System approach to robust acoustic echo cancellation through semi-blind source separation based on independent component analysis

We live in a dynamic world full of noises and interferences. The conventional acoustic echo cancellation (AEC) framework based on the least mean square (LMS) algorithm by itself lacks the ability to handle many secondary signals that interfere with the adaptive filtering process, e.g., local speech and background noise. In this dissertation, we build a foundation for what we refer to as the system approach to signal enhancement as we focus on the AEC problem. We first propose the residual echo enhancement (REE) technique that utilizes the error recovery nonlinearity (ERN) to "enhances" the filter estimation error prior to the filter adaptation. The single-channel AEC problem can be viewed as a special case of semi-blind source separation (SBSS) where one of the source signals is partially known, i.e., the far-end microphone signal that generates the near-end acoustic echo. SBSS optimized via independent component analysis (ICA) leads to the system combination of the LMS algorithm with the ERN that allows for continuous and stable adaptation even during double talk. Second, we extend the system perspective to the decorrelation problem for AEC, where we show that the REE procedure can be applied effectively in a multi-channel AEC (MCAEC) setting to indirectly assist the recovery of lost AEC performance due to inter-channel correlation, known generally as the "non-uniqueness" problem. We develop a novel, computationally efficient technique of frequency-domain resampling (FDR) that effectively alleviates the non-uniqueness problem directly while introducing minimal distortion to signal quality and statistics. We also apply the system approach to the multi-delay filter (MDF) that suffers from the inter-block correlation problem. Finally, we generalize the MCAEC problem in the SBSS framework and discuss many issues related to the implementation of an SBSS system. We propose a constrained batch-online implementation of SBSS that stabilizes the convergence behavior even in the worst case scenario of a single far-end talker along with the non-uniqueness condition on the far-end mixing system. The proposed techniques are developed from a pragmatic standpoint, motivated by real-world problems in acoustic and audio signal processing. Generalization of the orthogonality principle to the system level of an AEC problem allows us to relate AEC to source separation that seeks to maximize the independence, hence implicitly the orthogonality, not only between the error signal and the far-end signal, but rather, among all signals involved. The system approach, for which the REE paradigm is just one realization, enables the encompassing of many traditional signal enhancement techniques in analytically consistent yet practically effective manner for solving the enhancement problem in a very noisy and disruptive acoustic mixing environment.PhDCommittee Chair: Biing-Hwang Juang; Committee Member: Brani Vidakovic; Committee Member: David V. Anderson; Committee Member: Jeff S. Shamma; Committee Member: Xiaoli M

Phase-aware single-channel speech enhancement with modulation-domain Kalman filtering

We present a speech enhancement algorithm that performs modulation-domain Kalman filtering to track the speech phase using circular statistics, along with the log-spectra of speech and noise. In the proposed algorithm, the speech phase posterior is used to create an enhanced speech phase spectrum for the signal reconstruction of speech. The Kalman filter prediction step separately models the temporal inter-frame correlation of the speech and noise spectral log-amplitudes and of the speech phase, while the Kalman filter update step models their nonlinear relations under the assumption that speech and noise add in the complex short-time Fourier transform domain. The phase-sensitive enhancement algorithm is evaluated with speech quality and intelligibility metrics, using a variety of noise types over a range of SNRs. Instrumental measures predict that tracking the speech log-spectrum and phase with modulation-domain Kalman filtering leads to consistent improvements in speech quality, over both conventional enhancement algorithms and other algorithms that perform modulation-domain Kalman filtering

Single- and multi-microphone speech dereverberation using spectral enhancement

In speech communication systems, such as voice-controlled systems, hands-free mobile telephones, and hearing aids, the received microphone signals are degraded by room reverberation, background noise, and other interferences. This signal degradation may lead to total unintelligibility of the speech and decreases the performance of automatic speech recognition systems. In the context of this work reverberation is the process of multi-path propagation of an acoustic sound from its source to one or more microphones. The received microphone signal generally consists of a direct sound, reflections that arrive shortly after the direct sound (commonly called early reverberation), and reflections that arrive after the early reverberation (commonly called late reverberation). Reverberant speech can be described as sounding distant with noticeable echo and colouration. These detrimental perceptual effects are primarily caused by late reverberation, and generally increase with increasing distance between the source and microphone. Conversely, early reverberations tend to improve the intelligibility of speech. In combination with the direct sound it is sometimes referred to as the early speech component. Reduction of the detrimental effects of reflections is evidently of considerable practical importance, and is the focus of this dissertation. More specifically the dissertation deals with dereverberation techniques, i.e., signal processing techniques to reduce the detrimental effects of reflections. In the dissertation, novel single- and multimicrophone speech dereverberation algorithms are developed that aim at the suppression of late reverberation, i.e., at estimation of the early speech component. This is done via so-called spectral enhancement techniques that require a specific measure of the late reverberant signal. This measure, called spectral variance, can be estimated directly from the received (possibly noisy) reverberant signal(s) using a statistical reverberation model and a limited amount of a priori knowledge about the acoustic channel(s) between the source and the microphone(s). In our work an existing single-channel statistical reverberation model serves as a starting point. The model is characterized by one parameter that depends on the acoustic characteristics of the environment. We show that the spectral variance estimator that is based on this model, can only be used when the source-microphone distance is larger than the so-called critical distance. This is, crudely speaking, the distance where the direct sound power is equal to the total reflective power. A generalization of the statistical reverberation model in which the direct sound is incorporated is developed. This model requires one additional parameter that is related to the ratio between the direct sound energy and the sound energy of all reflections. The generalized model is used to derive a novel spectral variance estimator. When the novel estimator is used for dereverberation rather than the existing estimator, and the source-microphone distance is smaller than the critical distance, the dereverberation performance is significantly increased. Single-microphone systems only exploit the temporal and spectral diversity of the received signal. Reverberation, of course, also induces spatial diversity. To additionally exploit this diversity, multiple microphones must be used, and their outputs must be combined by a suitable spatial processor such as the so-called delay and sum beamformer. It is not a priori evident whether spectral enhancement is best done before or after the spatial processor. For this reason we investigate both possibilities, as well as a merge of the spatial processor and the spectral enhancement technique. An advantage of the latter option is that the spectral variance estimator can be further improved. Our experiments show that the use of multiple microphones affords a significant improvement of the perceptual speech quality. The applicability of the theory developed in this dissertation is demonstrated using a hands-free communication system. Since hands-free systems are often used in a noisy and reverberant environment, the received microphone signal does not only contain the desired signal but also interferences such as room reverberation that is caused by the desired source, background noise, and a far-end echo signal that results from a sound that is produced by the loudspeaker. Usually an acoustic echo canceller is used to cancel the far-end echo. Additionally a post-processor is used to suppress background noise and residual echo, i.e., echo which could not be cancelled by the echo canceller. In this work a novel structure and post-processor for an acoustic echo canceller are developed. The post-processor suppresses late reverberation caused by the desired source, residual echo, and background noise. The late reverberation and late residual echo are estimated using the generalized statistical reverberation model. Experimental results convincingly demonstrate the benefits of the proposed system for suppressing late reverberation, residual echo and background noise. The proposed structure and post-processor have a low computational complexity, a highly modular structure, can be seamlessly integrated into existing hands-free communication systems, and affords a significant increase of the listening comfort and speech intelligibility

Speech enhancement algorithms for audiological applications

Texto en inglés y resumen en inglés y españolPremio Extraordinario de Doctorado de la UAH en el año académico 2013-2014La mejora de la calidad de la voz es un problema que, aunque ha sido abordado durante muchos años, aún sigue abierto. El creciente auge de aplicaciones tales como los sistemas manos libres o de reconocimiento de voz automático y las cada vez mayores exigencias de las personas con pérdidas auditivas han dado un impulso definitivo a este área de investigación. Esta tesis doctoral se centra en la mejora de la calidad de la voz en aplicaciones audiológicas. La mayoría del trabajo de investigación desarrollado en esta tesis está dirigido a la mejora de la inteligibilidad de la voz en audífonos digitales, teniendo en cuenta las limitaciones de este tipo de dispositivos. La combinación de técnicas de separación de fuentes y filtrado espacial con técnicas de aprendizaje automático y computación evolutiva ha originado novedosos e interesantes algoritmos que son incluidos en esta tesis. La tesis esta dividida en dos grandes bloques. El primer bloque contiene un estudio preliminar del problema y una exhaustiva revisión del estudio del arte sobre algoritmos de mejora de la calidad de la voz, que sirve para definir los objetivos de esta tesis. El segundo bloque contiene la descripción del trabajo de investigación realizado para cumplir los objetivos de la tesis, así como los experimentos y resultados obtenidos. En primer lugar, el problema de mejora de la calidad de la voz es descrito formalmente en el dominio tiempo-frecuencia. Los principales requerimientos y restricciones de los audífonos digitales son definidas. Tras describir el problema, una amplia revisión del estudio del arte ha sido elaborada. La revisión incluye algoritmos de mejora de la calidad de la voz mono-canal y multi-canal, considerando técnicas de reducción de ruido y técnicas de separación de fuentes. Además, la aplicación de estos algoritmos en audífonos digitales es evaluada. El primer problema abordado en la tesis es la separación de fuentes sonoras en mezclas infra-determinadas en el dominio tiempo-frecuencia, sin considerar ningún tipo de restricción computacional. El rendimiento del famoso algoritmo DUET, que consigue separar fuentes de voz con solo dos mezclas, ha sido evaluado en diversos escenarios, incluyendo mezclas lineales y binaurales no reverberantes, mezclas reverberantes, y mezclas de voz con otro tipo de fuentes tales como ruido y música. El estudio revela la falta de robustez del algoritmo DUET, cuyo rendimiento se ve seriamente disminuido en mezclas reverberantes, mezclas binaurales, y mezclas de voz con música y ruido. Con el objetivo de mejorar el rendimiento en estos casos, se presenta un novedoso algoritmo de separación de fuentes que combina la técnica de clustering mean shift con la base del algoritmo DUET. La etapa de clustering del algoritmo DUET, que esta basada en un histograma ponderado, es reemplazada por una modificación del algoritmo mean shift, introduciendo el uso de un kernel Gaussiano ponderado. El análisis de los resultados obtenidos muestran una clara mejora obtenida por el algoritmo propuesto en relación con el algoritmo DUET original y una modificación que usa k-means. Además, el algoritmo propuesto ha sido extendido para usar un array de micrófonos de cualquier tamaño y geometría. A continuación se ha abordado el problema de la enumeración de fuentes de voz, que esta relacionado con el problema de separación de fuentes. Se ha propuesto un novedoso algoritmo basado en un criterio de teoría de la información y en la estimación de los retardos relativos causados por las fuentes entre un par de micrófonos. El algoritmo ha obtenido excelente resultados y muestra robustez en la enumeración de mezclas no reverberantes de hasta 5 fuentes de voz. Además se demuestra la potencia del algoritmo para la enumeración de fuentes en mezclas reverberantes. El resto de la tesis esta centrada en audífonos digitales. El primer problema tratado es el de la mejora de la inteligibilidad de la voz en audífonos monoaurales. En primer lugar, se realiza un estudio de los recursos computacionales disponibles en audífonos digitales de ultima generación. Los resultados de este estudio se han utilizado para limitar el coste computacional de los algoritmos de mejora de la calidad de la voz para audífonos propuestos en esta tesis. Para resolver este primer problema se propone un algoritmo mono-canal de mejora de la calidad de la voz de bajo coste computacional. El objetivo es la estimación de una mascara tiempo-frecuencia continua para obtener el mayor parámetro PESQ de salida. El algoritmo combina una versión generalizada del estimador de mínimos cuadrados con un algoritmo de selección de características a medida, utilizando un novedoso conjunto de características. El algoritmo ha obtenido resultados excelentes incluso con baja relación señal a ruido. El siguiente problema abordado es el diseño de algoritmos de mejora de la calidad de la voz para audífonos binaurales comunicados de forma inalámbrica. Estos sistemas tienen un problema adicional, y es que la conexión inalámbrica aumenta el consumo de potencia. El objetivo en esta tesis es diseñar algoritmos de mejora de la calidad de la voz de bajo coste computacional que incrementen la eficiencia energética en audífonos binaurales comunicados de forma inalámbrica. Se han propuesto dos soluciones. La primera es un algoritmo de extremado bajo coste computacional que maximiza el parámetro WDO y esta basado en la estimación de una mascara binaria mediante un discriminante cuadrático que utiliza los valores ILD e ITD de cada punto tiempo-frecuencia para clasificarlo entre voz o ruido. El segundo algoritmo propuesto, también de bajo coste, utiliza además la información de puntos tiempo-frecuencia vecinos para estimar la IBM mediante una versión generalizada del LS-LDA. Además, se propone utilizar un MSE ponderado para estimar la IBM y maximizar el parámetro WDO al mismo tiempo. En ambos algoritmos se propone un esquema de transmisión eficiente energéticamente, que se basa en cuantificar los valores de amplitud y fase de cada banda de frecuencia con un numero distinto de bits. La distribución de bits entre frecuencias se optimiza mediante técnicas de computación evolutivas. El ultimo trabajo incluido en esta tesis trata del diseño de filtros espaciales para audífonos personalizados a una persona determinada. Los coeficientes del filtro pueden adaptarse a una persona siempre que se conozca su HRTF. Desafortunadamente, esta información no esta disponible cuando un paciente visita el audiólogo, lo que causa perdidas de ganancia y distorsiones. Con este problema en mente, se han propuesto tres métodos para diseñar filtros espaciales que maximicen la ganancia y minimicen las distorsiones medias para un conjunto de HRTFs de diseño

The Role of Kalman Gain and Noise Covariance Selection on the Convergence in State Estimation

This is the author accepted manuscript. The final version is available from IEEE via the DOI in this recordIn state estimation problems, the Kalman filter (KF) algorithm considers the noise in the measurements and the systems facilitating convergence to the true state. This paper presents the Bayesian derivation of the discrete-time KF algorithm for a simple example known as the random walk model. However, if the KF coefficients are not well-tuned, it can significantly impact the estimation accuracy and may lead to algorithmic inconsistency. The Kalman gain is a quantitative measure which plays a crucial role in achieving the optimum convergence and stability. In this study, we evaluate the importance of the Kalman gain in the KF algorithm across several choices of the error covariance within the context of the random walk model. Furthermore, we demonstrate that the optimal Kalman gain is determined by minimizing the mean squared error (MSE), producing an unbiased and efficient estimate. This adaptive adjustment enables the KF to tune parameters easily. The theoretical and numerical investigations were carried out using the random walk plus noise model

Speech enhancement algorithms for audiological applications

Texto en inglés y resumen en inglés y españolPremio Extraordinario de Doctorado de la UAH en el año académico 2013-2014La mejora de la calidad de la voz es un problema que, aunque ha sido abordado durante muchos años, aún sigue abierto. El creciente auge de aplicaciones tales como los sistemas manos libres o de reconocimiento de voz automático y las cada vez mayores exigencias de las personas con pérdidas auditivas han dado un impulso definitivo a este área de investigación. Esta tesis doctoral se centra en la mejora de la calidad de la voz en aplicaciones audiológicas. La mayoría del trabajo de investigación desarrollado en esta tesis está dirigido a la mejora de la inteligibilidad de la voz en audífonos digitales, teniendo en cuenta las limitaciones de este tipo de dispositivos. La combinación de técnicas de separación de fuentes y filtrado espacial con técnicas de aprendizaje automático y computación evolutiva ha originado novedosos e interesantes algoritmos que son incluidos en esta tesis. La tesis esta dividida en dos grandes bloques. El primer bloque contiene un estudio preliminar del problema y una exhaustiva revisión del estudio del arte sobre algoritmos de mejora de la calidad de la voz, que sirve para definir los objetivos de esta tesis. El segundo bloque contiene la descripción del trabajo de investigación realizado para cumplir los objetivos de la tesis, así como los experimentos y resultados obtenidos. En primer lugar, el problema de mejora de la calidad de la voz es descrito formalmente en el dominio tiempo-frecuencia. Los principales requerimientos y restricciones de los audífonos digitales son definidas. Tras describir el problema, una amplia revisión del estudio del arte ha sido elaborada. La revisión incluye algoritmos de mejora de la calidad de la voz mono-canal y multi-canal, considerando técnicas de reducción de ruido y técnicas de separación de fuentes. Además, la aplicación de estos algoritmos en audífonos digitales es evaluada. El primer problema abordado en la tesis es la separación de fuentes sonoras en mezclas infra-determinadas en el dominio tiempo-frecuencia, sin considerar ningún tipo de restricción computacional. El rendimiento del famoso algoritmo DUET, que consigue separar fuentes de voz con solo dos mezclas, ha sido evaluado en diversos escenarios, incluyendo mezclas lineales y binaurales no reverberantes, mezclas reverberantes, y mezclas de voz con otro tipo de fuentes tales como ruido y música. El estudio revela la falta de robustez del algoritmo DUET, cuyo rendimiento se ve seriamente disminuido en mezclas reverberantes, mezclas binaurales, y mezclas de voz con música y ruido. Con el objetivo de mejorar el rendimiento en estos casos, se presenta un novedoso algoritmo de separación de fuentes que combina la técnica de clustering mean shift con la base del algoritmo DUET. La etapa de clustering del algoritmo DUET, que esta basada en un histograma ponderado, es reemplazada por una modificación del algoritmo mean shift, introduciendo el uso de un kernel Gaussiano ponderado. El análisis de los resultados obtenidos muestran una clara mejora obtenida por el algoritmo propuesto en relación con el algoritmo DUET original y una modificación que usa k-means. Además, el algoritmo propuesto ha sido extendido para usar un array de micrófonos de cualquier tamaño y geometría. A continuación se ha abordado el problema de la enumeración de fuentes de voz, que esta relacionado con el problema de separación de fuentes. Se ha propuesto un novedoso algoritmo basado en un criterio de teoría de la información y en la estimación de los retardos relativos causados por las fuentes entre un par de micrófonos. El algoritmo ha obtenido excelente resultados y muestra robustez en la enumeración de mezclas no reverberantes de hasta 5 fuentes de voz. Además se demuestra la potencia del algoritmo para la enumeración de fuentes en mezclas reverberantes. El resto de la tesis esta centrada en audífonos digitales. El primer problema tratado es el de la mejora de la inteligibilidad de la voz en audífonos monoaurales. En primer lugar, se realiza un estudio de los recursos computacionales disponibles en audífonos digitales de ultima generación. Los resultados de este estudio se han utilizado para limitar el coste computacional de los algoritmos de mejora de la calidad de la voz para audífonos propuestos en esta tesis. Para resolver este primer problema se propone un algoritmo mono-canal de mejora de la calidad de la voz de bajo coste computacional. El objetivo es la estimación de una mascara tiempo-frecuencia continua para obtener el mayor parámetro PESQ de salida. El algoritmo combina una versión generalizada del estimador de mínimos cuadrados con un algoritmo de selección de características a medida, utilizando un novedoso conjunto de características. El algoritmo ha obtenido resultados excelentes incluso con baja relación señal a ruido. El siguiente problema abordado es el diseño de algoritmos de mejora de la calidad de la voz para audífonos binaurales comunicados de forma inalámbrica. Estos sistemas tienen un problema adicional, y es que la conexión inalámbrica aumenta el consumo de potencia. El objetivo en esta tesis es diseñar algoritmos de mejora de la calidad de la voz de bajo coste computacional que incrementen la eficiencia energética en audífonos binaurales comunicados de forma inalámbrica. Se han propuesto dos soluciones. La primera es un algoritmo de extremado bajo coste computacional que maximiza el parámetro WDO y esta basado en la estimación de una mascara binaria mediante un discriminante cuadrático que utiliza los valores ILD e ITD de cada punto tiempo-frecuencia para clasificarlo entre voz o ruido. El segundo algoritmo propuesto, también de bajo coste, utiliza además la información de puntos tiempo-frecuencia vecinos para estimar la IBM mediante una versión generalizada del LS-LDA. Además, se propone utilizar un MSE ponderado para estimar la IBM y maximizar el parámetro WDO al mismo tiempo. En ambos algoritmos se propone un esquema de transmisión eficiente energéticamente, que se basa en cuantificar los valores de amplitud y fase de cada banda de frecuencia con un numero distinto de bits. La distribución de bits entre frecuencias se optimiza mediante técnicas de computación evolutivas. El ultimo trabajo incluido en esta tesis trata del diseño de filtros espaciales para audífonos personalizados a una persona determinada. Los coeficientes del filtro pueden adaptarse a una persona siempre que se conozca su HRTF. Desafortunadamente, esta información no esta disponible cuando un paciente visita el audiólogo, lo que causa perdidas de ganancia y distorsiones. Con este problema en mente, se han propuesto tres métodos para diseñar filtros espaciales que maximicen la ganancia y minimicen las distorsiones medias para un conjunto de HRTFs de diseño