專利名稱：音頻處理設備、接收機,濾波和恢復有用信號的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及音頻處理設備和接收機，用于接收和濾波位于話音波段的頻譜包絡的有用信號，和用于在有環(huán)境噪聲的情況下恢復該有用信號。
本發(fā)明還涉及包含這種接收機的電話設備。
最后本發(fā)明還涉及濾波方法和接收在話音波段具有頻譜包絡的有用信號的方法，用于在有環(huán)境噪聲的情況下恢復該有用信號之前修改該有用信號的頻譜包絡。
本發(fā)明在可用于噪聲環(huán)境的電子音頻設備中具有許多應用。本發(fā)明特別應用于可在車內使用的移動無線電話機設備并能夠減少發(fā)動機和/或汽車無線電收音機的噪聲引起的聲擾。
美國專利公開號4,052,720描述了一種動態(tài)環(huán)境噪聲控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于在有周圍傳感器的工作間分布隨機環(huán)境噪聲和將分布的環(huán)境噪聲的頻譜和幅度調整為由各個傳感器在預定時間間隔測量的某一周圍場參數(shù)值的一個函數(shù)。
此系統(tǒng)希望對處于工作間的用戶，特別是對提高其生產力或降低各種通話間干擾影響方面有積極效果。它表現(xiàn)的主要缺點是增加了整個環(huán)境噪聲的聲音電平，而該聲音電平在長時間段內可能對用戶產生特別緊張的感覺。
本發(fā)明的一個目的是提供一種音頻處理設備、無線電接收機和濾波方法以及在噪聲環(huán)境中改善用戶的聲音舒適度的接收方法，即使是在集中和/或延長使用的情況下。
出于此目的，本發(fā)明提供在公開段落中定義類型的音頻處理設備，其特征在于它包含用于導出環(huán)境噪聲的裝置、用于提取導出的環(huán)境噪聲包絡參數(shù)的頻譜包絡提取裝置和受所述包絡參數(shù)控制的數(shù)字濾波裝置，用于修改有用信號的頻譜包絡以便進行恢復，所述濾波裝置包含具有能夠參數(shù)化的系數(shù)的數(shù)字濾波器并與所述包絡提取裝置共同操作以便借助于包絡參數(shù)而將該濾波器參數(shù)化。
根據(jù)本發(fā)明的特性特征，提供了已提及的設備，其特征在于包含一個回聲消除環(huán)路，它受數(shù)字濾波器的輸出信號的控制，用于抑制存在于取樣環(huán)境噪聲中的回聲和用于饋送環(huán)境噪聲的估算到所述提取裝置。
類似地，本發(fā)明提供了在開頭段落中提及的濾波方法，其特征在于包含以下步驟·捕獲和頻譜分析步驟導出環(huán)境噪聲、從中提取頻譜包絡估算和從中推導出包絡參數(shù)，·計算包絡參數(shù)之間的時間平均的步驟，以便獲得被稱為控制參數(shù)的平均參數(shù)，·參數(shù)化步驟，借助于所述計算的控制參數(shù)來參數(shù)化數(shù)字濾波器，和·濾波步驟，借助于所述數(shù)字濾波器濾波該有用信號。
本發(fā)明的這些和其它方面從下面的描述中是很顯然的，并參考以下描述的實施例利用非限定性實例說明。
圖中

圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的音頻處理設備的可操作示例圖，圖2表示根據(jù)本發(fā)明設備的優(yōu)選實施例，圖3是根據(jù)本發(fā)明的無線電話接收機示意圖，和圖4是說明根據(jù)本發(fā)明的接收方法的流程圖。
圖1所示設備的示例可以并入到能夠用于噪聲環(huán)境和特別是可用于汽車的免提類移動無線電話的任何電子音頻設備中。如果在電話機通話期間接通汽車無線電收音機，它能夠減少與發(fā)動機和如果在電話機通話期間接通汽車無線電收音機時可能的汽車無線電收音機的噪聲有關的聲擾。
在本發(fā)明的可操作示例中，有用信號是在常規(guī)數(shù)字接收電路的編碼器/語音解碼器的輸出端獲得的數(shù)字電話信號。根據(jù)另一個可操作實施例，有用信號可以直接從無線電設備，例如汽車無線電收音機的輸出中導出。第一個示例對應于在噪聲環(huán)境中特別是在公共場所或專用汽車中接收無線電話通信的當前情況。在這種情況中，就要減少由于發(fā)動機和汽車無線電收音機的噪聲帶來的令人不快的聲音。第二種示例用于用戶特別是只不過在車內收聽無線電或無線電設備(光盤、磁帶、收音機等)播放的錄音音樂的乘車者。這的確是要減少發(fā)動機噪聲主要對音頻設備發(fā)射的音頻信號時主要由的影響造成的可選頻譜屏蔽效應。
具有某一頻譜和一定幅度的環(huán)境噪聲對音頻頻率信號產生雙重屏蔽效應。第一效應，被稱為全屏蔽，是由有用信號和噪聲信號之間的幅度比太低造成的，這可以例如通過增加有用信號的聲音音量來補償。然而當長時間使用時是非常疲勞的。第二種效應，被稱為可選頻譜屏蔽，是由環(huán)境噪聲的頻譜成分造成的，它激發(fā)了有用信號頻譜的可選交替。這個效應非常有害， 因為它通過改變有用信號的特性而變更了有用信號的聲感覺。
圖1的設備能夠將有用信號的頻譜包絡有選擇地修改為噪聲信號頻譜包絡的一種函數(shù)來補救這兩個屏蔽效應。該設備包含麥克風11，用于捕獲標號為N的環(huán)境噪聲，獲取和轉換方框12，用于將麥克風11接收的模擬噪聲信號轉換為對應于該環(huán)境噪聲的數(shù)字噪聲信號。此數(shù)字噪聲信號由頻譜分析方框13進行處理以便提取信號包絡和從中導出其標號為ai的包絡參數(shù)。受頻譜分析方框13控制的濾波器方框14在輸入端接收標號為S(有用信號)的音頻信號以便將該信號S施加到數(shù)字濾波器上。該數(shù)字濾波器的系數(shù)作為頻譜分析方框產生的包絡參數(shù)a1值的函數(shù)而變化。濾波器的輸出信號然后轉換為模擬信號并在送往揚聲器16的輸出端之前由放大和轉換方框15進行放大。
在第一操作示例中，由麥克風11捕獲的環(huán)境噪聲N是由發(fā)動機噪聲加上汽車無線電收音機(或音頻設備)噪聲所形成的，視情況而定。麥克風11相對環(huán)境噪聲源的位置對最優(yōu)化設備效果是很重要的。的確，要放置麥克風以便捕獲相對噪聲來說是很低幅度的有用信號。例如，在汽車中，最好將麥克風放在靠近發(fā)動機和遠離有用信號源(用戶和音頻設備)的地方以使有用信號不被當作環(huán)境噪聲進行處理。在第二操作示例中，環(huán)境噪聲只包含來自發(fā)動機的噪聲。
圖2表示本發(fā)明的優(yōu)選實施例，特別有利于其中有用信號是在信號放大到揚聲器輸出之前由取自電話機輸出的數(shù)字電話信號所形成的“免提”類數(shù)字無線電話機應用。設備的組裝可以并入到例如具有免提功能的汽車電話機組件中。對于模擬有用信號S來說，有必要在圖1的標號14或圖2的標號25的濾波器方框中提供數(shù)字化裝置，用于在放大信號到數(shù)字濾波器之前數(shù)字化該有用信號。
根據(jù)優(yōu)選實施例，提供了回聲消除環(huán)路用于使有用信號對環(huán)境噪聲估算的影響最小。的確，“免提”系統(tǒng)放大接收的語音信號，以便麥克風同時捕獲后者作為本地用戶的語音信號。當此情況在諸如駕駛室的有限空間中被進一步放大時，遠端揚聲器可能聽見自己的回聲。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，回聲消除環(huán)路是用于抑制遠端揚聲器放大的話音信號對主要由發(fā)動機和可能由汽車無線電收音機類的音頻設備產生的環(huán)境噪聲的作用。集成到很多“免提”汽車設備中的回聲消除環(huán)路因此有利于重新使用。
與放大的揚聲器語音信號混合的環(huán)境噪聲由麥克風21捕獲并由捕獲和轉換方框22進行數(shù)字化。從此中轉換得到的數(shù)字信號饋送到常規(guī)類型的回聲消除方框23的輸入端以便恢復對應于不含特別來自于有用信號的回聲現(xiàn)象的環(huán)境噪聲的數(shù)字噪聲估算。噪聲抑制技術在1985年7月的IEEE信號處理期刊8卷4號第387到400頁由Peter Vary撰寫的“利用頻譜量度估算遠離和理論限制進行噪聲抑制”的文章中進行了描述。該數(shù)字化的噪聲估算然后饋送到包絡提取設備24的輸入端，該設備24包括，例如，LPC類(線性預測碼)的預測分析器，它用于確定噪聲信號(或其估算)的頻譜包絡和從中提取標號為ai的參數(shù)信號的頻譜包絡的LPC包絡參數(shù)特性。該參數(shù)ai然后被一個適當?shù)挠嬎銌卧S著時間而緩和，例如，每10個數(shù)據(jù)幀或大約每200ms，以便補償饋送值ai中的任何突變。該計算單元獲得平均參數(shù)或注入到數(shù)字濾波器方框25控制參數(shù)ci，用于參數(shù)化具有希望濾波有用信號S的長度為m的數(shù)字濾波器。
例如，濾波器等式可以寫為a+(1-a)*Σi=0mci(z/γ1)-iΣi=0mci(z/γ2)-i]]>其中·α是介于0到1之間的實系數(shù)，能夠控制濾波器的加權，·符號*表示乘法，·γ1和γ2是分別表示從多項式
和
的根到單一循環(huán)的距離的加權因數(shù)，0＜γ1＜γ2＜1。
濾波的信號然后被放大和轉換方框26進行放大和轉換為模擬信號以便經過揚聲器27送到輸出端。
根據(jù)本發(fā)明實施例的變型，替代濾波器方框25所用的數(shù)字濾波器，而可使用時變均衡器，它受控于包絡提取方框產生的噪音的包絡估算。它逐漸變窄以便增強對應于比給定值更高能量的噪聲信號頻段的有用信號頻段。LPC分析方法和濾波器的參數(shù)化技術由Kleijn等人在題目為“話音編碼和合成”一文中進行了詳細描述，由Elsevier出版，所以在此不再闡述。
圖3是表示數(shù)字無線電話機的方框圖。包含發(fā)送鏈路，由麥克風1、摸數(shù)轉換器A/D、話音編碼器32、信道編碼器33和專用射頻部分模塊34，連接著耦合到收發(fā)機天線36的雙工器35這些部分構成。該無線電話機還包括接收電路，由天線36、雙工器35、無線電模塊34、信道解碼器37、話音解碼器38、數(shù)/摸轉換器D/A和揚聲器39構成。該編碼和解碼模塊32、33、37和38可由數(shù)字信號處理器DSP實現(xiàn)。
根據(jù)優(yōu)選實施例，話音編碼器32包括包絡提取裝置，例如，電話話音信號或有用信號的LPC分析裝置。這些裝置特別由GSM類數(shù)字無線電話機標準所提供。LPC分析的結果被傳送到話音解碼器38，該話音解碼器38包含帶有可用做參數(shù)的系數(shù)的濾波器的后置濾波器，用于利用圖2描述的裝置對收到的信號濾波。該改進的信號然后送往揚聲器輸出端。
圖4表示根據(jù)本發(fā)明由圖3所示的無線接收機實現(xiàn)的濾波方法的接收方法。包括·捕獲步驟K0，用于借助于聲音傳感器特別是麥克風31導出環(huán)境噪聲，·頻譜分析步驟K1，例如由話音編碼器32和/或話音解碼器38實現(xiàn)，用于從導出的噪音信號中提取頻譜包絡估算和從中導出包絡參數(shù)，·步驟K2，計算包絡參數(shù)之間的時間平均以便獲得平均參數(shù)、或控制參數(shù)，·參數(shù)化步驟K3，借助于計算的控制參數(shù)來參數(shù)化數(shù)字濾波器，和·濾波步驟K4，借助于以此方式參數(shù)化的數(shù)字濾波器濾波有用信號。
以此方式借助于示例描述和說明了音頻處理設備、接收機和在有環(huán)境噪聲的情況下改善用戶聲音舒適度的方法。顯然，可以提供改變的實施例而不脫離本發(fā)明的范圍，特別是有關使用的濾波器結構和環(huán)境噪聲獲取或包絡提取的技術。
權利要求
1.一種音頻處理設備，用于濾波在語音波段具有頻譜包絡的有用信號并在有環(huán)境噪聲的情況下恢復該有用信號，其特征在于包含用于導出環(huán)境噪聲的裝置、用于提取導出的環(huán)境噪聲包絡參數(shù)的頻譜包絡提取裝置、和受所述包絡參數(shù)控制的數(shù)字濾波器裝置，用于修改有用信號的頻譜包絡以便恢復，其中濾波器裝置包含具有可以參數(shù)化的系數(shù)的數(shù)字濾波器，并與所述包絡提取裝置共同操作用于借助于包絡參數(shù)將濾波器參數(shù)化。
2.根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于包含一個受控于數(shù)字濾波器的輸出信號的回聲消除環(huán)路，用于抑制存在于導出的環(huán)境噪聲的回聲和用于饋送一個環(huán)境噪聲的估算到所述提取裝置。
3.根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于所述包絡提取裝置包含LPC類型的預測分析器，它用于饋送LPC包絡參數(shù)到所述數(shù)字濾波器。
4.根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于所述數(shù)字濾波器裝置包含計算裝置，用于計算由所述提取裝置產生的包絡參數(shù)之間的時間平均。
5.一種用于接收有用信號的接收機，有用信號具有位于話音波段的頻譜包絡，其特征在于它包含如權利要求1所述的音頻處理設備。
6.根據(jù)權利要求5所述的接收機，包含用于接收無線電信號的天線裝置，耦合到用于恢復基帶音頻信號和在收到的無線電信號基礎上恢復所述有用信號的裝置。
7.一種包含如權利要求6所述的接收機的電話機設備。
8.一種濾波方法，用于濾波被稱為有用信號的音頻信號，并在有環(huán)境噪聲的情況下恢復該有用信號，其特征在于包含以下步驟·捕獲和頻譜分析步驟，導出環(huán)境噪聲、從中提取頻譜包絡估算和從中推導出包絡參數(shù)，·計算包絡參數(shù)之間的時間平均的步驟，以便獲得被稱為控制參數(shù)的平均參數(shù)，·參數(shù)化步驟，借助于所述計算的控制參數(shù)來參數(shù)化數(shù)字濾波器，和·濾波步驟，借助于所述數(shù)字濾波器濾波該有用信號。
9.一種接收方法，用于接收被稱為有用信號的頻率信號，具有位于話音波段的頻譜包絡，該方法包含如權利要求8所述的濾波方法，用于在有環(huán)境噪聲的情況下將其恢復它之前修改該有用信號的頻譜包絡。
全文摘要
本發(fā)明涉及許多音頻設備,特別是移動汽車電話機,用于在噪聲環(huán)境下增強用戶的聲音舒適感。在使用“免提”類的情況下特別建議優(yōu)選實施方式。該發(fā)明由音頻信號處理設備構成,用于將音頻信號的頻譜包絡修改為該環(huán)境噪聲的函數(shù)。
文檔編號G10L21/00GK1263426SQ99126319
公開日2000年8月16日 申請日期1999年10月26日 優(yōu)先權日1998年10月30日
發(fā)明者G·米特 申請人:皇家菲利浦電子有限公司