EP1202253B1 - Adaptive noise level estimator - Google Patents
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- EP1202253B1 EP1202253B1 EP01440295A EP01440295A EP1202253B1 EP 1202253 B1 EP1202253 B1 EP 1202253B1 EP 01440295 A EP01440295 A EP 01440295A EP 01440295 A EP01440295 A EP 01440295A EP 1202253 B1 EP1202253 B1 EP 1202253B1
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
- G10L—SPEECH ANALYSIS TECHNIQUES OR SPEECH SYNTHESIS; SPEECH RECOGNITION; SPEECH OR VOICE PROCESSING TECHNIQUES; SPEECH OR AUDIO CODING OR DECODING
- G10L21/00—Speech or voice signal processing techniques to produce another audible or non-audible signal, e.g. visual or tactile, in order to modify its quality or its intelligibility
- G10L21/02—Speech enhancement, e.g. noise reduction or echo cancellation
- G10L21/0208—Noise filtering
Definitions
- MAM medium average magnitude
- the value of the noise level of a signal is common to many algorithms for signal processing as a threshold or control value of great importance.
- the reliability and temporal behavior of a noise estimator have a big impact on the achievable quality of a signal processing algorithm. This is especially true in the field of speech recognition, to improve the recognition rate in the field of echo cancellation and for noise reduction.
- Application areas for noise estimators are, for example, exchanges, conference facilities, but also conventional phones or cell phones.
- a disadvantage of known estimation methods is the relatively slow behavior at averaging in noise estimator. Especially with voice activity with only short Speech pauses in periods of ⁇ 100 ms often are not enough time to to grasp the "noise floor".
- composite signals which consists of a sequence of signal bursts with a pause time of exist for about 100 ms. Again, with the previously known methods no exact noise estimation possible.
- noise threshold Another problem with the noise threshold is that of successful speech level estimation performed noise update with temporally changing Environmental conditions.
- the estimated noise value thus fluctuates in certain, sometimes relatively large, limits.
- Object of the present invention is in contrast, a method of initially described type with the simplest possible means to the effect to further develop that as accurate as possible determination of the current noise level is achieved with the fastest possible adaptation times, the significant are lower than in known methods, and that to the least possible Calculation effort is required.
- the length ts is a maximum value from the samples of the input signal x (k) and for the estimation of the current noise level from the set of several maximum values found one after the other, in each case the Minimum n1 (x) used as an estimate n (x) for the current noise level n.
- an initialization value n0 is specified.
- the estimation method in a sense "stopped” and in each case the last estimate taken, where the dynamics of the input signal x (k) below the given Threshold ⁇ lag. This prevents erratic estimates Reason faster fluctuations in the signal come about.
- the method according to the invention achieves an extremely fast adaptation to the current noise level in periods of about 10 ms, in contrast to the above-mentioned known methods, the times in the Order of magnitude of 500 ms.
- the Erfinding is as shown in claims 1 and 8.
- fug is the lower limit frequency of the transmitting TK system.
- the time length ts should each be chosen such that a Adaptation of low-frequency signals in the range ⁇ 100 Hz excluded becomes.
- the lower limit frequencies are in a range fug ⁇ 500 Hz.
- the lower Cutoff frequency 330 Hz A value of about 10 Hz as lower limit for the lower Limit frequency fug corresponds to the value of a conventional hi-fi amplifier and is therefore reasonable.
- An advantage for carrying out the method according to the invention is a Variant in which the initial value n0 is the maximum representable value of the Target system for the signal transmission within the telecommunications system is selected.
- n for the determination of the estimated value n (x) is the value n1 (x) at a predeterminable or fixed lower limit value set min if a value n1 (x) ⁇ n min is determined.
- the value n1 (x) is set to a predefinable or fixed upper limit value n max for the determination of the estimated value n (x), if a value n1 (x)> n max is determined becomes.
- n max is chosen to be smaller than or equal to the initialization value n 0, preferably n max ⁇ n 0 - 16 dB.
- this upper limit value is predetermined by the statistically determined speech dynamics of human speech.
- a further advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the maximum values found within the short-term intervals of the input signal x (k) multiplied by a scaling factor S ⁇ 1 Determine the value n1 (x). The majority of the actual level values that is actually below the maximum value determined in each case within the relevant short-term interval.
- the scaling factor S ⁇ 0.5 is selected, this roughly corresponds to the position the maximum value of a statistical distribution, for example a Gaussian distribution the samples relative to the location of the found maximum Level value. As a result, the actual current noise level n becomes average Much better hit than by using the unscaled Maximum value.
- the estimated value n (x) as a measure of a currently estimated noise level is scaled by a factor D> 1.
- a fixed threshold ⁇ const. is set, preferably ⁇ ⁇ 12dB. With this value obtained by simulations can be cover most practical applications well.
- ⁇ ⁇ (x) adaptive with the Roughness of the level of the input signal x (k) to be changed. Leave it an optimal and extremely fast update and adaptation of the reach estimated level value to the actual noise conditions.
- the scope of the present invention also includes a server unit, a Processor assembly and a gate array assembly to support the method described above and a computer program to carry out the process.
- the method can be used both as a hardware circuit, as well as in the form of a computer program.
- software programming for powerful DSP's preferred because new knowledge and additional functions easier by a Modification of the software can be implemented on an existing hardware basis are.
- methods can also be used as hardware components, for example in IP or TK terminals or conventional telephone systems implemented become.
- the figure shows a highly schematic diagram of the functioning of a Estimation device for carrying out the method according to the invention.
- n1 (x) for the noise level n from a sampled input signal x (k) becomes the background noise superimposed on a useful signal in the input signal x (k) calculated according to the following equation:
- Value n1 (x) assumes a value dependent on the speech level, since the Speech level is louder than the noise. For example, one acceptable Signal to noise ratio of 6 dB.
- n1 (x) found in this way still changes with the language, responds but on noise reduction and during voice pauses with extremely short Adaptation time.
- the value n1 (x) described above is adopted only if the dynamic variations of the input signal x (k) fall below a predefinable threshold value ⁇ , that is, if dx (i) ... dx (i-ts) ⁇
- the envelope of the incoming input signals x (i) is "stable", ie with almost certainly no speech signals, The current level values can be assigned directly to the background noise become. Otherwise, if the envelope "wobbles", it is very likely Language, ie predominant useful signal in the input signal x (i) before, so that the peaks of the input signal are not for the estimation of the noise background can be used. In this case, then, as above described, obtained from the speech signal itself a scaled noise value become.
- the drawing now shows this process in a schematic way, in particular the maximum formation from the input signal x (k), the scaling with a Scaling factor S and the minimum formation for obtaining the value n1 (x), the assumption of this value as a function of a speech pause detector (SPD) whose output value may be an application-dependent one Factor D is scaled, as well as the threshold estimate of the dynamic Variations of the input signal x (k), in the example shown the temporal change of the short term mean dsam (x) / dt are obtained.
- SPD speech pause detector
- the output signal of this method is then the desired updated Estimated value n (x) for an actual noise level n.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Schätzwerts für den
Geräuschpegel n eines Hintergrundgeräusches, das einem über ein
Telekommunikations (=TK)-System übertragenen akustischen Nutzsignal,
insbesondere einem menschlichen Sprachsignal überlagert ist, wobei in einem
ersten Schritt ein vorgebbarer Initialisierungswert n0 als Schätzwert n(x) für
einen aktuellen Geräuschpegel n angenommen wird;
im nächsten und ggf. in weiteren Schritten der Schätzwert n(x) des Geräuschpegels
n für ein in vorzugsweise äquidistanten Zeitschritten T jeweils zu
Zeitpunkten k mit einer Abtastfrequenz fs = 1/T abgetastetes Eingangssignal
x(k) als ein Wert n1(x) bestimmt wird, der Wert n1(x) als Schätzwert n(x) für den
aktuellen Geräuschpegel n übernommen wird, wenn die dynamischen
Variationen des Eingangssignals x(k) einen vorgebbaren Schwellwert
unterschreiten; und wobei der im vorhergehenden Schritt ermittelte Schätzwert
n(x) ungeändert als neuer Schätzwert n(x) für den aktuellen Geräuschpegel n
übernommen wird, wenn die-dynamischen Variationen des Eingangssignals
x(k) einen vorgebbaren Schwellwert ε überschreiten.
Weiter betrifft die Erfindung auch Computerprogramme und Vorrichtungen zur
Unterstützung und Durchführung eines derartigen Verfahrens, insbesondere
geeignete Servereinheiten, Signalisierungseinrichtungen, Prozessorbaugruppen
und programmierbare Gate-Array-Baugruppen. The invention relates to a method for determining an estimated value for the noise level n of a background noise which is superimposed on an acoustic useful signal, in particular a human voice signal, transmitted via a telecommunication (TK) system, wherein in a first step a specifiable initialization value n0 is used as estimated value n (x) is assumed for a current noise level n;
in the next and optionally in further steps, the estimated value n (x) of the noise level n for an input signal x (k) sampled at preferably equidistant time steps T at times k at a sampling frequency fs = 1 / T is determined as a value n1 (x) the value n1 (x) is adopted as the estimated value n (x) for the current noise level n if the dynamic variations of the input signal x (k) fall below a predefinable threshold value; and wherein the estimated value n (x) determined in the preceding step is taken over unchanged as a new estimated value n (x) for the current noise level n if the dynamic variations of the input signal x (k) exceed a predefinable threshold value ε.
Furthermore, the invention also relates to computer programs and devices for supporting and carrying out such a method, in particular suitable server units, signaling devices, processor modules and programmable gate array modules.
Verfahren zur Geräuscheinschätzung von Hintergrundgeräuschen sind bekannt. Beispielsweise werden Geräuschschätzer verwendet, bei denen für die Schätzung des Geräuschpegels eines Signals der in einem Kurzzeitintervall gemittelte Wert des Signals (SAM = short average magnitude) verwendet wird.Methods for noise estimation of background noise are known. For example, noise estimators are used where for the estimation the noise level of a signal of the averaged in a short time interval Value of the signal (SAM = short average magnitude) is used.
Bei anderen Verfahren wird in längeren Zeitintervallen der sogenannte MAM(= medium average magnitude)-Wert eines Eingangssignales gemessen. Um ein verlässliches Resultat der Schätzung zu erreichen, sind Messzeiten bis zu 500 ms erforderlich. Oft spiegelt auch der MAM-Wert einen zu hohen Geräuschpegel im Vergleich mit dem tatsächlichen Geräuschpegel vor.In other methods, the so-called. At longer time intervals MAM (= medium average magnitude) value of an input signal measured. To achieve a reliable result of the estimation, measurement times are up to required for 500 ms. Often the MAM value too high Noise level compared with the actual noise level before.
Allgemein ist der Wert des Geräuschpegels eines Signals für viele Allgorithmen zur Signalbearbeitung als Schwellenwert oder Steuerwert von großer Bedeutung. Die Zuverlässigkeit und das zeitliche Verhalten eines Geräuschschätzers haben einen großen Einfluss auf die erreichbare Qualität eines Signalbearbeitungs-Algorithmus. Dies gilt insbesondere auf dem Gebiet der Spracherkennung, um die Erkennungsrate zu verbessern, auf dem Gebiet der Echounterdrückung und für die Geräuschreduktion. Anwendungsgebiete für Geräuschschätzer sind beispielsweise Vermittlungsanlagen, Konferenzeinrichtungen, aber auch herkömmliche Telefone oder Handys.Generally, the value of the noise level of a signal is common to many algorithms for signal processing as a threshold or control value of great importance. The reliability and temporal behavior of a noise estimator have a big impact on the achievable quality of a signal processing algorithm. This is especially true in the field of speech recognition, to improve the recognition rate in the field of echo cancellation and for noise reduction. Application areas for noise estimators are, for example, exchanges, conference facilities, but also conventional phones or cell phones.
In Technical disclosure bulletin, Volume 29 Nr.12 (1987), Seiten 5606 bis 5609 wird ein Algorithmus beschrieben, der eine Geräuschwelle automatisch aktualisiert. Ein Tonsignal wird einer Tiefpassfilterung unterzogen und eine Leistung des Mikrophonsignals wird ständig bestimmt. Verbleibt diese Leistung über längere Zeit konstant, so wird das Signal als Hintergrundgeräusch eingestuft, und die Geräuschwelle wird auf einen Wert knapp oberhalb der maximal gemessenen Mikrophonleistung gesetzt. Verändert sich jedoch die Mikrophonleistung stark, so wird davon ausgegangen, dass das Tonsignal aus Sprache besteht, und die Geräuschwelle wird unverändert belassen. In Technical disclosure bulletin, Volume 29, No. 12 (1987), pages 5606 to 5609 An algorithm describing a noise wave is described automatically updated. A sound signal is low-pass filtered and a Power of the microphone signal is constantly determined. Remains this power constant over a longer period of time, the signal becomes background noise classified, and the noise wave is at a value just above the maximum measured microphone power set. However, the changes Microphone power strong, it is assumed that the sound signal off Speech exists and the noise wave is left unchanged.
Nachteilig bei bekannten Schätzverfahren ist das relativ langsame Verhalten bei der Mittelung im Geräuschschätzer. Gerade bei Sprachaktivität mit nur kurzen Sprachpausen in Zeiträumen von < 100 ms reicht oftmals die Zeit nicht aus, um den "Geräuschboden" zu erfassen.A disadvantage of known estimation methods is the relatively slow behavior at averaging in noise estimator. Especially with voice activity with only short Speech pauses in periods of <100 ms often are not enough time to to grasp the "noise floor".
Nach der ITU-T-Richtlinie G.168 werden sogenannte composite signals" verwendet, die aus einer Folge von Signalbursts mit einer Pausenzeit von ca. 100 ms bestehen. Auch hier ist mit den bisher bekannten Verfahren keine exakte Geräuschschätzung möglich.According to the ITU-T guideline G.168 so-called composite signals are used which consists of a sequence of signal bursts with a pause time of exist for about 100 ms. Again, with the previously known methods no exact noise estimation possible.
Ein weiteres Problem der Geräuschschwelle ist die bei erfolgreicher Sprachpegelschätzung durchgeführte Geräuschaktualisierung bei zeitlich sich ändernden Umweltbedingungen. Der geschätzte Geräuschwert schwankt somit in gewissen, manchmal relativ großen Grenzen.Another problem with the noise threshold is that of successful speech level estimation performed noise update with temporally changing Environmental conditions. The estimated noise value thus fluctuates in certain, sometimes relatively large, limits.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art mit möglichst einfachen Mitteln dahingehend weiterzubilden, dass eine möglichst exakte Ermittlung des aktuellen Geräuschpegels mit möglichst schnellen Adaptionszeiten erreicht wird, die erheblich geringer sind als bei bekannten Verfahren, und dass dazu ein möglichst geringer Rechenaufwand erforderlich ist.Object of the present invention is in contrast, a method of initially described type with the simplest possible means to the effect to further develop that as accurate as possible determination of the current noise level is achieved with the fastest possible adaptation times, the significant are lower than in known methods, and that to the least possible Calculation effort is required.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe auf ebenso überraschend einfache wie wirkungsvolle Art und Weise dadurch gelöst, dass der Wert n1(x) durch den Minimalwert aus der Menge aller sukzessive jeweils innerhalb eines Kurzzeitintervalls mit einer zeitlichen Länge ts ≥ 1ms, vorzugsweise ts ≥ 3ms gefundenen Maximumwerte des Eingangssignals x(k) ermittelt wird; und dass ts=1/fug, wobei fug die untere Grenzfrequenz des übertragenden TK-Systems ist. According to the invention this object is as surprisingly simple as effectively solved by the value n1 (x) by the Minimum value from the set of all successive each within a Short-term interval with a time length ts ≥ 1ms, preferably ts ≥ 3ms found maximum values of the input signal x (k) is determined; and that ts = 1 / fug, where fug is the lower limit frequency of the transmitting TK system is.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also jeweils in einem Kurzzeitintervall der Länge ts ein Maximumwert aus den Abtastwerten des Eingangssignals x(k) bestimmt und für die Abschätzung des aktuellen Geräuschpegels aus der Menge mehrerer hintereinander gefundener Maximumwerte jeweils das Minimum n1(x) als Schätzwert n(x) für den aktuellen Geräuschpegel n herangezogen. Um bereits vor der ersten Messperiode einen Schätzwert n(x) bereitzustellen, wird ein Initialisierungswert n0 vorgegeben.The method according to the invention thus in each case in a short-term interval the length ts is a maximum value from the samples of the input signal x (k) and for the estimation of the current noise level from the set of several maximum values found one after the other, in each case the Minimum n1 (x) used as an estimate n (x) for the current noise level n. In order to provide an estimated value n (x) before the first measuring period, an initialization value n0 is specified.
Falls die dynamischen Variationen des Eingangssignals, insbesondere hervorgerufen durch große Änderungen im Geräuschhintergrund, wie beispielsweise das Zuschlagen einer Tür, das Vorbeifahren eines Lastwagens etc. einen gewissen vorgebbaren Schwellwert ε überschreiten, wird das Schätzverfahren gewissermaßen "angehalten" und jeweils der letzte Schätzwert übernommen, bei dem die Dynamik des Eingangssignals x(k) unterhalb des vorgegebenen Schwellenwerts ε lag. Damit wird verhindert, dass erratische Schätzwerte auf Grund schneller Schwankungen im Signal zustandekommen. Das erfindungsgemäße Verfahren erreicht nämlich eine äußerst schnelle Adaption auf den aktuellen Geräuschpegel in Zeiträumen von etwa 10 ms, im Gegensatz zu den oben erwähnten bekannten Verfahren, die dazu Zeiten in der Größenordnung von 500 ms benötigen.If the dynamic variations of the input signal, in particular caused due to major changes in the background noise, such as slamming a door, passing a lorry, etc. exceeds certain predetermined threshold ε, the estimation method in a sense "stopped" and in each case the last estimate taken, where the dynamics of the input signal x (k) below the given Threshold ε lag. This prevents erratic estimates Reason faster fluctuations in the signal come about. The Namely, the method according to the invention achieves an extremely fast adaptation to the current noise level in periods of about 10 ms, in contrast to the above-mentioned known methods, the times in the Order of magnitude of 500 ms.
Es zeigt sich, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere auch eine korrekte Berechnung bei Anwendung der oben erwähnten G168 "composite signals" mit exakter Ermittlung des Geräuschpegels und sehr schnellen Adaptionszeiten bei äußerst geringem Rechenaufwand ermöglicht wird.It turns out that with the method according to the invention in particular also a correct calculation using the above-mentioned G168 "composite signals" with exact determination of the noise level and very fast adaptation times with extremely low computational complexity becomes.
Die Erfinding ist wie in den Ansprüchen 1 und 8 dargestellt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist das Zeitintervall ts = 1/fug gewählt, wobei fug die untere Grenzfrequenz des übertragenden TK-Systems ist. Damit kann dem Hüllkurvenverlauf der Eingangssignale optimal gefolgt werden. The Erfinding is as shown in claims 1 and 8. In the method according to the invention, the time interval ts = 1 / fug is selected, where fug is the lower limit frequency of the transmitting TK system. In order to the envelope curve of the input signals can be optimally followed.
Insbesondere sollte die zeitliche Länge ts jeweils so gewählt werden, dass eine Adaption von niederfrequenten Signalen im Bereich < 100 Hz ausgeschlossen wird. Üblicherweise liegen die unteren Grenzfrequenzen in einem Bereich fug ≤ 500 Hz. Bei üblichen Telefoniesystemen beispielsweise beträgt die untere Grenzfrequenz 330 Hz. Ein Wert von etwa 10 Hz als Untergrenze für die untere Grenzfrequenz fug entspricht dem Wert eines üblichen HiFi-Verstärkers und ist von daher vernünftig.In particular, the time length ts should each be chosen such that a Adaptation of low-frequency signals in the range <100 Hz excluded becomes. Usually, the lower limit frequencies are in a range fug ≦ 500 Hz. In conventional telephony systems, for example, the lower Cutoff frequency 330 Hz. A value of about 10 Hz as lower limit for the lower Limit frequency fug corresponds to the value of a conventional hi-fi amplifier and is therefore reasonable.
Vorteilhaft für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Variante, bei der als Initialisierungswert n0 der maximal darstellbare Wert des Zielsystems für die Signalübertragung innerhalb des TK-Systems gewählt wird.An advantage for carrying out the method according to the invention is a Variant in which the initial value n0 is the maximum representable value of the Target system for the signal transmission within the telecommunications system is selected.
Eine weitere vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass für die Bestimmung des Schätzwerts n(x) der Wert n1(x) auf einen vorgebbaren oder festen unteren Grenzwert nmin gesetzt wird, falls ein Wert n1(x) < nmin ermittelt wird. Dadurch werden Fehleinschätzungen auf einfache Weise zuverlässig verhindert und somit eine höhere Genauigkeit des Schätzwerts auf Grund der Bereichseinschränkung erzielt.A further advantageous variant of the process according to the invention is characterized, is that n for the determination of the estimated value n (x) is the value n1 (x) at a predeterminable or fixed lower limit value set min if a value n1 (x) <n min is determined. As a result, misjudgements are reliably prevented in a simple manner, and thus a higher accuracy of the estimated value due to the range restriction is achieved.
Dies gilt auch im Hinblick auf eine Obergrenze, die eingeführt werden sollte, um eine verzerrungsfreie Signalübertragung zu gewährleisten. Entsprechend ist bei einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass für die Bestimmung des Schätzwerts n(x) der Wert n1(x) auf einen vorgebbaren oder festen oberen Grenzwert nmax gesetzt wird, falls ein Wert n1(x) > nmax ermittelt wird.This also applies to an upper limit that should be introduced to ensure distortion-free signal transmission. Accordingly, in a further variant of the method according to the invention, the value n1 (x) is set to a predefinable or fixed upper limit value n max for the determination of the estimated value n (x), if a value n1 (x)> n max is determined becomes.
Besonders bevorzugt ist eine Weiterbildung dieser Verfahrensvariante, bei der der obere Grenzwert nmax kleiner oder gleich dem Initialisierungswert n0 gewählt wird, vorzugsweise nmax ≤ n0 - 16dB. Für eine lineare, verzerrungsfreie Signalübertragung im betreffenden TK-System ist dieser obere Grenzwert durch die statistisch ermittelte Sprachdynamik menschlicher Sprache vorgegeben. Particularly preferred is a further development of this method variant, in which the upper limit value n max is chosen to be smaller than or equal to the initialization value n 0, preferably n max ≦ n 0 - 16 dB. For linear, distortion-free signal transmission in the relevant TC system, this upper limit value is predetermined by the statistically determined speech dynamics of human speech.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die innerhalb der Kurzzeitintervalle gefundenen Maximumwerte des Eingangssignals x(k) mit einem Skalierungsfaktor S < 1 multipliziert in die Ermittlung des Werts n1(x) eingehen. Die Mehrzahl der tatsächlichen Pegelwerte liegt nämlich tatsächlich unterhalb des jeweils ermittelten Maximumwerts innerhalb des betreffenden Kurzzeitintervalls.A further advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the maximum values found within the short-term intervals of the input signal x (k) multiplied by a scaling factor S <1 Determine the value n1 (x). The majority of the actual level values that is actually below the maximum value determined in each case within the relevant short-term interval.
Wird der Skalierungsfaktor S ≅ 0,5 gewählt, so entspricht dies in etwa der Lage des Maximalwerts einer statistischen Verteilung, beispielsweise einer Gauß-Verteilung der Abtastwerte im Verhältnis zur Lage des gefundenen maximalen Pegelwerts. Dadurch wird der wirkliche aktuelle Geräuschpegel n im Mittel erheblich besser getroffen als durch die Verwendung des unskalierten Maximumwertes.If the scaling factor S ≅ 0.5 is selected, this roughly corresponds to the position the maximum value of a statistical distribution, for example a Gaussian distribution the samples relative to the location of the found maximum Level value. As a result, the actual current noise level n becomes average Much better hit than by using the unscaled Maximum value.
Für Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur sicheren Sprach-Pausen-Detektion ist es vorteilhaft, wenn der Schätzwert n(x) als Maß für einen aktuell abgeschätzten Geräuschpegel mit einem Faktor D > 1 skaliert wird.For applications of the method according to the invention for secure speech pause detection it is advantageous if the estimated value n (x) as a measure of a currently estimated noise level is scaled by a factor D> 1.
Durch Simulation wurden als günstigste Werte für den Faktor D anwendungsabhängig Werte im Bereich 2 ≤ D ≤ 5, vorzugsweise 3 ≤ D ≤ 4 gefunden. Damit ergibt sich übrigens ein Abstand von ca. 6 dB zwischen dem Sprachsignal und dem statistisch gemittelten Geräuschsignal, was allgemein als akzeptabler Störabstand gilt.By simulation, the most favorable values for factor D became application-dependent Values in the range 2 ≦ D ≦ 5, preferably 3 ≦ D ≦ 4 found. In order to Incidentally, there is a distance of about 6 dB between the speech signal and the statistically averaged noise signal, which is generally considered to be an acceptable signal-to-noise ratio applies.
Besonders bevorzugt ist auch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der ein fester Schwellwert ε = const. eingestellt wird, vorzugsweise ε ≈ 12dB. Mit diesem durch Simulationen gewonnenen Wert lassen sich die meisten praktischen Anwendungsfälle gut abdecken.Particularly preferred is also an embodiment of the invention Method in which a fixed threshold ε = const. is set, preferably ε ≈ 12dB. With this value obtained by simulations can be cover most practical applications well.
Alternativ zur Einführung eines festen Schwellwertes ε kann bei einer anderen vorteilhaften Verfahrensvariante der Schwellwert ε = ε(x) adaptiv mit der Rauhigkeit des Pegels des Eingangssignals x(k) verändert werden. Damit lässt sich eine optimale und äußerst schnelle Aktualisierung und Anpassung des geschätzten Pegelwertes an die tatsächlichen Geräuschverhältnisse erreichen.Alternatively to the introduction of a fixed threshold value ε can be at another advantageous method variant of the threshold ε = ε (x) adaptive with the Roughness of the level of the input signal x (k) to be changed. Leave it an optimal and extremely fast update and adaptation of the reach estimated level value to the actual noise conditions.
Vorteilhafterweise kann bei einer Weiterbildung dieser Verfahrensvariante für den adaptiv zu ermittelnden Schwellwert ε(x) ein Startwert ε0 = 12dB gewählt werden, wie er bei der oben beschriebenen alternativen Verfahrensvariante als unveränderlicher Festwert vorgeschlagen wird.Advantageously, in a development of this method variant for the threshold value ε (x) to be determined adaptively selected a starting value ε0 = 12dB be as in the alternative process variant described above as constant fixed value is proposed.
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch eine Servereinheit, eine Prozessor-Baugruppe sowie eine Gate-Array-Baugruppe zur Unterstützung des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens sowie ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens. Das Verfahren kann sowohl als Hardwareschaltung, als auch in Form eines Computerprogramms realisiert werden. Heutzutage wird eine Software-Programmierung für leistungsstarke DSP's bevorzugt, da neue Erkenntnisse und Zusatzfunktionen leichter durch eine Veränderung der Software auf bestehender Hardwarebasis implementierbar sind. Verfahren können aber auch als Hardwarebausteine beispielsweise in IPoder TK-Endgeräten oder herkömmlichen Telefonanlagen implementiert werden.The scope of the present invention also includes a server unit, a Processor assembly and a gate array assembly to support the method described above and a computer program to carry out the process. The method can be used both as a hardware circuit, as well as in the form of a computer program. Nowadays, software programming for powerful DSP's preferred because new knowledge and additional functions easier by a Modification of the software can be implemented on an existing hardware basis are. However, methods can also be used as hardware components, for example in IP or TK terminals or conventional telephone systems implemented become.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.Further advantages of the invention will become apparent from the description and the Drawing. Likewise, the above and those listed further Features according to the invention each individually or for several find use in any combination. The shown and described Embodiments are not meant to be exhaustive. but rather have exemplary character for the description the invention.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. The invention is illustrated in the drawing and is based on embodiments explained in more detail.
Die Figur zeigt ein stark schematisiertes Prinzipbild der Funktionsweise einer Schätzeinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.The figure shows a highly schematic diagram of the functioning of a Estimation device for carrying out the method according to the invention.
Ausgehend von einem Initialisierungswert n0 wird in einem ersten Kurzzeitintervall der zeitlichen Länge ts ≥ 1 ms aus einem abgetasteten Eingangssignal x(k) ein erster geschätzter Wert n1(x) für den Geräuschpegel n, der aus einem Nutzsignal im Eingangssignal x(k) überlagerten Hintergrundgeräusches gemäß folgender Gleichung berechnet: Starting from an initialization value n0, in a first short-term interval of the time length ts ≥ 1 ms, a first estimated value n1 (x) for the noise level n from a sampled input signal x (k) becomes the background noise superimposed on a useful signal in the input signal x (k) calculated according to the following equation:
Dabei ist K = fs/fug der Quotient aus der Abtastfrequenz des abgetasteten Eingangssignales x(k) und der unteren Grenzfrequenz fug des übertragenden TK-Systems. Die Länge des Kurzzeitintervalls ergibt sich zu ts = 1/fug. Damit wird über den Laufindex k das kleinste Zeitintervall dargestellt, das beobachtet werden muss, um nicht auf niederfrequente Signale zu adaptieren.Where K = fs / fug is the quotient of the sampling frequency of the sampled input signal x (k) and the lower limit frequency fug of the transmitting TK system. The length of the short-term interval is ts = 1 / fug. This will be represented over the running index k the smallest time interval that are observed so as not to adapt to low-frequency signals.
Der Wert n1(x) wird also aus dem Minimum eines vorhergehenden Wertes n1(x) bzw. einem Initialisierungswert n0 und des Maximumwertes der mit einem Skalierungsfaktor S ≈ 0,5 skalierten Beträge des Eingangssignals x(k) im Intervall k = 0 bis k = K gewonnen.The value n1 (x) thus becomes the minimum of a previous value n1 (x) or an initialization value n0 and the maximum value of the one Scaling factor S ≈ 0.5 scaled amounts of the input signal x (k) in the interval k = 0 to k = K won.
Für den Fall, dass Sprachaktivität im Eingangssignal x(k) vorliegt, wird als Wert n1(x) ein vom Sprachpegel abhängiger Wert angenommen, da ja der Sprachpegel lauter ist als das Geräusch. Akzeptabel ist beispielsweise ein Störabstand von 6 dB.In the event that voice activity is present in the input signal x (k), then Value n1 (x) assumes a value dependent on the speech level, since the Speech level is louder than the noise. For example, one acceptable Signal to noise ratio of 6 dB.
Der so gefundene Wert n1(x) ändert sich zwar noch mit der Sprache, reagiert aber auf Geräuschreduktion und während Sprachpausen mit extrem kurzer Adaptionszeit. The value n1 (x) found in this way still changes with the language, responds but on noise reduction and during voice pauses with extremely short Adaptation time.
Als eigentlicher Schätzwert n(x) für den aktuellen Geräuschpegel n wird der
oben beschriebene Wert n1(x) nur dann übernommen, wenn die dynamischen
Variationen des Eingangssignals x(k) einen vorgebbaren Schwellenwert ε unterschreiten,
wenn also gilt,
Diese Bedingung kontrolliert dynamische Pegelschwankungen des zu untersuchenden Signals. Beispielsweise mit einem Wert ε = 12 dB wird eine Aktualisierung des Geräuschsignals bei Pegelschwankungen > 12 dB verhindert. In diesem Falle wird einfach der vorhergehende Schätzwert unverändert für den aktuellen Geräuschpegel n übernommen. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn sich das Hintergrundgeräusch schlagartig erhöht oder absenkt, so dass der Sprachpegelschätzer aktiv werden muss. Damit kann ausgeschlossen werden, dass Geräusch- oder Sprachspitzen den Schätzwert n(x) in erratischer Weise in kurzen Zeitabständen verändern.This condition controls dynamic level fluctuations of the examined Signal. For example, with a value ε = 12 dB becomes an update of the noise signal with level fluctuations> 12 dB prevented. In In this case, simply the previous estimate is unchanged for the current noise level n taken over. For example, this is the case when the background noise suddenly increases or decreases, so that the speech level estimator must become active. This can be ruled out that noise or speech peaks erroneously approximate the estimate n (x) change at short intervals.
Die oben beschriebenen dynamischen Pegelschwankungen dx(i) können beispielsweise
aus der Differenz sukzessive aufeinanderfolgender Kurzzeitmittelwerte sam(i)
ermittelt werden gemäß
Falls nun die Hüllkurve der eingehenden Eingangssignale x(i) "stabil" ist, also mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit keine Sprachsignale vorliegen, können die aktuellen Pegelwerte direkt dem Hintergrundgeräusch zugeordnet werden. Andernfalls, wenn die Hüllkurve "wackelt", liegt mit großer Wahrscheinlichkeit Sprache, also überwiegendes Nutzsignal im Eingangssignal x(i) vor, so dass die Spitzen des Eingangssignals nicht für die Abschätzung des Geräuschhintergrunds verwendet werden können. In diesem Fall muss dann, wie oben beschrieben, aus dem Sprachsignal selbst ein skalierter Geräuschwert gewonnen werden.If now the envelope of the incoming input signals x (i) is "stable", ie with almost certainly no speech signals, The current level values can be assigned directly to the background noise become. Otherwise, if the envelope "wobbles", it is very likely Language, ie predominant useful signal in the input signal x (i) before, so that the peaks of the input signal are not for the estimation of the noise background can be used. In this case, then, as above described, obtained from the speech signal itself a scaled noise value become.
Die Zeichnung zeigt nun diesen Vorgang in schematisierter Weise, insbesondere die Maximumbildung aus dem Eingangssignal x(k), die Skalierung mit einem Skalierungsfaktor S und die Minimumbildung zur Gewinnung des Wertes n1(x), die Übernahme dieses Wertes in Abhängigkeit von einem Sprach-Pausen-Detektor (SPD), dessen Ausgangswert gegebenenfalls mit einem anwendungsabhängigen Faktor D skaliert wird, sowie die Schwellwertabschätzung der dynamischen Variationen des Eingangssignals x(k), die im dargestellten Beispiel aus der zeitlichen Änderung des Kurzzeitmittelwerts dsam(x)/dt gewonnen werden.The drawing now shows this process in a schematic way, in particular the maximum formation from the input signal x (k), the scaling with a Scaling factor S and the minimum formation for obtaining the value n1 (x), the assumption of this value as a function of a speech pause detector (SPD) whose output value may be an application-dependent one Factor D is scaled, as well as the threshold estimate of the dynamic Variations of the input signal x (k), in the example shown the temporal change of the short term mean dsam (x) / dt are obtained.
Als Ausgangssignal dieses Verfahrens ergibt sich dann der gewünschte aktualisierte Schätzwert n(x) für einen tatsächlichen Geräuschpegel n.The output signal of this method is then the desired updated Estimated value n (x) for an actual noise level n.
Claims (9)
- A process for determining an estimated value for the noise level n of a background noise which is superimposed on an acoustic useful signal, in particular a human speech signal, transmitted over a telecommunications (= TC) system, in which process
in a first step a predeterminable initialisation value n0 is adopted as estimated value n(x) for a current noise level n;
in the next step and optionally in further steps the estimated value n(x) of the noise level n for an input signal x(k), sampled in preferably equidistant time steps T in each case at times k with a sampling frequency fs = 1/T, is defined as a value n1(x);
the value n1(x) is adopted as estimated value n(x) for the current noise level n when the dynamic variations of the input signal x(k) undershoot a predeterminable threshold value ε;
and in which process the estimated value n(x) determined in the preceding step is adopted unchanged as new estimated value n(x) for the current noise level n when the dynamic variations of the input signal x(k) exceed a predeterminable threshold value ε,
characterised in that
the value n1(x) is determined by means of the minimum value of the quantity of all the successive maximum values of the input signal x(k) in each case found within a short time interval with a time length ts ≥ 1ms, preferably ts ≥ 3 ms; and that ts = 1/fug, where fug is the lower limit frequency of the transmitting TC system, and where fug ≤ 1000 Hz. - A process according to Claim 1, characterised in that fug ≤ 500 Hz, preferably fug ≤ 330 Hz and fug ≥ 10 Hz.
- A process according to Claim 1, characterised in that the maximum representable value of the destination system for the signal transmission within the TC system is selected as initialisation value n0.
- A process according to Claim 1, characterised in that for the determination of the estimated value n(x), the value n1(x) is set at a predeterminable or fixed lower limit value nmin if a value n1(x) < nmin is determined.
- A process according to Claim 1, characterised in that for the determination of the estimated value n(x), the value n1(x) is set at a predeterminable or fixed upper limit value nmax if a value n1(x) > nmax is determined.
- A process according to Claim 1, characterised in that the maximum values, found within the short time intervals, of the input signal x(k), multiplied by a scaling factor S < 1, enter into the determination of the value n1(x).
- A process according to Claim 1, characterised in that a threshold value ε = ε(x) is changed adaptively with the roughness of the level of the input signal x(k).
- Processor module, in particular digital signal processor (=DSP) with means for executing each individual step of the process according to one of the preceding claims.
- Processor module according to Claim 8, characterised in that the processor module consists of a programmable gate array.
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