METHOD FOR DETERMINING THE BOUNDARIES OF A SIGNAL MIXED WITH BACKGROUND NOISE

Abstract: 1. Method for determining the boundaries of signals mixed with background noise, particularly of signal boundaries for speech processing of words spoken against a background noise, the criterion used for distinguishing between a signal of interest and the background signal or background noise being their amplitude characteristics, characterized in that - in a first step, a signal or noise recorded and subsequently preprocessed, namely an input variable (E), is observed with respect to its mean amplitude (A) and its first transmission frequency (N), referred to a reference variable (R), and its range of fluctuation (dN) within a predetermined time interval, the transmission frequency (N) being averaged from individual transmission frequencies and the range of fluctuation being determined by the maximum deviation of the individual transmission frequencies, - auxiliary variables (S1, S2, N2) are derived from the relevant variables obtained, which auxiliary variables are defined as follows : S1 = a*A+c S2 = b*A+c N2 = N/d, the variables a, b, c, d being constants which are determined by empirical values or by the type of the signal of interest, - in a second step, the current transmission frequency (N1), referred to a reference variable (R), is determined within a time pattern needed for adequate resolution, - one of the previously derived auxiliary variables (S1 or S2) is allocated to a weighting variable (S) in dependence on the observed derived transmission frequency (N2) with its range of fluctuation (dN) and the current transmission frequency (N1), - the current input variable (E) is measured by means of this weighting variable (S), - an operating (O1) dependent on the position of the input variable (E) relative to the weighting variable (S) is performed, - two boundary values (UG, OG1) are determined on the basis of the type of the signal of interest, - the result of the operation (O1) is limited towards the bottom by the first limit value (UG), - the existence of a signal of interest is detected when the second upper limit value (OG1) is reached, - the precise beginning of the signal (SB) is in front of the relevant detection time (ZE1) by a defined time interval, - in a third step, the position of the input variable (E) relative to the weighting variable (S) is evaluated by a further operation (O2) in such a manner that the non-existence of the signal of interest detected in the second step is established using a second limid value (OG2) which has been previously determined on the basis of the type of the signal of interest, the further operation being defined as follows : O2 = 02+1 for ¦E¦ < S O2 = O in all other cases or OG2 in all other cases or O2 - 1 for ¦E¦ < S, - and the precise signal end (SE) is in front of the relevant detection time (ZE2) by a defined time interval.

Description: Verfahren zur Erfassung der Grenzen von Signalen, die vor einem Hinterqrundsianalcemisch auftreten. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der Grenzen von Signalen, die vor einem Hintergrundsignalgemisch auftreten, insbesondere von Signalgrenzen für die Sprachverarbeitung von vor einem Hintergrundgeräusch gesprochenen Wörtern, wobei als Unterscheidungskriterium zwischen einem interessierenden Signal und dem Hintergrundsignal oder Hintergrundsignalgemisch deren Amplitudenverhalten herangezogen wird. Bisherige Lösungen zur Wortgrenzendetektion reichen von einfachen Signalamplituden-Betrachtungen bis zur Analyse des Zeitsignals mit nachfolgender Erkennung und Klassifikation in Pause und Sprache. Die Beurteilung der mittleren Amplitude von Hintergrundsignalen bzw. des Amplitudenverhaltens allgemein reicht jedoch in zahlreichen Anwendungsfällen nicht aus. Eine vollständige Analyse hinsichtlich beispielsweise des Frequenzverhaltens - ausgedrückt durch Parameter - und/oder des Amplitudenverhaltens, wie aus dem Stand der Technik bekannt, ist Jedoch für zahlreiche Anwendungsfälle zu aufwendig, und zwar betreffend die Hardware als auch die Software. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das kostengünstig, und zwar bezüglich der Hardware als auch der Software, durchzuführen ist, jedoch verhältnismässig genau arbeitet und von bestimmten irrelevanten Signalstörungen (zum Beispiel das Geräusch einer schlagenden Tur, Strassenlärm, die Stimmen einer Vielzahl von Menschen usw.) unbeeinflusst bleibt. Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art bzw. gemass des Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gelöst, das durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale charakterisiert ist. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet. Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand mehrerer, Ausfuhrungsbeispiele fur die Erfindung betreffender Figuren im einzelnen erläutert. Figur 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild, aus dem das Grundprinzip der Vorverarbeitung des Zeit signals eines an eine Eingangsklemme einer ent sprechenden Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gelegten Eingangssignals hervorgeht. Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm von Schritten zur Wort grenzendetektion gemäss der vorliegenden Erfin dung. Figur 3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild, aus dem Einrichtungen und deren Zusammenwirken zur Durch führung eines ersten Verfahrensschrittes hervor gehen. Figur 4 zeigt ein Blockschaltbild, aus dem Einrichtungen und deren Zusammenwirkung zur Durchführung einer "Beginn-Detektion" hervorgehen. Figur 5 zeigt eine Diagrammdarstellung eines Beispiels für die Beginn-Detektion des gesprochenen Wortes "Stop". Figur 6 zeigt ein Blockschaltbild, aus dem Einrichtungen und deren Zusammenwirkung für eine "Ende-Detektion" hervorgehen. Figur 7 zeigt eine Diagrammdarstellung eines Beispiels für die "Ende-Detektion" des gesprochenen Wortes Stop, Figur 8 zeigt eine Diagrammdarstellung eines Beispiels für eine gesamte Wortgrenzenerkennung für das gesprochene Wort Stop. Wie bereits eingangs ausgeführt benutzt das Verfahren ge mäss der vorliegenden Erfindung als Unterscheidungskriterium zwischen einem interessierenden Signal und dem Hintergrundsignal oder Hintergrundsignalgemisch deren Amplitudenverhalten. Dazu wird in einem ersten Schritt ein aufgenommenes und anschliessend vorverarbeitetes Signal oder Signalgemisch, nämlich eine Eingangsgrösse E, hinsichtlich seiner mittleren Amplitude A und seiner auf eine Referenzgrösse R bezogenen ersten Druchgangshäufig- keit und deren Schwankungsbreite dN innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls beobachtet, wobei die Durchgangshäufigkeit N aus Einzeldurchgangshäufigkeiten ermittelt wird und wobei die Schwankungsbreite durch die maximale Abweichung der Einzeldurchgangshäufigkeiten bestimmt ist. Zu diesem Zweck wird das aufgenommene Signal bzw. Signalgemisch Z (t) zunächst verstärkt, dann mittels eines Bandpassfilters gefiltert und anschliessend einer Analog/ Digital-Wandlung unterzogen, wodurch sich die genannte Eingangsgrösse E ergibt, vergleiche Figur 1. Aus den betreffenden gewonnenen Grössen werden Hilfsgrössen S1, N2 abgeleitet, vergleiche Figur 3. In einem zweiten Schritt innerhalb eines für eine ausreichende Auflösung benötigten Zeitrasters wird die aktuelle Durchgangshäufigkeit Xt bezogen auf die Referenzgrösse R bestisut. In Abhängigkeit von der beobachteten abgeleiteten Durchgangshäufigkeit N2 mit ihrer Schwankungsbreite dX und der aktuellen Durchgangshäufigkeit Nl wird eine der zuvor abgeleiteten Hilfsgrössen S7 oder S2 einer Bewertungsgrösse 5 zugeordnet. Anhand dieser Bewer tungsgrösse 5 wird die aktuelle Eingangsgrösse E gemessen. Dazu wird eine von der Lage der Eingangsgrösse E relativ zu der Beuertungsgrösse S abhängige Operation 01 durchgeführt. Aufgrund der Art des interessierenden Signals werden zwei Grenzwerte UG, OGl festgelegt. Das Ergebnis der Operation Ol wird durch den ersten Grenzwert nach unten begrenzt. Bei Erreichen des zweiten, oberen Grenzwertes OG1 wird das Vorhandensein eines interessierenden Signals erkannt. Der exakte Signalbeginn SB liegt dabei ui einen definierten Zeitabschnitt vor dem betreffenden Erkennungszeitpunkt ZE1, vergleiche Figur 4 und Figur 5. In eines dritten Schritt wird durch eine weitere Operation 02 die Lage der Eingangsgrösse E relativ zu der Bewertungsgrösse S in der Art ausgewertet, dass bei Erreichen eines zweiten aufgrund der Art des interessierenden Signals zuvor festgelegten Grenzwertes OG2 das Nichtvorhandensein des in dem zweiten Schritt erfassten interessierenden Signals festgestellt wird. Das exakte Signal ende SE liegt um einen definierten Zeitabschnitt vor des betreffenden Erkennungszeitpunkt ZE2, vergleiche Figur 6 und Figur 7. Gemass einer vorteil haften Weiterbildung der Erfindung ist die genannte Operation 01 als ein Integrationsvorgang vorgesehen Der exakte Signal beginn SB ist durch die zeitliche Position des letzten Wertes des Integrationsergebnisses gleich dem unteren Grenzwert UG vor dem betreffenden Erkennungszeitpunkt ZE1 festgelegt. Vorteilhafterweise kann der erste Schritt, wie er zuvor beschrieben wurde, für den Fall wiederholt werden, dass die Eingangsgrösse E eine dem Hintergrundsignalgemisch angepasste Schwelle überschreitet. Ausserdem ist zweckmässigerweise zwischen dem ersten Schritt und dem zweiten Schritt eine Karenzzeit eingeschoben. Die zuvor genannten Hilfsgrössen sind wie folgt definiert: S1 = a*A + c S2 = b*A + c N2 = N/d, wobei die Grössen a, b, c und d Konstanten sind, die durch Erfahrungswerte bzw. durch die Art des interessierenden Signals bestimmt sind. Die Bewertungsgrösse S ist wie folgt definiert: EMI5.1 <tb> s <SEP> = <SEP> # <SEP> <SEP> S2 <SEP> für <SEP> (N2 <SEP> - <SEP> dN) <SEP> < <SEP> N1 <SEP> < <SEP> (N2 <SEP> + <SEP> dN) <tb> <SEP> S1 <SEP> S1 <SEP> in <SEP> allen <SEP> anderen <SEP> Fällen <tb> Die erste Operation ist wie folgt definiert: 01 = EMI5.2 SIGN ( E - S). Die zweite Operation ist wie folgt definiert: EMI5.3 <tb> 02 <SEP> + <SEP> 1 <SEP> für <SEP> IEl <SEP> - < <SEP> S <tb> 02 <SEP> t <SEP> <SEP> O <SEP> <SEP> in <SEP> allen <SEP> anderen <SEP> Fällen <tb> Die erfindungsgemässen Verarbeitungs- und Bewertungsvorgänge können mittels digitaler Schaltkreise durchgeführt werden, sind jedoch zweckmässigerweise mittels eines Mikroprozesscrs und entsprechender Programme dafür durchzuführen. Figur 2 zeigt, wie bereits erlautert, ein Ablaufdiagramm für eine Wortgrenzendetektion. In diesem Ablaufdiagramm sind die genannten Schritte, nämlich der erste Schritt, der zweite Schritt und der dritte Schritt nochmals ver deutlichend dargestellt. Figur 8 zeigt, wie bereits eingangs erläutert, eine Dia grasidarstellung für eine gesamte Wortgrenzenerkennung des gesprochenen Wortes "Stop", wobei in dem oberen Dia grainteil ein Schwingungsverlauf des betreffenden Zeitsignals iit zugeordneten oberen und unteren Schwellwer ten, dem mittleren Teil des Diagramms ein erzeugtes digitales Anzeigesignal für den Zustand "interessierendes Wort liegt vorn und in dem unteren Teil der Diagrammdarstellung der Vorgang der Wortbeginn- und Wortende-Erkennung gezeigt ist. Das erfindungsgeiässe Verfahren bietet im Zusammenhang mit des Erkennen der Grenzen von gesprochenen Wörtern folgende Vorteile: 1. Signale rist des Frequenzverhalten des Usweltgeräusches werden mit einer hohen Schwelle verglichen, können al so auch dana, wenn sie lauter werden, nur in seltenen Fällen zu einer fälschlichen "Wortbeginn"-Meldung fuhren. 2. Signale mit anderem Frequenzverhalten werden mit einer niedrigen Schwelle verglichen, das heisst, sie können auch bei kleiner Amplitude erkannt werden. 3. Bei Signalen, deren überwiegender Anteil unter der je weiligen Schwelle liegt, kann das Integral über die "geelipptenW Werte einen bestimmten vorgegebenen-Be trag nicht erreichen. Dadurch werden Störungen wie etwa das Geräusch einer schlagenden Tür, Fabrikma schinenlärm usw. oder schwacher Signale, wie Sprache oder Musik, aus weiterer Entfernung unterdrückt. 4. Durch das integrierende Verfahren werden auch Sprach signale mit schwachen Anfangsfrikativen korrekt detek tiert. In den meisten Fällen wird das Umweltgeräusch dominierende Frequenzanteile im Bereich der Vokal-Formanten aufweisen. Diese Formanten haben jedoch meist relativ grosse Amplituden, so dass sie auch bei einer hohen Schwelle detektiert werden können. Die durch die Vorverarbeitung (Bandpassfilterung) stark bedämpften stimmlosen Laute mit einem grossen Anteil hoher Frequenzen unterscheiden sich dagegen meist nur durch ihre Nulldurchgangsrate von der Umgebung. Dies wird durch die Wahl der niedrigen Schwelle berücksichtigt. Das erfindungsgemässe Verfahren ist selbstverständlich nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. So kann es beispielsweise auch für Überwachungs- zwecke zum Auffinden bestimmter typischer Signalverläufe innerhalb eines Signalgemisches, beispielsweise für Funk überwachungszwecke, verwendet werden. 13 Patentansprüche 8 Figuren

Claims: Patentanspruche 1. Verfahren zur Erfassung der Grenzen von Signalen, die vor einem Sintergrundsignalgemisch auftreten, insbesondere von Signaigrenzen für die Sprachverarbeitung von vor einem Hintergrundgeräusch gesprochenen Wörtern, wobei als Unterscheidungskriterium zwischen einem interessierenden Signal und dem Hintergrundsignal oder Hintergrund signalgemisch deren Amplitudenverhalten herangezogen wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t - dass in eines ersten Schritt ein aufgenommenes und an schliessend vorverarbeitetes Signal oder Signalgemisch, nämlich eine Eingangsgrösse (E), hinsichtlich seiner mittleren Amplitude (A) und seiner auf eine Referenz grosse (Rr bezogenen ersten Durchgangshäufigkeit ( & und deren Schwankungsbreite (dµ) innerhalb eines vorgege benen Zeitinvervalls beobachtet wird, wobei die Durch gangshauffgkeit (N) aus Einzeldurchgangshäufigkeiten gemittelt wird und wobei die Schwankungsbreite durch die maximale Abweichung der Einzeldurchgangshäufigkei ten bestimmt ist, - dass aus den betreffenden gewonnenen Grössen Hilfsgrössen (S1, S2, µ2) abgeleitet werden, - dass in eines zweiten Schritt innerhalb eines für eine ausreichende Auflösung benötigten Zeitrasters die aktuelle Durchgangshäufigkeit (N1) bezogen auf eine Referenzgrösse (R) bestimmt wird, - dass in Abhängigkeit von der beobachteten abgeleiteten Durchgangshäufigkeit (N2) mit ihrer Schwankungsbreite (dN) und der aktuellen Durchgangshäufigkeit (N1) eine der zuvor abgeleiteten Hilfsgrössen (S1 oder S2) einer Bewertungsgrösse (S) zugeordnet wird, - dass anhand dieser Bewertungsgrösse (S) die aktuelle Ein gangsgrösse (E) gemessen wird, - dass eine von der Lage der Eingangsgrösse (E) relativ zu der Bewertungsgrösse (S) abhängige Operation (01) durch geführt wird, - dass aufgrund der Art des interessierenden Signals zwei Grenzwerte (UG, OG1) festgelegt werden, - dass das Ergebnis der Operation (01) durch den ersten Grenzwert (UG) nach unten begrenzt wird, - dass bei Erreichen des zweiten, oberen Grenzwertes (OG1) das Vorhandensein eines interessierenden Signals er kannt wird, - dass der exakte Signal beginn (SB) um einen definierten Zeitabschnitt vor dem betreffenden Erkennungszeitpunkt (ZE7) liegt, - dass in einem dritten Schritt durch eine weitere Operation (02) die Lage der EingangsgröBe (E) relativ zu der Bewertungsgrösse (S) in der Art ausgewertet wird, dass bei Erreichen eines zweiten, aufgrund der Art des interessierenden Signals zuvor festgelegten Grenzwertes (OG2) das Nichtvorhandensein des im zweiten Schritt er fassten interessierenden Signals festgestellt wird und - dass das exakte Signalende (SE) um einen definierten Zeitabschnitt vor dem betreffenden Erkennungszeitpunkt (ZE2) liegt. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r-c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Operation (01) ein Integrationsvorgang ist. 3. Verfahren nach Anspruch 2, da du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der exakte Signalbeginn (SB) durch die zeitliche Position des letzten Wertes des Integrationsergebnisses gleich dem unteren Grenzwert (UG) vor dem betreffenden Erkennungszeitpunkt (ZE1) festgelegt ist. 4. Verfahren nach Anspruch t, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Vorverarbeitung eine Verstärkung und eine Bandpassfilterung und eine Betrags bildung beinhaltet. 5. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Vorverarbeitung eine A/D-Wandlung beinhaltet. 6. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der erste Schritt wiederholt wird, falls die Eingangsadresse (E) eine dem Hinter grundsignalgemisch angepasste Schwelle überschreitet. 7. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen dem ersten Schritt und des zweiten Schritt eine Karenzzeit eingeschoben wird. 8. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Hiifsgrössen wie folgt definiert sind: Sl = a*A + c S2 = b*A t c 12 = N/d, wobei die Grössen a, b, c, d Konstanten sind, die durch Erfahrungswerte bzw. durch die Art des interessierenden Signals bestisst sind. 9. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Bewertungsgrösse wie folgt definiert ist: EMI11.1 <tb> S <SEP> = <SEP> # <SEP> S2 <SEP> für <SEP> (N2-dN) <SEP> < <SEP> N1 <SEP> < <SEP> (N2+dN) <tb> <SEP> Sl <SEP> in <SEP> allen <SEP> anderen <SEP> Fällen. <tb> 10. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k -e n n z e i c h n e t , dass die erste Operation wie folgt definiert ist: 01 = EMI11.2 SIGN ((E(-S). 11. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die zweite Operation wie folgt definiert ist: EMI11.3 <tb> <SEP> 02 <SEP> = <SEP> 02+1 <SEP> für <SEP> IEI <SEP> < <SEP> S <SEP> <tb> <SEP> O <SEP> in <SEP> allen <SEP> anderen <SEP> Fällen <tb> bzw.OG2 <SEP> in <SEP> allen <SEP> anderen <SEP> Fällen <tb> <SEP> t02-1 <SEP> für <SEP> |E| <SEP> bei < s, <SEP> <tb> 12. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verarbeitungs- und Bewertungsvorgänge mittels digitaler Schaltkreise durchgeführt werden. 13. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verarbeitungs- und Bewertungsvorgänge mittels eines Mikroprozessors durchgeführt werden.

Inventors: KAMMERER, BERHARD, DIPL.-ING., MULLER, ULRICH, DIPL.-ING., Kämmerer, Berhard, Dipl.-Ing., Müller, Ulrich, Dipl.-Ing.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT BERLIN UND MUNCHEN
Application year: 1985
Main classification: G10L3
IPC codes: G10L11