СПОСОБ МНОГОКАНАЛЬНОГО АДАПТИВНОГО ПОДАВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ШУМОВ И СОСРЕДОТОЧЕННЫХ ПОМЕХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR MULTICHANNEL ADAPTIVE SUPPRESSION OF ACOUSTIC NOISE AND CONCENTRATED INTERFERENCE AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к устройствам, осуществляющим повышение эффективности функционирования систем передачи информации акустическими речевыми сигналами, работающих в условиях воздействия интенсивных акустических помех.
По авт.св. №91490 [1] известно устройство для подавления сосредоточенных помех, содержащее две параллельные гребенки полосовых фильтров, при этом выходы первой гребенки подключены к входам соответствующих перемножителей, к другим входам которых подсоединены выходы второй гребенки фильтров через формирователи порогового напряжения, выходы перемножителей соединяются со входами сумматора, с которого речевой сигнал подается на полосовой фильтр с выхода которого поступает в канал связи. Как недостаток данного устройства можно отметить, что устройством не осуществляется подавление шумовых акустических помех, которые также имеют место в телекоммуникационных системах громкоговорящей связи.
Целью изобретения является минимизация отрицательного влияния акустических помех на функционирование телекоммуникационных систем передачи информации акустическим речевым сигналом, таких систем как, например, систем громкоговорящей связи (ГГС).
Известно [2, 3], что телекоммуникационные системы ГГС функционируют, как правило, в условиях воздействия интенсивных 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.
Акустические шумовые помехи - это акустический шум, частотный спектр которого, как правило, рассредоточен в низкочастотной части звукового диапазона. 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.
c
ш
Поэтому целью изобретения является максимальное ослабление влияния акустических помех на потерю полезной информации, то есть получение максимального отношения P/P на выходе системы ГГС, работающей в условиях воздействия акустических помех. В отличии от полезной модели, описанной авт.св. №91490, с помощью устройства данного изобретения обеспечивается подавление как акустических сосредоточенных помех, так и акустических шумовых помех.
Известные алгоритмы подавления акустических помех в системах передачи информации акустическим сигналом имеют структуру, основанную на линейной фильтрации и включают в себя n-е количество полосовых фильтров высоких порядков, что требует значительных материальных ресурсов и вычислительных затрат.
1
1
Сущность изобретения заключается в том, что из аддитивных входных сигналов (речевые сигналы плюс акустические помехи) формируются кадры из N отсчетов, по которым вычисляются коэффициенты дискретного преобразования Фурье (ДПФ) на конечном интервале [4, 5], то есть вычисляются уровни составляющих на частотах l·f, где f - интервал разрешения по частоте при расчете спектральной функции с помощью ДПФ; l - номер составляющей.
Вычисленные уровни l-х составляющих перемножаются с сигналом управления с выхода порогового устройства. Результат умножения подается на многовходовый сумматор.
0
1
1
1
Сигнал управления l-го канала формируется по правилу: если модуль l-й спектральной составляющей не превышает некоторый порог (случай отсутствия помехи), то сигнал управления равен единице, спектральная составляющая после перемножения поступает на вход сумматора; если модуль l-й спектральной составляющей превышает порог k (случай наличия помехи на частоте l·f), то сигнал управления будет равен нулю. В этом случае сигналы управления выключают S(l·f), модуль которых имеет высокий уровень за счет наличия на частоте l·f спектральной составляющей акустической помехи. Таким образом, спектральные составляющие, содержащие акустические помехи, исключаются из суммы составляющих суммарной спектральной функции.
ф
2
На фиг.1 изображена структурная схема устройства подавления акустических помех. Устройство содержит полосовой фильтр (1), блок формирования кадров-сегментов (2), блок вычисления уровней спектральных составляющих (3), блок вычисления модуля спектральных составляющих (4), блок вычисления сигнала управления (5), блок перемножения спектральных составляющих с сигналом управления (6), блок формирования сигнала u(n) (7), блок вычисления дисперсии σ (8), блок вычисления порога по алгоритму  (9), сумматор (10), блок вычисления обратного ДПФ (11), фильтр нижних частот (12).
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
с
∂
Входной сигнал х(n), являющийся аддитивной суммой речевого сигнала и помехи, через полосовой фильтр 300-3400 Гц (1) подается на вход блока формирования кадров-сегментов (2), при этом при длительности сегмента τ=20 мс и частоте дискретизации F=10 кГц, число N составляет 200 отсчетов.
1
1
1
1
∂
В блоке (3) вычисляются уровни спектральных составляющих на частотах l·f по выражению , ω=2πf, где f=F/N - интервал дискретизации спектральной функции S(f) по частоте.
1
Значения номеров составляющих l при f=50 Гц для частот от 300 до 3400 Гц находится в пределах
н
где F - нижняя частота спектра речевого сигнала;
в
F - верхняя частота спектра речевого сигнала.
1
Если необходимо более высокое разрешение спектральной функции S(f) по частоте, то есть требуется уменьшить интервал дискретизации спектра f при фиксированном N, вводится новая последовательность L>N вида
1
∂
Таким образом, получаем к последовательности конечной длины из N отсчетов дополнение из L-N нулевых отсчетов, что позволяет достигать необходимого разрешения f=F/L при расчете спектральной плотности с помощью ДПФ по N отсчетам аналогового сигнала [5].
Далее в блоке (4) происходит вычисление модулей спектральных составляющих
,
где
,
.
1
l
0
Значение модуля Y подается на первый вход блока (5), в котором используется для вычисления сигнала управления y(k) по правилу
0
ф
Для вычисления порогового уровня k сигнал с выхода полосового фильтра (1) также подается на блок (7), в котором формируется сигнал u(n) по правилу
ф
С выхода блока (7) сигнал u(n) поступает на вход блока (8), в котором вычисляется значение дисперсии по формуле
,
в этом выражении учтено, что  для речевых сигналов [6].
0
С выхода (8) сигнал подается на вход блока (9), в котором вычисляется значение порогового уровня k=kσ. Значение порогового уровня подается на второй вход блока вычисления сигнала управления (5).
1
l
0
1
l
0
Сигнал с выхода блока вычисления уровня l-й спектральной составляющей (3) поступает на вход блока (6), в котором производится умножение данной спектральной составляющей S(l·f) на сигнал управления y(k), снятый с выхода блока (5). Таким образом, блоки (3), (4), (5) и (6) образуют l-й канал. Выходные сигналы каналов S(l·f)·y(k) поступают на сумматор (10), выражение суммарного сигнала на выходе сумматора имеет вид
,
соответственно, в этой сумме отсутствуют слагаемые l-х каналов, которые поражены акустическими помехами.
l
Суммарный сигнал S'(l·f) поступает на вход блока обратного ДПФ (11), с выхода блока (11) подается на ФНЧ (12) с верхней частой среза 3400 Гц, с выхода ФНЧ (12) получают отфильтрованный от помех речевой сигнал.
Таким образом, описанный способ реализации алгоритма обработки речевых сигналов позволяет повышать эффективность передачи информации в телекоммуникационных системах громкоговорящей связи, функционирующих в условиях воздействия акустических шумовых и сосредоточенных помех.
Источники информации
1. Патент РФ №91490 U1, МПК H04B 1/10. Опубл. 10.02.2010. Бюл. №32.
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. Рабинер Л.Р., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. - М.: Мир, 1975. - 835 с., ил.
5. Кропотов Ю.А. Исследование методов спектрального анализа речевых сигналов. / Ю.А.Кропотов., А.А.Быков, А.Ю.Проскуряков // Proceedings of 18th International Crimean Conference «Microwave & Telecommunication Technology». Sevastopol, Ukraine. 2008. - V.1. - P.308-309. ISBN 978-966-335-167-4.
6. Кропотов Ю.А. Статистические параметры сигналов при проектировании оперативно-командных телекоммуникационных систем // В мире научных открытий. - 2010. - N 6.1 (12). - С.39-43.