JP2003535510A - 適応ビームフォーミングと結合される音声エコーキャンセレーションのための方法と装置 - Google Patents

適応ビームフォーミングと結合される音声エコーキャンセレーションのための方法と装置

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JP2003535510A
JP2003535510A JP2001588218A JP2001588218A JP2003535510A JP 2003535510 A JP2003535510 A JP 2003535510A JP 2001588218 A JP2001588218 A JP 2001588218A JP 2001588218 A JP2001588218 A JP 2001588218A JP 2003535510 A JP2003535510 A JP 2003535510A
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イェー ウェー ベルト，ハールム
ペー ヤンセ，コルネリス
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Philips Electronics NV
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Abstract

(57)【要約】 複数の入力信号が適応ビームフォーミング及び適応エコーキャンセリングの結合処理を受ける方法が記載される。それぞれの入力信号について、適応エコーキャンセリングデータの個々の処理履歴が保持され、現在の適応ビームフォーミングデータと結合される。したがって、音声処理装置は、それぞれの入力信号を提供するための少なくとも１つの並列の音声経路を備えている。音声経路は、ビームフォーマ経路に直列に接続されている。本装置は、適応ビームフォーミング及び適応エコーキャンセリングをそれぞれ実行するための適応ビームフォーマ及び適応エコーキャンセラを備えている。このために、適応エコーキャンセラには、それぞれの入力信号に関連して、現在の適応ビームフォーミングデータと結合するための適応エコーキャンセリングデータの個々の処理履歴を記憶するための記憶手段が設けられている。ビームフォーミング及びエコーキャンセリング技術の両者を結合して、低減された計算量を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 ［発明の分野］ 本発明は、複数の入力信号が適応ビームフォーミング及び適応エコーキャンセ
リングの結合処理を受ける方法に関する。 また、本発明は、それぞれの入力信号を提供するため、ビームフォーマ経路に
直列に接続される少なくとも１つの並列な音声経路、適応ビームフォーマ及び適
応エコーキャンセリングを実行するための適応エコーキャンセラを備える音声処
理装置、及び音声ブロードキャストシステム、オーディオ及び／又はビデオ会議
システム、移動電話システムのような電話におけるような音声強調、音声認識シ
ステム、話者認証システム、音声コーダ等のようなかかるオーディオ処理システ
ムが設けられる通信装置に関する。
【０００２】 ［発明の背景］ かかる方法及び装置は、1997 IEEE International Conference on Acoustics,
Speech, and Signal Processing, VolI, April21-24, 1997，Walter Kellerman
n等による“Strategies for Combining Acoustic Echo Cancellation and Adapt
ive Beamforming Microphone Arrays”pp219-222から知られている。
【０００３】 特に、共通のビームフォーミング方法が時不変ステージ及び該ステージに続く
時変ステージに分割され、音声エコーキャンセリング装置における計算の複雑さ
を回避して、時変ビームフォーミングを回避するための戦略が記載されている。
公知の戦略の結果として、その適用が制限される。加えて、関連する異なる適応
時間スケールに関わりなく両者が同時に、又は互いに関して独立に適用すること
ができるように、音声エコーキャンセリング及び適応ビームフォーミング技術の
結合に関する基本的な問題に触れてはいない。
【０００４】 したがって、本発明の目的は、結合されたエコーキャンセリング及び適応ビー
ムフォーミングの方法及び装置を提供することにある。ここでは、両技術に固有
な利点が保持され、結合技術であるにも拘らず必要な計算量が許容可能なレベル
まで低減される。
【０００５】 ［発明の概要］ 本発明による方法は、それぞれの入力信号について、適応エコーキャンセリン
グデータの個々の処理履歴が保持され、現在の適応ビームフォーミングデータと
結合されることを特徴としている。 したがって、通信装置、すなわち、本発明によるオーディオ処理装置は、適応
エコーキャンセラに、それぞれの入力信号に関連して、現在の適応ビームフォー
ミングデータと結合するための適応エコーキャンセリングデータの個々の処理履
歴を記憶するための記憶手段が設けられることを特徴としている。
【０００６】 本発明による方法及び装置の利点は、それぞれの入力信号の適応エコーキャン
セリングデータの処理履歴を個々に記憶することにより、及びこのデータを現在
のビームフォーマデータに結合することにより、結合されたこれらデータの使用
がエコーキャンセリング処理の改善された精度を示すことになる。
【０００７】 特に、ビームフォーマの更新された係数は、適合音声エコーキャンセリングフ
ィルタの最大追尾速度よりも速く変化するものであり、それぞれの個々の入力信
号についてエコーキャンセリングデータを計算する精度のために利用することが
できる。適応エコーキャンセリングフィルタは、通常非常に複雑であり、数千に
も及ぶ係数を含むものであるが、より容易に実現することができ、必要な計算量
が大幅に低減される。
【０００８】 本発明による方法の実施の形態は、結合された適応処理は、それぞれの入力信
号が音声経路及びビームフォーマ経路を含む並列経路を通過し、この通過後に、
該並列経路における信号は合計されて処理されるように構成されていることを特
徴としている。したがって、オーディオ処理装置は、それぞれの入力信号が音声
経路及びビームフォーマ経路を含む並列経路を通過し、この通過後に、該並列経
路において合計されて処理されるように構成されることを特徴とする。
【０００９】 好ましくは、適応処理を実行するための適応エコーキャンセラは、合計される
並列経路の端部で接続されること、及び通信ラインの遠端へのコネクションと通
信ラインの遠端からのコネクションの間に接続されることのみを必要とする。好
ましくは、個々の入力経路との分離コネクションが必要でなくなり、プロセッサ
の処理能力を節約することができる。
【００１０】 本発明による方法の更なる実施の形態は、適応ビームフォーミングが入力信号
のフィルタリング又は重み付けに関するものであることを特徴としている。した
がって、オーディオ処理装置が特徴付けられる。
【００１１】 ビームフォーマにおいて行われる適応が入力信号のフィルタリングに関する場
合、たとえば、有限長インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタ、又は無限長インパル
ス応答（ＩＩＲ）フィルタ等により入力信号はフィルタリングされる。その場合
、フィルタリング総和ビームフォーマ（ＦＳＢ）のことを言う。その特別なケー
スである重み付け総和ビームフォーマ（ＷＳＢ）では、フィルタは実際の利得又
は減衰により置き換えられる。
【００１２】 オーディオ処理装置のなお更なる実施の形態は、適応エコーキャンセラが時間
領域適応フィルタ（ＴＤＡＦ）又は周波数領域適応フィルタ（ＦＤＡＦ）のよう
な変換領域適応フィルタを備えていることを特徴とする。一般に、ＦＤＡＦは、
その入力のスペクトルの正規化により使用される場合に、高速に収束するので計
算の複雑さという観点で好ましい。
【００１３】 本発明によるオーディオ処理装置の好適な実施の形態は、適応エコーキャンセ
ラが少なくとも１つのラウドスピーカスペクトル及び正規化された更新データの
一部を計算するための第１セクションと、エコーキャンセリング係数の更新デー
タの畳み込み及び計算を実行するための第２セクションと、を備えることを特徴
としている。
【００１４】 特に膨大な計算量を節約する特定の実施の形態では、ビームフォーマの入力信
号の数が増加する場合、第２適応エコーキャンセラセクションは、ビームフォー
マのフィルタリング又は重み付け係数を受信するための入力を有する適応総和フ
ィルタを備えている。この適応総和フィルタは、それぞれの入力信号に関連して
、現在の適応ビーフォーミングデータと結合するための適応エコーキャンセリン
グデータの個々の処理履歴を記憶するための記憶手段を備えている。
【００１５】 ［発明の実施の形態］ 本発明による方法、オーディオ処理装置及び通信装置は、添付図面を参照して
、追加の利点と共に更に説明される。ここで、同一の構成要素は、同一の参照符
号により言及される。
【００１６】 図１は、遠端（図示せず）へのコネクション及び遠端からのコネクションを備
える通信装置の構成におけるオーディオ処理装置を示している。遠端からのコネ
クションは、ラウドスピーカ２のための信号ｘ(ｎ)（ｎ＝．．．-1,0,1，．．．
，ｎはサンプリングの添字）を装置１から受信する。装置１は、１つ以上のラウ
ドスピーカ２を含んでいる。装置１は、Ｓ個の複数の入力信号ｚ1(ｎ)，ｚ2(ｎ)
，．．．，ｚs(ｎ)を提供するために並列に配置されるマイクロフォン３−１，
３−２，．．．，３−Ｓを更に備えている。これらの入力信号は、ビームフォー
マ４に供給される。
【００１７】 ビームフォーマ４は、いわゆる、フィルタのインパルス応答ｆ1，ｆ2，．．．
，ｆsを有するフィルタリング総和ビームフォーマ（Filtered Sum Beamformer（
ＦＳＢ））、又はフィルタ係数が実際の利得又は減衰ｗ1，ｗ2，．．．，wsによ
り置き換えられたＦＳＢである重み付け総和ビームフォーマ（Weighted Sum Bea
mformer（ＷＳＢ））の構成を有している場合がある。
【００１８】 これらの応答及び利得は、適応、すなわち時間的な変化を連続的に受ける。ビ
ームフォーマ４の適応制御は、この適応処理を制御する。かかるビームフォーマ
による適応は、たとえば、EP-A-0954850号から知るように、異なる話者の位置に
関して焦点合わせすることについて行うことができる。また、適応は、全体の信
号対雑音比を低減するために行うことができる。ビームフォーマ４における適応
信号は、内部の総和手段５において合計されて出力信号ｚ(ｎ)を生じ、次いで、
外部の総和素子６に供給される。
【００１９】 オーディオ処理装置１は、適応エコーキャンセリングを実行するために遠端コ
ネクション間に接続される適応エコーキャンセリング手段、すなわちフィルタ７
を更に備えている。適応ビームフォーマ４からの瞬時値、すなわち現在のフィル
タ応答又は利得／減衰は、それによる使用のために適応エコーキャンセラフィル
タ７に供給される。また、遠端の入力信号ｘ(ｎ)は、このフィルタ７に供給され
る。
【００２０】 フィルタ７は、音声のインパルス応答ｈ1，ｈ2，．．．，ｈsを有するそれぞ
れの音声経路をモデル化し、現在のビームフォーマ係数を考慮して、フィルタ７
の出力信号ｙ(ｎ)が、出力信号ｚ(ｎ)のエコー成分に近似的に等しくなるように
する。総和素子６は、音声エコーが実際にない遠端に出力信号を提供する。
【００２１】 適応フィルタ７は、信号ｘ(ｎ)とそのモデル化されたインパルス応答モデルｈ
の間で畳み込みを実行し、所望の信号ｙ(ｎ)を出力する。文献において、適応フ
ィルタ７のフィルタ係数ｈを計算して適応的に最適化するための多くのアルゴリ
ズムが知られている。このフィルタ係数は、適応フィルタ７を実現するために必
要な数千の係数により、通常では非常に複雑である。エコーキャンセリングフィ
ルタ７は、特に、たとえば時間領域又は周波数領域において、いずれか適切な領
域で実現することができる。装置１が１つ以上のラウドスピーカを含んでいる場
合、エコーの数を保証するために、対応する数のフィルタ７が必要である。
【００２２】 図２は、オーディオ処理装置１の適応フィルタ７を実現する周波数領域適応フ
ィルタ（ＦＤＡＦ）のプリプロセッサ（上部の）部分及びポストプロセッサ（下
部の）部分を示している。プリプロセッサでは、ラウドスピーカの信号ｘ(ｎ)は
直列−並列変換（Ｓ／Ｐ）され、Ｂサンプルを含むブロックになる。つぎに、Ｍ
−Ｂ前のサンプルにより先行される、これらＢサンプルから構成されるアレイが
形成される。
【００２３】 ついで、実際に、並列データの最後のＭサンプルに関して、高速フーリエ変換
（ＦＦＴ）が実行され、Ｘにより示されるｘ(ｎ)の複素周波数スペクトルが導出
される。また、プリプロセッサは、Ｘ*により示されるＸの複素共役スペクトル
を計算するノーマライザを備えており、その入力パワースペクトルＰxxにより正
規化される複素スペクトルは、更に解明されないようなやり方で最終的に示され
る。正規化されたこの特定のアルゴリズムは、入力パワーとは独立に収束する振
る舞いを示す。
【００２４】 ポストプロセッサ（下部の）の部分は、複素入力スペクトルＸを周波数領域Ｆ
ＤＡＦの係数Ｈにより乗算し、逆ＦＦＴを実行する。ＩＦＦＴの結果のうちのは
じめのＭ−Ｂサンプルは、サイクリックな畳み込みの誤差により破壊されている
ので廃棄される。信号ｙ(ｎ)を形成する結果的に得られるＭ−Ｂサンプルは、信
号ｚ(ｎ)を形成している最新のＢサンプルから減算され、残信号ｒ(ｎ)のうちの
Ｂサンプルはポストプロセッサに供給される。並列−直列変換（Ｐ／Ｓ）の後、
この信号ｒ(ｎ)は、遠端に送出される。
【００２５】 つぎに、帰還信号は、適切なゼロにより先行されて周波数領域に変換され（Ｆ
ＦＴ）、正規化された複素スペクトルにより乗算されて、ＦＤＡＦ係数について
の更新項を与える。最後に、ＦＤＡＦ係数は、更新ループ８においてこの更新項
で更新される。更新ループ８は、プログラム可能なフィルタが使用されていない
場合、時間領域において制約を含んでいる。
【００２６】 この制約により、サイクリックな畳み込み誤差の発生が防止される。制約がな
いことにより、それぞれのアップグレードについてＦＦＴ及びＩＦＦＴを節約す
ることができる。米国特許第4903247号を参照されたい。この特許は、参照によ
り本明細書に組込まれる。
【００２７】 更新ループ８は、図３において解明される適応総和フィルタの構成でビルディ
ングブロック９を含んでいる。ビームフォーマ係数、すなわち利得ｗ1，ｗ2，．
．．，ｗs、インパルス応答ｆ1，ｆ2，．．．，ｆs、又はそれらのフーリエ変換
Ｆ1，Ｆ2，．．．，Ｆsのそれぞれは、ビームフォーマ４により一定に適応され
、適応フィルタ７、特に、図２において示されるようなビルディングブロック９
に供給される。
【００２８】 ビルディングブロック９は、Ｓ個の連続するループ１０−１，１０−２，．．
．，１０−Ｓを含んでおり、個々の入力信号のそれぞれについて、適応エコーキ
ャンセリング処理の間での使用のために、少なくとも適応及び／又は更新された
適応エコーキャンセリング係数が遅延素子ｚ-1に記憶される。
【００２９】 総和素子１５及び１６は、合計された現在の周波数領域ＦＤＡＦ係数Ｈ(k;lB)
を提供する。ｋは、ｋ＝０．．．M-1であるＭ個の周波数領域適応フィルタ係数
を有する周波数帯域又はビンであり、lBは、Ｂ個のサンプリングの瞬間毎に１だ
け増加される繰返しの添字である。
【００３０】 ＦＦＴ変換及び正規化された残信号ｒ(ｎ)は、総和素子Ｓm（図２参照）にお
いて合計された現在の係数を更新し、上述した合計された現在のＦＤＡＦ係数と
の比較のために、新たな適応フィルタ係数Ｈ(k;lB+1)を総和素子１１に提供する
。それぞれの個々のループ１０−１，．．．，１０−Ｓでは、この比較の結果は
、μ1(k)Ｆ1(k;lB)，．．．，μ1(k)Ｆs(k;lB)により乗算器１２−１，．．．，
１２−Ｓにおいて乗算される。ここで、μ1はステップサイズである。
【００３１】 総和素子１３−１，．．．，１３−Ｓでは、乗算結果は、それぞれ分離された
信号について累積される。更新されたデータの形式における結果は、記憶／遅延
素子ｚ-1における次の繰返しの間に記憶され、次いで、乗算器１４−１，．．．
，１４−ＳにおけるＦ1(k;lB) ，．．．，Ｆs(k;lB)により乗算され、上述した
２つの総和素子１５及び１６のそれぞれにおいて合計される。
【００３２】 要約すると、結合されたビームフォーマ及びエコーキャンセラの場合では、日
付が維持される更新モデルは、以下のように表すことができる。
【００３３】
【数１】 ｍ＝０，．．．，Ｓであり、Ｓはビームフォーマ入力／マイクロフォンの全数を
表している。ｋ=０，１，．．．，Ｍ−１であり、lB回の繰返しでのM個の周波数
領域適応フィルタ係数が存在し、ｐは関連するビームフォーマ入力を表す。
【００３４】 さらに、lBは、繰返し添字であり、Ｂ個のサンプリングの瞬間毎に１だけ増加
される。Ｈm(k;lB)は、マイクロフォン（又はビームフォーマ入力ｍ）に関する
ラウドスピーカからの音声周波数領域で変換されたインパルス応答のlB回の繰返
しでのｋ番目の適応フィルタ係数である。μ1は（後述する）ステップサイズで
ある。
【００３５】 Ｆm(k;lB)は、lB回の繰返しの間のｋ番目の周波数帯域における入力ｍの係数
である。Ｈm(k;lB+1)は、lB回の繰返しの間にｋ番目の周波数バンドにおいて、
（ラウドスピーカからビームフォーマ出力への）全ての入力にわたり更新された
周波数領域変換されたインパルス応答である。
【００３６】
【外１】 EP-A-0954850号に従うＦＳＢの場合において、分母は（近似的に）１に等しいた
めに、全てのｋについてμ1(k)＝１である。同様に、ＦＳＢの特別なケース、す
なわちＷＳＢのケースでは、以下を選択する場合があり、
【００３７】
【外２】 同じ理由のためにμ1＝１となる。
【００３８】 本質的に好適な実施の形態を及び最良の可能なモードを参照して記載した。こ
れらの実施の形態は関連する装置の限定的な例として解釈されるものではないこ
とを理解されるであろう。特許請求の範囲内にある様々な変更、特徴及び機能の
結合は、当業者が到達することができるものである。
【００３９】 上述した技術は、複数のラウドスピーカを実現する技術により結合される場合
がある。そこでは、ビルディングブロック９は、ラウドスピーカが存在するのと
同じ数だけ存在する。ステレオエコーキャンセリングもまた、適用することがで
きる。加えて、ダイナミックエコーサプレッサ（ＤＥＳ）は、追加のエコー抑圧
を提供するために、装置１の遠端の出力に結合される場合がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による、音声エコーキャンセレーションのための適応手段と、複数の入
力信号のビームフォーミングのための適応手段を有するオーディオ処理装置の実
施の形態を示す図である。
【図２】 本発明によるオーディオ処理装置における適用のために音声エコーキャンセラ
手段を実現する周波数領域適応フィルタ（ＦＤＡＦ）のプリプロセッサの部分及
びポストプロセッサの部分を示す図である。
【図３】 図２の装置における適用のための適応総和フィルタの適応スキームを示す図で
ある。エコーキャンセリングフィルタの係数は記憶されて更新される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ１０Ｌ 21/02 Ｇ１０Ｌ 3/02 ３０１Ｇ Ｈ０４Ｍ 1/00 3/00 ５４５Ａ 1/60 ５５１Ｓ ５５１Ａ (72)発明者 ヤンセ，コルネリス ペー オランダ国，5656 アーアー アインドー フェン，プロフ・ホルストラーン ６ Ｆターム(参考） 5D015 EE05 EE06 5K027 AA07 AA09 AA11 BB03 DD10 HH03 5K046 BB01 HH02 HH24 HH69 HH79

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数の入力信号が適応ビームフォーミングと適応エコーキャ
    ンセリングからなる結合処理を受ける方法であって、 それぞれの入力信号について、前記適応エコーキャンセリングの個々の処理履
    歴が保持され、現在の適応ビームフォーミングのデータと結合される、ことを特
    徴とする方法。
  2. 【請求項２】 前記結合された適応処理は、それぞれの入力信号が音声経路
    及びビームフォーマ経路を含む並列な経路を通過するように構成され、該並列経
    路における信号は合計されて処理される、ことを特徴とする請求項１記載の方法
    。
  3. 【請求項３】 前記適応ビームフォーミングは、入力信号のフィルタリング
    又は重み付けに関する、ことを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
  4. 【請求項４】 それぞれの入力信号を提供し、ビームフォーマ経路と直列に
    接続される少なくとも１つの並列な音声経路を備えるオーディオ処理装置であっ
    て、 適応ビームフォーマと適応エコーキャンセラを備え、 前記適応エコーキャンセラには、それぞれの入力信号に関連して、現在の適応
    ビームフォーミングデータと結合するための適応エコーキャンセリングデータの
    個々の処理履歴を記憶するための記憶手段が設けられる、ことを特徴とする装置
    。
  5. 【請求項５】 前記オーディオ処理装置は、それぞれの入力信号が音声経路
    及びビームフォーマ経路を含む並列な経路を通過するように構成され、該並列経
    路における信号は合計されて処理される、ことを特徴とする請求項４記載のオー
    ディオ処理装置。
  6. 【請求項６】 前記適応ビームフォーマは、フィルタリングされたビームフ
    ォーマ及び／又は重み付けされたビームフォーマである、ことを特徴とする請求
    項４又は５記載のオーディオ処理装置。
  7. 【請求項７】 前記適応エコーキャンセラは、たとえば、時間領域適応フィ
    ルタ、又は周波数領域適応フィルタのような変換領域適応フィルタを備える、こ
    とを特徴とする請求項４乃至６のいずれか記載のオーディオ処理装置。
  8. 【請求項８】 前記適応フィルタは、少なくとも１つのラウドスピーカの入
    力スペクトルと正規化された更新データの一部とを計算するための第１セクショ
    ンと、エコーキャンセリング係数の更新データの畳み込み及び計算を実行するた
    めの第２セクションを備える、ことを特徴とする請求項４乃至７のいずれか記載
    のオーディオ処理装置。
  9. 【請求項９】 第２適応エコーキャンセラセクションは、ビームフォーマフ
    ィルタリング又は重み付け係数を受信するための入力を有する適応総和フィルタ
    を備え、該総和フィルタは、それぞれの入力信号に関連して、現在の適応ビーム
    フォーミングデータと結合するための適応エコーキャンセリングデータの個々の
    処理履歴を記憶するための記憶手段を備える、ことを特徴とする請求項８記載の
    オーディオ処理装置。
  10. 【請求項１０】 オーディオブロードキャストシステム、オーディオ及び／
    又はビデオ会議システム、移動電話システムのような電話におけるような音声強
    調、音声認識システム、話者認証システム、音声コーダ等に見られるような、か
    つ請求項４乃至９のいずれか記載のオーディオ処理装置を有する通信システムで
    あって、 該オーディオ処理装置は、少なくとも１つのラウドスピーカと、該少なくとも
    １つのラウドスピーカと音声経路を介して接続され、それぞれの入力信号を提供
    するための複数のマイクロフォンと、適応ビームフォーマ及び適応エコーキャン
    セラを備え、前記適応エコーキャンセラには、それぞれの入力信号に関連して、
    現在の適応ビームフォーミングデータと結合するための適応エコーキャンセリン
    グデータの個々の処理履歴を記憶するための記憶手段が設けられる、ことを特徴
    とする通信システム。
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