Способ подавления шума в информационном сигнале и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к технике электрической связи, в частности к способам и устройствам обработки информационных сигналов. Техническим результатом является эффективное подавление широкополосных, полигармонических шумов, искажающих информационные сигналы, а также усиление контрастности полезного информационного сигнала. Технический результат достигается тем, что применяют метод многоканальной автоматической регулировки усиления. Устройство включает в себя блок полосовой фильтрации сигнала, блок вычисления целевой функции, блок модификации целевой функции, блок умножения и блок объединения частотных компонент, в устройство дополнительно введены: вычислитель амплитуд спектра, блок накопления среднего спектра и вычислитель отношения сигналов. 2 с. и 6 з.п.ф-лы, 13 ил.

Изобретения относятся к технике электрической связи, а более конкретно к способам и устройствам, предназначенным для обработки информационных сигналов с целью подавления квазистационарных широкополосных и тональных помех, искажающих информационные сигналы, в частности аудиосигналы. Заявляемые способ и устройство могут быть использованы в различных системах связи для улучшения качества и кодирования информационного сигнала, в системах распознавания речи для улучшения надежности распознавания слов, в системах верификации (определения) дикторов, реставрации аудиосигналов, в средствах помощи людям с ослабленным слухом.

Известны различные способы и устройства для подавления шума в системах связи (в системах речевой почты, системах сотовой радиотелефонной связи, междугородных системах связи, системах связи на воздушных линиях и т. п.). Все они предназначены для уменьшения уровня фонового шума при кодировании информационного сигнала пользователя.

Известен способ подавления шума [1], основанный на вычитании спектров. Он заключается в следующем. Исходный сигнал расфильтровывают на отдельные частотные компоненты (преобразуют из временной области в частотную), после чего каждую частотную составляющую взвешивают (фильтруют) целевой функцией g(t,f). После этого взвешенные частотные составляющие объединяют (преобразуют из частотной области во временную), формируя результирующий сигнал на выходе фильтра.

Целевую функцию метода спектрального вычитания (МСВ) g(t,f) вычисляют с использованием вычитания оценки N(t,f)² среднего спектра мощности шума из мгновенного спектра мощности сигнала X(t,f)², например, следующим образом: Сущность обработки состоит в том, спектр результирующего сигнала Y(t,f)² равен разности спектра исходного сигнала и шума. Отсюда название - метод спектрального вычитания.

Y(t,f)²=g(t,f)X(t,f)²=X(t,f)²-N(t,f)².

Часто используют альтернативный способ записи целевой функции - через отношение сигнал/шум. Поскольку полезный сигнал и помеха являются независимыми, спектр исходного сигнала равен сумме спектров полезного сигнала и шума X(t, f)²=S(t,f)²+N(t,f)². Поэтому целевую функцию можно выразить через отношение сигнал/шум (SNR): Основным недостатком известного способа подавления шума является наличие после МСВ фильтрации остаточных (музыкальных) шумов. Их наличие связано с заменой при вычислении целевой функции реального (случайного) спектра шума на его усредненную оценку.

Одно из первых устройств для практической реализации МСВ приведено в [2] . Устройство содержит блок полосовых фильтров, детектор шума, блок накопления оценки средней энергии шума, блоки вычисления целевой функции для каждого частотного канала, устройства умножения частотных компонент на целевую функцию и блок объединения каналов.

Известное устройство недостаточно эффективно подавляются тональные помехи, присутствующие в большинстве шумов технического происхождения, для реализации устройства требуются значительные вычислительные ресурсы, устройство неэффективно работает в условиях нестационарных шумов высокого уровня.

Известен способ адаптивного удаления квазистационарного шума из речи [3] . Известный способ включает разделение входного сигнала на отдельные частотные каналы с помощью соответствующего устройства разделения спектра, введение в отдельные частотные каналы ослабления в соответствии с содержанием энергии шума в каждом канале. Известный способ использует оценку спектральной плотности мощности фонового шума для формирования отношения сигнал/шум для речевого сигнала в каждом канале, которое, в свою очередь, используют для вычисления коэффициента усиления в каждом отдельном канале. Коэффициент шума затем используют для изменения усиления канала для каждого из отдельных частотных каналов. Затем каналы объединяют для формирования выходного сигнала с подавленным шумом. Таким образом, известный способ содержит следующие операции: периодическую идентификацию параметров, характеризующих шум и речь, содержащуюся в сигнале; обнаружение пауз речи (т.е. сигнала, содержащего только шум); обновление оценки шума во время обнаруженных пауз речи и пропускание сигнала через фильтр.

В известном способе информация о шуме накапливается только в паузах речи, в связи с чем область применимости известного способа ограничивается выделением речевых сигналов на фоне стационарного шума.

Известно устройство для адаптивного удаления квазистационарного шума из речи [3]. Устройство содержит средство разделения сигнала на частотные полосы, первый выход которого соединен с входом дискриминатора шума (средства идентификации пауз речи), а второй выход соединен с первым входом средства фильтрации (фильтра подавления шума). Выход дискриминатора шума подключен к входу средства для управления фильтрами (блок накопления информации о шуме и управления фильтром с использованием накопленной информации), выход которого соединен со вторым входом средства фильтрации.

К недостаткам известного устройства следует отнести узкую область применения, ограниченную выделением речевых сигналов на фоне стационарного шума.

Известен способ адаптивного удаления квазистационарного шума информативного сигнала [4]. Известный способ включает разделение входного сигнала на отдельные частотные полосы (каналы), обработку сигнала в каждом канале с целью получения функции их абсолютных величин, осуществление независимого для отдельных полос накопления информации о шуме, в качестве которой используют текущие минимальные значения модуля спектра в отдельных частотных полосах. В известном способе используют оценку модуля спектра фонового шума для формирования отношения сигнал/шум для речевого сигнала в каждом канале, которое, в свою очередь, используют для вычисления коэффициента усиления в каждом отдельном канале. Коэффициент усиления затем используют для изменения сигнала каждого из отдельных частотных каналов. Затем каналы объединяют для формирования выходного сигнала с подавленным шумом.

Применение известного способа ограничено выделением сигналов на фоне стационарного шума, при этом отсутствует подавление полигармонических помех.

Известен адаптивный фильтр для удаления квазистационарного шума из зашумленного информационного сигнала [4] . Фильтр включает блок полосовой фильтрации, блок вычисления целевой функции, блок умножения, блок объединения каналов, вычислитель амплитудного спектра (средних абсолютных значений сигнала) и детектор минимума сигнала. Выход блока полосовой фильтрации соединен с первым входом блока умножения и входом вычислителя амплитудного спектра, выход которого подключен к первому входу блока вычисления целевой функции и входу детектора минимума сигнала, выход которого соединен со вторым входом блока вычисления целевой функции, выход которого подключен ко второму входу блока умножения.

Фильтр используют лишь для выделения сигналов на фоне стационарного шума, при этом не подавляются полигармонические помехи.

Известен способ подавления шума в системе связи, которая предназначена для передачи информации с использованием содержащих шум информационных кадров в каналах, из которого получают оценку шума канала [5]. Способ включает оценку энергии канала в текущем информационном кадре, оценку полной энергии канала в текущем информационном канале и оценку мощности спектров текущего информационного кадра на основе энергии канала, оценку мощности спектров множества прошедших информационных кадров на основе оценки мощности спектров текущего кадра, определение отклонения между оценкой мощности спектров текущего кадра и оценкой мощности спектров множества прошедших кадров и обновление оценки шума канала на основе оценки полной энергии канала и полученного отклонения.

Недостатками известного способа являются: отсутствие масштабируемости результатов обработки относительно амплитуды обрабатываемого сигнала, в результате чего изменение амплитуды исходного сигнала не приводит к пропорциональному изменению амплитуды обработанного сигнала, а также недостаточно эффективное подавление узкополосных помех.

Известно устройство для подавления шума в системе связи, которая предназначена для передачи информации с использованием информационных кадров в каналах, причем информационные кадры в каналах содержат шум, из которого получают оценку шума канала [5] . Известное устройство содержит средство для оценки энергии канала в текущем информационном кадре, средство для оценки полной энергии канала в текущем информационном кадре на основе оценки энергии канала, средство для оценки мощности спектров текущего информационного кадра на основе оценки энергии канала, средство для оценки мощности спектров множества прошедших информационных кадров на основе оценки мощности спектров текущего кадра, средство для определения отклонения между оценкой мощности спектров текущего кадра и оценкой мощности спектров множества прошедших кадров и средство для обновления оценки шума канала на основе оценки полной энергии канала и полученного отклонения.

В известном устройстве изменение амплитуды исходного сигнала не приводит к пропорциональному изменению амплитуды обработанного сигнала, узкополосные помехи подавляются недостаточно, поскольку минимальное значение целевой функции (соответственно глубины подавления гармоник) ограничено порогом, функционирование устройства требует значительных вычислительных затрат, что осложняет его целочисленную реализацию.

Наиболее близким к заявляемому решению является способ подавления шума в информационном сигнале на основе оценки мощности шума частотных компонент информационного сигнала из входного сигнала, содержащего как шум, так и информационный сигнал, и обновление оценки мощности шума частотных компонент [6]. Известный способ-прототип включает: создание набора частотных компонент входного информационного сигнала; вычисление общей мощности каждой частотной компоненты набора частотных компонент; оценку мощности предшествующего выходного сигнала с подавленным шумом; вычисление целевой функции для каждой частотной компоненты как функции общей мощности в каждой частотной компоненте информационного сигнала, оценки мощности в предшествующем выходном сигнале с подавленным шумом и оценки мощности шума; умножение каждой частотной компоненты набора на соответствующую целевую функцию для осуществления оценки мощности каждой частотной компоненты информационного сигнала; выявление паузы в информационном сигнале. Для выявления паузы сравнивают общую мощность каждой частотной компоненты информационного сигнала с первым предустановленным пороговым значением, при превышении общей мощности каждой частотной компоненты этого первого порогового значения сравнивают его со вторым предустановленным пороговым значением и при его превышении определяют наличие паузы. Затем обновляют оценку мощности шума в течение паузы, выявленной в информационном сигнале.

Известный способ-прототип позволяет уменьшить объем вычислений за счет вычисления оценки шума в отдельных частотных компонентах только в паузах информативного сигнала в соответствующей компоненте. Однако при использовании этого способа не подавляются узкополосные гармонические помехи, а на участках возрастания шума он подавляется с некоторой задержкой, обусловленной логикой принятия решения об обновлении оценки спектра шума.

Известно устройство для подавления шума в информационном сигнале [6], совпадающее с заявляемым решением по наибольшему числу существенных признаков и принятое за прототип. Известное устройство включает блок полосовой фильтрации сигнала (БПФ), первый и второй измерители мощности (HM₁ и ИМ₂ соответственно), вычислитель спектра мощности шума (ВСМШ), блок вычисления целевой функции (БВЦФ), блок модификации целевой функции (БМЦФ), блок умножения (БУ), измеритель мощности сигнала (ИМС) и блок объединения частотных компонент (БОЧК). Выход блока полосовой фильтрации (БПФ) соединен с первым входом блока умножения (БУ) и входом первого измерителя мощности (HM₁), выход которого подключен к входу вычислителя спектра мощности шума (ВСМШ), к первому входу блока модификации целевой функции (БМЦФ) и к первому входу измерителя мощности сигнала (ИМС), выход блока вычислителя спектра мощности шума (ВСМШ) соединен с первым входом блока вычисления целевой функции (БВЦФ), со вторым входом блока модификации целевой функции (БМЦФ) и со вторым входом измерителя мощности сигнала (ИМС), выход которого подключен ко второму входу блока вычисления целевой функции (БВЦФ), выход которого соединен с третьим входом блока модификации целевой функции (БМЦФ), выход блока модификации целевой функции (БМЦФ) подключен ко второму входу блока умножения (БУ), выход блока умножения (БУ) соединен с входом блока объединения частотных компонент (БОЧК) и входом второго измерителя мощности (ИМ₂), выход которого подключен к третьему входу измерителя мощности сигнала (ИМС).

При работе устройства-прототипа исходный сигнал расфильтровывают в БПФ на отдельные частотные компоненты, например, с помощью быстрого преобразования Фурье, в результате определяют его комплексный спектр X(t,f): Х(t,f)=Re(t,f)+jIm(t,f), f=0,1,...,N, где Re, Im - реальная и мнимая составляющие спектра; f - дискретный индекс частоты; t - дискретный индекс времени; j - мнимая единица.

По спектру X(t,f) в ИМ определяют функцию спектральной плотности мощности (СПМ) E_x(t,f):
E_x(t,f)=Re(t,f)-Re(t,f)+Im(t,f)Im(t,f).

Далее в ВСМШ детектор Речь/Пауза определяет, относится ли частотная компонента данного кадра данных к речи или к паузе (шуму без речи). На паузах соответствующие частотныe компоненты сигнала E_x(t,f) используют для накопления средней СПМ шума E_n(t,f) согласно рекуррентному алгоритму:
E_n(t,f)=E_n(t-l,f)+alf[E_x(t,f)-E_n(t-1,f)],
где alf<1 - константа обновления оценки во времени.

На кадрах речевой активности в частотном канале мощность шума в нем не обновляют. Обнаружение участков чистого шума в ВСМШ об обновлении составляет основное содержание технического решения-прототипа.

Далее в ИМС вычисляют мощность сигнала:
E_s(t,f)=(1-bet)(E_x(t,f)-E_n(t,f))+betE_y(t-1,f),
где bet<1 - постоянная смешивания;
E_y(t-1,f) - оценка мощности частотной компоненты в предшествующем выходном сигнале с подавленным шумом.

В БВЦФ для текущего кадра вычисляют целевую функцию фильтра G(t,f):

Затем в БМЦФ целевую функцию модифицируют, определяя вначале отношение сигнал/шум (SNR):
SNR(t,f)=G(t,f)(E_x(t,f)/E_n(t,f));
а затем определяют значение модифицированной целевой функции g(t,f):
g(t,f)=F(SNR(t,f))[E_x(t,f)/E_n(t,f)],
где F - функция одной переменной, подходящая для реализации на цифровом процессоре, например
F(x)=x/(1+x);
далее частотные компоненты умножают в блоке умножения (БУ) на целевую функцию, что означает фильтрацию сигнала в спектральной области:
Y(t,1)=X(t,f)g(t,f).

Полученный комплексный спектр Y(t,f) преобразуют далее в БОЧК, например, с помощью быстрого обратного преобразования Фурье, во временную область, образуя кадр (последовательность отсчетов) очищенного (профильтрованного) речевого сигнала, по которым с помощью цифроаналогового преобразования (входящего в состав БОК) формируют непрерывный очищенный речевой сигнал у(t).

Известное устройство-прототип позволяет уменьшить необходимые для его работы вычислительные ресурсы, однако устройством не подавляются узкополосные гармонические помехи, а на участках возрастания шума он подавляется с некоторой задержкой, обусловленной логикой принятия решения об обновлении оценки спектра шума.

Задачей настоящего изобретения являлось создание такого способа подавления шума в информационном сигнале и такого устройства, реализующего этот способ, которые при сохранении достоинств прототипов (в первую очередь простоты реализации) позволили бы эффективно подавлять широкополосные и полигармонические шумы и усиливать контрастность полезного информационного сигнала, обеспечивать более оперативное обновление оценки спектра шума при его изменении и инвариантность степени подавления шума при изменении масштаба входного сигнала.

Поставленная задача решается тем, что способ подавления шума в информационном сигнале включает:
создание набора частотных компонент входного информационного сигнала;
определение амплитуды каждой частотной компоненты набора частотных компонент;
накопление среднего значения каждой частотной компоненты;
определение целевой функции для каждой частотной компоненты как функции амплитуды в каждой частотной компоненте упомянутого входного сигнала и среднего значения каждой частотной компоненты;
модифицирование целевой функции;
умножение частотных компонент упомянутого входного сигнала на соответствующие значения модифицированной целевой функции;
преобразование выходного информационного сигнала из частотной области во временную.

В частности, средние значения для каждой частотной компоненты накапливают на паузе информационного сигнала со второй предустановленной скоростью, большей первой скорости, в присутствии упомянутого информационного сигнала. При этом выявление паузы в информационном сигнале можно осуществлять путем сравнения амплитуды каждой частотной компоненты входного информационного сигнала с первым предустановленным порогом и определять отсутствие паузы при превышении упомянутого первого порога.

Целевую функцию для каждой частотной компоненты можно определять как отношение амплитуды соответствующей частотной компоненты входного информационного сигнала к среднему значению каждой частотной компоненты, после чего из него вычитают величину второго предустановленного порога.

Целевую функцию можно модифицировать путем первоначального ограничения ее значения предустановленной максимальной величиной и последующего ограничения ее значения предустановленной минимальной величиной.

Предустановленную минимальную величину целевой функции можно определять путем накопления суммы средних значений амплитуд частотных компонент, нормировкой амплитуды каждой частотной компоненты упомянутого сигнала на предустановленную константу, последующего определения отношения нормированной амплитуды каждой частотной компоненты к упомянутой сумме, вычитания из полученного отношения второй предустановленной константы и ограничения полученной величины значениями 0 и 1, с последующим умножением предустановленного нижнего порогового значения целевой функции на полученную величину.

Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для подавления шума в информационном сигнале, включающем блок полосовой фильтрации сигнала (БПФ), блок вычисления целевой функции (БВЦФ), блок модификации целевой функции (БМЦФ), блок умножения (БУ) и блок объединения частотных компонент (БОЧК), в устройство дополнительно введены вычислитель амплитуд спектра (ВАС), блок накопления среднего спектра (БНСС) и вычислитель отношения сигналов (ВОС), при этом выход блока полосовой фильтрации сигнала (БПФ) соединен с первым входом блока умножения (БУ) и входом вычислителя амплитуд спектра (ВАС), выход которого подключен к входу блока накопления среднего спектра (БНСС), к первому входу блока модификации целевой функции (БМЦФ) и к первому входу вычислителя отношения сигналов (ВОС), выход блока накопления среднего спектра (БНСС) соединен с первым входом блока вычисления целевой функции (БВЦФ), с вторым входом блока модификации целевой функции (БМЦФ) и со вторым входом вычислителя отношения сигналов (ВОС), выход которого подключен ко второму входу блока вычисления целевой функции (БВЦФ), выход блока вычисления целевой функции (БВЦФ) соединен с третьим входом блока модификации целевой функции (БМЦФ), выход блока модификации целевой функции (БМЦФ) подключен ко второму входу блока умножения (БУ), выход блока умножения (БУ) соединен с входом блока объединения частотных компонент (БОЧК).

Блок накопления среднего спектра (БНСС) может включать блок вычитания (БB₁), определитель знака (ОЗ), мультиплексор (М), снабженный первым и вторым элементами памяти (ЭП₁ и ЭП₂ соответственно), второй блок умножения (БУ₂), сумматор (С), сдвиговый регистр (СР), третий блок умножения (БУ₃), четвертый блок умножения (БУ₄) с третьим элементом памяти (ЭП₃), при этом вход блока накопления среднего спектра (БНСС) является первым входом второго блока умножения (БУ₂) и первым входом блока вычитания (БB₁), выход которого через определитель знака (ОЗ) соединен с входом выбора данных мультиплексора (М), выход которого подключен ко второму входу второго блока умножения (БУ₂) и к первому входу третьего блока умножения (БУ₃), выход второго блока умножения (БУ₂) соединен с первым входом сумматора (С), выход которого подключен к входу сдвигового регистра (СР), выход сдвигового регистра (СР) соединен с входом четвертого блока умножения (БУ₄) и вторым входом третьего блока умножения (БУ₃), выход которого подключен ко второму входу сумматора (С), а выход четвертого блока умножения (БУ₃) соединен с вторым входом блока вычитания (БB₁).

Блок модификации целевой функции (БМЦФ) может включать линейку сдвиговых регистров (СР), многовходовой сумматор (МС), второй и третий блоки умножения (БУ₅ и БУ₆ соответственно), снабженные элементами памяти (ЭП₁ и ЭП₂ - соответственно), блок деления (БД), блок вычитания (БВ) с элементом памяти (ЭП₃), блок ограничения пик-фактора (БО ПФ) и блок ограничения целевой функции (БО ЦФ), при этом вход второго блока умножения (БУ₅) является первым входом блока модификации целевой функции (БМЦФ), вход линейки сдвиговых регистров (СР) является вторым входом блока модификации целевой функции (БМЦФ), а первый вход блока ограничения целевой функции (БО ЦФ) служит третьим входом блока модификации целевой функции (БМЦФ), выходы упомянутой линейки подключены к входам многовходового сумматора (МС), выход которого соединен с первым входом блока деления (БД), ко второму входу которого подключен выход пятого блока умножения (БУ₅), а выход блока деления (БД) соединен с входом блока вычитания (БВ), выход которого подключен к входу шестого блока умножения (БУ₆) через блок ограничения пик-фактора (БО ПФ), выход шестого блока умножения (БУ₆) которого соединен со вторым входом блока ограничения целевой функции (БО ЦФ), выход которого является выходом блока модификации целевой функции (БМЦФ).

Сущность заявляемого метода заключается в замене МСВ многоканальной автоматической регулировкой усиления (АРУ).

Приведем краткое обоснование заявляемого способа.

Рассмотрим одноканальный вариант АРУ с функцией подавления шума в паузах информационного сигнала. Пусть сигнал x(t), состоящий из информационного сигнала s(t) и шума n(t), имеет среднее абсолютное значение P_s(t), а среднее абсолютное значение шума приблизительно равно Р_n. Предположим, что амплитуда информативного сигнала значительно больше амплитуды шума. Тогда сигнал следует ослаблять на интервалах, где информативный сигнал отсутствует. Это можно реализовать с помощью АРУ с коэффициентом усиления (целевой функцией) g(t) следующего вида:

где G_min - коэффициент, задающий границу средней амплитуды сигнала, ниже которой сигнал(шум) будет подавляться.

Текущую среднюю амплитуду сигнала P_s(t) можно определять, например, на основе экспоненциального сглаживания абсолютных амплитуд сигнала
P_s(t) = P_s(t-1)+bet[|x(t)|-P_s(t-1)],
где bet - постоянная сглаживания, согласованная с динамикой полезного сигнала s(t).

Сигнал на выходе АРУ y(t) пропорционален коэффициенту усиления АРУ
y(t)=g(t)x(t).

В случае Ps(t)Р_n коэффициент g(t) стремится к G_min, что приводит к подавлению шума.

Уровень шума P_n(t) необходимо оценивать автоматически по входному сигналу. В качестве такой оценки может быть использована величина <P(t)> среднего уровня входного сигнала на большом интервале. При этом короткие интервалы полезного информационного сигнала не будут оказывать значительного влияния на оценку среднего уровня входного сигнала при малой постоянной сглаживания rate<[|x()|-<P(t-1)>],
тогда коэффициент усиления АРУ можно определить следующим образом:

Описанная процедура АРУ подавляет нестационарный шум невысокого уровня в паузах полезного информационного сигнала, но не может быть использована в отсутствии таких пауз, а также в случае малого SNR исходного сигнала.

Для преодоления этих ограничений авторами предложена многоканальная фильтрация (АРУ в отдельных частотных каналах). В соответствии с заявляемым способом сигнал разделяют на отдельные частотные диапазоны и осуществляют независимое подавление шума в отдельных частотных полосах с последующим объединением частотных компонент преобразованного сигнала.

Заявляемый способ подавления шума в информационном сигнале и устройство для его осуществления поясняются чертежами, где на фиг.1 приведена блок-схема устройства-прототипа;
на фиг.2 показана блок-схема заявляемого устройства;
на фиг. 3 дана схема блока накопления среднего спектра заявляемого устройства;
на фиг. 4 приведена схема блока модификации целевой функции заявляемого устройства;
на фиг.5 показана последовательность преобразований сигнала в заявляемом устройстве;
на фиг.6 дана последовательность операций при оценке среднего спектра;
на фиг. 7 приведена последовательность операций по определению целевой функции;
на фиг.8 дана последовательность операций модификации целевой функции;
на фиг. 9 показана последовательность операций по определению нижнего значения целевой функции;
на фиг. 10 приведено сопоставление эффективности сохранения речевой компоненты при одинаковой глубине подавления шума (20 дБ) в зависимости от SNR исходного сигнала для заявляемого способа и способа-прототипа. Горизонтальная шкала обозначает SNR, дБ: 0(16 дБ), 2(14 дБ)... 16(0 дБ)... 26(-10 дБ). Вертикальная шкала - средняя амплитуда выходного сигнала, дБ: 1 - чистый и зашумленный сигналы; 2 - зашумленный сигнал и сигнал на выходе устройства-прототипа; 3 - зашумленный сигнал и сигнал на выходе предлагаемого устройства;
на фиг.11 показаны результаты обработки того же тестового сигнала заявляемым способом без контрастирования -1 (G_max=0 дБ) и с контрастированием -2 (G_mах=10 дБ);
на фиг. 12 приведено сопоставление заявляемого способа и способа-прототипа при очистке речи в нестационарном шуме в салоне автомобиля (серый фон - исходный сигнал; светлый фон - сигнал после обработки заявляемым способом; темный фон - сигнал после обработки способом-прототипом);
на фиг.13 дано сопоставление заявляемого способа и способа-прототипа при очистке речи в стационарном шуме, содержащем гармонические компоненты, где: 1 - осциллограммы сигналов (серый фон - исходный сигнал; светлый фон - сигнал после обработки заявляемым способом; темный фон - сигнал после обработки способом-прототипом); 2 - спектры сигналов на шумовом участке, т.е. в отсутствии речевого сигнала (верхний - спектр исходного сигнала, средний - спектр сигнала после обработки способом-прототипом; нижний - после обработки заявляемым способом - гармоники максимально выдавлены).

Изображенное на фиг.1 известное устройство 1 для подавления шума в информационном сигнале (см. фиг.1), реализующее отдельные операции заявляемого способа, включает блок полосовой фильтрации сигнала (БПФ) 2, первый измеритель мощности (ИМ₁) 3 и второй измеритель мощности (ИМ₂) 4, вычислитель спектра мощности шума (ВСМШ) 5, блок вычисления целевой функции (БВЦФ) 6, блок модификации целевой функции (БМЦФ) 7, блок умножения (БУ) 8, измеритель мощности сигнала (ИМС) 9 и блок объединения частотных компонент (БОЧК) 10.

Заявляемое устройство 11 для подавления шума в информационном сигнале (см. фиг. 2) включает блок полосовой фильтрации сигнала (БПФ) 2, блок вычисления целевой функции (БВЦФ) 6, блок модификации целевой функции (БМЦФ) 7, блок умножения (БУ) 8 и блок объединения частотных компонент (БОЧК) 10, в устройство дополнительно введены: вычислитель амплитуд спектра (ВАС) 12, блок накопления среднего спектра (БНСС) 13 и вычислитель отношения сигналов (ВОС) 14. Выход блока полосовой фильтрации сигнала (БПФ) 2 соединен с первым входом блока умножения (БУ) 8 и входом вычислителя амплитуд спектра (ВАС) 12, выход которого подключен к входу блока накопления среднего спектра (БНСС) 13, к первому входу блока модификации целевой функции (БМЦФ) 7 и к первому входу вычислителя отношения сигналов (ВОС) 14. Выход блока накопления среднего спектра (БНСС) 13 соединен с первым входом блока вычисления целевой функции (БВЦФ) 6, со вторым входом блока модификации целевой функции (БМЦФ) 7 и со вторым входом вычислителя отношения сигналов (ВОС) 14, выход которого подключен ко второму входу блока вычисления целевой функции (БВЦФ) 6. Выход блока вычисления целевой функции (БВЦФ) 6 соединен с третьим входом блока модификации целевой функции (БМЦФ) 7, выход блока модификации целевой функции (БМЦФ) 7 подключен ко второму входу блока умножения (БУ) 8, выход блока умножения (БУ) 8 соединен с входом блока объединения частотных компонент (БОЧК) 10.

Изображенный на фиг.3 блок накопления среднего спектра (БНСС) 13 включает блок вычитания (BB₁) 15, определитель знака (ОЗ) 16, мультиплексор (М) 17, снабженный элементом памяти (ЭП₁) 18 для запоминания первой предустановленной скорости alf₁ усреднения спектра и элементом памяти (ЭП₂) 19 для запоминания второй предустановленной скорости alf₂ усреднения спектра, второй блок умножения (БУ₂) 20, сумматор (С) 21, сдвиговый регистр (СР) 22, третий блок умножения (БУ₃) 23, четвертый блок умножения (БУ₄) 24 с третьим элементом памяти (ЭП₃) 25 для запоминания первого предустановленного порога T₁. Вход блока накопления среднего спектра (БНСС) 13 является первым входом первого блока умножения (БУ₂) 20 и первым входом блока вычитания (БВ₁) 15, выход которого через ограничитель знака (ОЗ) 16 соединен с входом выбора данных мультиплексора (М) 17. Выход мультиплексора (М) 17 подключен к второму входу первого блока умножения (БУ₂) 20 и к первому входу второго блока умножения (БУ₃) 23. Выход первого блока умножения (БУ₂) 20 соединен с первым входом сумматора (С) 21, выход которого подключен к входу сдвигового регистра (СР) 22, выход сдвигового регистра (СР) 22 соединен с входом третьего блока умножения (БУ₄) 24 и вторым входом второго блока умножения (БУ₃) 23, выход которого подключен ко второму входу сумматора (С) 21. Выход третьего блока умножения (БУ₃) 24 соединен со вторым входом блока вычитания (БB₁) 15.

Показанный на фиг.4 блок модификации целевой функции (БМЦФ) 7 включает линейку 26 сдвиговых регистров (СР) 27 многовходовой сумматор (МС) 28, пятый блок умножения (БУ₅) 29, снабженный элементом памяти 30 для запоминания первой предустановленной константы C₁, и шестой блок умножения (БУ₆) 31, снабженный элементом памяти 32 для запоминания предустановленного нижнего порогового значения целевой функции G_min, блок деления (БД) 33, блок вычитания (БВ) 34 с элементом памяти 35 для запоминания второй предустановленной константы С₂, блок ограничения пик-фактора (БО ПФ) 36 и блок ограничения целевой функции (БО ЦФ) 37. Вход первого блока умножения (БУ₂) 29 является первым входом блока модификации целевой функции (БМЦФ) 7, вход линейки 26 сдвиговых регистров (СР) 27 является вторым входом блока модификации целевой функции (БМЦФ) 7, а первый вход блока ограничения целевой функции (БО ЦФ) 37 служит третьим входом блока модификации целевой функции (БМЦФ) 7, выходы упомянутой линейки 26 подключены в входам многовходового сумматора (МС) 28. Выход многовходового сумматора (МС) 28 соединен с первым входом блока деления (БД) 33, к второму входу которого подключен выход первого блока умножения (БУ₂) 29, а выход блока деления (БД) 33 соединен с входом блока вычитания (БВ) 34. Выход блока вычитания (БВ) 34 подключен к входу второго блока умножения (БУ₃) 31 через блок ограничения пик-фактора (БО ПФ) 36. Выход второго блока умножения (БУ₃) 31 соединен с вторым входом блока ограничения целевой функции (БО ЦФ) 37, выход которого является выходом блока модификации целевой функции (БМЦФ) 7.

Заявляемый способ подавления шума в информационном сигнале осуществляют с помощью заявляемого устройства следующим образом. Основная идея способа заключается в разделении сигнала на отдельные частотные диапазоны и в независимом подавлении шума в отдельных частотных полосах с последующим объединением частотных компонент преобразованного сигнала. Разделение информационного сигнала на отдельные частотные диапазоны с помощью процедуры покадровой обработки в БПФ 2 (см. фиг.2 и 5). Затем умножают реальные и мнимые компоненты спектра исходного сигнала на частотную весовую функцию фильтра G(t, f) и осуществляют последующий переход обратно во временную область.

С этой целью для каждой частотной компоненты X(t,f) в вычислителе амплитудного спектра (ВАС) 12 определяют амплитуды (сглаженные абсолютные значения) A(t,f):
A(t, f) = A(t-1, f)+bet(|X(t, f)|-A(t-1, f),
где bet<1 - константа сглаживания.

Константу сглаживания задают в интервале значений 1-0,2, что приводит к несколько различному звучанию профильтрованного сигнала.

Далее в блоке накопления среднего спектра (БНСС) 13 обновляют и накапливают средний спектр (см. фиг. 6). Поступившую на вход БНСС 13 частотную компоненту текущего спектра A(t,f) сравнивают с хранящейся в БНСС 13 накопленной (усредненной) компонентой спектра <A(t-l, f)>. Когда поступившая компонента превосходит величину предустановленного первого порога T₁ среднего спектра, т.е. когда
А(t,f)>Т₁<(Аt-1,f)>,
управляющий сигнал переключает цепь усреднения (обновления) спектра на меньшую первую предустановленную скорость усреднения rate=alf₁, в противном случае - на большую вторую предустановленную скорость усреднения rate=alf₂. Далее средний спектр обновляют согласно рекуррентному алгоритму
<A(t,f)>=<A(t-1,f)>+rate[A(t,f)-<A(t-1,f)>].

Целевую функцию определяют на основе следующих преобразований (см. фиг. 7).

Амплитуда спектра и средний спектр поступают в вычислитель отношения сигналов (ВОС) 14, где для каждой частотной компоненты определяют отношение R
R=A(t,f)/<A(t-1,f)>.

Отношение R поступает в блок вычисления целевой функции (БВЦФ) 6, где определяют величину целевой функции путем вычитания из отношения R второго предустановленного порога ₂ и определяют ограничение максимального значения целевой функции
G(t,f)=MIN[G_max,R-Т₂].

Полученное значение целевой функции поступает на вход блока модификации целевой функции (БМЦФ) 7, где оценку целевой функции модифицируют с учетом предустановленного минимального значения целевой функции G_min и вычисленного пик-фактора P(f) (см. фиг.8).

Пик-фактор определяют в БМЦФ следующими преобразованиями частотных компонент текущего и среднего спектров:
P(f)=MAX{1,MIN[1,C₂-C₁+<A(f)>/A_fon(f)]},
где A_fon(f) - сглаженное по частоте значение среднего спектра <A(t,f)>.

A_fon(f)=<A(t,f-m)>+...+<A(t,f)>+...<A(t,f+m)>;
g_min(f)=G_minP(f);
g(t,f)=MAX{g_min(f), MIN[G_max,G(t,f)]}.

Далее частотную компоненту спектра умножают в блоке умножения (БУ) 8 на целевую функцию, что означает фильтрацию сигнала в спектральной области
Y(t,f)=X(t,f)g(t,f).

Полученный спектр Y(t,f) преобразуют далее в блоке объединения частотных каналов (БОЧК) 10 (например, путем быстрого обратного преобразования Фурье) в общий выход (сигнал во временной области), образуя последовательность отсчетов очищенного (профильтрованного) сигнала y(t).

Заявляемый способ подавления шума в информационном сигнале может быть легко дополнен еще одной полезной функцией - спектральным контрастированием.

Спектральным контрастированием будем называть дополнительное усиление компонент сигнала в частотных полосах, где сигнал превосходит фон (средний уровень сигнала).

Спектральное контрастирование в АРУ достигают изменением предустановленного максимального значения G_mах целевой функции
G(t,f)=MIN[G_max,R-T₂],
где G_max>1 - диапазон усиления компонент спектра сигнала.

Контрастирование целесообразно использовать для решения задач текстовой расшифровки сигналов, поскольку оно эффективно усиливает значимые компоненты сигнала, делая его более разборчивым. Оно также может быть использовано в решении задач обнаружения информативного сигнала.

Результаты экспериментальной проверки заявляемого способа приведены на фиг.10-13.

Заявляемый способ подавления шума в информационном сигнале может быть реализован на базе одного из стандартных процессоров Цифровой Обработки Сигналов (DSP) или с использованием универсальных ЭВМ.

Заявляемое устройство не ограничивает возможные варианты реализации заявляемого способа. Онo может быть реализованo и другими устройствами. Например, при вычислении целевой функции может быть использовано спектральное сглаживание спектра. Все эти модификации находятся внутри действия настоящего изобретения.

Использованная литература
1. Boll S-F. Suppression of Acoustic Noise in Speech Using Spectral Subraction. - IEEE Trans. ASSP, vol. 27, No 4,1979, pp. 113-120.

2. McAuley et. al. Speech Enhancement Using a Soft-decision Noise Suppression Filter. - IEEE Trans. ASSP, vol.28. No. 2, 1980, pp. 137-145.

3. Патент США 4025721, МПК Н 04 R 27/00, опубликован 24.05.1977.

4. Патент США 4185168, МПК Н 04 R 27/00, опубликован 22.01.1980.

5. Патент РФ 2169992, МПК Н 04 В 15/00, опубликован 04.09.1996.

6. Патент США 6108610, МПК G 01 R 023/00, опубликован 22.08.2000.

Формула изобретения

1. Способ подавления шума в информационном сигнале, включающий создание набора частотных компонент входного информационного сигнала, определение амплитуды каждой частотной компоненты упомянутого набора частотных компонент, накопление среднего значения каждой частотной компоненты, определение целевой функции для каждой частотной компоненты как функции амплитуды в каждой частотной компоненте упомянутого входного сигнала и среднего значения каждой частотной компоненты, модифицирование целевой функции, умножение частотных компонент упомянутого входного сигнала на соответствующие значения модифицированной целевой функции, преобразование выходного информационного сигнала из частотной области во временную.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что средние значения для каждой частотной компоненты накапливают с первой предустановленной скоростью на паузе информационного сигнала и со второй предустановленной скоростью, меньшей упомянутой первой скорости, в присутствии упомянутого информационного сигнала, при этом выявление паузы в информационном сигнале осуществляют путем сравнения амплитуды каждой частотной компоненты входного информационного сигнала с первым предустановленным порогом и определяют отсутствие паузы при превышении упомянутого первого порога.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что целевую функцию для каждой частотной компоненты определяют как отношение амплитуды соответствующей частотной компоненты входного информационного сигнала и среднего значения каждой частотной компоненты, после чего из него вычитают величину второго предустановленного порога.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что целевую функцию модифицируют, причем первоначально ограничивают ее значение предустановленной максимальной величиной, после этого ограничивают ее значение предустановленной минимальной величиной.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что предустановленную минимальную величину целевой функции определяют путем накопления суммы средних значений амплитуд частотных компонент, нормировкой амплитуды каждой частотной компоненты упомянутого сигнала на предустановленную константу, последующего определения отношения нормированной амплитуды каждой частотной компоненты к упомянутой сумме вычитания из полученного отношения второй предустановленной константы и ограничения полученной величины значениями 0 и 1, с последующим умножением предустановленного нижнего порогового значения целевой функции на полученную величину.

6. Устройство для подавления шума в информационном сигнале, включающее блок полосовой фильтрации сигнала, блок вычисления целевой функции, блок модификации целевой функции, блок умножения и блок объединения частотных компонент, в устройство дополнительно введены: вычислитель амплитуд спектра, блок накопления среднего спектра и вычислитель отношения сигналов, при этом выход блока полосовой фильтрации сигнала соединен с первым входом блока умножения и входом вычислителя амплитуд спектра, выход которого подключен к входу блока накопления среднего спектра, к первому входу блока модификации целевой функции и к первому входу вычислителя отношения сигналов, выход блока накопления среднего спектра соединен с первым входом блока вычисления целевой функции, со вторым входом блока модификации целевой функции и со вторым входом вычислителя отношения сигналов, выход которого подключен ко второму входу блока вычисления целевой функции, выход блока вычисления целевой функции соединен с третьим входом блока модификации целевой функции, выход блока модификации целевой функции подключен ко второму входу блока умножения, выход блока умножения соединен с входом блока объединения частотных компонент.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что блок накопления среднего спектра включает блок вычитания, определитель знака, мультиплексор, снабженный первым и вторым элементами памяти, второй блок умножения, сумматор, сдвиговый регистр, третий блок умножения, четвертый блок умножения с третьим элементом памяти, при этом вход блока накопления среднего спектра является первым входом второго блока умножения и первым входом блока вычитания, выход которого через определитель знака соединен с входом выбора данных мультиплексора, выход которого подключен к второму входу второго блока умножения и к первому входу третьего блока умножения, выход второго блока умножения соединен с первым входом сумматора, выход которого подключен к входу сдвигового регистра, выход сдвигового регистра соединен с входом четвертого блока умножения и вторым входом третьего блока умножения, выход которого подключен к второму входу сумматора, а выход четвертого блока умножения соединен с вторым входом блока вычитания.

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что блок модификации целевой функции включает линейку сдвиговых регистров, многовходовой сумматор, пятый и шестой блоки умножения, снабженные элементами памяти, блок деления, блок вычитания с элементом памяти, блок ограничения пик-фактора и блок ограничения целевой функции, при этом вход пятого блока умножения является первым входом блока модификации целевой функции, вход линейки сдвиговых регистров является вторым входом блока модификации целевой функции, а первый вход блока ограничения целевой функции служит третьим входом блока модификации целевой функции, выходы упомянутой линейки подключены к входам многовходового сумматора, выход которого соединен с первым входом блока деления, к второму входу которого подключен выход пятого блока умножения, а выход блока деления соединен с входом блока вычитания, выход которого подключен к входу шестого блока умножения через блок ограничения пик-фактора, выход шестого блока умножения которого соединен с вторым входом блока ограничения целевой функции, выход которого является выходом блока модификации целевой функции.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13