JP2006270368A - Howling canceler - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は講堂やホール等に設置される拡声システムに用いられ、ハウリングを抑制するハウリングキャンセラに関する。 The present invention relates to a howling canceller that is used in a loudspeaker system installed in a lecture hall, a hall, or the like and suppresses howling.
一般に講堂やホール等で拡声装置を用いた場合、スピーカから出力された音声は、ある伝達関数をもつ音響経路を経て再びマイクロフォンに入力される。つまり、マイクロフォン−増幅器−スピーカ−音響経路−マイクロフォン、の経路で閉ループが形成される。この閉ループのゲインが1を越えるとスピーカからマイクロフォンに帰還した音声が増大してハウリングの発生となる。 In general, when a loudspeaker is used in a lecture hall, a hall, or the like, sound output from a speaker is input to a microphone again through an acoustic path having a certain transfer function. That is, a closed loop is formed by the path of microphone-amplifier-speaker-acoustic path-microphone. When the gain of the closed loop exceeds 1, the sound returned from the speaker to the microphone increases, and howling occurs.
このハウリングを防止するための手法としては、イコライザやコンプレッサ(リミッタ)等をマイクロフォンからスピーカに至る増幅経路に挿入し、これらを手動調整するものがある。 As a method for preventing this howling, there is a method in which an equalizer, a compressor (limiter), or the like is inserted into an amplification path from a microphone to a speaker and these are manually adjusted.
このような方式においては、ハウリングを実際に生じさせ、グラフィックイコライザやパラメトリックイコライザを用いてハウリングが発生している周波数を手動で検出し、その周波数の音量レベルを手動で下げる必要があった。このような方法では、調整時間が多大にかかるばかりでなくハウリングを抑制するための調整に熟練を要していた。 In such a system, it is necessary to actually generate howling, manually detect the frequency at which howling is generated using a graphic equalizer or a parametric equalizer, and manually lower the volume level of the frequency. In such a method, not only adjustment time is required, but also skill is required for adjustment to suppress howling.
上記問題を解決するために、ハウリングが生じているピーク周波数を自動検出し、ハウリングが発生した時にそのピーク周波数の音量を自動低減するようにイコライザを調整し、コンプレッサをかける方法が提案されている。(例えば特許文献1参照)
一方で、ハウリングを効率的に防止するために、適応フィルタ(アダプティブ・ディジタル・フィルタ)を用いてハウリングの発生を防止するハウリングキャンセラが提案されている(例えば非特許文献1参照)。
In order to solve the above problem, a method has been proposed in which a peak frequency at which howling occurs is automatically detected, an equalizer is adjusted to automatically reduce the volume of the peak frequency when howling occurs, and a compressor is applied. . (For example, see Patent Document 1)
On the other hand, in order to efficiently prevent howling, a howling canceller that uses an adaptive filter (adaptive digital filter) to prevent howling has been proposed (for example, see Non-Patent Document 1).
図8は上記のハウリングキャンセラを示した図である。マイクロフォン101およびスピーカ104は講堂やホール等、同一の音響空間に設置されている。ここで、マイクロフォン101から入力された音声信号は、フロントエンドのマイクロフォンアンプで増幅されたのちA/Dコンバータによってディジタル信号y(k)に変換される。
FIG. 8 shows the above-described howling canceller. The
信号y(k)は、加算器102を介して増幅器103に供給され、増幅される。G(z)は、増幅器103の伝達関数である。増幅器103から出力された信号x(k)は、D/Aコンバータによって音声信号に変換された後にスピーカ104から発音される。
The signal y (k) is supplied to the amplifier 103 via the
スピーカ104から発音された音声は音響帰還路105を経てマイクロフォン101に帰還する。音響帰還路105は、スピーカ104からマイクロフォン101に至る音響経路である。H(z)は音響帰還路105の伝達関数である。音響帰還路105を介して帰還される帰還信号d(k)は、話者等の音源が発生する音源信号s(k)とともにマイクロフォン101に入力される。マイクロフォン101は、この入力された音声をディジタル信号に変換してy(k)として出力する。
The sound generated from the
このような拡声装置では、マイクロフォン101−増幅器103−スピーカ104−音響帰還路105−マイクロフォン101の経路で閉ループが形成される。この閉ループのゲインが1を超えると、帰還信号d(k)が増大されてハウリング発生となる。同図に示す拡声装置では、このようなハウリングの発生を防止するために、ディレイ回路106、適応フィルタ107および加算器102を含むハウリングキャンセラを有している。
In such a loudspeaker, a closed loop is formed by the path of the microphone 101 -the amplifier 103 -the speaker 104 -the acoustic feedback path 105 -the
ディレイ回路106は、増幅器103の出力信号x(k)を音響帰還路105の時間遅延に対応した遅延時間τを付与して信号x(k−τ)として適応フィルタ107に出力するものである。適応フィルタ107は、図9に示すようにフィルタ部107aおよびフィルタ係数推定部107bを有しており、信号x(k−τ)は、フィルタ部107aおよびフィルタ係数推定部107bの両方に入力される。
The delay circuit 106 gives a delay time τ corresponding to the time delay of the acoustic feedback path 105 to the output signal x (k) of the amplifier 103 and outputs it to the
フィルタ部107aは、音響帰還路105の伝達関数H(z)を模擬した伝達関数F(z)でマイクロフォン101から入力される信号を減衰するようにフィルタ係数が設定されている。したがって、適応フィルタ107から出力された信号do(k)は、音響帰還路105の伝達関数H(z)を模擬した伝達関数F(z)で信号x(k−τ)をフィルタリングした信号であるため、スピーカ104から音響帰還路105を伝達してマイクロフォン101に再入力される帰還信号d(k)を模擬したものとなる。
In the
加算器102は、マイクロフォン101から入力された信号y(k)(ここで、y(k)は音源信号と帰還信号を加算した信号)から、帰還信号d(k)を模擬した信号do(k)を減算した信号e(k)を生成する。これにより、入力信号から帰還信号が除去され、ハウリングをキャンセルすることができる。
The
フィルタ係数推定部107bは、適応アルゴリズムを用いて信号x(k−τ)およびe(k)に基づいて伝達関数F(z)が伝達関数H(z)に一致または近似するようにフィルタ部107aのフィルタ係数を逐次更新する。この結果、信号d(k)を模擬した信号do(k)が得られ、ハウリング発生を防止することができる。
特許文献1に記載のハウリング防止プロセッサは、設置時等に手動でゲインを上げる等してハウリングを発生させ、ハウリングが発生する周波数を測定したのち動作をさせるものである。したがって、スピーカやマイクロフォンの位置関係の変化や、設置環境の変化(例えば温度、湿度変化)により測定時の周波数と異なる帯域でハウリングが発生した場合に対処できないという問題点があった。
The howling prevention processor described in
一方で、非特許文献1に記載のハウリングキャンセラは、スピーカやマイクロフォンの位置関係の変化や、設置環境の変化に適応していくものであるが、上述のディレイ回路の遅延時間量は初期設置時等に手動で設定するものであった。したがって、設置環境におけるスピーカからマイクロフォンへの帰還時間に正確に合わせるには熟練を要し、設定後に大きな環境変化があった場合には対応できなかった。
On the other hand, the howling canceller described in
本発明は、上記の事情に鑑み、音場環境の変化によるハウリングの発生にも対応でき、初期設置時の設定を容易にするハウリングキャンセラを提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a howling canceller that can cope with the occurrence of howling due to a change in sound field environment and facilitates the setting at the time of initial installation.
請求項1に記載の発明は、スピーカからマイクロフォンに至る音響帰還路の伝達関数を推定して、マイクロフォンの入力信号から帰還音声信号をキャンセルする適応フィルタを備えたハウリングキャンセラであって、入力信号から帰還音声信号をキャンセルした後の信号である残差信号を所定時間遅延させるディレイ回路と、スピーカとディレイ回路に測定用信号を入力する音源部と、適応フィルタが推定する測定用信号の帰還音声信号を基にして、少なくともディレイ回路の遅延量を設定する設定手段、を備えたことを特徴とする。
The invention according to
この発明では、測定用の信号をディレイ回路とスピーカに入力する。測定用信号は例えばホワイトノイズやピンクノイズ等である。使用者等が測定開始を指示すると、測定用信号がスピーカから発音され、マイクロフォンに帰還して入力される。設定手段は、測定用信号のインパルス応答を基にして、スピーカからマイクロフォンへの直接音到来時間を測定し、ディレイ回路の遅延量を設定する。インパルス応答は適応フィルタの推定したものを用いる。例えば、インパルス応答のパワーが所定の閾値を超えるタイミングを測定することで直接音到来時間と判断する。 In the present invention, a measurement signal is input to the delay circuit and the speaker. The measurement signal is, for example, white noise or pink noise. When a user or the like instructs the start of measurement, a measurement signal is generated from the speaker and is fed back to the microphone. The setting means measures the direct sound arrival time from the speaker to the microphone based on the impulse response of the measurement signal, and sets the delay amount of the delay circuit. An impulse response estimated by an adaptive filter is used. For example, the direct sound arrival time is determined by measuring the timing at which the power of the impulse response exceeds a predetermined threshold.
請求項2に記載の発明は、上記発明において、前記設定手段は、適応フィルタが推定する測定用信号の帰還音声信号を基にして、前記適応フィルタのパラメータを設定することを特徴とする。
The invention according to
この発明では、設定手段は、測定用信号のインパルス応答を基に、音響帰還路の残響時間等をさらに測定し、適応フィルタのタップ数を残響時間に応じて設定する。これにより無駄なタップ数を削減して演算量を抑えることが可能となる。また、スピーカからマイクロフォンへの直接音と、間接音(ノイズ等)の比を計測して適応フィルタの収束パラメータを設定する。間接音成分が多く含まれる場合には、適応フィルタの収束が低速になるように収束パラメータを小さくする。これにより誤差の増大を防止できる。 In the present invention, the setting means further measures the reverberation time of the acoustic feedback path based on the impulse response of the measurement signal, and sets the number of taps of the adaptive filter according to the reverberation time. As a result, the number of useless taps can be reduced and the amount of calculation can be suppressed. Further, the convergence parameter of the adaptive filter is set by measuring the ratio of the direct sound from the speaker to the microphone and the indirect sound (noise, etc.). When many indirect sound components are included, the convergence parameter is decreased so that the convergence of the adaptive filter becomes slow. This can prevent an increase in error.
請求項3に記載の発明は、上記発明において、残差信号を遮断するスイッチ手段をさらに備えたことを特徴とする。
The invention described in
この発明では、マイクロフォンに帰還した測定信号が再びスピーカより発音されないように、測定時に信号を遮断する。これにより測定時にハウリングが発生するのを防止することができる。 In the present invention, the signal is cut off at the time of measurement so that the measurement signal fed back to the microphone is not sounded again from the speaker. Thereby, howling can be prevented during measurement.
以上のように、この発明によれば、測定用の信号をディレイ回路とスピーカに入力し、適応フィルタが推定するマイクロフォンへの帰還信号を基にしてディレイ回路等の設定を行うことで、設置環境に最も適したパラメータを適応フィルタに設定することが可能となる。これにより、音場環境の変化によるハウリングの発生にも高精度に対応でき、初期設置時の設定を容易にすることが可能となる。 As described above, according to the present invention, the measurement signal is input to the delay circuit and the speaker, and the delay circuit and the like are set based on the feedback signal to the microphone estimated by the adaptive filter. It is possible to set the most suitable parameter for the adaptive filter. Thereby, it is possible to cope with the occurrence of howling due to a change in the sound field environment with high accuracy and to facilitate the setting at the initial installation.
以下、本発明の実施形態の適応ハウリングキャンセラ内蔵拡声システムについて図を用いて詳細に説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, a loudspeaker system with a built-in adaptive howling canceller according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は本発明の実施形態に係るハウリングキャンセラ内蔵拡声システムのブロック図である。同図に示すように、この拡声システムは、マイクロフォン1、加算器2、スイッチ回路3、増幅器4、加算器5、スピーカ6、ディレイ回路7、適応フィルタ8、信号生成部9、および自動設定部10からなり、マイクロフォン1およびスピーカ6は講堂やホール等に配置される。
FIG. 1 is a block diagram of a loudspeaker built-in howling canceller according to an embodiment of the present invention. As shown in the figure, this loudspeaker system includes a
マイクロフォン1に入力された音声信号はA/D変換処理によりディジタル信号として加算器2に入力される。加算器2は、マイクロフォン1の入力信号から適応フィルタ8の出力信号を差し引いて出力する。加算器2の出力信号は、スイッチ回路3を経て増幅器4に入力される。増幅器4は加算器2から入力された信号を増幅する。増幅器4で増幅された信号は加算器5を経てスピーカ6に出力される。スピーカ6に伝達された信号はアナログ音声信号に変換されて放音される。ここでスピーカ6から発音された音声はマイクロフォン1に帰還信号として再入力される。
The audio signal input to the
この例におけるハウリングキャンセラは、ディレイ回路7および適応フィルタ8により、マイクロフォン1から入力された音声信号が増幅器4およびスピーカ6、マイクロフォン1が設置されている音響空間を伝搬して再度マイクロフォン1に入力されるまでの一連の音声伝達経路の伝達特性を模擬するものである。
In the howling canceller in this example, the audio signal input from the
ディレイ回路7は、スピーカ6からマイクロフォン1に帰還する帰還信号の時間遅延を推定した時間遅延を付与するものである。具体的には、増幅器4から出力された信号が、スピーカ6を経てマイクロフォン1に帰還するまでの時間量と合致するようにディレイ回路7の時間遅延をあらかじめ設定する。設定した遅延量が実際の帰還信号の時間遅延に近いほどハウリング抑制の精度が高くなる。ディレイ回路7で時間遅延を付与されて出力した信号は適応フィルタ8に入力される。
The
適応フィルタ8は、音響帰還経路の伝達関数を模擬するフィルタであり、ディレイ回路7が遅延した信号をフィルタリングする有限長のフィルタ(FIRフィルタ)である。このフィルタリングされた出力信号を模擬信号として加算器2に出力する。適応フィルタ8は、音響空間の残響時間を想定したタップ数を備える。具体的には、スピーカ6から出力された信号が音響空間で残響する時間に合致するように適応フィルタ8のタップ数をあらかじめ設定する。設定したタップ数(タップ長)が実際の音響空間における残響時間に近いほどハウリング抑制の精度が高くなる。
The
適応フィルタ8は、図2に示すようにフィルタ部8aおよびフィルタ係数推定部8bからなるもので、フィルタ部8aおよびフィルタ係数推定部8bにはそれぞれディレイ回路7から遅延した信号が入力される。フィルタ部8aは入力された信号をフィルタリングし、加算器2に出力する。加算器2は、フィルタ部8aの出力信号をマイクロフォンの入力信号から差し引く。
As shown in FIG. 2, the
フィルタ係数推定部8bは、ディレイ回路7で遅延された過去の信号と加算器2の出力信号である現在の信号とに基づいて帰還信号の消去誤差を検出し、模擬信号を帰還信号に一致または近似させるべくフィルタ部8aの伝達関数を自動更新する。
The
フィルタ係数推定部8bの伝達関数更新は適応アルゴリズムを用いる。適応アルゴリズムは、例えばLMS(Least Mean Square)アルゴリズムを用いる。
An adaptive algorithm is used to update the transfer function of the filter
この実施形態におけるハウリングキャンセラは、ディレイ回路7の遅延量や適応フィルタ8のタップ数を変更できるモードである設定動作を行うものである。
The howling canceller in this embodiment performs a setting operation that is a mode in which the delay amount of the
信号生成部9は、設定動作において、測定用信号を加算器5に入力する。測定用信号は例えば、ホワイトノイズやピンクノイズ等である。加算器5は、測定用信号をスピーカ6とディレイ回路7に入力する。
The
自動設定部10は、設定動作において、スイッチ回路3をオフするように指示し、適応フィルタ8で推定される伝達関数を基にしてスピーカ6からマイクロフォン1への直接音到来時間や音響空間における残響時間等を測定する。具体的には、適応フィルタ8で推定されるフィルタ係数を測定し、フィルタ係数のパワーが所定の閾値を超えるタップ番号から算出される時間を直接音到来時間とみなす。また、インパルス応答の減衰を調べることで、音響空間の残響時間を測定する。さらに、測定した直接音到来時間や残響時間等を基にしてディレイ回路7遅延量と適応フィルタ8のタップ数を設定する。また、適応フィルタ8の収束パラメータの設定も行う。
In the setting operation, the
なお、設定動作時にスイッチ回路3をオフにすることで、測定用信号が再度スピーカ6に入力することが無くなるためにハウリングを発生させないことが確実となるが、このスイッチ回路3が無い場合であっても本実施形態の設定動作を行うことは可能である。
Note that turning off the
ディレイ回路7の遅延量が、スピーカ6からマイクロフォン1に帰還する時間遅延に比べて大きすぎる場合、実際の帰還音声信号の時間遅延よりも大きく遅れた信号が適応フィルタ8に入力され、帰還音声信号の推定ができないために、ハウリングを抑制することが困難となる。
If the delay amount of the
適応フィルタ8のタップ数は、残響時間、すなわちインパルス応答の減衰に対応するものであり、実際の残響時間よりも多いタップ数は帰還音声信号のキャンセルには寄与せずに逆位相の信号を加算することもあり、かえって別の信号が加わってしまうことにもなる。また、タップ数が多いと演算量が増大し、適応フィルタ8の処理に負担がかかることとなる。
The number of taps of the
適応フィルタ8のフィルタ係数は忘却係数λやステップサイズαと呼ばれる収束パラメータで更新される。忘却係数λはそれまでのフィルタ係数に乗ずる係数であり、0〜1の範囲に設定する。忘却係数λを小さくするとそれまでのフィルタ係数を消去して更新を促進することになる。ステップサイズαは修正の大きさを表す係数であり、ステップサイズαを大きくすると修正したフィルタ係数をより多く利用することとなり、更新を促進することになる。インパルス応答に誤差が多く含まれた状態でステップサイズαを大きくすると、この誤差を増大させることとなる。
The filter coefficient of the
本発明の適応ハウリングキャンセラ内蔵拡声システムは、自動設定部10が上記パラメータを最適な値に設定することで安定してハウリングを防止することができるものである。
The loudspeaker system with a built-in adaptive howling canceller according to the present invention is capable of stably preventing howling by the
次に、ハウリングキャンセラ内蔵拡声システムの動作について詳細に説明する。 Next, the operation of the sounding system with a howling canceller will be described in detail.
図3は本発明の実施形態のハウリングキャンセラ内蔵拡声システムの伝達特性を示した図である。同図(A)は通常動作時におけるハウリングキャンセラ内蔵拡声システムの伝達特性を示した図である。同図に示すように、マイクロフォン1を介して入力された音声信号は、A/D変換処理によりディジタル信号y(k)に変換されて加算器2を介して増幅器4に入力される。増幅器4は、入力された信号y(k)を増幅するためのものである。G(z)は増幅器4の伝達関数である。
FIG. 3 is a diagram showing the transmission characteristics of the sounding system with a built-in howling canceller according to the embodiment of the present invention. FIG. 2A is a diagram showing the transfer characteristics of a sounding system with a howling canceller during normal operation. As shown in the figure, the audio signal input via the
増幅器4から出力された信号x(k)は、D/A変換処理によりアナログ音声信号に変換されてスピーカ6から音声を発音する。スピーカ6から発音された音声は音響帰還路11を経てマイクロフォン1に帰還する。音響帰還路11は、スピーカ6からマイクロフォン1に至る音響経路である。H(z)は音響帰還路11の伝達関数である。音響帰還路11を介して帰還される帰還信号d(k)は、話者等の音源が発生する音源信号s(k)とともにマイクロフォン1に入力される。マイクロフォン1は、この入力された音声信号をディジタル信号に変換してy(k)として出力する。
The signal x (k) output from the
また、増幅器4から出力された信号x(k)は、ディレイ回路7にも入力される。ディレイ回路7は、入力された信号x(k)に対し、時間遅延を付与して出力するもので、ここではスピーカ6からマイクロフォン1に帰還する帰還音声信号の時間遅延を推定した時間遅延τを付与するものである。ディレイ回路7で時間遅延τを付与されて出力した信号x(k−τ)は適応フィルタ8に入力される。
The signal x (k) output from the
適応フィルタ8は、図2に示したようにフィルタ部8aおよびフィルタ係数推定部8bからなるもので、フィルタ部8aおよびフィルタ係数推定部8bにはそれぞれディレイ回路7から出力された信号x(k−τ)が入力される。フィルタ部8aはスピーカ6からマイクロフォン1への帰還信号d(k)を模擬した信号do(k)を出力して、加算器2でマイクロフォン1から再入力される信号y(k)から帰還信号d(k)を模擬した信号do(k)を差し引くようにする。帰還信号d(k)を模擬した信号do(k)は、伝達関数F(z)に従って上記ディレイ回路7から出力された信号x(k−τ)を基に決定される。フィルタ係数推定部8bは、ディレイ回路7から出力された信号x(k−τ)とマイクロフォン1から増幅器4に伝達される信号のうち上記帰還信号d(k)を模擬した信号do(k)を差し引いた信号e(k)とを基にして、適応アルゴリズムを用い、帰還信号を模擬した信号do(k)が実際の帰還信号d(k)に一致もしくは近似するようにフィルタ部8aのフィルタ係数を更新するものである。適応アルゴリズムは、例えばLMSアルゴリズムを用いる。信号e(k)の2乗平均値J=E[e(k)2](ただし、E[・]は期待値)とすれば、Jを最小にするようなフィルタ係数が演算により推定され、推定されたフィルタ係数を用いてフィルタ部8aのフィルタ係数が更新される。
As shown in FIG. 2, the
上述のように適応フィルタ8では、ディレイ回路7から出力された信号x(k−τ)とマイクロフォン1から増幅器4に伝達される信号y(k)のうち上記帰還信号d(k)を模擬した信号do(k)を差し引いた信号e(k)とを基にしてフィルタ係数を更新するので、マイクロフォン1から入力された信号のうち、信号d(k)をキャンセルすることが可能である。マイクロフォン1−増幅器4−スピーカ6−音響帰還路11−マイクロフォン1の経路で形成される閉ループのゲインが1を超えたとき、帰還信号d(k)のうち、ある周波数の音圧値が時間経過とともに増大して周波数スペクトル上でピークを形成し、ハウリング発生となるが、適応フィルタ8は特にこのピークを減衰させるようにフィルタ係数を更新して、生成した模擬信号do(k)を入力信号y(k)から減算する。したがって、マイクロフォンから入力された音源信号s(k)と帰還信号d(k)を加算した信号y(k)が周波数一定の持続音であるときに、フィルタ係数を逐次更新してその持続音を減衰させることができる。
As described above, the
同図(B)は設定動作時におけるハウリングキャンセラ内蔵拡声システムの伝達特性を示した図である。設定動作は、このハウリングキャンセラ内蔵拡声システムの使用者等が設定を指示した場合に行うものである。 FIG. 5B is a diagram showing the transmission characteristics of the sounding system with a howling canceller during the setting operation. The setting operation is performed when a user or the like of the sounding system with a built-in howling canceller instructs setting.
信号生成部9は、測定用信号n(k)を加算器5に出力する。加算器5は測定用信号n(k)をスピーカ6とディレイ回路7に出力する。測定用信号n(k)はD/A変換処理によりアナログ音声信号に変換されてスピーカ6から音声を発音する。スピーカ6から発音された音声は音響帰還路11を経てマイクロフォン1に帰還する。音響帰還路11を介して帰還される帰還信号d1(k)は、外部からの間接音(ノイズ等)である信号s1(k)とともにマイクロフォン1に入力される。マイクロフォン1は、この入力された音声信号をディジタル信号に変換してy1(k)として出力する。
The
また、信号生成部9から出力された信号n(k)は、ディレイ回路7にも入力される。ディレイ回路7は、入力された信号n(k)に対し、時間遅延τを付与するものである。ディレイ回路7で時間遅延τを付与されて出力した信号n(k−τ)は適応フィルタ8に入力される。
The signal n (k) output from the
適応フィルタ8は、上述のようにスピーカ6からマイクロフォン1への帰還信号d1(k)を模擬した信号d2(k)を出力して、加算器2でマイクロフォン1から入力される信号y1(k)から帰還信号d1(k)を模擬した信号d2(k)を差し引くようにする。帰還信号d1(k)を模擬した信号d2(k)は、伝達関数F1(z)に従って上記ディレイ回路7から出力された信号n(k−τ)を基に決定される。フィルタ係数推定部8bは、ディレイ回路7から出力された信号n(k−τ)と信号y1(k)から信号d2(k)を差し引いた信号e1(k)とを基にして、適応アルゴリズムを用い、帰還信号を模擬した信号d2(k)が実際の帰還信号d1(k)に一致もしくは近似するようにフィルタ部8aのフィルタ係数を更新するものである。
The
自動設定部10は、上記適応フィルタ8のフィルタ係数推定部8bを参照して、適応フィルタ8のフィルタ係数、ここではフィルタ係数推定部8bが推定したインパルス応答を測定する。この推定したインパルス応答を基に各種パラメータを設定する。
The
次に、自動設定部10の動作について詳細に説明する。
Next, the operation of the
図4は、設定動作と通常動作の切り替えを示したフローチャートである。電源をオンするとこの動作を開始する。同図に示すように、まず設定を行うか否かの判断をする(s1)。適応ハウリングキャンセラ内蔵拡声システムの使用者等が電源をオンしたときに設定を指示した場合は設定動作に移る(s2)。使用者等が何も指示しなければ過去の設定を読み出す。なお、過去の設定がなされていなければハウリングキャンセラのデフォルトの設定を読み出す(s3)。これらの設定はハウリングキャンセラのメモリ(図示せず)等に記憶されている。設定モードを終えた後、あるいは設定を読み出した後は通常動作を開始する(s4)。 FIG. 4 is a flowchart showing switching between the setting operation and the normal operation. This operation starts when the power is turned on. As shown in the figure, it is first determined whether or not to set (s1). When the user of the loudspeaker system with built-in adaptive howling canceller instructs the setting when the power is turned on, the operation proceeds to the setting operation (s2). If the user does not instruct anything, the past settings are read out. If no past setting has been made, the default setting of the howling canceller is read (s3). These settings are stored in a howling canceller memory (not shown) or the like. After finishing the setting mode or reading the setting, normal operation is started (s4).
図5は、設定動作を示したフローチャートである。同図に示したように、設定動作を開始すると、まずディレイ回路7と適応フィルタ8のパラメータを全てリセットする(s5)。リセットするパラメータは、ディレイ回路7の遅延量、適応フィルタ8のタップ数、および収束パラメータである。リセットすると、ディレイ回路7の遅延量は0に設定する。タップ数と収束パラメータは適応フィルタ8の設定でき得る最大値に設定する。収束パラメータのうち、忘却係数λは最大値である1に設定すればよい。ステップサイズαは、使用する適応アルゴリズムに応じて最大値に設定する。
FIG. 5 is a flowchart showing the setting operation. As shown in the figure, when the setting operation is started, first, all parameters of the
パラメータをリセットした後、スイッチ回路3をオフにして信号生成部9から測定用信号を出力する(s6)。測定用信号はホワイトノイズやピンクノイズ等である。なお、スイッチ回路3を備えていない場合、スイッチ回路をオフにする処理は行わない。
After resetting the parameters, the
その後、上述のように適応フィルタ8が、ディレイ回路7の出力信号とマイクロフォン1の入力信号から模擬信号を差し引いた後の残差信号を基にしてインパルス応答を推定し、フィルタ係数に反映するので、これを測定する(s7)。測定したフィルタ係数のパワーを計算し、このパワーが最大となるピークパワーが所定の閾値(閾値a1とする)を超えたか否かを判断する(s8)。すなわち、フィルタ係数のパワーが所定の閾値を超えたか否かで、スピーカ6から発音された測定用信号がマイクロフォン1に帰還しているか否かを判断する。例えばディレイ回路7の遅延量が0であると、測定用信号をディレイ回路7とスピーカ6に入力した直後に適応フィルタ8のフィルタ係数推定部8bに測定用信号が入力され、マイクロフォン1からの帰還信号は入力されないので、フィルタ係数のパワーは小さくなる。なお、それぞれのタップ係数の絶対値を計算して、タップ係数の絶対値のうち、最大値が所定の閾値(閾値a2とする)を超えたか否かで判断するようにしてもよい。
After that, as described above, the
ピークパワーが所定の閾値以下と判断した場合、測定開始後の経過時間が所定の時間以上となるか否かを判断し(s9)、所定時間以上となるまでフィルタ係数のパワーを計算する(s9→s7)。所定時間は、例えば適応フィルタ8のタップ数の定数倍(0.5倍等)に設定する。経過時間が所定時間以上となった場合はディレイ回路7の遅延量を変更し(s10)、フィルタ係数の測定から処理を繰り返す(s10→s7)。
When it is determined that the peak power is equal to or less than a predetermined threshold, it is determined whether or not the elapsed time after the start of measurement is equal to or greater than a predetermined time (s9), and the power of the filter coefficient is calculated until the time is equal to or greater than the predetermined time (s9 → s7). The predetermined time is set to a constant multiple (0.5 times, etc.) of the number of taps of the
測定したフィルタ係数のパワーが閾値a1を超えたとき、そのパワーを示すタップとサンプリング周波数からマイクロフォン1に音声信号が到来する時間を計算し、その時間を直接音到来時間としてみなす(s11)。実際にはスピーカ6から到来した真の直接音ではなく、音響空間での反射音が到来していることになった場合であっても、本実施形態ではその時間を直接音到来時間とする。
When the power of the measured filter coefficient exceeds the threshold value a1, the time for the voice signal to arrive at the
なお、マイクロフォン1とスピーカ6の位置が遠すぎる等で、ディレイ回路7の遅延量を大きくしてもフィルタ係数のパワーが閾値a1を超えないときは設定動作を停止し、ディレイ回路7の最大遅延量を設定して通常動作に移行する。
If the power of the filter coefficient does not exceed the threshold value a1 even if the delay amount of the
直接音到来時間を測定した後、その直接音到来時間を基にしてディレイ回路7の遅延量を設定する(s12)。このとき、直接音到来時間から所定の補正時間を差し引いた時間を遅延量として設定する。例えば、直接音到来時間が100msecであった場合、補正時間として40msec程度を設定しておき、遅延量を60msecに設定する。これは、通常動作時に、話者などが移動してマイクロフォン1とスピーカ6の位置関係が変化したときに対応できるように遅延量にマージンを持たせるためである。
After measuring the direct sound arrival time, the delay amount of the
その後、再度フィルタ係数を測定して残響時間、すなわちインパルス応答を調べる(s13)。インパルス応答の減衰は、インパルス応答の2乗積分値Sf(m)を用いて次式のように表す。 Thereafter, the filter coefficient is measured again to check the reverberation time, that is, the impulse response (s13). The attenuation of the impulse response is expressed as follows using the square integral value S f (m) of the impulse response.
このインパルス応答の2乗積分値Sf(m)を基にしてタップ数を設定する(s14)。インパルス応答の2乗積分値Sf(m)とタップ数の設定は通常動作の条件によって決定する。例えば、残響成分まで確実に消去できることが望まれる場合には、インパルス応答が十分に減衰するまでのタップ数に設定する。すなわち、2乗積分値Sf(m)の値が十分に小さくなるところ、例えば20dB減衰するところとする。また、例えば適応フィルタに高速な応答を求める場合にはインパルス応答が検出されたところの周辺が含まれる程度のタップ数に設定する。10dB減衰することろとすればよい。これらは、使用者等が自由に設定することができる。例えば設定ボタンなどを設置し、使用者等がどちらかの条件を選択するようにすればよい。 The number of taps is set based on the square integral value S f (m) of the impulse response (s14). The settings of the square integral value S f (m) of the impulse response and the number of taps are determined by the conditions of normal operation. For example, when it is desired that the reverberation component can be reliably erased, the number of taps until the impulse response is sufficiently attenuated is set. That is, it is assumed that the square integral value S f (m) is sufficiently small, for example, is attenuated by 20 dB. For example, when a high-speed response is required for the adaptive filter, the number of taps is set so as to include the periphery where the impulse response is detected. Attenuation should be 10 dB. These can be freely set by the user or the like. For example, a setting button or the like may be installed so that the user or the like can select one of the conditions.
また、測定したインパルス応答を基に適応フィルタ8の収束パラメータを設定してもよい。収束パラメータを設定するには、ピークパワー周辺のパワー累積とフィルタ係数全体のパワー累積の比を基準にする。例えば累積比は次式のように表す。
Further, the convergence parameter of the
この累積比は、ピークパワーをしめすタップ番号の前後タップ数jのパワー累積とインパルス応答全体のパワー累積の比である。jは任意の数であるが、例えば50msecに相当するタップ数とする。この値が小さければ直接音以外の間接音(ノイズ等)の収音が大きいと判断できる。すなわち、推定したインパルス応答の誤差が大きいと判断することができ、この状態で更新を促進すると誤差を増大させることとなる。前述のように収束パラメータはステップサイズαと忘却係数λであるが、推定したインパルス応答の誤差が大きいと判断したときには更新を遅らせるためにステップサイズαを小さく設定する。また、同時に忘却係数λを大きくしてもよい。これにより、誤差の増大を防止できる。 This cumulative ratio is the ratio of the power accumulation of the tap number j before and after the tap number indicating the peak power and the power accumulation of the entire impulse response. j is an arbitrary number, but for example, is the number of taps corresponding to 50 msec. If this value is small, it can be determined that the collection of indirect sounds (noise etc.) other than the direct sound is large. That is, it can be determined that the error of the estimated impulse response is large, and if updating is promoted in this state, the error is increased. As described above, the convergence parameters are the step size α and the forgetting factor λ. When it is determined that the error of the estimated impulse response is large, the step size α is set small in order to delay the update. At the same time, the forgetting factor λ may be increased. Thereby, an increase in error can be prevented.
なお、自動設定部10は、音響伝達系のループゲインを測定するようにしてもよい。図6は、ループゲインを測定する場合のハウリングキャンセラ内蔵拡声システムの伝達特性を示した図である。なお、図3に示したハウリングキャンセラ内蔵拡声システムの伝達特性と同様の部分には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。同図のように、信号生成部9は、測定用信号n(k)をスピーカ6、ディレイ回路7、および自動設定部10に出力する。また、自動設定部10は、マイクロフォン1からの信号y1(k)も入力する。
Note that the
この場合において、自動設定部10は、入力された信号について高速フーリエ変換等を行うことができる。これにより入力された信号のパワースペクトルを測定することが可能である。測定用信号n(k)のパワースペクトルPSnと入力信号y1(k)のパワースペクトルPSy1を測定する。このパワースペクトルPSnとパワースペクトルPSy1の比であるPSy1/PSnをループゲインとする。
In this case, the
ループゲインが大きい値を示す周波数は、ハウリングが発生しやすいと判断することができ、また、ループゲインが大きい場合は直接音のパワーが大きいと判断することができる。したがって、ループゲインに所定の閾値を設定し、閾値を超える周波数とその周辺周波数帯域については、ハウリングの発生を防止するために適応フィルタ8のステップサイズαを大きくし、更新を促進するようにする。また、忘却係数λを小さく設定してもよい。
It can be determined that the frequency at which the loop gain has a large value is likely to generate howling. If the loop gain is large, it can be determined that the power of the direct sound is large. Therefore, a predetermined threshold value is set for the loop gain, and the step size α of the
なお、この場合において適応フィルタ8は、周波数領域で適応処理をすることができるものであり、各々の周波数帯域毎にステップサイズα、忘却係数λ等の収束パラメータを設定することができるものである。
In this case, the
なお、本発明の実施形態に係るハウリングキャンセラ内蔵拡声システムは、以下のような応用例が可能である。 In addition, the following application examples are possible for the sound enhancement system with a howling canceller according to the embodiment of the present invention.
図7は、本発明の応用例に係るハウリングキャンセラ内蔵拡声システムのブロック図である。なお、上述のハウリングキャンセラ内蔵拡声システムと同様の部分には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。同図に示すように、このハウリングキャンセラ内蔵拡声システムはディレイ回路12、適応フィルタ13、および加算器14をさらに備えている。スピーカ6に出力する信号はディレイ回路7とディレイ回路12に入力され、ディレイ回路12の出力信号は適応フィルタ13に入力される。また、加算器2の出力端子には、加算器14が接続されている。加算器14は、加算器2の出力信号から適応フィルタ13の出力信号を差し引くものである。自動設定部10は、ディレイ回路7、ディレイ回路12、適応フィルタ8、および適応フィルタ13のパラメータを設定することができる。
FIG. 7 is a block diagram of a loudspeaker system incorporating a howling canceller according to an application example of the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part similar to the above-mentioned sounding system with a howling canceller, and detailed description is abbreviate | omitted. As shown in the figure, the sounding system with a howling canceller further includes a delay circuit 12, an adaptive filter 13, and an adder 14. A signal output to the
適応フィルタ13は図2に示した適応フィルタ8の構成と同様のものである。ここで、適応フィルタ13は、適応フィルタ8に比してタップ数は少なく、フィルタ係数の更新間隔が短いものである。
The adaptive filter 13 has the same configuration as that of the
この例において、適応フィルタ8は、適応アルゴリズムとしてフィルタ係数更新に必要な演算量の少ないものを用いる。例えばSTFT−CS(Short Time Fourier Transform and Cross Spectrum)アルゴリズムを用いる。一方で適応フィルタ13は、フィルタ係数更新の速いLMSアルゴリズム等を用いる。
In this example, the
適応フィルタ13においてはフィルタ係数の更新を高速で行うため、タップ数が多くなると演算量が著しく増加するが、本実施形態では、適応フィルタ8のタップ数を比較的に多くしているので適応フィルタ13においてタップ数は少なくして演算量を少なくすることができる。これにより、音響帰還路の伝達関数が急激に変動してハウリングが高速に成長しても適応フィルタ13で抑制することが可能となる。すなわち、適応フィルタ13は、適応フィルタ8と加算器2で消去しきれない急激な信号の変化を推定することが可能であり、その信号のピークを主としてキャンセルする。
Since the adaptive filter 13 updates the filter coefficient at high speed, the amount of calculation increases remarkably as the number of taps increases. However, in this embodiment, the number of taps of the
この例において自動設定部10は、上述の設定動作と同様の動作を行うが、ディレイ回路7とディレイ回路12は異なる遅延量を設定する。上述のようにディレイ回路7では、測定した直接音到来時間から所定の補正時間を差し引いた時間を遅延量として設定するが、ディレイ回路12においては適応フィルタ13のタップ数に相当する時間の半分程度を補正時間として差し引く。適応フィルタ13のタップ数に相当する時間は、サンプリング周波数によって計算することができる。これにより、適応フィルタ13は、話者などが移動してマイクロフォン1とスピーカ6の位置関係が変化したときにも対応できるようになる。
In this example, the
なお、補正時間を大きくすることで、音響空間における長い残響時間には対応することができないが、本実施形態では適応フィルタ8のタップ数を比較的に多くし、適応フィルタ13においては、高速にフィルタ係数を更新して急激に発生するハウリングを抑制することを目的とするものであるので、インパルス応答のピーク周辺に対応したタップ数を備えていればよい。
Although it is not possible to cope with a long reverberation time in the acoustic space by increasing the correction time, in the present embodiment, the number of taps of the
以上のように、本発明の実施形態であるハウリングキャンセラ内蔵拡声システムは、測定用信号を用いて適応フィルタの推定したインパルス応答を測定することで、音響空間における直接音到来時間や残響時間を推定することが可能となる。これを基にディレイ回路の遅延量や適応フィルタのタップ数等を設定することで、設置する音場環境に最も適したパラメータを設定することができ、効率的に安定してハウリングを防止することが可能となる。 As described above, the sound enhancement system with a howling canceller according to the embodiment of the present invention estimates the direct sound arrival time and reverberation time in the acoustic space by measuring the impulse response estimated by the adaptive filter using the measurement signal. It becomes possible to do. Based on this, by setting the delay amount of the delay circuit, the number of taps of the adaptive filter, etc., it is possible to set the most suitable parameters for the sound field environment to be installed, and to prevent howling efficiently and stably Is possible.
1−マイクロフォン
2−加算器
3−スイッチ回路
4−増幅器
5−加算器
6−スピーカ
7−ディレイ回路
8−適応フィルタ
9−信号生成部
10−自動設定部
11−音響帰還路
12−ディレイ回路
13−適応フィルタ
14−加算器
101−従来の拡声システムにおけるマイクロフォン
102−従来の拡声システムにおける加算器
103−従来の拡声システムにおける増幅器
104−従来の拡声システムにおけるスピーカ
105−従来の拡声システムにおける音響帰還路
106−従来の拡声システムにおけるディレイ回路
107−従来の拡声システムにおける適応フィルタ
107a−従来の適応フィルタにおけるフィルタ部
107b−従来の適応フィルタにおけるフィルタ係数推定部
1-microphone 2-adder 3-switch circuit 4-amplifier 5-adder 6-speaker 7-delay circuit 8-adaptive filter 9-signal generation unit 10-automatic setting unit 11-acoustic feedback path 12-delay circuit 13- Adaptive filter 14-adder 101-
Claims (3)
入力信号から帰還音声信号をキャンセルした後の信号である残差信号を所定時間遅延させるディレイ回路と、
スピーカとディレイ回路に測定用信号を入力する音源部と、
適応フィルタが推定する測定用信号の帰還音声信号を基にして、少なくともディレイ回路の遅延量を設定する設定手段、
を備えたことを特徴とするハウリングキャンセラ。 A howling canceller including an adaptive filter that estimates a transfer function of an acoustic feedback path from a speaker to a microphone and cancels a feedback audio signal from a microphone input signal,
A delay circuit that delays the residual signal, which is a signal after canceling the feedback audio signal from the input signal, for a predetermined time;
A sound source unit for inputting a measurement signal to a speaker and a delay circuit;
Setting means for setting at least the delay amount of the delay circuit based on the feedback audio signal of the measurement signal estimated by the adaptive filter;
A howling canceller characterized by comprising
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