УСТРОЙСТВО АДАПТИВНОГО ПОДАВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ШУМОВ И АКУСТИЧЕСКИХ СОСРЕДОТОЧЕННЫХ ПОМЕХ Российский патент 2013 года по МПК H04B1/10 

Устройство адаптивного подавления акустических шумов и акустических сосредоточенных помех относится к устройствам осуществляющим повышение эффективности функционирования систем передачи информации акустическими речевыми сигналами, работающих в условиях воздействия интенсивных акустических помех.

По патенту №91490 [1] известно устройство подавления акустических сосредоточенных помех, содержащее две параллельные гребенки полосовых фильтров, при этом выходы фильтров первой гребенки, подключены к первым входам соответствующих блоков умножения, ко вторым входам блоков умножения подсоединены выходы фильтров второй гребенки через формирователи порогового сигнала, выходы блоков умножения соединяются со входами сумматора, с которого суммарный сигнал подается на полосовой фильтр с выхода которого обработанные сигналы поступают в канал связи. Как недостаток данного устройства можно отметить, что в устройстве используется две идентичные гребенки фильтров и что устройством не осуществляется подавление шумовых акустических помех, которые также имеют место в телекоммуникационных системах громкоговорящей связи.

Известно [2, 3], что телекоммуникационные системы передачи информации речевыми сигналами, например, системы громкоговорящей связи (ГГС) функционируют, как правило, в условиях воздействия акустических помех, что приводит к потере информации. Особенно эта проблема актуальна при применении систем ГГС на многофункциональных морских судах с большим количеством абонентских постов, которые работают в условиях интенсивного воздействия акустических шумовых помех и акустических сосредоточенных помех.

В качестве акустических шумовых помех здесь рассматривается акустический шум, частотный спектр которого сосредоточен в низкочастотной части звукового диапазона. К таким акустическим шумам относится, например, шум ветра, шум моря, шум в машинном отделении. Акустические сосредоточенные помехи, это узкополосные тональные акустические помехи, спектр которых сосредоточен в узкой полосе частот и представляют собой практически гармоническое колебание. Такая помеха может иметь место на любой частоте звукового диапазона.

Поэтому целью изобретения является максимальное ослабление влияния акустических помех на потерю полезной информации, то есть получение максимального отношения Р_с/Р_ш на выходе системы ГТС, работающей в условиях воздействия акустических помех. В отличие от полезной модели, описанной в патенте №91490, с помощью устройства данного изобретения обеспечивается подавление как акустических сосредоточенных помех, так и акустических шумовых помех.

В вышеуказанной известной полезной модели [1] реализуется алгоритм подавления сосредоточенных акустических помех, который включает в себя двойное количество полосовых фильтров высоких порядков, что требует существенных материальных ресурсов и вычислительных затрат.

Сущность изобретения заключается в том, что входные сигналы (сумма речевых сигналов и акустических помех) подступают на полосовой фильтр 300-3400 Гц и на гребенку полосовых фильтров, суммарная полоса пропускания которых осуществляет полосовой фильтр в тех же пределах, то есть 300-3400 Гц. С выхода полосового фильтра 300-3400 Гц сигнал поступает в канал вычисления сигнала управления.

Гребенка фильтров представляет собой набор полосовых фильтров с полосами пропускания Δf=50 Гц, Δf=100 Гц, Δf=200 Гц, в сумме, как сказано выше, их общая полоса пропускания образует полосовой фильтр с полосой пропускания в пределах 300-3400 Гц.

Каждый полосовой фильтр l-того канала выделяет составляющие S_l входного сигнала, которые формируются на выходе l-того фильтра. Составляющие S_l с выходов полосовых фильтров поступают на входы устройств умножения, где перемножаются с сигналом управления, который снимается с выхода порогового устройства. Результат перемножения подается на многовходовый сумматор.

Сигнал управления l-того канала формируется по правилу: если модуль l-той составляющей не превышает некоторый порог (случай отсутствия помехи), то сигнал управления равен единице и составляющая после умножения на единицу поступает на вход сумматора; если модуль l-той составляющей превышает порог k₀ (случай наличия помехи в полосе частот l-того канала), то сигнал управления будет равен нулю, в этом случае сигналы управления выключают выходные составляющие «S_l l-тых каналов. Таким образом, каналы содержащие составляющие высокого уровня, за счет наличия в них составляющих акустических помех, исключаются из суммы составляющих всех каналов, чем осуществляется адаптивное подавление областями режекции в общей АЧХ многоканального фильтра с целью подавления спектральных составляющих помех, обнаруженных в соответствующих каналах.

На фиг.1. изображена структурная схема устройства подавления акустических помех. Устройство содержит: полосовой фильтр (1) с полосой пропускания Δf=300-3400 Гц, блок формирования сигнала u_ф(n) (2), блок вычисления σ² (3), блок вычисления уровня порога k₀ (4), полосовые фильтры (5)-(37), блоки вычисления уровня огибающей Y_l (38), блоки вычисления сигнала управления y_l (39), блоки перемножения составляющих S_l с сигналом управления y_l (40), сумматор (41), выходной полосовой фильтр 300-3400 Гц (42).

Полосы пропускания Δf гребенки полосовых фильтров l-тых каналов выбраны с учетом распределения формантных частот в спектральной функции речевого сигнала [4]. Их значения приведены в таблице 1.

Таблица 1 Полосы пропускания полосовых фильтров Номер канала, l Номер блока Характеристики полосовых фильтров 1 5 F_н=300, F_в=350, Δf=50 Гц 2 6 F_н=350, F_в=400, Δf=50 Гц … 14 18 F_н=950, F_в=1000, Δf=50 Гц 15 19 F_н=1000, F_в=1100, Δf=100 Гц 16 20 F_н=1100, F_в=1200, Δf=100 Гц   28 32 F_н=2300, F_в=2400, Δf=100 Гц 29 33 F_н=2400, F_в=2600, Δf=200 Гц 30 34 F_н=2600, F_в=2800, Δf=200 Гц   33 37 F_н=3200, F_в=3400, Δf=200 Гц

Предлагаемое устройство подавления акустических помех реализуется следующим образом. Входной сигнал х(n), являющийся аддитивной суммой речевого сигнала u(n) и помехи d(n), подается на вход полосового фильтра 300-3400 Гц (1) и на входы фильтров (5)-(37). Для вычисления порогового уровня k₀, сигнал с выхода полосового фильтра (1) подается на блок (2), в котором формируется сигнал u_ф(n) по правилу

С выхода блока (2) сигнал u_ф(n) поступает на вход блока (3), в котором вычисляется значение σ² по формуле

,

где N - число отсчетов в сегменте речевого сигнала длительностью Т≈20 мс [5].

С выхода (3) значение σ² подается на вход блока (4), в котором вычисляется пороговый уровень k₀=kσ. Вычисленное значение порогового уровня подается на первый вход блока (39) в котором происходит вычисление сигнала управления y_l по правилу:

где Y_l - уровень огибающей составляющей S_l.

С выходов полосовых фильтров (5)-(37) составляющие S_l подаются на первые входы блоков умножения (40) и на входы блоков (38) вычисления уровня огибающей составляющих Y₁, вычисленные Y_l подаются на вторые входы блоков (39) вычисления сигналов управления y_l.

С блоков (39) сигналы управления y_l поступают на вторые входы блоков умножения (40), в которых производится умножение сигналов управления y_l с составляющими S_l. После перемножения результирующий сигнал каналов S_l·y_l поступают на сумматор (41). Математическое выражение суммарного сигнала на выходе сумматора (41) имеет вид

,

где y_l∈{0,1}.

На выходе сумматора (41) отсутствуют сигналы l-тых каналов, которые поражены акустическими помехами (случай, когда, y_l=0).

Суммарный сигнал с выхода сумматора поступает на вход выходного полосового фильтра (42) с полосой пропускания Δf=300-3400 Гц, с выхода которого получают отфильтрованный от помех речевой сигнал u'(n). Значение выходного сигнала описывается выражением

,

где k(f) - АЧХ выходного полосового фильтра, математическая модель которого имеет вид

Таким образом, описанный способ реализации алгоритма обработки речевых сигналов, осуществляющий многоканальное адаптивное подавление акустических шумов и акустических сосредоточенных помех, позволяет повышать эффективность передачи информации в телекоммуникационных системах громкоговорящей связи, функционирующих в условиях воздействия интенсивных акустических помех.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Пат. 91490 (РФ), МПК Н04В 1/10. Устройство подавления сосредоточенных акустических помех. / Кропотов Ю.А., Быков А.А., Ермолаев В.А., Лазарев Л.С., Проскуряков А.Ю.; заявители и патентообладатели Кропотов Ю.А., Быков А.А., Ермолаев В.А., Лазарев Л.С., Проскуряков А.Ю. - №2009135220/22; заявл. 21.09.2009; опубл. 10.02.2010, Бюл. №4.

2. Справочник по технической акустике / Под ред. М.Хекла и Х.А. Мюллера. - Л.: Судостроение,1980. - 440 с.

3. Бабкин В.В. Шумопонижающее устройство для вокодера. // 9-я Межд. Конф. и Выставка «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (DSPA-2007) 28-30 марта 2007 г., г.Москва.

4. Кропотов, Ю.А. Алгоритм подавления акустических шумов и сосредоточенных помех с формантным распределением полос режекции / Ю.А. Кропотов, А.А.Быков, // Вопросы радиоэлектроники. Серия ОТ. - 2010. - Вып.1. - С.61-65.

5. Кропотов, Ю.А. Исследование автокорреляционных функций речевых сигналов / Ю.А. Кропотов, А.А.Быков, // Радиотехника. - 2008. №9 - С.107-109.

Изобретение относится к устройствам передачи речевого сигнала по каналам связи и может быть использовано для подавления акустических шумов и помех. Устройство адаптивного подавления акустических шумов и акустических сосредоточенных помех содержит гребенку полосовых фильтров, которая разбивает входной сигнал, представляющий сумму речевого сигнала, акустических помех и сосредоточенных помех, на ряд полос с адаптивно управляемым затуханием. Управление затуханием обеспечивается блоками умножения выходных сигналов фильтров гребенки и сигналов управления, полученных путем сравнения порога, определяемого входным сигналом устройства, и огибающих сигналов на выходах соответствующих фильтров гребенки, при этом затухание вносится только в те полосы пропускания фильтров гребенки, которые поражены акустическими шумами и сосредоточенными помехами. Результаты умножения поступают на входы блока суммирования, образуя после дополнительной фильтрации в выходном полосовом фильтре выходной сигнал устройства. Технический результат - повышение отношения мощности полезного сигнала к суммарной мощности акустических шумов и акустических сосредоточенных помех и, соответственно, снижение потерь полезной информации. 1 ил.

Устройство адаптивного подавления акустических шумов и акустических сосредоточенных помех, содержащее гребенку полосовых фильтров, блоки умножения сигналов, блок суммирования и выходной полосовой фильтр, входы фильтров гребенки соединены с входом устройства, выходы фильтров гребенки соединены с первыми входами соответствующих блоков умножения, выходы блоков умножения соединены с входами блока суммирования и выход блока суммирования соединен с входом выходного полосового фильтра, выход которого является выходом устройства, отличающееся тем, что, с целью подавления как сосредоточенных акустических помех, так и акустических шумов, в него дополнительно введены блоки вычисления огибающих, блоки управления, входной полосовой фильтр и блок ограничения, блок вычисления дисперсии и блок вычисления порога; выход блока вычисления порога соединен с первыми входами блоков управления, вторые входы которых соединены с выходами блоков вычисления огибающих, выходы блоков управления соединены со вторыми входами соответствующих блоков умножения, входы блоков вычисления огибающих соединены с выходами фильтров гребенки, вход полосового фильтра соединен с входом устройства, а выход через последовательно соединенные блоки ограничения и вычисления дисперсии соединен с входом блока вычисления порога.