JP2004507767A - 目的信号源から雑音環境に放射される信号を処理するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、トランスデューサアレー（１０）の目的信号源方向ψ_ｓに位置する目的信号源（２０）から雑音環境に放射される信号を処理するシステム及び方法に関し、本方法は、少なくとも１つのビーム形成器出力信号ｙ′_ｉ（ｎ）（ｉ＝１〜Ｎ）を生成するべく、ビーム形成器（３０Ｉ、３０ＩＩ）の所望の所定のフィルタ特性を定義するフィルタ係数に従って信号を受信、変換、及びフィルタリングする段階と；目的信号源方向ψ_ｓを表す制御信号ｔ（ｎ）を生成する段階と；を有している。このようなシステム及び方法を最小限の演算量及びメモリ容量によってあらゆる目的信号源方向ψ_ｓにおいて明瞭な信号の受信が実現するように改良することが本発明の目的である。この目的は、ビーム形成器（３０Ｉ、３０ＩＩ）が目的信号源方向ψ_ｓにおいて目的信号源（２０）用の所定のフィルタリング特性を備えるよう、制御信号ｔ（ｎ）に応答して生成される調節可能なフィルタ係数を提供することによって実現される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、雑音混入信号を受信し、それぞれが個別に対応するトランスデューサ出力信号を生成するＭ個のトランスデューサを備えたトランスデューサアレーと、所定のフィルタリング特性（例：所望の視線方向）を定義するフィルタ係数を有し少なくとも１つの出力信号ｙ′_ｉ（ｎ）（ｉ＝１〜Ｎ）を生成するべくＭ個のトランスデューサ出力信号を受信及びフィルタリングするビーム形成器と、を有し、トランスデューサアレーの目的信号源方向ψ_ｓに位置する目的信号源から雑音環境に放射される信号を処理するシステムに関する。
【０００２】
又、本発明は、このシステムによって実行される、目的信号源から雑音環境に放射された信号を処理する方法にも関する。
【０００３】
（発明の背景）
ビーム形成システムは、通常、複数トランスデューサのアレーで受信した信号を処理することにより、受信信号品質を改善するために使用されており、トランスデューサアレーによる信号処理は、雑音環境に放射された所望の信号を取得する受信システムの性能向上に利用することができる。ビーム形成法を使用すれば、ビーム形成フィルタ係数を変化させることにより、所望の信号源に対してトランスデューサアレーの最大感度（視線方向）を操向することが可能であり、このようなアプリケーションの代表例は、無線通信、レーダー信号処理、水中音響、並びにテレビ電話会議やハンズフリーシステムの音声取得に見ることができる。
【０００４】
当技術分野においては、相反定理により、信号源とレシーバが互いに交換可能であって、信号のフロー方向を変えると共に受信トランスデューサを送信トランスデューサと置換することにより、対応する信号をトランスデューサアレーから方向ψ_ｓに放射可能であることが知られている。
【０００５】
文献において、既に様々なビーム形成法が広範に研究されている。最も数多く研究された方法の１つがフィルタ係数を受信信号特性に応じて調節する適応型のビーム形成であり、周知の適応型ビーム形成法がフロストによって提案されている（フロスト Ｏ． Ｌ．（Ｆｒｏｓｔ Ｏ． Ｌ．）による「線形制約付き適応型アレー処理用アルゴリズム（Ａｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｌｉｎｅａｒｌｙ ｃｏｎｔｒａｉｎｅｄ ａｄａｐｔｉｖｅ ａｒｒａｙ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）」、ＩＥＥＥ会議録（Ｐｒｏｃ． ＩＥＥＥ）、第６０巻、第８号、９２６〜９３５ページ、１９７２年８月）。このフロストの方法は、グリフィス及びジムによって更に発展している（グリフィス Ｌ． Ｊ．（Ｇｒｉｆｆｉｔｈｓ Ｌ． Ｊ．）、ジム Ｃ． Ｗ．（Ｊｉｍ Ｃ． Ｗ．）による「線形制約付き適応型ビーム形成の代替方法（Ａｎ ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｌｉｎｅａｒｌｙ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ ａｄａｐｔｉｖｅ ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ）」、ＩＥＥＥ報告書「アンテナ伝播」（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ａｎｔｅｎｎａｓ Ｐｒｏｐａｇ．）、第ＡＰ−３９巻、第１号、２７〜３４ページ、１９８２年１月）。これらの適応型ビーム形成器に伴う基本的な問題点は、ビーム形成器の出力信号における雑音をキャンセルするべく適応型フィルタが設計されているにも拘わらず、実際には、雑音推定値に所望の信号に関連する成分が含まれていることである。即ち、これらの適応型フィルタにおいては、雑音が抑制されるだけでなく所望の信号に予期しない歪が発生するのであり、このような相関性は、通常、マルチパス伝播、視線方向のミスアライメント、又は伝播媒体における不適切なモデル化及び変動によって発生する。
【０００６】
この所望の信号の歪を軽減するには、所与のアプリケーションに最適化された固定ビーム形成フィルタを設計することが有利である。
【０００７】
（新）固定ビーム形成実装の利点は、信号源及び媒体、並びに所望の性能基準に関するアプリオリな知識に基づいて固定フィルタ係数を最適化することができることであり、この結果、フィルタリング性能が決定論的になる。
（旧）固定ビーム形成実装の利点は、フィルタリング性能が決定論的な（ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ）ことである。信号源及び媒体、並びに所望の性能基準に関するアプリオリな知識に基づいて固定フィルタ係数を最適化することができる。
【０００８】
このような設計は、アレー形状（トランスデューサの配置）とサンプリングの時間間隔によって時空間サンプリンググリッドが定義される時空間フィルタの設計問題として取り扱うことができる。当技術分野においては、所望の信号に歪を引き起こすことなく、時空間サンプリンググリッドと、対応するビーム形成器フィルタ係数の両方を最適化できることが知られている（カジャラ Ｍ．（Ｋａｊａｌａ Ｍ．）、ハマライネン Ｍ．（Ｈａｍａｌａｉｎｅｎ Ｍ．）による「雑音環境における音声強調用の広帯域ビーム形成の最適化（Ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｓｐｅｅｃｈ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｉｎ ｎｏｉｓｙ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ）」”、オーディオ及び音響に対する信号処理の適用に関するＩＥＥＥワークショップ、（ＩＥＥＥ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｏ Ａｕｄｉｏ ａｎｄ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ）、１９９９年１０月）。以下に、図１０〜図１２を参照し、このようなシステム及び方法について詳細に説明する。
【０００９】
図１０のシステムは、複数のトランスデューサ１０−ｊ（ｊ＝１〜Ｍ）を備えたトランスデューサアレー１０を有している。これらのトランスデューサは、信号源２０から放射され、雑音が混入或いは重畳した信号を受信する。これらのトランスデューサは、例えば、圧力信号を受信して電気信号に変換するマイクロホンであってよい。
【００１０】
前記信号源は、トランスデューサアレー１０の目的信号源方向ψ_ｓに位置している。図１１に示しているように、この目的信号源方向ψ_ｓは、通常、トランスデューサアレー１０（この図１１では、座標系の中心に位置していると仮定している）から見た目的信号源の空間的な三次元の位置を、例えば、デカルト座標ψ_ｓ＝（Ｘ_ｓ，Ｙ_ｓ，Ｚ_ｓ）や球座標ψ_ｓ＝（ｒ_ｓ，φ_ｓ，θ_ｓ）で表している。尚、信号は、遠距離場から到来する場合には平面波としてモデル化することが可能であり、この場合には、距離ｒ_ｓは不要となり、信号源方向ψ_ｓは、要素数が減少してψ_ｓ＝（φ_ｓ，θ_ｓ）となる。
【００１１】
このような信号を受信すると、図１０に示すトランスデューサアレー１０のトランスデューサ１０−１〜１０−Ｍがアナログ信号を生成し、この信号がマルチチャネルＡ／Ｄコンバータ１５によってサンプリングされる。そして、このサンプリング信号Ｘ_１（ｎ）〜Ｘ_Ｍ（ｎ）が初級ビーム形成器３０に供給される。このビーム形成器は、Ｍ個のＦＩＲフィルタ３５−１〜３５−Ｍを有するフィルタバンクとして示されており、このビーム形成器３０の出力信号ｙ′（ｎ）は、各ＦＩＲフィルタの出力信号ｘ′_１（ｎ）〜ｘ′_Ｍ（ｎ）をそれぞれ積算することによって形成される。
【００１２】
ビーム形成器３０は、適切な固定フィルタ係数の組を有するフィルタを使用することにより、トランスデューサアレー１０のビーム形状を特定の視線方向ψ_ｉに対して操向するように適合されている。ビーム形成器のこの視線方向ψ_ｉは、通常、目的信号源方向ψ_ｓとは必ずしも一致しない。
【００１３】
信号が信号源２０から雑音環境に放射された場合、サンプリングされたトランスデューサ信号ｘ_１（ｎ）〜ｘ_Ｍ（ｎ）には雑音が混入している。但し、ビーム形成器３０の指向性が正しく調節され、視線方向ψ_ｉが目的信号源方向ψ_ｓと一致すれば、トランスデューサ信号の雑音成分は大幅に抑制される。フィルタバンク３０の出力信号ｙ′（ｎ）は、信号源２０から放射された信号を推定したものである（即ち、フィルタリングされた信号ｙ′（ｎ）の信号対雑音比ＳＮＲやその他の品質に関する適切な尺度が極大化されている）。しかしながら、図１０のビーム形成器３０の場合には、１組の固定フィルタ係数しか有していないため、このシステムを効果的に使用するには、目的信号源方向ψ_ｓに関するアプリオリな知識が必要であり、ビーム形成器出力信号ｙ′（ｎ）の品質を向上させるためには、適切な固定フィルタ係数の組を提供してビーム形成器の視線方向ψ_ｉを目的信号源方向ψ_ｓにアライメントする必要がある。
【００１４】
例えば、移動する信号源を追跡するべく、複数の所定の視線方向ψ_ｉ（ｉ＝１〜Ｎ）に対して初級ビーム形成器の指向性を連続的にアライメントしようとすれば、使用前にそれぞれの所定の視線方向ψ_ｉ用の個別の固定フィルタ係数の組をメモリに保存してフィルタに実装しておく必要があり、これは非常に非効率的である。従って、図１０に示すシステムは、トランスデューサアレー１０の様々な目的方向ψ_ｓ，ｐ（ｐ＝１〜Ｐ）に位置する様々な信号源から放射される信号を処理するのには適していない。
【００１５】
図１２は、この初級ビーム形成器の欠点を次善的に（ｓｕｂｏｐｔｉｍａｌｌｙ）克服する能力を有する上級ビーム形成器３０’を示している。この上級ビーム形成器３０’は、Ｎ個（Ｎ≧１）のフィルタバンク３０−１〜３０−Ｎを有しており、ビーム形成器出力信号ｙ′_１（ｎ）〜ｙ′_Ｎ（ｎ）を同時に算出するべく適合されている。
【００１６】
それぞれのフィルタバンクはＭ個の有限インパルス応答ＦＩＲフィルタを有しており、これらのフィルタがマルチチャネルＡ／Ｄコンバータ１５の出力である次式に示す同一の入力信号ベクトルを受信する。
【００１７】
【数４】

【００１８】
ｉ（＝１〜Ｎ）個の各フィルタバンクのＭ個のフィルタ３５−ｉ−１〜３５−ｉ−Ｍは、それぞれ個別の固定フィルタ係数の組によって特徴付けられており、この結果、各フィルタバンクは、Ｎ個の視線方向ψ_ｉ（ｉ＝１〜Ｎ）の中の１つに適合されている。
【００１９】
図１２のビーム形成器の出力信号（即ち、フィルタバンク３０−１〜３０−Ｎの出力信号）は、次のように表すことができる。
【００２０】
【数５】

【００２１】
ここで、Ｌ_ｉ，ｊは、固定フィルタ係数ｈ_{ｉ，ｊ，ｋ}（ｋ＝０〜Ｌ_ｉ，ｊ）を備えるフィルタ３５−ｉ−ｊの長さである。すべてのｉ（＝１〜Ｎ）及びｊ（＝１〜Ｍ）においてＬ_ｉ，ｊ＝Ｌと仮定すると、ｉ番目の出力信号ｙ′_ｉ（ｎ） は、次の形態で書き換えることができる。
【００２２】
【数６】

【００２３】
トランスデューサアレーに対して放射される信号の最良の推定値を表す所望の出力信号として、信号ｙ′_ｉ（ｎ）（ｉ＝１〜Ｎ）の１つを選択することができる。
【００２４】
この選択動作はミキサー６０によって実行されるが、このミキサーはＮ個のビーム形成器出力信号ｙ′_ｉ（ｎ）（ｉ＝１〜Ｎ）の中からＰ個の信号を選択することが好ましい。これらＰ個の選択信号は、ビーム形成器出力信号の個別の視線方向ψ_ｉが目的信号源方向ψ_ｓ，ｐ（ｐ＝１〜Ｐ）に少なくとも近づいた際に、各目的信号源方向ψ_ｓ，ｐのＰ個の異なる信号源２０−１〜２０−Ｐから放射されるＰ個の信号ｙ_ｐ（ｎ）（ｐ＝１〜Ｐ）を表している。更に、ミキサー６０は、信号源２０−１〜２０−Ｐを表す１つ又は複数のビーム形成器出力信号ｙ′_ｉ（ｎ）を１つの出力信号ｙ_ｐ（ｎ）に合成することが可能であり、この信号は、例えば、テレビ電話会議の場合に望ましいものである。尚、単純な実装において、異なる視線方向間の切り換えが好ましい場合には、このミキサーをマルチプレクサに置き換えることが可能である。この出力信号の選択は、制御信号をミキサー６０に供給するビーム形成器出力制御ユニット７０によって実行される。この制御ユニット７０は、通常、ミキサー６０に対し、最良のフィルタリング性能を備えたビーム形成器出力信号ｙ′_ｉ（ｎ）（例：所望の信号が実際に放射されている方向ψ_ｓ，ｐに最も近い視線方向ψ_ｉ）を選択するように指示を出す。
【００２５】
Ｍ個のトランスデューサ１０−１〜１０−Ｍと長さＬのＭ＊Ｌの有限インパルス応答ＦＩＲフィルタ３５−ｉ−１〜３５−ｉ−Ｍを有する図１２の従来技術によるシステムが、Ｓ個（Ｓ≦Ｎ）の信号を並行してフィルタリングするためには、メモリ内に次の数の係数を維持する必要がある。
【００２６】
Ｍｅｍ_ｐｒｉ（Ｓ）＝Ｍ＊Ｌ＊Ｎ　　　　（３）
【００２７】
この場合、Ｓ個の同時ビーム形成器出力信号ｙ′_ｉ（ｎ）を形成するためのサンプリングインターバルごとの演算負荷は、少なくとも次の数の乗算及び加算によって定義される。
【００２８】
Ｌｏａｄ_ｐｒｉ（Ｓ）＝Ｍ＊Ｌ＊Ｓ　　　（４）
【００２９】
更に、上級ビーム形成器（ａｄｖａｎｃｅｄ ｂｅａｍｆｅｒｍｅｒ）３０’で利用できるのは、Ｎ個のフィルタバンクによって形成された最大数Ｎの所定の固定視線方向に限定されている。
【００３０】
しかしながら、信号は、これら所定のＮ個の視線方向ψ_ｉ（ｉ＝１〜Ｎ）のいずれとも一致しない目的信号源方向ψ_ｓ，ｐからも放射される可能性があり、この場合には、本システムの動作は次善のものとなり、その精度は、信号源から信号が放射される実際の目的信号源方向ψ_ｓ，ｐとビーム形成器が調節されている視線方向ψ_ｉ間の差によって決定される。
【００３１】
図１２の従来技術によるシステムは、ビーム形成器のそれぞれの所望の視線方向ψ_ｉごとに、個別の固定フィルタ係数の組によって動作する別個のフィルタバンクを提供しなければならないという欠点を有している。又、この図１２のシステムの場合には、固定係数によって定義されたビーム形成器の所定の視線方向ψ_ｉのいずれにも正確に一致しない目的信号源方向ψ_ｓ，ｐから放射される信号に対しては、次善レベルの（最適なレベルではない）受信及び回復（ｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ）しか提供されないのである。
【００３２】
本発明では、所謂一次元（１−Ｄ）多項式フィルタの理論を利用する。当技術分野においては、可変一次ＦＩＲフィルタの係数を多項式として表すことができることが知られている。多項式に基づいたフィルタは、可変遅延（ファロウ Ｃ． Ｗ．（Ｆａｒｒｏｗ Ｃ． Ｗ）による「連続可変デジタル遅延素子（Ａ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ ｖａｒｉａｂｌｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｄｅｌａｙ ｅｌｅｍｅｎｔ）」、ＩＳＣＡＳ−８８、２６４１〜２６４５ページ、１９８８年）、非整数遅延フィルタリング（ラークソ Ｔ． Ｉ．、（Ｌａａｋｓｏ Ｔ． Ｉ）、バリマキ Ｖ．（Ｖａｌｉｍａｋｉ Ｖ）、カージャライネン Ｍ．（Ｋａｒｊａｌａｉｎｅｎ Ｍ．）、レーン Ｕ． Ｋ．（Ｌａｉｎｅ Ｕ． Ｋ）による「単位遅延の分割−非整数フィルタの設計ツール（Ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｔｈｅ ｕｎｉｔ ｄｅｌａｙ − ｔｏｏｌｓ ｆｏｒ ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ ｆｉｌｔｅｒ ｄｅｓｉｇｎ）」、ＩＥＥＥ信号処理マガジン（ＩＥＥＥ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｍａｇａｚｉｎｅ）、３０〜６０ページ、１９９６年１月）、デジタルレシーバ（タッカネン Ｖ．（Ｔｕｕｋｋａｎｅｎ Ｖ．）、ベスマ Ｊ．（Ｖｅｓｍａ Ｊ．）、レンフォース Ｍ．（Ｒｅｎｆｏｒｓ Ｍ．）による「デジタルレシーバにおける補間と最尤シンボルタイミングの合成（Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｘｉｍｕｍ ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ ｓｙｍｂｏｌ ｔｉｍｉｎｇ ｉｎ ｄｉｇｉｔａｌ ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ）」、ユニバーサルパーソナル通信レコードに関する１９９７年ＩＥＥＥ第６回国際会議（１９９７ ＩＥＥＥ ６ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｒｅｃｏｒｄ）、第２巻、６９８〜７０２ページ、１９９７年）、デジタルモデム（エラップ Ｌ．（Ｅｒｕｐ Ｌ．）、ガードナー Ｆ． Ｍ．（Ｇａｒｄｎｅｒ Ｆ． Ｍ）、ハリス Ｒ． Ａ．（Ｈａｒｒｉｓ Ｒ． Ａ．）により「デジタルモデムにおける補間−第２部「実装と性能」（Ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ ｉｎ ｄｉｇｉｔａｌ ｍｏｄｅｍｓ − Ｐａｒｔ ＩＩ； ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）」、通信に関するＩＥＥＥ報告書（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． ｏｎ Ｃｏｍｍ）、第４１巻、第６号、９９８〜１００８ページ、１９９３年６月）、及び音響管のモデル化（バリマキ Ｖ．（Ｖａｌｉｍａｋｉ Ｖ．）による「非整数遅延フィルタを使用する音響管の離散時間モデル化（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ−ｔｉｍｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｔｕｂｅｓ ｕｓｉｎｇ ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ ｄｅｌａｙ ｆｉｌｔｅｒｓ）」、博士論文（Ｐｈ． Ｄ． Ｔｈｅｓｉｓ）、ヘルシンキ工科大学（Ｈｅｌｓｉｎｋｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）、オタニーミ、１９９５年度第３７号レポート、９５〜１０４ページ、１９９５年）に適用されている。これらすべての方法は、信号の強度スペクトルに影響を与えずに、単一の一次ＦＩＲフィルタの遅延特性を調節することを目的とするものである。尚、可変カットオフ周波数を有する可変一次ＦＩＲフィルタ用の更なる設計方法は、デンからも提案されている（デン Ｔ． Ｂ．（Ｄｅｎｇ Ｔ． Ｂ．）による「任意可変一次ＦＩＲデジタルフィルタ用の加重最小二乗法（Ｗｅｉｇｈｔｅｄ ｌｅａｓｔ−ｓｑｕａｒｅｓ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ａｒｂｉｔｒａｒｉｌｙ ｖａｒｉａｂｌｅ １−Ｄ ＦＩＲ ｄｉｇｉｔａｌ ｆｉｌｔｅｒｓ）、信号処理（Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）、第８０巻、５９７〜６１３ページ、２０００年）。
【００３３】
連続的に可変なデジタル遅延のためのファロウ（Ｆａｒｒｏｗ）が提案した最適フィルタ構造は、一次多項式に基づいたＦＩＲフィルタ用に一般化されており、当技術分野においては、この所謂ファロウ構造を使用し、単一の制御パラメータによるフィルタ特性の調節をサポートする一次多項式に基づいたＦＩＲフィルタを実装できることが知られている。
【００３４】
図１０の初級ビーム形成器の視線方向を操向するべく、可変遅延フィルタを利用してトランスデューサ信号を予備処理することはできるが、この種の実装には、いくつかの欠点がある。即ち、視線方向がオリジナルの初級ビーム形成器の設計視線方向と異なると、初級ビーム形成器の最適フィルタリング特性が劣化し、十分な性能を有する一次非整数遅延ＦＩＲフィルタを実装するには、かなり高次のフィルタ次数が必要であり、各トランスデューサ信号には、相互依存する別個の制御パラメータが必要なのである。
【００３５】
（発明の要約）
このような状況に鑑み、雑音環境に放射された信号を処理するシステム及び方法を、最小限の演算量とメモリ容量により、あらゆる目的信号源方向ψ_ｓにおいて明瞭に受信できるように改良することが本発明の目的である。
【００３６】
この目的は、独立装置請求項１及び独立方法請求項２７の発明（ｓｕｂｊｅｃｔ ｍａｔｔｅｒ）により解決される。
【００３７】
具体的には、これらの目的は、前述のシステムに関しては、目的信号源用の少なくとも１つの物理的な関連パラメータ（特に、目的信号源方向ψ_ｓ）を表す制御信号ｔ（ｎ）を生成するビーム形成器ビーム形状制御システムを提供することよって解決され、このビーム形成器のフィルタ係数は調節可能であり、ビーム形成器が目的信号源方向ψ_ｓにおいて目的信号源用の所定のフィルタリング特性を備えるよう、制御信号ｔ（ｎ）に応答してフィルタ係数を生成するフィルタ係数生成器手段が提供される。
【００３８】
このビーム形成器ビーム形状制御システムには、トランスデューサアレーに関連する目的信号源のすべての関連パラメータ（特に、目的信号源方向ψ_ｓ）を検出する手段が含まれており、本発明によれば、ビーム形成フィルタリング特性は、これらのパラメータ（特に、目的信号源方向に）に対して正確にアライメントされる。
【００３９】
ビーム形成器のフィルタ係数が固定されておらず調節可能であることが本システムの主要な利点である。この調節可能なフィルタ係数により、複数のビーム形成フィルタの効率的な算出が可能となり、この結果、本システムは、特定信号源の前述の物理的パラメータに対して容易に調節することができる。特に、調節可能なフィルタ係数により、本システムは、ビーム形成器の視線方向を連続的且つ滑らかに操向することができる。換言すれば、本システムは、従来技術で周知の上級ビーム形成器が提供しているような所定の目的方向の中の１つに対してではなく、あらゆる所望の目的信号源方向に対して最良の選択性をポイントするように適合されているのである。従って、わずかなメモリと演算パワーにより、あらゆる所望の信号源の任意の位置に対してビーム形成器の視線方向をポイントするべく無限の正確性が提供されており、この結果、あらゆる目的信号源方向に対して最良の所定フィルタリング特性を確立することができる。
【００４０】
本システムが受信する信号を放射する信号源は、その特性や空間的な位置、或いはそれらが生成する信号の周波数によって限定されてはいない。従って、本システムは、信号源から発せられるあらゆる種類の信号に対して適合可能であるという利点を有している。
【００４１】
制御信号ｔ（ｎ）に応答してビーム形成器又はトランスデューサアレーの指向性を自動操向するため、本システムはハンズフリー通信に非常に適している。
【００４２】
本発明のすべての実施例によれば、有利なことに、調節可能なフィルタ係数を備えるビーム形成器は多項式フィルタ特性を備えており、この特性によって、ビーム形成器出力信号を簡単に算出することができる。
【００４３】
有利なことに、フィルタ係数は、固定及び可変フィルタパラメータに分解されている。メモリに保存する必要があるのは、調節可能なビーム形成係数用の固定フィルタパラメータのみであり、従来技術によるシステムと比べて、必要とされるメモリ容量が小さい。又、ビーム形成器の指向性を操向するために変化させることが必要なのは可変フィルタパラメータのみであり、この結果、演算量も減少する。
【００４４】
可変フィルタパラメータの数は、固定フィルタパラメータの数よりも少ないことが好ましく、この場合には、メモリ容量と演算量が減少するという利点がある。
【００４５】
有利なことに、この多項式フィルタ特性の調節可能なフィルタ係数は、次の式によって近似される。
【００４６】
【数７】

【００４７】
ここで、ａ_ｔ（ｊ，ｋ）は固定フィルタパラメータであり、Ｄ_ｉは制御信号ｔ（ｎ）によって表される可変フィルタパラメータのベクトルであり、Ｆ_ｔ（Ｄ_ｉ）はベクトルＤ_ｉの関数である。この補間多項式ｈ_ｊ，ｋ（Ｄ_ｉ）により、複雑な演算を行うことなく、フィルタ係数を簡単に変更することができる。
【００４８】
可変フィルタパラメータの前記ベクトルＤ_ｉは、空間における目的信号源方向ψ_ｓ追跡用の最適な多項式フィルタをモデル化する単一の変数であってよく、例えば、目的信号源方向ψ_ｓの距離ｒ、発射方位φ、及び仰角θを表す３つの変数のベクトルＤ_ｉを使用することにより、空間内で信号源を柔軟に追跡することができる。
【００４９】
形状パラメータ以外に、可変フィルタパラメータのベクトルＤｉは、背景雑音スペクトル、所望の信号帯域幅、信号スペクトル、ビーム形状、温度などの媒体の物理特性、カメラ制御などのシステムパラメータ、又はこれらの組み合わせなどの物理的な関連パラメータの中の１つを表すことも可能である。
【００５０】
関数は、テーラー関数であることが好ましく、これは、適用が容易なためである。但し、関数は、最大誤差を最小化する最適化をサポートするべく、チェビシェフ関数であってもよい。
【００５１】
本発明の第１実施例によれば、システムは、固定フィルタパラメータａ_ｔ（ｊ，ｋ）を保存するメモリと、式ｈ_ｊ，ｋ（Ｄ_ｉ）＝ａ_０（ｊ，ｋ）Ｆ_０（Ｄ_ｉ）＋ａ_１（ｊ，ｋ）Ｆ_１（Ｄ_ｉ）＋．．．＋ａ_Ｔ（ｊ，ｋ）Ｆ_Ｔ（Ｄ_ｉ）に従ってフィルタ係数を調節するフィルタ係数生成手段と、フィルタ係数ｈ_ｊ，ｋ（Ｄ_ｉ）を使用してトランスデューサ出力信号を処理する信号処理手段と、を有している。
【００５２】
有利なことに、この信号処理手段は、次式を使用してビーム形成器出力信号ｙ′_ｉ（ｎ）（ｉ＝１〜Ｎ）を生成するように適合されている。
【００５３】
【数８】

【００５４】
この式による信号ｙ′_ｉ（ｎ）の処理は、制御信号ｔ（ｎ）に応答して可変フィルタパラメータのベクトルＤ_ｉを調節するだけで本システムを任意の目的方向に適合させることができるという利点を有している。この結果、適合に必要な演算量が最小限のものになる。そして、複数のビーム形成器出力信号を並行して算出することにより、所定の判定基準による最適な信号の検出が促進される。
【００５５】
本発明の第２の実施例によれば、ビーム形成器は、中間信号ｙ″_ｔ（ｎ）（ｔ＝０〜Ｔ）を生成するべく、それぞれがＭ個のトランスデューサ出力信号を受信及びフィルタリングする少なくとも２つのフィルタバンクと；制御信号ｔ（ｎ）に応答してビーム形成器出力信号ｙ′_ｉ（ｎ）（ｉ＝１〜Ｎ）を生成するべく、少なくとも２つの中間信号ｙ″_ｔ（ｎ）を受信する少なくとも１つのポストフィルタと；を有しており、フィルタ係数生成器手段が、これらの少なくとも２つのフィルタバンク及び少なくとも１つのポストフィルタの組み合わせにおいて実装されている。
【００５６】
少なくとも２つのフィルタバンクのそれぞれは、次式に従ってトランスデューサ出力信号ｘ_ｊ（ｎ−ｋ）から中間信号ｙ″_ｔ（ｎ）を算出することが好ましい。
【００５７】
【数９】

【００５８】
ここで、ａ_ｔ（ｊ，ｋ）は、所定の固定フィルタパラメータである。ポストフィルタは、次式に従って中間信号ｙ″_ｔ（ｎ）からビーム形成器出力信号ｙ′_ｉ（ｎ）（ｉ＝１〜Ｎ）を算出する。
【００５９】
【数１０】

【００６０】
ここで、Ｄ_ｉは、制御信号ｔ（ｎ）によって表される可変フィルタパラメータのベクトルである。
【００６１】
有利なことに、フィルタバンクには固定フィルタパラメータが格納され、ポストフィルタには可変フィルタパラメータが格納される。これにより、ビーム形成器のビーム形状をアライメントするための固定及び可変フィルタパラメータが適切に分離されている。
【００６２】
本発明のすべての実施例において、トランスデューサは、線形、二次元、又は三次元でトランスデューサアレー１０内に配列されることが好ましい。更に、それらのトランスデューサは、全方向性、双方向性、又は更に複雑な方向感度特性、或いはこれらの組み合わせを有することができる。この結果、あらゆる種類の信号特性に対する最適な信号の受信が実現される。尚、トランスデューサの感度特性については、ビーム形成フィルタの設計手順において勘案することが可能であり、この結果、それらによって本発明が制限されることはない。
【００６３】
トランスデューサアレー内のトランスデューサは、音響信号を受信するマイクロホン、電磁信号を受信するアンテナ素子、又は水中の音響信号を受信する水中マイクロホンとして実施することが好ましい。
【００６４】
本システムは、有利なことに、少なくとも２つのビーム形成器出力信号ｙ′_ｉ（ｎ）を受信して処理する少なくとも１つのミキサーを有している。この結果、特定の目的信号源方向又はそれらの組み合わせを選択して更なる処理を施すことができる。
【００６５】
ビーム形成器の出力信号ｙ′_ｉ（ｎ）におけるエコー現象をキャンセルするべく、本システムは、エコーキャンセルユニットを有するほうが有利である。
【００６６】
本システムは、制御信号ｔ（ｎ）に応答してエコーキャンセルユニットを制御するエコーキャンセル制御ユニットを有するほうが有利である。この結果、エコーキャンセルユニットの性能が向上する。
【００６７】
更に、ビーム形成器の出力信号ｙ′_ｉ（ｎ）における雑音をキャンセルするために、本システムは、ノイズキャンセルユニットを有するほうが有利である。
【００６８】
本システムは、制御信号ｔ（ｎ）に応答してノイズキャンセルユニットを制御するノイズキャンセル制御ユニットを有するほうが有利である。この結果、ノイズキャンセルユニットの性能が向上する。
【００６９】
本発明の目的は、目的信号源から放射され、雑音環境で受信された信号を処理する方法請求項２７による方法によって更に解決されるが、この方法の利点は、前述の本システムの利点と同一である。
【００７０】
（好適な実施例の説明）
本発明の特定の実施例について説明する前に、本発明のすべての実施例に関連する事項について述べることにする。
【００７１】
本発明によるシステムのすべての実施例と図１２に示す従来技術によるシステムとの間で大幅に異なっているのは、ビーム形成器の実施例とその動作のみである。従って、本発明による実施例における信号源２０−ｐ、トランスデューサアレー１０、マルチチャネルＡ／Ｄコンバータ１５、ミキサー６０、及びビーム形成器出力制御ユニット７０、並びにそれらの個別の動作は、図１２の個別のコンポーネント及び動作に対応しており、これは、目的信号源方向ψ_ｓ，ｐとビーム形成器の視線方向ψ_ｉの定義についても同様である。
【００７２】
本発明によるビーム形成器３０の２つの実施例について説明する。これら両方の実施例によれば、ビーム形成器は、入力信号ｘ_１（ｎ）〜ｘ_Ｍ（ｎ）を受信し、次の同一の式を使用してビーム形成器出力信号ｙ′_ｉ（ｎ）を算出する。
【００７３】
【数１１】

【００７４】
この式５において、項ｈ_ｊ，ｋ（Ｄ_ｉ）は、ビーム形成器の調節可能なフィルタ係数を表しており、これらは、次の多項式によって非常に一般的な方法で算出することができる。
【００７５】
【数１２】

【００７６】
ここで、ａ_ｔ（ｊ，ｋ）は固定フィルタパラメータであり（ｔ＝０〜Ｔ、ｊ＝１〜Ｍ、及びｋ＝０〜Ｌ−１）、Ｄ_ｉは制御信号ｔ（ｎ）によって提供される可変フィルタパラメータであり、Ｆ_ｔ（Ｄ_ｉ）はＤ_ｉの関数であって、テーラー、チェビシェフ、又はルジャンドル関数であることが好ましい。
【００７７】
従って、本発明によるビーム形成器のすべての実施例では、可変フィルタパラメータＤ_ｉを調節するだけで制御可能な多項式フィルタ特性を備えている。このため、本システムは、ビーム形成器の指向性の操向における精度が演算手段の数値精度にのみ依存しており、ビームの操向を最小限の演算によって実行可能であるという利点を有している。
【００７８】
ビーム形成器のフィルタリング特性は、様々な最適化基準によって制御可能な最良の性能を実現するべく、可変フィルタパラメータＤ_ｉに応答して制御される。使用する最適化基準は、所望の信号品質尺度とフィルタリング性能によって異なるが、一般的な信号品質尺度は信号対雑音比ＳＮＲである。これは、通常、信号強度対雑音強度の比率として規定されるものであり、本発明において、ＳＮＲを信号品質の一般的な尺度と見なしている。尚、その他の信号品質尺度の例としては、例えば、信号対雑音音量比などの加重信号対雑音強度比、信号対干渉及び雑音比ＳＩＮＲ、信号対雑音マスク比、ビット誤り率ＢＥＲ、信号対干渉比ＳＩＲ、及び同一チャネル干渉ＣＩＲがある。
【００７９】
本発明によれば、信号源は信号を雑音環境に放射する。従って、トランスデューサアレーが受信する信号は、通常、いくつかの信号成分（元々目的信号源から放射された信号、それらの反射成分、残響、方向性及び拡散雑音信号、並びに音響エコーなどのその他の干渉信号）が合成されたものである。本発明においては、ビーム形成器の視線方向ψ_ｉ以外の方向から到来するすべての信号成分は、ビーム形成フィルタによって雑音と見なされる。従って、信号に対するマルチパス伝播現象の等化を試みることは本発明が主題とするところではない。逆に、目的信号源方向から到来する信号を受信し、その他の方向からの信号（即ち、雑音）を抑制するべくビーム形成が最適化される。
【００８０】
図１は、本発明によるビーム形成器の第１実施例を示している。このビーム形成器３０Ｉは、信号処理手段３０Ｉａ、フィルタ係数生成器手段３０Ｉｂ、及びメモリ３０Ｉｃを有している。
【００８１】
信号処理手段３０Ｉａは、式５によってビーム形成器出力信号ｙ′_ｉ（ｎ）を生成するべく、マルチチャネルＡ／Ｄコンバータ１５から出力された入力信号ｘ_１（ｎ）〜ｘ_Ｍ（ｎ）とフィルタ係数生成手段３０Ｉｂからのフィルタ係数ｈ_ｊ，ｋ（Ｄ_ｉ）を受信する。
【００８２】
尚、図２に、この初級ビーム形成器用の信号処理手段の実装が示されている。
【００８３】
メモリ３０Ｉｃが設けられ、フィルタ係数生成器手段３０Ｉｂにアクセスできるよう、いくつかの固定フィルタパラメータａ_ｔ（ｊ，ｋ）の組を保存している。
【００８４】
フィルタ係数生成器手段３０Ｉｂは、前記メモリ３０Ｉｃから前記固定フィルタパラメータａ_ｔ（ｊ，ｋ）を、更にビーム形成器ビーム形状制御システムから制御信号ｔ（ｎ）を受信し、信号処理手段３０Ｉａに出力される前にビーム形成器３０Ｉａのフィルタ係数を調節する。
【００８５】
図３は、次式によってフィルタ係数ｈ_ｊ，ｋ（Ｄ_ｉ）を生成するべく、固定フィルタパラメータａ_ｔ（ｊ，ｋ）と可変フィルタパラメータＤ_ｉを受信する前記フィルタ係数生成器手段３０Ｉｂの特定の実施例を示している。
【００８６】
【数１３】

【００８７】
本発明の第１実施例による式６、７及び式５の組み合わせから明らかなように、ビーム形成器の操作（特に、目的信号源方向に対するビーム形成フィルタのフィルタリング特性（例：視線方向）の操向）は、制御信号ｔ（ｎ）によって提供される操作パラメータＤ_ｉを変化させるだけで可能である。即ち、本システムは、ビーム形状、視線方向、又はビーム形成器のその他のフィルタ特性の操作を最小限の演算によって実行することができるという利点を備えている。
【００８８】
前記制御信号ｔ（ｎ）は、ビーム形成器ビーム形状制御システム４０からフィルタ係数生成器手段３０Ｉｂに供給される。
【００８９】
前記ビーム形成器ビーム形状制御システム４０は、目的信号源２０の少なくとも１つの物理的な関連パラメータ（特に、信号が現在放射されている目的信号源方向ψ_ｓ）を検出する。そして、制御システム４０は、検出したこの物理的パラメータに基づき、割り当てテーブルを利用して可変フィルタパラメータＤ_ｉを表す前記制御信号ｔ（ｎ）を生成する。
【００９０】
各可変フィルタパラメータＤ_ｉは、信号源の方向、信号源の距離、雑音スペクトル、信号帯域幅、信号スペクトル、ビーム形状、媒体の物理特性、カメラ制御、又はこれらの組み合わせからなるパラメータの１つをそれぞれ表している。
【００９１】
式６によれば、ビーム形成器のフィルタ係数は、可変フィルタパラメータＤ_ｉに応答して調節可能である。フィルタ係数を調節することにより、検出した物理パラメータが示している目的信号源の現在の情報に対してビーム形成器のフィルタリング特性が適合される。即ち、ビーム形成器のビーム形状が、検出された或いは追跡された目的信号源方向ψ_ｓにアライメントされるのである。
【００９２】
好適な実施例においては、信号源は車両内のスピーカである。この場合、ビーム形成器ビーム形状制御システムは、目的信号源方向ψ_ｓとしてスピーカの方向を視覚的に追跡可能であり、例えば、米国特許第４，７４１，０３８号に音響サウンド追跡システムが開示されている。
【００９３】
図４は、本発明によるビーム形成器の第２実施例を示している。このビーム形成器３０ＩＩは、少なくとも２つのフィルタバンク３０ＩＩａ及び少なくとも１つのポストフィルタ３０ＩＩｂを有している。
【００９４】
前記フィルタバンク３０ＩＩａ−ｔ（ｔ＝０〜Ｔ）のそれぞれは、サンプリングしたトランスデューサ出力信号ｘ_ｍ（ｎ）（ｍ＝１〜Ｍ）のすべてを受信し、次式に従って中間信号ｙ″_ｔ（ｎ）を生成する。
【００９５】
【数１４】

【００９６】
ここで、ａ_ｔ（ｊ，ｋ）は所定の固定フィルタパラメータである。
【００９７】
そして、フィルタバンク３０ＩＩａ−ｔによって生成された中間信号ｙ″（ｎ）のすべてが少なくとも１つのポストフィルタ３０ＩＩｂ−ｉに個別に伝達され、このポストフィルタにおいて、中間信号が次式に従ってビーム形成器出力信号ｙ′_ｉ（ｎ）に変換される。
【００９８】
【数１５】

【００９９】
ここで、Ｄ_ｉは、可変フィルタパラメータのベクトルである。
【０１００】
図５ａ及び図５ｂは、ポストフィルタの２つの異なる実施例を示しており、いずれの場合にも、ポストフィルタは、式９を実行するべく異なる方式で配列された乗算及び加算ユニットを有している。
【０１０１】
【数１６】

【０１０２】
【数１７】

【０１０３】
【数１８】

【０１０４】
【数１９】

【０１０５】
ここで、Ｆ_ｔ（Ｄ_ｉ）は、次のチェビシェフ関数である。
【０１０６】
【数２０】

【０１０７】
Ｄ_ｉは、次のように設定される。
【０１０８】
【数２１】

【０１０９】
ここで、ｂ_ｔ（ｔ＝０〜Ｔ）は、次のＴ＋１式の線形系から算出される変数である。
【０１１０】
【数２２】

【０１１１】
ここで、ｉ＝０〜Ｔであり、ｈ_ｊ，ｋ（Ｄ_ｉ）は、ビーム形成器の既知のフィルタ係数である。チェビシェフ関数Ｆ_ｔ（Ｄ_ｉ）の周知の帰納式は次のとおりである。
【０１１２】
【数２３】

【０１１３】
次に、ビーム形成器の第２実施例をチェビシェフ関数を使用するべく適合し、２つの異なる実装を提示する。尚、フィルタ係数生成器手段３０Ｉｂがポストフィルタ３０ＩＩｂに対応し、メモリ３０Ｉｃ内の固定係数がフィルタバンク３０ＩＩａ内の固定フィルタパラメータに対応していることを勘案すれば、同様の変更をビーム形成器の第１実施例に対しても簡単に施すことができる点に留意されたい。
【０１１４】
ビーム形成器の第２実施例にチェビシェフ近似を実装する第１の方法は、式１４内の線形系を解いて式８内のａ_ｔ（ｊ，ｋ）をｂ_ｔ（ｊ，ｋ）と置換し、図５ｃに示すポストフィルタを使用して次の最終出力信号を形成することである。
【０１１５】
【数２４】

【０１１６】
図５ｃのポストフィルタは、まず、式１５の帰納式によって所与のＤ_ｉに対して関数Ｆ_ｔ（Ｄ_ｉ）を算出した後に、Ｆ_ｔ（Ｄ_ｉ）（ｔ＝０〜Ｔ）の値を使用して式１６に従って最終出力信号ｙ′_ｉ（ｎ）を形成する。具体的には、図５ｄに、４つの中間信号ｙ″_０（ｎ）〜ｙ″_３（ｎ）の場合のポストフィルタが示されており、この場合には、式１６によってｙ′_ｉ（ｎ）が算出され、関数の値Ｆｔ（Ｄｉ）は、ｔ＝０〜３で式１５の帰納式によって算出される。
【０１１７】
ビーム形成器の第２実施例にチェビシェフ近似を実装する第２の方法は、恐らく演算負荷の観点では最も効率がよい方法であろう。この場合には、図５ｂに示すポストフィルタを使用する。中間出力信号ｙ″_ｔ（ｎ）は、まずｂ_ｔ（ｊ、ｋ）について式１４の線形系を解いた後に、その結果をテーラー多項式の形態に纏めることによって得られる。例えば、Ｔ＝３の場合には、式８の固定フィルタパラメータａ_ｔ（ｊ，ｋ）は、次の式から算出することができる。
【０１１８】
【数２５】

【０１１９】
ここで、固定係数ａ_ｔ（ｊ，ｋ）は、式５、７、８、及び９に相当する。
【０１２０】
ビーム形成器の第２実施例においては、可変フィルタパラメータＤ_ｉは、図１を参照して先程説明したように、ビーム形成器ビーム形状制御システムによって生成される制御信号ｔ（ｎ）の形態でポストフィルタに供給される。
【０１２１】
式９に式８を含めると式５になり、係数ｈ_ｊ，ｋ（Ｄ_ｉ）は式７によって算出されることが指摘されるが、これは、次の変換によって明らかである。
【０１２２】
【数２６】

【０１２３】
従って、ビーム形成器３０Ｉ及び３０ＩＩの動作は、非常に類似している。
【０１２４】
ビーム形成器の第２実施例による多項式フィルタリングでは、次の数の係数をメモリに保存することが必要である。
【０１２５】
【数２７】

【０１２６】
本発明による方法に必要なのは、小さなフィルタ係数の組だけであり、必要とされるメモリ容量は小さい。
【０１２７】
ビーム形成器３０ＩＩは、サンプリングのインターバル当たり、次の数の乗算及び加算演算の演算負荷を有している。
【０１２８】
【数２８】

【０１２９】
この式１９の第１項のＭ＊Ｌ＊（Ｔ＋１）は、フィルタバンクの出力信号である中間信号ｙ″_ｔ（ｎ）の算出に必要な固定数の演算を表している。中間信号の数はビーム形成器出力信号ｙ′（ｎ）の数Ｓからは独立しているため、これらの中間信号ｙ″_ｔ（ｎ）を計算する演算負荷は、実際にいくつの出力信号がポストフィルタ３０ＩＩｂ−ｉによって提供されるか、或いはミキサー６０によって選択されるかには関係なく、第１項では固定されている。
【０１３０】
そして、式１９によれば、Ｓ個の目的方向のそれぞれにＴ個の演算の累積負荷が加算され、ポストフィルタの並行出力信号ｙ′_ｉ（ｎ）が形成される。
【０１３１】
図６に、提供する目的方向の数Ｓと演算負荷の関係を本発明による多項式フィルタリングと当技術分野で周知のシステムとで比較したものが示されている。本発明によるシステムの負荷は式１９に従って算出されたものである。一方、当技術分野で周知のシステムの演算負荷は、式４によって算出している。この図６の両方のラインは、一例として、Ｍ＝５、Ｌ＝４０、Ｔ＝３に基づいたものであり、この図６からわかるように、提供された目的方向の数に応じて必要となる演算負荷の増加量は、当技術分野で周知のシステムと比較すると、本発明によるシステムのほうがかなり小さなものになっている。概略的には、目的方向数がＴ＋１よりも大きい場合には、本発明による方法のほうが当技術分野において周知の方法よりも格段に優れていると言うことができる。
【０１３２】
図７は、ビーム形成器出力信号ｙ′_ｉ（ｎ）をエコー及びノイズキャンセルユニット８２によってフィルタリングする本発明の更なる実施例を示している。このシステムの信号品質の改善は、ビーム形成器によるＳＮＲの改善とエコー及びノイズキャンセルユニット８２による雑音抑制を組み合わせたものになっている。この場合、対象とするビーム形成器フィルタの実装がビーム形成器の第１実施例３０Ｉ及び第２実施例３０ＩＩのいずれに基づいたものであるかは重要ではない。
【０１３３】
一例として、車両の内部などの一般的な音響空間における音響エコーパスは、ラウドスピーカシステム８４とマイクロホンアレー１０間の伝達関数として表される。エコーパスは、ラウドスピーカシステムの方向感度、部屋の音響効果、及びマイクロホンシステムの方向感度の影響を受ける。従って、ビーム形成フィルタリングにおけるあらゆる変化がエコーパスに影響を与えることになる。当技術分野において周知の大部分のエコーキャンセルシステムは、適応型フィルタリングに基づいたものであり、これらの変化に対処する能力を有している。
【０１３４】
但し、ビーム形成器・ビーム形状制御システム４０の動作によるエコーパスの変化を勘案することにより、本発明に従って、このような周知のエコーキャンセルシステムの制御状況を改善することができる。これは、図７に示すように、ビーム形成器ビーム形状制御システム４０が供給する制御信号ｔ（ｎ）に応答して音響エコー及びノイズキャンセルユニット８２を制御する制御ユニット８１を設けることによって実現される。この制御ユニット８１は、不均一な雑音環境で雑音信号スペクトルがマイクロホンアレーの方向感度の関数になる特殊なノイズキャンセルユニット用に実装することも可能である。この場合、ビーム形成器ビーム形状制御システムが検出する信号源追跡方向の変化は、例えば、背景雑音推定の制御に利用される。
【０１３５】
図７に示す方式（特に、エコー及びノイズキャンセルユニット８２の前述の制御）により、信号源追跡における動的なビーム形成に対してキャンセルプロセスが安定したものになる。
【０１３６】
図９ａ、図９ｂ、及び図９ｃは、本システムの全方向性トランスデューサアレー１０が、図８に示すように座標系内に配置された紙面上での本発明によるシステムの方向感度を示している。この図９からわかるように、システムの感度は、最適なものになっている（即ち、信号源２０が実際に信号をトランスデューサアレーに放射する目的信号源方向ψ_ｓに対応する可変フィルタパラメータＤ_ｉを選択した場合に０ｄＢになっている（図９ａにおいては０°、図９ｂにおいては＋／−９０°、図９ｃにおいては＋／−１２０°））。図９ａ、図９ｂ、図９ｃにおいては、この最適な信号の受信状態が白い部分で示されている。これらの図から明らかなように、可変フィルタパラメータＤ_ｉをチューニングして本システムの指向性（視線方向）を別の角度に変化させると、黒い部分で示すように、本システムの感度は低下する。尚、この図９に示しているのは３００Ｈｚ〜３４００Ｈｚの範囲のシステム感度であり、これは音声信号の主要領域である。
【０１３７】
本発明は、信号源から発せられた信号が伝播する媒体の種類や環境によって制限されることはない。媒体に関する唯一の制限は、空間内での２地点間の伝播遅延と減衰が予測可能でなければならないということであり、従って、本発明によるシステムは、例えば、空気中や水中を伝播する信号に適用することができる。
【０１３８】
尚、車両のハンズフリー環境用のオーディオアプリケーションが本発明の好適な実施例を代表するものであるが、本発明は車両内のオーディオアプリケーションに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
以下の添付の図面を参照し、本発明の様々な実施例について詳細に説明する。
【図１】本発明によるシステムの第１実施例を示している。
【図２】図１の信号処理手段の詳細を示している。
【図３】図１のフィルタ係数生成器手段の詳細を示している。
【図４】本発明によるシステムの第２実施例を示している。
【図５ａ】図４のポストフィルタの様々な実施例を示している。
【図５ｂ】図４のポストフィルタの様々な実施例を示している。
【図５ｃ】図４のポストフィルタの様々な実施例を示している。
【図５ｄ】図４のポストフィルタの様々な実施例を示している。
【図６】図４のシステムと従来技術によるシステム間の演算負荷の比較を示している。
【図７】図１及び図４のシステムにおけるエコー及びノイズキャンセルユニットの実装を示している。
【図８】図９ａ〜９ｃが前提とする座標系内のトランスデューサアレーの配置を示す補助図面である。
【図９ａ】ビーム形成器の視線方向を変化させた際の図１及び５のシステムの感度特性の変化を示している。
【図９ｂ】ビーム形成器の視線方向を変化させた際の図１及び５のシステムの感度特性の変化を示している。
【図９ｃ】ビーム形成器の視線方向を変化させた際の図１及び５のシステムの感度特性の変化を示している。
【図１０】当技術分野において周知の初級システムを示している。
【図１１】従来技術及び本発明による目的信号源及びトランスデューサアレーの配列を示す座標系を示している。
【図１２】当技術分野において周知の上級システムを示している。

Claims (27)

1. トランスデューサアレー（１０）の目的信号源方向ψ_ｓに位置する目的信号源（２０）から雑音環境に放射される信号を処理するシステムであって、
   雑音が混入した前記信号を受信し、それぞれが対応するトランスデューサ出力信号を個別に生成するＭ個のトランスデューサを備えるトランスデューサアレー（１０）と、
   所定のフィルタリング特性（例：所望の視線方向）を定義するフィルタ係数を有し、少なくとも１つの出力信号ｙ′_ｉ（ｎ）（ｉ＝１〜Ｎ）を生成するべく前記Ｍ個のトランスデューサ出力信号を受信及びフィルタリングするビーム形成器（３０Ｉ、３０ＩＩ）と、
   前記目的信号源（２０）用の少なくとも１つの物理的な関連パラメータ（特に、前記目的信号源方向ψ_ｓ）を表す制御信号ｔ（ｎ）を供給するビーム形成器ビーム形状制御システム（４０）と、を有するシステムにおいて、
   前記ビーム形成器（３０Ｉ、３０ＩＩ）の前記フィルタ係数は調節可能であり、前記ビーム形成器（３０Ｉ、３０ＩＩ）が前記目的信号源方向ψ_ｓにおいて前記目的信号源（２０）用の所定のフィルタリング特性を備えるよう、前記制御信号ｔ（ｎ）に応答して前記フィルタ係数を生成すべくフィルタ係数生成器手段（３０Ｉｂ）が設けられていることを特徴とするシステム。
2. 前記調節可能なフィルタ係数を備える前記ビーム形成器（３０Ｉ、３０ＩＩ）は、多項式フィルタ特性を備えていることを特徴とする請求項１記載のシステム。
3. 前記フィルタ係数は、固定及び可変フィルタパラメータに分解されることを特徴とする請求項２記載のシステム。
4. 前記可変フィルタパラメータの数は、前記固定フィルタパラメータの数よりも少ないことを特徴とする請求項３記載のシステム。
5. 前記多項式フィルタ特性の調節可能なフィルタ係数は、次の式によって近似され、
   ｈ_ｊ，ｋ（Ｄ_ｉ）＝ａ_０（ｊ，ｋ）Ｆ_０（Ｄ_ｉ）＋ａ_１（ｊ，ｋ）Ｆ_１（Ｄ_ｉ）＋．．．＋ａ_Ｔ（ｊ，ｋ）Ｆ_Ｔ（Ｄ_ｉ）
   ここで、ａ_ｔ（ｊ，ｋ）は、固定フィルタパラメータであり、
   Ｄ_ｉは、前記制御信号ｔ（ｎ）によって表される可変フィルタパラメータのベクトルであり、
   Ｆ_ｔ（Ｄ_ｉ）は、前記Ｄ_ｉの関数であることを特徴とする請求項２記載のシステム。
6. 前記可変フィルタパラメータＤ_ｉは、前記目的信号源方向ψ_ｓを表す単一の変数であることを特徴とする請求項３記載のシステム。
7. 前記可変フィルタパラメータＤ_ｉは、複数の可変フィルタパラメータを格納するベクトルであることを特徴とする請求項３記載のシステム。
8. 前記可変フィルタパラメータは、信号源の方向、信号源の距離、雑音スペクトル、信号帯域幅、信号スペクトル、ビーム形状、媒体の物理特性、カメラ制御、又はこれらの組み合わせからなるパラメータの中の１つを表すことを特徴とする請求項７記載のシステム。
9. 前記関数はテーラー関数であることを特徴とする請求項３記載のシステム。
10. 前記関数はチェビシェフ関数であることを特徴とする請求項３記載のシステム。
11. 前記システムは、
    前記固定フィルタパラメータａ_ｔ（ｊ，ｋ）を保存するメモリ（３０Ｉｃ）と、
    式ｈ_ｊ，ｋ（Ｄ_ｉ）＝ａ_０（ｊ，ｋ）Ｆ_０（Ｄ_ｉ）＋ａ_１（ｊ，ｋ）Ｆ_１（Ｄ_ｉ）＋．．．＋ａ_Ｔ（ｊ，ｋ）Ｆ_Ｔ（Ｄ_ｉ）に従って前記フィルタ係数を調節するフィルタ係数生成器手段（３０Ｉｂ）と、
    前記フィルタ係数を処理する信号処理手段（３０Ｉａ）と、を有することを特徴とする請求項３記載のシステム。
12. 前記信号処理手段（３０Ｉａ）は、次式
    

    

    を使用してビーム形成器出力信号ｙ′_ｉ（ｎ）（ｉ＝１〜Ｎ）を生成するべく適合されていることを特徴とする請求項１１記載のシステム。
13. 前記ビーム形成器（３０ＩＩ）は、
    中間信号ｙ″_ｔ（ｎ）（ｔ＝０〜Ｔ）を生成すべく、それぞれが前記Ｍ個のトランスデューサ出力信号を受信及びフィルタリングする少なくとも２つのフィルタバンク（３０ＩＩａ−０〜３０ＩＩａ−Ｔ）と、
    前記制御信号ｔ（ｎ）に応答して前記ビーム形成器出力信号ｙ′_ｉ（ｎ）（ｉ＝１〜Ｎ）を生成すべく、前記少なくとも２つの中間信号ｙ″_ｔ（ｎ）を受信する少なくとも１つのポストフィルタ（３０ＩＩｂ−１〜３０Ｉｂ−Ｎ）と、を有し、
    前記フィルタ係数生成器手段（３０Ｉｂ）は、前記少なくとも２つのフィルタバンク（３０ＩＩａ−０〜３０ＩＩａ−Ｔ）と前記少なくとも１つのポストフィルタ（３０ＩＩｂ−１〜３０Ｉｂ−Ｎ）の組み合わせにおいて実装されることを特徴とする請求項１記載のシステム。
14. 前記少なくとも２つのフィルタバンク（３０ＩＩａ−０〜３０ＩＩａ−Ｔ）のそれぞれは、次式
    

    

    によって前記トランスデューサ出力信号ｘ_ｊ（ｎ−ｋ）から前記中間信号ｙ″_ｔ（ｎ）を算出し（ここで、ａ_ｔ（ｊ，ｋ）は所定の固定フィルタパラメータである）、
    前記ポストフィルタ（３０ＩＩｂ−１〜３０Ｉｂ−Ｎ）は、次式
    

    

    によって前記中間信号ｙ″_ｔ（ｎ）から前記ビーム形成器出力信号ｙ′_ｉ（ｎ）（ｉ＝１〜Ｎ）を算出する（ここで、Ｄ_ｉは前記制御信号ｔ（ｎ）によって表される可変フィルタパラメータのベクトルである）ことを特徴とする請求項１３記載のシステム。
15. 前記フィルタバンク（３０ＩＩａ−０〜３０ＩＩａ−Ｔ）は、前記固定フィルタパラメータを格納することを特徴とする請求項１４記載のシステム。
16. 前記ポストフィルタ（３０ＩＩｂ−１〜３０Ｉｂ−Ｎ）は、前記可変フィルタパラメータを格納することを特徴とする請求項１５記載のシステム。
17. 前記トランスデューサ（１０−１〜１０−Ｍ）は、前記トランスデューサアレー（１０）内において、線形、二次元、又は三次元で配列されることを特徴とする請求項１記載のシステム。
18. 前記トランスデューサ（１０−１〜１０−Ｍ）は、単一方向、双方向、又は全方向性の感度特性、或いはこれらの組み合わせを備えることを特徴とする請求項１記載のシステム。
19. 前記トランスデューサアレー（１０）内のトランスデューサ（１０−１〜１０−Ｍ）は、音響信号を受信すべく適合されたマイクロホンであることを特徴とする請求項１記載のシステム。
20. 前記トランスデューサアレー（１０）は、電磁信号を受信するアンテナであることを特徴とする請求項１記載のシステム。
21. 前記トランスデューサアレー（１０）は、ソナーアレーであることを特徴とする請求項１記載のシステム。
22. 前記システムは、少なくとも２つの前記ビーム形成器出力信号ｙ′_ｉ（ｎ）を受信して処理する少なくとも１つのミキサー（６０）を有することを特徴とする請求項１記載のシステム。
23. 前記システムは、前記ビーム形成器の出力信号ｙ′_ｉ（ｎ）内のエコー現象をキャンセルするエコーキャンセルユニット（８２）を有することを特徴とする請求項１記載のシステム。
24. 前記システムは、前記制御信号に応答して前記エコーキャンセルユニットを制御するエコーキャンセル制御ユニット（８１）を有することを特徴とする請求項２３記載のシステム。
25. 前記システムは、前記ビーム形成器の出力信号ｙ′_ｉ（ｎ）内の雑音をキャンセルするノイズキャンセルユニット（８２）を有することを特徴とする請求項１記載のシステム。
26. 前記システムは、前記制御信号ｔ（ｎ）に応答して前記ノイズキャンセルユニットを制御するノイズキャンセル制御ユニット（８１）を有することを特徴とする請求項２５記載のシステム。
27. トランスデューサアレー（１０）の目的信号源方向ψ_ｓに位置する目的信号源（２０）から雑音環境に放射される信号を処理する方法であって、
    前記トランスデューサアレー（１０）によって前記信号を受信するステップと、対応するトランスデューサ出力信号を生成するステップと、
    少なくとも１つのビーム形成器出力信号ｙ′_ｉ（ｎ）（ｉ＝１〜Ｎ）を生成するべく、所望の所定のフィルタ特性（例：所望の視線方向）を定義するフィルタ係数に従って前記トランスデューサ出力信号をフィルタリングするステップと、
    少なくとも１つの物理的な関連パラメータ（特に、前記目的信号源方向ψ_ｓ）を検出するステップと、前記物理的な関連パラメータを表す制御信号ｔ（ｎ）を提供するステップと、を有する方法において、
    前記フィルタ係数は、調節可能であり、且つ前記ビーム形成器（３０Ｉ、３０ＩＩ）が前記目的信号源方向ψ_ｓにおいて前記目的信号源（２０）用の所定のフィルタリング特性を備えるよう、前記制御信号ｔ（ｎ）に応答して生成されることを特徴とする方法。

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