Brevet FR2783991A1 — publié le 20000331

DESCRIPTION L'invention concerne un dispositif de restitution audio comportant des moyens de mesure de bruit et des moyens de compression de la dynamique d'un signal audio. Elle concerne également un procédé de restitution audio comportant une étape de mesure de bruit et une étape de compression de la dynamique d'un signal audio. Elle concerne enfin un téléphone comportant un tel dispositif, ou mettant en ceuvre un tel procédé. L'invention a d'importantes applications, notamment pour les téléphones mobiles qui sont appelés à être utilisés dans des environnements particulièrement bruyants. Lorsque le niveau sonore ambiant devient trop important, le signal audio est noyé dans le bruit, ce qui rend l'utilisation du téléphone très inconfortable. La demande de brevet allemand DE 195 33 260 A1 décrit un dispositif de restitution audio qui comporte des moyens pour mesurer le bruit de fond ambiant. Selon le niveau de bruit mesuré, la dynamique du signal audio (c'est-à-dire le rapport entre l'amplitude la plus élevée et lI'amplitude la plus faible du signal) est éventuellement réduite: les amplitudes les plus basses du signal audio sont augmentées tandis que les amplitudes les plus fortes restent inchangées. Ce document ne propose aucune méthode précise pour modifier la dynamique du signal à partir du bruit de fond mesuré. L'invention a notamment pour but de proposer une méthode totalement adaptative pour modifier la dynamique du signal audio. L'invention propose également de prendre en compte, non seulement le bruit de fond ambiant (dit bruit local) mais aussi le bruit qui résulte de la transmission du signal audio (dit bruit distant) et qui est intrinsèque au signal reçu. Ces buts sont atteints avec les dispositifs de restitution audio tels que revendiqués dans les revendications 1 et 2 de la présente demande. De façon avantageuse, la loi de compression appliquée au signal audio est au moins déterminée par les paramètres suivants: - un taux de compression T qui correspond à une évolution décroissante du gain G en fonction de l'amplitude Uin, au moins à partir d'un seuil T2, dit seuil de transition, - et une amplitude de référence C supérieure ou égale audit seuil de transition (C>T2) et pour laquelle le gain G est égal à un. L'invention consiste également à introduire ledit seuil de transition T2 pour tenir compte des effets sur le bruit distant de la compression de la dynamique du signal audio: dans la plus part des cas le bruit distant présent dans le signal audio est plus faible que le seuil de transition. L'invention consiste dans un premier mode de réalisation à limiter le gain maximum appliqué aux faibles amplitudes de façon à limiter l'amplification du bruit distant. Dans un second mode de réalisation l'invention consiste à ajouter une phase d'expansion de la dynamique du signal audio pour les amplitudes inférieures à un second seuil TI (inférieur au premier seuil T2) de façon à réduire le bruit distant. Conformément à l'invention, un ou plusieurs des paramètres T-r, C, Tl et T2 qui permettent de caractériser la loi utilisée sont des fonctions continues ou discontinues du bruit local et / ou du bruit distant contenu dans le signal audio. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails apparaîtront dans la description qui va suivre en regard des dessins annexés qui sont donnés à titre d'exemple non limitatifs et dans lesquels: - la figure 1 représente un exemple de téléphone comportant un dispositif de restitution audio, - les figures 2, 3, 6 et 7 donnent des exemples de différents types de lois de compression, - la figure 4 est un schéma en blocs résumant les différentes étapes mises en oeuvre pour la sélection d'une loi de compression, puis pour le calcul du gain à appliquer au signal audio conformément à la loi de compression sélectionnée, - la figure 5 est un diagramme résumant les étapes d'un procédé de restitution audio selon l'invention. Sur la figure 1 on a représenté un exemple de téléphone 1 comportant un dispositif de restitution audio 2. Ce téléphone comporte notamment un microphone 10 relié à un convertisseur analogique - numérique 20 lui même relié à un codeur de parole 30. Ce codeur de parole 30 est relié d'une part à un codeur de canal 40 et d'autre part à des moyens 50 de mesure du bruit de fond NI. La sortie du codeur de canal 40 est reliée à un circuit classique 60 d'émission - réception radio. Ce circuit 60 d'émission - réception radio est également relié à un décodeur de canal 70 qui traite les signaux reçus par le téléphone. Ce décodeur de canal 70 est relié à un décodeur de parole 80 qui fournit un signal audio Uin. Ce décodeur de parole 80 est relié d'une part à des moyens 90 de mesure du bruit distant Nr contenu dans le signal audio Uin, et d'autre part à des moyens 100 de compression de la dynamique du signal audio Uin. Les mesures de bruit local NI et de bruit distant Nr élaborées par les moyens de mesure de bruit 50 et 90 sont fournies en entrée des moyens de compression 100. Ces mesures sont utilisées par les moyens de compression 100 pour déterminer la loi de compression à appliquer au signal audio Uin. Les moyens de compression 100 délivrent un signal audio Uout qui est appliqué sur l'entrée d'un convertisseur numérique- analogique 110 lui-même relié à un écouteur 120. Lesdits moyens de mesure de bruit comportent: - des moyens classiques pour distinguer un signal de bruit seul d'un signal contenant de la parole et du bruit (il peut s'agir par exemple de moyens de détection de parole), - des moyens de mesure de la puissance des signaux de bruit seul. Le bruit pouvant être considéré comme stationnaire sur une période de l'ordre de 2s (alors que la parole ne l'est que sur une période de l'ordre de 20ms), il suffit de rafraîchir la mesure de bruit sur chaque signal de bruit seul reçu. Les moyens de compression 100 ont pour but de comprimer la dynamique du signal audio en fonction du bruit local et, dans un mode de réalisation préférentiel, du bruit distant mesurés. La compression de la dynamique d'un signal correspond en fait à une multiplication de chaque échantillon de ce signal par un gain qui dépend de l'amplitude dudit échantillon. Différentes familles de lois de compression peuvent être utilisées. Dans un but de simplification de l'exposé, l'invention va maintenant être décrite en utilisant deux familles particulières de lois de compression qui sont représentées sur les figures 2 et 3. L'invention n'est toutefois pas limitée à ces familles particulières, et on indiquera à titre d'exemple à la fin de la description d'autres familles qui peuvent également être utilisées. Sur la figure 2 on a représenté trois lois de compression d'une première famille de lois. Cette première famille de lois correspond à un premier type d'évolution du gain en fonction de lI'amplitude. Dans la suite de la description les références du type XdB sont utilisées pour désigner la valeur en décibels d'une variable X, alors que les références du type X (sans indice) sont utilisées pour désigner la valeur linéaire d'une variable X. En d'autres termes, XdB = log(X). Sur la figure 2, le gain GdB est une fonction linéaire décroissante de l'amplitude UindB. Les trois lois d'évolution du gain qui ont été représentées sont donc des droites Di qui sont caractérisées par leur pente bi et par le fait qu'elles associent toutes un gain nul à un niveau d'amplitude CdB qu'on appellera niveau de référence dans la suite de la description. L'équation de ces droites Di s'écrit donc: Di:GdB = bi.[CdB - UindB] ≤> Di:log(G) = b.[log(C)- log(Uin)] = log(C/Uin)(b') Di:G = (C/Uin)(b) (1) o G, Uin et C sont les valeurs linéaires du gain GdB, de l'amplitude AdB et du niveau de référence CdB, et b1 est la valeur absolue de la pente de la droite Di. Soient Uinl et Uin2 deux amplitudes du signal audio portées sur l'entrée des moyens de compression, et Uoutl et Uout2 les deux amplitudes correspondantes obtenues en sortie des moyens de compression. De l'équation (1) on peut déduire que les deux amplitudes Uoutl et Uout2 obtenues sont liées par la relation suivante: c b Uoutl Uinl Uin Uinl)(b) (2) Uout2 C b Uin2 t U in 2 (Un2v On peut déduire de cette équation (2) que toute variation dans l'amplitude du signal d'entrée est reportée dans le signal de sortie avec un facteur de réduction (1-bi). Ce facteur de réduction est appelé taux de compression et noté Ti (,ri=l- bi). L'équation (1) s'écrit donc également: G = (C/Uin)11i) (1) Finalement l'effet de compression de la dynamique du signal audio est d'autant plus important que la pente bj de la droite Di est importante, et donc que le taux de compression T- est faible. Sur la figure 2 on a b1 T2>T3. Sur la figure 3 on a représenté trois autres lois de compression d'une seconde famille de lois. Cette seconde famille de lois correspond à un second type d'évolution du gain en fonction de l'amplitude. Ces lois sont identiques à celles de la figure 2 pour les amplitudes UindB qui sont supérieures à un seuil de transition T2dB inférieur ou égal à CdB. En deçà du seuil de transition T2dB, le gain GdB a une valeur constante GmaxdB quelque soit l'amplitude UindB considérée. En d'autres termes, dans cet exemple on a introduit une limitation du gain maximum applicable aux échantillons du signal audio. Ce mode de réalisation permet de limiter l'amplification du bruit distant contenu dans le signal audio. En effet le bruit distant qui est présent dans le signal audio correspond en général à des amplitudes inférieures au seuil de transition T2. En amplifiant les faibles amplitudes du signal audio, on risque donc d'amplifier le bruit distant. Et ce risque d'amplification du bruit distant est d'autant plus important que la compression est forte, c'est-à-dire que le taux de compression est faible. La valeur à laquelle on choisit de limiter le gain maximum applicable au signal audio est donc d'autant plus faible que la compression est forte (sur la figure 3 on a Gmax3dB>Gmax2dB>GmaxldB). Dans la suite on va décrire en détails un mode de réalisation de l'invention, pour une famille de lois du second type (figure 3). Conformément à l'invention, les paramètres qui caractérisent l'évolution du gain en fonction de l'amplitude (T, C, et T2 dans l'exemple qui va être décrit) sont des fonctions continues ou discontinues du bruit local et éventuellement, dans un mode de réalisation préférentiel, du bruit distant contenu dans le signal lui-même: T2 = fl(Nr, Ni) C = f2(N,, Ni) T = f3(N,, NI) Comme cela a déjà été expliqué, I'utilisation d'un faible de taux de compression lorsque le bruit distant Nr est important a pour effet d'amplifier ce bruit distant. Dans ce cas il est donc préférable de cesser ou de réduire la compression. Pour cela, il faut prendre au moins l'une des mesures suivantes: - augmenter le seuil de transition T2, - augmenter le taux de compression -rT, - diminuer l'amplitude de référence C. Ces mesures peuvent se résumer par les équations suivantes: dC 8T2 dz 0; - >0 (3) aNr aNr aNr En revanche la compression est très'efficace lorsque le bruit local Ni est important. La compression permet alors de rééquilibrer les amplitudes du signal audio en augmentant les s faibles amplitudes et en diminuant les fortes amplitudes par rapport à une amplitude de référence C. Dans ce cas la perception peut également être améliorer en augmentant le niveau moyen du signal. Pour cela, il faut prendre au moins l'une des mesures suivantes: - augmenter l'amplitude de référence C, - diminuer le seuil de transition T2, pour commencer la compression plus tôt, - diminuer le taux de compression z. Ces mesures peuvent se résumer par les équations suivantes: aC >0; T 1+[3 N. Ni i lJ :T f3(Nr,Ni) Uin= m avecO de procédé de calcul du gain à appliquer à un échantillon à partir des mesures de bruit Nr et Ni. Jusqu'à présent, pour la simplicité de l'exposé, on a expliqué l'invention en utilisant une loi d'évolution du gain en fonction de l'amplitude du signal audio (équation (1)). Il est toutefois préférable de remplacer l'amplitude du signal par son énergie E pour éviter des variations trop rapides du gain. L'utilisation de l'énergie E permet de lisser l'évolution du signal Uout, et donc d'éviter des distorsions sur le signal de parole. Dans la pratique on utilisera donc de préférence une équation du type: G(k) = [C/E(k)]("), o E(k) est l'énergie du signal audio pour le keme échantillon du signal audio. E(k) est par exemple obtenu par l'équation suivante: E(k) = c IUin(k)l + (1-a).E(k-1), o a est un facteur d'évanouissement. Dans la pratique, l'énergie E est obtenue par filtrage de l'amplitude lUinJ: la transformée en z de la fonction de transfert du filtre s'écrit alors c/[1-(1-a).z'1]. Sur la figure 4 on a représenté trois blocs 200, 210 et 220 de calcul des paramètres T2, C et r qui caractérisent la loi de compression. à utiliser. Ces blocs reçoivent en entrée les mesures Nr et Ni du bruit distant et du bruit local et en déduisent les valeurs des paramètres T2, C et T en appliquant les fonctions fl, f2 et f3. Le seuil de transition T2 obtenu en sortie du bloc 200 est fourni à un bloc de calcul 230 qui calcule le maximum MAX entre ce seuil T2 et l'énergie E(k) calculée pour l'échantillon k. Ce maximum MAX est un paramètre de calcul du gain G à appliquer à l'échantillon k, puisqu'en dessous du seuil de transition (c'est-à-dire quand MAX=T2) ce gain est égal à Gmax, et que au dessus du seuil de transition (c'est-à-dire pour MAX=E(k)), il est égal à [C/E(k)](i-'). Le bloc 240 reçoit en entrée la valeur des paramètres C, I, et MAX, et il en déduit la valeur G du gain à appliquer à l'échantillon k. On notera que l'énergie E(k) peut être nulle dans le cas (normalement peu fréquent) d'une longue période de silence. Si T2=0, on obtient alors un gain G infini (G=[C/E(k)](-)). Il est donc avantageux d'utiliser systématiquement un seuil T2 non nul pour s'affranchir de ce risque. Cela veut dire, que même lorsqu'on ne souhaite pas limiter la valeur maximum du gain en deçà d'un certain seuil T2, il est avantageux de donner une valeur très faible à T2 pour éviter d'avoir un gain infini dans le cas o E(k)=0. Sur la figure 5 on a résumé les différentes étapes d'un procédé de restitution audio selon l'invention. A l'étape 300 le signal audio Uin et les mesures de bruit Nr et NI sont fournis aux moyens de compression 100. L'étape suivante 310 permet de prendre une décision d'activation ou de désactivation de la compression. De façon avantageuse: - la compression est désactivée lorsque le bruit distant Nr est élevé, quelque soit le niveau du bruit local Ni, et lorsque le bruit distant Nr est faible ou modéré et que le bruit local Ni est faible; - la compression est activée lorsque le bruit distant Nr est faible ou modéré et que le bruit local NI est fort ou modéré. Si la compression est désactivée, le signal audio de sortie Uout est égal au signal audio d'entrée Uin (flèche 311). Si la compression est activée (flèche 312), on passe à l'étape suivante 320. A l'étape 320, on calcule l'amplitude lUinl du signal audio. Puis à l'étape 330 on filtre cette amplitude pour obtenir l'énergie E du signal audio (la transformée en z de la fonction de transfert du filtre s'écrit c/[1-(1- c).z1]). L'étape suivante 340 est l'étape de calcul du gain G à appliquer au signal d'entrée. Cette étape est décrite en détails sur la figure 4. A l'étape 350, le signal audio Uin est multiplié par le gain G qui a été calculé, de telle sorte que le signal de sortie Uout est égal à (G.Uin). L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrit. En particulier: - On a considéré dans toute la description que les mesures de bruit N1 et Nr était des mesures effectuées directement sur les signaux locaux et distants reçus par le téléphone. Ces mesures peuvent également être des mesures de résidu de bruit, c'est-à-dire des mesures du bruit local et / ou distant après passage des signaux reçus par le téléphone dans des dispositifs classiques de réduction de bruit. Un tel mode de réalisation permet de relâcher les contraintes liées au niveau des mesures Ni et Nr dans le choix de la loi de compression. - Il est aussi possible de calculer les paramètres qui caractérisent une famille de lois en utilisant des fonctions discontinues du bruit local et du bruit distant. - L'évolution du gain elle-même peut être une fonction discontinue de l'amplitude ou de l'énergie du signal audio. Et dans ce cas on utilisera de façon avantageuse une table pour mémoriser les valeurs à attribuer au gain en fonction des paramètres de compression qui auront été calculés. - L'étape 310, qui permet de désactiver la compression dans certains cas, est optionnelle. - Et il est possible d'utiliser d'autres types d'évolution du gain en fonction de l'amplitude ou de l'énergie du signal audio: Sur la figure 6 on a représenté une loi de compression qui correspond à un troisième type d'évolution du gain en fonction de l'amplitude. Cette loi est identique à celles représentées sur la figure 3 pour les amplitudes UindB qui sont supérieures à un second seuil de transition TldB introduit une expansion de la dynamique du signal audio pour les amplitudes inférieures à TldB. Cette expansion permet de réduire le bruit distant présent dans le signal audio, et donc d'améliorer le confort d'écoute pour l'utilisateur. Le comportement de ce second seuil Tl est identique à celui du seuil T2. La valeur du seuil Tl pourra donc par exemple être donnée par une fonction du type: |Uifl T1 = f4(Nr,NI) = Uin m avec0 31 1+ó4 Ni N, Sur la figure 7 on a représenté une loi de compression qui correspond à un quatrième type d'évolution du gain en fonction de l'amplitude. Cette loi est du même type que celle de la figure 6, mais les transitions entre les trois zones définies par les seuils de transition T1dB etT2dB sont progressives, de telle sorte que cette loi est décrite par une courbe, et non plus par une succession de segments de droites. - On a envisagé le cas o, en deçà du seuil de transition T2, l'évolution du gain en fonction de l'amplitude est constante ou croissante. Cette évolution pourrait aussi être décroissante, avec une décroissance moins forte qu'au delà du seuil T2. REVENDICATIONS 1. Dispositif de restitution audio comportant des moyens (50, 90) de mesure de bruit (NI, Nr) et des moyens (100) de compression de la dynamique d'un signal audio( Uin), caractérisé en ce que lesdits moyens de compression comportent des moyens (200, 210, 220, 230 et 240) de sélection d'une loi de compression parmi plusieurs lois possibles en fonction du bruit mesuré (Ni, Nr). 2. Dispositif de restitution audio selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure de bruit comportent des moyens de mesure d'un bruit, dit bruit local (Ni), dans l'environnement dudit dispositif et / ou des moyens de mesure d'un bruit, dit bruit distant (Nr), sur le signal audio. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la loi de compression est déterminé au moins par les paramètres suivants qui sont des fonctions du bruit mesuré: - un taux de compression (-r) qui correspond à une évolution décroissante du gain (G) en fonction de l'amplitude (Uin), au moins à partir d'un seuil dit seuil de transition (T2), - et un niveau de référence (C) supérieur ou égal audit seuil de transition pour lequel le gain (G) est égal à un. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la loi de compression est notamment déterminée par un paramètre appelé seuil de transition (T2) qui délimite deux zones d'évolution du gain à appliquer au signal audio en fonction de l'amplitude du signal audio, l'évolution dudit gain étant plus fortement décroissante au delà qu'en deçà dudit seuil de transition. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisée en ce que, en deçà dudit seuil de transition, le gain à appliquer au signal audio a une évolution constante et / ou croissante en fonction de l'amplitude du signal audio. 6. Téléphone (1) doté d'un dispositif de restitution audio (2) qui comporte des moyens de mesure de bruit (50, 90) et des moyens (100) de compression de la dynamique d'un signal audio, caractérisé en ce que lesdits moyens de compression comportent des moyens (200, 210, 220, 230 et 240) de sélection d'une loi de compression parmi plusieurs lois possibles en fonction du bruit mesuré(NI, Nr). 7. Téléphone selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure de bruit comportent des moyens de mesure d'un bruit, dit bruit local, dans l'environnement dudit dispositif et / ou des moyens de mesure d'un bruit, dit bruit distant, sur le signal audio. 8. Procédé de restitution audio comportant une étape de mesure de bruit et une étape de compression de la dynamique d'un signal audio, caractérisé en ce que ladite étape de compression est précédée d'une étape de sélection d'une loi de compression parmi plusieurs lois possibles en fonction du bruit mesuré. 9. Procédé de restitution audio selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite étape de mesure de bruit comporte une étape de mesure d'un bruit, dit bruit local, dans l'environnement dans lequel ledit procédé est mis en oeuvre, et / ou une étape de mesure d'un bruit, dit bruit distant, sur ledit signal audio.