JP2005020428A - 音響エコー抑圧装置および通話装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】背景雑音のある環境下にダブルトーク状態となってもエコー抑圧能力を維持することのできる音響エコー抑圧装置および通話装置を提供すること。
【解決手段】話者音声を入力するとともに遠端信号を音声として出力する音声入出力部１０と、近端信号に発生する音響エコーを抑圧するエコー抑圧部３０とを備える。音声入出力部１０は、近端信号変換部１１と、遠端音声変換部１２とを含み、エコー抑圧部３０は、遠端信号から擬似エコーを生成する擬似エコー生成部３１と、近端信号から擬似エコーを減算してエコー抑圧後近端信号を出力するエコー抑圧後近端信号出力部３２と、遠端信号と、近端信号と、エコー抑圧後近端信号とに基づいて擬似エコー生成部３１の擬似エコー生成特性を修正する修正値を計算する修正値計算部３３を含む。
【選択図】 図１
【解決手段】話者音声を入力するとともに遠端信号を音声として出力する音声入出力部１０と、近端信号に発生する音響エコーを抑圧するエコー抑圧部３０とを備える。音声入出力部１０は、近端信号変換部１１と、遠端音声変換部１２とを含み、エコー抑圧部３０は、遠端信号から擬似エコーを生成する擬似エコー生成部３１と、近端信号から擬似エコーを減算してエコー抑圧後近端信号を出力するエコー抑圧後近端信号出力部３２と、遠端信号と、近端信号と、エコー抑圧後近端信号とに基づいて擬似エコー生成部３１の擬似エコー生成特性を修正する修正値を計算する修正値計算部３３を含む。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は音響エコー抑圧装置および通話装置に係り、詳しくは背景雑音がある環境下でダブルトーク状態となってもエコー抑圧能力を維持することのできる音響エコー抑圧装置および通話装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ハンズフリー携帯端末、テレビ会議システム、カーナビゲーション装置等のデジタル音声機器にあっては、音声のデジタル処理時間に起因して、近端側のスピーカから出力された遠端者の音声が近端側のマイクロホンに入力されて再び遠端側のスピーカから出力されると、遠端者が自分の音声の音響エコーを聞く音響エコー障害が発生するおそれがある。デジタル音声機器においては、音響エコーを抑圧し、通話品質を改善するうえで、音響エコー抑圧装置は重要な要素である。
【０００３】
しかしながら、従来の音響エコー抑圧装置は実際には騒音環境下で使用される場合が多いが、送話と受話とが同時に行われる、いわゆるダブルトーク状態においては、音響エコー抑圧装置に使用されている適応フィルタの荷重係数が擾乱され、エコー抑圧能力が劣化しがちであった。
【０００４】
この問題を解決するために、従来の音響エコー抑圧装置にあっては、ダブルトークディテクタを設け、雑音のレベルに応じてダブルトークであるか否かを判定するしきい値を変更するとともに、ダブルトークディテクタでダブルトーク状態であると判定したときに適応フィルタの係数の変更を禁止していた（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
また、従来の別の音響エコー抑圧装置にあっては、ダブルトークディテクタおよび適応フィルタに荷重係数の記憶回路を設け、ダブルトークディテクタでダブルトーク状態でないと判定ときにエコー消去量がしきい値を越えると適応フィルタの荷重係数を記憶回路に記憶し、ダブルトーク状態であると判定されたときには記憶回路に記憶されている荷重係数により音響エコーを抑圧していた（例えば特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−２５６０８９号公報
【特許文献２】
特開平１１−２３４１７７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近端者の音声と背景雑音とを明確に区別することは実際には難しいため、従来の音響エコー抑圧装置に使用されていたダブルトークディテクタでは、背景雑音がある環境下でダブルトーク状態であるか否かを正確に判定することは困難であった。このため、背景雑音がある環境下でダブルトーク状態となると、適応フィルタの荷重係数が擾乱され、エコー抑圧能力が低下し、音響エコーが発生して通話品質が悪化しがちであった。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ダブルトークディテクタによりダブルトーク状態であるか否かを検出することなく、背景雑音がある環境下でダブルトーク状態となってもエコー抑圧能力し、通話品質を高めた音響エコー抑圧装置および通話装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る音響エコー抑圧装置は、近端音声を、前記近端音声を示す近端信号に変換するとともに遠端信号を音声として出力する音声入出力部と、前記音声入出力部の後段に配置され、前記音声入出力部において前記遠端信号を示す音声と前記近端音声とが混合することにより前記近端信号中に発生する音響エコーを抑圧するエコー抑圧部とを備え、前記エコー抑圧部は、前記遠端信号に基づいて前記音響エコーに擬似する擬似エコーを生成する擬似エコー生成部と、前記音響エコーを含む前記近端信号から前記擬似エコー生成部で生成された前記擬似エコーを減算してエコー抑圧後近端信号を出力するエコー抑圧後近端信号出力部と、前記擬似エコー生成部の擬似エコー生成特性を前記エコー抑圧後近端信号出力部から出力される前記エコー抑圧後近端信号の自乗時間平均値が最小となる最適擬似エコー生成特性に適応させる前記擬似エコー生成特性に対する修正値を計算する修正値計算部とを含む。
この構成により、背景雑音の有無、ダブルトーク状態であるか否かに応じて修正値を変更することが可能となることとなる。
【００１０】
本発明に係る音響エコー抑圧装置は、前記修正値計算部は、前記近端信号または前記エコー抑圧後近端信号の少なくともいずれか一方のパワーが増大したときは、前記修正値を、前記近端信号または前記エコー抑圧後近端信号の少なくともいずれか一方のパワーが増大する前の修正値よりも小さくする構成を有している。
この構成により、背景雑音がない環境下でダブルトーク状態でないときに、修正値が大きくなって、擬似エコー生成部の最適擬似エコー生成特性への適応速度が加速されエコーキャンセル能力が高く維持されることとなる。逆に、背景雑音がある環境下であるとき、またはダブルトーク状態であるとき、もしくは、背景雑音がある環境下でダブルトーク状態であるときは、修正値が小さくなって擬似エコー生成部の最適擬似エコー生成特性への適応速度が減速され、擬似エコー生成部の擬似エコー生成特性の擾乱が防止されることとなる。
【００１１】
本発明に係る音響エコー抑圧装置は、前記修正値計算部は、前記近端信号または前記エコー抑圧後近端信号の少なくともいずれか一方のパワーが増大したことを、第一の予め定めた所定期間の前記近端信号の自乗和と第二の予め定めた所定期間の前記エコー抑圧後近端信号の絶対値の移動時間平均値との積により評価する構成を有している。
この構成により、背景雑音がある環境下であるとき、またはダブルトーク状態であること、もしくは、背景雑音がある環境下でダブルトーク状態であることを近端信号およびエコー抑圧後近端信号から評価されることとなる。
【００１２】
本発明に係る音響エコー抑圧装置は、前記修正値計算部は、前記エコー抑圧後近端信号の絶対値の移動時間平均値が予め定められた範囲を逸脱したときは、前記エコー抑圧後近端信号の絶対値の移動時間平均値を前記内に規制する構成を有している。
この構成により、エコー抑圧後近端信号の移動平均値が予め定められた範囲から逸脱した場合でも、適応部における荷重係数の最適荷重係数への適応が遅延およびエコーキャンセル能力の低下が防止されることとなる。
【００１３】
また、本発明に係る音響エコー抑圧装置は、前記エコー抑圧部が、前記エコー抑圧後近端信号出力部の前段に設置され、前記近端信号の周波数分布を平坦化する近端信号周波数分布平坦化部と、前記擬似エコー生成部および前記修正値計算部の前段に設置され、前記遠端信号の周波数分布を平坦化する遠端信号周波数分布平坦化部と、前記エコー抑圧後近端信号出力部の後段に設置され、前記近端信号周波数分布平坦化部で平坦化された前記近端信号の周波数分布を平坦化前の周波数分布に修復する近端信号周波数分布修復部とを含む構成を有している。
この構成により、近端信号および遠端信号の周波数分布が平坦化され、擬似エコー生成部の最適擬似エコー生成特性への適応が加速されるので、高いエコー抑圧能力が維持されることとなる。
【００１４】
本発明に係る通話装置は、近端音声を入力して近端信号に変換する近端信号変換部と、遠端信号を遠端音声に変換する遠端音声変換部と、前記遠端信号に基づいて前記近端信号に含まれるエコーを抑圧する上記の音響エコー抑圧装置のいずれかと、前記音響エコー抑圧装置で前記エコーが抑圧された前記近端信号を送信するとともに前記音響エコー抑圧装置に伝送される前記遠端信号を受信する送受信部とを含む構成を有している。
【００１５】
この構成により、背景雑音がない環境下でダブルトーク状態でないときに、修正値が大きくなって、擬似エコー生成部の最適擬似エコー生成特性への適応速度が加速されエコーキャンセル能力が高く維持される。逆に、背景雑音がある環境下であるとき、またはダブルトーク状態であるとき、もしくは、背景雑音がある環境下でダブルトーク状態であるとき、修正値が小さくなって擬似エコー生成部の最適擬似エコー生成特性への適応速度が減速され、擬似エコー生成部の擬似エコー生成特性の擾乱が防止されるだけでなく、遠端側とアナログ回線またはデジタル回線を介して通信することが可能となることとなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る第一の実施の形態の音響エコー抑圧装置について、図面を用いて説明する。
本発明に係る第一の実施の形態の音響エコー抑圧装置は、図１に示すように、近端音声を、近端音声を示す近端信号に変換するとともに遠端信号を音声として出力する音声入出力部１０と、音声入出力部１０の後段に配置され音声入出力部１０において遠端信号を示す音声と近端音声とが混合することにより近端信号中に発生する音響エコーを抑圧するエコー抑圧部３０とを備る。
【００１７】
エコー抑圧部３０は、遠端信号に基づいて音響エコーに擬似する擬似エコーを生成する擬似エコー生成部３１と、音響エコーを含む近端信号から擬似エコー生成部３１で生成された擬似エコーを減算してエコー抑圧後近端信号を出力するエコー抑圧後近端信号出力部３２と、擬似エコー生成部３１の擬似エコー生成特性をエコー抑圧後近端信号出力部３２から出力されるエコー抑圧後近端信号の自乗時間平均値が最小となる最適擬似エコー生成特性に適応させる擬似エコー生成特性に対する修正値を計算する修正値計算部３３とを含む。
【００１８】
なお、第一の実施の形態において、エコー抑圧部３０は、マイクロホン１１から出力されるアナログ近端信号をデジタル近端信号に変換する近端Ａ／Ｄ変換器３４と、スピーカ１２にアナログ遠端信号を出力するためにデジタル遠端信号をアナログ遠端信号に変換する遠端Ｄ／Ａ変換器３７とを備えており、擬似エコー生成部３１、エコー抑圧後近端信号出力部３２、および修正値計算部３３は、デジタル素子により構成されている。
【００１９】
次に、図２を参照し、擬似エコー生成部３１の機能構成を説明する。すなわち、擬似エコー生成部３１は、伝送されてきたデジタル遠端信号ｕ（ｎ）に基づいて（ｎ−１）個の遅延デジタル遠端信号を生成し、この遅延デジタル遠端信号および現在のデジタル遠端信号ｕ（ｎ）のそれぞれに荷重係数ｗ（ｉ，ｎ）を乗じ、その結果を線形結合して、擬似エコーとして出力とするフィルタ部３１Ａと、適応プログラムを使用して擬似エコー生成部３１の擬似エコー生成特性をエコー抑圧後近端信号出力部３２から出力されるエコー抑圧後近端信号の自乗時間平均値を最小とする最適擬似エコー生成特性に適応させるために、荷重係数ｗ（ｉ，ｎ）を最適荷重係数に適応させる適応部３１Ｂとを備えている。
【００２０】
フィルタ部３１Ａは、（Ｍ−１）個の遅延素子Ｚ−１の直列接続により（Ｍ−１）個の遅延デジタル遠端信号ｕ（ｎ−１）、ｕ（ｎ−２）・・・ｕ（ｎ−Ｍ＋１）を生成するようになっている。
【００２１】
さらに、フィルタ部３１Ａは、式（１）に基づいて、現時刻ｎのデジタル遠端信号ｕ（ｎ）を含むＭ個の遠端信号ｕ（ｎ）、ｕ（ｎ−１）、ｕ（ｎ−２）・・・ｕ（ｎ−Ｍ＋１）のそれぞれに荷重係数ｗ（０，ｎ）、ｗ（１，ｎ）、ｗ（２，ｎ）・・・ｗ（Ｍ−１，ｎ）を乗じ、その結果を加算して擬似エコーｙ（ｎ）を出力するようになっている。
【数１】
適応部３１Ｂは、エコー抑圧後近端信号出力部３２で式（２）に基づいて算出されたエコー抑圧後近端信号ｅ（ｎ）の自乗時間平均値を最小とする最適荷重係数に適応させるために荷重係数ｗ（ｉ，ｎ）が逐次更新されるように構成されている。
【数２】
【００２２】
次に、図３を参照し、エコー抑圧部３０の動作を説明する。最初に、現時刻ｎにおけるデジタル遠端信号ｕ（ｎ）が遠端Ｄ／Ａ変換器３７から読み込み込まれ（ステップＳ４１）、擬似エコー生成部３１のフィルタ部３１Ａにおいて（１）式に基づき擬似エコーｙ（ｎ）が算出される（ステップＳ４２）。
【００２３】
次いで、デジタル近端信号ｄ（ｎ）が近端Ａ／Ｄ変換器３４から読み込まれ（ステップＳ４３）、エコー抑圧後近端信号出力部３２において式（２）に基づいてエコー抑圧後近端信号ｅ（ｎ）が算出され（ステップＳ４４）、擬似エコー生成部３１の適応部３１Ｂにおいて荷重係数が更新される（ステップＳ４５）。
最後に、エコー抑圧部３０における計算上の時刻ｎが進められて次の処理に備える（ステップＳ４６）。
【００２４】
次に、図４を参照し、学習同定法により擬似エコー生成部３１の適応部３１Ｂで実行される荷重係数ｗ（ｉ，ｎ）の更新動作を説明する。最初に、擬似エコー生成部３１の適応部３１Ｂによって、修正値計算部３３で計算される修正値μが読み込まれる（ステップＳ５１）。
【００２５】
次いで、擬似エコー生成部３１の適応部３１Ｂによって、（３）式に基づいて、エコー抑圧後近端信号出力部３２から出力されるエコー抑圧後近端信号ｅ（ｎ）と、伝送されてきたデジタル遠端信号ｕ（ｎ）と、既に修正値計算部３３から読み込まれている修正値μとが乗算され、さらに、この乗算結果は擬似エコー生成部３１のフィルタ部３１Ａで生成される現時刻のデジタル遠端信号ｕ（ｎ）を含むＭ個の遠端信号ｕ（ｎ）、ｕ（ｎ−１）、ｕ（ｎ−２）・・・ｕ（ｎ−Ｍ＋１）の自乗和である遠端信号ノルムで除算されて、荷重係数補正値δｗ（ｉ，ｎ）が算出される（ステップＳ５２）。
【数３】
【００２６】
最後に、式（４）に基づいて、前ステップの荷重係数ｗ（ｉ，ｎ−１）と現ステップで算出された荷重係数補正値δｗ（ｉ，ｎ）が加算されて、荷重係数ｗ（ｉ，ｎ−１）が荷重係数ｗ（ｉ，ｎ）に更新される（ステップＳ５３）。
【数４】
ここで、周知の学習同定法では、荷重係数ｗ（ｉ，ｎ）が最適荷重係数に迅速に適応するように、修正値μを適宜に決定している。
【００２７】
しかしながら、本発明では、ダブルトーク状態でなく、かつ背景雑音が存在しない状態であるときに、擬似エコー生成部３１の適応部３１Ｂにおける適応を促進し、逆の状態、すなわち、ダブルトーク状態、または背景雑音が存在する状態の少なくとも一方の状態であるときには、擬似エコー生成部３１の適応部３１Ｂにおける適応を抑制するために、修正値μを修正値計算部３３で計算するようにしている。
【００２８】
すなわち、ダブルトーク状態でなく、かつ背景雑音が存在しない環境下では、近端信号は音響エコーだけとなるので、エコー抑圧後近端信号出力部３２から出力されるエコー抑制後近端信号は残留エコーとみなすことが可能である。そこで、上記状態において、適応部３１Ｂにおける荷重係数ｗ（ｉ，ｎ）の最適荷重係数への適応が促進されるように、修正値μを“１”に近づけるようにしている。
【００２９】
逆に、ダブルトーク状態または背景雑音が存在する状態のいずれかに移行すれば、適応部３１Ｂにおける適応を抑制し、移行以前の荷重係数ｗ（ｉ，ｎ）が維持されるように、修正値μを“１”より小さくするようにしている。
さらに、背景雑音があり、かつダブルトーク状態となった場合には、修正値μをさらに小さくするようにしている。
【００３０】
次に、図５を参照し、修正値計算部３３の動作を説明する。最初に、エコー抑圧後近端信号ｅ（ｎ）の移動平均値が式（５）に基づき算出される（ステップＳ６１）。
【数５】
なお、αは移動平均係数であり、エコー抑圧後近端信号移動平均値算出の際の更新前の移動平均値と現在のエコー抑圧後近端信号との加算割合を表し、予め設定される定数である。
次に、上記の処理において算出されたエコー抑圧後近端信号の移動平均値と、遠端信号ノルムおよび近端信号ノルム（適宜に定められる時間長内に含まれる近端信号の自乗和）とを使用して、式（６）に基づいて補正値μが算出される（ステップＳ６２）。
【数６】
なお、Ｃｎは予め適宜に設定される定数である。
【００３１】
上記の修正値計算部３３の動作において、エコー抑圧後近端信号の移動平均値が予め定められた範囲から逸脱すると、適応部３１Ｂにおける荷重係数ｗ（ｉ，ｎ）の最適荷重係数への適応が遅延するだけでなくエコーキャンセル能力が低下するおそれがある。
そこで、エコー抑圧後近端信号の移動平均値を予め定められた範囲内に規制する処理を追加してもよい。
図６は、エコー抑圧後近端信号の移動平均値を予め定められた範囲内に規制する処理を追加したときの修正値計算部３３の動作を説明するフローチャートであって、最初に、エコー抑圧後近端信号ｅ（ｎ）の移動平均値が式（５）に基づき算出される（ステップＳ６１）。
次に、移動平均値が上限値ＥＲＲＭＡＸより大きいか否かが判定され（ステップＳ６２）、移動平均値が上限値ＥＲＲＭＡＸより大きいと判定されたときは、移動平均値は上限値ＥＲＲＭＡＸで置き換えられる（ステップＳ６３）。
これは、移動平均値が大きくなり過ぎると、収束速度が遅くなるだけでなく、ダブルトーク時に音声歪が生じてしまうことを防止するための処理である。一方、移動平均値が上限値以下であると判定されたときは、移動平均値はそのままに維持される。
【００３２】
次に、移動平均値が下限値ＥＲＲＭＩＮより小さいか否かが判定され（ステップＳ６４）、移動平均値が下限値ＥＲＲＭＩＮより小さいと判定されたときは、移動平均値は下限値ＥＲＲＭＩＮで置き換えられる（ステップＳ６５）。
これは、移動平均値が小さくなり過ぎると、収束速度が遅くなるだけでなく、ダブルトーク初期時に荷重係数が擾乱されてしまうことを防止するための処理である。一方、移動平均値が下限値以上であると判定されたときは、移動平均値はそのまま維持される。
【００３３】
最後に、上記の処理において算出されたエコー抑圧後近端信号の移動平均値以と、遠端信号ノルムおよび近端信号ノルム（適宜に定られる時間長内に含まれる近端信号の自乗和）とを使用して、式（６）に基づいて補正値μが算出される（ステップＳ６６）。
【００３４】
ここで、遠端信号ノルムは、上記に説明したように、擬似エコー生成部３１のフィルタ部３１Ａに含まれる遅延素子Ｚ−１の直列接続から出力される遅延遠端信号を使用して算出することが可能である。
しかし、近端信号に対しては擬似エコー生成部３１のフィルタ部３１Ａに含まれる遅延素子は作用しないため、直接的に近端信号ノルムは算出されない。そこで、第一の実施形態においては、以下の処理で近端信号ノルムを算出している。
【００３５】
すなわち、本発明に係るエコー抑圧部３０は、遠端信号、近端信号およびエコー抑圧後近端信号を一回サンプリングする度に近端信号のエコーを抑圧するのではなく、予め定められたサンプリング数（Ｌ）遠端信号、近端信号およびエコー抑圧後近端信号を連続的にサンプリングした後に、Ｌ個の近端信号のエコーを抑圧するフレーム処理を適用している。
そこで、現在処理中のフレームより一つ前のフレームにおいて、既に格納されている近端信号に基づいて近端信号ノルムを算出している。
【００３６】
上記のように、修正値μを決定すれば、ダブルトーク状態および背景雑音のある環境下でエコー抑圧後近端信号の移動平均値および近端信号のノルムは大きくなるので、修正値μは“１”より小さくなり、荷重係数が擾乱されることが回避される。
【００３７】
逆に、ダブルトーク状態でなく、背景雑音がない環境下では、エコー抑圧後近端信号の移動平均値および近端信号のノルムは小さくなるので、修正値μは“１”に近づき、荷重係数の最適荷重係数への収束が加速される。
【００３８】
以上説明したように、本発明に係る第一の実施の形態の音響エコー抑圧装置によれば、修正値μを、遠端信号のほかにエコー抑圧後近端信号、近端信号の少なくとも一方を考慮して算出することにより、ダブルトークおよび背景雑音の有無に応じて修正値が自動的に調整される。この結果、ダブルトークを検出することなく、ダブルトークおよび背景雑音のある環境下においても高いエコーキャンセル能力を維持することが可能となる。
【００３９】
本発明に係る第一の実施の形態の音響エコー抑制装置の効果を確認するために、以下の条件でシミュレーション試験を行った。
サンプリング周波数：８ＫＨｚ
フレーム長：１６０サンプリング＝２０ミリ秒
遠端信号：音声信号
近端信号：近端話者音声信号＋エコー信号＋背景雑音
タップ数：２００
エコー抑圧後近端信号の移動平均値に対する上限値：２０
エコー抑圧後近端信号の移動平均値に対する下限値：１
【００４０】
シミュレーション試験によれば、背景雑音がない環境下においては、ダブルトーク状態の区間（１２５０〜２８００フレーム）となると、図７（ａ）に示すようにエコー抑圧後近端信号の二乗平均値は急激に大きくなり、この結果図８（ｂ）に示すように修正値μの平均値は急激に“１”より小さくなる。
一方、ダブルトーク状態でないときには、エコー抑圧後近端信号の二乗平均値は小さくなり、修正値μの平均値は“１”に近づく。
【００４１】
このシミュレーション試験の結果から、ダブルトーク状態のときには、荷重係数の更新が抑制され、エコー抑圧能力を維持することが可能となることが判る。一方、ダブルトーク状態でないときには、修正値μの平均値は“１”に近い値を維持するので、荷重係数の最適荷重係数への収束が加速され、確実にエコーを抑圧することが可能となることが判る。
【００４２】
さらに、背景雑音がある環境下のシミュレーション試験によれば、図７に示すように、ダルトーク状態でない区間（０から１２５０フレームおよび２８００〜３５００フレーム）であっても、エコー抑圧後近端信号の二乗平均値は高いレベルを維持するので、修正値μの平均値は背景雑音がない環境下における修正値μよりも大幅に小さくなり、荷重係数の更新が抑制され、エコー抑圧能力を維持することが可能となる。
【００４３】
背景雑音がある環境下でダブルトーク状態の区間（１２５０〜２８００フレーム）となると、エコー抑圧後近端信号の二乗平均値はさらに大きくなり、この結果修正値μはさらに小さくなり、荷重係数の更新が一層抑制される。
【００４４】
以上説明したように、本発明に係る第一の実施の形態の音響エコー抑圧装置によれば、修正値μを、遠端信号のほかにエコー抑圧後近端信号、近端信号の少なくとも一方を考慮して算出することにより、ダブルトークおよび背景雑音の有無に応じて修正値が自動的に調整される。
この結果、特にダブルトークを検出する機能を設けることなく、ダブルトーク状態であり、かつ、背景雑音のある環境下において、高いエコーキャンセル能力を維持することが可能となる。
【００４５】
上記説明において、修正値μは、修正値計算部３３において式（６）に基づいて計算されるものとしたが、式（６）に代えて式（７）あるいは式（８）を適用することも可能である。
【００４６】
ここで、式（７）を適用した場合には、修正値μは遠端信号以外にエコー抑圧後近端信号だけに基づいて計算され、式（８）を適用した場合には、修正値μは遠端信号以外に近端信号だけに基づいて計算される。
【数７】
【数８】
【００４７】
また、第一の実施の形態の説明においては、擬似エコー生成部３１の荷重係数の更新方法として、学習同定法を適用した場合について説明したが、例えば、最小二乗法あるいは射影法を適用することも可能である。
【００４８】
すなわち、最小二乗法を適用した場合には、式（３）に代えて式（９）を、式（６）に代えて式（１０）を使用すればよい。
【数９】
【数１０】
【００４９】
さらに、射影法を適用する場合には、式（３）に代えて式（９）を、式（８）に代えて式（１１）を使用すればよい。
【数１１】
【００５０】
なお、最小二乗法または射影法の修正値の算出においても、式（１０）および式（１１）においては、遠端信号以外にエコー抑圧後近端信号および近端信号を考慮しているが、式（７）および式（８）に準じて遠端信号以外にエコー抑圧後近端信号または近端信号だけを考慮して修正値μを算出できることは明らかである。
【００５１】
さらに、上記説明では、擬似エコー生成部３１に、時間領域で動作する周知の適応フィルタを使用しているが、周波数領域で動作する適応フィルタを使用して擬似エコーを生成してもよい。
あるいは、動作周波数帯を複数の周波数帯域に分割し、周波数帯域ごとに設置された時間領域で動作する適応フィルタを使用して擬似エコーを生成することもできる。
【００５２】
次に、本発明に係る第二の実施の形態の音響エコー抑圧装置について説明する。
本発明に係る音響エコー抑圧装置の第二実施形態は、図９に示すように、エコー抑圧部３０が、エコー抑圧後近端信号出力部３２の前段に設置され、近端信号ｄ（ｎ）の周波数分布を平坦化する近端信号周波数分布平坦化部８１と、擬似エコー生成部３１および修正値計算部３３の前段に設置され、遠端信号ｕ（ｎ）の周波数分布を平坦化する遠端信号周波数分布平坦化部８３と、エコー抑圧後近端信号出力部３２の後段に設置され、近端信号周波数分布平坦化部８１で平坦化された近端信号ｄ（ｎ）の周波数分布を平坦化前の周波数分布に修復する近端信号周波数分布修復部８２とを含む。
【００５３】
ここで、近端信号周波数分布平坦化部８１および遠端信号周波数分布平坦化部８３は、それぞれハイパスフィルタで構成される。また、近端信号周波数分布修復部８２はローパスフィルタで構成される。
【００５４】
近端信号周波数分布平坦化部８１および遠端信号周波数分布平坦化部８３は、擬似エコー生成部３１の適応部３１Ｂに入力される近端信号および遠端信号の周波数分布を平坦化して、擬似エコー生成部３１における荷重係数の最適荷重係数への収束を加速するために使用される。
【００５５】
近端信号周波数分布平坦化部８１としては、式（１２）に示す一次ハイパスフィルタを適用することができる。
【数１２】
ただし、ｄ’（ｎ）は近端信号周波数分布平坦化部８１の出力信号である。また、ζｄは０＜ζｄ ＜１を満たすフィルタ定数であり、遮断特性に応じた値に設定される。
【００５６】
また、遠端信号周波数分布平坦化部８３としては、式（１３）に示す一次ハイパスフィルタを適用することができる。
【数１３】
ただし、ｕ’（ｎ）は遠端信号周波数分布平坦化部８３の出力信号である。また、ζｕは０＜ζｕ ＜１を満たすフィルタ定数であり、遮断特性に応じた値に設定される。
【００５７】
さらに、近端信号周波数分布修復部８２としては、式（１４）に示す一次ローパスフィルタを適用することができる。
【数１４】
ただし、ｅ’（ｎ）は近端信号周波数分布修復部８２の出力信号である。また、ζｅは０＜ζｅ ＜１を満たすフィルタ定数であり、遮断特性に応じた値に設定される。
【００５８】
すなわち、第二の実施の形態に使用する近端信号周波数分布平坦化部８１および遠端信号周波数分布平坦化部８３は、入力信号の中心周波数が減衰領域のほぼ中央にあり、比較的なだらかに減衰する周波数特性を有する。そして、入力信号の低周波数側のレベルを低減し、高周波数側のレベルを増大させることにより、入力信号の周波数分布を平坦化するために設置される。
【００５９】
また、近端信号周波数分布修復部８２は、送信部２１から近端信号を送信するにあたり、近端信号周波数分布平坦化部８１により平坦化された近端信号の周波数分布を平坦化前の周波数分布に修復するために設置される。
【００６０】
以上説明したように、本発明に係る第二の実施の形態の音響エコー抑圧装置によれば、擬似エコー生成部３１に入力される信号の周波数分布が平坦化されるので、擬似エコー生成部３１の適応部３１Ｂにおける荷重係数の最適荷重係数への収束が加速される。
【００６１】
次に、本発明に係る第三の実施の形態の通話装置について説明する。
本発明に係る第三の実施の形態の通話装置は、図１０に示すように、近端音声を入力して近端信号に変換する近端信号変換部１１と、遠端信号を遠端音声に変換する遠端音声変換部１２と、遠端信号に基づいて近端信号に含まれるエコーを抑制する第一の実施の形態の音響エコー抑圧装置または第二の実施の形態の音響エコー抑圧装置のいずれかと、エコーが抑圧された近端信号を送信するとともに音響エコー抑圧装置に伝送される遠端信号を受信する送受信部２０とを含む。
即ち、音声入出力部１０は、近端音声を、近端音声を示す近端信号に変換する近端信号変換部１１と、遠端信号を遠端音声として出力する遠端音声変換部１２とを含み、送受信部２０は音響エコー抑圧装置から出力されるエコーが抑圧された近端信号を送信する送信部２１と、遠端信号を受信する受信部２２とを含み、音響エコー抑圧装置は音声入出力部１０と送受信部２０の間に配置される。
【００６２】
音声入出力部１０は、話者音声および背景雑音を受話して話者音声を示す近端信号に変換する近端信号変換部１１と、遠端信号を音声として出力する遠端信号変換部１２とを含む。近端信号変換部１１、および遠端信号変換部１２は、例えば、それぞれマイクロホンおよびスピーカによって構成されている。
また、送受信部２０は、近端信号を遠隔地に送信する送信部２１と、遠隔地から送信されてきた遠端信号を受信する受信部２２とを含む。
【００６３】
そして、エコー抑圧部３０は、受信部２２で受信された遠端信号に基づいて、スピーカ１２から出力された遠端者の音声がマイクロホン１１から入力されることにより近端信号中に発生する音響エコーに擬似した擬似エコーを生成する擬似エコー生成部３１と、擬似エコー生成部３１で生成される擬似エコーをマイクロホン１１から出力される音響エコーを含む近端信号から減算してエコー抑圧後近端信号を出力するエコー抑圧後近端信号出力部３２と、受信部２２で受信された遠端信号と、マイクロホン１１から出力される近端信号と、エコー抑圧後近端信号出力部３２から出力されるエコー抑圧後近端信号とに基づいて、擬似エコー生成部３１の擬似エコー生成特性をエコー抑圧後近端信号出力部３２から出力されるエコー抑圧後近端の自乗時間平均値が最小となる最適擬似エコー生成特性に適応させる擬似エコー生成特性に対する修正値を計算する修正値計算部３３とを含む。
【００６４】
そして、第三の実施の形態の通話装置は、エコー抑圧部３０は、送信部２１にアナログ近端信号を出力するためにデジタル近端信号をアナログ近端信号に変換する近端Ｄ／Ａ変換器３５と、受信部２２で受信したアナログ遠端信号をデジタル遠端信号に変換する遠端Ａ／Ｄ変換器３６とを更に含み、擬似エコー生成部３１、エコー抑圧後近端信号出力部３２、および修正値計算部３３は、デジタル素子により構成されている。
【００６５】
なお、第三の実施の形態の通話装置が、遠端側エコー抑圧装置とデジタル回線により接続される場合は、近端Ｄ／Ａ変換器３５と遠端Ａ／Ｄ変換器３６とは省略し得る。
第三の実施の形態の通話装置の動作は、遠端信号が受信部２２で受信され、遠端Ａ／Ｄ変換器３６でデジタル遠端信号ｕ（ｎ）に変換されて、擬似エコー生成部３１と修正値計算部３３に取り込まれる点、およびエコー抑圧後近端信号が近端Ｄ／Ａ変換器３５でアナログ信号に変換されて送信部２１から送信される点を除いて、第一および第二の実施の形態の音響エコー抑圧装置の動作と同じであるので、本実施の形態の通話装置のエコー抑圧部３０の詳細な動作説明は省略する。
【００６６】
すなわち、本発明に係る第三の実施の形態の通話装置によっても、特にダブルトークを検出する機能を設置することなく、ダブルトーク状態であり、かつ背景雑音のある環境下において、高いエコーキャンセル能力を維持することが可能となる。
なお、確認のために、第二の実施の形態の音響エコー抑圧装置を第三の実施の形態の通話装置に適用した場合の構成図を図１１に示す。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、擬似エコー生成部の擬似エコー生成特性を最適擬似エコー生成特性に適応させる際の修正値を遠端信号以外にエコー抑圧後近端信号、近端信号の少なくとも一方を考慮して算出することにより、ダブルトークの検出が不要となるだけでなく、背景雑音環境下でダブルトーク状態が発生した場合であっても、エコー抑圧能力の低下を阻止できる音響エコー抑圧装置および通話装置を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第一の実施の形態の音響エコー抑制装置の構成図
【図２】本発明に係る第一の実施の形態の音響エコー抑制装置の擬似エコー生成部の構成図
【図３】本発明に係る第一の実施の形態の音響エコー抑制装置のエコー抑圧部の動作を説明するフローチャート
【図４】本発明に係る第一の実施の形態の音響エコー抑制装置の擬似エコー生成部の適応部の動作を説明するフローチャート
【図５】本発明に係る第一の実施の形態の音響エコー抑制装置の修正値計算部の動作を説明するフローチャート
【図６】本発明に係る第一の実施の形態の音響エコー抑制装置の近端信号時間平均値を所定範囲内に規制したときの修正値計算部の動作を説明するフローチャート
【図７】本発明に係る音響エコー抑制装置の第一の実施の形態の背景雑音が無い場合のシミュレーション試験結果の効果の説明図
【図８】本発明に係る第一の実施の形態の音響エコー抑制装置の背景雑音が有る場合のシミュレーション試験結果の効果の説明図
【図９】本発明に係る第二の実施の形態の音響エコー抑制装置の構成図
【図１０】本発明に係る第三の実施の形態の通話装置の構成図
【図１１】第二の実施の形態の音響エコー抑圧装置を第三の実施の形態の通話装置に適用した場合の構成図
【符号の説明】
１０ 音声入出力部
１１ 近端信号変換部
１２ 遠端音声変換部
２０ 送受信部
２１ 送信部
２２ 受信部
３０ エコー抑圧部
３１ 擬似エコー生成部
３１Ａ フィルタ部
３１Ｂ 適応部
３２ エコー抑圧後近端信号出力部
３３ 修正値計算部
８１ 近端信号周波数分布平坦化部
８２ 近端信号周波数分布修復部
８３ 遠端信号周波数分布平坦化部
【発明の属する技術分野】
本発明は音響エコー抑圧装置および通話装置に係り、詳しくは背景雑音がある環境下でダブルトーク状態となってもエコー抑圧能力を維持することのできる音響エコー抑圧装置および通話装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ハンズフリー携帯端末、テレビ会議システム、カーナビゲーション装置等のデジタル音声機器にあっては、音声のデジタル処理時間に起因して、近端側のスピーカから出力された遠端者の音声が近端側のマイクロホンに入力されて再び遠端側のスピーカから出力されると、遠端者が自分の音声の音響エコーを聞く音響エコー障害が発生するおそれがある。デジタル音声機器においては、音響エコーを抑圧し、通話品質を改善するうえで、音響エコー抑圧装置は重要な要素である。
【０００３】
しかしながら、従来の音響エコー抑圧装置は実際には騒音環境下で使用される場合が多いが、送話と受話とが同時に行われる、いわゆるダブルトーク状態においては、音響エコー抑圧装置に使用されている適応フィルタの荷重係数が擾乱され、エコー抑圧能力が劣化しがちであった。
【０００４】
この問題を解決するために、従来の音響エコー抑圧装置にあっては、ダブルトークディテクタを設け、雑音のレベルに応じてダブルトークであるか否かを判定するしきい値を変更するとともに、ダブルトークディテクタでダブルトーク状態であると判定したときに適応フィルタの係数の変更を禁止していた（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
また、従来の別の音響エコー抑圧装置にあっては、ダブルトークディテクタおよび適応フィルタに荷重係数の記憶回路を設け、ダブルトークディテクタでダブルトーク状態でないと判定ときにエコー消去量がしきい値を越えると適応フィルタの荷重係数を記憶回路に記憶し、ダブルトーク状態であると判定されたときには記憶回路に記憶されている荷重係数により音響エコーを抑圧していた（例えば特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−２５６０８９号公報
【特許文献２】
特開平１１−２３４１７７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近端者の音声と背景雑音とを明確に区別することは実際には難しいため、従来の音響エコー抑圧装置に使用されていたダブルトークディテクタでは、背景雑音がある環境下でダブルトーク状態であるか否かを正確に判定することは困難であった。このため、背景雑音がある環境下でダブルトーク状態となると、適応フィルタの荷重係数が擾乱され、エコー抑圧能力が低下し、音響エコーが発生して通話品質が悪化しがちであった。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ダブルトークディテクタによりダブルトーク状態であるか否かを検出することなく、背景雑音がある環境下でダブルトーク状態となってもエコー抑圧能力し、通話品質を高めた音響エコー抑圧装置および通話装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る音響エコー抑圧装置は、近端音声を、前記近端音声を示す近端信号に変換するとともに遠端信号を音声として出力する音声入出力部と、前記音声入出力部の後段に配置され、前記音声入出力部において前記遠端信号を示す音声と前記近端音声とが混合することにより前記近端信号中に発生する音響エコーを抑圧するエコー抑圧部とを備え、前記エコー抑圧部は、前記遠端信号に基づいて前記音響エコーに擬似する擬似エコーを生成する擬似エコー生成部と、前記音響エコーを含む前記近端信号から前記擬似エコー生成部で生成された前記擬似エコーを減算してエコー抑圧後近端信号を出力するエコー抑圧後近端信号出力部と、前記擬似エコー生成部の擬似エコー生成特性を前記エコー抑圧後近端信号出力部から出力される前記エコー抑圧後近端信号の自乗時間平均値が最小となる最適擬似エコー生成特性に適応させる前記擬似エコー生成特性に対する修正値を計算する修正値計算部とを含む。
この構成により、背景雑音の有無、ダブルトーク状態であるか否かに応じて修正値を変更することが可能となることとなる。
【００１０】
本発明に係る音響エコー抑圧装置は、前記修正値計算部は、前記近端信号または前記エコー抑圧後近端信号の少なくともいずれか一方のパワーが増大したときは、前記修正値を、前記近端信号または前記エコー抑圧後近端信号の少なくともいずれか一方のパワーが増大する前の修正値よりも小さくする構成を有している。
この構成により、背景雑音がない環境下でダブルトーク状態でないときに、修正値が大きくなって、擬似エコー生成部の最適擬似エコー生成特性への適応速度が加速されエコーキャンセル能力が高く維持されることとなる。逆に、背景雑音がある環境下であるとき、またはダブルトーク状態であるとき、もしくは、背景雑音がある環境下でダブルトーク状態であるときは、修正値が小さくなって擬似エコー生成部の最適擬似エコー生成特性への適応速度が減速され、擬似エコー生成部の擬似エコー生成特性の擾乱が防止されることとなる。
【００１１】
本発明に係る音響エコー抑圧装置は、前記修正値計算部は、前記近端信号または前記エコー抑圧後近端信号の少なくともいずれか一方のパワーが増大したことを、第一の予め定めた所定期間の前記近端信号の自乗和と第二の予め定めた所定期間の前記エコー抑圧後近端信号の絶対値の移動時間平均値との積により評価する構成を有している。
この構成により、背景雑音がある環境下であるとき、またはダブルトーク状態であること、もしくは、背景雑音がある環境下でダブルトーク状態であることを近端信号およびエコー抑圧後近端信号から評価されることとなる。
【００１２】
本発明に係る音響エコー抑圧装置は、前記修正値計算部は、前記エコー抑圧後近端信号の絶対値の移動時間平均値が予め定められた範囲を逸脱したときは、前記エコー抑圧後近端信号の絶対値の移動時間平均値を前記内に規制する構成を有している。
この構成により、エコー抑圧後近端信号の移動平均値が予め定められた範囲から逸脱した場合でも、適応部における荷重係数の最適荷重係数への適応が遅延およびエコーキャンセル能力の低下が防止されることとなる。
【００１３】
また、本発明に係る音響エコー抑圧装置は、前記エコー抑圧部が、前記エコー抑圧後近端信号出力部の前段に設置され、前記近端信号の周波数分布を平坦化する近端信号周波数分布平坦化部と、前記擬似エコー生成部および前記修正値計算部の前段に設置され、前記遠端信号の周波数分布を平坦化する遠端信号周波数分布平坦化部と、前記エコー抑圧後近端信号出力部の後段に設置され、前記近端信号周波数分布平坦化部で平坦化された前記近端信号の周波数分布を平坦化前の周波数分布に修復する近端信号周波数分布修復部とを含む構成を有している。
この構成により、近端信号および遠端信号の周波数分布が平坦化され、擬似エコー生成部の最適擬似エコー生成特性への適応が加速されるので、高いエコー抑圧能力が維持されることとなる。
【００１４】
本発明に係る通話装置は、近端音声を入力して近端信号に変換する近端信号変換部と、遠端信号を遠端音声に変換する遠端音声変換部と、前記遠端信号に基づいて前記近端信号に含まれるエコーを抑圧する上記の音響エコー抑圧装置のいずれかと、前記音響エコー抑圧装置で前記エコーが抑圧された前記近端信号を送信するとともに前記音響エコー抑圧装置に伝送される前記遠端信号を受信する送受信部とを含む構成を有している。
【００１５】
この構成により、背景雑音がない環境下でダブルトーク状態でないときに、修正値が大きくなって、擬似エコー生成部の最適擬似エコー生成特性への適応速度が加速されエコーキャンセル能力が高く維持される。逆に、背景雑音がある環境下であるとき、またはダブルトーク状態であるとき、もしくは、背景雑音がある環境下でダブルトーク状態であるとき、修正値が小さくなって擬似エコー生成部の最適擬似エコー生成特性への適応速度が減速され、擬似エコー生成部の擬似エコー生成特性の擾乱が防止されるだけでなく、遠端側とアナログ回線またはデジタル回線を介して通信することが可能となることとなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る第一の実施の形態の音響エコー抑圧装置について、図面を用いて説明する。
本発明に係る第一の実施の形態の音響エコー抑圧装置は、図１に示すように、近端音声を、近端音声を示す近端信号に変換するとともに遠端信号を音声として出力する音声入出力部１０と、音声入出力部１０の後段に配置され音声入出力部１０において遠端信号を示す音声と近端音声とが混合することにより近端信号中に発生する音響エコーを抑圧するエコー抑圧部３０とを備る。
【００１７】
エコー抑圧部３０は、遠端信号に基づいて音響エコーに擬似する擬似エコーを生成する擬似エコー生成部３１と、音響エコーを含む近端信号から擬似エコー生成部３１で生成された擬似エコーを減算してエコー抑圧後近端信号を出力するエコー抑圧後近端信号出力部３２と、擬似エコー生成部３１の擬似エコー生成特性をエコー抑圧後近端信号出力部３２から出力されるエコー抑圧後近端信号の自乗時間平均値が最小となる最適擬似エコー生成特性に適応させる擬似エコー生成特性に対する修正値を計算する修正値計算部３３とを含む。
【００１８】
なお、第一の実施の形態において、エコー抑圧部３０は、マイクロホン１１から出力されるアナログ近端信号をデジタル近端信号に変換する近端Ａ／Ｄ変換器３４と、スピーカ１２にアナログ遠端信号を出力するためにデジタル遠端信号をアナログ遠端信号に変換する遠端Ｄ／Ａ変換器３７とを備えており、擬似エコー生成部３１、エコー抑圧後近端信号出力部３２、および修正値計算部３３は、デジタル素子により構成されている。
【００１９】
次に、図２を参照し、擬似エコー生成部３１の機能構成を説明する。すなわち、擬似エコー生成部３１は、伝送されてきたデジタル遠端信号ｕ（ｎ）に基づいて（ｎ−１）個の遅延デジタル遠端信号を生成し、この遅延デジタル遠端信号および現在のデジタル遠端信号ｕ（ｎ）のそれぞれに荷重係数ｗ（ｉ，ｎ）を乗じ、その結果を線形結合して、擬似エコーとして出力とするフィルタ部３１Ａと、適応プログラムを使用して擬似エコー生成部３１の擬似エコー生成特性をエコー抑圧後近端信号出力部３２から出力されるエコー抑圧後近端信号の自乗時間平均値を最小とする最適擬似エコー生成特性に適応させるために、荷重係数ｗ（ｉ，ｎ）を最適荷重係数に適応させる適応部３１Ｂとを備えている。
【００２０】
フィルタ部３１Ａは、（Ｍ−１）個の遅延素子Ｚ−１の直列接続により（Ｍ−１）個の遅延デジタル遠端信号ｕ（ｎ−１）、ｕ（ｎ−２）・・・ｕ（ｎ−Ｍ＋１）を生成するようになっている。
【００２１】
さらに、フィルタ部３１Ａは、式（１）に基づいて、現時刻ｎのデジタル遠端信号ｕ（ｎ）を含むＭ個の遠端信号ｕ（ｎ）、ｕ（ｎ−１）、ｕ（ｎ−２）・・・ｕ（ｎ−Ｍ＋１）のそれぞれに荷重係数ｗ（０，ｎ）、ｗ（１，ｎ）、ｗ（２，ｎ）・・・ｗ（Ｍ−１，ｎ）を乗じ、その結果を加算して擬似エコーｙ（ｎ）を出力するようになっている。
【数１】
【数２】
次に、図３を参照し、エコー抑圧部３０の動作を説明する。最初に、現時刻ｎにおけるデジタル遠端信号ｕ（ｎ）が遠端Ｄ／Ａ変換器３７から読み込み込まれ（ステップＳ４１）、擬似エコー生成部３１のフィルタ部３１Ａにおいて（１）式に基づき擬似エコーｙ（ｎ）が算出される（ステップＳ４２）。
【００２３】
次いで、デジタル近端信号ｄ（ｎ）が近端Ａ／Ｄ変換器３４から読み込まれ（ステップＳ４３）、エコー抑圧後近端信号出力部３２において式（２）に基づいてエコー抑圧後近端信号ｅ（ｎ）が算出され（ステップＳ４４）、擬似エコー生成部３１の適応部３１Ｂにおいて荷重係数が更新される（ステップＳ４５）。
最後に、エコー抑圧部３０における計算上の時刻ｎが進められて次の処理に備える（ステップＳ４６）。
【００２４】
次に、図４を参照し、学習同定法により擬似エコー生成部３１の適応部３１Ｂで実行される荷重係数ｗ（ｉ，ｎ）の更新動作を説明する。最初に、擬似エコー生成部３１の適応部３１Ｂによって、修正値計算部３３で計算される修正値μが読み込まれる（ステップＳ５１）。
【００２５】
次いで、擬似エコー生成部３１の適応部３１Ｂによって、（３）式に基づいて、エコー抑圧後近端信号出力部３２から出力されるエコー抑圧後近端信号ｅ（ｎ）と、伝送されてきたデジタル遠端信号ｕ（ｎ）と、既に修正値計算部３３から読み込まれている修正値μとが乗算され、さらに、この乗算結果は擬似エコー生成部３１のフィルタ部３１Ａで生成される現時刻のデジタル遠端信号ｕ（ｎ）を含むＭ個の遠端信号ｕ（ｎ）、ｕ（ｎ−１）、ｕ（ｎ−２）・・・ｕ（ｎ−Ｍ＋１）の自乗和である遠端信号ノルムで除算されて、荷重係数補正値δｗ（ｉ，ｎ）が算出される（ステップＳ５２）。
【数３】
最後に、式（４）に基づいて、前ステップの荷重係数ｗ（ｉ，ｎ−１）と現ステップで算出された荷重係数補正値δｗ（ｉ，ｎ）が加算されて、荷重係数ｗ（ｉ，ｎ−１）が荷重係数ｗ（ｉ，ｎ）に更新される（ステップＳ５３）。
【数４】
【００２７】
しかしながら、本発明では、ダブルトーク状態でなく、かつ背景雑音が存在しない状態であるときに、擬似エコー生成部３１の適応部３１Ｂにおける適応を促進し、逆の状態、すなわち、ダブルトーク状態、または背景雑音が存在する状態の少なくとも一方の状態であるときには、擬似エコー生成部３１の適応部３１Ｂにおける適応を抑制するために、修正値μを修正値計算部３３で計算するようにしている。
【００２８】
すなわち、ダブルトーク状態でなく、かつ背景雑音が存在しない環境下では、近端信号は音響エコーだけとなるので、エコー抑圧後近端信号出力部３２から出力されるエコー抑制後近端信号は残留エコーとみなすことが可能である。そこで、上記状態において、適応部３１Ｂにおける荷重係数ｗ（ｉ，ｎ）の最適荷重係数への適応が促進されるように、修正値μを“１”に近づけるようにしている。
【００２９】
逆に、ダブルトーク状態または背景雑音が存在する状態のいずれかに移行すれば、適応部３１Ｂにおける適応を抑制し、移行以前の荷重係数ｗ（ｉ，ｎ）が維持されるように、修正値μを“１”より小さくするようにしている。
さらに、背景雑音があり、かつダブルトーク状態となった場合には、修正値μをさらに小さくするようにしている。
【００３０】
次に、図５を参照し、修正値計算部３３の動作を説明する。最初に、エコー抑圧後近端信号ｅ（ｎ）の移動平均値が式（５）に基づき算出される（ステップＳ６１）。
【数５】
次に、上記の処理において算出されたエコー抑圧後近端信号の移動平均値と、遠端信号ノルムおよび近端信号ノルム（適宜に定められる時間長内に含まれる近端信号の自乗和）とを使用して、式（６）に基づいて補正値μが算出される（ステップＳ６２）。
【数６】
【００３１】
上記の修正値計算部３３の動作において、エコー抑圧後近端信号の移動平均値が予め定められた範囲から逸脱すると、適応部３１Ｂにおける荷重係数ｗ（ｉ，ｎ）の最適荷重係数への適応が遅延するだけでなくエコーキャンセル能力が低下するおそれがある。
そこで、エコー抑圧後近端信号の移動平均値を予め定められた範囲内に規制する処理を追加してもよい。
図６は、エコー抑圧後近端信号の移動平均値を予め定められた範囲内に規制する処理を追加したときの修正値計算部３３の動作を説明するフローチャートであって、最初に、エコー抑圧後近端信号ｅ（ｎ）の移動平均値が式（５）に基づき算出される（ステップＳ６１）。
次に、移動平均値が上限値ＥＲＲＭＡＸより大きいか否かが判定され（ステップＳ６２）、移動平均値が上限値ＥＲＲＭＡＸより大きいと判定されたときは、移動平均値は上限値ＥＲＲＭＡＸで置き換えられる（ステップＳ６３）。
これは、移動平均値が大きくなり過ぎると、収束速度が遅くなるだけでなく、ダブルトーク時に音声歪が生じてしまうことを防止するための処理である。一方、移動平均値が上限値以下であると判定されたときは、移動平均値はそのままに維持される。
【００３２】
次に、移動平均値が下限値ＥＲＲＭＩＮより小さいか否かが判定され（ステップＳ６４）、移動平均値が下限値ＥＲＲＭＩＮより小さいと判定されたときは、移動平均値は下限値ＥＲＲＭＩＮで置き換えられる（ステップＳ６５）。
これは、移動平均値が小さくなり過ぎると、収束速度が遅くなるだけでなく、ダブルトーク初期時に荷重係数が擾乱されてしまうことを防止するための処理である。一方、移動平均値が下限値以上であると判定されたときは、移動平均値はそのまま維持される。
【００３３】
最後に、上記の処理において算出されたエコー抑圧後近端信号の移動平均値以と、遠端信号ノルムおよび近端信号ノルム（適宜に定られる時間長内に含まれる近端信号の自乗和）とを使用して、式（６）に基づいて補正値μが算出される（ステップＳ６６）。
【００３４】
ここで、遠端信号ノルムは、上記に説明したように、擬似エコー生成部３１のフィルタ部３１Ａに含まれる遅延素子Ｚ−１の直列接続から出力される遅延遠端信号を使用して算出することが可能である。
しかし、近端信号に対しては擬似エコー生成部３１のフィルタ部３１Ａに含まれる遅延素子は作用しないため、直接的に近端信号ノルムは算出されない。そこで、第一の実施形態においては、以下の処理で近端信号ノルムを算出している。
【００３５】
すなわち、本発明に係るエコー抑圧部３０は、遠端信号、近端信号およびエコー抑圧後近端信号を一回サンプリングする度に近端信号のエコーを抑圧するのではなく、予め定められたサンプリング数（Ｌ）遠端信号、近端信号およびエコー抑圧後近端信号を連続的にサンプリングした後に、Ｌ個の近端信号のエコーを抑圧するフレーム処理を適用している。
そこで、現在処理中のフレームより一つ前のフレームにおいて、既に格納されている近端信号に基づいて近端信号ノルムを算出している。
【００３６】
上記のように、修正値μを決定すれば、ダブルトーク状態および背景雑音のある環境下でエコー抑圧後近端信号の移動平均値および近端信号のノルムは大きくなるので、修正値μは“１”より小さくなり、荷重係数が擾乱されることが回避される。
【００３７】
逆に、ダブルトーク状態でなく、背景雑音がない環境下では、エコー抑圧後近端信号の移動平均値および近端信号のノルムは小さくなるので、修正値μは“１”に近づき、荷重係数の最適荷重係数への収束が加速される。
【００３８】
以上説明したように、本発明に係る第一の実施の形態の音響エコー抑圧装置によれば、修正値μを、遠端信号のほかにエコー抑圧後近端信号、近端信号の少なくとも一方を考慮して算出することにより、ダブルトークおよび背景雑音の有無に応じて修正値が自動的に調整される。この結果、ダブルトークを検出することなく、ダブルトークおよび背景雑音のある環境下においても高いエコーキャンセル能力を維持することが可能となる。
【００３９】
本発明に係る第一の実施の形態の音響エコー抑制装置の効果を確認するために、以下の条件でシミュレーション試験を行った。
サンプリング周波数：８ＫＨｚ
フレーム長：１６０サンプリング＝２０ミリ秒
遠端信号：音声信号
近端信号：近端話者音声信号＋エコー信号＋背景雑音
タップ数：２００
エコー抑圧後近端信号の移動平均値に対する上限値：２０
エコー抑圧後近端信号の移動平均値に対する下限値：１
【００４０】
シミュレーション試験によれば、背景雑音がない環境下においては、ダブルトーク状態の区間（１２５０〜２８００フレーム）となると、図７（ａ）に示すようにエコー抑圧後近端信号の二乗平均値は急激に大きくなり、この結果図８（ｂ）に示すように修正値μの平均値は急激に“１”より小さくなる。
一方、ダブルトーク状態でないときには、エコー抑圧後近端信号の二乗平均値は小さくなり、修正値μの平均値は“１”に近づく。
【００４１】
このシミュレーション試験の結果から、ダブルトーク状態のときには、荷重係数の更新が抑制され、エコー抑圧能力を維持することが可能となることが判る。一方、ダブルトーク状態でないときには、修正値μの平均値は“１”に近い値を維持するので、荷重係数の最適荷重係数への収束が加速され、確実にエコーを抑圧することが可能となることが判る。
【００４２】
さらに、背景雑音がある環境下のシミュレーション試験によれば、図７に示すように、ダルトーク状態でない区間（０から１２５０フレームおよび２８００〜３５００フレーム）であっても、エコー抑圧後近端信号の二乗平均値は高いレベルを維持するので、修正値μの平均値は背景雑音がない環境下における修正値μよりも大幅に小さくなり、荷重係数の更新が抑制され、エコー抑圧能力を維持することが可能となる。
【００４３】
背景雑音がある環境下でダブルトーク状態の区間（１２５０〜２８００フレーム）となると、エコー抑圧後近端信号の二乗平均値はさらに大きくなり、この結果修正値μはさらに小さくなり、荷重係数の更新が一層抑制される。
【００４４】
以上説明したように、本発明に係る第一の実施の形態の音響エコー抑圧装置によれば、修正値μを、遠端信号のほかにエコー抑圧後近端信号、近端信号の少なくとも一方を考慮して算出することにより、ダブルトークおよび背景雑音の有無に応じて修正値が自動的に調整される。
この結果、特にダブルトークを検出する機能を設けることなく、ダブルトーク状態であり、かつ、背景雑音のある環境下において、高いエコーキャンセル能力を維持することが可能となる。
【００４５】
上記説明において、修正値μは、修正値計算部３３において式（６）に基づいて計算されるものとしたが、式（６）に代えて式（７）あるいは式（８）を適用することも可能である。
【００４６】
ここで、式（７）を適用した場合には、修正値μは遠端信号以外にエコー抑圧後近端信号だけに基づいて計算され、式（８）を適用した場合には、修正値μは遠端信号以外に近端信号だけに基づいて計算される。
【数７】
また、第一の実施の形態の説明においては、擬似エコー生成部３１の荷重係数の更新方法として、学習同定法を適用した場合について説明したが、例えば、最小二乗法あるいは射影法を適用することも可能である。
【００４８】
すなわち、最小二乗法を適用した場合には、式（３）に代えて式（９）を、式（６）に代えて式（１０）を使用すればよい。
【数９】
さらに、射影法を適用する場合には、式（３）に代えて式（９）を、式（８）に代えて式（１１）を使用すればよい。
【数１１】
なお、最小二乗法または射影法の修正値の算出においても、式（１０）および式（１１）においては、遠端信号以外にエコー抑圧後近端信号および近端信号を考慮しているが、式（７）および式（８）に準じて遠端信号以外にエコー抑圧後近端信号または近端信号だけを考慮して修正値μを算出できることは明らかである。
【００５１】
さらに、上記説明では、擬似エコー生成部３１に、時間領域で動作する周知の適応フィルタを使用しているが、周波数領域で動作する適応フィルタを使用して擬似エコーを生成してもよい。
あるいは、動作周波数帯を複数の周波数帯域に分割し、周波数帯域ごとに設置された時間領域で動作する適応フィルタを使用して擬似エコーを生成することもできる。
【００５２】
次に、本発明に係る第二の実施の形態の音響エコー抑圧装置について説明する。
本発明に係る音響エコー抑圧装置の第二実施形態は、図９に示すように、エコー抑圧部３０が、エコー抑圧後近端信号出力部３２の前段に設置され、近端信号ｄ（ｎ）の周波数分布を平坦化する近端信号周波数分布平坦化部８１と、擬似エコー生成部３１および修正値計算部３３の前段に設置され、遠端信号ｕ（ｎ）の周波数分布を平坦化する遠端信号周波数分布平坦化部８３と、エコー抑圧後近端信号出力部３２の後段に設置され、近端信号周波数分布平坦化部８１で平坦化された近端信号ｄ（ｎ）の周波数分布を平坦化前の周波数分布に修復する近端信号周波数分布修復部８２とを含む。
【００５３】
ここで、近端信号周波数分布平坦化部８１および遠端信号周波数分布平坦化部８３は、それぞれハイパスフィルタで構成される。また、近端信号周波数分布修復部８２はローパスフィルタで構成される。
【００５４】
近端信号周波数分布平坦化部８１および遠端信号周波数分布平坦化部８３は、擬似エコー生成部３１の適応部３１Ｂに入力される近端信号および遠端信号の周波数分布を平坦化して、擬似エコー生成部３１における荷重係数の最適荷重係数への収束を加速するために使用される。
【００５５】
近端信号周波数分布平坦化部８１としては、式（１２）に示す一次ハイパスフィルタを適用することができる。
【数１２】
【００５６】
また、遠端信号周波数分布平坦化部８３としては、式（１３）に示す一次ハイパスフィルタを適用することができる。
【数１３】
【００５７】
さらに、近端信号周波数分布修復部８２としては、式（１４）に示す一次ローパスフィルタを適用することができる。
【数１４】
【００５８】
すなわち、第二の実施の形態に使用する近端信号周波数分布平坦化部８１および遠端信号周波数分布平坦化部８３は、入力信号の中心周波数が減衰領域のほぼ中央にあり、比較的なだらかに減衰する周波数特性を有する。そして、入力信号の低周波数側のレベルを低減し、高周波数側のレベルを増大させることにより、入力信号の周波数分布を平坦化するために設置される。
【００５９】
また、近端信号周波数分布修復部８２は、送信部２１から近端信号を送信するにあたり、近端信号周波数分布平坦化部８１により平坦化された近端信号の周波数分布を平坦化前の周波数分布に修復するために設置される。
【００６０】
以上説明したように、本発明に係る第二の実施の形態の音響エコー抑圧装置によれば、擬似エコー生成部３１に入力される信号の周波数分布が平坦化されるので、擬似エコー生成部３１の適応部３１Ｂにおける荷重係数の最適荷重係数への収束が加速される。
【００６１】
次に、本発明に係る第三の実施の形態の通話装置について説明する。
本発明に係る第三の実施の形態の通話装置は、図１０に示すように、近端音声を入力して近端信号に変換する近端信号変換部１１と、遠端信号を遠端音声に変換する遠端音声変換部１２と、遠端信号に基づいて近端信号に含まれるエコーを抑制する第一の実施の形態の音響エコー抑圧装置または第二の実施の形態の音響エコー抑圧装置のいずれかと、エコーが抑圧された近端信号を送信するとともに音響エコー抑圧装置に伝送される遠端信号を受信する送受信部２０とを含む。
即ち、音声入出力部１０は、近端音声を、近端音声を示す近端信号に変換する近端信号変換部１１と、遠端信号を遠端音声として出力する遠端音声変換部１２とを含み、送受信部２０は音響エコー抑圧装置から出力されるエコーが抑圧された近端信号を送信する送信部２１と、遠端信号を受信する受信部２２とを含み、音響エコー抑圧装置は音声入出力部１０と送受信部２０の間に配置される。
【００６２】
音声入出力部１０は、話者音声および背景雑音を受話して話者音声を示す近端信号に変換する近端信号変換部１１と、遠端信号を音声として出力する遠端信号変換部１２とを含む。近端信号変換部１１、および遠端信号変換部１２は、例えば、それぞれマイクロホンおよびスピーカによって構成されている。
また、送受信部２０は、近端信号を遠隔地に送信する送信部２１と、遠隔地から送信されてきた遠端信号を受信する受信部２２とを含む。
【００６３】
そして、エコー抑圧部３０は、受信部２２で受信された遠端信号に基づいて、スピーカ１２から出力された遠端者の音声がマイクロホン１１から入力されることにより近端信号中に発生する音響エコーに擬似した擬似エコーを生成する擬似エコー生成部３１と、擬似エコー生成部３１で生成される擬似エコーをマイクロホン１１から出力される音響エコーを含む近端信号から減算してエコー抑圧後近端信号を出力するエコー抑圧後近端信号出力部３２と、受信部２２で受信された遠端信号と、マイクロホン１１から出力される近端信号と、エコー抑圧後近端信号出力部３２から出力されるエコー抑圧後近端信号とに基づいて、擬似エコー生成部３１の擬似エコー生成特性をエコー抑圧後近端信号出力部３２から出力されるエコー抑圧後近端の自乗時間平均値が最小となる最適擬似エコー生成特性に適応させる擬似エコー生成特性に対する修正値を計算する修正値計算部３３とを含む。
【００６４】
そして、第三の実施の形態の通話装置は、エコー抑圧部３０は、送信部２１にアナログ近端信号を出力するためにデジタル近端信号をアナログ近端信号に変換する近端Ｄ／Ａ変換器３５と、受信部２２で受信したアナログ遠端信号をデジタル遠端信号に変換する遠端Ａ／Ｄ変換器３６とを更に含み、擬似エコー生成部３１、エコー抑圧後近端信号出力部３２、および修正値計算部３３は、デジタル素子により構成されている。
【００６５】
なお、第三の実施の形態の通話装置が、遠端側エコー抑圧装置とデジタル回線により接続される場合は、近端Ｄ／Ａ変換器３５と遠端Ａ／Ｄ変換器３６とは省略し得る。
第三の実施の形態の通話装置の動作は、遠端信号が受信部２２で受信され、遠端Ａ／Ｄ変換器３６でデジタル遠端信号ｕ（ｎ）に変換されて、擬似エコー生成部３１と修正値計算部３３に取り込まれる点、およびエコー抑圧後近端信号が近端Ｄ／Ａ変換器３５でアナログ信号に変換されて送信部２１から送信される点を除いて、第一および第二の実施の形態の音響エコー抑圧装置の動作と同じであるので、本実施の形態の通話装置のエコー抑圧部３０の詳細な動作説明は省略する。
【００６６】
すなわち、本発明に係る第三の実施の形態の通話装置によっても、特にダブルトークを検出する機能を設置することなく、ダブルトーク状態であり、かつ背景雑音のある環境下において、高いエコーキャンセル能力を維持することが可能となる。
なお、確認のために、第二の実施の形態の音響エコー抑圧装置を第三の実施の形態の通話装置に適用した場合の構成図を図１１に示す。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、擬似エコー生成部の擬似エコー生成特性を最適擬似エコー生成特性に適応させる際の修正値を遠端信号以外にエコー抑圧後近端信号、近端信号の少なくとも一方を考慮して算出することにより、ダブルトークの検出が不要となるだけでなく、背景雑音環境下でダブルトーク状態が発生した場合であっても、エコー抑圧能力の低下を阻止できる音響エコー抑圧装置および通話装置を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第一の実施の形態の音響エコー抑制装置の構成図
【図２】本発明に係る第一の実施の形態の音響エコー抑制装置の擬似エコー生成部の構成図
【図３】本発明に係る第一の実施の形態の音響エコー抑制装置のエコー抑圧部の動作を説明するフローチャート
【図４】本発明に係る第一の実施の形態の音響エコー抑制装置の擬似エコー生成部の適応部の動作を説明するフローチャート
【図５】本発明に係る第一の実施の形態の音響エコー抑制装置の修正値計算部の動作を説明するフローチャート
【図６】本発明に係る第一の実施の形態の音響エコー抑制装置の近端信号時間平均値を所定範囲内に規制したときの修正値計算部の動作を説明するフローチャート
【図７】本発明に係る音響エコー抑制装置の第一の実施の形態の背景雑音が無い場合のシミュレーション試験結果の効果の説明図
【図８】本発明に係る第一の実施の形態の音響エコー抑制装置の背景雑音が有る場合のシミュレーション試験結果の効果の説明図
【図９】本発明に係る第二の実施の形態の音響エコー抑制装置の構成図
【図１０】本発明に係る第三の実施の形態の通話装置の構成図
【図１１】第二の実施の形態の音響エコー抑圧装置を第三の実施の形態の通話装置に適用した場合の構成図
【符号の説明】
１０ 音声入出力部
１１ 近端信号変換部
１２ 遠端音声変換部
２０ 送受信部
２１ 送信部
２２ 受信部
３０ エコー抑圧部
３１ 擬似エコー生成部
３１Ａ フィルタ部
３１Ｂ 適応部
３２ エコー抑圧後近端信号出力部
３３ 修正値計算部
８１ 近端信号周波数分布平坦化部
８２ 近端信号周波数分布修復部
８３ 遠端信号周波数分布平坦化部
Claims (6)
- 近端音声を、前記近端音声を示す近端信号に変換するとともに遠端信号を音声として出力する音声入出力部と、前記音声入出力部の後段に配置され、前記音声入出力部において前記遠端信号を示す音声と前記近端音声とが混合することにより前記近端信号中に発生する音響エコーを抑圧するエコー抑圧部とを備え、
前記エコー抑圧部は、前記遠端信号に基づいて前記音響エコーに擬似する擬似エコーを生成する擬似エコー生成部と、前記音響エコーを含む前記近端信号から前記擬似エコー生成部で生成された前記擬似エコーを減算してエコー抑圧後近端信号を出力するエコー抑圧後近端信号出力部と、前記擬似エコー生成部の擬似エコー生成特性を前記エコー抑圧後近端信号出力部から出力される前記エコー抑圧後近端信号の自乗時間平均値が最小となる最適擬似エコー生成特性に適応させる前記擬似エコー生成特性に対する修正値を計算する修正値計算部とを含むことを特徴とする音響エコー抑圧装置。 - 前記修正値計算部は、前記近端信号または前記エコー抑圧後近端信号の少なくともいずれか一方のパワーが増大したときは、前記修正値を、前記近端信号または前記エコー抑圧後近端信号の少なくともいずれか一方のパワーが増大する前の前記修正値よりも小さくすることを特徴とする請求項１に記載の音響エコー抑圧装置。
- 前記修正値計算部は、前記近端信号または前記エコー抑圧後近端信号の少なくともいずれか一方のパワーが増大したことを、第一の予め定めた所定期間の前記近端信号の自乗和と第二の予め定めた所定期間の前記エコー抑圧後近端信号の絶対値の移動時間平均値との積により評価することを特徴とする請求項２に記載の音響エコー抑圧装置。
- 前記修正値計算部は、前記エコー抑圧後近端信号の絶対値の移動時間平均値が予め定められた範囲を逸脱したときは、前記エコー抑圧後近端信号の絶対値の移動時間平均値を前記内に規制することを特徴とする請求項３に記載の音響エコー抑圧装置。
- 前記エコー抑圧部が、前記エコー抑圧後近端信号出力部の前段に設置され、前記近端信号の周波数分布を平坦化する近端信号周波数分布平坦化部と、前記擬似エコー生成部および前記修正値計算部の前段に設置され、前記遠端信号の周波数分布を平坦化する遠端信号周波数分布平坦化部と、前記エコー抑圧後近端信号出力部の後段に設置され、前記近端信号周波数分布平坦化部で平坦化された前記近端信号の周波数分布を平坦化前の周波数分布に修復する近端信号周波数分布修復部とを含むことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の音響エコー抑圧装置。
- 近端音声を入力して近端信号に変換する近端信号変換部と、遠端信号を遠端音声に変換する遠端音声変換部と、前記遠端信号に基づいて前記近端信号に含まれる音響エコーを抑圧する請求項１から請求項５のいずれかに記載の音響エコー抑圧装置と、前記音響エコー抑圧装置で前記エコーが抑圧された前記近端信号を送信するとともに前記音響エコー抑圧装置に伝送される前記遠端信号を受信する送受信部とを含む通話装置。
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| JP2003183134A JP2005020428A (ja) | 2003-06-26 | 2003-06-26 | 音響エコー抑圧装置および通話装置 |
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-
2003
- 2003-06-26 JP JP2003183134A patent/JP2005020428A/ja active Pending
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