专利名称：音频处理设备、接收机,滤波和恢复有用信号的方法
技术领域：
本发明涉及音频处理设备和接收机，用于接收和滤波位于话音波段的频谱包络的有用信号，和用于在有环境噪声的情况下恢复该有用信号。
本发明还涉及包含这种接收机的电话设备。
最后本发明还涉及滤波方法和接收在话音波段具有频谱包络的有用信号的方法，用于在有环境噪声的情况下恢复该有用信号之前修改该有用信号的频谱包络。
本发明在可用于噪声环境的电子音频设备中具有许多应用。本发明特别应用于可在车内使用的移动无线电话机设备并能够减少发动机和/或汽车无线电收音机的噪声引起的声扰。
美国专利公开号4,052,720描述了一种动态环境噪声控制系统，该系统用于在有周围传感器的工作间分布随机环境噪声和将分布的环境噪声的频谱和幅度调整为由各个传感器在预定时间间隔测量的某一周围场参数值的一个函数。
此系统希望对处于工作间的用户，特别是对提高其生产力或降低各种通话间干扰影响方面有积极效果。它表现的主要缺点是增加了整个环境噪声的声音电平，而该声音电平在长时间段内可能对用户产生特别紧张的感觉。
本发明的一个目的是提供一种音频处理设备、无线电接收机和滤波方法以及在噪声环境中改善用户的声音舒适度的接收方法，即使是在集中和/或延长使用的情况下。
出于此目的，本发明提供在公开段落中定义类型的音频处理设备，其特征在于它包含用于导出环境噪声的装置、用于提取导出的环境噪声包络参数的频谱包络提取装置和受所述包络参数控制的数字滤波装置，用于修改有用信号的频谱包络以便进行恢复，所述滤波装置包含具有能够参数化的系数的数字滤波器并与所述包络提取装置共同操作以便借助于包络参数而将该滤波器参数化。
根据本发明的特性特征，提供了已提及的设备，其特征在于包含一个回声消除环路，它受数字滤波器的输出信号的控制，用于抑制存在于取样环境噪声中的回声和用于馈送环境噪声的估算到所述提取装置。
类似地，本发明提供了在开头段落中提及的滤波方法，其特征在于包含以下步骤·捕获和频谱分析步骤导出环境噪声、从中提取频谱包络估算和从中推导出包络参数，·计算包络参数之间的时间平均的步骤，以便获得被称为控制参数的平均参数，·参数化步骤，借助于所述计算的控制参数来参数化数字滤波器，和·滤波步骤，借助于所述数字滤波器滤波该有用信号。
本发明的这些和其它方面从下面的描述中是很显然的，并参考以下描述的实施例利用非限定性实例说明。
图中
图1是表示根据本发明的音频处理设备的可操作示例图，图2表示根据本发明设备的优选实施例，图3是根据本发明的无线电话接收机示意图，和图4是说明根据本发明的接收方法的流程图。
图1所示设备的示例可以并入到能够用于噪声环境和特别是可用于汽车的免提类移动无线电话的任何电子音频设备中。如果在电话机通话期间接通汽车无线电收音机，它能够减少与发动机和如果在电话机通话期间接通汽车无线电收音机时可能的汽车无线电收音机的噪声有关的声扰。
在本发明的可操作示例中，有用信号是在常规数字接收电路的编码器/语音解码器的输出端获得的数字电话信号。根据另一个可操作实施例，有用信号可以直接从无线电设备，例如汽车无线电收音机的输出中导出。第一个示例对应于在噪声环境中特别是在公共场所或专用汽车中接收无线电话通信的当前情况。在这种情况中，就要减少由于发动机和汽车无线电收音机的噪声带来的令人不快的声音。第二种示例用于用户特别是只不过在车内收听无线电或无线电设备(光盘、磁带、收音机等)播放的录音音乐的乘车者。这的确是要减少发动机噪声主要对音频设备发射的音频信号时主要由的影响造成的可选频谱屏蔽效应。
具有某一频谱和一定幅度的环境噪声对音频频率信号产生双重屏蔽效应。第一效应，被称为全屏蔽，是由有用信号和噪声信号之间的幅度比太低造成的，这可以例如通过增加有用信号的声音音量来补偿。然而当长时间使用时是非常疲劳的。第二种效应，被称为可选频谱屏蔽，是由环境噪声的频谱成分造成的，它激发了有用信号频谱的可选交替。这个效应非常有害， 因为它通过改变有用信号的特性而变更了有用信号的声感觉。
图1的设备能够将有用信号的频谱包络有选择地修改为噪声信号频谱包络的一种函数来补救这两个屏蔽效应。该设备包含麦克风11，用于捕获标号为N的环境噪声，获取和转换方框12，用于将麦克风11接收的模拟噪声信号转换为对应于该环境噪声的数字噪声信号。此数字噪声信号由频谱分析方框13进行处理以便提取信号包络和从中导出其标号为ai的包络参数。受频谱分析方框13控制的滤波器方框14在输入端接收标号为S(有用信号)的音频信号以便将该信号S施加到数字滤波器上。该数字滤波器的系数作为频谱分析方框产生的包络参数a1值的函数而变化。滤波器的输出信号然后转换为模拟信号并在送往扬声器16的输出端之前由放大和转换方框15进行放大。
在第一操作示例中，由麦克风11捕获的环境噪声N是由发动机噪声加上汽车无线电收音机(或音频设备)噪声所形成的，视情况而定。麦克风11相对环境噪声源的位置对最优化设备效果是很重要的。的确，要放置麦克风以便捕获相对噪声来说是很低幅度的有用信号。例如，在汽车中，最好将麦克风放在靠近发动机和远离有用信号源(用户和音频设备)的地方以使有用信号不被当作环境噪声进行处理。在第二操作示例中，环境噪声只包含来自发动机的噪声。
图2表示本发明的优选实施例，特别有利于其中有用信号是在信号放大到扬声器输出之前由取自电话机输出的数字电话信号所形成的“免提”类数字无线电话机应用。设备的组装可以并入到例如具有免提功能的汽车电话机组件中。对于模拟有用信号S来说，有必要在图1的标号14或图2的标号25的滤波器方框中提供数字化装置，用于在放大信号到数字滤波器之前数字化该有用信号。
根据优选实施例，提供了回声消除环路用于使有用信号对环境噪声估算的影响最小。的确，“免提”系统放大接收的语音信号，以便麦克风同时捕获后者作为本地用户的语音信号。当此情况在诸如驾驶室的有限空间中被进一步放大时，远端扬声器可能听见自己的回声。根据本发明的优选实施例，回声消除环路是用于抑制远端扬声器放大的话音信号对主要由发动机和可能由汽车无线电收音机类的音频设备产生的环境噪声的作用。集成到很多“免提”汽车设备中的回声消除环路因此有利于重新使用。
与放大的扬声器语音信号混合的环境噪声由麦克风21捕获并由捕获和转换方框22进行数字化。从此中转换得到的数字信号馈送到常规类型的回声消除方框23的输入端以便恢复对应于不含特别来自于有用信号的回声现象的环境噪声的数字噪声估算。噪声抑制技术在1985年7月的IEEE信号处理期刊8卷4号第387到400页由Peter Vary撰写的“利用频谱量度估算远离和理论限制进行噪声抑制”的文章中进行了描述。该数字化的噪声估算然后馈送到包络提取设备24的输入端，该设备24包括，例如，LPC类(线性预测码)的预测分析器，它用于确定噪声信号(或其估算)的频谱包络和从中提取标号为ai的参数信号的频谱包络的LPC包络参数特性。该参数ai然后被一个适当的计算单元随着时间而缓和，例如，每10个数据帧或大约每200ms，以便补偿馈送值ai中的任何突变。该计算单元获得平均参数或注入到数字滤波器方框25控制参数ci，用于参数化具有希望滤波有用信号S的长度为m的数字滤波器。
例如，滤波器等式可以写为a+(1-a)*Σi=0mci(z/γ1)-iΣi=0mci(z/γ2)-i]]>其中·α是介于0到1之间的实系数，能够控制滤波器的加权，·符号*表示乘法，·γ1和γ2是分别表示从多项式
和
的根到单一循环的距离的加权因数，0＜γ1＜γ2＜1。
滤波的信号然后被放大和转换方框26进行放大和转换为模拟信号以便经过扬声器27送到输出端。
根据本发明实施例的变型，替代滤波器方框25所用的数字滤波器，而可使用时变均衡器，它受控于包络提取方框产生的噪音的包络估算。它逐渐变窄以便增强对应于比给定值更高能量的噪声信号频段的有用信号频段。LPC分析方法和滤波器的参数化技术由Kleijn等人在题目为“话音编码和合成”一文中进行了详细描述，由Elsevier出版，所以在此不再阐述。
图3是表示数字无线电话机的方框图。包含发送链路，由麦克风1、摸数转换器A/D、话音编码器32、信道编码器33和专用射频部分模块34，连接着耦合到收发机天线36的双工器35这些部分构成。该无线电话机还包括接收电路，由天线36、双工器35、无线电模块34、信道解码器37、话音解码器38、数/摸转换器D/A和扬声器39构成。该编码和解码模块32、33、37和38可由数字信号处理器DSP实现。
根据优选实施例，话音编码器32包括包络提取装置，例如，电话话音信号或有用信号的LPC分析装置。这些装置特别由GSM类数字无线电话机标准所提供。LPC分析的结果被传送到话音解码器38，该话音解码器38包含带有可用做参数的系数的滤波器的后置滤波器，用于利用图2描述的装置对收到的信号滤波。该改进的信号然后送往扬声器输出端。
图4表示根据本发明由图3所示的无线接收机实现的滤波方法的接收方法。包括·捕获步骤K0，用于借助于声音传感器特别是麦克风31导出环境噪声，·频谱分析步骤K1，例如由话音编码器32和/或话音解码器38实现，用于从导出的噪音信号中提取频谱包络估算和从中导出包络参数，·步骤K2，计算包络参数之间的时间平均以便获得平均参数、或控制参数，·参数化步骤K3，借助于计算的控制参数来参数化数字滤波器，和·滤波步骤K4，借助于以此方式参数化的数字滤波器滤波有用信号。
以此方式借助于示例描述和说明了音频处理设备、接收机和在有环境噪声的情况下改善用户声音舒适度的方法。显然，可以提供改变的实施例而不脱离本发明的范围，特别是有关使用的滤波器结构和环境噪声获取或包络提取的技术。
权利要求
1.一种音频处理设备，用于滤波在语音波段具有频谱包络的有用信号并在有环境噪声的情况下恢复该有用信号，其特征在于包含用于导出环境噪声的装置、用于提取导出的环境噪声包络参数的频谱包络提取装置、和受所述包络参数控制的数字滤波器装置，用于修改有用信号的频谱包络以便恢复，其中滤波器装置包含具有可以参数化的系数的数字滤波器，并与所述包络提取装置共同操作用于借助于包络参数将滤波器参数化。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于包含一个受控于数字滤波器的输出信号的回声消除环路，用于抑制存在于导出的环境噪声的回声和用于馈送一个环境噪声的估算到所述提取装置。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述包络提取装置包含LPC类型的预测分析器，它用于馈送LPC包络参数到所述数字滤波器。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述数字滤波器装置包含计算装置，用于计算由所述提取装置产生的包络参数之间的时间平均。
5.一种用于接收有用信号的接收机，有用信号具有位于话音波段的频谱包络，其特征在于它包含如权利要求1所述的音频处理设备。
6.根据权利要求5所述的接收机，包含用于接收无线电信号的天线装置，耦合到用于恢复基带音频信号和在收到的无线电信号基础上恢复所述有用信号的装置。
7.一种包含如权利要求6所述的接收机的电话机设备。
8.一种滤波方法，用于滤波被称为有用信号的音频信号，并在有环境噪声的情况下恢复该有用信号，其特征在于包含以下步骤·捕获和频谱分析步骤，导出环境噪声、从中提取频谱包络估算和从中推导出包络参数，·计算包络参数之间的时间平均的步骤，以便获得被称为控制参数的平均参数，·参数化步骤，借助于所述计算的控制参数来参数化数字滤波器，和·滤波步骤，借助于所述数字滤波器滤波该有用信号。
9.一种接收方法，用于接收被称为有用信号的频率信号，具有位于话音波段的频谱包络，该方法包含如权利要求8所述的滤波方法，用于在有环境噪声的情况下将其恢复它之前修改该有用信号的频谱包络。
全文摘要
本发明涉及许多音频设备,特别是移动汽车电话机,用于在噪声环境下增强用户的声音舒适感。在使用“免提”类的情况下特别建议优选实施方式。该发明由音频信号处理设备构成,用于将音频信号的频谱包络修改为该环境噪声的函数。
文档编号G10L21/00GK1263426SQ99126319
公开日2000年8月16日 申请日期1999年10月26日 优先权日1998年10月30日
发明者G·米特 申请人:皇家菲利浦电子有限公司