DE602004013465T2 - Audiosystem mit vorkehrungen zum filterkoeffizienten kopieren - Google Patents

Audiosystem mit vorkehrungen zum filterkoeffizienten kopieren Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zum Unterdrücken von Audioverzerrung, mit einer Schaltungsanordnung, die Folgendes umfasst:
    • – Echokompensationsmittel, die zwischen einem Audioausgang und einer das verzerrte gewünschte Audiosignal abtastenden Mikrophonanordnung gekoppelt sind, und
    • – eine Filteranordnung, die mit den Echokompensationsmitteln und/oder der Mikrophonanordnung gekoppelt ist.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine gespiegelte Schaltungsanordnung zur Anwendung in dem System und auf ein Verfahren zum Unterdrücken von Audioverzerrung.
  • Ein derartiges System ist u. a. aus WO 97/45995 oder US-A-5796819 bekannt. Die aus diesen Dokumenten bekannten Audiosysteme umfassen ein adaptives Echokompensationsfilter zum Entfernen von Echos, entspringend zwischen einem Lautsprecherausgang und einem Mikrophon eines Systems. Das bekannte System hat eine Filteranordnung, die mit dem Echokompensationsfilter und dem Mikrophon gekoppelt ist zur spektralen Unterdrückung von Echoanteilen in dem Mikrophonsignal, die nicht durch das Echokompensationsfilter entfernt wurden. Ein Mikrophon tastet ein gewünschtes Audiosignal ab, während ein anderes Mikrophon nur störende Verzerrungen des gewünschten Signals empfängt. Das System kann eine Filteranordnung aufweisen, die mit den Echokompensationsmitteln und/oder der Mikrophonanordnung zur spektralen Verzerrungsunterdrückung in Form zusätzlicher Audiostörung gekoppelt ist.
  • Es ist ein Nachteil des bekannten Systems, dass es nicht auf effektive Art und Weise angewandt werden kann um auch widerhallende Verzerrungen in einem gewünschten Audiosignal, gespürt durch eine Mikrophonanordnung, zu reduzieren.
  • Deswegen ist es u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes System und eine Filteranordnung darin zu schaffen um auch Echoverzerrung in Form von Echoschwanzteilwiderhall in einem Audiosignal, gespürt durch eine Mikrophonanordnung, zu unterdrücken.
  • Dazu umfasst in dem System nach der vorliegenden Erfindung die Filteranordnung Filterkoeffizienten, die wenigstens einen Teil der Audioverzerrung darstellen, und das System umfasst eine wenigstens teilweise gespiegelte Schaltungsanordnung zum Ko pieren dadurch simulierter Audioverzerrung darstellender Filterkoeffizientenwerte in die Filterkoeffizienten der genannten Filteranordnung.
  • Es ist ein Vorteil des Systems und der Schaltungsanordnung nach der vorliegenden Erfindung, dass durch Kopierung simulierter Filterkoeffizienten, die für die Audioverzerrung repräsentativ sind, in die Filterkoeffizienten der Filteranordnung, die Unterdrückung der Audioverzerrung sprachsignalunabhängig, im Allgemeinen wunschsignalunabhängig, gemacht wird. Die Koeffizientenwerte stellen die Korrelationseigenschaften der widerhallenden Schwanzteile des Schallfeldes dar und können auch zur wirklichen Filterung des Wunschsignals in der Filteranordnung zur Unterdrückung von Widerhall darin verwendet werden, ungeachtet, ob gewünschte Sprache ausgeliefert wird oder nicht. Folglich stört insbesondere das Vorhandensein oder das Fehlen von Sprache nicht länger die Störungslöschung. Sogar wenn Sprache vorhanden ist, kann Störungslöschung der raumkorrelationsempfindlichen Formen von Verzerrung, insbesondere aber nicht ausschließlich, Echostörungen, auf effiziente Art und Weise mit Hilfe des Systems nach der vorliegenden Erfindung effektuiert werden.
  • Eine Ausführungsform des Systems nach der vorliegenden Erfindung, die Entwurfsflexibilität ermöglicht, weist das Kennzeichen auf, dass die Filteranordnung einen Strahlformer umfasst.
  • Meistens umfasst die Filteranordnung eine Kombination von Filter-, Summierungs- und Verzögerungselementen zum Bilden des sog. "allgemeinen Nebenkeulenkompensators" ("Generalised Sidelobe Canceller") Auf vorteilhafte Weise kann ein zusätzliches Verzögerungselement zu den Strahlformern hinzugefügt werden, und zwar zur weiteren Verbesserung der Leistung des Systems nach der vorliegenden Erfindung.
  • Auf vorteilhafte Weise weist eine andere einfache Ausführungsform des Systems nach der vorliegenden Erfindung das Kennzeichen auf, dass das System Koeffizientenwertkopiermittel zwischen der Schaltungsanordnung und der wenigstens teilweise gespiegelten Schaltungsanordnung aufweist.
  • Eine weitere Ausführungsform des Systems nach der vorliegenden Erfindung weist das Kennzeichen auf, dass die Filteranordnung dazu vorgesehen ist, für die Echoverzerrung und/oder das gewünschte, von der Mikrophonanordnung gespürte Audiosignal anpassungsfähig zu sein.
  • In dem Fall können die Filterkoeffizienten aktualisiert werden, und zwar zum Enthalten eines dynamischen Aspektes beim Löschen variierender korrelationsempfindlicher Störungsformen, wie beispielsweise Echo, statt der Darstellung eines mehr oder weniger festen Modells des Raumes. Nun kann eine derartige Störung auf in Bezug auf die betreffenden variierenden Positionen und Richtungen der Anordnung von Mikrophonen unterdrückt werden.
  • Noch eine andere Ausführungsform des Systems nach der vorliegenden Erfindung weist das Kennzeichen auf, dass das System dazu vorgesehen ist, die gespiegelten Filterkoeffizienten zu aktualisieren.
  • Auf vorteilhafte Weise können bei dieser weiteren Ausführungsform die gespiegelten Filterkoeffizienten kontinuierlich aktualisiert werden, und zwar, wenn nötig, oder während einer Trainingssession. Dies wird erreicht, weil die gespiegelten Filterkoeffizienten mit Hilfe eines künstlichen Eingangssignals, das Störung darstellt, geschaffen.
  • Eine Ausarbeitung des Systems nach der vorliegenden Erfindung weist das Kennzeichen auf, dass jedes Mikrophon der Mikrophonanordnung eigene Echokompensationsmittel aufweist.
  • Durch Anwendung individualisierter Echokompensationsmittel für jedes Mikrophon der Anordnung werden etwaige einzelne direkte Echos und Reflexionen, und wenigstens ein Teil des Echoschwanzes möglichst einzeln gelöscht, während die restliche Störung von der Filteranordnung und/oder den Ausgangsechokompensationsmitteln verarbeitet wird.
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1 eine Übersicht mit möglichen Ausführungsformen des Systems nach der vorliegenden Erfindung,
  • 2 das direkte Signal, die frühen Reflexionen und den später auftretenden Echoschwanz einer typischen Raumimpulsreaktion als eine Funktion der Zeit, und
  • 3 eine Filteranordnung in Form eines allgemeinen Nebenkeulenkompensators mit einer Anordnung von drei Mikrophonen zur Anwendung in einer Erweiterung des Systems nach 1.
  • Der obere Teil der 1 zeigt ein System 1, das zur Unterdrückung von Audiostörung in einem gewünschten Signal geeignet ist. Das dargestellte System hat einen Lautsprecher 2 und eine Mikrophonanordnung 3 mit zwei Mikrophonen 3-1, 3-2. Ein Audioausgangssignal am Ausgang 4 wird von dem Lautsprecher 2 wiedergegeben. Eine (nicht dargestellte) "near end" Quelle erzeugt gewünschte Sprache, die durch die Anordnung 3 als erwünschtes Sprachsignal empfangen wird. Außerdem spürt die Anordnung 3 – wie in 2 erläutert – als Teil der jeweiligen Störungsarten nebst Störung ein direktes Signal von dem Lautsprecher 2 zu der Anordnung 3, Echos in Form früher Reflexionen – erster Teil – und nach gewisser exponentieller Dämpfung später – zweiter Teil – Reflexionen in Form sog. Echos, dargestellt als Echoschwanz einer typischen Raumimpulsantwort als eine Funktion der Zeit. Jedes Mikrophon 3-1, 3-2 kann den assoziierten Echokompensator g1 und g2 haben, vorgesehen zwischen dem Audioausgang 4 und der gestörten gewünschten Audioabtastmikrophonanordnung 3. Wenn überhaupt können etwaige Hardware- und/oder Softwareteile der Echokompensationsmittel gi (i = 1, 2 für zwei Mikrophone) gemeinsam verwendet werden, und zwar um Kosten zu sparen. Jeder der Echokompensatoren gi simuliert die Strecke von dem Lautsprecher 2 zu einem betreffenden Mikrophon 3 um die Effekte wenigstens des direkten Signals und der früheren Reflexionen, d. h. des ersten Teils des Echos, zu löschen. Die dies bewerkstelligende Technik ist beispielsweise aus WO 97/45995 bekannt. Die betreffenden Echokompensationsmittel können verschiedenartig implementiert werden, wie mit LMS ("Least Mean Squares"), "Recursive Least Squares" oder "Frequency Domain Adaptive Filter", wobei Block LMS Techniken angewandt werden.
  • Die betreffenden Echokompensationsmittel gi sind mit zwei Mikrophonen 3-1, 3-2 der Anordnung 3 über schematisch dargestellte Subtrahierer 5-1, und 5-2 gekoppelt, die je einen Ausgang 6-1, 6-2 haben. Dies Subtrahiererausgänge 6-1 und 6-2 tragen betreffende echokompensierte Signale.
  • Das System hat eine Filteranordnung 7, die einen Strahlformer 7B enthalten kann, der über die Subtrahierer 5 mit den Echokompensationsmitteln gi und/oder der Mikrophonanordnung 3 gekoppelt ist. Der Strahlformer 7B, der in einem meistens als verallgemeinerten Nebenkeulenkompensator bezeichneten Kompensator vorgesehen ist, ist imstande, eine Audiomikrophonempfindlichkeitskeule oder -kurve zu definieren. Wenn die in diesem Fall zwei Strahlformereingangssignale an den Subtrahiererausgängen 6-1, 6-2 gegeben sind, umfassen diese Signal das gewünschte Audio/Ton/Sprachsignal und ein Echosignal, herrührend von dem Echoschwanz. Der Strahlformer 7B ist imstande das Echosignal dadurch zu unterdrücken, dass ein primäres Signal z mit dem gewünschten Signal und ei fern Bezugssignal x, das den Echo umfasst, hergeleitet wird. Dies geschieht in dem vorliegenden Fall durch Filterung in den Filtern f1 und f2, wie dargestellt, und danach durch eine nachfolgende Summierung in der Summierungsanordnung 9-1 liefert das Filter f1 um das primäre Signal zum Vorschein zu bringen. Auf diese Art und Weise werden die echokompensierten Mikrophonsignale u1 und u2 derart hinzugefügt, dass restliche direkte Signale und frühe Reflexionen des gewünschten Audios kohärent summiert werden, was die Leistung der Strahlenformer steigert. Weiterhin geschieht dies hier durch Filterung der echokompensierten Mikrophonsignale in den Sperrfiltern b1 und b2 und danach durch Summierung in der Anordnung 9-2 der Ausgänge der Filter um ein das Echo darstellende Bezugssignal x zum Vorschein zu bringen. Das Bezugssignal x enthält keine Wunschsignalanteile. Das Bezugssignal x enthält virtuell keine Wunschsignalanteile. Die Filter bi zusammen B werden als die Sperrmatrix bezeichnet. Die Filter fi und bi tragen die Richtung, d. h. die von den gewünschten Quellen abhängige Information.
  • In dem in 3 dargestellten Fall hat der Strahlformer 7B ein Verzögerungselement 8, das mit dem Ausgang 10 der Anordnung 9-1 gekoppelt ist, der eine Summierungsanordnung 9-3 folgt. Das Verzögerungselement 8 schafft einen nicht ursächlichen Teil zu der Stoßantwort der Strahlformer, die erschien zur Verbesserung der Leistung. Das Bezugssignal x wird einem in 1 durch w bezeichneten Adaptivfilter zugeführt, dessen Ausgangssignal einem invertierenden Eingang 11 der Anordnung 9-3 zugeführt wird. Das Filter w der Filteranordnung 7 umfasst die Filterkoeffizienten, die ein Maß für die Echostörung – zweiten Teil – in dem gewünschten Audio darstellen oder enthalten, gespürt durch die Mikrophonanordnung 3. Die Summierungsanordnung 9-3 hat auch einen summierten oder Strahlformerausgang 5, verwendet zum Anpassen der Filterkoeffizienten in dem Adaptivfilter w der dadurch adaptiven Filteranordnung 7, so dass die Koeffizientenwerte die variierende Echoverzerrung darstellen. In einer nicht adaptiven Ausführungsform würden die Filterkoeffizienten fest sein um dann einen dann einen vorausgesetzten festen Echoschwanz zu löschen.
  • Weil das gefilterte Echo- oder Bezugssignal an dem invertierenden Eingang 11 von dem primären Signal in der Summierungsanordnung 9-3 subtrahiert wird, enthält das Signal an dem summierten Ausgang S nur das gewünschte Signal, wobei der Echoschwanz gelöscht wird.
  • 3 zeigt eine Ausführungsform einer Filteranordnung 7 mit einem Anordnung von drei Mikrophonen 3-1, 3-2, 3-3. Im Wesentlichen ist eine Vielzahl von Mikrophonen möglich. Die oben beschriebenen Grundlagen sind aber nach wie vor die gleichen. Es können Blockmatrizes zu einem einzigen Block B gegliedert werden. Es können verschiedene Bezugssignale x1 und x2 dem Filter 7A zugeführt werden, das in dem vorliegenden Fall im Allgemeinen adaptive individualisierte Filter w1 und w2 aufweist. Gewünschtenfalls können Verzögerungselemente Δ vor oder hinter den Filtern f1, f2 und f3 aufgeteilt werden, die mit den betreffenden drei Mikrophonen 3 gekoppelt sind. In die betreffenden Zweige von möglicherweise jedem der Mikrophone zu der Summierungsanordnung 9-1 zur Berücksichtigung erwarteter einzelner Verzögerungen zwischen dem Lautsprecher 2 und dem Mikrophon 3 einzelne Verzögerungselemente Δ eingeschlossen werden.
  • Wenn das System 1 nicht selbsttätig aufstartet, und zwar wegen eines fehlenden "far end" – Signals könnte ein Lautsprechersignal erzeugt werden, beispielsweise eine Rauschsequenz oder eine Art von Aufstartmelodie.
  • Das oben erläuterte System kann beispielsweise in Handkommunikationssystemen, wie Handfreisprecheinrichtungen, sprachgesteuerten Systemen beispielsweise daheim oder für medizinische Applikationen, Kongresssystemen, Diktiersystemen oder dergleichen angewandt werden.
  • Obschon die oben stehende Beschreibung der Figuren sich auf eine durch einen Strahlformer 7 verkörperte Filteranordnung bezieht, sei es bemerkt, dass Obenstehendes auch für jede beliebige Filteranordnung 7 gilt, die zur Unterdrückung von Audiostörung gemeint ist, im Allgemeinen in dem System 1, wie oben erläutert.
  • Echo ist eine Form von Störung, deren Löschung von den räumlichen Korrelationseigenschaften der Mikrophonanordnung und des betreffenden Raumes stark abhängig ist. Die räumliche Korrelation des Schallfeldes bestimmt die gegenseitige Korrelation zwischen den Mikrophonsignalen, die ihrerseits die Quantität ist, die den Entwurf und die Leistung der Filteranordnung und des Strahlformers 7 bestimmt. Diese räumlichem Korrelationseigenschaften sind abhängig von verschiedenen Eigenschaften, wie Raumgeometrie, Wandabsorption, Lage, Richtung und Zwischenraum zwischen den Mikrophonen der Anordnung 3 in einem Raum. Auf vorteilhafte Weise erfordert das System 1 keine Art von Modell für diese Eigenschaften. Wenn aber diese Eigenschaften und/oder die modellierten Störungsecholöschungseigenschaften oder -koeffizienten in dem System 1 sich wesentlich ändern, ist eine wesentliche Anpassung davon erforderlich, was sehr zeitaufwendig ist. Im Allgemeinen ist diese Zeit nicht immer verfügbar, was zu hörbaren und störenden Effekten führt, und zwar insbesondere kurz nach dem Vorhandensein oder nach dem Fehlen insbesondere von Sprache. Das Obenstehende ist von besonderer Bedeutung in Bezug auf raumkorrelationsabhängige Formen von Verzerrung, wie Echo. Der restliche Teil der Beschreibung wird deswegen auf die Unterdrückung von Echo gerichtet sein, und zwar mit Hilfe des Systems mit einer Filteranordnung, wie in 1 dargestellt.
  • Der untere Teil der 1 zeigt eine Schaltungsanordnung 7', deren Bestandteile wenigstens teilweise den Echokompensationsmitteln g und dem Strahlformerfilter 7 ähnlich oder gegenüber diesen gespiegelt sind. Dieser Teil umfasst den Strahlformer 7', der Teile enthalten kann, die dem Strahlformer 7 entsprechen können, und die Mittel 9', die in dem vorliegenden Fall g1' und g2' als Echofilter haben, deren Koeffizienten beeinflusst oder eingestellt sein können. Die betreffenden Echofiltermittel g'i, im Allgemeinen für i = 1, 2, .., sind einfache Filter, die normalerweise je weniger Koeffizienten haben als die Anzahl Koeffizienten in den entsprechenden Echokompensatormitteln gi, wenigstens in dem Fall von Echounterdrückung, weil dann nur der Echoschwanzteil der simulierten Stoßantwort durch schematisch dargestellte Kopiermittel C1, C2 und C3 von den Löschmitteln gi in die Filtermittel gi' kopiert werden sollen. Auf gleiche Art und Weise werden die Filterkennlinien oder Koeffizientenwerte der Filter f1, f2, b1 und b2 in die betreffenden Filter f1', f2', b1' und b2' des Strahlfilters 7' kopiert. Nun wird dem Eingangsterminal 12 der gespiegelten Schaltungsanordnung g', 7' ein Hilfseingangssignal zugeführt, und zwar derart, dass das Adaptivfilter w' in 7', das mit dem Ausgang S' gekoppelt ist, imstande ist, das Ausgangssignal am Ausgang S' zu minimieren. Das Hilfseingangssignal am Terminal 12 kann beispielsweise ein stationäres Rauschstörungssignal oder jedes andere beliebige Signal, das von dem spezifischen zu löschenden Störungstyp abhängig ist. Die auf diese Art und Weise simulierten für Audiostörung repräsentativen Filterkoeffizientenwerte des Filters w' werden in der Filteranordnung 7 in die Filterkoeffizienten des Filters w hineinkopiert. Diese Werte stellen die Korrelationseigenschaften des Echoschwanzteils des zweiten Schallfeldes dar und können auch zur wirklichen Filterung des gewünschten Signals in der Filteranordnung 7 zur Echounterdrückung darin verwendet werden, ungeachtet, ob gewünschte Sprache ausgeliefert wird oder nicht. Um die Strahlformerkoeffizienten des Filters 7' anzupassen oder zu aktualisieren braucht nur das Echoverhalten des Raums berücksichtigt zu werden. Dazu ist die gewünschte Audioquelle nicht erforderlich, da jede beliebige Quelle in dem Raum diese Aufgabe erledigen würde. Insofern das Filter w seine Koeffizienten von dem adaptiven Filter w' empfängt, braucht das Filter w nicht adaptiv zu sein.
  • Text in der Zeichnung
  • 1
    • Kopieren der Schwänze von g1 und g2
    • Kopieren von f1, f2, b1 und b2
    • Kopieren von w
  • 2
    • Direktes Signal
    • Echo
    • Frühe Reflexionen
    • Zeit

Claims (7)

  1. System (1) zum Unterdrücken von Audioverzerrung, mit einer Schaltungsanordnung (g, 7), die Folgendes umfasst: – Echokompensationsmittel (g, gi i = 1, 2, ...), die zwischen einem Audioausgang (4) und einer das verzerrte gewünschte Audiosignal abtastenden Mikrophonanordnung (3) gekoppelt sind, und – eine Filteranordnung (7), die mit den Echokompensationsmitteln (g, gi i = 1, 2, ...) und/oder der Mikrophonanordnung (3) gekoppelt ist, wobei die Filteranordnung (7) Filterkoeffizienten aufweist, die wenigstens einen Teil der Audioverzerrung darstellen, wobei das System eine wenigstens teilweise gespiegelte Schaltungsanordnung (g', 7') um dadurch für simulierte Audioverzerrung repräsentative Filterkoeffizientenwerte in die Filterkoeffizienten der genannten Filteranordnung (7) zu kopieren.
  2. System (1) nach Anspruch 1, wobei die Filteranordnung einen Strahlformer (7) umfasst.
  3. System (1) nach Anspruch 2, wobei der Strahlformer einen Filter- und Summenstrahlformer (7) und/oder eine Verzögerung- und Summenstrahlformer (7) aufweist.
  4. System nach Anspruch 1, wobei das System zwischen der Schaltungsanordnung (7, gi i = 1, 2, ...) und der wenigstens teilweise gespiegelten Schaltungsanordnung (7', gi' i = 1, 2, ...) Koeffizientenwertkopiermittel (C1, C2, C3) aufweist.
  5. System (1) nach Anspruch 1, wobei der Strahlformer (7) dazu vorgesehen ist, für die Echoverzerrung und/oder das gewünschte, von der Mikrophonanordnung (3) abgetastete Audiosignal anpassungsfähig zu sein.
  6. System (1) nach Anspruch 1, wobei das System (1) dazu vorgesehen ist, die gespiegelten Filterkoeffizienten zu aktualisieren.
  7. System (1) nach Anspruch 1, wobei jedes Mikrophon (3-1, 3-2) der Mikrophonanordnung (3) wenigstens teilweise individualisierte Echokompensationsmittel (g, gi i = 1, 2, ...) aufweist.
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