DE3925589C2 - Method and arrangement for the elimination of interference from speech signals - Google Patents

Method and arrangement for the elimination of interference from speech signals

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Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Störbefreiung von Sprachbefehlen nach der Gattung des Hauptanspruchs und umfaßt ferner eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.The invention is based on a method for interference-free speech commands according to the preamble of the main claim and further comprises an arrangement to carry out the method according to the invention.

Zur Erkennung von Sprache sind verschiedene Verfahren bekannt, bei denen jedoch die Erkennungssicherheit durch Hintergrundgeräusche beeinträchtigt wird. Derartige störende Schallereignisse treten beispielsweise in einem fahrenden Kraftfahrzeug auf, in welchem außerdem noch das Autoradio eingeschaltet ist.Various methods are known for recognizing speech, in which however, the detection reliability is impaired by background noise becomes. Such disturbing sound events occur, for example, in one moving motor vehicle, in which also the car radio is switched on.

Zur Unterdrückung von akustischen Umgebungsgeräuschen ist es aus einem Aufsatz von V.S.Wu in Mitteilungen AGEN Nr. 38, Mai 1984, Seite 3 bis 32 bekannt, adaptive transversale Filter in der im Oberbegriff näher bezeichneten Art einzusetzen. Werden in einem Kraftfahrzeug Sprachbefehle gegeben, z. B. zur Steuerung des Autoradios, dann treten zusätzliche Schwierigkeiten auf, denn zum einen verstärken die vom Lautsprecher wiedergegebenen Töne die Umgebungsgeräusche, zum anderen können die Befehlswörter auch in der vom Lautsprecher wiedergegebenen Sendung auftreten.To suppress acoustic ambient noise, it is made of one Article by V.S.Wu in Mitteilungen AGEN No. 38, May 1984, pages 3 to 32 known, adaptive transverse filters in the specified in the preamble Kind of use. If voice commands are given in a motor vehicle, e.g. B. to control the car radio, then additional difficulties arise on, because on the one hand amplify the reproduced by the speaker Sounds the ambient noise, on the other hand, the command words can also in of the program played by the loudspeaker.

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die hierdurch entstehenden zusätzlichen Probleme einer Lösung zuzuführen.The object of the present invention was to create the resultant to solve additional problems.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß die durch die Lautsprechersignale auftretenden zusätzlichen Schallereignisse mit hoher Sicherheit aus dem zu erkennenden Signal ausgeblendet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gekennzeichnet. The inventive method has the advantage that through the speaker signals occurring additional sound events with high security are hidden from the signal to be recognized. The invention Method is characterized by the features of claim 1.  

Die Sicherheit, daß keine Fehlbedienungen der Erkennungsschaltung durch in vom Lautsprecher wiedergegebene Sendungen enthaltenen Befehlsworte entstehen, wird bereits durch eine Anordnung entsprechend dem Anspruch 4 gewährleistet.The certainty that no misuse of the detection circuit by in Command words contained by the loudspeaker are reproduced, is already guaranteed by an arrangement according to claim 4.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:An embodiment of the invention is in the drawing represented with several figures and in the following Description explained in more detail. It shows:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung in einem Kraftfahrzeug und Fig. 1 is a schematic representation of an arrangement according to the invention in a motor vehicle and

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung. Fig. 2 is a block diagram of an arrangement according to the invention.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.Identical parts are given the same reference symbols in the figures Mistake.

In Fig. 1 sind von einem Kraftfahrzeug lediglich je ein Teil des Fahrgastraums 1 und des Motorraums 2 dargestellt. Ein Mikrofon 3 ist im Fahrgastraum, beispielsweise oberhalb der Windschutzscheibe, angeordnet und nimmt Sprache, Fahrgeräusche und Schall von einem Autoradio 5 auf, der von einem Lautsprecher 4 abgestrahlt wird. Das vom Mikrofon 3 abgegebene Summensignal Σ(t) wird einer Anordnung 6 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zugeführt, an deren Ausgang 7 das weitgehend von Störungen befreite Sprachsignal D2(t) abnehmbar ist. In Fig. 1 only part of the passenger compartment 1 and the engine compartment 2 are shown of a motor vehicle. A microphone 3 is arranged in the passenger compartment, for example above the windshield, and picks up speech, driving noises and sound from a car radio 5 , which is emitted by a loudspeaker 4 . The sum signal Σ (t) emitted by the microphone 3 is fed to an arrangement 6 for carrying out the method according to the invention, at the output 7 of which the speech signal D 2 (t) which is largely free of interference can be removed.

Ein weiteres Mikrofon 8 ist im Motorraum 2 angeordnet, nimmt Fahrgeräusche auf und leitet diese als Signal F(t) an die Anordnung 6 weiter. Schließlich wird das dem Lautsprecher 4 zugeführte Audiosignal als Signal A(t) ebenfalls der Anordnung 6 zugeleitet. Falls keine monaurale Wiedergabe beim Autoradio vorgesehen ist, können mehrere Audiosignale A(t) abgenommen und der Anordnung 6 zugeführt werden.Another microphone 8 is arranged in the engine compartment 2 , picks up driving noises and forwards them as a signal F (t) to the arrangement 6 . Finally, the audio signal fed to the loudspeaker 4 is also fed to the arrangement 6 as signal A (t). If no monaural reproduction is provided on the car radio, a plurality of audio signals A (t) can be picked up and fed to the arrangement 6 .

Bei den folgenden Betrachtungen werden die jeweiligen akustischen und elektrischen Signale gleichgesetzt. Das infolge der Schallabstrahlung des Lautsprechers 4 vom Mikrofon 3 aufgenommene Signal unterscheidet sich vom Signal A(t) durch eine zunächst unbekannte Übertragungsfunktion. Das auf das Mikrofon 3 einwirkende vom Lautsprecher 4 stammende Signal wird daher als A1(t) bezeichnet. In ähnlicher Weise unterscheidet sich das vom Mikrofon 3 aufgenommene Fahrgeräusch F1(t) von dem durch das Mikrofon 8 aufgenommenen Fahrgeräusch F(t). Das Summensignal ergibt sich somit zu Σ(t)=S(t)+F1(t) +A1(t).In the following considerations, the respective acoustic and electrical signals are equated. The signal picked up by the microphone 3 as a result of the sound radiation from the loudspeaker 4 differs from the signal A (t) by an initially unknown transfer function. The signal acting on the microphone 3 and originating from the loudspeaker 4 is therefore referred to as A 1 (t). In a similar manner, the driving noise F 1 (t) picked up by the microphone 3 differs from the driving noise F (t) picked up by the microphone 8 . The sum signal thus results in Σ (t) = S (t) + F 1 (t) + A 1 (t).

Die Anteile des Summensignals F1(t) und A1(t) sind A1(t)=HA×A(t) und F1(t)=HF×F(t), wobei HA und HF die entsprechenden Übertragungsfunktionen sind und x eine Faltung bedeutet.The components of the sum signal F 1 (t) and A 1 (t) are A 1 (t) = H A × A (t) and F 1 (t) = H F × F (t), where H A and H F the corresponding transfer functions are and x means a convolution.

Um die Anteile F1(t) und A1(t) aus dem Summensignal zu entfernen, ist eine Kenntnis der zunächst unbekannten Funktionen HF und HA erforderlich. Hierzu dienen adaptive Filter, die in der Anordnung nach Fig. 2 vorgesehen sind. Die Signale Σ(t) und F(t) werden von den Mikrofonen 3, 8 über geeignete Verstärker 11, 12 und Tiefpaßfilter 13, 14 Analog/Digital-Wandlern 15, 16 zugeführt. Das Audiosignal A(t) wird ebenfalls über ein Tiefpaßfilter 17 einem Analog/Digital-Wandler 18 zugeleitet. Die Tiefpaßfilter begrenzen die Bandbreite der Signale auf einen Wert, der für das nachgeschaltete Spracherkennungssystem notwendig ist. In order to remove the components F 1 (t) and A 1 (t) from the sum signal, knowledge of the initially unknown functions H F and H A is required. Adaptive filters, which are provided in the arrangement according to FIG. 2, are used for this purpose. The signals Σ (t) and F (t) are supplied by the microphones 3 , 8 via suitable amplifiers 11 , 12 and low-pass filters 13 , 14 analog / digital converters 15 , 16 . The audio signal A (t) is also fed via an low-pass filter 17 to an analog / digital converter 18 . The low-pass filters limit the bandwidth of the signals to a value that is necessary for the downstream speech recognition system.

Ein erstes adaptives Filter 19 dient zusammen mit einem Korrelator 20 zur Ableitung des Signals A1(t) aus dem Signal A(t). In einem Subtrahierer 21 wird dann das Signal A1(t) von dem Summensignal Σ(t) subtrahiert, wodurch das Signal D1(t) entsteht.A first adaptive filter 19 , together with a correlator 20, serves to derive the signal A 1 (t) from the signal A (t). In a subtractor 21 , the signal A 1 (t) is then subtracted from the sum signal Σ (t), whereby the signal D 1 (t) arises.

Ein weiteres adaptives Filter 22 und ein Korrelator 23 sind zur Ableitung des Signals F1(t) aus dem Signal F(t) vorgesehen. Mit Hilfe eines weiteren Subtrahierers 24 wird das Signal F1(t) von dem Signal D1(t) subtrahiert. Am Ausgang 7 steht somit das Signal D2(t) zur Weiterleitung an ein Spracherkennungssystem zur Verfügung.Another adaptive filter 22 and a correlator 23 are provided for deriving the signal F 1 (t) from the signal F (t). With the help of a further subtractor 24, the signal F is 1 (t) of the signal D 1 (t) is subtracted. The signal D 2 (t) is thus available at the output 7 for forwarding to a speech recognition system.

Das adaptive Filter 19 ist ein nichtrekursives Filter der Ordnung ungefähr 100 mit der ZielfunktionThe adaptive filter 19 is a non-recursive filter of approximately 100 order with the objective function

Z₁(t) = (Σ(t)-HAZ×A) ∎ A(t) = 0 für HAZ = HA, (1)Z₁ (t) = (Σ (t) -H AZ × A) ∎ A (t) = 0 for H AZ = H A , (1)

wobei ∎ die Korrelationsfunktion bedeutet. Die Zielfunktion nutzt aus, daß für das richtige HAZ das Signal [S(t)+F1(t)] unkorreliert zum Audiosignal A(t) ist.where ∎ means the correlation function. The target function takes advantage of the fact that for the correct H AZ the signal [S (t) + F 1 (t)] is uncorrelated to the audio signal A (t).

Die Berechnung der Filterkoeffizienten im einzelnen kann nach Standardverfahren der digitalen Signalverarbeitung erfolgen, wie sie beispielsweise im Aufsatz "Adaptive Noise Cancelling: Principles and Applications", Proceedings of the IEEE, Vol. 63, No. 12, December 1975, Seiten 1692 bis 1716 beschrieben sind. Die adaptiven Filter und die Korrelatoren können mit geeignet programmierten Signalprozessoren realisiert werden.The calculation of the filter coefficients in detail can according to standard methods of digital signal processing as described in the article "Adaptive Noise Canceling: Principles and Applications ", Proceedings of the IEEE, Vol. 63, No. 12, December 1975, pages 1692 to 1716 are described. The adaptive filters and the correlators can with suitably programmed signal processors will be realized.

Das Ausgangssignal D1(t) des Subtrahierers 21 wird sowohl im Korrelator 20 verwendet als auch dem weiteren Subtrahierer 24 zugeführt. Es ergibt sich zu D1(t)=Σ(t)-HAZ×A(t). The output signal D 1 (t) of the subtractor 21 is both used in the correlator 20 and fed to the further subtractor 24 . The result is D 1 (t) = Σ (t) -H AZ × A (t).

Zur Bestimmung von HF wird das bereits von den Audiosignalen befreite Signal D1(t) verwendet, welches sich aus Fahrgeräusch und Sprache zusammensetzt. Diese sind ebenfalls unkorreliert, so daß sich das für das Audiosignal verwendete Verfahren auch für das Geräuschsignal anwenden läßt. Dabei ist die ZielfunktionTo determine H F , the signal D 1 (t), which is already freed from the audio signals, is used, which is composed of driving noise and speech. These are also uncorrelated, so that the method used for the audio signal can also be used for the noise signal. Here is the objective function

Z₂(t) = [D₁(t)-HFZ×F(t)] ∎ F(t) = 0 für HFZ = HF(t) (2)Z₂ (t) = [D₁ (t) -H FZ × F (t)] ∎ F (t) = 0 for H FZ = H F (t) (2)

Das Ausgangssignal des Subtrahierers 24 wird dannThe output signal of the subtractor 24 is then

D₂(t) = S(t)+(HF-HFZ)×F(t)+[(HA-HAZ)×A(t)]×F(t) (3)D₂ (t) = S (t) + (H F -H FZ ) × F (t) + [(H A -H AZ ) × A (t)] × F (t) (3)

Aus Gleichung (3) ist ersichtlich, daß sich das Ausgangssignal D2(t) umso mehr dem Signal S(t) nähert, je besser die Annäherung von HFZ an HF bzw. HAZ an HA erfolgt. Auch bei einer nicht vollständigen Annäherung erfolgt eine deutliche Reduzierung des Störanteils.From equation ( 3 ) it can be seen that the better the approximation of H FZ to H F or H AZ to H A , the closer the output signal D 2 (t) to the signal S (t). Even if the approach is incomplete, the interference component is significantly reduced.

Claims (8)

1. Verfahren zur Störbefreiung von Sprachbefehlen, die in einem Kraftfahrzeug in ein im akustischen Umfeld eines Lautsprechers befindlichen Befehlsmikrofon gesprochen und in einer Erkennungsschaltung ausgewertet werden, bei dem mit einem an einer vom Sprecher akustisch entkoppelten Stelle angeordneten Kompensationsmikrofon Störgeräusche aufgenommen werden, ein Differenzsignal aus dem adaptiv gefilterten Signal des Kompensationsmikrofons und dem Befehlsmikrofon-Signal gewonnen wird und das Differenzsignal zur Erkennungsschaltung weitergeleitet wird und zugleich das adaptive Filter steuert, dadurch gekennzeichnet,
daß das Eingangssignal des Lautsprechers (4) ein eigenes adaptives Filter (19) durchläuft,
daß ein zweites Differenzsignal aus dem adaptiv gefilterten Eingangssignal des Lautsprechers und dem Signal des Befehlsmikrofons (3) gebildet wird und
daß das zweite Differenzsignal das adaptive Filter (19) in Richtung minimaler Korrelation zwischen dem Eingangssignal und dem zweiten Differenzsignal steuert und aus dem zweiten Differenzsignal und dem gefilterten Signal des Kompensationsmikrofons (8) das erstgenannte Differenzsignal gebildet wird.1.Procedure for interference-free speech commands that are spoken in a motor vehicle in a command microphone located in the acoustic environment of a loudspeaker and evaluated in a detection circuit in which interference signals are recorded with a compensation microphone arranged acoustically decoupled from the speaker, a difference signal from the adaptively filtered signal of the compensation microphone and the command microphone signal is obtained and the difference signal is forwarded to the detection circuit and at the same time controls the adaptive filter, characterized in that
that the input signal of the loudspeaker ( 4 ) passes through its own adaptive filter ( 19 ),
that a second difference signal is formed from the adaptively filtered input signal of the loudspeaker and the signal of the command microphone ( 3 ) and
that the second difference signal controls the adaptive filter ( 19 ) in the direction of minimal correlation between the input signal and the second difference signal and the first difference signal is formed from the second difference signal and the filtered signal of the compensation microphone ( 8 ). 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Befehlsmikrofonsignal, das Kompensationsmikrofonsignal und das Lautsprechersignal zurvor tiefpaßgefiltert und analog/digital gewandelt werden. 2. The method according to claim 1, characterized, that the command microphone signal, the compensation microphone signal and the speaker signal is previously low-pass filtered and analog / digital be changed.   3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Kraftfahrzeug das Kompensationsmikrofonsignal außerhalb des Fahrgastraumes aufgenommen wird, daß mit dem Befehlsmikrofonsignal sowohl die Befehle als auch andere Schallereignisse im Fahrgastraum aufgenommen werden und daß das Lautsprechersignal einer Audio- Signalquelle entnommen wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized, that in a motor vehicle, the compensation microphone signal outside the passenger compartment is recorded that with the command microphone signal both the commands and other sound events in the passenger compartment be recorded and that the speaker signal of an audio Signal source is removed. 4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem dem Befehlsmikrofon nachgeschalteten A/D-Wandler, der mit einer Subtraktionsstufe verbunden ist, deren zweiter Eingang mit einem ein Störsignal filterndes adaptives Filter verbunden ist, das vom Ausgangssignal der Subtraktionsstufe gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang des adaptiven Filters (19) über einen A/D-Wandler (18) mit dem Eingang eines Störsignals verursachenden Lautsprechers (4) verbunden ist.4. Arrangement for performing the method according to claim 1 with a command microphone downstream A / D converter, which is connected to a subtraction stage, the second input of which is connected to an adaptive filter that filters an interference signal and is controlled by the output signal of the subtraction stage characterized in that the input of the adaptive filter ( 19 ) is connected via an A / D converter ( 18 ) to the input of a loudspeaker ( 4 ) causing an interference signal. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal des Befehlsmikrofons (3) im Fahrgastraum eines Kraftfahrzeugs über einen Verstärker (11) und einem A/D-Wandler (15) Mitteln zur Subtraktion (21, 24) anderer Signale zuführbar ist, daß das Lautsprechersignal über einen weiteren A/D-Wandler (18) einem ersten adaptiven Filter (19) und einem ersten Korrelator (20) zuführbar ist, welche das erste adaptive Filter (19) steuert und welchem ferner das zweite Differenzsignal aus dem Signal des Befehlsmikrofons und dem Ausgangssignal des ersten adaptiven Filters (19) zuführbar ist und daß das Signal des Kompensationsmikrofons (8) über einen weiteren Verstärker (12) und einem dritten A/D-Wandler (16) einem zweiten adaptiven Filter (22) und einem zweiten Korrelator (23) zuführbar ist, welche das zweite adaptive Filter (22) steuert, in welchem ferner das erste Differenzsignal aus dem zweiten Differenzsignal und dem Ausgangssignal des zweiten adaptiven Filters (22) zuführbar ist, und daß das erste Differenzsignal das Ausgangssignal der Anordnung bildet.5. Arrangement according to claim 4, characterized in that the signal of the command microphone ( 3 ) in the passenger compartment of a motor vehicle via an amplifier ( 11 ) and an A / D converter ( 15 ) means for subtraction ( 21, 24 ) of other signals can be fed that the loudspeaker signal can be fed via a further A / D converter ( 18 ) to a first adaptive filter ( 19 ) and a first correlator ( 20 ) which controls the first adaptive filter ( 19 ) and which also the second difference signal from the signal of the command microphone and the output signal of the first adaptive filter ( 19 ) can be supplied and that the signal of the compensation microphone ( 8 ) via a further amplifier ( 12 ) and a third A / D converter ( 16 ), a second adaptive filter ( 22 ) and one second correlator ( 23 ) can be fed, which controls the second adaptive filter ( 22 ), in which furthermore the first difference signal from the second difference signal and the output signal of the second n adaptive filter ( 22 ) can be supplied, and that the first difference signal forms the output signal of the arrangement. 6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß den A/D-Wandlern (15, 16, 18) Tiefpaßfilter (13, 14, 17) vorgeschaltet sind.6. Arrangement according to claim 4, characterized in that the A / D converters ( 15, 16, 18 ) low-pass filter ( 13, 14, 17 ) are connected upstream. 7. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die adaptiven Filter (19, 22) nichtrekursive Filter sind.7. Arrangement according to claim 4, characterized in that the adaptive filters ( 19, 22 ) are non-recursive filters. 8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ordnung der nichtrekursiven Filter etwa 100 beträgt.8. Arrangement according to claim 7, characterized, that the order of the non-recursive filters is about 100.
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