EP0110467B2 - Anordnung zur Erkennung von Sprachpausen - Google Patents
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- G10L2025/783—Detection of presence or absence of voice signals based on threshold decision
- G10L2025/786—Adaptive threshold
Definitions
- the invention relates to an arrangement for recognizing speech pauses in a speech signal, according to the preamble of patent claim 1.
- Such arrangements are e.g. the prerequisite for the suppression of interference signals when calling from an acoustically disturbed environment.
- characteristic parameters of the interference signal are measured and used to filter out the interference as completely as possible from the signal to be transmitted using adaptive filters.
- a circuit arrangement for recognizing speech pauses in a speech signal in which a short-term mean value is determined at certain clock instants of a clock.
- the circuit arrangement known therefrom has a fixed threshold and two adaptively tracked thresholds, the sign of the respective slope in the speech signal being used in tracking the thresholds.
- the adaptive noise thresholds are changed by constant amounts, so that these are not determined as a function of own values at previous clock instants.
- Such a circuit arrangement is preferably used for the recognition of speech pauses in a speech signal, on which only weak interference signals are superimposed.
- this pause detection does not take into account that e.g. unvoiced sounds lead to a drop in performance in the speech signal and the relevant speech sections are therefore incorrectly regarded as speech pauses. Such mistakes in the known arrangement occur all the more, the more the speech signal is overlaid with interference signals.
- the arrangement is also intended to enable speech pause recognition even if the average noise level changes only slowly.
- kTo samples x (k) are obtained from the disturbed speech signal applied to a terminal E by an analog-to-digital converter A / D at sampling times, k representing a natural number and IlT o the sampling frequency.
- the samples are passed on to an averager M.
- the averager M generates a so-called short-term mean value at all clock instants T (n) with the time interval mT o from the amounts of m consecutive samples.
- n 1, 2, 3, ... etc.
- the arithmetic mean of the amounts of the sampled values is used as the mean value, since the effort involved in the building block is less than e.g. to form the quadratic mean.
- Each short-term mean value G (n) is approximately a measure of the average power of the disturbed speech signal over a period of approximately 100 ms. This specification and the sampling frequency also determine the number m of samples which are required to determine one of the short-term mean values G (n). E.g. the disturbed speech signal sampled at 10 kHz, m must be about 1000.
- Each of the quantities G (1), G (2) ... thus results from approximately a thousand consecutive samples.
- the unit GL of FIG. 1 smoothes the sequence of the short-term mean values G (n). More about the purpose and manner of smoothing is given below.
- the block PA 1 from the short-term mean values an estimated value P (n) for the average noise power, ie for the average power of the interference signal. More details about the estimate P (n) are also given below.
- a comparator V in FIG. 1 compares a threshold S dependent on the estimated value P (n) with the smoothed short-term mean values GG (n). If the smoothed short-term mean value GG (n) is less than the threshold S, a signal is forwarded to a unit EN. If, for example, the unit EN has received such a signal at two successive clock instants T (n-1) and T (n), it can in turn detect the presence of a speech pause by means of its own signal at terminal A.
- the diagram a) of Fig. 2 shows a possible output signal AM of the averager M, i.e. a possible sequence of the short-term mean values G (1), G (2) ...
- the output signal AM is standardized so that its absolute maximum assumes the value 1.
- the entered amplitude thresholds are the estimated value P (n) (lower threshold, shown in broken lines) and the threshold S (upper threshold, solid).
- Diagram b) schematically shows the associated speech signal S with its true pauses P. If a pause determination were made due to the fact that the upper amplitude threshold was undershot in diagram a) - this pause determination is shown in diagram c) - a large number of incorrect decisions would result, as a comparison of diagrams b) and c) shows. A shift of the upper threshold downward would lead to the fact that the performance drops in diagram c), which are not based on language breaks, would not be displayed either, but the statement about the length of the breaks would then be significantly falsified.
- a smoothing of the output signal AM is provided before the decision to pause, either with the aid of a linear digital filter, through which three short-term mean values G (n), G (n -1) and G (n - 2) a value GG (n) of the smoothed signal is obtained, or using a median filter.
- FIG. 3 shows how the output signal of the mean value generator M looks after smoothing with a linear digital filter.
- diagram b) the true speech sections and the real pauses of the speech signal are in turn plotted, and diagram c) shows the speech sections and speech pauses as they result analogously to diagram c) in FIG. 1. Due to the linear smoothing, the number of wrong decisions has decreased considerably, as the comparison of FIGS. 2 and 3 shows. Even with smoothing with a median filter, the number of incorrect decisions is reduced, as can be seen from diagram c) in FIG. 4.
- a further measure, not to misinterpret shorter drops in performance in the disturbed speech signal as pauses, is e.g. a drop in performance can only be regarded as a speech pause when the upper amplitude threshold is fallen below twice in FIG. 2, 3 or 4.
- the amplitude thresholds shown in FIGS. 2, 3 and 4 are - as already indicated above - determined by the unit PA in FIG. 1, namely that the estimated value P (n) of the noise power is initially determined for each time T (n).
- This variable is intended to be an approximate measure of the average power of the interference signal, the averaging time being of the order of one second.
- the arrangement according to the invention still delivers good results even if the above-mentioned average power of the interference signal changes only slowly , ie if it is to be regarded as stationary in time intervals of the size, one or two seconds.
- the estimated value P (n) is a linear combination of the previous estimated value (P (n-1) and the short-term mean value G (n) according to the equation redefined.
- the value of the constant a appearing in this equation is between zero and one.
- a threshold D in terms of amount. For example, if K is the inequality in succession is satisfied, this fact is considered to be a longer speech pause and the new estimated value P (n) is determined according to the equation given above.
- the threshold D is proportional to the cure time average value G (n) is selected in order to arrive at the same statements if, for example, the levels of all signals were doubled.
- the proportionality factor y and the number K are to be determined experimentally so that as few incorrect decisions as possible are made by the arrangement. Typical values are
- the constant c is to be chosen so that the estimation value reaches the modulation limit in one to two seconds with unimpeded enlargement. If, on the other hand, the already existing estimated value P (n-1) lies above the current short-term mean value G (n), the new estimated value P (n) is lowered compared to the existing one, specifically according to the equation which represents the new estimated value as a linear combination of the previous estimated value and the current short-term mean value G (n). Values around 0.5 have proven to be favorable for the constant ⁇ .
- the threshold S which is used for the pause decision, is proportional to the estimated value P (n).
- the relationship S 1.1 P (n) is typical of the relationship between the threshold S and the estimated value P (n).
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erkennung von Sprachpausen in einem Sprachsignal, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
- Derartige Anordnungen sind z.B. die Voraussetzung für die Unterdrückung von Störsignalen beim Telefonieren aus akustisch gestörter Umgebung. Während der Sprachpause werden charakteristische Parameter des Störsignales gemessen und dazu verwendet, die Störungen vor der Übertragung möglichst vollständig aus dem zu übertragenden Signal mit adaptiven Filtern herauszufiltem.
- Aus der US-A-4,357,491 ist eine Schaltungsanordnung zur Erkennung von Sprachpausen in einem Sprachsignal bekannt, bei welcher ein Kurzzeitmittelwert zu bestimmten Taktzeitpunkten eines Taktes bestimmt wird. Die daraus bekannte Schaltungsanordnung weist eine feste Schwelle und zwei adaptiv nachgeführte Schwellen auf, wobei bei der Nachführung der Schwellen das Vorzeichen der jeweiligen Steigung im Sprachsignal ausgenutzt wird. Die adaptiven Rauschschwellen werden um konstante Beträge verändert, so daß diese nicht in Abhängigkeit von eigenen Werten zu vorangegangenen Taktzeitpunkten bestimmt werden. Vorzugsweise wird eine solche Schaltungsanordnung zur Erkennung von Sprachpausen in einem Sprachsignal verwendet, welchem nur schwache Störsignale überlagert sind.
- Aus der DE-A-26 23 025 ist ein Verfahren zur Analyse eines Signals bekannt, bei dem der Schätzwert der Kanalsignal-Kurzzeitleistung sowohl mit zwei konstanten Schwellwertpegeln ptm und ptl als auch mit dem um die Zeitdauer At verzögerten Schätzwert selbst verglichen wird.
- Eine Anregung zur adaptiven Nachführung einer Rauschschwelle istder DE-OS 26 23 025 nicht zu entnehmen.
- Aus der DE-B-2 455 477 Spalte 10 ist eine Anordnung in analoger Technik zur Erkennung von Sprachpausen bekannt, der folgende Wirkungsweise zugrunde liegt : Das Sprachsignal wird in gleich lange Abschnitte zerlegt und für jeden Abschnitt wird durch Gleichrichtung und Mittelwertbildung ein Spannungswert gewonnen, der zur mittleren Lautstärke des Abschnittes proportional ist. Schließlich wird durch Mittelwertbildung über mehrere Sprachabschnitte ein weiterer Spannungswert bestimmt, der zur mittleren Gesprächslautstärke proportional ist. Durch einen Vergleich der beiden Mittelwerte wird entschieden, ob ein Abschnitt einer Sprachpause angehört oder nicht.
- Bei dieser Pausenerkennung ist unter anderem nicht berücksichtigt, daß z.B. stimmlose Laute zu einem Leistungseinbruch im Sprachsignal führen und die betreffenden Sprachabschnitte deshalb fälschlicherweise als Sprachpausen angesehen werden. Derartige Fehlentscheidungen treten bei der bekannten Anordnung um so häufiger auf, je stärker das Sprachsignal von Störsignalen überlagert ist.
- Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zur Erkennung der Pausen in einem gestörten Sprachsignal anzugeben, bei der Fehlentscheidungen im oben erläuterten Sinne vermieden werden. Die Anordnung soll darüberhinaus eine Sprachpausenerkennung auch dann ermöglichen, wenn sich die mittlere Geräuschleistung nur langsam verändert.
- Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen geben die Unteransprüche an.
- Anhand der Figuren soll die Erfindung näher erläutert werden.
- Es zeigt :
- Figur 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung
- Figur 2, 3 und 4 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung
- Im Blockschaltbild nach Fig. 1 werden aus dem an einer Klemme E angelegten, gestörten Sprachsignal durch einen Analog-Digital-Umsetzer A/D zu Abtastzeitpunkten kTo Abtastwerte x(k) gewonnen, wobei k eine natürliche Zahl und IlTo die Abtastfrequenz darstellt. Die Abtastwerte werden an einen Mittelwertbildner M weitergegeben.
-
- Als Mittelwert ist das arithmetische Mittel aus den Beträgen der Abtastwerte verwendet, da zu dessen Bestimmung der Bausteineaufwand geringer ist als z.B. zur Bildung des quadratischen Mittels. Jeder Kurzzeitmittelwert G(n) ist näherungsweise ein Maß für die mittlere Leistung des gestörten Sprachsignales über einen Zeitraum von etwa 100 ms. Durch diese Angabe und durch die Abtastfrequenz ist auch die Zahl m der Abtastwerte festgelegt, die zur Bestimmung eines der Kurzzeitmittelwerte G(n) erforderlich sind. Wird z.B. das gestörte Sprachsignal mit 10 kHz abgetastet, so muß m etwa 1000 betragen. Jede der Größen G(1), G(2)... ergibt sich also aus etwa tausend aufeinanderfolgenden Abtastwerten.
- Die Einheit GL der Fig. 1 führt eine Glättung der Folge der Kurzzeitmittelwerte G(n) durch. Näheres über den Zweck und die Art und Weise der Glättung wird weiter unten angegeben.
- Parallel zur Glättung wird durch den Block PA der Fig. 1 aus den Kurzzeitmittelwerten ein Schätzwert P(n) für die mittlere Geräuschleistung, d.h. für die mittlere Leistung des Störsignales bestimmt. Genaueres über den Schätzwert P(n) wird ebenfalls weiter unten ausgeführt. Ein VergleicherV in Fig. 1 vergleicht eine vom Schätzwert P(n) abhängige Schwelle S mit den geglätteten Kurzzeitmittelwerten GG(n). Ist der geglättete Kurzzeitmittelwert GG(n) kleiner als die Schwelle S, wird ein Signal an eine Einheit EN weitergeleitet. Hat die Einheit EN z.B. zu zwei aufeinanderfolgenden Taktzeitpunkten T(n - 1) und T(n) ein derartiges Signal erhalten, so läßt sie ihrerseits durch ein eigenes Signal an einer Klemme A das Vorliegen einer Sprachpause erkennen.
- Das Diagramm a) der Fig. 2 zeigt ein mögliches Ausgangssignal AM des Mittelwertbildners M, d.h. eine mögliche Folge der Kurzzeitmittelwerte G(1), G(2)... In dem Diagramm a) ist das Ausgangssignal AM so normiert, daß sein absolutes Maximum den Wert 1 annimmt. Bei den eingetragenen Amplitudenschwellen handelt es sich um den Schätzwert P(n) (untere Schwelle, unterbrochen gezeichnet) und die Schwelle S (obere Schwelle, durchgezogen). Im Diagramm b) ist schematisch das zugehörige Sprachsignal S mit seinen wahren Pausen P abgebildet. Würde eine Pausen bestimmung aufgrund der Unterschreitung der oberen Amplitudenschwelle im Diagramm a) - diese Pausenbestimmung ist im Diagramm c) abgebildet- vorgenommen werden, so würde sich eine Vielzahl von Fehlentscheidungen ergeben, wie ein Vergleich der Diagramme b) und c) zeigt. Eine Verschiebung der oberen Schwelle nach unten würde zwar dazu führen, daß die im Diagramm c) enthaltenen Leistungseinbrüche, die nicht auf Sprachpausen beruhen, auch nicht angezeigt würden, jedoch würde dann die Aussage über die Pausenlängen erheblich verfälscht werden.
- Daher ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung vor der Entscheidung auf Pause eine Glättung des Ausgangsignales AM vorgesehen, und zwar entweder mit Hilfe eines linearen Digitalfilters, durch das aus drei aufeinander folgenden Kurzzeitmittelwerten G(n), G(n -1) und G(n - 2) ein Wert GG(n) des geglätteten Signales erhalten wird, oder mit Hilfe eines Median-Filters.
- Bei der linearen Filterung hat sich ein Filter mit den Koeffizienten 1/4, 1/2 und 1/4 als günstig erwiesen.
- Bei der Medianfilterung werden z.B. fünf aufeinanderfolgende Kurzzeitmittelwerte G(n)... G(n - 4) der Größe nach geordnet und dann der mittlere Wert als Ausgangswert GG(n) des Filters ausgelesen. Wie das Ausgangssignal des Mittelwertbildners M nach der Glättung mit einem linearen Digitalfilter aussieht, ist dem Diagramm a) der Fig. 3 zu entnehmen. Im Diagramm b) sind wiederum schematisch die wahren Sprachabschnitte und die wahren Pausen des Sprachsignales aufgetragen, und das Diagramm c) zeigt die Sprachabschnitte und Sprachpausen wie sie sich analog zum Diagramm c) in Fig. 1 ergeben. Durch die lineare Glättung ist die Zahl der Fehlentscheidungen erheblich zurückgegangen, wie der Vergleich von Fig. 2 und Fig. 3 zeigt. Auch bei Glättung mit einem Median-Filter verringert sich - wie dem Diagramm c) der Fig. 4 zu entnehmen ist- die Zahl der Fehlentscheidungen.
- Eine weitere Maßnahme, kürzere Leistungseinbrüche im gestörten Sprachsignal nicht als Pausen zu mißdeuten, besteht darin, z.B. einen Leistungseinbruch erst bei zweimaligem Unterschreiten der oberen Amplitudenschwelle in der Fig. 2, 3 oder 4 als Sprachpause anzusehen.
- Die in der Fig. 2, 3 und 4 eingezeichneten Amplitudenschwellen werden - wie oben schon angedeutet - von der Einheit PA in Fig. 1 ermittelt, und zwar wird zunächst für jeden Zeitpunkt T(n) der Schätzwert P(n) der Geräuschleistung bestimmt. Diese Größe soll ein ungefähres Maß für die mittlere Leistung des Störsignales sein, wobei die Mittelungszeit in der Größenordnung einer Sekunde liegt.
- Weil der Schätzwert P(n) der Geräuschleistung während längerer Sprachpausen - auf deren Erkennung wird weiter unten eingegangen - auf einen aktuellen Wert gebracht wird, liefert die erfindungsgemäße Anordnung auch dann noch gute Ergebnisse, wenn sich die oben erwähnte mittlere Leistung des Störsignales nur langsam verändert, d.h., wenn sie in Zeitintervallen der Größe ein bis zwei Sekunden als stationär anzusehen ist.
- Fällt der Zeitpunkt T(n) in eine längere Sprachpause, so wird der Schätzwert P(n) als Linearkombination aus dem vorangegangenen Schätzwert (P(n - 1) und dem Kurzzeitmittelwert G(n) nach der Gleichung
- Um die längeren Sprachpausen zu erkennen, wird laufend geprüft, ob die Differenz zweier aufeinanderfolgender Kurzzeitmittelwerte betragsmäßig unter eine Schwelle D fällt. Ist z.B. K mal nacheinander die Ungleichung
- Ein anderer Weg, einen möglichst guten Schätzwert P(n) für eine langsam veränderliche Geräuschleistung zu erhalten, besteht darin, zu jedem Taktzeitpunkt T(n) eine Vergrößerung des schon vorhandenen Schätzwertes P(n - 1) um einen festen Betrag c vorzunehmen, wenn der Schätzwert P(n - 1) kleiner als der Kurzzeitmittelwert G(n) ist. Jedes Mal also, wenn die Ungleichung P(n - 1) < G(n) erfüllt ist, wird P(n) = P(n - 1) + c gesetzt.
- Die Konstante c ist so zu wählen, daß der Schätzwert bei ungehinderter Vergrößerung in ein bis zwei Sekunden die Aussteuerungsgrenze erreicht hat. Liegt andererseits der schon vorhandene Schätzwert P(n - 1) über dem augenblicklichen Kurzzeitmittelwert G(n), so wird der neue Schätzwert P(n) gegenüber dem vorhandenen erniedrigt, und zwar gemäß der Gleichung
- Die Schwelle S, die zur Pausenentscheidung herangezogen wird, ist proportional zum Schätzwert P(n). Typisch für den Zusammenhang zwischen der Schwelle S und dem Schätzwert P(n) ist die Gleichung S = 1,1 P(n).
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