TW444488B - Telephone with means for enhancing the subjective signal impression in the presence of noise - Google Patents

Description

五、發明說明（1) 發明說明 發明領域 本發明係關於一音訊復原裝置，它包括測量雜訊裝置與 根據從許多可能的法則令選擇出壓縮法則的音訊信號動態 壓縮裝置。本發明也與一包括測量雜訊步驟與一根據從許 多可能的法則選擇出壓縮法則之音訊信號動態壓縮步驟的 音訊復原方法有關。本發明最後與一包括此類裝置的電話 或實施此類方法有關。 本發明發現重要的應用，特別是對於使用在特殊雜訊環 境中的行動電話。當周遭聲音位準變得太高時，音訊信號 將深陷於雜訊中使得電話的使用非常地令人不舒服。 發明背景 歐洲公開專利申請案EP 0 66 1 858 A2描述一音訊復原 裝置，它包括修改已接收音訊信號的動態（那就是說此信 號最高振幅與最低振幅之間的比率）作為周遭背景雜訊函 數的裝置。 當已接收音訊信號沒有包含太多雜訊時，此復原裝置會 產生好的效果，那就是說當包含在已接收音訊信號的雜訊 沒有太高振幅的時候》 發明概要 本發明的首要目標是提出一當音訊信號包含雜訊時產生 較佳效果的裝置。這可以由本專利申請案申請專利範圍第 1項之音訊復原裝置來達成。 本發明的另一目標是提出一調整壓縮法則做為已測量雜

五、發明说明（2J m之函數之具體有效方法，特別是對於遠端雜訊。此目標 可以由本專利申請案申請專利範圍第2項之音訊復原裝置 來達成。以壓縮比，參考位準與過渡門限為已測量雜訊， 特別是遠端雜訊之函數是有益的。 本發明的又一目標是提出一當遠端雜訊高時特別有效的 壓縮法則典型。為達成此目標，係增加擴張相位以擴大音 訊信號振幅動態，而其振幅低於擴張門限（此擴張門限低 於過渡門限）以便降低遠端雜訊。在一有利的實施例中， 此擴張門限值為一已測量雜訊之函數。 圖式簡要說明 本發明之上述與其他觀點並參考下文所述的實施例經由 非限定之範例來說明將更為顯而易見。 在圖式中， -圖1表示一包括音訊復原裝置之電話機的範例。 -圖2，3，6以及7係不同壓縮法則典型的範例。 -圖4為一方塊圖，其概述用於選擇壓縮法則，之後依照 所選定之壓縮法則計算將欲施加於音訊信號的增益之各個 步驟，以及 -圖5為一概述根據本發明之音訊信號復原方法之步驟。 較佳實施例描述 圖1表示一包括音訊復原裝置2之電話機1的範例。此電 話機特別包括一連接至類比/數位轉換器20的麥克風10， 而此類比/數位轉換器本身則連接一語音編碼器3 0。此語 音編碼器30 —方面速接一通道編碼器40，另一方面連接測

Λ444 8 B

f f:?訊叱的裝置5 〇。通道編碼器4 0的輸出連接傳統無 =彳欠發0览路60。無線收發器6〇也連接_通道解碼器7〇， 、地，t活機接收到的信號β通道解碼器7 〇連接產生〆音 訊信號Uin的語音解碼器8〇。語音解碼器8〇 一方面連接至 測量包含於音m信號Uirl中之遠端雜訊吣的裝置9〇，而另 一方面連接至用於壓縮音訊信號Uin動態的裝置1〇〇 ^由雜 訊測量敦置5 〇與9 0執行之區域雜訊&與遠端雜訊\的測量 是施加至壓縮裝置100的輸入。這些測量用於壓縮裝簟1〇〇 以決定用於音訊信號U i η的壓缩法則。壓縮裝置1 〇 〇傳送一 用於數位/類比轉換器11〇之輸入的音訊信號uout，其本身 連接一耳機1 20 〇 該雜訊測量裝置包括： -用於從一包含語音與雜訊的信號辨認出一純雜訊信號之 傳統裝置（例如他們可能是語音檢測裝置）， —用於測量該純雜訊信號之功率的裝置。 當雜訊可以考慮成在2秒位準的週期内為穩態時（而語音只 有在20毫秒位準的週期内為穩態），利用所接收到之每個 純雜訊信號去更新雜訊測量是足夠的。 髮缩裝置100之目的在於壓縮音訊號動態作為區域雜 訊函數，且在較佳實施例中係作回已測量遠端雜訊的函 數。信號動態壓缩事實上相當於一種以取決於該取樣振幅 之增益乘以此信號的每個取樣之乘法運算。 圖2表示第一法則族的三種歷縮法則。此法則族相當於 作為振幅之函數的增益之第一類型°

五、發明說明（4) 在下面的描述中’ XdB是用來標出變數X的dB值，而X(沒 有指標）是用來標出變數X的線性值。換言之，

XdB=i〇g(X)。 在圖2中’增益GdB為振幅u i ndB的遞減線性函數。作為代 表的三個增益展開法則為直線h，其特點在於其斜率h， 且所有h在下面的描述中稱為參考位準的振幅位準cdB時為 零增益，。這些直線Di的方程式可以寫為：

Di · GdB = b, · bdB — UindB ] <=> D| : log(G) = bj. [log(C) - log(Uin)] = l〇g(C/Uin)(b,) <=>D; iGMC/Uin)"0 ⑴ 其中G，U i n以及C分別為增益CdB，振幅AdB以及參考位準f 丁 的線性值，bi為直線Di的斜率絕對值》 使Uinl與Uin2為輸入壓縮裝置之音訊信號的兩個振幅， 而Uoutl與Uout2為由壓縮裝置輸出的兩個對應振幅。從方 程式（1)中可以導出下面連接兩振幅Uoutl與Uout2的關 係：

從方程式（2)可以導出輸入信號振幅的任何變動會以一 減縮因數（Ι-bi)轉為輸出信號。此減縮因數稱為壓縮率並 記為r ; ( r ;=卜h )。方程式（1 )也可以寫為： G = (C/Uin)(1' 7i> .

第8頁 t 444488 五，發明说明（5) 最後’當直線A斜率是相當大而且因而麼縮率τ i低 時，音訊信號勋態壓縮效果是更重要的。在圖2中’我們 讓 h < b〆 b:i 以及 r | > r 2 > r .;。 圓3代表第二法則族的三個其他壓縮法則。此第二法則 族相當於對照振幅劃分的第二增益展開蜇。對於比一低於 或等於CdB之過渡門限T2,IB較高的振幅UindB ’這些法則與圖 2的法則相同。在過渡門限T 2dB以下，不論考慮哪一種振幅 U i &，增益(；扣為一定值G m a xdB。換言之，在此範例中’已 提出適合音訊信號取樣的最大增益限制。此實施例使包含 在音訊信號中之遠端雜訊的放大率受到限制。更確切地， 存在於音訊信號中的遠端雜訊通常相當於低於過渡門限T2 的振幅。當放大音訊信號的低振幅時，則有冒放大遠端雜 訊的風險。而當壓縮大時，那就是說壓縮率低時，放大遠 端雜訊的風險更容易存在<»當壓縮較強時，為限制適合音 訊信號最大增益所做選擇的數值會更低（在圖3中，

Gmax3dB > Gmax2dB > Gma xldB )。 下面對於第二典型法則族（圖3 )，我們將詳細地描述本 發明的實施例。 根據本發明’以作為振幅之函數之增益展開為特性的參 數（在範例中描述的τ ’ C以及T2)為區域雜訊以及苛能為 包含在信號本身中之遠端雜訊的連續或非連續函數： = N,) C-f2(Nr, Nl) r =f3 (Nr, N,)

五、發明％明（(υ 因以上所述已經解釋，當遠端雜訊相當大時低壓縮率的 使用導致遠端雜訊的放大。對於此情形，最好能停止或降 低壓缩。為達此目的，至少下述的測量之一需執行： -增大過渡門限T 2， -增大壓縮率τ ， -減小參考振幅C。 這些測量可以概述為下面的方程式： £[2 >〇;

另一方面，當區域雜訊％相當大時，壓縮是非常有效 的。壓縮允許利用增大低振幅與減小相對於參考振幅(：之 高振幅來重新平衡音訊信號振幅。此時，利用增大信號的 平均位準亦可使感知能力可能增加《對於此目的，至少下 述的測量之一需執行： ~增大參考振幅C， -減小過渡門限T 2以使壓縮提早開始， -減小壓缩率τ 。 這些測量可以概述為下面的方程式：

dC >0; dT29N, <υ； do θνΤ <0 經由非限制之範例所描述的下述函數滿足方程式（3)及 (4)的條件：

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l"inL二 T2 = fl(N(lNl) = — ' N, '^'N； C = f,fNr,NJ = N, 1 + {，iN；

Jt:中0< \ d Κ-Φ〇< i以及备1 $这1 6=fJ(Nr,N,) = jUin|, •fa N, 在圖4中 基於雜訊測量Nr與吣而施加至一取 樣的 增益 >+ i+ is相丨之不同步驟以方塊圈的形式表不^ ^ ^ ^ ,十算方法例之 纟已經解釋為依音訊化唬 為簡單起見，本發月到a月丨ΛΤ ^ r. ti- ^ 1- F 振幅（方程式「)來使用增益展開法則。然而乂其^量取 代信號振幅以便避免增益變化太快是較佳的。在語9信號 t，能量E的使用允許平滑信號U〇ut展開及避免失真。實 際上，使用下述典型的方程式疋更好的* G(k)=[C/E(k)]n—"， 其中E(k)為音訊信號第k個取樣的音訊信號能量。 例如，E ( k )由下述方程式獲得： E(k)=a ·ΙΗη(1〇 ·+(1-α) ·Ε(1ί-1)，其中 α 為衰減係 數。 實際上’能量Ε是由過濾振幅.u i η .獲得：濾波器轉換函 數的ζ轉換因此可以寫為β 在圖4中’二個區塊200 ’210及220分別代表計算以欲使 用之壓縮法則為特徵的參數Τ2，C及r。這些區塊之輸入

444488 五、發明说明（8) 分別收到遠踹雜訊與區域雜訊的測量Nr與％，而由此等測 量Nr、N,中利用函數f i ，f2及f3得到τ 2，c及；Γ的參數值。 由區塊200輸出的過渡門限T2是由計算門限T2與取樣k的能 蛩丨Uk)之問的最大值ΜΛΧ的計算區塊203提供。因為當低於 過渡Η限（也就是說當ΜΛΧ = Τ2)時，增益等於Gmax，而當高 於過渡Η限（也就是說當MAX =E( k ))時，增益等於 [C/E(k)]n "’所以最大值MAX為一應用於取樣k的增益g 之計算參數。區塊240在輸入收到c，τ及MAX的參數值， 從這裡得到應用於取樣k的增益值G。 值得注意的是在一靜音之長週期的事例中（一般不常出 現），能量E ( k )可能為零。如果Τ 2 = 0，則得到一無限大增 益G(G = [C/E( k) ]η τ;)有系統地使用非零門限T2以減低風 險是有益的。這表示甚至當有人不希望將增益最大值限制 為低於一特定門限Τ2時’給定Τ2為一非常低的值以避免當 E(k) = 〇的事例下有無限大增益是有益的。 根據本發明，在圖5中概述音訊復原處理的不同步驟。 在步驟3 0 〇，音訊信號U i η與雜訊Nr與叱的測量施加至壓縮 裝置100。接下去的步驟310允許做執行或不執行壓縮的決 定。在一有益的方法中： -當遠端雜訊Nr高時，不論區域雜訊化的位準為何，以及當 遠端雜訊Nr為低或中等，以及區域雜訊比低時，壓縮是不 執行的’ -當遠端雜訊Nr為低或中等且區域雜訊比為高或中等時， 壓縮是執行的°

IBM 第12頁 444488 五、發明從明（9) 如果壓縮是不執行的，則輸出音訊信號Uout等於輸入音 訊信號U in(箭號31 1 ) °如果壓縮是執行的（箭號312)，則 下一步驟變為步驟3 2 0。在步驟3 2 0，計算音訊信號振幅 • Uin ·然後在步驟330中，為獲得音訊信號能量E而將振 幅濾波（濾波器轉換函數的z轉換可以寫為 a / [ 1 - ( 1 - at ). ζ 1 ])。接下來的步驟340為施加至輸入信號 的增益G之計算步驟。此步驟會在圖4中會詳細描述。在步 驟350 ’為了使輸出信號Uout等於（G. Uin)，音訊信號Uin 乘以已計算的增益G。 本發明並無限制於已描述的實施例，更特別的是： -在整個敘述中考慮雜訊,Nr與比的測量為由直接從電話所接 收的區域與遠端信號上所做的測量。這些測量也是殘留雜 訊的測量，也就是在由電話接收的信號通過傳統雜訊削減 裝置後，區域雜訊及/或遠端雜訊測量。這樣的實施例允 許在壓縮法則選擇辛減少有關測量\與化位準的限制。 -利用區域雜訊與遠端雜訊的不連續函數計算具有法則族 特性的參數是可能的。 -增益本身可能為一音訊信號之振幅或能量的函數。而在 此情況下，最好利用一個表示儲存指定給增益作為一已經 計算出來的壓縮參數之函數之增益數值。 -允許在某些實例中不執行壓縮的步驟3 10是隨選的。 -以及使用其他增益型式作為音訊信號之振幅或能量之函 數是可能的。 圖6表示相當於作為振幅函數之第三種增益型式的壓縮

第13頁 Λ4448Β 五，發明從明（ίο) 法則。此法則對於高於一擴張門限T ldB<T2dB之振幅UindB而 言，與表示於圖3的法則完全相同。在擴張門限T ldB以下， 增益為一振幅U i ndB之漸增線性函數。換言之，在實施例 的範例中介紹對於低於T ldB的振幅之音訊信號動態擴張。 此擴張能夠減小存在於音訊信號的遠端雜訊，並增強使用 者的聽覺舒適度。擴張門限T1的作用與過渡門限T2的作用 完全相同。例如門限T 1的數值由這形式的函數給定：

Tl = f4iNr,N,j=-L· L.其中 0<L<i以及>a] 1 -fa, 圖7表示相當於作為振幅函數之第四種增益型式的壓縮 法則。此法則與圖6的法則有相同的典型，但是在由門限 T ldB與丁 2dB所定義的三個區域之間的過渡期為漸進的，以至 於此法則由一曲線而非直線線段的接續來描述。 已經描述過在低於過渡門限T2下作為振幅之函數之增益 展開為常數或增加的情形。此展開也可以減小，包括較高 於門限T2較少的減小在内。

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Claims (1)

1. 六、申請專利範圍 1. 一種音訊信號復原裝置，包括測量雜訊之裝置以及依 據由不同可能的法則中所選擇出的一壓縮法則來對音訊信 號（Uin)動態壓縮之裝置（100)，其特徵為該測量雜訊裝置 包括測量在音訊信號中稱為遠端雜訊（D之雜訊信號的裝 置（9 0 )，且該壓縮法則係選出作為已測量遠端雜訊之函 數。 2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中壓縮法則至少由 下列為已測量雜訊之函數的參數決定： -相當於至少從一稱為過渡門限（T 2 )的門限作為振幅 (Uin)函數之減小增益（G)展開的壓縮率（τ);以及 -高於或等於該增益（G)等於單位大小之過渡門限的 參考位準（C )。 3. 如申請專利範圍第2項之裝置，其中在該過渡門限以 下，施加至音訊信號的增益有一常數及/或增大音訊信號 的振幅之函數。 4. 如申請專利範圍第2項之裝置，其中該過渡門限為一 已測量雜訊之函數。 5. —種具有一音訊復原裝置（2)之電話（1)，此裝置包括 測量雜訊之裝置以及依據由不同可能的法則中所選擇出的 一壓縮法則來對音訊信號（Uin)動態壓縮之裝置（100)，其 特徵為該測量雜訊裝置包括測量在音訊信號中稱為遠端雜 訊（Nr)之雜訊信號的裝置（90)，且該壓縮法則係選出作為 已測量遠端雜訊之函數》 6. 如申請專利範圍第5項之電話，其中壓縮法則至少由 l^HII IH^I O:\61\61093.PTD 第 Iff 頁 ι Λ4Λ 4 8 B_ 六、申請專利範圍 下列為已測量雜訊之函數的參數決定： -相當於至少從一稱為過渡門限（T2)的門限作為振幅 (U i η )函數之減小增益（G )展開的壓縮率（τ );以及 -高於或等於該增益（G)等於單位大小之過渡門限的參 考位準（C)。 7. 如申請專利範圍第6項之電話，其中在該過渡門限以 下，施加至音訊信號的增益有一常數及/或增大音訊信號 的振幅之函數。 8. 如申請專利範圍第6項之電話，其中該過渡門限為一 已測量雜訊之函數。 9. 一種音訊復原方法’包括測量雜訊之步驟以及依據由 不同可能的法則中所選擇出的一壓縮法則來對音訊信號 (U i η )動態壓缩之步驟，其特徵為該測量雜訊裝置包括測 量在音訊信號中稱為遠端雜訊（& )之雜訊信號的步驟，且 該壓縮法則係選出作為已測量遠端雜訊之函數。 1 0.如申請專利範圍第9項之音訊復原方法，其中壓縮法 則至少由下列為已測量雜訊之函數的參數決定： -相當於至少從一稱為過渡門限（T2 )的門限作為振幅 (U i η )函數之減小增益（G )展開的壓縮率（τ:);以及 -高於或等於該增益（G)等於單位大小之過渡門限的參 考位準（C)。

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