УСТРОЙСТВО ДЛЯ АДАПТИВНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ РЕЧИ В СИСТЕМАХ АУДИО-КОНФЕРЕНЦ-СВЯЗИ

Полезная модель относится к микроэлектронике и предназначена для подавления эффекта обратной акустической связи на терминальных устройствах систем аудио-конференц-связи.
В настоящее время для борьбы с обратной акустической связью в аналоговых системах аудио-конференц-связи производят периодическую подстройку чувствительности микрофонов и уровня мощности выходного сигнала усилителя динамиков таким образом, чтобы отраженный от поверхностей студии акустический сигнал с динамиков имел мощность ниже минимальной пороговой мощности приема микрофона. Недостатком данного метода является необходимость снижения громкости динамиков и чувствительности микрофонов, что выражается в дискомфортно низком уровне громкости динамика и/или необходимости более громко и близко говорить в микрофон при выступлении.
В качестве предлагаемого метода борьбы с обратной акустической связью, лишенного перечисленных недостатков, является применение средств цифровой обработки сигнала и адаптивной цифровой фильтрации.
Известно устройство подавления сосредоточенных акустических помех [патент RU91490 U1 (МПК Н04В 1/10) от 2009.09.21], 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.
Недостатком данного устройства является невозможность фильтрации помехи, уровень которой ниже полезного сигнала, а также потеря части полезного сигнала при фильтрации, так как подавление частотной составляющей сигнала происходит при превышении порогового уровня на входе полосового фильтра, при этом полезный сигнал подавляется вместе с шумом.
Известен адаптивный инвариантный эхокомпенсатор [патент RU148617 U1 (МПК Н04В 3/20) от 2014.07.23], содержащий физическую модель инвариантного эхокомпенсатора, состоящую из контура вычисления управляющих сигналов и двух контуров эхокомпенсации, причем контур вычисления управляющих сигналов состоит из первого блока памяти и первого делителя, вход первого блока памяти и первый вход первого делителя через первый ключ, формирующий временные отсчеты передаваемых сигналов, подключены к выходу передатчика, выход первого блока памяти подключен ко второму входу первого делителя, при этом первый контур эхокомпенсации образует последовательно включенные второй блок памяти, первый умножитель и первый вычитатель, первый вход которого соединен с входом второго блока памяти и выходом второго ключа, подключенному к входу дифференциальной системы, выход первого вычитателя соединен с первым входом сумматора второго контура эхокомпенсации, образованного последовательно включенными третьим блоком памяти, вторым умножителем, выход которого подключен ко второму входу сумматора, выход сумматора соединен с входом третьего блока памяти, при этом выход первого делителя подключен ко вторым входам первого и второго умножителей, отличающийся тем, что в схему инвариантного эхокомпенсатора введены дополнительные блоки, представляющие собой последовательно соединенные второй делитель, интегратор, третий делитель, третий умножитель и второй вычитатель, выход которого подключен к входу приемника, а первый вход - к входу третьего блока памяти и к первому входу второго делителя, причем вторые входы второго делителя и третьего умножителя подключены к входу первого блока памяти, а на второй вход третьего делителя подается нормирующий сигнал, по величине равный длительности интервала интегрирования интегратора.
Недостатком данного эхокомпенсатора является низкая эффективность подавления помехи в системах с общим каналом для нескольких передатчиков (такие как системы аудио-конференц-связи), так как данное устройство производит эхокомпенсацию только собственного канала передачи.
Известно устройство компенсации акустических эхо-сигналов в системах громкоговорящей связи [патент RU91437 U1 (МПК G01R 17/02) от 2009.10.22], содержащий гребенку входных полосовых фильтров основного канала, гребенку входных полосовых фильтров опорного канала, гребенку выходных полосовых фильтров основного канала, два блока децимации основного канала (понижение частоты в 8 раз и в 16, соответственно), два блока децимации опорного канала (понижение частоты в 8 раз и в 16, соответственно), два блока интерполяции основного канала (повышение частоты в 8 раз и в 16 раз, соответственно), адаптивные фильтры.
Недостатком данного устройства является большое количество электронных компонентов, требуемых для аппаратной реализации устройства, и как следствие, высокая итоговая стоимость устройства, так как используются 11 адаптивных фильтров, 11 блоков децимации и 11 блоков интерполяции.
Наиболее близким к заявляемому является устройство эхоподавления [патент РФ №2732362 С1, МПК H04L 3/20 Н04М 1/60 H04R 3/02, 15.05.2018], выбранное в качестве прототипа, содержащий блок хранения частотной маски, блок вычисления спектра, блок обнаружения одновременного разговора и блок эхоподавителя.
Недостатком известного устройства является высокие требования к вычислительной мощности сигнального процессора, связанные с дополнительными операциями алгоритма при обработке сигнала в частотной области, преобразования из частотной области во временную обучающего и исходного сигналов на блоке вычисления спектра, также происходит подавление части полезного сигнала совместно с помехой в связи с обработкой сигнала на блоке эхоподавителя в частотной области.
Задачей полезной модели является повышение качества сигнала в системах аудио-конференц-связи.
Технический результат - подавление обратной акустической связи в аналоговом речевом сигнале за счет адаптивной фильтрации в блоке цифровой фильтрации и блоке подстройки весовых коэффициентов, работающего по алгоритму наименьшего среднего квадрата.
Поставленная задача решается созданием специального устройства для адаптивной фильтрации речи в системах аудио-конференц-связи, предназначенного для снижения уровня помех и обратной акустической связи в аналоговом речевом сигнале и его нелинейного усиления согласно заданной характеристике.
Заявленное устройство для адаптивной фильтрации речи, поясняется с помощью:
фиг. 1 - внешний вид устройства;
фиг. 2 - электрическая принципиальная схема устройства;
фиг. 3 - блок-схема алгоритма работы устройства;
фиг. 4 - схема подключения устройства к оборудованию.
Как показано на фиг. 1, устройство выполнено в виде прибора, все электронные компоненты которого заключены в корпусе (1). Корпус (1) имеет форму параллелепипеда с размерами 86×74×32 мм. На верхней панели корпуса (1) находится кнопка с фиксацией для переключения режима работы устройства (2), индикатор питания устройства (3), индикатор режима работы устройства (4), индикатор перегрузки канала исходного сигнала (5), индикатор перегрузки канала образа помехи (6). На передней панели корпуса (1) находится разъем RJ45 (7) для подключения линии на микрофон и разъем RJ45 (8) для подключения линии на блок управления. На левой панели корпуса (1) расположено гнездо питания 2,1×5,5 мм (9). На задней панели корпуса (1) расположен разъем micro USB-B (10) для подключения программатора к памяти сигнального процессора для изменения его конфигурации.
Как показано на фиг. 2, в качестве электронно-вычислительного блока выступает цифровой сигнальный процессор (11). На входах аналогово-цифрового преобразователя сигнального процессора (11) установлены полосовые фильтры (12). На выходе цифро-аналогового преобразователя сигнального процессора (11) имеется активный фильтр (13). Для выбора режима работы используется кнопка с фиксацией (14). Для вывода информации о режиме работы устройства используется светодиод (15). Для индикации перегрузки каналов приема используются светодиоды (16, 17).
Как показано на фиг. 3, для обеспечения необходимых функций устройства согласно алгоритма, описанного на блок-схеме, написана программа для сигнального процессора.
Как показано на фиг. 4, к разъему RJ45 «микрофон» (7) устройства (23) подключается устройство ввода аналогового сигнала (24). К разъему RJ45 «блок управления» (8) подключается последующий усилитель и каналообразующее оборудование (25). Предлагаемое устройство (23) подключается к сопутствующему оборудованию (24, 25) согласно схеме, изображенной на фиг. 4. На контакты 1-2 разъема «микрофон» (7) поступает полезный сигнал совместно с помехой. На контакты 7-8 разъема «блок управления» (8) устройства поступает образ помехи, требующей подавления. Устройство производит операции с сигналами на входах (7, 8) согласно алгоритму, изображенному на фиг. 3. Результат работы устройства выводится в виде аналогового электрического сигнала на контакты 1-2 разъема «блок управления» (8).
Устройство для адаптивной фильтрации речи в системах аудио-конференц-связи работает следующим образом.
Устройство (1) подключается в разрыв линии между микрофоном и блоком управления согласно схеме фиг. 4. На контакты 1-2 разъема «микрофон» (7) поступает полезный сигнал совместно с помехой. На контакты 7-8 разъема «блок управления» (8) устройства (23) поступает образ помехи. Далее оба сигнала проходят блок фильтров, где отсекаются высокочастотные и низкочастотные помехи (17). Сигналы поступают на входы аналого-цифрового преобразователя (18) сигнального процессора, где они преобразуется в цифровые потоки. Далее происходит цифровая обработка сигналов на сигнальном процессоре (11), которая включает в себя следующие этапы:
1) цифровая фильтрация (19) с весовыми коэффициентами фильтра, подобранными в предшествующей итерации;
2) подстройка весовых коэффициентов цифрового фильтра (20) для следующей итерации методом стохастического градиентного спуска по алгоритму наименьшего среднего квадрата на величину нормированной по мощности и шагу фильтра (μ) свертки сигналов «обратная связь» (е(n) и «образ помехи» (Si(n).
3) нелинейное усиление обработанного исходного сигнала с помощью цифрового компрессора (21).
После обработки на сигнальном процессоре, цифровой поток преобразуется в аналоговый электрический сигнал на цифро-аналоговом преобразователе (22). Далее, сигнал сглаживается и усиливается на активном фильтре нижних частот (13). Выход активного фильтра подключен к контактам 1-2 разъема «блок управления» (8).
Существенными отличительными признаками заявленного устройства для подавления помех в аналоговых речевых каналах являются
устройство позволяет подавлять помеху, уровень мощности которой превышает полезный сигнал без потери составляющих полезного сигнала при фильтрации;
устройство позволяет подавлять помеху в системах с общим каналом на множество передатчиков вне зависимости от их количества;
конструкция устройства имеет относительно малое количество электронных компонентов;
устройство производит подавление помехи без изменения спектральных составляющих полезного сигнала за счет обработки сигнала во временной области;
устройство имеет низкие требования к производительности сигнального процессора за счет малого количества операций в алгоритме;
устройство выполнено в корпусе и является обособленным, не требует внесения каких-либо изменений в конструкцию блоков системы аудио-конференц-связи.
устройство имеет встроенный цифровой компрессор, позволяющий выровнять громкость речи выступающих;
устройство универсально, может применяться с любыми аналоговыми системами аудио-конференц-связи;
Заявленные существенные отличительные признаки являются нам неизвестными из патентной и научно-технической информации и в соответствии с этим являются «Новыми».
На заявленное устройство разработана электрическая принципиальная схема, написана программа для сигнального процессора и изготовлен опытный образец, который успешно прошел испытания на оборудовании аудио-конференц-связи в Приводинском ЛПУМГ ООО «Газпром трансгаз Ухта». В связи с этим заявленное нами устройство соответствует критерию «Промышленная применимость».
Заявленное устройство позволяет снизить уровень помех в аналоговых речевых каналах, используемых в системах аудио-конферен-связи и предназначено для улучшения качества речевого сигнала без модернизации и замены оборудования, что позволит достичь требуемого качества речевого сигнала с наименьшими затратами.