ein erstes und ein zweites Signal abzuleiten, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das erste Signal ein höheres Sprache-Geräusch-Verhältnis als das zweite Signal aufweist, und daß ein Vergleicher das erste und das zweite Signal aufnimmt und ein Steuersignal an die Geräuschsperre derart abgibt, daß die Sperrwirkung der. Geräuschsperre wirkungslos ist, wenn die Amplitude des ersten Signals um einen vorbestimmten Wert größer ist als die Amplitude des zweiten Signals.

Das erste und das zweite Signal können durch Bandpaßfilterung des Eingangssignals abgeleitet sein. Andernfalls kann entweder das erste oder das zweite Signal das Eingangssignal sein und das andere Signal durch Bandpaßfilterung daraus abgeleitet sein.

Um ein Abschneiden von Wortendungen von Wörtern im Sprachsignal zu verhindern, kann ein Verzögerungsglied vorgesehen sein, das die erneute Sperrwirkung der Geräuschsperre um eine vorbestimmte

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Zeitdauer verzögert, nachdem ein Sperrsignal vorbei ist.

Der Signalvergleicher enthält vorteilhafterweise Spitzenwertsignalfolger, die das ankommende erste und zweite Signal an die Eingänge des Vergleiches derart anschließen, daß dieser verhältnismäßig schnell auf ein ansteigendes Signal und verhältnismäßig langsam auf ein abfallendes Signal anspricht.

In einer Weiterbildung der Erfindung kann die Signalverarbeitungsanordnung vorteilhaft einen Verstärker mit automatischer Verstärkungsregelung vor der Geräuschsperre enthalten, der durch ein Eingangssignal derart gesteuert ist, daß die Gesamtverstärkung des Verstärkers verringert wird, wenn ein Signal mit hoher Amplitude ankommt, während die Verstärkung vergrößert wird, wenn ein Signal mit niedriger Amplitude empfangen wird. Die Wirkung des Verstärkers mit automatischer Verstärkungsregelung besteht darin, den Dynamikbereich der eingespeisten Signale zu verringern, so daß eine Bordsprechanlage mit kleinerem Dynamikbereich verwendet werden kann.

Ein weiterer Vorteil des Verstärkungsreglers besteht darin, daß er schnell auf Signale mit ansteigender Amplitude und verhältnismäßig langsam auf Signale mit abnehmender Amplitude anspricht. Mit anderen Worten: Der Verstärker mit automatischer Verstärkungsregelung enthält einen Verstärkungsregelkreis mit kurzer Anstiegszeit und langer Abfallzeit.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Signalverarbeitungsanordnung,

Fig. 2 Frequenz-Amplituden-Spektren typischer Sprach- und Geräuschsignale, die die Verarbeitungsanordnung nach Fig. 1 in vorteilhafter Weise abändert, und

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Sprachsignalverarbeitungsanordnung zwischen dem elektrischen Ausgang eines Mikrofons und dem Eingang einer Flugzeug-Bordsprechanlage.

Fig. 1 zeigt einen Signaleingang, der an Eingänge von Verstärkung-Eins-Verstärkern 1, 3 bzw. 5 angeschlossen ist, deren Ausgänge wiederum jeweils an einen Eingang einer Geräuschsperre 7, eines Bandpaßfilters 9 bzw. eines Bandpaßfilters 11 angeschlossen sind. Das Ausgangssignal des Bandpaßfilters 11 stellt über einen Spitzenwertdetektor 15 und einen Verstärker 17 ein erstes Eingangssignal für einen Spannungsvergleicher 13 dar. Ein zweites Eingangssignal des Spannungsvergleichers 13 wird über einen Spitzenwertdetektor 19 aus dem Bandpaßfilter 9 gewonnen. Das Ausgangssignal des Spannungsvergleichers 13 ist an einen Steuereingang der Geräuschsperre 7 angeschlossen, deren Ausgangssignal gleichzeitig das Ausgangssignal der Verarbeitungsanordnung ist.

Die Bandpaßfilter 9 und 11 sind derart aufgebaut, daß bandpaßgefilterte Anteile des Eingangssignals passieren können, wobei die Mittenfrequenz der Bandpaßfilter derart gewählt ist, daß das Bandpaßfilter 9 ein Signal übertragen kann, das aus einem größeren Verhältnis Sprachsignal zu Geräuschsignal besteht als das Signal, das durch das Bandpaßfilter 11 übertragen werden kann. Die Spitzenwertdetektoren 15

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und 19 erzeugen eine positive Ausgangsspannung, die proportional ist zu den aufgenommenen Signalspitzenwerten, und deren Wert langsam abnimmt, wenn die Eingangssignale kleiner werden. Somit erzeugen die Spitzenwertdetektoren, die auf jede Zunahme der Signalleistung schnell ansprechen, Ausgangssignale, die ein Maß für die Amplituden der Ausgangssignale der Bandpaßfilter sind. Das Ausgangssignal des Spitzenwertdetektors 15 wird durch den Verstärker 17 verstärkt, der dem Ausgangssignal noch eine Zusatzspannung +^V hinzufügt. Die Spannungsverstärkung des Verstärkers 17 ist derart gewählt, daß die Ausgangsspannung des Spitzenwertdetektors 19 im wesentlichen gleich der Ausgangs spannung des Verstärkers 17 abzüglich der Offset-Spannung von + 6 V bleibt, wenn nur ein Geräuschsignal am Eingang der Verarbeitungsanordnung vorhanden ist.

Der Spannungsvergleicher 13 erzeugt ein Ausgangssignal zum Unterdrücken der Sperrwirkung der Geräuschsperre-7 immer dann, wenn die Spannung seines Eingangssignals aus dem Spitzenwertdetektor 19 größer als jene aus dem Verstärker 17 ist, und erlaubt ein normales Arbeiten der Geräuschsperre 7, wenn diese Bedingung nicht zutrifft.

Die Arbeitsweise der Anordnung wird nun genauer anhand der Fig. 2 beschrieben, die die Verteilung der mittleren Amplitude über der Frequenz zeigt, und zwar für Sprache (Vollinie) und für Geräusch (Strichlinie) eines Signals, das die Verarbeitungsanordnung verarbeitet. Frequenzen f. bzw. f^ sind die ausgewählten Mittenfrequenzen der Bandpaßfilter 9 bzw. 11. Die entsprechenden Amplituden A und A der bandpaßgefilterten Signale an den Ausgängen der Bandpaßfilter 9 und 11 sind dann:

A₁ = ^U₁N + b₂S),

b₂S),

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mit: a , a , b und b = zu den Spektralamplituden bei den Frequenzen f und f gehörende Konstanten.

Die Kontanten k und k sind Maßstabsfaktoren, die für eine beliebige Dämpfung und Bandbreite der Bandpaßfilter gelten. S und N stellen die Leistungen des Sprach- und des Geräuschsignals im ursprünglichen Signal dar; sie können sich unabhängig voneinander ändern.

Die Ausgangsspannungen V und V der Spitzenwertdetektoren 19

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und 15 hängen mit den Amplituden der Bandpaßfilter-Ausgangssignale über folgende Gleichungen zusammen:

^V2 ^{= kA}2 ^{= k}2 (a_oN ₊h S),

mit: k = konstant,

- ^kki'

Die Verstärkung G des Verstärkers 17 ist vorzugsweise derart eingestellt, daß bei S = O V = GV ist, d. h. bei Vorhandensein nur

1 Ct

eines Geräuschsignals. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn gilt:

ka

_r ^ki^ai

^k2^a2

Die Eingangsspannungen Vc und Vc des Spannungsvergleichers 13 am Ausgang des Spitzenwertdetektors 19 und des Verstärkers 17 be-

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rechnen sich also zu:

Wie bereits erwähnt, erzeugt der Vergleicher ein Ausgangs signal, das die Sperrwirkung der Geräuschsperre 7 unterdrückt, wenn Vc > Vc ist. Wegen

- Vc₂ = Ic₁ ¹U₁N +^S) - Jc₁ ¹H₁Za₂U₂N + b₂S) -h

~ (ab - a b )S -S
a_o δ 1 1 2.

gilt, wenn b /b größer als a /a_o ist, daß Vc - Vc positiv ist, wenn S einen vorbestimmten Wert übersteigt. Die beschriebene Geräuschsperre arbeitet deshalb ähnlich wie eine bereits entwickelte Geräuschsperre, mit dem wesentlichen Unterschied, daß sie verhältnismäßig unempfindlich bezüglich des vorherrschenden Geräuschpegels ist.

Die Feststellung,daß b.,/b₉ größer sein muß als a /a , ist äquivalent zur Forderung, daß das erste Signal ein größeres Sprache-Geräusch-Verhältnis als das zweite Signal haben muß. Die Beschreibung geht davon aus, daß die Spektralfrequenz-Verteilungen der Signalanteile konstant bleiben, doch trifft dies nicht immer zu. Wenn jedoch die Durchlaßbänder der Filter sorgfältig gewählt sind, arbeitet die Anordnung im wesentlichen wie beschrieben.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer Sprachsignalverarbeitungs-

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anordnung zwischen dem elektrischen Ausgang eines Mikrofons und dem Eingang einer Flugzeug-Bordsprechanlage. Das Schaltbild enthält eine abgeänderte Form der Verarbeitungsanordnung aus Fig. 1.

Das Eingangssignal der Verarbeitungsanordnung zur Aufnahme des elektrischen Ausgangssignals des Mikrofons ist angeschlossen an einen Eingang eines Verstärkers 31 mit automatischer Verstärkungsregelung, an einen Spitzenwertdetektor 32 und an einen Spitzenwertdetektor 33 über ein Bandpaßfilter 34. Der Verstärker 31 mit automatischer Verstärkungsregelung gibt ein Signal an eine Geräuschsperre 35 ab, deren Ausgangssignal das Ausgangssignal der Verar-

beitungsanordnung ist. Getrennte Eingänge eines Spannungsvergleichers 36 nehmen die Ausgangssignale des Spitzenwertdetektors 32 und des Verstärkers 37 auf, dessen Eingang an den Ausgang des Detektors 33 angeschlossen ist. Das Ausgangssignal des Spannungsvergleichers 36 wird über ein Verzögerungsglied 38 als Steuersignal in die Geräuschsperre 35 eingespeist.

Ein normalerweise geöffneter Schalter 39 zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Verarbeitungsanordnung kann geschlossen sein, wenn die Bordsprechanlage ohne die Verarbeitungsanordnung verwendet werden soll, oder um die Verarbeitungsanordnung bei fehlerhaftem Betrieb auszuschalten.

Die Geräuschsperre 35, das Bandpaßfilter 34, der Spannungsvergleicher 36 und die Spitzenwertdetektoren 32 und 33 arbeiten in gleicher Weise wie in der bereits beschriebenen Verarbeitungsanordnung nach Fig. 1, mit der Ausnahme, daß eines der Bandpaßfilter weggelassen und durch eine direkte Verbindung von 32 nach 36 ersetzt ist,

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und daß das verbleibende Bandpaßfilter nur ein Signal durchläßt, das überwiegend Geräusch ist. Die Wahl des Durchlaßbandes für das Filter hängt in bestimmtem Maße von den Eigenschaften des Mikrofons ab, doch wurde in einem Beispiel ein schmales Band mit einer Mittenfrequenz von 1,9 kHz, entsprechend einem Minimum in dem vom Mikrofon übertragenen Sprachspektrum, als geeignet herausgefunden.

Der Verstärker 31 mit automatischer Verstärkungsregelung begrenzt die Amplituden der in die Bordsprechanlage eingespeisten Signale, um eine Übersteuerung zu vermeiden. Dieser Verstärker ist derart aufgebaut, daß seine Verstärkung durch seine empfangenen Signalamplituden gesteuert ist, indem die Verstärkung mit steigender Signalamplitude verringert wird. Infolgedessen erzeugt der Verstärker ein Ausgangssignal mit ziemlich konstanter Amplitude. Der Verstärkungsregelkreis des Verstärkers mit automatischer Verstärkungsregelung hat für Signale mit steigender Amplitude vorzugsweise eine kleine Einschwingzeit, dagegen eine große Abfallzeit, wenn ein Signal großer Amplitude übertragen wurde. Der Verstärker spricht deshalb im Betrieb auf Signale mit steigender Amplitude schnell an, indem er seine Verstärkung verringert, so daß sein Ausgangssignal ziemlich amplitudenkonstant bleibt. Wenn das Sprachsignal abklingt, nimmt die Verstärkung des Verstärkers langsam zu, so daß nach einer kurzen Zeitdauer das Geräuschsignal am Ausgang ansteigt. Danach spricht die Geräuschsperre an, wodurch das Mikrofon von der Bordsprechanlage entkoppelt wird, bis ein weiteres Sprachsignal ankommt. Das Verzögerungsglied 38 unterdrückt die Wirkung der Geräuschsperre 35 für eine vorbestimmte Zeitdauer nach dem Ende eines Sprachsignals und verhindert somit das Abschneiden der Enden von Sprachsilben. Die Zeitdauer, während der das Verzögerungsglied arbeitet, ist klei-

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ner als diejenige Zeit gewählt, die die Verstärkung des Verstärkers 31 mit automatischer Verstärkungsregelung benötigt, um ihren Endwert zu erreichen, so daß nur ein sehr geringer Anteil des Geräuschsignals über die Bordsprechanlage übertragen wird, bevor sie durch die Geräuschsperre entkoppelt wird. Der Verstärker 31 kann z. B. wie ein in der GB-PS 1 320 910 beschriebener Verstärker aufgebaut sein.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Geräuschsperre ein elektrisch betätigter Schalter.

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Claims

Patentanspräche

l) Elektronische Signalverarbeitungsanordnung mit einer sprachgesteuerten Geräuschsperre,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Geräuschsperre durch einen Vergleicher (13, 36) steuerbar ist, der die Amplituden von zwei aus einem Eingangssignal abgeleiteten Signalen mit unterschiedlichem Sprache-Geräusch-Verhältnis vergleicht (Fig. 1, 3).
2. Signalverarbeitunqsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der beiden Signale aus dem Eingangssignal bandpaßgefiltert ist.
3. Signalverarbeitungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Verzögerungsglied (38) zwischen dem Vergleicher und der Geräuschsperre.
4. Signalverarbeitungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Signale den Vergleicher über Spitzenwertsignalfolger (15, 19; 32, 33) speisen (Fig. 1,- 3).
5. Signalverarbeitungsanordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Verstärker (31) mit automatischer Verstärkungsregelung

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vor der Geräuschsperre, wobei der Verstärkungsregelkreis verhältnismäßig schnell auf ein Signal mit ansteigender Amplitude und verhältnismäßig langsam auf ein Signal mit abfallender Amplitude anspricht .

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