用於減少脈衝噪聲幹擾的方法和系統的製作方法

2023-05-01 13:13:51

用於減少脈衝噪聲幹擾的方法和系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種音頻處理系統。車載環境中的FM和AM接收機需要噪聲抑制器電路或方法以減少音頻信號中由例如點火噪聲的脈衝噪聲產生的可聽幹擾。本發明提出了一種時域處理和頻域處理的組合以減少可聽失真。時域處理在脈衝噪聲突發期間內插信號,而頻域處理在時間上分散剩餘的信號失真,或者通過加窗技術將信號重定位到衰減所在的時間位置處。
【專利說明】用於減少脈衝噪聲幹擾的方法和系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及減少脈衝噪聲幹擾，例如在無線接收機中減少脈衝噪聲幹擾。
【背景技術】
[0002]FM和AM接收機通常具有噪聲抑制器電路或方法以減少音頻信號中由脈衝噪聲產生的可聽幹擾。這在由車載收音機天線拾起脈衝噪聲(例如點火噪聲)的車載環境下尤其必要。
[0003]點火噪聲導致音頻信號中出現具有可變重複速率的短寬帶尖峰，並且該速率與發動機轉速成比例地變化。存在計多用於檢測是否存在脈衝噪聲的方法，這些方法產生消隱脈衝，並且當音頻信號中出現幹擾時消隱脈衝較高。在US6，385，261中公開了示例。
[0004]這些脈衝可以是固定長度或可變長度，並且指示哪些時間段已損壞。
[0005]用於減少對音頻信號的幹擾的現有技術方法使用固定值(這些也是在US6, 385，261中公開的所謂電平保持方法)、使用損壞段附近的樣本值的線性或高階內插(例如在US2011 / 0129036中公開的方法)、或者使用信號模型獲得的音頻信號的預測值(例如在US7, 260，163中公開的方法)來替代這些已損壞的時間段。
[0006]當脈衝噪聲具有特定可能可變的重複速率時，在應用例如電平保持系統和信號內插的現有技術方法之後出現的信號不連續性也將是重複的，使得在感知上比單個不連續性更加惱人。因此降低這些不連續性的影響將是有益的。
[0007]在US7，260，163中描述的方法使用自適應全極點模型來模擬音頻信號。因此，使用相對低階的模型(例如語音)可以很好的預測(短持續時間)平穩信號，而該方法對該平穩信號將很好地工作，但是對複雜的和非平穩信號預計將表現的更差。

【發明內容】

[0008]根據本發明，提供了一種如獨立權利要求中定義的系統和方法。
[0009]在一個方面，本發明提供了一種音頻處理系統，包括:
[0010]檢測器，用於是否存在檢測脈衝噪聲；
[0011]處理裝置，用於根據檢測到存在脈衝噪聲在時域中處理音頻輸入信號；
[0012]第一裝置，用於將輸入音頻信號從時域變換到頻域；
[0013]用於提取頻域信號的幅度譜和相位譜的裝置；
[0014]用於根據檢測到存在脈衝噪聲修改至少部分相位譜的裝置；
[0015]用於組合幅度譜和修改後的相位譜的裝置；以及
[0016]第二裝置，用於將組合信號從頻域變換到時域。
[0017]因此，本發明提供了一種用於減少脈衝噪聲的系統和方法，特別是用於解調的AM或FM音頻信號。本發明在時域中使用信號處理(例如信號內插)，隨後在頻域中使用處理步驟。該方法無需再使用預測模型，並因此可以用於任意複雜的非平穩信號。
[0018]用於修改相位譜的裝置可以適於將相位設置為恆定值或者將相位設置為隨機值。根據對應頻率分量的幅度，可以為不同的頻率分量設置相位。出於這個目的，可以基於幅度譜在頻域中使用頻率掩碼(mask)進行相位修改。
[0019]在變換到頻域之前以及變換回到時域之後可以應用時間窗。這具有抑制邊緣效應的效果(在處理的時間窗內)，而且對於抑制如果相位設置為恆定值而引起的邊緣效應特別有用。
[0020]在另一方面，本發明提供了一種音頻處理方法，包括:
[0021]檢測是否存在脈衝噪聲；
[0022]根據檢測到存在脈衝噪聲，在時域中處理音頻輸入信號；
[0023]將輸入音頻信號從時域變換到頻域；
[0024]提取頻域信號的幅度譜和相位譜；
[0025]根據檢測到存在脈衝噪聲修改至少部分相位譜；
[0026]組合幅度譜和修改後的相位譜；以及
[0027]將組合信號從頻域變換到時域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]下面將參照附圖對本發明的示例進行詳細描述，其中:
[0029]圖1示出了本發明的系統的原理圖；
[0030]圖2示出了本發明的方法的流程圖；
[0031]圖3示出了使用可以被應用於圖1的系統中進行時域處理的電平保持方法的已知信號內插；
[0032]圖4示出了相位修改的效果的示例；
[0033]圖5示出了圖1的系統的頻域處理模塊的示例；
[0034]圖6示出了使用相位隨機化進行頻域處理的效果的示例；以及
[0035]圖7示出了使用相位歸零進行頻域處理的效果的示例。
【具體實施方式】
[0036]本發明提供了一種時域處理和頻域處理的組合以減少脈衝噪聲導致的可聽失真。時域處理例如在脈衝噪聲突發期間內插信號，頻域處理在時間上分散剩餘的信號失真，或者通過加窗將其重定位到衰減所在的時間位置。
[0037]圖1以原理圖的形式示出了本發明的系統的示例。
[0038]檢測器信號(「det」)是可用的，當出現脈衝噪聲突發時為高，當沒有出現脈衝噪聲突發時為低。可以使用的檢測器的類型是已知的，例如選自上述確定的現有技術。
[0039]可以基於高通濾波來檢測脈衝，或者使用自適應濾波來檢測噪聲尖峰。本質上，偏離預期的信號內容指示了尖峰的存在。這可以是通過如下方式濾波後的音頻信號版本中的信號能量，即衰減音頻內容並只保留更高頻率的區域(在該區域中，預期沒有音頻內容，只有噪聲幹擾)。這也可以是預測音頻的自適應模型的模型誤差(較大的模型誤差指示了幹擾的存在)。
[0040]當檢測器信號為高時(存在脈衝噪聲)，輸入樣本被標記為無效。使用無效樣本的連續塊之前和/或之後的樣本對無效樣本進行內插。由內插單元10實現這種內插。這包括時域處理，並機遇脈衝噪聲的檢測。
[0041]將樣本進行緩衝以用於使用加權疊加相加(overlap-add)技術的FFT處理，該加權疊加相加技術是在文獻中描述的標準技術。使用有限脈衝響應濾波器的加權疊加相加技術是實現FFT的有效方式。在該技術中，應用了窗口(在最後的疊加相加之前，以創建輸出信號)。在音頻壓縮應用中使用該「輸出窗口」以最小化處理偽象。該輸出窗口逐漸減弱幀邊界處的任何偽象，從而抑制可聽的不連續性。
[0042]為單個幀計算FFT12，如果在時間幀中存在無效樣本則在處理單元14中進一步處理。如果不存在無效樣本，則不執行頻域處理。
[0043]由逆FFT單元16將結果變換到時域，通常使用加權疊加/相加技術做適當處理，產生所提出方法的輸出。
[0044]圖2示出了所提出方法的對應的流程圖。
[0045]在步驟20將輸入進行緩衝。雖然未在圖1中示出，但是該緩衝也是系統的一部分。該緩衝引入故意延遲，以便時域內插可以開始的足夠早，並且在給定的FFT窗口內部檢測到脈衝事件時，可以為該給定的FFT窗口處理頻域相位修改。因此，檢測信號使得在處理對應的FFT窗口之前檢測脈衝事件。
[0046]如步驟22所示檢測脈衝事件。
[0047]如果存在檢測到的脈衝事件，則執行如步驟24信號內插所示的時域處理以取代無效樣本，即對應的檢測器信號為高的樣本被新樣本值取代。可以使用多種方法獲得這些新樣本值，其中:
[0048]電平保持方法，使用無效樣本的連續塊之前最近的有效樣本值來取代無效樣本；
[0049]信號內插，使用從無效樣本的連續塊之前最近和之後最近的有效樣本值的線性(或高階或其他)內插得到的值來取代無效樣本；
[0050]信號處理，使用通過處理有效和無效樣本值得到的值來取代無效樣本。
[0051]這些方法都可以普遍被認為是包括信號內插，其中使用從合適的信號分析中獲得的值取代時間窗內部的信號。
[0052]在步驟26時域信號(可能已處理或者尚未被處理)被緩衝並由FFT轉換到頻域。
[0053]再次使用脈衝事件相同的檢測來控制相位修改。該檢測如步驟28所示，如果存在檢測到的脈衝事件，則在步驟30發生頻域上的相位修改。在步驟32由IFFT將頻域信號(可能已處理或者尚未被處理)轉換回到時域。
[0054]使用已知的電平保持方法如何能夠實現時域處理的示例如圖3所示。
[0055]由虛線40表示輸入。用兩條垂直實線42劃出檢測器為高的段。在該區域內，輸入樣本值是無效的，使用電平保持技術取代無效樣本值，即，使用樣本在變成無效之前的樣本值取代無效樣本值。
[0056]由實線表示輸出，該實線與劃定區域外的虛線相同。可以觀察到，由脈衝噪聲引起的尖峰被有效地抵消，但在被內插的區域中的輸出信號明顯失真:沒有遵循信號的特性。此外，在該區域的邊緣，信號的導數存在不連續性。
[0057]如果這隻發生一次，失真會難以察覺，但是脈衝噪聲在本質上是重複的，這時失真將被視為是惱人的。
[0058]本發明提供了一種在完整的時間窗上分散信號失真的方法。該方法基於如下觀察:通過修改其相位譜並保留其幅度譜可以在時間窗上分散該信號(失真)高峰。
[0059]參照圖4解釋本發明的方法。
[0060]幹擾輸入信號被顯示為由細實線44表示的單個突發。假定圖中所示的時間段與由頻譜處理模塊處理的單個幀相對應(因此，長度等於FFT的大小)。如果該信號變換到頻域(使用FFT)，則相位譜被隨機化，保留幅度譜，然後將復值頻譜變換回到時域(使用逆FFT)，獲得圖4中由虛線46表示的信號。
[0061]可以觀察到，將該高峰的能量(而不是將時間上集中的高峰(細實線44)) 「分散」在完整的時間幀上，產生具有相同幅度譜和能量的隨機噪聲作為輸入。該高峰是由不同頻率的相位的一定排列形成的，然後通過相位隨機化而被破壞。
[0062]在感知上，以尖峰換取具有適度幅度的彩色噪聲。該彩色噪聲具有如集中在高峰中的相同能量，但是在時間窗上被分散。
[0063]將所有相位設置為零(而不是隨機化相位譜)，導致圖4中由粗實線48表示的信號。
[0064]在這種情況下，可以觀察到高峰在形式上稍微改變(因為FFT假定信號在時間窗上呈現周期性並且高峰從幀的結尾延伸到幀的開頭)。更重要的是，高峰的能量仍然在時間上集中，但是其位置移動到時間窗的邊界。
[0065]如同相位隨機化的情況，因為沒有在時間上分散能量，從而更好的保留了除高峰以外的信號特性。
[0066]由於形成一部分FFT處理的加權疊加相加技術，時間窗的邊界得到抑制。特別地，時間幀與在邊界具有非常低或零值的時間窗相乘，如平方根漢寧窗。因此，通過將相位設置為零，幹擾首先移動到邊界，之後通過平方根漢寧(或其他)窗將幹擾抑制。
[0067]下面將參照圖5詳細解釋圖1中的頻域處理模塊14。
[0068]輸入包括內插信號的復值頻域譜。
[0069]在幅度單元50和相位單元52中分別計算幅度譜(「mag」)和相位譜(「phase」)，並基於幅度譜來確定頻率掩碼。如果幅度譜低於特定閾值則該頻率掩碼為單位I (unity)，否則為零。因此，頻域處理使用閾值技術來確定每個頻率點的相位是否應該被修改。該閾值可以是固定值，或者可以和時間窗的瞬時能量或預期的信號能量成比例。
[0070]該閾值方法基於如下事實，具有高幅度的頻率點應該保持不變，而應該修改具有低幅度的頻率點。如果幹擾是脈衝(時間窗中只有一個非零值)，幹擾的幅度譜在所有頻率點上都是相同的(脈衝的幅度譜是條平坦線)，所以幹擾對具有高幅度的頻率點影響較小，而對具有低幅度的頻率點影響較大。因此，只需修改具有對應低幅度的相位。
[0071]該閾值是可選的，而無論何時檢測到脈衝噪聲，都可以進行相位修改。
[0072]修改頻率掩碼為單位I的頻率點的相位譜。在單元54中，用隨機值代替原有值，或者將該頻率點的相位設置為零來修改相位譜。
[0073]在組合單元56中將幅度譜和相位譜組合成復值頻譜，該組合是處理模塊14的輸出。
[0074]如上所述，如果相位是隨機的，則在時間窗上分散該失真或至少分散信號幅度為低處的那部分失真。如果將相位設置為零，則失真集中在時間窗的邊界。
[0075]基於相位隨機化的頻域處理的示例如圖6所示。[0076]使用電平保持技術在時域處理原始輸入信號(虛線60)，在檢測到脈衝的區域中產生水平的細實線62，由兩條垂直實線設定。對其幅度譜低於平均幅度的相位進行隨機化之後，獲得粗實線64。可以觀察到，粗實線64比脈衝窗外面的內插信號(細實線66)有更多噪聲(更多「鋸齒」)，並且內插區域內的段比內插信號的水平線更加接近地遵循信號特性。
[0077]在完整的時間窗上分散內插信號的失真，使得信號經過完整的時間窗後有更多噪聲。
[0078]基於相位歸零的頻域處理的示例如圖7所示。
[0079]如同上一不例，使用相同的輸入信號60和內插信號66。不米用相位隨機化，而是將幅度譜低於平均幅度的相位設置為零，產生粗實線70。可以觀察到，信號沒有變得比內插信號具有更多噪聲，並且內插區域被遵循信號特性的樣本填充。
[0080]然而，失真集中在信號值增加的時間幀的起始處。由此可以看出，因為處理之前和之後的幀的起始值不匹配，因此與上一示例完全不同。通過加權疊加相加技術的加窗將減少這種效果。
[0081]本發明的方法可以被實現為處理FM或AM音頻信號的軟體模塊。輸入信號可以是單聲道或立體聲。該模塊的優選實施方式使用如下組件:
[0082]檢測器，用於是否存在脈衝噪聲；
[0083]頻域變換，包括變換之前和逆變換之後的加窗；
[0084]用於提取幅度譜和相位譜的裝置；
[0085]用於基於幅度譜產生頻率掩碼的裝置；
[0086]用於修改部分相位譜的裝置；以及
[0087]用於將幅度譜和相位譜組合成復值頻譜的裝置。
[0088]本發明可以是FM或AM立體聲調諧器的一部分。本發明可以被實現為軟體模塊以便在脈衝噪聲存在的情況下提高音頻信號質量，該脈衝噪聲出現在車載環境中(如點火噪聲)。
[0089]FFT加窗處理可以基於重疊相加技術或者加窗的重疊相加技術。基於第一種技術只在時間-頻率變換之前使用加窗，而基於其他技術則在時間-頻率變換之前和頻率-時間變換之後都使用加窗。
[0090]本領域技術人員在實踐所要求保護的本發明時，從附圖、公開內容和附加權利要求的研究中可以理解和實現所公開的實施例的其他變形。在權利要求中，詞語「包括」不排除其他元件或步驟，並且不定冠詞「一」或「一種」不排除複數。單個處理器或其他單元可以實現權利要求中所述的若干項的功能。某些措施記載在相互不同的從屬權利要求中，這一事實並不表示這些措施的組合不能被有利地使用。
[0091]可以在適合的介質上存儲/分布電腦程式，例如一起提供或作為其他硬體的一部分的光存儲介質或固態介質，但也可以分布於其他形式，例如通過網際網路或其他有線或無線遠程通信系統。
[0092]權利要求中的任何附圖標記不應當被理解為對範圍的限制。
【權利要求】
1.一種音頻處理系統，包括: 檢測器，用於檢測是否存在脈衝噪聲； 處理裝置(10)，用於根據檢測到存在脈衝噪聲，在時域中處理音頻輸入信號； 第一裝置(12)，用於將輸入音頻信號從時域變換到頻域； 用於提取頻域信號的幅度譜和相位譜的裝置； 用於根據檢測到存在脈衝噪聲來修改至少部分相位譜的裝置(14)； 用於組合幅度譜和修改後的相位譜的裝置；以及 第二裝置(16)，用於將組合信號從頻域變換到時域。
2.如權利要求1所述的系統，其中，用於修改相位譜的裝置(14)適於將相位設置為恆定值。
3.如權利要求1所述的系統，其中，用於修改相位譜的裝置(14)適於將相位設置為隨機值。
4.如權利要求2或3所述的系統，其中，用於修改相位譜的裝置(14)適於根據對應頻率處的幅度為不同頻率分量設置相位。
5.如權利要求4所述的系統，其中，用於修改至少部分相位譜的裝置(14)適於根據幅度譜產生頻率掩碼，該頻率掩碼識別將要發生的相位修改所在的頻率。
6.如上述權利要求中的任意一個所述的系統，其中，用於變換的第一裝置(12)適於在變換之前應用時間窗。`
7.如權利要求6所述的系統，其中，用於變換的第二裝置(16)適於在變換之後應用時間窗。
8.如上述權利要求中的任意一個所述的系統，其中，處理裝置(10)適於應用信號內插。
9.一種用於減少脈衝噪聲的無線調諧器，包括如上述任一權利要求所述的系統。
10.一種音頻處理方法，包括: 檢測(22 ；28)是否存在脈衝噪聲； 根據檢測到存在脈衝噪聲，在時域中處理(24)音頻輸入信號； 將輸入音頻信號從時域變換(26)到頻域； 提取頻域信號的幅度譜和相位譜； 根據檢測到存在脈衝噪聲修改(30)至少部分相位譜； 組合幅度譜和修改後的相位譜；以及 將組合信號從頻域變換(32)到時域。
11.如權利要求10所述的方法，其中，修改相位譜包括: 將相位設置為恆定值；或者 將相位設置為隨機值。
12.如權利要求11所述的方法，其中，修改相位譜包括:根據對應頻率處的幅度為不同頻率分量設置相位。
13.如權利要求12所述的方法，其中，修改至少部分相位譜包括:根據幅度譜產生頻率掩碼，該頻率掩碼識別將要發生的相位修改所在的頻率。
14.如權利要求10至13中任意一個所述的方法，其中，時域到頻域的變換以及頻域到時域的變換包括時間加窗。
15.一種包括代碼裝置的電腦程式，當在計算機上運行所述代碼裝置時，實現權利要求10至14中任意一個所述的方法。
【文檔編號】H04B15/00GK103684621SQ201310408225
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月10日 優先權日:2012年9月13日
【發明者】泰穆金·高塔馬 申請人:Nxp股份有限公司