DE69928720T2

DE69928720T2 - System zur digitalen Sprachverbesserung

Info

Publication number: DE69928720T2
Application number: DE69928720T
Authority: DE
Inventors: Brian M. Madison Finn; Thomas O. Stoughton Roe; Michael P. Greendale Nowak
Original assignee: Digisonix LLC
Current assignee: Digisonix LLC
Priority date: 1998-03-30
Filing date: 1999-03-29
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2019-03-30
Also published as: EP0949795B1; DE69928720D1; EP0949795A3; EP0949795A2; US6295364B1; AU752528B2; AU2253499A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Kommunikationssysteme zur digitalen Sprachverbesserung, DVE, einschließlich Simplex-Systemen.
Die Erfindung entstand während der Entwicklungsbemühungen, die auf die Verringerung der Komplexitäten von Vollduplex-Sprachkommunikationssystemen, d.h., der Sprachübertragung in zwei Richtungen, wobei Sprecher gleichzeitig Informationen austauschen, gerichtet waren. In einem Vollduplex-System wird eine Echoauslöschung benötigt, um eine Rückkopplung, die durch Instabilitäten eines Kommunikationskanals mit einer geschlossenen Schleife erzeugt wird, zu überwinden. Die Verwendung eines Simplex-Schemas, das alternativ das eine oder andere Mikrophon oder den einen oder anderen Kanal als aktiv wählt, ist eine andere Weise, um die Rückkopplung von einem nahen Lautsprecher in ein nahes Mikrophon wirksam zu steuern. In einem Simplex-System verläuft die Sprachübertragung zu jeder gegebenen Zeit in einer Richtung, d.h. entweder in der einen Richtung oder in der anderen Richtung, aber nicht gleichzeitig in beiden Richtungen.
Ein Simplex-Kommunikationssystem zur digitalen Sprachverbesserung verlässt sich nicht auf eine Auslöschung von akustischen Echos, um stabile Kommunikationsschleifenverstärkungen für eng gekoppelte Mikrophone und Lautsprecher sicherzustellen. Es besteht jedoch ein Potential für eine Rückkopplung von einem fernen Lautsprecher in ein nahes Mikrophon. Dieser Umstand besteht, da es keinen Sinn machen würde, wenn das aktive Mikrophon ausgeschaltet ist. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung befassen sich mit diesem Problem und lösen es in einer besonders einfachen und wirksamen Wiese mit einer Kombination aus leicht erhältlichen bekannten Komponenten.
US 4,965,833 offenbart ein Sprachverbesserungssystem für ein Auto, das ein Paar von Mikrophonen umfaßt, die neben den Vordersitzen des Autos angeordnet sind, und ein Paar von Lautsprechern umfaßt, die neben den Rücksitzen angeordnet sind. Eine elektrische Anpassungseinheit verbindet die Lautsprecher mit den Mikrophonen und weist Filter und eine Vorrichtung zur Frequenzverschiebung auf, die dazu eingerichtet ist, ein akustisches "Pfeifen" im abgeschlossenen Innenraum des Autos zu verhindern.
Die Zusammenfassung von JP 60 058733 A offenbart ein System zum Verringern von Rauschen, das durch Luft erzeugt wird, die an einem Mikrophon in einem Auto vorbeiströmt.
US 4,754,486 offenbart ein System, um einem Fahrer und einem Fahrgast auf einem Motorrad zu gestatten, miteinander zu kommunizieren, welches System sprachaktiviert ist.
Aspekte der Erfindung sind in den beiliegenden Ansprüchen bereitgestellt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 veranschaulicht ein Kommunikationssystem zur digitalen Sprachverbesserung nach der Erfindung schematisch.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 zeigt ein Simplex-Kommunikationssystem 2 zur digitalen Sprachverbesserung, das eine erste akustische Zone 4, eine zweite akustische Zone 6, ein erstes Mikrophon 8 in der ersten Zone, einen ersten Lautsprecher 10 in der ersten Zone, ein zweites Mikrophon 12 in der zweiten Zone, und einen zweiten Lautsprecher 14 in der zweiten Zone beinhaltet. Ein sprachempfindlicher gattergesteuerter Schalter 16 weist einen ersten Modus auf, wobei ein Schalterelement 16a geschlossen ist und das Ausgangssignal des Mikrophons 8 über einen ersten Kanal 18 zum Lautsprecher 14 geliefert wird. Der Schalter 16 weist einen zweiten Modus auf, wobei ein Schalterelement 16b geschlossen ist und das Ausgangssignal des Mikrophons 12 über einen zweiten Kanal 20 zum Lautsprecher 10 geliefert wird. Der erwähnte erste und zweite Modus sind wechselseitig ausschließlich, so daß zu einer Zeit nur einer der Kanäle 18 und 20 aktiv sein kann. Im ersten Modus ist das Schalterelement 16a geschlossen und ist das Schalterelement 16b offen, so daß der Schalter die Übertragung vom Mikrophon 12 zum Lautsprecher 10 blockiert oder zumindest wesentlich verringert. Im zweiten Modus ist das Schalterelement 16b geschlossen und ist das Schalterelement 16a offen, um die Übertragung vom Mikrophon 8 zum Lautsprecher 14 zu blockieren oder wesentlich zu verringern. Stimmaktivitätsdetektoren oder Gatter 22 und 24 weisen jeweilige Eingangssignale von den Mikrophonen 8 und 12 auf, um den Betrieb des Schalters 16 zu steuern. Wenn sich der Schalter 16 in seinem ersten Modus befindet, wobei das Schalterelement 16a geschlossen ist und das Schalterelement 16b offen ist, kann die Sprache einer Person 26 in der Zone 4 durch eine Person 28 in der Zone 6 als durch den Lautsprecher 14, der das Ausgangssignal des Mikrophons 8 erhält, übertragen gehört werden. Die Sprache der Person 28 und der Ausgang des Lautsprechers 14, wie sie durch das Mikrophon 12 aufgenommen werden, werden nicht zum Lautsprecher 10 übertragen, da das Schalterelement 16b offen ist. Somit gibt es keine Echoübertragung der Stimme der Person 26 durch das Mikrophon 12 und den Lautsprecher 10 zurück, und somit keine Notwendigkeit, diese auszulöschen. Dies stellt die oben erwähnte Vereinfachung im Schaltungsaufbau und in der Verarbeitung, die andernfalls für die Echoauslöschung benötigt würde, bereit. Die gleichen Überlegungen gelten im erwähnten zweiten Modus des Schalters 16, wobei das Schalterelement 16b geschlossen ist und das Schalterelement 16a offen ist, wobei es keine Wiederübertragung der Sprache der Person 28 durch den Lautsprecher 14 und somit kein Echo und somit keine Notwendigkeit, dieses auszulöschen, gibt. Eine geeignete Kombination aus einem Gatter 22 und einem Schalter 16 verwendet eine Kurzzeit-Durchschnittsgrößenschätz funktion, um festzustellen, ob im jeweiligen Kanal ein Stimmsignal vorhanden ist. Andere geeignete Schätzfunktionen sind in Digital Processing of Speech Signals, Lawrence R. Rabiner, Ronald W. Schafer, 1978, Bell Laboratories, Inc., Prentice-Hall, Seite 120 bis 126, offenbart und auch in der US-Patentschrift Nr. 5,706,344 erwähnt.
Ein erstes rauschempfindliches Bandpaßfilter 30 und ein erstes Entzerrungsfilter 32 sind im ersten Kanal 18 bereitgestellt. Ein zweites rauschempfindliches Bandpaßfilter 34 und ein zweites Entzerrungsfilter 36 sind im zweiten Kanal 20 bereitgestellt. Das rauschempfindliche Bandpaßfilter 30 ist ein rauschempfindliches Hochpaßfilter, das eine Filterbegrenzungsfrequenz aufweist, die bei erhöhten Rauschpegeln wirksam ist und die Bandbreite verringert und mehr Verstärkung verfügbar macht, um die Verständlichkeit der Sprache der Person 26, die vom Mikrophon 8 zum Lautsprecher 14 übertragen wird, zu verbessern, wie in der am 11. September 1997 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 08/927,871, die als US-Patentschrift Nr. 6,496,581 herausgegeben wurde, offenbart ist. Das rauschempfindliche Bandpaßfilter 34 ist dem Filter 30 gleich und ist ein rauschempfindliches Hochpaßfilter, das eine Filterbegrenzung aufweist, die bei erhöhten Rauschpegeln wirksam ist und die Bandbreite verringert und mehr Verstärkung verfügbar macht, um die Verständlichkeit oder die Qualität der Sprache der Person 28, die vom Mikrophon 12 zum Lautsprecher 10 übertragen wird, zu verbessern. Das Entzerrungsfilter 32 verringert Resonanzspitzen in der akustischen Übertragungsfunktion zwischen dem Lautsprecher 14 und dem Mikrophon 8, um die Rückkopplung durch Dämpfen der Resonanzspitzen zu verringern. Dies ist erwünscht, da in vielen Anwendungen einschließlich von Fahrzeugausführungen, wobei die Zone 6 der Rücksitz und die Zone 4 der Vordersitz ist, eine akustische Kopplung zwischen dem Lautsprecher 14 und dem Mikrophon 8 bestehen kann. Die Resonanzspitzen können abhängig von der gesamten Systemverstärkung instabil oder nicht instabil sein. Das Entzerrungsfilter kann mehrere Formen einschließlich, aber ohne Beschränkung darauf, einer graphischen, einer parametrischen, einer inversen und einer adaptiven Form annehmen, wie in den US-Patentschriften Nr. 5,172,416, 5,396,561, und 5,715,320 offenbart ist. Das Entzerrungsfilter kann auch die Form eines Kerbfilters annehmen, das dazu gestaltet ist, Transferfunktions-Resonanzspitzen selektiv zu entfernen. Ein derartiges Filter könnte adaptiv oder auf Basis der akustischen Eigenschaften eines bestimmten Systems offline bestimmt sein. In einer Ausführungsform ist das Entzerrungsfilter 32 ein Satz aus einem oder mehreren frequenzselektiven Kerbfiltern, die aus der akustischen Übertragungsfunktion zwischen dem Lautsprecher 14 in der Zone 6 und dem Mikrophon 8 in der Zone 4 bestimmt werden. Das Entzerrungsfilter 36 ist dem Filter 32 gleich und verringert Resonanzspitzen in der akustischen Übertragungsfunktion zwischen dem Lautsprecher 10 und dem Mikrophon 12, um die Rückkopplung durch Dämpfen der Resonanzspitzen zu verringern.
In der oben erwähnten Fahrzeugausführung ist jedes aus dem Hochpaßfilter 30 und 34 fahrzeuggeschwindigkeitsempfindlich, vorzugsweise, indem es ein Eingangssignal vom Fahrzeuggeschwindigkeitsmesser 38 aufweist. Bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten und sich ergebenden höheren Rauschpegeln werden Sprachinhalte mit niedrigerer Frequenz blockiert und Sprachinhalte mit höherer Frequenz hindurchgelassen, welche Sprachinhalte mit niedrigerer Frequenz andernfalls bei höheren Geschwindigkeiten durch Breitband-Fahrzeug- und -Wind-Rauschen maskiert würden, so daß die verringerte Bandbreite und das Fehlen der Sprachinhalte mit niedrigerer Frequenz die wahrgenommene Qualität der Sprache nicht opfern. Bei niedrigeren Fahrzeuggeschwindigkeiten und sich ergebenden niedrigeren Rauschpegeln wird die Begrenzungsfrequenz eines jeden der Hochpaßfilter 30 und 34 verringert, so daß zusätzlich zu Sprachinhalten mit höherer Frequenz Sprachinhalte mit niedrigerer Frequenz hindurchge lassen werden, um eine bereicherte Niederfrequenzleistung bereitzustellen und Abneigungen gegen ein blechern klingendes System zu überwinden. In Fahrzeugen, die ein fahrgastrauminternes Audiosystem, d.h., ein Radio und/oder ein Bandwiedergabegerät und/oder ein Compact-Disk-Wiedergabegerät und/oder ein Mobiltelefon, aufweisen, ist ein Aktivierungsschalter 40 für die digitale Sprachverbesserung bereitgestellt, um den sprachempfindlichen gattergesteuerten Schalter 16 zu betätigen und außer Betrieb zu setzen, d.h., letzteren ein- und auszuschalten, und ein Audiostummsignal bereitzustellen, welches das fahrgastrauminterne Audiosystem wie mit "Radio stumm" 42 gezeigt stummschaltet oder auf einen bestimmten Pegel verringert.
In einer Ausführungsform ist das Entzerrungsfilter 32 eine erste frequenzansprechende spektrale Übertragungsfunktion, und ist das Entzerrungsfilter 36 eine zweite frequenzansprechende spektrale Übertragungsfunktion, wie sie jeweils zum Beispiel in der oben erwähnten US-Patentschrift 5,715,320 offenbart sind. Die erste frequenzansprechende spektrale Übertragungsfunktion ist eine Funktion eines Modells der akustischen Übertragungsfunktion zwischen dem Lautsprecher 14 und dem Mikrophon 8. Die zweite frequenzansprechende spektrale Übertragungsfunktion des Filters 36 ist eine Funktion eines Modells der akustischen Übertragungsfunktion zwischen dem Lautsprecher 10 und dem Mikrophon 12. In manchen Ausführungsformen sind die erste und die zweite akustische Übertragungsfunktion gleich, z.B., wenn die Zonen 4 und 6 klein sind, und in manchen Ausführungen sind die erste und die zweite akustische Übertragungsfunktion unterschiedlich. In einer bevorzugten Form ist die erste frequenzansprechende spektrale Übertragungsfunktion des Filters 32 die Umkehrung der erwähnten ersten akustischen Übertragungsfunktion zwischen dem Lautsprecher 14 und dem Mikrophon 8, wie zum Beispiel in der oben erwähnten US-Patentschrift Nr. 5,715,320 offenbart ist. In der gleichen Weise ist die erwähnte zweite frequenzanspre chende spektrale Übertragungsfunktion des Filters 36 wie ebenfalls in der oben erwähnten US-Patentschrift Nr. 5,715,320 die Umkehrung der erwähnten zweiten akustischen Übertragungsfunktion zwischen dem Lautsprecher 10 und dem Mikrophon 12.
Die offenbarte Kombination ist einfach und wirksam, und ist besonders wünschenswert, da sie die Verwendung von verfügbaren bekannten Komponenten ermöglicht. Durch die Verwendung eines geschwindigkeitsveränderlichen Hochpaßfilters im Kommunikationskanal regt das System zur digitalen Sprachverbesserung in Fahrzeugausführungen keine Fahrgastraummodi niedrigerer Ordnung an. Das Hochpaßfilter verringert auch übertragene Wind- und Straßengeräusche, die eine Funktion der Geschwindigkeit sind, stark, wodurch die gesamte Klangqualität des Systems zur digitalen Sprachverbesserung verbessert wird. Es werden keine Verluste in der Sprachqualität aufgrund von akustischen Maskierungswirkungen vom fahrgastrauminternen Rauschen wahrgenommen. Zweitens verringert das nachverarbeitende Entzerrungsfilter Resonanzspitzen in der gesamten akustischen Übertragungsfunktion auf ein Mindestmaß. Dies weist den Nutzen auf, daß das Potential für eine Rückkopplung durch das Dämpfen der Resonanzspitzen verringert wird und auch eine natürlicher klingende Wiedergabe der Sprache erzeugt wird. Das Audiostummsignal vom Aktivierungsschalter 40 ist erwünscht, damit das fahrgastrauminterne Audiosystem, falls ein solches vorhanden ist, wie mit "Radio stumm" 42 gezeigt abgeschaltet oder sein Ausgang deutlich verringert, d.h., stummgeschaltet, wird, wenn der Benutzer das System zur digitalen Sprachverbesserung auswählt. Dies verhindert, daß das System zur digitalen Sprachverbesserung falsche Informationen vom Audiosystem feststellt, und verhindert Verzerrungen des Audiosystems, indem dem System zur digitalen Sprachverbesserung nicht gestattet wird, das Audioprogramm wiederauszustrahlen.
Es wird angemerkt, daß innerhalb des Umfangs der beiliegenden Ansprüche verschiedenste Alternativen und Abänderungen möglich sind.

Claims

Simplex-Kommunikationssystem zur digitalen Sprachverbesserung, umfassend in Kombination: eine erste akustische Zone (4); eine zweite akustische Zone (6); ein erstes Mikrophon (8) in der ersten Zone; einen ersten Lautsprecher (10) in der ersten Zone, wobei der erste Lautsprecher akustisch mit dem ersten Mikrophon gekoppelt ist; ein zweites Mikrophon (12) in der zweiten Zone; eine zweiten Lautsprecher (14) in der zweiten Zone, wobei der zweite Lautsprecher akustisch mit dem zweiten Mikrophon gekoppelt ist; einen sprachempfindlichen gattergesteuerten Schalter (16, 22, 24), der einen ersten Modus aufweist, welcher das Ausgangssignal des ersten Mikrophons (8) über einen ersten Kanal (18) zum zweiten Lautsprecher (14) liefert, und einen zweiten Modus, welcher das Ausgangssignal des zweiten Mikrophons (12) über einen zweiten Kanal (20) zum ersten Lautsprecher liefert; ein erstes rauschempfindliches Bandpaßfilter (30) im ersten Kanal (18); ein erstes Entzerrungsfilter (32) im ersten Kanal (18); ein zweites rauschempfindliches Bandpaßfilter (34) im zweiten Kanal (20); ein zweites Entzerrungsfilter (36) im zweiten Kanal (20); wobei der stimmaktivierte gattergesteuerte Schalter zwei Stimmaktivitätsdetektorgatter (22, 24) umfaßt, wobei ein erstes Gatter (22) das Ausgangssignal des ersten Mikrophons (8) feststellt, und ein zweites Gatter (24) das Ausgangssignal des zweiten Mikrophons (12) feststellt, und wobei der erste und der zweite Modus des stimmempfindlichen gattergesteuerten Schalters wechselseitig ausschließlich sind, so daß zu einer Zeit nur einer der Kanäle aktiv sein kann.
System nach Anspruch 1, wobei der stimmempfindliche gattergesteuerte Schalter (16, 22, 24) im ersten Modus dazu geeignet ist, eine Übertragung vom zweiten Mikrophon (12) zum ersten Lautsprecher (10) im Wesentlichen zu blockieren; der stimmempfindliche gattergesteuerte Schalter (16, 22, 24) im zweiten Modus dazu geeignet ist, eine Übertragung vom ersten Mikrophon (8) zum zweiten Lautsprecher (14) im Wesentlichen zu blockieren; das erste rauschempfindliche Bandpaßfilter (30) ein rauschempfindliches Hochpaßfilter umfaßt, das eine Filterbegrenzung aufweist, die bei erhöhten Rauschpegeln wirksam ist und die Bandbreite verringert und mehr Verstärkung verfügbar macht, um die Verständlichkeit der Sprache einer ersten Person (26) in der ersten Zone (4), die vom ersten Mikrophon (8) zum zweiten Lautsprecher (14) übertragen wird, zu verbessern; das erste Entzerrungsfilter (32) dazu geeignet ist, Resonanzspitzen in der akustischen Übertragungsfunktion zwischen dem zweiten Lautsprecher (14) in der zweiten Zone (6) und dem ersten Mikrophon (8) in der ersten Zone (4) zu verringern, um die Rückkopplung durch Dämpfen der Resonanzspitzen zu verringern; das zweite rauschempfindliche Bandpaßfilter (34) ein zweites rauschempfindliches Hochpaßfilter umfaßt, das eine Filterbegrenzung aufweist, die bei erhöhten Rauschpegeln wirksam ist und dazu geeignet ist, die Bandbereite zu verringern und mehr Verstärkung verfügbar zu machen, um die Verständlichkeit der Sprache einer zweiten Person (28) in der zweiten Zone (6), die vom zweiten Mikrophon (12) zum ersten Lautsprecher (10) übertragen wird, zu verbessern; das zweite Entzerrungsfilter (36) dazu geeignet ist, Resonanzspitzen in der akustischen Übertragungsfunktion zwischen dem ersten Lautsprecher (10) in der ersten Zone (4) und dem zweiten Mikrophon (12) in der zweiten Zone (6) zu verringern, um die Rückkopplung durch Dämpfen der Resonanzspitzen zu verringern.
System nach Anspruch 2, wobei sich das System in einem Fahrzeug befindet, und jedes aus dem ersten und dem zweiten Hochpaßfilter fahrzeuggeschwindigkeitsempfindlich ist und so angepaßt ist, daß bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten und sich ergebenden höheren Rauschpegeln Sprachinhalte mit niedrigerer Frequenz blockiert werden und Sprachinhalte mit höherer Frequenz hindurchgelassen werden, welche Sprachinhalte mit niedrigerer Frequenz andernfalls bei höheren Geschwindigkeiten durch Breitband-Fahrzeug- und -Wind-Rauschen maskiert würden, so daß die verringerte Bandbreite und das Fehlen der Sprachinhalte mit niedrigerer Frequenz die wahrgenommene Qualität der Sprache nicht opfern, und bei niedrigeren Fahrzeuggeschwindigkeiten und sich ergebenden niedrigeren Rauschpegeln die Begrenzungsfrequenz jedes aus dem ersten und dem zweiten Hochpaßfilter verringert wird, so daß zusätzlich zu Sprachinhalten mit höherer Frequenz Sprachinhalte mit niedrigerer Frequenz hindurchgelassen werden, um eine bereicherte Niederfrequenzleistung bereitzustellen und Abneigungen gegen ein blechern klingendes System zu überwinden.
System nach Anspruch 3, wobei das Fahrzeug ein fahrgastrauminternes Audiosystem aufweist und umfassend einen Aktivierungsschalter für die digitale Sprachverbesserung, der den sprachempfindlichen gattergesteuerten Schalter betätigt und ein Audiostummsignal bereitstellt, das eine Stummabstimmung des fahrgastrauminternen Audiosystems vornimmt.
System nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, wobei das Fahrzeug einen Geschwindigkeitsmesser aufweist und jedes aus dem ersten und dem zweiten Hochpaßfilter auf den Geschwindigkeitsmesser anspricht.
System nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das erste Entzerrungsfilter dazu geeignet ist, nach einer ersten spektralen Übertragungsfunktion tätig zu sein; das zweite Entzerrungsfilter dazu geeignet ist, nach einer zweiten spektralen Übertragungsfunktion tätig zu sein.
System nach Anspruch 6, wobei die erste spektrale Übertragungsfunktion eine Funktion eines Modells einer ersten akustischen Übertragungsfunktion zwischen dem zweiten Lautsprecher (14) und dem ersten Mikrophon (8) ist; die zweite spektrale Übertragungsfunktion eine Funktion eines Modells einer zweiten akustischen Übertragungsfunktion zwischen dem ersten Lautsprecher (10) und dem zweiten Mikrophon (12) ist.
System nach Anspruch 7, wobei die erste und die zweite akustische Übertragungsfunktion gleich sind.
System nach Anspruch 7, wobei die erste und die zweite akustische Übertragungsfunktion unterschiedlich sind.
System nach Anspruch 7, wobei die erste spektrale Übertragungsfunktion die Umkehrung der ersten akustischen Übertragungsfunktion zwischen dem zweiten Lautsprecher (14) und dem ersten Mikrophon (8) ist; die zweite spektrale Übertragungsfunktion die Umkehrung der zweiten akustischen Übertragungsfunktion zwischen dem ersten Lautsprecher (10) und dem zweiten Mikrophon (12) ist.
System nach Anspruch 8, wobei das erste Entzerrungsfilter einen Satz aus einem oder mehreren frequenzselektiven Kerbfiltern umfaßt, die aus der akustischen Übertragungsfunktion zwischen dem zweiten Lautsprecher (14) in der zweiten Zone (6) und dem ersten Mikrophon (8) in der ersten Zone (4) bestimmt werden; das zweite Entzerrungsfilter einen Satz aus einem oder mehreren frequenzselektiven Kerbfiltern umfaßt, die aus der akustischen Übertragungsfunktion zwischen dem ersten Lautsprecher (10) in der ersten Zone (4) und dem zweiten Mikrophon (12) in der zweiten Zone (6) bestimmt werden.