JP2000217187A - フィ―ドフォワ―ドの雑音打消しを採用している電話の受話器 - Google Patents

フィ―ドフォワ―ドの雑音打消しを採用している電話の受話器

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JP2000217187A
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ツェン デュンミン
Anthony Tsuunika Michael
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、雑音低減電話機の受話器に関し、特
に、フィードフォワード雑音打消し技術を使用する受話
器に関する。 【解決手段】 電話の受話器が能動的雑音低減（ＡＮ
Ｒ）システムを含んでいる。そのＡＮＲシステムは基準
マイクロホンとＩＩＲフィルタとを含む。ＩＩＲフィル
タは雑音基準信号に関して基準マイクロホンに対して受
信的に結合され、そして受話器のレシーバの変換要素に
対して送信的に結合されている。ＡＮＲシステムは固定
型のフィードフォワード雑音打消しシステムとして構成
されている。ＩＩＲフィルタは、部分的に、フィードバ
ック雑音打消しシステムの開ループ利得から導かれる伝
達関数を有していることが好ましい。本発明の特定の実
施形態においては、雑音基準マイクロホンはレシーバの
前面の近くの周囲雑音フィールドをサンプルするように
配置されているが、その前面の雑音フィールドを直接に
サンプルするわけではない。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、防騒音電話機の受
話器に関し、特にフィードフォワードの雑音打消し技術
を採用している受話器に関する。
【０００２】
【従来の技術、及び、発明が解決しようとする課題】セ
ルラー端末やコードレス電話器などの電話の受話器の騒
音の多い環境における利用は、ユーザの耳へ通される妨
害雑音によって制限される。そのような環境において遠
端到達音声の明瞭度を改善するために、従来の技術の受
話器は雑音信号レベルに比べて入って来る音の信号レベ
ルを上げるためにボリューム・コントロールなどの手段
を組み込んだ。
【０００３】もう１つの手段はユーザの耳の内部で、入
って来る音声の音圧に対して相対的に、周囲雑音の圧力
を能動的に打消す方法である。この能動的な雑音打消し
のための１つの方式が、たとえば、“Ｎｏｉｓｅ‐Ｃａ
ｎｃｅｌｌｉｎｇ Ｔｅｌｅｐｈｏｎｅ Ｈａｎｄｓｅ
ｔ（防騒音電話受話器）”と題する、Ｃ．Ｓ．バートレ
ット（Ｂａｒｔｌｅｔｔ）他に対して１９９６年２月１
３日付けで発行された米国特許第５，４９１，７４７号
の中で記述されており、この特許は本明細書と共に共通
に譲渡されている。
【０００４】能動的な雑音打消しの代表的な応用におい
ては、マイクロホンが周囲雑音の圧力をピックアップ
し、雑音打消し回路へ供給される信号を発生する。この
回路は受話器のレシーバに印加される雑音の反転された
信号を生成する。（この場合においては、「レシーバ」
は受信されたオーディオ信号をユーザの耳へ投射するた
めのラウドスピーカまたは他の電気‐音響変換器であ
る。）レシーバの音響出力は周囲雑音の圧力を差し引く
ように干渉し、したがって、ユーザの耳の中での雑音レ
ベルを減らす。
【０００５】能動的雑音打消し技術はネガティブ・フィ
ードバックまたはフィードフォワードの設計のいずれか
が可能であることはよく知られている。これらの方法の
両方が、たとえば、Ｐ．Ａ．ネルソン（Ｎｅｌｓｏｎ）
およびＳ．Ｊ．エリオット（Ｅｌｌｉｏｔ）の“Ａｃｔ
ｉｖｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｓｏｕｎｄ”（音声の
能動的制御）Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ、１９９２
の中で記述されている。フィードフォワード設計の実現
可能性は認められているが、ネガティブ・フィードバッ
クの設計が受話器の受話口などの電話装置の中で使うの
に一般的に好まれてきた。そのような好みは、部分的に
は、ネガティブ・フィードバックの設計がユーザ間の変
動に対して示す頑健性が高いことに起因している。ま
た、この好みは、部分的に、これらの設計をアナログの
回路の中に実装することが比較的容易であること、そし
てフィードフォワード設計の雑音打消しレベルが劣って
いるという一般的な認識にも起因している。従来の技術
のネガティブ・フィードバック・システムの一例が図１
に示されている。
【０００６】また、フィードフォワードの設計は、適応
回路を組み込むことによってのみユーザ間の変動に対し
て強くすることができることが一般に認識されてきてい
る。しかし、実際問題として、そのような手段は２つの
アナログ−ディジタル変換器（ＡＤＣ）（基準のマイク
ロホンおよびエラーのマイクロホンのそれぞれに対して
１つ）、および受話器のレシーバに対する雑音打消し信
号を発生するための１つのディジタル−アナログ変換器
（ＤＡＣ）を備えている、ディジタル信号プロセッサ
（ＤＳＰ）を必要とする。最近のディジタル・セルラー
端末は実際にＤＳＰを含んでいるが、必要な個数のＡＤ
Ｃは一般には存在していない。さらに、端末のＤＳＰの
計算能力はその端末によって要求される他の音声処理機
能によって、かなりの部分が取られている。したがっ
て、能動的な雑音打消し機能の実装に対する計算能力は
ごく僅かしか残されていない。能動的な雑音打消しのた
めに特に設計されたＤＳＰがいくつか市販されている
が、これらのデバイスでさえも、その計算能力はコスト
を商業的な実現可能性の限界内に保つためのプレッシャ
ーの結果として制限されている。
【０００７】その定評のある利点にもかかわらず、ネガ
ティブ・フィードバックの雑音打消し設計には、ある種
の欠点も同様にある。たとえば、潜在的な不安定性を回
避するために、フィードバックの利得を最適な値より低
いレベルに設定することが一般的に望ましく、それはあ
る程度の性能劣化につながる。
【０００８】この欠点および他の欠点はＤＳＰにおける
実装に適している計算効率の良いフィードフォワードの
雑音打消し設計によって克服することができる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明はそのような設計
を提供している。本発明の設計は効果的な雑音打消しを
実行することができ、そしてユーザ間の変動に対して強
い固定型のフィードフォワード設計である。本発明の設
計は固定型であり、適応型ではないので、そのＤＳＰは
ＤＳＰのソフトウェアに対して適応フィルタを追加する
負荷をかける必要がない。さらに、雑音基準マイクロホ
ンが必要であるが、エラー・マイクロホンを含める必要
はない。結果として、部品のコストおよび組み立てのコ
ストを適応型の設計に比較して減らすことができる。
【００１０】重要なこととして、発明者は人間の行動が
ユーザ間の変動を減らすための追求において自然の味方
であることを発見している。すなわち、固定型の（すな
わち、適応型でない）フィードフォワードの防騒音受話
器のユーザは、その受話器の受話口を、耳の中で雑音打
消し性能が最大になるような位置に本能的に置く傾向が
ある。人間の脳は知覚上の入力の信号対雑音比を最大に
するようにラジオのダイヤルをチューニングする傾向が
あることは普通に経験することである。発明者の発見
は、脳が固定型のフィードフォワード・システムを実現
可能にするだけでなく、非常に効果的で頑健であるよう
にするのに必要な適応性も提供する可能性があることを
示している。
【００１１】“Ｔｅｌｅｐｈｏｎｉｃ Ｈａｎｄｓｅｔ
Ａｐｐａｒａｔｕｓ Ｈａｖｉｎｇ ａｎ Ｅａｒｐ
ｉｅｃｅ Ｍｏｎｉｔｏｒ ａｎｄ Ｒｅｄｕｃｅｄ
Ｉｎｔｅｒ‐Ｕｓｅｒ Ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ（受話
口の監視を備え、ユーザ間の変動が減少している電話の
受話器装置）”と題するＣ．Ｓ．バートレット（Ｂａｒ
ｔｌｅｔｔ）他による、１９９８年４月６日付けで出願
された同時係属出願の米国特許出願第０９／０５５，４
８１号（本明細書と共通に譲渡されている）は、ユーザ
間の変動を減らす物理的な受話器の装置を記述してい
る。本発明はそのような受話器の装置に依存しない有用
性を有し、そしてそれと一緒に使われる必要はない。し
かし、これらの方法は少なくとも部分的に相補的であ
り、そしてそれらを組み合わせて使うことが特に有利で
ある。
【００１２】１つの態様においては、本発明は能動的雑
音低減（ＡＮＲ）システムを含んでいる移動無線端末な
どの電話の受話器に関する。そのＡＮＲシステムは基準
マイクロホンおよびＩＩＲフィルタを含む。ＩＩＲフィ
ルタは雑音基準信号に関して基準マイクロホンに対して
受信的に結合されており、そして送信的にはその受話器
のレシーバの変換要素に対して結合されている。ＡＮＲ
システムは固定型のフィードフォワード雑音打消しシス
テムとして構成されている。
【００１３】本発明の好適な実施形態においては、ＩＩ
Ｒフィルタはフィードバック雑音打消しシステムの開ル
ープ利得から部分的に導かれる伝達関数を有している。
本発明の特定の実施形態においては、雑音基準マイクロ
ホンはレシーバの前面の近くの周囲雑音フィールドをサ
ンプルするように置かれるが、前面の雑音フィールドを
直接にサンプルするわけではない。したがって、実施形
態においては、基準マイクロホンのポートは受話器の側
面上、または近くに面している外部表面上に開いてい
る。この場合において、前面に向かう方向はユーザの耳
に向かう方向である。
【００１４】
【発明の実施の形態】図２Ａおよび図２Ｂを参照する
と、本発明による例示としてのフィードフォワード雑音
打消しシステムが、受信的には雑音基準マイクロホン３
に接続されていて、送信的にはレシーバ５に接続されて
いる電子処理モジュール４を含んでいる。また、モジュ
ール４は遠端の信号径路８に対して受信の関係にある。
図２Ａおよび図２Ｂはそれぞれ電話の受話器７（例とし
ては、無線移動端末）の内部に雑音打消しシステムが設
置されていて、受話器がユーザの耳の導管の開口部９の
近くに置かれている代替の装置を示している。図２Ａに
おいては、マイクロホン３が受話器の側面に配置されて
いる。図２Ｂにおいては、マイクロホン３が裏面に配置
されている。（この場合において、「前の」面は受話器
が使われる時にユーザの耳に面している面である）基準
マイクロホンに対する他の各種の配置も許されることを
理解されたい。このマイクロホンの有利な配置に対する
一般的な原理が以下に説明される。
【００１５】フィードフォワードの雑音打消しシステム
の動作は、ネルソン（Ｎｅｌｓｏｎ）およびエリオット
（Ｅｌｌｉｏｔ）による上記の本などのよく知られてい
る参考資料の中に一般的に記述されている。簡単に言え
ば、雑音基準マイクロホン３は周囲雑音１を感知し、そ
れに応答して電子モジュール４によって駆動される信号
を発生する。モジュール４はよく知られている原理に従
って雑音打消し信号を発生する。その雑音打消し信号が
レシーバ５に供給される。レシーバ５の音響出力は、ユ
ーザの耳の導管の開口部９の内部で周囲音響雑音２を差
し引くように干渉する。結果として、周囲雑音の少なく
とも一部が打ち消される
【００１６】レシーバ５は、上記の同時係属出願の特許
出願第０９／０５５，４８１号の中に記述されているよ
うに、コンパクトな電子音響モジュール６上に取り付け
ることができる。そのようなモジュール６は受話器の受
話口とユーザの耳との間の、変動性の漏れ口１０によっ
て作り出されるユーザ間の変動を減らすように設計され
ている。フィードフォワードの雑音打消しを達成するた
めに必要な、モジュール４の処理電子機能は、ディジタ
ル信号プロセッサ（ＤＳＰ）によって実装されることが
好ましいが、アナログのコンポーネントなどの他のコン
ポーネントもそのような実装のために使うことができ
る。
【００１７】解析的な目的に対しては、フィードフォワ
ード雑音打消しシステムは、周波数領域の伝達関数が信
号についての各コンポーネントの動作を表すシステム・
ブロック図によって便利に表される。図３Ａおよび図３
Ｂはフィードフォワード雑音打消しシステムの代わりの
ＤＳＰ実装を表すシステム・ブロック図である。
【００１８】図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、レシー
バ５が伝達関数Ｙ（ω）（ブロック１１）によって表さ
れており、この伝達関数は図２Ａおよび図２Ｂの点９の
近くの耳の中への音圧出力を測定し（小さなマイクロホ
ンによって測定されるように）、それをレシーバ５に供
給される入力信号で割算することによって得られる。同
様に、処理の電子モジュール４の入力信号に対する出力
信号の比が伝達関数ＷFF（ω）として表される。このフ
ィードフォワード設計はこの伝達関数ＷFF（ω）が時間
について一定である時、「固定型」と呼ばれる。
【００１９】実際問題として、雑音基準信号に対するＡ
ＤＣ １３の伝達関数、遠端の音声入力信号に対するＡ
ＤＣ １４、およびレシーバに対する出力のためのＤＡ
Ｃ１５の伝達関数は、それぞれ一般的には均一なものと
して近似することができる。図３Ａにおいては、径路８
上で受信される遠端の音声信号がＡＤＣ １４によって
ディジタル化され、加算点１２においてＤＡＣ １５へ
のディジタル入力ストリームにディジタル的に（すなわ
ちＤＳＰのソフトウェアの制御下のデータとして）加算
される。加算点において、その遠端の信号が雑音基準信
号に加算され、その基準信号は伝達関数ＷFF（ω）に従
って処理されている。
【００２０】これと対照的に、図３Ｂにおいては、遠端
の信号がアナログ信号として、ＤＡＣ １５の後にある
加算点１８において加算される。図３Ａの装置は２つの
ＡＤＣを備えているＤＳＰを必要とするが、図３Ｂの装
置は１つ以上のＡＤＣを備えているＤＳＰを必要としな
い。
【００２１】フィードフォワード・システムの雑音打消
し性能は、雑音基準マイクロホン３によってピックアッ
プされる周囲雑音１と、雑音の打消しが望まれる点にお
ける周囲雑音２との間のコヒーレンス（できるだけ１つ
に等しいことが好ましい）に依存することがよく知られ
ている。（これはたとえば、上記のネルソンおよびエリ
オットの本の１７７ページに説明されている。）セルラ
ー端末などの電話の受話器の場合、雑音の打消しが望ま
しい点はそのユーザの耳の導管の開口部９である。
【００２２】図２Ｂに示されているような装置を使っ
て、拡散周囲雑音フィールドにおけるコヒーレンスの測
定がなされた。その場合、基準マイクロホン３は受話器
の裏面に配置された。周囲雑音２が小さなエレクトレッ
ト・マイクロホンを使って、点９において測定された。
これらの測定の結果が図４に示されている。
【００２３】この図から、コヒーレンスは約１ｋＨｚま
での周波数範囲にわたってほぼ１であることが明らかで
ある。このことは効果的なフィードフォワード雑音打消
しが、電話の受話器において、少なくとも１〜２ｋＨｚ
まで達成可能であるという発明者の確信を支持する。測
定されたコヒーレンスは約１ｋＨｚ以上の周波数におい
て低下しはじめ、そして約２ｋＨｚ以上ではさらに不規
則に、そして平均的に、より急速に低下するので、最善
の性能は２ｋＨｚ以下の周波数において得られると期待
される。
【００２４】また、ユーザの耳の導管の開口部９におけ
る周囲雑音２と、基準マイクロホンにおける周囲雑音１
との間のコヒーレンスも測定した。このコヒーレンスは
全周波数にわたって、マイクロホン３と測定位置９との
間の距離が増すにつれて低下する傾向があることが分か
った。この結果は雑音基準マイクロホン３を、そのポー
ト２０がレシーバの前面に対してできるだけ実際に近い
周囲雑音フィールドをサンプルするように配置させるよ
うに作用する。
【００２５】しかし、ポート２０はレシーバの前面にお
いて直接に雑音フィールドをサンプルするべきではな
い。これは、マイクロホンがレシーバ５からのかなりな
量の音響出力をピックアップする結果となる可能性があ
るので望ましくない。これによって雑音打消し性能が劣
化する可能性があり、そして最悪の場合、音声的な発振
を生じる可能性のある不安定なフィードバック・ループ
が生じる可能性がある。性能における認知可能な劣化が
発生した場合、フィードバックの量が「かなり大きい」
とみなされる。（このことに関して、フィードフォワー
ド・システムは一般に小量のフィードバックを許容でき
るが、そのようなシステムにおけるフィードバックは意
図的には提供されない。というのは、それは性能の助け
とならず、一般に性能を劣化させる傾向があるからであ
る。）
【００２６】したがって、受話器の内部で利用できる空
間に依存して、マイクロホン３は受話器の側面または後
面の壁、すなわち、外面が横方向または後方向に向いて
いる壁の内側の面に普通は取り付けられる。したがっ
て、マイクロホンのポートはそのような側面または後面
の壁を通して開くことになる。
【００２７】レシーバ要素と周囲雑音に対するサンプリ
ング点（すなわち、ポート２０）との間の許容できる最
大の実効間隔は、雑音打消しの必要な程度によって変わ
る。一般的な規則として、この間隔は約３．８ｃｍより
大きくないことが好ましく、そして約２．５ｃｍより大
きくないことがさらに好ましい。この場合においては、
「実効」間隔はポート２０と点９、すなわち、受話器が
使用されている時にレシーバ要素の丁度前にあるユーザ
の耳の導管に対する入口の点との間の距離である。
【００２８】図３Ａおよび図３Ｂを参照して、ここで、
音圧がｎ2である雑音フィールド２、および音圧がｎ1で
ある雑音フィールド１に起因する、ユーザの耳の導管の
開口部の中の、点９における残留音響的雑音の圧力εを
考える。遠端の音声信号がない場合、この残留音圧は以
下の式によって与えられる。 （１） ε＝ｎ2−Ｙ（ω）ＷFF（ω）ｎ1
【００２９】音圧がそれぞれｎ1およびｎ2である雑音フ
ィールドが非常にコヒーレントである場合、ｎ2は伝達
関数Ｆ（ω）によってｎ1に関係付けられていなければ
ならない。したがって、式（１）は以下のように書き換
えることができる。 （２） ε＝［Ｆ（ω）−Ｙ（ω）ＷFF（ω）］ｎ1
【００３０】点９における残留の音響的雑音の圧力εを
０に向かって減らすために、ＤＳＰの中に実装される最
適のフィードフォワード・フィルタＷFFOPT（ω）は以
下の式を満足する必要がある。 （３） ＷFFOPT（ω）＝Ｆ（ω）／Ｙ（ω）
【００３１】Ｙ（ω）の位相の傾斜（すなわち、遅延時
間）がＦ（ω）のそれより大幅に大きかった場合、フィ
ードフォワード・フィルタＷFFOPT（ω）は雑音打消し
を達成するために非因果性（ａｎｔｉ‐ｃａｕｓａｌ）
である必要がある。一般的な規則として、これは実際に
は達成できない。したがって、効果的なフィードフォワ
ードの雑音打消しのためには、できるだけ広い周波数範
囲にわたってレシーバ５の遅延時間（すなわち、位相の
傾斜）が最小であるレシーバ５を選択できることが望ま
しい。実際問題として、これは完全には実現できないの
で、雑音打消し性能におけるある程度の妥協が予期され
なければならない。
【００３２】さらに、以前に説明されたように、伝達関
数Ｆ（ω）およびＹ（ω）は一般に漏れ口１０が変動す
るのでユーザごとに変化することになる。図５は受話器
の一例についての５人の異なるユーザに対するＹ（ω）
におけるユーザ間の変動を示している。この変動のため
に、一個人の耳に対する最適の固定型フィードフォワー
ド・フィルタＷFFOPT（ω）が別の個人の耳に対する正
しい最適フィルタとはならず、そのような第２の個人に
対しては、雑音打消し性能が劣化することになる。
【００３３】上記の同時係属出願の特許出願第０９／０
５５，４８１号の中で、伝達関数Ｙ（ω）およびＦ
（ω）におけるユーザ間の変動を大幅に減らすために適
応されているレシーバ５を取り付けるための電子音響モ
ジュールが説明されている。そのような電子音響モジュ
ールにおいては、小さな量の固定の漏れ口が変動性の漏
れ口１０と並列に導入される。結果として、固定の漏れ
口は変動の漏れ口を「ショート・アウト」し、したがっ
て、全体のリークはほとんど一定であるようにみえる。
図５と同じ５人のユーザに対するＹ（ω）における変動
が減少していることが図６に示されている。この結果は
固定型のフィードフォワード雑音打消し設計の有効性に
大きく寄与するが、広い範囲のユーザに対して使われる
必要がある正確な最適の固定型ＷFFOPT（ω）を提供す
ることはできない。
【００３４】広い範囲のユーザに対する実際的なそのよ
うなフィルタＷFFOPT（ω）は、ある範囲のユーザにつ
いて式（３）で与えられる残留圧力を最小化することに
よって有利に得られる。その結果、最適の平均化された
固定型フィードフォワード・フィルタ、＜Ｗ
FFOPT（ω）＞は以下の式で与えられる。 （４） ＜ＷFFOPT（ω）＞＜Ｆ（ω）＞／＜Ｙ（ω）＞ ここで、角括弧は数人のユーザについての平均を意味す
る。
【００３５】原理的に、最適のフィードフォワード・フ
ィルタは、式（３）によって与えられているようなＷ
FFOPT（ω）をフーリエ変換して時間領域に変換した
後、その結果をソフトウェアにおいてディジタルの有限
インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタとして具体化するこ
とによって実装することができる。そのような手順につ
いての理論的な理解は、たとえば、上記のネルソンおよ
びエリオットによる本の１８０〜１８１ページから得ら
れる。
【００３６】代わりに、フィルタ型のｘＬＭＳアルゴリ
ズム（たとえば、上記の本の１９６ページに記載されて
いる）などの、直接の時間領域の方法を使って最適の固
定型フィードフォワードＦＩＲフィルタ係数を導き、残
留圧力εを最小化することができる。
【００３７】しかし、両方の場合において、ＦＩＲフィ
ルタの係数の個数が多かった場合、ＤＳＰにおける計算
負荷が許容できない程度に大きくなる可能性がある。さ
らに、両方の場合においてその最適の固定型フィードフ
ォワードＦＩＲフィルタが、設計の周波数範囲外で周囲
雑音をあまり増幅しないことを確実にする必要がある。
またさらに、これらの従来の技法が使われる時、平均的
な意味においてさえも、雑音打消し性能のレベルを「先
験的に」指定する方法はない。
【００３８】発明者は、ＦＩＲフィルタの中にではな
く、無限インパルス応答（ＩＩＲ）フィルタの中に本発
明のフィードフォワード・フィルタ設計を実装すること
によって、これらの欠点が克服できることを発見してい
る。当業者であれば、ＦＩＲフィルタおよびＩＩＲフィ
ルタは両方ともフィルタ係数の組によって定義されるこ
とがわかる。最小二乗法（ＬＭＳ）のアルゴリズムなど
のよく知られているアルゴリズムが、ある程度の望まし
い性能を達成するように、これらの係数の値を設定する
ために利用できる。（ＬＭＳアルゴリズムの場合、その
ような係数は、周波数範囲にわたって積分された残差雑
音の二乗のモジュラスなどの誤差関数を最小化するよう
に調整される。）
【００３９】ＦＩＲフィルタの数学的な説明は、重み付
けられたタップを有する遅延線、およびフィルタ係数に
よって与えられるそれぞれの重みに従ってそのタップの
出力を組み合わせるための加算要素に対して直接に直観
的な方法で関連付けられている。一般には規則として、
そのようなシステムの係数は標準のアルゴリズムを使っ
て容易に決定される。
【００４０】ＩＩＲフィルタの数学的な記述は、フィル
タのシステム関数で最も簡潔に表される。システム関数
は複素数化された複素数値関数である。システム関数は
複素平面内でのその極および零点の位置によって定義さ
れる。フィルタ係数はこれらの極および零点に関連付け
られる。一般的な規則として、ＩＩＲフィルタの係数は
ＦＩＲフィルタの係数に比較して、標準のアルゴリズム
を使って決定することが、より難しい。しかし、ＩＩＲ
フィルタが実現できる場合、それは同等程度の性能のＦ
ＩＲフィルタよりも、大幅に少ない数の係数を使って、
そして大幅に大きい計算効率で実行することができる。
【００４１】実際、発明者は、本発明の最適固定型フィ
ルタ、ＷFFOPT（ω）をＩＩＲフィルタの中に直接実装
することはできなかった。１ｋＨｚ以上の、そして特に
２ｋＨｚ以上の周波数でのＦ（ω）の不規則な挙動のた
めに、ＷFFOPT（ω）は、１ｋＨｚまでの周波数におい
てさえも、安定なフィルタを提供するように定義するの
が難し過ぎる。さらに、この関数を直接実装すること
は、そのフィルタが非因果的に（ｎｏｎ‐ｃａｕｓａｌ
ｌｙ）動作することが必要であり、それは実現できな
い。重要なこととして、標準のアルゴリズムを使って直
接実装しようとする試みは、程よい長さの時間内に収束
することができなかった。
【００４２】
【外1】
【００４３】当業者であれば、フィードバックの雑音打
消し問題を解決する際にある程度の柔軟性があることを
理解することができるだろう。したがって、開ループＧ
利得（ω）を、フィードバックの問題に対する実現可能
な解決策を与えるだけでなく、１〜２ｋＨｚ以下の音声
帯域の周波数において比較的大きく、そして１〜２ｋＨ
ｚ以上でロールオフする傾向があるようにも工夫するこ
とができるのが一般的な場合である。そのような開ルー
プ利得によって、問題の周波数範囲内でほぼ均一であ
り、そしてそれ以上の範囲ではロールオフする重み付け
関数がフィードフォワード・システムに対して提供され
る。
【００４４】ここで、ＩＩＲフィルタの中に重み付けら
れたフィードフォワードの伝達関数が実装される本発明
の新しいアルゴリズムの詳細を説明する。これに関し
て、図１の古典的なネガティブ・フィードバック雑音打
消しシステムを参照するのが便利である。そのようなシ
ステムにおいては、耳の中の残差音圧εは以下の式によ
って与えられることがよく知られている。 （５） ε＝ｎ2／［１＋Ｙ（ω）ＷFB（ω）］＝ｎ2／［１＋Ｇ（ω）］ ここで、Ｇ（ω）＝Ｙ（ω）ＷFB（ω）は開ループ利得
であり、ＷFB（ω）は、式（５）によって与えられる残
差音圧を安定に最小化するように設計されているネガテ
ィブ・フィードバック・フィルタである。
【００４５】式（５）は、以下の形式に書き直すことが
できる。 （６） ε＝ｎ2−Ｇ（ω）ε 式（５）を式（６）の右辺に代入することによって、以
下の式が得られる。 （７） ε＝ｎ2−ｎ2Ｇ（ω）／［１＋Ｇ（ω）］ ここで、伝達関数Ｆ（ω）を導入することによってフィ
ードフォワードの挙動に対する参照が行われる。Ｆ
（ω）は以前に説明されたように、雑音の音圧ｎ2を雑
音の音圧ｎ1に関係付ける。これによって式（７）が以
下の形式に書き換えられる。それはフィードフォワード
構造を表す。 （８） ε＝ｎ2−｛Ｆ（ω）Ｇ（ω）／［１＋Ｇ（ω）］｝ｎ１
【００４６】
【外２】
【００４７】式（９）の代わりの解釈は、Ｆ（ω）と重
み付け関数の積が、高周波の挙動が改善されている修正
された伝達関数であるということである。
【００４８】重要なこととして、本発明のフィードフォ
ワード・フィルタを設計するための方法によって、雑音
打消し性能のレベルを先験的に規定することができる。
（これに関して、フィードフォワード・フィルタ設計に
対する従来の方法とはかなり異なっている。）これは、
式（５）から明らかである。式（５）の中では、首尾一
貫した安定性でＧ（ω）を規定することによって、雑音
打消し性能を規定することができる。式（５）が、実現
可能なフィードフォワード雑音打消しである式（８）を
直接に導いたので、提案の技法によって、固定型のフィ
ードフォワード雑音打消し性能の所望のレベルを「先験
的に」規定する設計者の手段が可能である。また、Ｇ
（ω）が一度導かれると、Ｇ（ω）におけるユーザ間の
変動はなく、したがって、不安定になるチャンスがない
ことにも注意する必要がある。
【００４９】＜例＞発明者は、上記の物理的な、そして
アルゴリズム的な設計原理を組み込むことによって固定
型のフィードフォワード雑音打消しシステムを作成し
た。この新しいシステムをある範囲のユーザについてテ
ストした。テストされたユーザ・グループに対する平均
の雑音打消し性能および標準偏差が図７に示されてい
る。この図から明らかなように、本発明のシステムは、
標準偏差が約＋３ｄＢで、ユーザの耳において１５ｄＢ
に近いピークの平均雑音打消し性能を示した。
【００５０】さらにテストして、遠端の音声信号も存在
する時、ユーザは残留雑音に対するその遠端の音声信号
の比率を最大化する傾向がある方法で、受話器の受話口
を位置決めする傾向があることを発見した。上記のよう
に、この挙動はラウドスピーカの信号対雑音比を最大に
するように、ラジオのダイヤルをチューニングするのと
ある程度似ている。実際に、受話口の位置を耳に対して
調整することによって、ユーザは自分の耳に対して式
（４）によって与えられる打消しに対する最適の結果に
できるだけ近付くように、自分の耳に対してＦ（ω）／
Ｙ（ω）の比を調整している。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の技術のネガティブ・フィードバックの能
動的雑音低減（ＡＮＲ）設計の回路図である。
【図２Ａ】移動無線端末の内部に設置されている固定型
のフィードフォワードＡＮＲ設計の部分的に回路を含ん
だ断面図であり、雑音基準マイクロホンに対する配置例
を示す。
【図２Ｂ】移動無線端末の内部に設置されている固定型
のフィードフォワードＡＮＲ設計の部分的に回路を含ん
だ断面図であり、雑音基準マイクロホンに対する配置例
を示す。
【図３Ａ】フィードフォワード雑音打消しシステムの回
路ブロック図であり、遠端の音声信号の、ディジタルの
加算演算を示す。
【図３Ｂ】フィードフォワード雑音打消しシステムの回
路ブロック図であり、遠端の音声信号の、アナログの加
算演算を示す。
【図４】電話の受話器の内部の基準マイクロホンにおけ
る雑音フィールドと、ユーザの耳の導管に対する開口部
の中の雑音フィールドとの間のコヒーレンス（周波数の
関数としての）の実験データからのプロットである。
【図５】電話の受話器のレシーバからの音圧出力の電気
的入力に対する比率を表している伝達関数Ｙ（ω）の周
波数に対するグラフである。
【図６】図５のグラフと類似のグラフであるが、従来の
技術の電子音声修正が受話器に加えられている場合を表
している。
【図７】５人の異なるユーザに対する、本発明による、
固定型フィードフォワード雑音打消し設計の平均雑音打
消し性能および標準偏差を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マイケル アンソニー ツーニカ アメリカ合衆国 22032 ヴァージニア, フェアファックス，キャリッジパーク ロ ード 4805

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 能動的雑音低減（ＡＮＲ）システムを備
    える電話の受話器であって、 前記ＡＮＲシステムは、雑音基準マイクロホンとディジ
    タル・フィルタとを備え、 前記ディジタル・フィルタは、前記雑音基準マイクロホ
    ンに受信的に結合され、そして前記受話器の中のレシー
    バの変換要素に送信的に結合されており、 前記ディジタル・フィルタは、非適応型のＩＩＲフィル
    タであり、 前記ＡＮＲシステムは、固定型のフィードフォワード雑
    音打消しシステムとして構成されている受話器。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の電話の受話器におい
    て、前記雑音基準マイクロホンは１つのポートを備え、
    そして前記ポートは使用中にユーザの耳に直接には面し
    ない受話器の外面を通して開いている受話器。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載の電話の受話器におい
    て、前記雑音基準マイクロホンの前記ポートと前記レシ
    ーバ変換要素との間に実効的な距離があり、前記距離は
    ３．８ｃｍより大きくないようになっている受話器。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載の電話の受話器におい
    て、前記実効距離が２．５ｃｍより大きくないようにな
    っている受話器。
  5. 【請求項５】 請求項１に記載の電話の受話器におい
    て、 前記ＡＮＲシステムは動作周波数範囲を有し、 前記レシーバ変換要素は近似伝達関数Ｙ（ω）を有し、 前記受話器が使用中の時、伝達関数Ｆ（ω）は、ユーザ
    の耳の導管の開口部における周囲雑音の音圧ｎ2を、ｎ2
    ＝Ｆ（ω）ｎ1に従って前記雑音基準マイクロホンのポ
    ートにおける周囲雑音の音圧ｎ1に関係付け、 前記動作範囲にわたって前記ＩＩＲフィルタが、重み付
    け関数にＦ（ω）／Ｙ（ω）を掛けた積によって与えら
    れる伝達関数を有している受話器。
  6. 【請求項６】 請求項５に記載の電話の受話器におい
    て、前記重み付け関数が動作周波数範囲より高い周波数
    範囲でロールオフするようになっている受話器。
  7. 【請求項７】 請求項５に記載の電話の受話器におい
    て、Ｇ（ω）は、ＡＮＲシステムが固定型のフィードフ
    ォワード・システムの代わりに固定型のフィードバック
    ・システムとして構成された場合に、ＡＮＲシステムに
    関して適切な開ループ利得であり、 前記動作範囲にわたって、前記重み付け関数がＧ（ω）
    ／［１＋Ｇ（ω）］である受話器。
  8. 【請求項８】 請求項５に記載の電話の受話器におい
    て、Ｆ（ω）およびＹ（ω）が代表的なユーザの母集団
    にわたって平均化されている受話器。
  9. 【請求項９】 能動的雑音低減（ＡＮＲ）の方法であっ
    て、 電話の受話器の外面付近の周囲雑音をサンプルし、それ
    によって基準信号を提供するステップと、 前記基準信号を非適応型ＩＩＲフィルタで処理し、それ
    によってユーザの耳の導管への入口の付近における周囲
    雑音を少なくとも部分的に打ち消すのに有効な打消し信
    号を提供するステップと、 前記打消し信号をレシーバ変換要素に対して、実質的に
    前記要素からのフィードバックなしに供給するステップ
    とを含む方法。
  10. 【請求項１０】 請求項９に記載の方法において、 前記レシーバ変換要素は近似伝達関数Ｙ（ω）を有し、 近似伝達関数Ｆ（ω）は、サンプルされた雑音の音圧ｎ
    2を、ｎ2＝Ｆ（ω）ｎ1に従ってユーザの耳の導管の近
    傍における周囲雑音ｎ1に関連付け、 前記基準信号の処理が、重み付け関数にＦ（ω）／Ｙ
    （ω）を掛けた積によって与えられるフィルタの伝達関
    数に従って実行されるようになっている方法。
  11. 【請求項１１】 請求項１０に記載の方法において、前
    記重み付け関数が前記動作周波数範囲より高い周波数範
    囲でロールオフするようになっている方法。
  12. 【請求項１２】 請求項１０に記載の方法において、 Ｇ（ω）は前記受話器に対する固定型のフィードバック
    ＡＮＲシステムの適切な開ループ利得であり、そして前
    記重み付け関数がＧ（ω）／［１＋Ｇ（ω）］によって
    与えられるようになっている方法。
  13. 【請求項１３】 請求項１０に記載の方法において、Ｆ
    （ω）およびＹ（ω）が代表的なユーザの母集団にわた
    って平均化されている方法。
  14. 【請求項１４】 請求項９に記載の方法において、最適
    の認知される雑音打消しを達成するように、ユーザの耳
    に関する前記受話器の位置を調整するステップをさらに
    含む方法。
  15. 【請求項１５】 請求項９に記載の方法において、前記
    サンプリングが、ユーザの耳に直接には面していない受
    話器の外面において実行されるようになっている方法。
  16. 【請求項１６】 請求項１５に記載の方法において、前
    記サンプリングが、前記レシーバの変換要素の中央から
    ３．８ｃｍ以内で実行されるようになっている方法。
  17. 【請求項１７】 請求項１６に記載の方法において、前
    記サンプリングが、前記要素の中央から２．５ｃｍ以内
    で実行されるようになっている方法。
  18. 【請求項１８】 請求項１５に記載の方法において、最
    適の認知される雑音打消しを実現するように、ユーザの
    耳に関して前記受話器の位置を調整するステップをさら
    に含む方法。
JP11290427A 1998-10-13 1999-10-13 フィ―ドフォワ―ドの雑音打消しを採用している電話の受話器 Pending JP2000217187A (ja)

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