JP2006319925A - 適応フィルタ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】適応フィルタ80は、入力信号x(k)を受けるための適応係数行列W(k)を持つFIRフィルタ90と、参照信号yref(k)とFIRフィルタ90の出力y(k)とに基づいて誤差信号e(k)を計算する減算器98と、各々DFT領域区分に変換された信号x(k)及びe(k)に応答して、かつ誤差信号e(k)の確率密度分布に基づいて、行列W(k)を更新する係数更新モジュール94と、各DFT領域区分について、入力信号x(k)に干渉とノイズがあるときのみ行列W(k)を更新し、入力信号x(k)中に所望の信号があるときには更新を凍結するようにモジュール94を適応的に制御するダブルトーク検出器96とを含む。
【選択図】 図3
Description
以下の説明では、DFTの領域区分ごとのステップサイズ制御をダブルトークに頑健なアルゴリズムで用いることができるように、DFTドメインでLSEコスト関数を用いる、ダブルトークに対し柔軟性のあるDFTドメイン適応フィルタを導出する。この技術をMIMOシステムに適用するため、マルチチャネルの場合のこのアルゴリズムを定式化し、これを、マルチチャネル領域区分ごとの頑健FDAF(MC−BRFDAF)と呼ぶ(セクション2)。簡潔のため、制約のない場合のみを考察する。導出法は非特許文献8,9,12と同様である。
このセクションでは、線形多入力単一出力(Multiple−input single−output:MISO)フィルタのために、MC−BRFDAFを定式化した。MIMOの場合への一般化はこのセクションの最後にまとめる。導出法は非特許文献8,9,12と同様である。
Q個の入力チャネルを備えた適応MIMOシステムの出力信号ベクトルe(k)は以下で与えられる。
最適化基準を定式化するために、式(14)に左から
コスト関数(20)は、以下の形の反復ニュートンアルゴリズム(非特許文献19)を用いて、ベクトル_w(r)に対して最小化される。
非特許文献12に従って、
ニュートン型の適応ステップ(22)は2NQ×2NQの行列∇2ξ(r)の逆行列を必要とするので、実際的なシステムには、計算の複雑さを減じるために式(36)の近似が必要であろう。非特許文献8及び非特許文献9に従って、十分に大きいNについて
3.1 MIMO適応フィルタの概観
図1はM個の入力チャネル22とP個の出力チャネル24とを備えた線形有限インパルス応答(FIR)MIMOフィルタ20の構造を示し、ここで各入出力間のFIRフィルタ30はベクトルwm,p(k)で表わされる。各入力チャネルと各出力チャネル間のFIRフィルタ30はベクトルW(k)で表わされる。システムW(k)はM個の入力信号xm(k)で駆動され、これらは行列X(k)で表わされて加算器32、34、…36によって加算される。MIMOシステムの出力信号はy(k)24で表される。
適応的ビーム形成または適応的ビーム形成と組合されたアコースティックエコーキャンセレーションのためのMIMOフィルタの高速収束を確実にしつつ発散を避けるために、異常値に対し頑健な周知の最大尤度推定に基づく適応アルゴリズムを用いることを提案する。RLSアルゴリズム又はMC−FDAF等の典型的な非頑健高速収束適応アルゴリズムを、誤差信号e(k)がガウス分布する最大尤度推定器と解釈することができる。この仮定は非常に有益ではあるが、このような適応アルゴリズムは仮定からのわずかな偏差にもきわめて感受性が高く、従って異常値に対して影響を受けやすいことが知られている。
図4に適応ビーム形成器120を示す。図4を参照して、適応ビーム形成器120は、M個の入力チャネルとP=1個の出力チャネルを備えた(「MISO」システム)図2に従った適応線形MIMOフィルタ50と見ることができる。M個の入力チャネルはM個のマイクロフォン信号122に対応し、これは所望の信号、干渉及びノイズの混合物を含む。適応フィルタ130は干渉とノイズとを最大に抑制しつつ、所望の信号の歪を最小にするよう適応化される。
図4の直接的な実現例を用いる代わりに、適応ビーム形成器はまた、GSCとして実現することもできる。
固定ビーム形成器180はセンサアレイを操作して所望の音源位置に向け、干渉に対して、所望の信号の性能を高める。固定ビーム形成器180はGSC170の参照経路を形成する。しばしば、固定ビーム形成器180は、所望の信号が減衰しないように、所与の区域内で所望の音源が移動することを許容するように設計される。又は、適応ビーム形成器又は適応ビーム配向ユニットを用いて、固定ビーム形成器を所望の音源位置に向けるようにしてもよい。特に小規模のマイクロフォンアレイでは、固定ビーム形成器による干渉抑制は多くの応用では不十分なため、適応ブロッキング行列及び干渉キャンセラからなる適応サイドローブキャンセリング経路が必要とされる。
ブロッキング行列B(k)182は、B(k)の出力が干渉の参照基準となるように、所望の信号を抑制するとともに干渉を通過させる空間フィルタである。適応ブロッキング行列B(k)182は、適応フィルタ190、192、…、194と減算器200、202、…、204とのM個の組を含み、固定ビーム形成器180の出力y(k)を用いて、入力信号x(k)172の各チャネルを適応的にフィルタリングする。
ブロッキング行列182の出力信号を干渉の参照信号として用いて、干渉キャンセラa(k)186は適応フィルタリングにより、参照経路から残存する干渉を適応的に減算する。
固定ビーム形成器180は、干渉のない所望信号の推定を生成することができない。従って、ブロッキング行列182は、ブロッキング行列182による干渉の抑制を防ぐために、信号対干渉比(signal−to−interference ratio:SIR)が高いときのみに適応化されるべきである。ブロッキング行列182で抑制された干渉成分を干渉キャンセラ186でキャンセルすることはできないので、これはGSC170の出力に漏洩する。一般に、ブロッキング行列182は、所望信号を全く含まない干渉の推定を生成することはない。従って、干渉キャンセラ186は、所望の信号のキャンセレーションと歪とを防ぐために、SIRが低いときのみに適応化されるべきである。
先に述べたように、適応制御(又はダブルトーク検出器)は所望の信号と干渉との活動を常に正確に検出することはできない。従って、ブロッキング行列182と干渉キャンセラ186とは、ダブルトークの間に適応化されてしまうかもしれず、これは適応フィルタの異常値につながる。変換ドメインで頑健なMIMO適応フィルタリングを用いることで、センサ信号のスパースネスを活用した、高速に収束する適応アルゴリズムを用いながら適応フィルタの発散を防ぐことができる。
適応ブロッキング行列182を備えたGSCの代替物として、固定(時間不変の)ブロッキング行列Bを備えてGSCを実現することもできる。ここで、頑健なMIMO適応フィルタは干渉キャンセラ186にのみ適用される。
実際的なマルチメディア端末では、アコースティックエコー、干渉及びノイズを最適に抑制するために、ビーム形成マイクロフォンアレイとアコースティックエコーキャンセレーションとを組合わせることが望ましい(非特許文献13,14)。ここでは一般に、アコースティックエコーキャンセレーションとビーム形成との肯定的な相乗作用を最大に活用しながら、組合せシステムの計算の複雑さを最小にする、という課題に取り組まなければならない。
図6で、線226上のQ個のラウドスピーカ信号v(k)は適応フィルタ240に対する追加の入力チャネルと解することができる。従って、アコースティックエコーキャンセレーションと適応ビーム形成との結合システム220は、M+Q個の入力チャネル222及び228を備えたMISOシステムに対応し、ここでアコースティックエコーは干渉とみなされる。従って、アコースティックエコー、干渉及びノイズはLCLSE又はLCMV最適化基準を用いて適応MIMOシステムを最適化することによって抑制できる。従って、結合システムを適応するために、従来のLCLSE/LCMVビーム形成で生じるのと同様のダブルトークの問題が生じるため、頑健なMIMO適応フィルタを用い、変換ドメインでのスパースネスを活用することが望ましい。
アコースティックエコーキャンセレーションと適応ビーム形成との結合システム220は図7に示すGSC270として実現することができる。
MC−BRFDAFとMC−FDAFとによって実現されたGSCを、12cmアパチャでM=4個の均等に間隔をあけたセンサを備えた、残響時間T60=250msの室内のマイクロフォンアレイに適用した。図9(A)の所望信号が側面方向60cmの距離から到達した。図9(B)の干渉が後方距離120cmで認められた。センサでの平均SIRは3dBであった。パラメータは最大収束速さと収束後の最大ノイズ抑制を得るために最適化された。パラメータを以下の表1に示す。
30、60、90 FIRフィルタ
32、34、36 加算器
50、80 適応線形MIMOフィルタ
62、94 係数更新モジュール
64、96 ダブルトーク検出器
66、98 減算器
92、100、102 変換器
Claims (5)
- 適応係数のベクトルを有し、複数の入力信号を受けるように接続された有限インパルス応答(Finite impulse response:FIR)フィルタと、
参照信号と前記FIRフィルタの出力とに基づいて、誤差信号を計算するための手段と、
各々が複数の離散フーリエ変換(Discrete Fourier Transform:DFT)領域区分に変換された入力信号及び誤差信号に応答して、かつ前記誤差信号の予め定められた確率密度分布に基づいて、適応係数からなる適応係数ベクトルを更新するための手段と、
各々がDFT領域区分に変換された前記入力信号及び前記参照信号に基づいて、各DFT領域区分について外乱が存在しないときに係数ベクトルを更新するように、前記更新するための手段を適応的に制御するための手段とを含む、適応フィルタ。 - 前記予め定められた確率密度分布は非ガウス確率密度分布である、請求項1に記載の適応フィルタ。
- 前記FIRフィルタは複数の出力経路を有し、さらに入力信号と出力経路との組合せの各々について係数ベクトルを含む係数行列を有し、
前記誤差信号を計算するための前記手段は、前記参照信号と前記FIRフィルタの出力とに基づいて、前記入力信号と出力信号との組合せの各々について前記誤差信号を計算するための手段を含み、
前記更新するための手段は、前記各々がDFT領域区分に変換された入力信号及び前記誤差信号に応答して、かつ前記誤差信号の各々の予め定められた確率密度分布に基づいて、前記適応係数の適応係数行列を更新するための手段を含む、請求項1〜請求項3のいずれかに記載の適応フィルタ。 - 前記更新するための手段が、マルチチャネルの、領域区分ごとの頑健な周波数ドメイン適応フィルタ(multichannel bin−wise robust frequency−domain adaptive filter:MC−BRFDAF)アルゴリズムを用いて係数ベクトルを更新するための手段を含む、請求項1〜請求項3のいずれかに記載の適応フィルタ。
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