专利名称：用于fm信号接收机的处理器和处理方法
技术领域：
本发明涉及一种FM信号接收机和接收方法。
背景技术：
在FM广播中，解调的FM立体声信号包括:在30Hz到15kHz范围内作为基带音频传输的和信号(L+R，“主”声道)形式的单音频信号；19kHz的导频音；以及占用24kHz到53kHz范围的在38kHz子载波上调幅的立体声差信号(L-R，“子”声道)。将立体声音频信号表示为和信号以及差信号而不是左音频信号和右音频信号保证了与仅使用主声道的单声道接收机的兼容性。图1是将FM无线电广播转换为音频信号的FM调谐器的原理图。调谐器从给定的FM广播产生三种输出信号:和信号(“sum”)、差信号(“diff”)和对差信号中存在的噪声加以表示的信号(“diffnoise”)。diffnoise信号是具有与差信号中存在的噪声分量类似的信号统计量的信号。例如，可以从差信号diff中导出噪声信息。图2a是表不输入FM多路复用信号的功率谱密度(PSD)的原理图。输入信号包括基带和信号21 (0-15kHz之间)、19kHz导频音22和双边带抑制载波调制差信号23 (23-53kHz之间)。也存在倾向于随着增加的频率而增加的噪声信号24。差信号23是两次可有效利用的，一次在从23到38kHz的频率范围内，一次在从38到53kHz的频率范围内。因此，使用该知识来获得包括原始差信号和附加噪声分量的接收差信号，还可以导出噪声信号diffnoise的近似。
如图2b和2c所示，可以获得所述两个信号。首先以38kHz的调制频率向图2a的原始输入谱应用正交调制(利用复指数进行调制)。所述调制导致具有图2b所示谱的复数值信号。然后将该信号低通滤波到近似15kHz，得到图2c所示的信号(由带通函数27来指示带通滤波器)。所得到的复数值信号包括解调的接收信号diff和复调制信号diffnoise。通过得到该信号的实部和虚部，可以获得总的接收差信号(即，包括接收的噪声)和噪声信号 diffnoise。差信号是实值的，导致对称谱。(由于解调)噪声不具有对称谱。对称的总谱部分在信号的实数值部分中结束，而虽然噪声的一部分也将在实值部分中结束，但复值部分包含许多噪声。因此，能够估计信号加上噪声与差信号的噪声的比(SNNR)。假定差信号与正、负噪声分量之间为零相关，差信号的功率包括差信号的功率加上噪声估计的功率。返回参考图1，通过分别加上和减去和信号和差信号(可能使用缩放因子)，从和信号和差信号重构左和右音频信号。通常将该处理称作解矩阵(dematrixing)(图1中标注的“DM”)。当FM调谐器的接收质量恶化时，噪声导致FM信号恶化。然而，和信号和差信号受到不同影响。
当接收到的FM信号包含白噪声时，相应的解调噪声分量随着频率线性增大。由于主声道信号出现在低频区域(最大15kHz)，和信号中的信噪比(SNR)显著优于差信号中的信噪比。这意味着在噪声条件下，单声道信号(仅是和信号)比立体声信号包含更少的噪声(由于从和信号和差信号导出左和右信号)。以下手段利用了和信号比差信号受噪声的影响更小这一事实:根据FM接收质量或与差信号的期望SNR相关的其他度量(例如使用diffnoise信号的信号功率)从立体声信号切换到单声道信号。在EP0955732中，描述了一种用于去除差信号中噪声的方法,所述方法将差信号划分为子带信号，将所述子带信号分别与因子相乘来产生频率选择加权立体声差信号。可以将所述因子设置为RF信号的信号质量、和信号中的信号能量或差信号中的信号能量的函数。US7110549描述了进一步的扩展，所述扩展在加权因子的计算中考虑了感知遮蔽效果OUS2011/0235809公开了一种不同方法。用原始差信号与和信号的去相关版本的加权和来合成差信号(也针对每个子带)。加权因子取决于和信号和差信号之间的互相关，以及和信号和差信号的功率。在W02008/087577中，将和信号的一部分添加到合成的差信号。
发明内容
根据本发明，提供了一种如独立权利要求中限定的处理单元和方法。在一种方案中，本发明提供了用于处理多声道音频信号的处理单元，包括:延迟兀件,用于延迟表不第一和第二音频信号的和的FM和信号(sum)；
转换器装置，用于将对第一和第二音频信号之间的差加以表示的FM差信号(diff)转换到频域，并将对FM差信号中的噪声加以表示的噪声信号(diffnoise)转换到频域；基于频率的噪声抑制单元，用于基于增益函数来抑制差信号(diff)中的噪声，以便导出去噪声的频域差信号，其中增益函数至少基于频域噪声信号幅度，所述增益函数被限制到最大和最小值；逆变换单元，用于将去噪声的差信号或从所述去噪声的差信号导出的信号逆变换到时域；以及解矩阵单元，用于根据延迟的和信号以及时域差信号来计算第一和第二音频信号。本发明在差信号与和信号重新组合之前向所述差信号应用频域噪声抑制技术。将增强的(去噪声)差信号与和信号相混合，能够遮蔽当仅聆听差信号时可听到的多个问题(失真)。在优选示例中，提供了增益单元，用于向去噪声的频域差信号应用附加增益因子，以导出处理后的频域差信号，逆变换单元用于逆变换处理后的频域差信号。按照这种方式，将频域去噪声与自适应增益因子相组合，以保证输出信号中的噪声电平足够低。增益因子可以响应于噪声变化随时间缓慢地调整。传统频域噪声抑制算法计算增益函数，所述增益函数是原始信号的幅度谱和估计干扰的幅度谱的函数。在这种情况下，原始信号是差信号(diff)，而干扰是噪声信号(diffnoise)。可以通过如上概述的FM调谐器得到所述diffnoise信号，或者可以使用公知技术(例如噪底(noise floor)估计)来估计所述diffnoise信号。为了避免典型的频域噪声抑制失真，例如乐音噪声，限制噪声抑制量。可以以如下方式控制自适应增益因子:该方式使得由噪声抑制和自适应增益因子的组合产生噪声电平足够低的音频信号。优选地，处理单元包括用于控制增益单元的控制器。自适应增益因子可以基于残余噪声电平。变换器布置还可以用于将和信号转换到频域，然后，自适应增益因子可以基于残余噪声电平与频域和信号的结合。可以控制增益函数和自适应增益因子，使得第一和第二音频信号中的期望信噪比满足预定标准。该标准可以基于第一音频信号、第二音频信号或和信号中的期望峰值与处理后的差信号中的噪声电平之比。本发明还提供了包括FM调谐器和本发明的处理单元的接收机。本发明的另一方面提供了处理多声道音频信号的方法，包括:延迟对第一和第二音频信号的总和加以表不的FM和信号(sum)；将对第一和第二音频信号之间的差加以表示的FM差信号(diff)转换到频域，并将表示FM差信号中的噪声的噪声信号(diffnoise)转换到频域；使用基于频率的噪声抑制单元，基于增益函数来抑制频域差信号中的噪声，以导出去噪声的差信号，其中增益函数至少基于频域噪声信号幅度，增益函数被限制到最大和最小值； 将去噪声的频域差信号或从去噪声的频域差信号导出的信号逆变换到时域；并且根据延迟的和信号(sum2)和时域差信号计算第一和第二音频信号。
将参考附图详细描述本发明的示例，其中:图1示出了在FM信号接收期间获取的信号；图2示出了如何可以获取噪声估计；图3是示出了本发明方法的流程图；图4是本发明接收机的第一示例；以及图5是本发明接收机的第二示例。
具体实施例方式本发明提供了一种用于处理多声道音频信号的处理单元，在所述处理单元中向差信号应用基于频率的噪声抑制。可以将该去噪声与至少基于频域噪声信号幅度的自适应增益因子相结合。噪声抑制增益函数被限制到最大和最小值，以减小由噪声抑制引起的失真。图3示出了本发明的流程图，在所述流程图中由虚线表示可选的组件。该处理从三个时域信号:sum、diff和diffnoise (FM调谐器的输出，参见图1)开始。在步骤30中将diff和diffnoise信号变换到频域。在步骤31中根据信号幅度来计算增益函数，而在步骤32中将该增益函数限制到最大和最小值。在步骤33中将增益函数应用到频域差信号diff。该增益函数实现了频域中的有限噪声抑制函数。在步骤34中，基于残余噪声电平或残余噪声电平与频域和信号的结合计算附加(自适应)增益因子(单独的一个，或每频率一个)，在步骤35中，还将这些增益因子应用到了差信号。如果使用频域和信号，则存在38所示的从时域变换到频域的变换步骤。最后，在步骤36中将处理后的差信号逆变换到时域，并从已延迟的sum(39所示的延迟步骤)和处理后的diff信号计算立体声信号。这是步骤37所示的解矩阵操作。传统频域噪声抑制算法计算增益函数，所述增益函数是原始信号的幅度谱和(估计)干扰的幅度谱的函数。在当前上下文中，原始信号是立体声差信号(diff)，而干扰是diffnoise信号。或者可以从FM调谐器得到所述diffnoise信号，或者可以使用公知技术来估计所述diffnoise信号。众所周知的是，在利用传统基于频率的技术进行处理之后，增强信号(即，噪声抑制之后的去噪声信号)可能包含可听到的失真，例如乐音噪声。乐音噪声是由于谱减少而人为产生的效应，表现为类t in声音。可以通过后处理来去除乐音噪声，但这会给处理增加更大的复杂度。为了缓和这个问题，可以通过向去噪声增益函数应用最小和/或最大值将噪声抑制量限制到固定量。按照这种方式，在噪声抑制之后可能存在一些残余噪声，但减少了失真。在FM立体声信号的环境中，假定和信号比差信号更不嘈杂，则可以按照多种方式来增强音频信号:-向和信号应用噪声抑制；-向差信号应用噪声抑制；-通过特定因子衰减差信号，以便得到的左和右信号包含更少差信号，由此包含更少差信号中出现的噪声。前两种可能方案不会改变立体声声像(image),但是第三种会:通过衰减差信号，立体声声像将变窄(所述声像将更倾向于单声道)。在优选示例中，本发明使用传统基于频率的噪声抑制方法(利用增益限制)和自适应增益因子的结合来处理差信号，以便必要时进一步减小左和右音频通道中的噪声。基于频率的噪声抑制通常计算增益函数H1(Co)，其中ω表示应用到需要增强的信号的频率。所述增益函数典型地是输入信号的幅度谱和干扰的幅度谱的函数。作为示例，可以使用以下增益函数(更多细节参考Loizou, 2007,第5章，"Speech Enhancement ；Theory andPractice"第一版 RCR 出版社):
_。]剛十^，丨'⑴其中，Ν(ω) I和！Db) I分别是频率ω处的diffnoise和diff信号的大小，α是过减(over subtraction)因子。该增益函数具有为I或更小的增益(即，所述增益提供了衰减)，而且每个频率处的衰减电平是该频率处噪声电平的函数。可以将增益函数限制到特定最小值Hmin(O)和特定最大值Η_(ω)，以减小由于噪声抑制导致的可听到的失真:H2 (ω) = min {max (H1 (ω), Hmin (ω)}, Hmax (ω)} (2)如所示，所述最小和最大值是频率的函数。还可以(在时间上和频率上)进一步平滑所述增益函数，可以使用非对称平滑时间常数实现增益增大和减小以进一步减小失真。可以通过将增益应用到原始差信号来得到增强(即，去噪声)的差信号:Dl(CO)=H2(CO)D(CO)(3)将附加(频率相关)增益因子应用到所述去噪声的差信号: 2(ω) = γ(ω)Η2(ω) (ω)(4)其中，γ (ω)是关于频率的附加(自适应)增益因子。 当增益被限制为最小值Hmin ( ω )时，增强的差信号将具有残余噪声电平，可以将所述残余噪声电平估计为:Ν1(ω) = N ( ω ) (H2 ( ω )-H1 ( ω ))(5)可以应用多种不同的增益函数。开发这些函数以提供增强信号的良好估计，不同的类型取决于所采用的不同假定和简化方式。另一个通常使用的变体是MMSE(最小均方误差)增益函数，所述MMSE增益函数需要先验信噪比(SNR)，所述先验信噪比的估计方法导致不同的特定丽SE函数。通过向去噪 声增益函数应用最大和/或最小值，限制了增益函数的动态范围。按照这种方式，由于很多失真由增益函数的较大突发变化引起，可以在噪声抑制量和(可能可听到的)失真级别之间进行折中。将Hmax保持在一个单位，Hmin可以从O增大到一个单位，这对应于具有最大噪声抑制和最大可听到的失真风险(Hmin = O)的方案到具有无噪声抑制和无失真(Hmin= I)的方案。对于Hmax也是如此。因此,可以根据期望的结果来设置这些值。在图4中示出了第一实施例。系统具有三个输入，即sum信号、diff信号和diffnoise信号。延迟元件40延迟sum信号。标记为“T”和“T-1”的模块表示频率变换及其逆变换。这可以是FFT和逆FFT (包括加窗和交叠相加(overlap-add)技术)，也可以是变换的滤波器组类型，例如正交镜像滤波器组(QMF)或其他。噪声抑制模块41 (NS)计算增益函数并将所述增益函数应用到频域差信号D (ω)。模块41的输出Dl(Co)与增益因子Υ (ω)相乘得到D2( )，之后计算逆变换。可以将噪声抑制模块的输出看作是频域去噪声差信号Dl ( ω )。可以将自适应增益元件42之后的输出看作是处理后的频域差信号D2 (ω)。在逆变换之后，得到处理后的时域差信号“diff2”。在解矩阵模块“DM”中从延迟和信号sum2和逆变换单元的输出信号diff2得到左和右信号。控制模块44(Ctrl)控制增益因子Y (ω)，所述控制模块44对增益因子进行适配，以便差信号中例如利用Ν(ω)(等式(4))估计的期望的噪声电平符合特定标准。该标准可以基于原始差信号中的期望峰值和增强差信号(每频率区间)中的残余噪声电平之比，或者可以基于感知激发标准，例如，使用感知掩蔽阈值或部分响度的感知激发标准。在许多情况下将预定的峰到残余噪声电平设为较低值可能过于严格:相邻频率区域中的信号功率可能会掩蔽残余噪声。当使用预定信号掩蔽比作为标准时考虑到了这种掩蔽效应，所述信号掩蔽比是残余噪声和感知掩蔽阈值之间的比率(OdB比率对应于噪声不可听的极限)。在存在其他源(除广播以外还有例如环境噪音等)时，部分响度可以用于预测残余噪声的感知响度。增益因子的适配应当较慢(例如，IOOms到几秒的时间常数)，从而不会产生可听到的失真。图5示出了第二实施例。也将和信号sum变换到频域，并构成到控制模块44的附加输入。现在适配增益因子以便左和右音频声道中的期望信噪比符合特定标准，可以如第一实施例那样也对差信号应用标准或不像第一实施例那样对差信号应用标准。该标准可以基于左音频信号、右音频信号或和信号中的期望峰值与去噪声差信号的噪声电平(例如，基于Ν(ω)计算的)之比，或者可以基于感知激发标准，例如，使用感知掩蔽阈值或部分响度的感知激发标准。第二实施例提供了一种更好表现最终立体声信号的控制机制。实际上，使用基于左和右输出信号的标准，而不是仅使用输出差信号的标准。由于和信号掩蔽了失真或残余噪声，在解矩阵之后不必听到在输出差信号中可听到的失真或残余噪声。可以将本发明实现为处理FM立体声信号的软件模块。因此，本发明还涉及一种计算机软件，可以通过形成FM接收机一部分的处理器来运行该计算机软件。输入信号是和信号(“sum”)、差信号(“diff”)和与差信号中的噪声分量具有类似信号特性的噪声信号(“diffnoise”)。该模块需要以下组件:-频率变换。-增强差信号的频域噪声抑制模块。-衰减频域增强差信号的自适应增益单元。-去混合矩阵，从和信号和增强的差信号产生左和右音频信号。本发明可以是FM立体声调谐器的一部分。本发明可以实现为软件模块，以便当FM接收质量恶化时改进信号质量。本发明的优选实现方式将频域去噪声与应用到差信号的自适应增益因子相结合。然而，当仅向差信号应用频域去噪声时也能够获得优点，因此自适应增益因子的附加使用是优选的但不是必须的。在实现要求保护的发明时，本领域技术人员通过研读附图、说明书和所附的权利要求书可以理解并实 现公开的实施例的其他变体。在权利要求中，术语“包括”不排除其他元件或步骤，不定冠词不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中所述的多项的功能。在相互不同的从属权利要求中记载了特定措施这一事实本身并不表示不能有利地使用这些措施的组合。可以将计算机程序存储/分发在适当介质上，例如与其它硬件一起或作为其它硬件的一部分提供的光学存储介质或固态介质，但也可以利用其他方式分发，例如经由因特网或其他有线或无线电信系统。权利要求中的任意参考符号不应被认为限制保护范围。
权利要求
1.一种用于处理多声道音频信号的处理单元，包括: 延迟兀件(40),用于延迟对第一和第二音频信号的总和加以表不的FM和信号(sum)；转换器装置(T)，用于将对第一和第二音频信号之间的差加以表示的FM差信号(diff)转换到频域，并用于将对FM差信号中的噪声加以表示的噪声信号(diffnoise)转换到频域； 基于频率的噪声抑制单元(41)，用于基于增益函数抑制差信号(diff)中的噪声，以导出去噪声的频域差信号(Dl (ω))，其中所述增益函数至少基于频域噪声信号幅度，所述增益函数被限制到最大和最小值； 逆变换单元(Τ—1)，用于将去噪声的差信号Φ (ω))或从去噪声的差信号导出的信号Φ2(ω))逆变换到时域；以及 解矩阵单元(DM)，用于根据延迟的和信号(sum2)以及时域差信号(diff2)计算第一和第二音频信号。
2.根据权利要求1所述的处理单元，还包括增益单元(42)，用于向所述去噪声的频域差信号Φ (ω))应用附加增益因子，以导出处理后的频域差信号Φ2(ω))，其中逆变换单元(Γ1)用于逆变换所述处理后的频域差信号Φ2(ω))。
3.根据权利要求2所述的处理单元，包括用于控制增益单元的控制器(44)。
4.根据权利要求3所述的处理单元，其中附加增益因子基于残余噪声电平(Ν1(ω))。
5.根据权利要求3所述的处理单元，其中转换器装置(T)还用于将和信号(sum)转换到频域，其中附加增益因子基于残余 噪声电平与频域和信号的结合。
6.根据权利要求5所述的处理单元，其中控制增益函数和附加增益因子，以便第一和第二音频信号中的期望信噪比满足预定标准。
7.根据权利要求6所述的处理单元，其中所述标准基于第一音频信号、第二音频信号或和信号(sum)中的期望峰值与处理后的时域或频域差信号中的噪声电平(diff2; 2(ω))之比。
8.一种接收机，包括FM调谐器和根据任一前述权利要求所述的处理单元。
9.一种处理多声道音频信号的方法,包括: 延迟(39)对第一和第二音频信号的总和加以表不的FM和信号(sum)； 将对第一和第二音频信号之间的差加以表示的FM差信号(diff)转换(30)到频域，并将对FM差信号中的噪声加以表示的噪声信号(diffnoise)转换(30)到频域； 使用基于频率的噪声抑制单元，基于增益函数来抑制(33)频域差信号Φ(ω))中的噪声，以导出去噪声的差信号(Dl (ω))，其中增益函数至少基于频域噪声信号幅度，增益函数被限制到最大和最小值； 将去噪声的频域差信号(Dl (ω))或从所述去噪声的频域差信号导出的信号Φ2(ω))逆变换(36)到时域；以及 根据延迟的和信号(sum2)以及时域差信号(diff2)计算(37)第一和第二音频信号。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括向所述去噪声的频域差信号(Dl(ω))应用附加增益因子(35)，以导出处理后的频域差信号Φ2(ω))，其中将逆变换应用到所述处理后的频域差信号Φ2(ω))。
11.根据权利要求10所述的方法，其中附加增益因子基于残余噪声电平。
12.根据权利要求10所述的方法，包括将和信号转换(38)到频域， 并且附加增益因子基于残余噪声电平与频域和信号的结合。
13.根据权利要求12所述的方法，其中控制增益函数和附加增益因子，以便第一和第二音频信号中的期望信噪比满足预定标准。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述标准基于第一音频信号、第二音频信号或和信号中的期望峰值与处理后的时域或频域差信号中的噪声电平之比。
15.一种计算机程序，包括代码 装置，用于当在计算机上运行所述程序时实现根据权利要求9-14之一所述的方法。
全文摘要
一种用于处理多声道音频信号的处理单元具有延迟元件(40)，用于延迟FM和信号(sum)；以及变换器装置(T)，用于将FM差信号(diff)和噪声信号(diffnoise)变换到频域。基于频率的噪声抑制用于使用被限制到最大和最小值的增益函数来导出去噪声频域差信号。然后，将所述去噪声频域差信号转换到时域，并根据延迟的和信号(sum2)和去噪声时域差信号(diff2)来计算第一和第二音频信号。
文档编号H04B1/16GK103227652SQ201310012689
公开日2013年7月31日 申请日期2013年1月14日 优先权日2012年1月16日
发明者泰穆金·高塔马 申请人:Nxp股份有限公司