SE513892C2 - Spektral effekttäthetsestimering av talsignal Metod och anordning med LPC-analys - Google Patents

Description

513 892 2 eller reducerar denna "nivåpumpning " i bakgrundsbullret vid relativt låg komplexitet och utan numeriska stabilitetsproblem.

Detta syftemål uppnås genom ett förfarande och en anordning i enlighet med de bifogade patentkraven.

Grundidén till denna uppfinning är att använda en databeroende (eller adaptiv) dynamisk variationsområdesexpansion för den parametriska spektrummodellen i syfte att förbättra den hörbara talkvaliten i en bullersläckare baserad på spektral subtraktion.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Denna uppfinning samt ytterligare syftemål och fördelar med denna förstås bäst genom hänvisning till nedanstående beskrivning och de bifogade ritningarna, i vilka: FIGUR 1 är ett blockschema som illustrerar en utföringsforrn av en anordning i enlighet med föreliggande uppfinning; FIGUR 2 är ett blockschema av en annan utföringsform av en anordning i enlighet med föreliggande uppfinning; FIGUR 3 är ett diagram som illustrerar den sanna spektrala effekttätheten, ett paramet- riskt estimat av den sanna spektrala effekttätheten och ett med avseende på inkonsistens kompenserat estimat av den sanna spektrala effekttätheten; FIGUR 4 är ett annat diagram som illustrerar den sanna spektrala effekttätheten, ett parametriskt estimat av den sanna spektrala effekttätlieten och ett med avseende på inkonsistens kompenserat estimat av den sanna spektrala effekttätheten; FIGUR 5 är ett flödesschema som illustrerar förfarandet som utförs av utföringsformen enligt figur 1; och g 515 892 3 FIGUR 6 är ett flödesschema som illustrerar förfarandet som utförs av utföringsforrnen i figur 2.

DETALJERAD BESKRIVNING Av DE FÖREDRAGNA UTPÖRINGSFORMERNA I ritningarria har genomgående samma hänvisningsbeteckningar använts för motsvarande eller liknande element. I syfte att förenkla beskrivningen av föreliggande uppfinning har vidare uppfmníngens matematiska bakgrund överförts till bifogade appendix. I nedanstående beskrivning hänvisar siffror inom parentes till motsvarande ekvationer i detta appendix.

Figur 1 visar ett blockschema av en utföringsforrn av anordningen i enlighet med föreliggande uppfinning. En talram {x(k)} leds till en LPC-analysator (LPC-analys beskrivs i exempelvis [5]). LPC-analysatorn 10 bestämmer en uppsättning filterkoefficienter (LPC- parametrar) som leds till en PSD-estirnator 12 (PSD = power spectral density = spektral effekttäthet) och ett inverst filter 14. PSD-estimatorn 12 bestämmer ett parametriskt spektralt effekttäthetsestimat för insignalrainen {x(k)} ur LPC-parametrarna (se (1) i bifogade appendix), I figur 1 används ej insignalens varians såsom insignal till PSD-estimatorn 12.

Istället leds en enhetssignal "1" till PSD-estirnatom 12. Skälet härtill är helt enkelt att variansen endast skulle skala PSD-estimatet, och eftersom denna skalningsfaktor måste elimineras i slutresultatet (se (9) i bifogade appendix) är det enklare att eliminera densamma ur FSD-beräkningen. Estimatet från PSD-estimatom 12 kommer att innehålla den ovan nämnda "nivåpumpnings"-inkonsistensen.

I syfte att kompensera för demia "nivåpumpnings"-inkonsistens leds insignalramen {x(k)} också till det inversa filtret 14 för bildande av en resídualsignal (se (7) i bifogade appendix) som leds till ytterligare en LPC-analysator 16. LPC-analysatorn 16 analyserar residualsigna- len och leder motsvarande LPC-parametrar (varians- och filterkoefficienter) till en PSD- estimator 18 för residualsignalen, vilken estimator bildar ett parametriskt spektralt effekttäthetsestimat av residualsignalen (se (8) i bifogade appendix).

Slutligen multipliceras de två parainetriska spektrala effekttäthetsestimaten för insignalen 513 892 4 respektive residualsignalen med varandra i en multiplicerare 20 för erhållande av ett med avseende på inkonsistensen kompenserat parametriskt spektralt effekttäthetsestirnat av insignalramen {x(k)} (detta svarar mot ekvation (9) i bifogade appendix).

Exempel Följande scenario betraktas: ramlängden N=1024 och AR-modellordningen p=10 (AR=AutoRegressiv). Det underliggande sanna systemet modelleras av ARMA-processen (ARMA = AutoRegressive-Moving Average) _ -l -2 XUÖ = l-z +0.9z e(k) l-3.Oz"1+4.64z 2-4.44z'3+2 .62z'4-0 .77z'5 där e(k) utgörs av vitt brus.

Figur 3 visar den sanna spektrala effekttätheten för ovanstående process (heldragen linje), det inkonsistenta spektrala effekttäthetsestimatet från PSD-estimatorn 12 (punktstreckade linjen) och den med avseende på inkonsistensen kompenserade spektrala effekttäthetsestimatet i enlighet med föreliggande uppfinning (streckade linjen). Ur figur 3 framgår klart att det med avseende på inkonsistensen kompenserade spektrala effekttäthetsestímatet i allmänhet ligger närmare den sanna underliggande spektrala effekttätheten. Det med avseende på in- konsistensen kompenserade estimatet ligger i synnerhet i de djupa dalarna (Lex. för w/(21r) =O,l7) mycket närmare (med 5 dB) den sanna spektrala effekttätheten.

I en föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning kan en designparameter y användas för att multiplicera det med avseende på inkonsistensen kompenserade estirnatet. I figur 3 har parametem y antagits vara lika med l. I allmänhet utgörs y av ett positivt tal nära 1. I den föredragna utföringsformen har y ett värde som indikeras i algoritmsektionen i bifogade appendix. I detta fall ändrar sig därför y från ram till ram. Figur 4 är ett diagram liknande diagrammet i figur 3, i vilket det med avseende på inkonsistensen kompenserade estirnatet skalats med detta värde på y. 513 892 5 i Den ovan beskrivna utföringsforrnen i figur 1 kan karakteriseras som en kompensering i frekvensdomänen, eftersom den faktiska kompenseringen utförs i frekvensdomänen genom multiplicering av två spektrala effekttäthetsestirnat med varandra. En sådan operation motsvaras dock av faltriing i tidsdomänen. Därför finns en ekvivalent implementering av uppfinningen i tidsdomänen. En sådan utföringsforrn visas i figur 2.

I figur 2 leds insignalramen till LPC-analysatorn 10 såsom i figur 1. Ingen spektral effekttâthetsestirnering utförs dock med de erhållna LPC-parametrarna. Istället leds filterparametrarna från LPC-analysen av insignalen och av residualsignalen till en faltningskrets 22, som leder de faltade parametrarna till en PSD-estimator 12', som bildar det med avseende på inkonsistensen kompenserade estirnatet, som kan multipliceras med y.

Faltningssteget kan betraktas såsom en polynommultiplikation, varvid ett polynom som definieras av filterparametrarna för insignalen multipliceras med ett polynom som definieras av filterparametrarna för residualsignalen. Koefficienterna för det resulterande polynomet representerar de med avseende på inkonsistensen kompenserade LPC-pararnetrarna.

Polynommultiplikationen kommer att resultera i ett polynom av högre ordning, dvs. i flera koefficienter. Detta är dock inget problem, eftersom det är praxis att "nollutfylla" (zero pad) insignalen till en PSD-estirnator för att erhålla ett tillräckligt antal sampel av PSD-estimatet.

Konsekvensen av det högre gradtalet i polynomet som erhålls från faltningen kommer endast att bli fårre nollor.

Flödesscheman som motsvarar utföringsforinerna i figur 1 och 2 ges i figur 5 respektive 6.

Motsvarande frekvens- och tidsdomänalgoritrner ges dessutom i bifogade appendix.

En grov uppskattning av den numeriska komplexiteten kan erhållas enligt följande.

Residualfiltreringen (7) erfordrar =Np operationer (summeringar + adderingar). LPC- analysen av e(k) erfordrar =Np operationer för bildande av kovarianselementen och =p2 operationer för att lösa motsvarande uppsättning av ekvationer (3).

Av algoritmerna (frekvens- och tidsdomän) år tidsdomänalgoritmen den mest effektiva, eftersom den erfordrar z pz operationer för utförande av faltiiingen. Sammanfattningsvis kan kompenseringen med avseende på inkonsistens utföras i ungefär = 2p(N +p) operationer/ram.

Med exempelvis n=256 och p=lO samt 50% ramöverlappning erfordrar den inkonsisten- 513 892 6 skompenserande algoritmen approximativt 0,5x106 instruktioner/ sekund.

I denna beskrivning har uppfinningen beskrivits under hänvisning till talsignaler. Sarnma idé är dock även användbar i andra tillämpningar som baseras på parametrisk spektral estirnering av mätsignaler. Sådana tillämpningar finns exempelvis inom områdena radar och sonar, ekonomi, optisk interferometri, biomedicin, vibrationsanalys, bildbehandling, radioastronomi oceanografi, etc.

Fackmannen inser att olika modifieringar och ändringar kan utföras vid föreliggande uppfinning utan avvikelse från dess anda och ram, som definieras av de bifogade patentkraven. [1] [2] [3] [41 [5] [6] 513 892 7 REFERENSER S.F. Boll, "Suppression of Acoustic Noise in Speech Using Spectral subtraction", IEEE Transactions on Acoustics, Speech and Signal Processing, Vol. ASSP-27, April 1979, pp 113-120.

J .S. Lim and A.V. Oppenheirn, "Enhancement and Bandwidth Compression of Noisy Speech", Proceedings of the IEEE, Vol. 67, No. 12, December 1979, pp. 1586-1604.

S.M. Kay, Modern Spcctral estimation: Theory and Application, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1988, pp 237-240.

J .G. Proakis et al, Advanced Digital Signal Processing, Macmillam Publishing Company, 1992, pp. 498-510.

J .G. Proakis, Digital Communications, MacGraw Hill, 1989, pp. 101-110.

P. Händel et al, "Asymptotic variance of the AR spectral estimator for noisy sinusoidal data", Signal Processing, Vol. 35, No. 2, January 1994, pp. 131-139. 513 892 8 APPENDIX Betrakta den reellvärda signalen k: = 1,... ,N med medelvärde noll, där N betecknar rarnlängden (N = 160, till exempel). Den autoregressiva spektrala estimatorn (ARSPE) ges av, se [3, 4] 62 êzlw) = (1) där w är vinkelfrekvensen w E (0, 21r). I (1), ges Ä(z) av A A(z)=1+ä1z+~~-+âpzp (2) där Öæ = (à1---àp)T är de estimerade AR-koefficienterna (hittas genom LPG-analys, se [5]) and å: är residualfelvariansen. Den estimerade parametervektorn å, och ä: beräknas ur enligt följande: âx = -ifrlf (3) ^í = fr, + ffßx där 720 Tlšp-l 7^'1 1% = ' r = <4) íp_1 1^°0 fp och där 1 N-lc f_k=^k k=Û,...,p t=l Uppsättníngen linjära ekvationer (3) kan lösas genom användning av Levinson-Durbin al- goritmen, see Det spektrala estimatet (1) är känt för att vara jämnt och dess stastis- tiska egenskaper har analysetats i [6] för bredbandiga respektive brusiga smalbandiga. signaler.

I allmänhet uppträder, på grund av modellfel, viss inkonsistens (bias) i de spektrala dalarna. Grovt kan denna inkonsistens beskrivas som Ä w Û for w such that æ(w) z rnaxw ,,(w) ÖÄW) _ ÖÅW) (6) >> 0 for w such that æ(w) << maxw ,(w) 513 892 9 där æ(w) är estimatet (1) och ,(w) är den sanna (och okända.) spektrala efiekttätheten av I syfte att reducera den inkonsistens som förekommer i de spektrala dalarna beräknas residualen enligt sug) = Åçfaæuç) k = 1, . . . ,N (v) Om en ny LPC-analys utförs på kan residualens spektrala effekttäthet beräknas ur, se (l) - âg ;(w) = (3) där, på liknande sätt som i (2), Ö; = (föl - - - /ÉQT betecknar de estimerade AR-koefficienterna och å: betecknar felvariansen. I allmänhet är modellordningen q % p, men här synes det vara rimligt att låta p = q. Företrädesvis är p æ JN, exempelvis kan N väljas kring 10.

I den nedan föreslagna frekvensdomänalgoritmen kompenseras estimatet (1) enligt ß Öáw) = ~ Öáw) - <1*=(w) (9) > Wie där 'y (a: 1) är en designvaríabel. Frekvensdomänalgoritmen summeras i algoritmsektio- nen nedan och i blockschemat i Fig. 1 och 5.

En motsvarande tidsdomänalgoritm summeras också i algoritrnsektionen och i Fig. 2 och 6. I detta fall utförs kompensationeni ett faltningssteg, i vilket LPC-fílterkoeilicienterna Ö; kompenseras. Denna utföringsform är efiektivare, eftersom en PSD-estimering ersätts aven mindre komplex faltriing. I denna utföríngsform kan skalningsfaktorn 'y helt enkelt sättas till en konstant nära eller lika med 1. Det är dock även möjligt att beräkna 'y för varje ram, såsom i frekvensdomänalgoritmen genom beräkning av den rot till det av Ö; definierade karakteristiska polynomet som ligger närmast enhetscirkeln. Om vinkeln för denna rot betecknas ZD , erhålls 513 892 1 Û ALGORITMER INSIGNALER X P INDATA x = - - - æ(N))T LPC-modellordrxing UTSIGNALER êx Q> HN) »Qo H »Gu u Ü) > 0) > 0! to sígnalens LPC-paralnetrar Öæ = (ål - - ~ âp)T sígnalens LPC-Iesídualvamians sígnalens LPG-spektrum Öæ = - - - Öz(N/2))T kompenserat LPG-spektrum Ö: = (Öxfl) - - - Ö,(N/2))T residual s: = (e(1)- - - a(N))T resídualens LPC-paraxnetrar ÖB = (E31 - - -ÉZJT residualens LPC-felvaríarls A designvariabel (=l/(maxk ¿(k)) i föredragen utföríngsform) 513 892 1 1 FREKVENSDÖMÄNALGÖRITM FÖR VARJE RAM UTFÖR FÖLJANDE STEG; (estímering av speldzral effekttäthet) [Öm f] := LPCanalyzebc, p) LPG-analys av signal Öx := SPECUâæ, 1, N) spektral estimering av signal, å: sätts till 1 (inkonsistenskompensering) e := FILTER(Ö,,, x) residualfiltrering [Öm âš] := LPCana1yze( e, p) LPG-analys av resídual ÖE := SPECXÖE, âš, N) spektral estimering av resídual FÖR k=1 TILL N/ 2 UTFÖR spektral kompenserixlg 54k) == v- Öák) - ÖSUC) l/(maxk ÖEUÛ) S v S 1 SLUT TIDSDÖMÅNALGÖRITM FÖR VARJE RAM UTFÖR FÖLJANDE STEG; [Öw f] := LPCanalyze(x, p) LPG-analys av signal s := FILTER(Ö,, x) residualfiltrering [Ön âš] := LPCanalyze(s, p) LPG-analys av residual Ö :=CONV(Ö,,,Ö_E) LPC-kompensering Ö := SPECXÖ, âf, N) spektral estimíxneríng FÖR k=1 TILL N/z UTFÖR mk) == 7- img) skahfing SLUT

Claims (10)

513 892 12 PATENTKRAV

1. Förfarande för spektral effekttäthetsestirneririg, innefattande stegen: utförande av LPC-analys på en insignalvektor för bestämning av en första uppsättning LPC-ñlterpararnetrar; bestämning av ett första spektralt effekttäthetsestirnat av irisignalvektorn på basis av den första uppsättningen LPC-filter-pararnetrar; filtrering av insignalvektorn genom ett inverst LFC-filter bestämt av den första uppsättningen LPC-filterpararnetrar, i och för erhållande av en residualsignalvektor; utförande av LPG-analys på residualsignalvektorn för bestämning av en andra uppsättning LPC-ñlterpararnetrar; bestämning av ett andra spektralt effekttäthetsestirnat av residualsignalvektorn på basis av den andra uppsättningen LPC- filterparametrar; och bildande av ett med avseende på inkonsistens kompenserat spektralt effekttäthetsesti- mat av insignalvektorn som är proportionellt mot produkten av det första och det andra spektrala effekttäthetsestirnatet.

2. Förfarande enligt krav 1, i vilket produkten multipliceras med en positiv skalningsfaktor som är mindre än eller lika med 1.

3. Förfarande enligt krav 2, i vilket skalningsfaktorn utgörs av det inverterade värdet av det andra spektrala effekttäthetsestirnatets maxirnivärde.

4. Förfarande enligt krav 1, 2 eller 3 i vilket insignalvektorn innehåller talsampel.

5. Förfarande för spektral effekttäthetsestirnering, innefattande stegen: utförande av LPC-analys på en insignalvektor för bestämning av en första uppsättning LPC-filterpararnetrar; filtrering av insignalvektorn genom ett inverst LPC-ñlter bestämt av den första uppsättningen av LPC-filterpararnetrar, i och för erhållande av en residualsignalvektor; utförande av LPC-analys på residualsignalvektorn för bestämning av en andra uppsättning LPC-filterparametrar; 513 892 13 _ faltning av den första uppsättningen LPC-filterpararnetrar med den andra upp- sättningen av LPC-filterpararnetrar, i och för bildande av en kompenserad uppsättning LPC- filterparametrar; bestämning av ett med avseende på inkonsistens kompenserat spektralt effekttäthetses- timat av insignalvektorn på basis av den kompenserade uppsättningen av LPC-filterparamet- Iaf.

6. Förfarande enligt krav 5, i vilket det med avseende på inkonsistens kompenserade spektrala effekttätlretsestirrtatet multipliceras med en positiv skalningsfaktor som är mindre än eller lika med 1.

7. Förfarande enligt krav 6, i vilket skalningsfaldorn utgörs av det inverterade värdet av maximivärdet av ett spektralt effekttäthetsestimat av residualsignalvektorn.

8. Förfarande enligt krav 5, 6 eller 7, ivilket insignalvektorn innehåller talsarnpel.

9. Anordning för spektral effekttäthetsestimering, innefattande: organ (10) för utförande av LPC-analys på en insignalvektor för bestämning av en första uppsättning LPG-parametrar; organ (12) för bestämning av ett första spektralt effekttäthetsestimat av insignalvektorn på basis av den första uppsättningen LFC-parametrar; organ (14) för ñltreríng av insignalvektorn genom ett inverst LPC-filter bestämt av den första uppsättningen av LFC-parametrar, i och för erhållande av en residualsignalvektor; organ (16) för utförande av LPC-analys på residualsignalvektom för bestämning av en andra uppsättning LFC-parametrar; organ (18) för bestämning av ett andra spektralt effekttäthetsestirrrat av residualsignal- vektorn på basis av den andra uppsättningen av LFC-parametrar; och organ (20) för bildande av ett med avseende pâ inkonsistens kompenserat spektralt effekttätlretsestirnat av insignalvektom som är proportionellt mot produkten av det första och andra spektrala effekttäthetsestimatet.

10. Anordning för spektral effekttäthetsestiniering, innefattande: organ (10) för utförande 513 892 14 av LFC-analys på en signalvektor för bestämning av en första uppsättning av LPC- ñlterpararnetrar; organ (14) för filtrering av insignalvektorn genom ett inverst LPC-filter bestämt av den första uppsättningen av LPC-filterpararnetrar, i och för erhållande av en residualsignal- vektor; organ (16) för utförande av LFC-analys på residualsígnaivektorn för bestämning av en andra uppsättning LPC-ñlterpararnetrar; organ (22) för faltning av den första uppsättning av LPC-filterparametrar med den andra uppsättningen av LPC-ñlterpararnetrar, i och för bildande av en kompenserad uppsättning av LPC-filterparametrar; och organ (12') för bestämning av ett med avseende på inkonsistens kompenserat spektralt effekttäthetsestirnat av insignaivektorn på basis av den kornpenserade uppsättningen av LPC- filterparametrar .