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Smart Adaptive Enhancer – Audio-Störsignalreduktion ohne Zielsignalverzerrung

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Ref.-Nr. 5229

Ein starker technologischer Trend insbesondere in der Robotik, in der Hausgerätesteuerung (Smart Home) und im Bereich der Personal Digital Assistants ist die Sprachsteuerung. Dieser Trend erzwingt bei den Herstellern eine ständige Steigerung der Erkennungsraten von automatischen Spracher­kennungssystemen. Es-sentiell ist dabei die Eliminierung von additiven Störsignalen. Herkömmliche Lösungen setzen auf ein Training des Erkennungssystems auf das Störgeräusch, was unflexibel ist. Weiterhin bekannt ist die Verwendung von Geräuschfiltern, die auf einer Gewichtung der spektralen Amplituden beruhen, was jedoch zur Verzerrung des Zielsignals führt. Die Verwendung eines Mikrofonarrays und eines Beamformers schließlich erfordert mehrere Mikrofone, der höhere Aufwand ist oft unverhältnismäßig und nicht im Einklang mit den Formfaktoren der Geräte.

Mehr Flexibilität und bessere Genauigkeiten versprechen adaptive Filter. Abhängig vom abgeschätzten Signal-zu-Störabstand (SNR) des Eingangssignals wird die Schrittweite der Adaption variieret. Die derzeit verfügbaren Filter führen dabei jedoch zu Verzerrungen des Zielsignals. Wünschenswert wäre eine Lösung, die die Eigenschaften der Störsignale in optimaler Weise ausnutzt.

Keywords: Spracherkennung, Rauschunterdrückung, Roboter, Konsumelektronik, industrielle Steuerung, Speech recognition, noise reduction, robotics, consumer electronics, industrial control

Kommerzielle Anwendung

Dieses Ziel haben Wissenschaftler der Ruhr-Universität Bochum jetzt erreicht. Nach dem bekannten Prinzip des „Adaptive Line Enhancers" (ALE) wird dieser Filter mit nur einem einzigen gestörten Eingangssignal betrieben. Da nicht nur die Amplitude, sondern auch die Phase der Störung berücksichtigt wird, ermöglicht das ALE-Prinzip eine verzerrungsfreie Reduktion der Störanteile. Der ALE wird als Normalized Least Mean Square (NLMS)-Algorithmus in einzelnen Frequenzteilbändern implementiert. Die Schrittweitensteuerung kann so in jedem Teilband an die vorliegenden Signalkomponenten angepasst werden.

Die Neuerung besteht in der Auswertung von wechselseitiger Information („Mutual Information", MI) zwischen dem Eingangssignal und einer verzögerten Version des Eingangssignals, und zwar sowohl im Amplituden- als auch im Phasenspektrum.

Vorteile

  • Optimale Nutzung der Spektraleigenschaften des Störsignals
  • Verzerrungsfreie Reduktion von Störanteilen
  • Robust
  • Flexibel

Aktueller Stand

Der Smart Adaptive Enhancer wurde beim Europäischen Patentamt zum Patent angemeldet. Wir informieren Sie gern über den Verfahrensstand. Die Funktionalität der Neuerung wurde in einem Software-Prototypen gezeigt. Auch liegen bereits erste vielversprechende Ergebnisse für Anwendungen in der Robotik vor. PROvendis bietet im Namen der Ruhr-Universität Bochum Lizenzen an der Patentanmeldung an.

Relevante Publikationen

J. Taghia, R. Martin “A Frequency-Domain Adaptive Line Enhancer With Step-Size Control Based on Mutual Information for Harmonic Noise Reduction”, IEEE/ACM Transactions on Audio, Speech, and Language Processing (Volume: 24, Issue: 6, June 2016).


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Rolf Klingelberger
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