RU2536343C2 - Способ выделения речевого сигнала в условиях наличия помех и устройство для его осуществления - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в повышении эффективности выделения речевого сигнала в условиях наличия помех. Способ выделения речевого сигнала в условиях наличия помех, в котором входную смесь акустического сигнала и помехи преобразуют в электрический сигнал, фильтруют полосовым фильтром, получив смесь речевого сигнала и помехи с заданной полосой частот, которую усиливают в усилителе низкой частоты (УНЧ), в аналогово-цифровом преобразователе (АЦП) формируют отсчеты смеси сигнала и помехи в цифровом виде и подают их в вычислительное устройство, где формируют пары сумм амплитуд отсчетов определенным образом и рассчитывают амплитуды сигнала для каждого момента времени с использованием полученных результатов суммирования путем решения соответствующих систем линейных уравнений. 2 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение в системах внутренней и мобильной телефонной связи.

Известен способ и система для обработки телефонных вызовов с участием двух цифровых беспроводных абонентских устройств, исключающая двойное кодирование речевых сигналов (заявка 98107812/09 от 29.04.1998), недостатком которого является невысокий уровень качества передачи речи при наличии акустических помех.

Известен также абонентский терминал связи (заявка 98109147/09 от 19.05.1998), недостатком которого является невысокий уровень качества передачи речи при наличии акустических помех.

Известна квазиэлектронная автоматическая телефонная станция (АТС), описанная в книге «Автоматические системы коммутации». Под ред. О.Н. Ивановой. М., Связь, 1978 г., стр.451-455, недостатком которой является невысокий уровень качества передачи речи при наличии акустических помех.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ измерения сигнала в комплексной системе с независимыми измерителями, описанный в книге Максимова М. В., Бобнева М.П., Кривицкого Б.X., и др. «Защита от радиопомех», изд. «Сов. радио», 1976 г., стр.443-447, принятый за прототип.

Способ-прототип заключается в следующем.

В радиотехнической следящей системе (РСС) в соответствии с алгоритмом обработки, который в нем используется, формируется сигнал (S_p1) как сумма результата измерения аддитивная смеси сигнала (S₁) и помехи (P_i), после чего сигнал (S_p1) фильтруется в соответствующем (первом) фильтре.

В автономном измерителе (АИ) измеряется координата Y в соответствии с алгоритмом обработки аддитивной смеси второго сигнала (S₂) и помехи (P₂), который в нем используется. Считается, что второй сигнал известным образом функционально связан с первым сигналом:

S₂=F(S₁).

В АИ полученный сигнал в вычислительном устройстве (ВУ) пересчитывается в систему координат, в которой определяется S_a так, что на выходе ВУ сигнал равен:

S_a=P(D)W_a(D)S₂+W_a(D)P₂,

где P(D)=D^N - оператор, определяющий связь измеряемых координат;

W_a(D) - передаточная функция АИ и ВУ для помехи P₂.

При этом N может принимать значения 0; ±1, ±2.

Затем сигнал S_a фильтруется в соответствующем (втором) фильтре.

В первом и втором фильтрах осуществляется согласование масштабов и размерностей сигналов S_p1 и S_a, а так же минимизации ошибок измерения параметра сигнала S₁(z) за счет фильтрации ошибок P₁ и P=W_a(D)P₂.

Ошибка измерения z складывается из динамической погрешности, обусловленной инерционностью измерителей, и ошибки, вызванной помехами P₁, P₂.

Выходной сигнал устройства:

X(t)=s(t)+z(t)

может быть представлен в виде:

s+z=(W_pF_p+PW_aF_a)s+W_pF_pP₁+W_aF_aP₂,

где F_p, F_a - передаточные функции согласующих соответствующих (первого и второго) фильтров.

При соответствующем выборе передаточных функций согласующих первого и второго фильтров и передаточной функции ВУ может быть снижена ошибка измерения сигнала.

Способ-прототип эффективен в том случае, когда известны функциональная связь второго сигнала с первым сигналом, статистические свойства помех, поступающих на входы устройства, и значения параметров, характеризующих помеховую обстановку, не изменяются во времени, или законы изменения и значения их параметров известны. Для случая, когда статистические свойства помехи неизвестны или параметры помех изменяются, помехоустойчивость недостаточно высока, особенно при решении задачи выделения речевого сигнала в условиях наличия помех.

Задача предлагаемого способа - повышение эффективности выделения речевого сигнала в условиях наличия помех.

Для решения поставленной задачи предлагается способ выделения речевого сигнала в условиях наличия помех, заключающийся в том, что входную смесь акустического сигнала и помехи преобразуют в электрический сигнал, фильтруют полосовым фильтром, получив смесь речевого сигнала и помехи с заданной полосой частот, которые усиливают в усилителе низкой частоты (УНЧ), в аналогово-цифровом преобразователе (АЦП) формируют отсчеты смеси сигнала и помехи в цифровом виде и подают их в вычислительное устройство, где формируют пары сумм амплитуд отсчетов следующим образом:

первая пара сумм (первый момент времени):

- первая из пары - с первого отсчета, содержащая отсчеты, число которых прямо пропорционально значению частоты, с которой формируются отсчеты в АЦП, и обратно пропорционально ширине полосы частот сигнала (n₁);

- вторая из пары - с первого отсчета, содержащая отсчеты, число которых в некоторое число раз (m₁) превышает число отсчетов, содержащееся в первой сумме данной пары (m₁n₁);

вторая пара сумм (второй момент времени):

- первая из пары - с (n₁+1)-го отсчета, содержащая n₁ отсчетов,

- вторая из пары - с (n₁+1)-го отсчета, содержащая отсчеты, число которых в некоторое число раз (m₂) превышает число отсчетов, содержащееся в первой сумме данной пары (m₂n₁);

последующие пары сумм -

для каждой i-й суммы (i-й момент времени):

- первая из пары - с (in₁+1)-го отсчета, содержащая n₁ отсчетов,

- вторая из пары - с (in₁+1)-го отсчета, содержащая отсчеты, число которых в некоторое число раз (m₁) превышает число отсчетов, содержащееся в первой сумме данной пары (m₁n₁),

рассчитывают амплитуды сигнала для каждого момента времени с использованием полученных результатов суммирования путем решения соответствующих систем линейных уравнений.

Предлагаемый способ заключается в следующем:

а) Образуется пара сумм амплитуд отсчетов следующим образом.

Первая из пары - с первого отсчета и содержащая n₁ отсчетов, причем

n₁=F_o/F_с,

F_o - частота, с которой формируются отсчеты в АЦП,

F_c - ширина полосы частот сигнала.

Или:

n₁=T₁F_с,

где T₁ - временной интервал, определяемый шириной полосы частот сигнала.

То есть:

$$T1=1/F_c.\text{ (1)}$$

Вторая из пары - с первого отсчета и содержащая l₁n₁ отсчетов:

n₂=l₁n_1.

б) Рассчитывается амплитуда сигнала в начальный момент времени с использованием полученных результатов суммирования следующим образом:

$$U_c=(k_{2п}{U}_1-k_{1п}{U}_2)/(k_{2п}{k}_{1c}-k_{1п}{k}_{2c}),\text{ (2)}$$

где U₁, U_2i - амплитуды первой суммы амплитуд отсчетов и второй суммы из пары сумм амплитуд отсчетов;

k_1с, k_2с, k_1п, k_2п - коэффициенты преобразования, учитывающие эффективность суммирования (интегрирования) сигнала и помехи для первой и второй сумм соответственно.

Выражение (1) получено следующим образом. Для предложенного способа результат суммирования амплитуд сигнала и помехи для первой и второй сумм i-й пары соответственно может быть записан:

$$U_1=k_{1c}{U}_c+k_{1п}{U}_{п},\text{ (3)}$$

$$U_2=k_{2c}{U}_c+k_{2п}{U}_{п},\text{ (4)}$$

где U_c, U_п - амплитуды сигнала и помехи.

Система уравнений (3), (4) является системой линейных уравнений с двумя неизвестными U_с и U_п.

Значения коэффициентов k_1с, k_2с, k_1п, k_2п определяются следующим образом.

Сигнал при суммировании (интегрировании) накапливается практически линейно, поскольку он не является случайным процессом, т.е.:

$$U_{1выхс}=n_1{K}_{нс}{U}_{с}\text{, (5)}$$

$$U_{2выхс}=l_1{n}_1{K}_{нс}{U}_{с}\text{, (6)}$$

где K_нс - эффективность накопления сигнала.

Тогда:

$$U_{1выхс}=k_{1с}{U}_{с}=n_1{K}_{нс}{U}_{с}\text{, (7)}$$

$$U_{2выхс}=k_{2с}{U}_{с}=l_1{n}_1{K}_{нс}{U}_{с}\text{. (8)}$$

Из выражений (6) и (7) получим соответственно:

$$k_{1c}=n_1{K}_{нс},\text{ (9)}$$

$$k_{2c}=l_1{n}_1{K}_{нс}.\text{ (10)}$$

Помеха при суммировании накапливается нелинейно, поскольку является случайным процессом (см., например, книгу Максимова М.В., Бобнева М.П., Кривицкого Б.X., и др. «Защита от радиопомех», изд. «Сов. радио», 1976 г., стр.348…349), т.е.:

$$U_{1выхп}=\sqrt{n_1}{K}_{нп}{U}_{п},\text{ (11)}$$

$$U_{2выхп}=\sqrt{l_1{n}_1}{K}_{нп}{U}_{п},\text{ (12)}$$

где K_нп - эффективность накопления помехи, значение которого зависит от значения автокорреляционного коэффициента помехи.

Тогда:

$$k_{1п}{U}_{п}=U_{выхп}=\sqrt{n_1}{K}_{нп}U{,}_{п}\text{ (13)}$$

$$k_{2п}{U}_{п}=U_{выхп}=\sqrt{l_1{n}_1}{K}_{нп}{U}_{п}\text{. (14)}$$

Из выражений (11) и (12) получим соответственно:

$$k_{1п}=\sqrt{n_1}{K}_{нп}\text{, (15)}$$

$$k_{2п}=\sqrt{l_1{n}_1}{K}_{нп}\text{. (16)}$$

Решая данную систему уравнений, получим выражения для U_с:

$$U_{с}=(k_{2п}-k_{1п}{U}_2)/(k_{2п}{k}_{1с}-k_{1п}{k}_{2с}).\text{ (17)}$$

Из анализа выражений (3), (4), (17) следует, что при отсутствии сигнала рассчитанное значение U_c=0.

Рассчитываются значения сумм амплитуд отсчетов:

значения первой пары сумм (первый момент времени):

- первая из пары - с первого отсчета, содержащая отсчеты, число которых прямо пропорционально значению частоты, с которой формируются отсчеты в АЦП, и обратно пропорционально ширине полосы частот сигнала (n₁);

- вторая из пары - с первого отсчета, содержащая отсчеты, число которых в некоторое число раз (m₁) превышает число отсчетов, содержащееся в первой сумме данной пары (m₁n₁);

значения второй пары сумм (второй момент времени):

- первая из пары - с (n₁+1)-го отсчета, содержащая n₁ отсчетов,

- вторая из пары - с (n₁+1)-го отсчета, содержащая отсчеты, число которых в некоторое число раз (m₂) превышает число отсчетов, содержащееся в первой сумме данной пары (m₂n₁);

значения последующих пар сумм - для каждой i-й суммы (i-й момент времени):

- первая из пары - с (in₁+1)-го отсчета, содержащая n₁ отсчетов,

- вторая из пары - с (in₁+1)-го отсчета, содержащая отсчеты, число которых в некоторое число раз (m₁) превышает число отсчетов, содержащееся в первой сумме данной пары (m₁n₁),

Для i-го момента времени коэффициенты преобразования сигнала и помехи рассчитываются соответственно:

$$k_{1с}=n_1{K}_{нс}\text{, (18)}$$

$$k_{2с}=m_i{n}_1{K}_{нс}\text{, (19)}$$

$$k_{1п}=\sqrt{n_1}{K}_{нп}\text{, (20)}$$

$$k_{2п}=\sqrt{m_i{n}_1}{K}_{нп}.\text{ (21)}$$

Рассчитываются амплитуды сигнала для каждого момента времени с использованием полученных результатов суммирования по формуле (17).

Ниже приведены результаты моделирования процесса вычисления значений амплитуды сигнала.

Помеха при моделировании представлена в виде совокупности гармонических колебаний со случайными значениями амплитуд (U_пi) и фаз (φ_пi), которые распределены по нормальному (амплитуды) и равномерному (фазы) законам (см., например, учебное пособие «Основы теории радиотехнических систем». Учебное пособие. //В.И. Борисов, В.М. Зинчук, А.Е. Лимарев, Н.П. Мухин. Под ред. В.И. Борисова. Воронежский научно-исследовательский институт связи, 2004., стр.51):

$$U={\displaystyle \sum _{i=1}^K{U}_{Pi}Cos({\omega }_{Pi}t+{\phi }_{Pi}),}\text{ (22)}$$

где K - число гармонических составляющих помехи, используемых для ее представления (аппроксимации).

Эффективность накопления сигнала и помехи (соответственно K_нс, K_нп) принималась равной единице.

В таблице представлены результаты моделирования процесса расчета амплитуд сигнала (отклонение рассчитанного значения амплитуды сигнала от его истинного значения), которое было осуществлено методом математического моделирования на ЭВМ с использованием системы MATLAB.

В таблице приведены следующие обозначения:

U_п/U_с - отношение амплитуды помехи к амплитуде сигнала;

N1 - число гармонических составляющих помехи, используемых для ее представления (аппроксимации);

τ_н1 - длительность накопления сигнала и помехи для первой суммы отсчетов (в относительных единицах);

τ_н2 - длительность накопления сигнала и помехи для второй суммы отсчетов (в относительных единицах).

Таблица
Uп/Uс	N1	τн1	τн2	Отклонение рассчитанного значения амплитуды сигнала от его истинного значения, %
1	10	1	2	8
1	20	1	2	6,5
1	30	1	2	4,3
1	10	1	4	2,5
1	20	1	4	1,75
1	30	1	4	1,35
1	10	1	6	1,3
1	20	1	6	0,87
1	30	1	6	0,75
1	10	2	4	2,7
1	20	2	4	1,8
1	30	2	4	1,6
1	10	2	6	1,4
1	20	2	6	0,97
1	30	2	6	0,8
2	10	1	4	5,2
2	20	1	4	3,4
2	30	1	4	2,8
2	10	1	6	2,5
2	20	1	6	1,85
2	30	1	6	1,4
2	10	2	4	5,3
2	20	2	4	3,5
2	30	2	4	3,1

2	10	2	6	2,7
2	20	2	6	2,1
2	30	2	6	1,45
4	10	1	4	10
4	20	1	4	7
4	30	1	4	5,8
4	10	1	6	5,1
4	20	1	6	3,7
4	30	1	6	3,1
4	10	2	4	12
4	20	2	4	8
4	30	2	4	6,3
4	10	2	6	5,3
4	20	2	6	3,7
4	30	2	6	3,1
8	10	1	6	10,4
8	20	1	6	7,3
8	30	1	6	6
8	10	1	8	6,5
8	20	1	8	4,7
8	30	1	8	3,7
8	10	4	8	7,4
8	20	4	8	5,2
8	30	4	8	4,3

Из анализа данных, приведенных в таблице, может быть сделан вывод, что приемлемая точность расчета амплитуды сигнала при наличии помех (погрешность не превышает 5%) может быть обеспечена:

- для значения отношения амплитуды помехи к амплитуде сигнала равным единице - при обеспечении накопления в первом канале τ или 2 τ, а во втором канале - не менее 4 τ;

- для значения отношения амплитуды помехи к амплитуде сигнала равным двум - при обеспечении накопления в первом канале τ или 2 τ, а во втором канале - не менее 4 τ;

- для значения отношения амплитуды помехи к амплитуде сигнала равным четырем - при обеспечении накопления в первом канале τ или 2 τ, а во втором канале - не менее 6 τ;

- для значения отношения амплитуды помехи к амплитуде сигнала равным восьми - при обеспечении накопления в первом канале τ или 2 τ, а во втором канале - не менее 8 τ.

Таким образом, при использовании заявляемого способа передача речи осуществляется практически без искажений в случае, когда амплитуда помехи значительно превышает амплитуду сигнала.

Известен абонентский терминал связи (заявка 98109147/09 от 19.05.1998), недостатком которого является невысокий уровень качества передачи речи при наличии акустических помех.

Известна квазиэлектронная автоматическая телефонная станция (АТС), описанная в книге «Автоматические системы коммутации». Под ред. О.Н. Ивановой. М., Связь, 1978 г., стр.451-455, недостатком которой является невысокий уровень качества передачи речи при наличии акустических помех.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство измерения сигнала в комплексной системе с независимыми измерителями, описанное в книге Максимова М.В., Бобнева М.П., Кривицкого Б.X., и др. «Защита от радиопомех», изд. «Сов. радио», 1976 г., стр.443-447, принятое за прототип.

Структурная схема устройства-прототипа приведена на фиг.1, где обозначено:

5 - вычислительное устройство (ВУ);

6 - радиотехническая следящая система (РСС);

2, 9 - первый и второй фильтры;.

7 - сумматор;

8 - автономный измеритель (АИ).

Устройство-прототип содержит последовательно соединенные РСС 6, первый фильтр 2, сумматор 7, выход которого является выходом устройства, а также последовательно соединенные автономный измеритель 8, вычислительное устройство 5, второй фильтр 9, выход которого соединен со вторым входом сумматора 7. При этом вход РСС 6 является первым входом устройства, вход автономного измерителя 8 является вторым входом устройства.

Устройство-прототип работает следующим образом.

На вход РСС 6 поступает аддитивная смесь сигнала (S₁) и помехи (P₁), на вход АИ 8 поступает аддитивная смесь второго сигнала (S₂) и помехи (P₂), причем второй сигнал функционально связан с первым сигналом:

S₂=F(S₁).

С выхода РСС 6 сигнал (S_p1) - сумма результата измерения сигнала и помехи в РСС 6 поступает на вход фильтра 2. АИ 8 измеряет координату Y. ВУ 5 пересчитывает выходной сигнал АИ 8 в систему координат, в которой определяется S_a так, что на выходе ВУ 5 сигнал равен:

S_a=P(D)W_a(D)S₂+W_a(D)P₂,

где P(D)=D^N - оператор, определяющий связь измеряемых координат;

W_a(D) - передаточная функция АИ 8 и ВУ 5 для помехи P2.

При этом N может принимать значения 0; ±1, ±2.

Сигнал S_a поступает на вход второго фильтра 9. Первый 2 и второй 9 фильтры предназначены для согласования масштабов и размерностей сигналов S_p1 и S_a, а также минимизации ошибок измерения параметра сигнала S₁ (z) за счет фильтрации ошибок P:

Р=Wa(D)P₂.

Первый 2 и второй 9 фильтры могут также осуществлять операции дифференцирования или интегрирования. Ошибка измерения z складывается из динамической погрешности, обусловленной инерционностью измерителей, и ошибки, вызванной помехами P₁, P₂. Выходной сигнал устройства, который образуется на выходе сумматора 7:

X(t)=s(t)+z(t),

может быть представлен в виде:

s+z=(WpFp+PWaFa)s+WpFpP₁+WaFaP_2,

где F_p, F_a - передаточные функции согласующих первого 2 и второго 9 фильтров.

При соответствующем выборе передаточные функции согласующих первого 2 и второго 9 фильтров и передаточной функции ВУ 5 может быть снижена ошибка измерения сигнала.

Устройство-прототип эффективно работает в том случае, когда известна функциональная зависимость между первым и вторым сигналом, известны статистические свойства помех, поступающих на электроакустические устройства, и значения параметров, характеризующих помеховую обстановку, не изменяются во времени, или законы изменения и значения их параметров известны. В противном случае эффективность устройства-прототипа недостаточно высока.

Задача предлагаемого устройства - повышение эффективности выделения речевого сигнала в условиях наличия помех.

Для решения поставленной задачи в устройство выделения речевого сигнала в условиях наличия помех, содержащее фильтр и вычислительное устройство, согласно изобретению введены электроакустическое устройство (ЭАУ), а также последовательно соединенные усилитель низкой частоты (УНЧ) и аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с входом вычислительного устройства, выход которого является выходом устройства, при этом вход ЭАУ является входом устройства, а его выход соединен с входом фильтра, являющегося полосовым, выход которого подсоединен к входу УНЧ.

Структурная схема заявляемого устройства приведена на фиг.2, где обозначено:

1 - электроакустические устройства (ЭАУ);

2 - полосовой фильтр;

3 - усилитель низкой частоты (УНЧ);

4 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

5 - вычислительное устройство (ВУ).

Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные электроакустическое устройство 1, полосовой фильтр 2, УНЧ 3, АЦП 4 и вычислительное устройство 5, выход которого является выходом устройства. Вход электроакустического устройства 1 является входом устройства. В качестве электроакустических устройств могут использоваться микрофоны или ларингофоны.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Аддитивная смесь сигнала и помехи, поступающая с выхода ЭАУ 1, поступает на вход полосового фильтра 2, на выходе которого образуется сигнал с заданной полосой частот, после чего смесь сигнала и помехи усиливается в УНЧ 3. Отсчеты смеси сигнала и помехи, образуемые в АЦП 4, в цифровом виде поступают в вычислительное устройство 5. Значения выходных напряжений U_1i, U_2i рассчитываются путем суммирования n₁ и m_in₁ отсчетов смеси сигнала и помехи для i-го момента времени соответственно.

Для i-го момента времени коэффициенты преобразования сигнала и помехи рассчитываются соответственно по формулам (18), (19), (20), (21). Рассчитывается значение амплитуды сигнала и помехи по формуле (17).

Результаты моделирования процесса вычисления значений амплитуды сигнала приведены в вышеприведенной таблице.

Вычислительное устройство 5 может быть выполнено в виде программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) и реализовано, например, на микросхеме XC2V3000-6FG676I фирмы Xilinx.

АЦП 4 может быть реализован на микросхеме THS1403IPFB.

УНЧ 3 может быть реализован на микросхеме OP467GS фирмы Analog Devices.

Таким образом, при использовании заявляемого способа и устройства для его осуществления передача речи осуществляется практически без искажений в случае когда амплитуда помехи значительно превышает амплитуду сигнала.

Claims (1)

1. Способ выделения речевого сигнала в условиях наличия помех, заключающийся в том, что входную смесь акустического сигнала и помехи преобразуют в электрический сигнал, фильтруют полосовым фильтром, получив смесь речевого сигнала и помехи с заданной полосой частот, которую усиливают в усилителе низкой частоты (УНЧ), в аналогово-цифровом преобразователе (АЦП) формируют отсчеты смеси сигнала и помехи в цифровом виде и подают их в вычислительное устройство, где формируют пары сумм амплитуд отсчетов следующим образом:
   первая пара сумм (первый момент времени):
   - первая из пары - с первого отсчета, содержащая отсчеты, число которых прямо пропорционально значению частоты, с которой формируются отсчеты в АЦП, и обратно пропорционально ширине полосы частот сигнала (n₁);
   - вторая из пары - с первого отсчета, содержащая отсчеты, число которых в некоторое число раз (m₁) превышает число отсчетов, содержащееся в первой сумме данной пары (m₁n₁);
   вторая пара сумм (второй момент времени):
   - первая из пары - с (n₁+1)-го отсчета, содержащая n₁ отсчетов,
   - вторая из пары - с (n₁+1)-го отсчета, содержащая отсчеты, число которых в некоторое число раз (m₂) превышает число отсчетов, содержащееся в первой сумме данной пары (m₂n₁);
   последующие пары сумм -
   для каждой i-й суммы (i-й момент времени):
   - первая из пары - с (in₁+1)-го отсчета, содержащая n₁ отсчетов,
   - вторая из пары - с (in₁+1)-го отсчета, содержащая отсчеты, число которых в некоторое число раз (m_i) превышает число отсчетов, содержащееся в первой сумме данной пары (m_in₁),
   рассчитывают амплитуды сигнала для каждого момента времени с использованием полученных результатов суммирования путем решения соответствующих систем линейных уравнений.

Images