DE2719973A1

DE2719973A1 - Verfahren und vorrichtung zum adaptiven filtern von fast stationaerem geraeusch aus sprache

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Publication number: DE2719973A1
Application number: DE19772719973
Authority: DE
Inventors: G Donald Causey; Daniel Prof Graupe
Original assignee: BIOCOMMUNICATIONS RESEARCH COR
Current assignee: BIOCOMMUNICATIONS RESEARCH COR
Priority date: 1976-05-04
Filing date: 1977-05-04
Publication date: 1977-12-01
Also published as: DE2719973C2; GB1579949A; DK193577A; DK152633C; NL7704922A; DK152633B; US4025721A; JPS53906A; JPS6031315B2

Description

	PATENTANWÄLTE	1	Unser Zeichen Our Ref.	Dipl.-Ing. H. Graf 2719973
Dipl.-Ing. A.Wasmeier	6
Patentanwälte Postfach 382 8400 Regensburg		D-8400 REGENSBURG 1
	GREFLINGER STRASSE 7 Telefon (09 41) 5 47 53
An das Deutsche Patentamt	Telegramm Begpatent Rgb. Telex 6 5709 repat d
8000 München 2
	Date
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B/p 9008

3. Mai 1977 W/Ja

BIOCOMMUNICATIONS RESEARCH CORPORATION,

3504 Ounlop Street

Chevy Chase, Maryland 20015, USA Verfahren und Vorrichtung zum adaptiven Filtern von fast stationärem Geräusch aus Sprache Zusammenfassung:

Durch Identifizieren und Analysieren der Eigenschaften der Parameter eines Eingangssignales, das Sprache bei Vorhandensein von gleichzeitig auftretendem, nahezu stationärem Geräusch enthält, können Pausen zwischen Sprechintervallen wie auch die Beendigung eines solchen Geräusches erkannt werden. Wenn ein geräuschenthaltendes Pausenintervall erkannt wird, werden die während eines solchenjlntervalles identifizierten Parameter benutzt, um die Parameter eines adaptiven Filters einzustellen, durch welches das Eingangssignal während nachfolgender Intervalle der Sprache und bis zur Beendigung des Geräusches gefuhrt wird· Während der Zeit, während der das Eingangssignal durch das Filter geführt wird, wird das nahezu stationäre Geräusch ausgefiltert. In Abhängigkeit von der Erkennung der Beendigung des Geräusches wird das Eingangssignal in Nebenschluß zum

Filter gelegt, das dann bereit ist, die Parameter des Geräusches, welches

"09846/080 ι

Konten: Bayerische Vereinsbank (BLZ 750 200 73) 5 839 300 Gerichtsstand Regensburg

Postscheck München 893 69-801

in der darauffolgenden Pause auftritt, aufzunehmen.

Zum Verständnis vorliegender Erfindung wird auf folgende Druckschriften hingewiesen:

1. 0. Graupe "Identification of Systems",

Krieger Publishing Company, Huntington, N.Y., 1976;

2. E. Parzen, IEEE Trans, on Auto Control, December, 1974;

3. Sage and Melsa, "Estimation Theory with Applications to Communications and Control", McGraw Hill, 1971;

4. N. Levenson and N. Wiener, "Extrapolations, Interpolations and Smoothing of Stationary Time Series," MIT Press, 1964;

5. Y. Z. Tsypkin, "Foundations of the Theory of Learning Systems", Academic Press, N.Y., 1973;

6. M. Schwarz and L. Shaw, "Signal Processing", McGraw Hill, N.Y., 1975; und

7. D. E. Johnson and J. L. Hilburn, "Rapid Practical Design of Active Filters", John Wiley & Sons, N.Y. 1975.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum ' Filtern von Umgebungsgeräusch aus Sprache, und insbesondere Geräusch, ; das nahezu stationär, ist und das verhältnismäßig lange andauert. j

Umgebungsgeräusch wird häufig von Personen mit einwandfreiem Gehör ertragen; solches Geräusch verersacht dann lediglich Unbequemlichkeit und eine schlechtere Sprachverständigung· FUr Personen, deren Gehör nicht einwandfrei ist und die eine Hörhilfe mit einem festen Frequenzspektrum haben, ist Umgebungsgeräusch jedoch häufig außerordentlich störend und fuhrt oft dazu, daß diese Personen die Sprache nicht mehr verstehen sowie durch solche Geräusche körperlichen Schmerz empfinden.

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Umgebungegeräusch kann wie folgt klassifiziert werden:

(1) Geräusch verhältnismäßig kurzer Dauer, z.B. das Aufschlagen von Schuhen bein Gehen oder das Stapeln von Tellern,

(2) Geräusche verhältnismäßig langer Dauer mit nahezu stationären Sektraleigenschaften, z.B. das Geräusch, das durch vorbeifahrende Autos, Zuge und Flugzeuge, oder laufende Gebläse oder Maschinen verursacht wird, und

(3) Geräusche verhältnismäßig langer Dauer, denen stationäre spektrale Eigenschaften fehlen, z.B. Hintergrund, Unterhaltung usw.

Die letzterwähnte Klasse von Geräusch kann Sprache verdecken und verhindern, daß diese Sprache von dem Benutzer einer Hörhilfe verstanden werden kann, und ist deshalb außerordentlich störend.Diese Art von Geräusch greift das Ohr des Benutzers nicht in der Weise an, wie scharfe Geräusche und nahezu stationäre Geräusche verhältnismäßig langer Dauer.

Eine verhältnismäßig zufriedenstellende Lösung dieses Problems harter bzw. knackender Geräusche wird dadurch erzielt, daß in die Schaltung der Hörhilfe eine automatische Verstärkungssteuerung (AGC) eingebaut wird. Eine derartige Schaltung spricht auf ein plötzliches, lautes Knacken durch automatisches Reduzieren der Lautstärke während der Dauer des Knackens an, so daß der Eingang in das Ohr des Benutzers unterdruckt wird. Dies beseitigt nicht nurden knackenden Ton, sondern auch Jede weitere Wahrnehmung, die gleichzeitig mit dem Knacken auftritt. Weil diese Verstärkungsreduzierung jedoch sehr kurz ist, bleibt die Verständlichkeit von Sprache erhalten, und das Ohr hat die Fähigkeit, eine relativ kurze Informationsunterbrechung zu Überbrücken.

Soweit bekannt ist, gibt es jedoch keine praktische Lösung fUr Hörhilfen aufgrund nahezu stationären Geräusches verhältnismäßig langer Dauer· FUr

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vorliegende Beschreibung soll der Ausdruck "nahezu stationäres Geräusch relativ langer Dauer" als "Geräusch der bezeichneten Art" bezeichnet werden, das sich auf Geräusch mit bestimmten Zeit- und Spektraleigenschaften bezieht, nämlich Geräusche einer Dauer, die etwa 3 Sekunden Übersteigt, und deren Frequenzspektrum sich mit der Zeit nicht oder nur innerhalb sehr kleiner Grenzen ändert. Wie oben angegeben, sind Fahrzeug- und Maschinengeräusche Beispiele fUr ein "Geräusch der bezeichneten Art". Die minimale Dauer von Geräusch der bezeichneten Art ist somit erheblich länger als Intervalle normaler Sprache, die zwischen Sprechpausen auftreten.

Ziel der Erfindung ist es, ein neuartiges Verfahren und eine neuartige Vorrichtung zum Ausfiltern von Geräusch der bezeichneten Art aus Sprache zu schaffen, wobei Hörhilfen oder andere Vorrichtungen so angepaßt werden können, daß sie unter sich ändernden Umgebungsgeräuschsituationen einwandfrei arbeiten.

Geräusch der bezeichneten Art wird aus Sprache dadurch ausgefiltert, daß eine Einrichtung vorgesehen wird, die die Eigenschaften eines Eingangssignales identifiziert und analysiert, welches Sprache bei Vorhandensein! eines solchen Geräusches enthält. Pausen zwischen Sprechintervallen wie auch die Beendigung des Geräusches können angezeigt werden. Wenn ein Pausenintervall , das Geräusch enthält, erkannt wird, werden die während eines solchen Intervalles identifizierten Parameter verwendet, um die Parameter eines adaptiven Filters einzustellen, durch welches das Eingangssignal während eines nachfolgenden Sprachintervalles und bis zur Beendigung des Geräusches geführt wird. Während der Zeitdauer, während der das Eingangssignal durch das Filter geht, wird das nahezu stationäre Geräusch ausgefiltert. In Abhängigkeit von der Erkennung der Beendigung des Geräusches wird das Eingangssignal in Nebenschluß zum Filter gelegt, das dann bereit ist, die Parameter des Geräusches aufzunehmen, die wäh»

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ORIGINAL INSPECTED..,.

rend einer nachfolgenden Pause auftreten.

Die Einrichtung nach vorliegender Erfindung weist zwei Bestandteile auf, nämlich ein Erkennungsuntersystem und ein adaptives Filteruntersystem. Das Erkennungsuntersystein fuhrt einen Parameteridentifizieralgorithmus j aus, der die Parameter des Eingangssignales identifiziert· Eine solche ; Identifizierung wird in Zeitintervallen ausgeführt, die wesentlich kleiner sind als das kleinste Sprachintervall oder die Pause zwischen Sprachintervallen, die bei normaler Sprache voraussichtlich auftreten. > Die identifizierten Parameter werden in regulären Intervallen geprüft, um festzulegen, ob sie die Kriterien erfüllen, daß sie als stationär

j oder nahezu stationär betrachtet werden. Wenn die Kriterien erfüllt sind, bewirkt das Erkennungsuntersystem, daß bestimmt wird, ob das Geräusch bei Fehlen von Sprache, d.h. während eines Pausenintervalles, auftritt. Wenn das Geräusch während einer Pause auftritt, werden die identifizierten Parameter dem adaptiven Filter zugeführt, dessen charakteristische j Eigenschaft dadurch dem Geräusch angepaßt wird, und das Eingangssignal j wird auf den Filterausgang geschaltet. Das adaptive Filteruntersystem

I dient nicht nur zum Ausfiltern des Geräusches im Eingangssignal während | des nachfolgenden Sprachintervalles, sondern auch zur Bestimmung, ob das | Geräusch während eines Sprachintervalles, d.h. bevor eine Pause auftritt4 beendet worden ist. Wenn eine Beendigung während eines Sprachintervalles auftritt, wird das Eingangssignal im Nebenschluß zum Filter gelegt und seine Arbeitsweise eingestellt, bis ein bevorstehendes, eine Pause enthaltendes Geräusch der beschriebenen Art angezeigt wird.

Die durch das Erkennungsuntersystein identifizierten Parameter können zu anderen Zeiten als während Pausen enthaltendem Geräusch gespeichert und durch das adaptive Filter zu anderen Zeiten verwendet werden.

Ein adaptives Filter gemäß der Erfindung muß rechnerisch leistungsfähig

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und schnell sein und kann aus an sich bekannten digitalen Bauelementen aufgebaut sein. Während viele Anwendungsfälle nach vorliegender Erfindung nicht in bezug auf Größe, Gewicht oder Kosten begrenzt sind, erfordert die Anwendung vorliegender Erfindung auf Hörhilfen die Anwendung der Mjhxrocoaputertechnik. Ein derart konstruiertes adaptives Filter kann elektrisch mit einer herkömmlichen, im Ohr getragenen Hörhilfe oder mit «iner Hörhilfe nach OT-PS ... (Patentanmeldung P 27 07 607.9) gekoppelt sein. Andererseits kann das adaptive Filter nach vorliegender Erfindung von dem Benutzer in der Tasche getragen und mit einer Hörhilfe Über Draht, oder drahtlos verkettet sein.

Das adaptive Filter nach vorliegender Erfindung ist auch generell auf andere Arten von Sprachverbindungssysteme anwendbar, die bei Vorhandensein eines Umgebungsgeräusches hohen Pegels, das nahezu stationär ist, arbeitet. Beispiele für derartige Systeme sind die Sprechverbindung von Maschinen- ■ raum zu Brücke an Bord eines Schiffes und die Spnchverbindung der Mannschaft untereinander an Bord eines Hubschraubers oder in einem Tank. i

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand eines Ausfuhrungsbeispieles erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer adaptiven Hörhilfe nach vorliegenden Erfindung, die in Verbindung mit einer Sprachverbindung in Form eine^ herkömmlichen Hörhilfe verwendet wird,

Fig. 2 ein Zeitfolgediagramm, das eine typische Beziehung zwischen dem Auftreten von Geräusch der beschriebenen Art und einem Sprachschema darstellt, j

Fig. 3 ein Blockdiagramm, das die Funktionsbeziehung zwischen den wesent-j

liehen Bestandteilen einer adaptiven Hörhilfe gemäß der Erfindung j angibt,

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Fig. 4α und 4b Teile eines detaillierten Blockschaltbildes einer AusfUhrungsform des adaptiven Filters nach vorliegender Erfindung, und

Fig. 5 eine zusammengesetzte Ansicht, wie das Teilblockdiagramm nach den Fig· 4a und 4b zu einem ganzen Blockdiagramm zusammengesetzt wird.

In Fig. 1 ist mit 10 ein adaptives Filter gemäß der Erfindung angedeutet, ein solches Filter nimmt ein Eingangssignal auf, das Umgebungsgeräusch S einschließlich Geräusch der beschriebenen Art, sowie Sprache enthält, die additiv im Wandler 11, der beispielsweise ein Mikrophon ist, kombi- J niert werden. Das Eingangssignal wird dem Filter 10 aufgegeben, das in der nachstehend beschriebenen Weise arbeitet, um Geräusch der beschriebenen Art aus dem Eingangssignal auszufiltern und ein gefiltertes Signal an ein Nachrichtensystem gibt, das einen Verstärker und einen Lautsprecher enthält, wobei dieses System als Hörhilfe 13 dargestellt ist. Die Hörhilfe kann in herkömmlicher Weise aufgebaut sein oder eine Hörhilfe nach Art des vorstehend angegebenen.'4t* Patentes ··· (Patentanmeldung P 27 07 607.9) sein. Der Ausgang aus der Hörhilfe wird dem Ohr eines Benutzers zugeführt, der somit in der Lage ist,den Nachrichtengehalt im Sprachteil des Eingangssignales weitgehend unbeeinflußt von dem Vorhandensein von Geräusch der beschriebenen Art zu verstehen.

Das Filter 10 kann räumlich in die Hörhilfe 13 eingebaut sein, es kann jedoch auch von der die Hörhilfe benutzenden Person getragen und mit der Hörhilfe Über Draht oder drahtlos gekoppelt werden.

Oie Beziehung zwischen Geräusch der beschriebenen Art und Sprache ist ι in Fig. 2 dargestellt. Sprache ist durch eine Reihe von getrennten Spracjt-

Intervallen gekennzeichnet, die einen einzelnen Ton, ein Wort oder eine I Gruppe von Tönen oder Wörtern enthalten, welche von einem Individuum gesprochen werden. Zwischen solchen Intervallen sind Pausen vorhanden.

/12,

die keinen Nachrichtengehalt haben und die Geräusch der beschriebenen Art enthalten können oder auch nicht, abhängig von Faktoren, die von dem Nachrichtengehalt in den Sprachintervallen, welche einer Pause vorausgehen oder ihr folgen, unabhängig sind.

Das Filter 10, das in Fig. 3 gezeigt ist, weist zwei Hauptbestandteile auf, nämlich das Erkennungsuntersystem 15 und das adaptive Filtersystem 16. Das Untersystem 15 weist eine Parameteridentifiziereinrichtung 17 zum Identifizieren der Parameter des Eingangssignales und eine Diskriminiereinrichtung 18 zur Prüfung der identifizierten Parameter auf, um festzustellen, ob sie die vorbestimmten Kriterien in bezug auf stationäres Auftreten erfüllen. Die Parameteridentifizierung wird vorzugsweise unter Verwendung einer Zeitserienidentifizierung, z.B. einer autoregressiven Modellidentifizierung oder einer autoregressiven Modellidentifizierung mit beweglichem Mittelwert nach Entgegenhaltung (i) durchgeführt. Andererseits kann die Parameteridentifizierung durch spektrale Identifizierung, basierend auf einer Transformation des Zeit-Serien-Identifiziermodelles in die Frequenzdomäne unter Verwendung der Fouriertransformationsvorgänge erfolgen. Wenn die Zeit-Serien-Identifizierung eine autoregressive Modellidentifizierung ist, kann die Transformation in die Frequenzdomäne unter Verwendung der Lehre nach Entgegenhaltung (2) durchgeführt werden.

Unter dem Einfluß der Takteingabe 19 erfolgt die Parameteridentifizierung periodisch bei aufeinanderfolgenden Identifizierintervallen, die wesentlich klirzer sind als das kürzeste Signal von Sprache oder Pause zwischen Sprachintervallen, die bei normalen Sprachschemen auftreten. Identifizierungsversuche zeigen, daß die autoregressiven Modellparameter der Sprache Üblicherweise mit Intervallen von etwa 0,05 see. variieren. Aus diesem Grunde beträgt die bevorzugte Prüfperiode etwa 0,1 see, es können jedoch auch andere Perioden verwendet werden. Aus diesem Grund ist die Taktgeschwindigkeit als einsteilbar angegeben. Die PrüfIntervalle sind Unter-

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Intervalle der Sprach- und Pausenintervalle, wie in Fig. 2 gezeigt.

Die Oiskriminiereinrichtung 18 prUft Änderungen in den identifizierten Parametern Über eine Anzahl von identifizierintervallen, die durch den Eingang 20 zur Diskiminiereinrichtung ausgewählt werden, um festzulegen, ob die identifizierten Parameter stationär sind· Während eines Sprachintervalles ändern sich die Identifizierparameter wesentlich Über eine Anzahl von Identifizierintervallen unabhängig davon, ob Geräusch irgendeiner Art einschließlich Geräusch dbr beschriebenen Art vorhanden ist; die identifizierten Parameter werden nicht als stationär betrachtet. Während einer Pause, die nur Geräusch der betrachteten Art enthält, ändern sich die Parameter Über eine Anzahl von Identifizierintervallen Überhaupt nicht, oder aber die Änderung ist sehr gering. Änderungen innerhalb vorbestimmter Grenzen Über eine vorbestimmte Anzahl von Identi fizierintervallen ergeben die Kriterien, die bestimmen, ob die Parameter stationär sind und damit, ob eine Pause Geräusch der beschriebenen Art enthält.

Während einer Pause ohne Geräusch sind die Parameter Null, und der Ausgang 21 der Oiskriminiereinrichtung 18, der durch das ODER-Gatter 22 gelangt, wirkt auf eine Steuervorrichtung 23, die den Anschluß C mit dem Anschluß A verbindet und ermöglicht, daß das Eingangssignal das Untersystem 16 in Nebenschluß legt sowie am Eingang des Gatters 24 auftritt· | Diese Verbindung wird solange aufrechterhalten, bis eine Pause enthalte«!» des Geräusch der beschriebenen Art durch die Oiskriminiereinrichtung 18 j angezeigt wird. Wenn dies der Fall ist, sind die Parameter, die durch dip Identifiziereinrichtung 17 identifiziert werden, charakteristisch für das Geräusch, und die Oiskriminiereinrichtung 18 erzeugt einen Ausgang 25, der zu allererst die Steuervorrichtung 23 beeinflußt und den An-Schluß C mit dem Anschluß B verbindet, wodurch das Eingangssignal/das Untersystem 16 geschaltet wird. Der Ausgang 25 wirkt auch auf eine Über-

tragsschaltung 26, um den Übergang der identifizierten Parameter, welche charakteristisch fUr das Geräusch sind, auf den einstellbaren Parameterabschnitt der Filtervorrichtung 27 des Untersystens 16 zu bewirken. Die Filtervorrichtung 27 wird somit so eingestellt, daß sie die Frequenzen Si -iarf dämpft, die das Geräusch darstellen, ohne daß andere Frequenzen ',» dem Eingangssignal in wesentlichem Maße beeinflußt werden·

Die Filtervorrichtung 27 ist vorzugsweise ein Domänenfilter mit minimaler Varianzzeit der in Druckschrift (3) erwähnten Art. Beispielsweise kann das Filter ein erweitertes Kaimanfilter gefärbten Geräusches sein, wie ; in Druckschrift (3) beschrieben, oder es kann ein realisierbares Wienerfilter sein, wie in den Druckschriften (4) und (5) angegeben. Anderer- ι seits kann das Filter ein einstellbares Kerbfilter sein, wie es beispielsjweise in den Druckschriften (6) und (7) beschrieben ist. Ein realisier- i

bares Wiener-Filter nach Abschnitt 8.6 der Druckschrift (5), bei dem die i

i Autocorrelationsfunktion des Geräusches aus den autoregressiven Modell- i Parametern des Geräusches unter Verwendung der Beziehung zwischen diesen Ausdrucken nach der Druckschrift (i) berechnet werden kann, kann mit einer Modifizierung verwendet werden, daß der Fehlerwert direkt auf ein Minimum gebracht wird, damit eine raschere Filterung erzielt wird, als sie unter Verwendung des ursprunglichen Algorithmus nach Abschnitt 8.6 der Druckschrift (5) erhalten wird.

i Während des nächsten Sprachintervalles, das auf die angezeigte geräusch- j enthaltende Pause folgt, bewirkt das Untersystem 16, daß das Geräusch im Eingangssignal ausgefiltert wird, während das Sprachsignal (vermindert ui die Geräuschfrequenzen) weitgehend unbeeinflußt das Gatter 24 passieren kann. Diese Situation bleibt erhalten, wenn die Geräuschparameter im Parameterabschnitt der Filtervorrichtung bei Auftreten einer jeden Pause fortgeschaltet werden, bis das Geräusch endet. Wie im einzelnen nachstehend noch beschrieben, dient das Untersystem 16 nicht nur dazu, das

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Geräusch im Eingangssystem während Sprachvorgängen im Anschluß an die Anzeige eines eine Pause enthaltenden Geräusches auszufiltern, sondern auch zur Bestimmung, ob das Geräusch während eines Sprachintervalles beendet worden ist.

Wenn die Geräuschbeendigungsschaltung 28 die Beendigung von Geräusch während eines Sprachintervalles erkennt, bewirkt der Ausgang 29 eine Beeinflussung der Steuervorrichtung 23 Über das OOER-Gatter 22, wobei der Anschluß C vom Anschluß B getrennt und mit dem Anschluß A verbunden wird, so daß das Eingangssignal direkt zum Ausgen g des Gatters 24 gelangen kann. Somit umgeht das geräuschfreie Eingangssignal die Filtervorrichtung 27 während des Abgleiches des Sprachintervalles, innerhalb welchem das Geräusch beendet wird. Diese Anordnung eliminiert eine Störung, die das Filter eingeführt haben würde, nachdem das Geräusch aufhört.

Der Ausgang 29 bewirkt auch eine Beendigung der Arbeitsweise der Filtervorrichtung 27/fibt den einstellbaren Parameterabschnitt frei. Die Filtervorrichtung ist somit bereit zur Aufnahme eines neuen Satzes von Parametern, wenn die nächste Pause Geräusch der beschriebenen Art enthält.

In den Figuren 4a und 4b, in denen der Anschluß Al mit dem Anschluß A2 verbunden ist, usw., wird ein Sprachsignal s. additiv mit einem Gerauschsignal der beschriebenen Art kombiniert, das mit n, bezeichnet ist, dami ein Eingangssignal y. en.+·. erzielt wird. Das Eingangssignal wird dem Erkennungsuntersystem 15A aufgegeben, das eine lineare Verzögerungsvorrichtung 30 mit einer Vielzahllvon Anzapfungen 31 enthalt, on welchen das Eingangssignal y. zeitlich um das Intervall B verzögert erscheint· Betrachtet man die Zeitverzögerung B als Verzögerungsoperator, ergibt sich

^Byk ^{β y}k-1 ' ^{B y}k^{5 By}k-1 ^{s y}k-2 ' I

Die verzögerten Eingangssignale werden der Schaltung 32 aufgegeben, die die Varianz des Signales berechnet, und ferner der Schaltung 33, die kontinuierlich die Parameter identifiziert, die charakteristischen Eigenschaften des Eingangssignales zugeordnet sind. Die Schaltung 32 prUft die Analogeingänge und berechnet die Varianz,(d.h. die Summe der Quadrate der Amplitude des Eingangssignales in jedem Augenblick der Prüfung, was nachstehend als geprüfte Varianz bezeichnet wird), und gibt sie auf eine Schwellwertanzeigevorrichtung 34. Wenn die Varianz den Grenzwert des Schwellwertdetektors 34 nicht Übersteigt, muß das Eingangssignal in diesem Augenblick eine Pause ohne Geräusch der beschriebenen Art repräsentieren. Ein Eingang aus der Leitung 35 des Detektors 34 dient somit zum öffnen des Gatters 36, wodurch das Eingangssignal y, in das OOER-Gatter 37 gelangen kann, deren Ausgang beispielsweise einer Hörhilfe aufgegeben wird. In diesem Fall wird das Eingangssignal direkt der Hörhilfe aufge- , geben und umgeht die anderen Bestandteile des adaptiven Filters.

Ein Ausgang aus der Leitung 38 des Detektors, der auftritt, wenn die Varianz den Schwellwert des Detektors 34 Übersteigt, tritt auf, wenn das Eingangssignal in diesem Augenblick entweder ein eine Pause enthaltendes Geräusch der beschriebenen Art oder Sprache (mit oder ohne Geräusch) j darstellt. Ein Ausgang auf der Leitung 38 wird einem Gatter 39 wie auch , UND-Gattern 40, 41 des adaptiven Filteruntersystems 16a aufgegeben· Das Gatter 39 richtet das Eingangssignal y. in ein erweitertes Kaimanfilter 42. Anstatt dieser Art von Filtern kann der Block 42 ein einstellbares Kerbfilter oder ein Wiener-Filter nach Abschnitt 8.6 der Druckschrift (5) enthalten, ^ie beiden letzteren Filter erfordern nur die Geräuschparameter ((X n) fUr ihre Einstellung. Somit sind der Block 46 und die Gatter 45 und 47 in solchen Fällen nicht erforderlich.

Der Ausgang des Filters 42 wird dem OOER-Gatter 37 aufgegeben. Der Eingang in dieses Filter ist somit das Eingangssignal, das Geräusch der be-

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schriebenen Art oder Sprache enthält, die Geräusch der beschriebenen Art enthalten kann oder auch nicht.

Die Parameteridentifiziereinrichtung 33 nimmt die angezapften Signale y, , y, - usw. auf und erzeugt eine Vielzahl von Ausgängen, von denen einer jedem Parameter Ct (B) entspricht. Die Schaltung 43 testet diesen

J j

Parameter, ob sie stationär sind. Wenn die Parametereinstellung stationär ist (d.h. sich Über mehrere Identifizier-Zwiechenspiele nicht ändert) oder wenn die Parametereinstellung sich innerhalb vorgegebener Grenzen über ein festes Zeitintervall ändert, kann das Eingangssignal y. nicht Sprache enthalten. Das Eingangssignal muß deshalb eine ein Geräusch der beschriebenen Art enthaltene Pause sein, wenn die Varianz den Schwellwert des Detektors 34 Übersteigt. Wenn somit das UND-Gatter 40 einen Ausgang hat, muß das Eingangssignal y, eine Geräusch der beschriebenen Art enthaltende Pause sein. Der Ausgang des Gatters 40 bewirkt, daß die Geräuschparameter, die von der Identifiziereinrichtung 33 berechnet sind, im Pufferspeicher 43 gespeichert werden, wo sie fUr ihre Verwendung im Kaimanfilter 42 bereit sind.

Wenn andererseits das UND-Gatter 41 einen Ausgang besitzt, der dann, wenn CX (B)-Parameter nicht-stationär sind, und wenn gleichzeitig die PrUfvarianz von y, den Schwellwert des Detektors 34 Übersteigt, der die Sprache darstellt, und Gatter 45 geöffnet wird, um die Geräuschparameter /V aufzugeben, die charakteristisch fUr das Geräusch der beschriebenen Art sind, welches innerhalb des vorausgehenden Pausenintervalles auftritt, der Computerschaltung 46 aufgegeben werden, die die Sprachparameter Oi aus den Geräuschparametern Oi berechnet, welche im Puffer 44 gespeichert sind, sowie die Eingangsparameter OC , die laufend durch die Identifiziervorrichtung 33 identifiziert werden, werden letztere Parameter dem Rechner 46 Über das Gatter 47 aufgrund des gleichen Ausganges der Schaltung 43 aufgegeben, der auf das Gatter 41 aufgegeben wird. Es ist

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Λ ^{27i9a7S :}

dabei zu erwähnen, daß die OC -Parameter nicht als Eingänge zum Block erforderlich sind, wenn letzterer ein Wiener-Filter nach Abschnitt 8.6 der Druckschrift (5), oder aber ein einstellbares Kerbfilter ist. ;

Dc .das Filter 42 mit den Geräuschparametern ausgestattet ist, die während 'xner Geräusch der vorbeschriebenen Art enthaltenden Pause erhalten wer-' den, und da der Übrige Teil der Parameter dieses Filters (wenn ein erweitertes Kaimanfilter im Block 42 verwendet wird) aus einem Sprachinter-t vall erhalten werden, das einer geräuschenthaltenden Pause folgt, und fortlaufend während des Sprachintervalles fortgeschaltet werden, enthält ί der Ausgang des Filters 42 die Schätzung die Auswertung s. des Sprachsignales s, · Ein» derartige Auswertung des Sprachsignales steht am Ausgang des ODER-Gatters 37 zur Verfugung. Wenn der Block 42 ein erweitertes j

Kaimanfilter enthält, sind sowohl die Geräuschparameter OL , die während|

ⁿ ι

der letzten geräuschenthaltenden Pause erzielt werden, und die laufend identifizierten Eingangsparameter OL erforderlich, um das Kaimanfilter einzustellen. Die Einstellung fUr dieses Filter erfolgt nach Abschnitt 1 der Druckschrift (l), wobei die erweiterte Form eines solchen Filters berücksichtigt wird. Somit erfordert die Einstellung des erweiterten Kaimanfilters die Parameter OL und die Parameter <£ ( CL wird aus

(X, und OL berechnet) zur Einstellung. Das Wiener-Filter nach Aby χ

schnitt 8.6 der Druckschrift (5) einzustellen oder aber ein Kerbfilter einzustellen, ist nur oL erforderlich.

Wenn das Geräusch der beschriebenen Art Über das gesamte Sprachintervall andauert, wird der vorbeschriebene Zustand von Vorgängen fortgesetzt, bii eine Pause auftritt, die Geräusch der beschriebenen Art enthält.

Wird das Filter 42 mit dem Eingangssignal aufgrund des ZuStandes des Gatters 39 gespeist, und endet das Geräusch während einer Pause, wird das Gatter 39 geschlossen, weil der Ausgang auf der Leitung 48 verschwind

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det, und das Eingangssignal wird den OOER-Gatter 37 Über das Gatter aufgrund der Einleitung ehe» Ausganges aus der Leitung 35 aufgegeben. Dies wird fortgesetzt, bis eine Pause auftritt, die Geräusch der beschriebenen Art enthält. Ein derartiges Geräusch kann durch ähnliche oder andere Parameter charakterisiert sein.

Wenn das Geräusch während eines Sprachintervalles endet, wird der Betrieb des Filters 42 in Abhängigkeit von einer Änderung in der Zustandsfehler-Kovarianz-P-Matrix des Kalmanfilters (vgl. Abschnitt 8.1 der Druckschrift (3) ) und in Abhängigkeit von einest plätzlichen Abfall in der PrUfkovarianz des Eingangssignales beendet. Die Schaltung 50 (die fehlt, wenn der Block 42 nicht auf einem erweiterten Kaimanfilter basiert) berechnet die P-Matrix, die eine Auswertung der Kovarianz der Differenz zwischen dem Sprachsignal s, und der besten Auswertung des Sprachsignales s, ist, wenn letzteres Geräusch enthält. Die Detektorschaltung 51 hat einen Ausgang, wenn der Schwellwert, der in Detektor eingestellt ist, Überschritten wird. Zusätzlich berechnet die Schaltung 52 die Änderung in der PrUfvarianz des Ausganges der Schaltung 32, und der Schwellwertdetektor 53 bestimmt, wann die Änderung in der Varianz plitzlich fällt. Die Koinzedenz dieser Ereignisse ergibt einen Ausgang auf das Gatter 54, der zum Freimachen des Pufferspeichers 44 und zur Beendigung der Filterwirkung des Filters 42 dient. Gleichzeitig wird das Gatter 50 geäffnet, damit das Eingangssignal zum OOER-Gatter 37 gelangen und das Filter 42 umgehen kann.

Andererseits kann die Beendigung des Geräusches der beschriebenen Art während eines Sprachintervalles angezeigt werden, falls die PrUfvarianz des Eingangs y, plätzlich fällt, fails der Filterausgang nicht gleichzeitig fällt.

Letztere Anordnung ist alternativ zu der nach den Fig. 4a und 4b und

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wird mit einem erweiterten, diskreten Wiener-Filter verwendet, oder aber es wird ein Kerbfilter bei 42 anstelle des erweiterten Kaimanfilters eingesetzt. Wird ein Kerbfilter verwendet, werden ein oder mehrere Kerben vorbestimmter Tiefe vorgesehen. In einem solchen Fall wird die Kerbe oder werden die Kerben so eingestellt, daß sie in dem Frequenzbereich auftreten, in welchem das Geräusch der vorbeschriebenen Art als hauptsächlich konzentriert identifiziert wird, entweder Über ein Zeitserien- Identifiziermodell, das auf ein Frequenzmodell transformiert wird, oder Über eine direkte Frequenzspektrumanalyse des Gertiuschsignales auf der Basis einer Fouriertransformation. Die spektrale Auswertung kann direkt auf das autoregressive Modell bezogen sein, wenn eine Zeitdomänenidentifizierung verwendet wird, indem Spektralauswertungen (minimaler Entropie) verwendet wird, wie in Druckschrift (2) angegeben. Unabhängig davon, welches Verfahren verwendet wird, um das Modell für das Geräusch oder den Kerbbereich fUr das Kerbfilter zu erzielen, können sowohl das Modell als auch der Kerbbereich in Abhängigkeit von der Zeit verändert werden, solange die Änderungen in dem Geräusch graduell sind oder sich in Abhängigkeit von der Zeit nur unwesentlich ändern.

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Claims

27 1907.T

Patentansprüche

gder bezeichneten Art Verfahren zum adaptiven Filtern von Geräusch aus Sprache, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Parameter, die die charakteristischen Eigenschaften eines das Geräusch und Sprache enthaltenden Eingangssignales periodisch identifiziert werden,

b) daß das Auftreten von Pausen, die das Geräusch zwischen Sprachintervallen enthalten, angezeigt werden,

c) daß die Parameter eines Filters auf die Parameter eingestellt werden, die in Abhängigkeit von der Anzeige einer das Geräusch enthaltenden Pause identifiziert werden,

d) daß das Eingangssignal durch das Filter geführt wird, das auf die das angezeigte Geräusch enthaltende Pause folgt, und zwar solange, bis eine Beendigung des Geräusches angezeigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

a) daß das Auftreten von Pausen ohne daß Geräusch zwischen Sprachsignalen angezeigt wird, und

b) daß das Eingangssignal während dieses Sprachintervalles, das auf die angezeigte Pause ohne Geräusch folgt, umgeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal in Nebenschluß zum Filter in Abhängigkeit von der Beendigung des Geräusches innerhalb einer Pause zwischen Sprachintervallen geführt wird.

U. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal in Nebenschluß zum Filter in Abhängigkeit von der Beendigung des Geräusches während eines Sprachintervalles geführt wird.

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ORIGINAL INSPECTED

- 2 - 271097:-

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameteridentifizierung eine Zeit-Serien-Identifizierung ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameteridentifizierung eine autoregressive Modellidentifizierung ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameteridentifizierung eine autoregressive Modellidentifizierung mit sich änderndem Mittelwert ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameteridentifizierung eine spektrale Identifizierung ist und die Frequenzdomäne dadurch erzielt wird, daß eine Transformation des Eingangssignales durchgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameteridentifizierung durch spektrale Identifizierung eines Zeit-Serien-Modells erhalten wird, die darauf basiert, daß eine Fourier-Transfcrmation durchgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameteridentifizierung durch spektrale Identifizierung eines Zeit-Serien-Modelles durchgeführt wird, die auf einer Transformation des Modells in ein Frequenzdomänenmodell basiert.

11.Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameteridentifizierung ein autoregressives Modell verwendet, das in ein Frequenzdomänenmodell transformiert wird.

12.Adaptives Filter zum Filtern von Geräusch der beschriebenen Art aus Sprache, gekennzeichnet durch

a) einen Diskriminator zum periodischen Identifizieren des Parameters, der die charakteristischen Eigenschaften eines das Geräusch und Sprache aufweisenden Eingangssignales darstellt, und zum Anzeigen von Pausen, die das Geräusch

zwischen Sprachsignalen enthalten,

b) ein Filter mit einstellbaren Parametern,

c) eine Steuervorrichtung, die auf die Anzeige der Ge rausch enthaltenden Pause anspricht, um die Parameter des Filters auf die identifizierten Parameter einzustellen, und um das Eingangssignal durch das Filter, das auf die angezeigte Geräusch enthaltende Pause folgt, nur bei Aufhören des Geräusches zu führen.

13. Filter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Diskriminator Pausen ohne Geräusch anzeigt und daß die Steuervorrichtung auf die Anzeige einer Pause ohne Geräusch anspricht, damit das Eingangssignal in Nebenschluß zum Filter gelegt wird.

IH. Filter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung auf die Beendigung des Geräusches während einer Pause anspricht, damit das Eingangssignal in Nebenschluß zum Filter gelegt wird, und damit das Filter zur Aufnahme eines neuen Satzes von Parametern vorbereitet wird.

15. Filter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Diskriminator eine Vorrichtung zur Berechnung der geprüften Varianz des Eingangssignales aufweist, und daß das adaptive Filter eine Vorrichtung enthält, die auf einen plötzlichen Abfall in der geprüften Varianz anspricht, damit das Eingangssignal in Nebenschluß zum Filter gelegt wird.

16. Filter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter die Form eines erweiterten Kaiman-Filters, nämlich eines gefärbten Meßgeräusch-Kalman-Filters besitzt, bei welchem bestimmte Geräuschvektorelemente den Zustandsvektor erweitern.

17. Filter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es die Form eines einstellbaren Kerbfilters, nämlich eines Kerbfilters besitzt, bei dem die Frequenzlage der Kerbe ein-

⁰^lNAL /NSPECTED

stellbar ist.

18. Filter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es die Form eines Wiener-Filters besitzt.

19. Filter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es ein lineares Filter des kleinsten Quadrates ist.

20. Filter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es die Form eines erweiterten Kaiman-Filters für gefärbtes Meßgeräusch hat.

21. Filter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es die Form eines erweiterten Kaiman-Filters besitzt, und daß das adaptive Filter eine Vorrichtung zur Berechnung der Zustands} Fehler-Kovarianz-Matrix P des Kaiman-Filters sowie eine Vorrichtung aufweist, die auf eine Schwellwertzunähme im Wert der P-Matrix anspricht, damit das Eingangssignal in Nebenschluß zum Filter gelegt wird.

22. Filter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es die Form eines erweiterten Kaiman-Filters besitzt, und daß das adaptive Filter eine Vorrichtung zur Berechnung der Kovarianz-Matrix P des Kaiman-Filters, eine Vorrichtung zur Berechnung der geprüften Varianz des Eingangssignales und eine Vorrichtung, die auf einen plötzlichen Abfall der geprüften Varianz gleichzeitig mit einer Schwellwertzunahme im Wert der P-Matrix anspricht, aufweist, damit das Eingangssignal in Nebenschluß zum Filter gelegt wird.

23. Filter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur überwachung des Filterausganges vorgesehen ist, die anspricht, um einen der Ausgänge aufrechtzuerhalten, wenn die geprüfte Varianz plötzlich abnimmt, damit das Eingangssignal in Nebenschluß zum Filter gelegt wird.

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24. Sprechverbindung mit einem Filter nach Anspruch 12 in Verbindung mit einem durch Verstärker gesteuerten Lautsprecher, dessen Eingang aus dem Ausgang des Filters während des Auftretens des beschriebenen Geräusches abgeleitet ist.

25. Hörhilfe mit einem adaptiven Filter nach Anspruch 12 in Verbindung mit einer Hörhilfe, deren Eingang der Ausgang des Filters ist.

26. Hörhilfe nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das adaptive Filter räumlich in die Hörhilfe eingebaut ist.

27. Hörhilfe nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das adaptive Filter räumlich von der Hörhilfe getrennt, mit ihr jedoch über Draht gekoppelt ist.

28. Hörhilfe nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das adaptive Filter räumlich von der Hörhilfe getrennt, jedoch über Richtfunk damit gekoppelt ist.

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