DE3925589C2 - Verfahren und Anordnung zur Störbefreiung von Sprachsignalen - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Störbefreiung von Sprachbefehlen nach der Gattung des Hauptanspruchs und umfaßt ferner eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Zur Erkennung von Sprache sind verschiedene Verfahren bekannt, bei denen jedoch die Erkennungssicherheit durch Hintergrundgeräusche beeinträchtigt wird. Derartige störende Schallereignisse treten beispielsweise in einem fahrenden Kraftfahrzeug auf, in welchem außerdem noch das Autoradio eingeschaltet ist.

Zur Unterdrückung von akustischen Umgebungsgeräuschen ist es aus einem Aufsatz von V.S.Wu in Mitteilungen AGEN Nr. 38, Mai 1984, Seite 3 bis 32 bekannt, adaptive transversale Filter in der im Oberbegriff näher bezeichneten Art einzusetzen. Werden in einem Kraftfahrzeug Sprachbefehle gegeben, z. B. zur Steuerung des Autoradios, dann treten zusätzliche Schwierigkeiten auf, denn zum einen verstärken die vom Lautsprecher wiedergegebenen Töne die Umgebungsgeräusche, zum anderen können die Befehlswörter auch in der vom Lautsprecher wiedergegebenen Sendung auftreten.

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die hierdurch entstehenden zusätzlichen Probleme einer Lösung zuzuführen.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß die durch die Lautsprechersignale auftretenden zusätzlichen Schallereignisse mit hoher Sicherheit aus dem zu erkennenden Signal ausgeblendet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gekennzeichnet.

Die Sicherheit, daß keine Fehlbedienungen der Erkennungsschaltung durch in vom Lautsprecher wiedergegebene Sendungen enthaltenen Befehlsworte entstehen, wird bereits durch eine Anordnung entsprechend dem Anspruch 4 gewährleistet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung in einem Kraftfahrzeug und

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 sind von einem Kraftfahrzeug lediglich je ein Teil des Fahrgastraums 1 und des Motorraums 2 dargestellt. Ein Mikrofon 3 ist im Fahrgastraum, beispielsweise oberhalb der Windschutzscheibe, angeordnet und nimmt Sprache, Fahrgeräusche und Schall von einem Autoradio 5 auf, der von einem Lautsprecher 4 abgestrahlt wird. Das vom Mikrofon 3 abgegebene Summensignal Σ(t) wird einer Anordnung 6 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zugeführt, an deren Ausgang 7 das weitgehend von Störungen befreite Sprachsignal D₂(t) abnehmbar ist.

Ein weiteres Mikrofon 8 ist im Motorraum 2 angeordnet, nimmt Fahrgeräusche auf und leitet diese als Signal F(t) an die Anordnung 6 weiter. Schließlich wird das dem Lautsprecher 4 zugeführte Audiosignal als Signal A(t) ebenfalls der Anordnung 6 zugeleitet. Falls keine monaurale Wiedergabe beim Autoradio vorgesehen ist, können mehrere Audiosignale A(t) abgenommen und der Anordnung 6 zugeführt werden.

Bei den folgenden Betrachtungen werden die jeweiligen akustischen und elektrischen Signale gleichgesetzt. Das infolge der Schallabstrahlung des Lautsprechers 4 vom Mikrofon 3 aufgenommene Signal unterscheidet sich vom Signal A(t) durch eine zunächst unbekannte Übertragungsfunktion. Das auf das Mikrofon 3 einwirkende vom Lautsprecher 4 stammende Signal wird daher als A₁(t) bezeichnet. In ähnlicher Weise unterscheidet sich das vom Mikrofon 3 aufgenommene Fahrgeräusch F₁(t) von dem durch das Mikrofon 8 aufgenommenen Fahrgeräusch F(t). Das Summensignal ergibt sich somit zu Σ(t)=S(t)+F₁(t) +A₁(t).

Die Anteile des Summensignals F₁(t) und A₁(t) sind A₁(t)=H_A×A(t) und F₁(t)=H_F×F(t), wobei H_A und H_F die entsprechenden Übertragungsfunktionen sind und x eine Faltung bedeutet.

Um die Anteile F₁(t) und A₁(t) aus dem Summensignal zu entfernen, ist eine Kenntnis der zunächst unbekannten Funktionen H_F und H_A erforderlich. Hierzu dienen adaptive Filter, die in der Anordnung nach Fig. 2 vorgesehen sind. Die Signale Σ(t) und F(t) werden von den Mikrofonen 3, 8 über geeignete Verstärker 11, 12 und Tiefpaßfilter 13, 14 Analog/Digital-Wandlern 15, 16 zugeführt. Das Audiosignal A(t) wird ebenfalls über ein Tiefpaßfilter 17 einem Analog/Digital-Wandler 18 zugeleitet. Die Tiefpaßfilter begrenzen die Bandbreite der Signale auf einen Wert, der für das nachgeschaltete Spracherkennungssystem notwendig ist.

Ein erstes adaptives Filter 19 dient zusammen mit einem Korrelator 20 zur Ableitung des Signals A₁(t) aus dem Signal A(t). In einem Subtrahierer 21 wird dann das Signal A₁(t) von dem Summensignal Σ(t) subtrahiert, wodurch das Signal D₁(t) entsteht.

Ein weiteres adaptives Filter 22 und ein Korrelator 23 sind zur Ableitung des Signals F₁(t) aus dem Signal F(t) vorgesehen. Mit Hilfe eines weiteren Subtrahierers 24 wird das Signal F₁(t) von dem Signal D₁(t) subtrahiert. Am Ausgang 7 steht somit das Signal D₂(t) zur Weiterleitung an ein Spracherkennungssystem zur Verfügung.

Das adaptive Filter 19 ist ein nichtrekursives Filter der Ordnung ungefähr 100 mit der Zielfunktion

Z₁(t) = (Σ(t)-H_AZ×A) ∎ A(t) = 0 für H_AZ = H_A, (1)

wobei ∎ die Korrelationsfunktion bedeutet. Die Zielfunktion nutzt aus, daß für das richtige H_AZ das Signal [S(t)+F₁(t)] unkorreliert zum Audiosignal A(t) ist.

Die Berechnung der Filterkoeffizienten im einzelnen kann nach Standardverfahren der digitalen Signalverarbeitung erfolgen, wie sie beispielsweise im Aufsatz "Adaptive Noise Cancelling: Principles and Applications", Proceedings of the IEEE, Vol. 63, No. 12, December 1975, Seiten 1692 bis 1716 beschrieben sind. Die adaptiven Filter und die Korrelatoren können mit geeignet programmierten Signalprozessoren realisiert werden.

Das Ausgangssignal D₁(t) des Subtrahierers 21 wird sowohl im Korrelator 20 verwendet als auch dem weiteren Subtrahierer 24 zugeführt. Es ergibt sich zu D₁(t)=Σ(t)-H_AZ×A(t).

Zur Bestimmung von H_F wird das bereits von den Audiosignalen befreite Signal D₁(t) verwendet, welches sich aus Fahrgeräusch und Sprache zusammensetzt. Diese sind ebenfalls unkorreliert, so daß sich das für das Audiosignal verwendete Verfahren auch für das Geräuschsignal anwenden läßt. Dabei ist die Zielfunktion

Z₂(t) = [D₁(t)-H_FZ×F(t)] ∎ F(t) = 0 für H_FZ = H_F(t) (2)

Das Ausgangssignal des Subtrahierers 24 wird dann

D₂(t) = S(t)+(H_F-H_FZ)×F(t)+[(H_A-H_AZ)×A(t)]×F(t) (3)

Aus Gleichung (3) ist ersichtlich, daß sich das Ausgangssignal D₂(t) umso mehr dem Signal S(t) nähert, je besser die Annäherung von H_FZ an H_F bzw. H_AZ an H_A erfolgt. Auch bei einer nicht vollständigen Annäherung erfolgt eine deutliche Reduzierung des Störanteils.

Claims (8)

1. Verfahren zur Störbefreiung von Sprachbefehlen, die in einem Kraftfahrzeug in ein im akustischen Umfeld eines Lautsprechers befindlichen Befehlsmikrofon gesprochen und in einer Erkennungsschaltung ausgewertet werden, bei dem mit einem an einer vom Sprecher akustisch entkoppelten Stelle angeordneten Kompensationsmikrofon Störgeräusche aufgenommen werden, ein Differenzsignal aus dem adaptiv gefilterten Signal des Kompensationsmikrofons und dem Befehlsmikrofon-Signal gewonnen wird und das Differenzsignal zur Erkennungsschaltung weitergeleitet wird und zugleich das adaptive Filter steuert, dadurch gekennzeichnet,
daß das Eingangssignal des Lautsprechers (4) ein eigenes adaptives Filter (19) durchläuft,
daß ein zweites Differenzsignal aus dem adaptiv gefilterten Eingangssignal des Lautsprechers und dem Signal des Befehlsmikrofons (3) gebildet wird und
daß das zweite Differenzsignal das adaptive Filter (19) in Richtung minimaler Korrelation zwischen dem Eingangssignal und dem zweiten Differenzsignal steuert und aus dem zweiten Differenzsignal und dem gefilterten Signal des Kompensationsmikrofons (8) das erstgenannte Differenzsignal gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Befehlsmikrofonsignal, das Kompensationsmikrofonsignal und das Lautsprechersignal zurvor tiefpaßgefiltert und analog/digital gewandelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Kraftfahrzeug das Kompensationsmikrofonsignal außerhalb des Fahrgastraumes aufgenommen wird, daß mit dem Befehlsmikrofonsignal sowohl die Befehle als auch andere Schallereignisse im Fahrgastraum aufgenommen werden und daß das Lautsprechersignal einer Audio- Signalquelle entnommen wird.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem dem Befehlsmikrofon nachgeschalteten A/D-Wandler, der mit einer Subtraktionsstufe verbunden ist, deren zweiter Eingang mit einem ein Störsignal filterndes adaptives Filter verbunden ist, das vom Ausgangssignal der Subtraktionsstufe gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang des adaptiven Filters (19) über einen A/D-Wandler (18) mit dem Eingang eines Störsignals verursachenden Lautsprechers (4) verbunden ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal des Befehlsmikrofons (3) im Fahrgastraum eines Kraftfahrzeugs über einen Verstärker (11) und einem A/D-Wandler (15) Mitteln zur Subtraktion (21, 24) anderer Signale zuführbar ist, daß das Lautsprechersignal über einen weiteren A/D-Wandler (18) einem ersten adaptiven Filter (19) und einem ersten Korrelator (20) zuführbar ist, welche das erste adaptive Filter (19) steuert und welchem ferner das zweite Differenzsignal aus dem Signal des Befehlsmikrofons und dem Ausgangssignal des ersten adaptiven Filters (19) zuführbar ist und daß das Signal des Kompensationsmikrofons (8) über einen weiteren Verstärker (12) und einem dritten A/D-Wandler (16) einem zweiten adaptiven Filter (22) und einem zweiten Korrelator (23) zuführbar ist, welche das zweite adaptive Filter (22) steuert, in welchem ferner das erste Differenzsignal aus dem zweiten Differenzsignal und dem Ausgangssignal des zweiten adaptiven Filters (22) zuführbar ist, und daß das erste Differenzsignal das Ausgangssignal der Anordnung bildet.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß den A/D-Wandlern (15, 16, 18) Tiefpaßfilter (13, 14, 17) vorgeschaltet sind.

7. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die adaptiven Filter (19, 22) nichtrekursive Filter sind.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ordnung der nichtrekursiven Filter etwa 100 beträgt.