JP2007027897A

JP2007027897A - 雑音抑圧装置

Info

Publication number: JP2007027897A
Application number: JP2005203571A
Authority: JP
Inventors: Shinya Omae; 慎哉御前
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-07-12
Filing date: 2005-07-12
Publication date: 2007-02-01

Abstract

【課題】受信電界強度の低下によって背景雑音のレベルが増加した場合には、音声区間と雑音区間のような区別をすることが非常に困難となり、弱電界での音声信号を音声区間としてスペクトルサブトラクション法の抑圧効果を強めるとミュージカルノイズが発生し、雑音区間として振幅抑圧を行うとミュートしていることと何ら変わりなく、弱電界での背景雑音のみを抑圧することは非常に困難であった。
【解決手段】スペクトルサブトラクション法の雑音抑圧関数が入力信号スペクトルと推定雑音スペクトルとの類似度を表していることに着目し、入力信号スペクトルが明らかに信号成分と判別される場合に、雑音抑圧関数の値を大きくし、入力信号中の信号成分を強調することで、背景雑音を相対的に抑圧し、ミュージカルノイズの発生を抑え、雑音抑圧効果を向上させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、雑音が混入した信号から、雑音成分を抑圧する雑音抑圧装置に関するものであり、特に電波通信等の受信機における雑音抑圧装置に関するものである。

従来の雑音抑圧手法において、もっともよく引き合いに出されるのはスペクトルサブトラクション法やウィナーフィルタが代表的である。一般に、スペクトルサブトラクション法やウィナーフィルタでは、音声の含まれない時間区間である雑音区間において雑音スペクトルを推定し、その雑音分だけを入力信号から減算することを基本原理として雑音の抑圧を行う。いずれの抑圧手法においても、雑音抑圧量を調整するため、推定した雑音スペクトルに倍率変数である抑圧係数αをかけあわせるのが一般的である。

｜Ｙ（ｆ）｜＝｜Ｘ（ｆ）｜−α｜Ｎ（ｆ）｜
なお、Ｘ（ｆ）は入力信号スペクトル、Ｎ（ｆ）は推定雑音スペクトル、Ｙ（ｆ）は雑音抑圧後の信号スペクトルを表し、｜Ｘ｜はスペクトルＸの絶対値を示す。

一方で、スペクトルサブトラクション法には、ミュージカルノイズと呼ばれる処理雑音が発生するという欠点があり、実用上の最大の課題となっている。Ｓ／Ｎ比の向上はあるものの、雑音を抑圧したあとに「しゅるしゅる」といった楽音的な雑音が残り、非常に耳障りである。

ミュージカルノイズ発生の要因は、入力信号スペクトルから推定雑音スペクトルを減算するため、雑音抑圧後の信号スペクトルが一部周波数にパワーの集中した形状となり、かつ、パワーの集中がフレーム毎に不規則に変化することで起こる。そこで、抑圧係数αを可変とし、雑音区間やもともとパワーの小さいフレームでは抑圧量を小さくしたほうがミュージカルノイズの発生を抑制できると期待されている。さらに、特許文献１に記載されているように、抑圧係数αの大きさに応じて、スペクトルサブトラクション後に振幅調整を行うことで、抑圧量を小さくした雑音区間の抑圧不足を補う手法も提案されている。

図７は、従来のスペクトルサブトラクション法を用いた雑音抑圧装置の機能ブロック図である。入力信号に対し、ＦＦＴ(Fast Fourier Transform)等の処理を行なう周波数変換部１０１で入力信号のスペクトルを求めると同時に、雑音判定部１０２で音声の含まれない時間区間を検出し、雑音スペクトルの推定を行う。入力信号スペクトルから推定雑音スペクトルを減算し、周波数逆変換部１０５で時間信号に復元し、雑音が抑圧された出力信号を得る。スペクトルの減算時には抑圧係数αを用いて抑圧量を加減する。ミュージカルノイズが目立つ雑音区間やパワーの小さい信号区間では抑圧係数αを小さく設定し、スペクトルサブトラクション法による抑圧効果を弱め、ミュージカルノイズの発生を抑える。抑圧効果を弱めたことによる雑音抑圧不足は、振幅調整部１０６で出力信号の出力値を小さくすることで雑音抑圧不足を補う。
ＷＯ１９９９／０５０８２５号公報

しかしながら、例えば無線受信機の場合、電界強度の低下によって背景雑音のレベルが増加した場合には、音声区間と雑音区間のような区別をすることが非常に困難となる。弱電界での音声信号を、音声区間としてスペクトルサブトラクション法の抑圧効果を強めるとミュージカルノイズが発生し、雑音区間として振幅調整による抑圧を行うと音声信号の振幅まで小さくしてしまい、ミュートしていることと何ら変わりないという問題がある。

本発明は、上記課題を解決するもので、電界強度の低下によって背景雑音のレベルが増加した場合でも、スペクトルサブトラクション法適用によるミュージカルノイズの発生を目立たなくし、ノイズ感を低減することができる雑音抑圧装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の雑音抑圧装置は、入力信号に含まれる雑音成分を抑圧する雑音抑圧装置であって、電界強度のレベルに応じて、入力信号中の雑音でない信号成分を判定する信号成分判定手段と、判定された前記信号成分だけを第１のゲインで増幅する信号成分増幅手段と、前記信号成分増幅手段によって増幅された前記入力信号を第２のゲインで抑圧する抑圧手段とを備えることを特徴とする。

なお、本発明は、このような雑音抑圧装置として実現することができるだけでなく、この雑音抑圧装置を備えたＦＭおよびＡＭ受信装置として構成してもよく、また、この雑音抑圧装置を備えた携帯電話機などとして構成してもよい。また、この雑音抑圧装置をワンチップに実装したＤＳＰなどとして構成するとしてもよい。さらに、このような雑音抑圧装置が備える特徴的な手段をステップとする雑音抑圧方法として実現したり、それらのステップをコンピュータに実行させるプログラムとして実現したり、ＬＳＩ等の半導体ＩＣとして実現することもできる。そして、そのようなプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体やインターネット等の伝送媒体を介して配信することができるのは言うまでもない。

本発明の雑音抑圧装置によれば、電界強度の低下によって背景雑音のレベルが増加した場合でも、スペクトルサブトラクション法適用によるミュージカルノイズの発生を抑え、かつ、ノイズ感を低減する効果を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態）
図１は、本発明の一実施の形態における雑音抑圧装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態の雑音抑圧装置は、外部から入力される受信電界強度に応じた雑音スペクトルを、雑音が混入した信号のスペクトルから減算することによって雑音を抑圧する雑音抑圧装置であって、周波数変換部１、雑音推定部２、抑圧関数算出部３、抑圧関数補正部４、雑音抑圧部５及び周波数逆変換部６を備える。周波数変換部１は、雑音が混入した信号を入力として例えば、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）やＭＤＣＴ（Modified Discrete Cosine Transform）などにより、時系列信号を周波数スペクトルに変換する。雑音推定部２は、例えば、電界強度レベルに応じた雑音スペクトルのパターンを記憶しており、電界強度レベルを入力として、入力時系列信号に含まれる雑音スペクトルを推定する。図４は、図１に示した雑音推定部２が記憶している電界強度レベルに応じた雑音スペクトルＮ（ｆ）のパターンの一例を示す図である。同図では、白色雑音を例として示している。図のように、電界強度レベルが高いときには雑音レベルが低く、例えば、雑音スペクトル７３のようになる。また、電界強度レベルが低いときには雑音スペクトルのレベルが高くなり、雑音スペクトル７１または雑音スペクトル７２のようになる。

抑圧関数算出部３は、周波数変換部１が出力する入力信号スペクトルと雑音推定部２が出力する推定雑音スペクトルとを入力として、雑音抑圧関数Ｇ（ｆ）を算出する。

抑圧関数補正部４は、抑圧関数算出部３が出力する雑音抑圧関数を、入力信号スペクトルの信号成分、雑音成分毎に補正をかける。

雑音抑圧部５は、入力信号スペクトルに雑音抑圧関数を乗算することで入力信号に含まれる雑音成分を抑圧する。周波数逆変換部６は、雑音抑圧後の信号スペクトルを入力として周波数軸上の信号を時系列信号に再変換する。

以上のように構成された雑音抑圧装置について、その動作の詳細を説明する。ＡＭやＦＭの受信機において、雑音発生の要因として電界強度の変化に対する雑音に着目した場合、電界の強度により雑音の発生要因となる回路が異なることから、電界の強度によって雑音をパターン化することができる。本実施の形態では、あらかじめ計算されて記録されている雑音パターンの読出しと１次線形補間によって雑音推定を行う構成を取った。抑圧関数算出部３では、スペクトルサブトラクションの減算式を
｜Ｙ（ｆ）｜＝｜Ｘ（ｆ）｜−α｜Ｎ（ｆ）｜
＝｜Ｘ（ｆ）｜（１−α｜Ｎ（ｆ）｜／｜Ｘ（ｆ）｜）
と変形した式から、
Ｇ（ｆ）＝１−α｜Ｎ（ｆ）｜／｜Ｘ（ｆ）｜
として雑音抑圧関数Ｇ（ｆ）を算出し、抑圧関数補正部４で雑音抑圧関数Ｇ（ｆ）の周波数成分毎に補正をかける。抑圧関数補正部４の詳細を図２に示す。図２は、図１に示した抑圧関数補正部４の詳細な構成を示すブロック図である。同図に示すように、抑圧関数補正部４は、信号成分判定部４１、信号成分強調部４２および振幅調整部４３を備える。雑音抑圧関数Ｇ（ｆ）の式は、周波数成分毎の入力信号レベル｜Ｘ（ｆ）｜と推定雑音レベル｜Ｎ（ｆ）｜の比から求められており、ある入力信号成分が信号である場合は、｜Ｘ（ｆ）｜は｜Ｎ（ｆ）｜に比べて大きくなり、Ｇ（ｆ）の値は１に近づく。また、入力信号成分が雑音である場合は、｜Ｘ（ｆ）｜と｜Ｎ（ｆ）｜のレベル差は小さくなり、Ｇ（ｆ）の値は０に近づく。信号成分判定部４１は、雑音抑圧関数Ｇ（ｆ）の値が、０から１の間で、周波数成分毎の入力信号スペクトルＸ（ｆ）と推定雑音スペクトルＮ（ｆ）の類似度を表していることに着目し、Ｇ（ｆ）の値が１に近い場合には、その周波数成分が信号成分であると判定し、Ｇ（ｆ）の値が０に近い場合には、その周波数成分が雑音成分であると判定する。

電界強度の低下によって背景雑音のレベルが増加した場合、入力信号スペクトルＸ（ｆ）の各周波数成分に対する雑音成分の割合が増加し、多くの周波数成分がより強く抑圧されることになる。しかしながら、電界強度の極度の低下により受信が不能にまでなる状況を除いては、一部周波数成分は雑音の影響を受けず、信号成分を強く残している。その周波数成分に対して、信号成分強調部４２で、Ｇ（ｆ）の値を１以上に再設定し元信号成分よりレベルを大きくするようにする。

図５（ａ）は、電界強度レベルが低いときでも雑音の影響を受けずに強度を保っている信号成分が強調された場合の入力信号スペクトルの波形の一例を示す図である。同図において上向きの矢印で示される各周波数成分は、信号成分強調部４２によって強調された信号成分を示している。この周波数成分に対して、抑圧関数Ｇ＿ｓｉｇｎａｌ（ｆ）の値は１以上に設定される。これにより、入力信号スペクトルに含まれる信号成分が増幅され、強調される。

図５（ｂ）は、電界強度レベルが低いときに、信号成分が強調された入力信号スペクトルから雑音成分を減算した場合の入力信号スペクトルの波形の一例を示す図である。同図では、抑圧関数により入力信号スペクトルから減算される雑音スペクトルの部分はハッチングで示されている。既に説明したように、電界強度レベルが低いときに、入力信号スペクトルから減算される雑音スペクトルの割合が大きいと、ミュージカルノイズの原因となる。このため、スペクトルサブトラクション法を行なうとしても、入力信号スペクトルに対して減算を行なう雑音スペクトルの割合を小さくしたほうが好ましい。従って、信号成分強調部４２は、電界強度レベルが低いときには、αに小さい値を設定してノイズ成分を減算するとしてもよい。

最後に、振幅調整部４３では、信号成分強調部４２によって信号成分の強調を行ったのと同じゲインで、入力信号スペクトル全体のレベル調整をすることで、信号強調を行った周波数成分以外の背景雑音を相対的に抑圧することができる。図６は、図５（ａ）のように信号成分を強調した後に、強調された信号スペクトルの振幅を調整した場合の信号スペクトルの波形の一例を示す図である。同図に示すように、本実施の形態によれば、このように振幅を調整することによって、入力信号スペクトルに含まれる信号成分のみを元の信号レベルに近い値として残し、雑音成分を元の信号レベルよりも低い値に抑圧することが出来る。従来では、背景雑音のレベルが増加することによって、入力信号レベル｜Ｘ（ｆ）｜と推定雑音レベル｜Ｎ（ｆ）｜のレベル差が小さいため、雑音成分のみを強く抑圧しようとしても、入力信号の変化に伴い抑圧されるべき成分が時々刻々と変化し、ミュージカルノイズの発生要因となっていた。しかしながら、入力信号中雑音の影響を受けないハイレベルの信号成分は短い周期（スペクトルサブトラクション適用のフレーム周期程度）では変化しないため、ミュートとは異なり、信号成分を残して背景雑音を効果的に違和感なく抑圧することができる。

図３は、図１の抑圧関数補正部４での雑音抑圧と信号強調に関する動作を示すフローチャートである。まず、上記スペクトルサブトラクションの減算式より雑音抑圧関数Ｇ（ｆ）を算出する（１００１）。続いて、雑音抑圧関数Ｇ（ｆ）の各周波数成分に対して、あらかじめ値が定められた信号成分判定閾値Ｔｈ＿ｓｉｇｎａｌを用いて、信号成分を検出する（１００２）。例えば、信号成分判定閾値Ｔｈ＿ｓｉｇｎａｌの値を、Ｔｈ＿ｓｉｇｎａｌ＝０．５とし、Ｇ（ｆ）の値が０．５より１に近い（すなわち、０．５を超える）場合には、その周波数成分が信号成分であると判定し、Ｇ（ｆ）の値が０．５より０に近い（すなわち、０．５以下）場合には、その周波数成分が雑音成分であると判定する。信号成分と判定されたＧ（ｆ）の値に強調ゲインＧ＿ｓｉｇｎａｌ（ｆ）を乗ずる（１００３）。最後に、全帯域のＧ（ｆ）の値を調整ゲインＧ＿ａｄｊｕｓｔ（ｆ）で除算する（１００４）。以下、抑圧関数補正部４は、このステップ１００１から１００４までの処理を、単位となる周波数ごとに繰り返す。

なお、ここでは、信号成分判定閾値Ｔｈ＿ｓｉｇｎａｌの具体例として０．５という値を示したが、信号成分判定閾値Ｔｈ＿ｓｉｇｎａｌはこの値に限られず、他の値に定めてもよいことは言うまでもない。

なお、本実施の形態ではどの周波数成分についても一律の値で信号成分判定閾値Ｔｈ＿ｓｉｇｎａｌや強調ゲインＧ＿ｓｉｇｎａｌを設定したが、これらの値は周波数成分毎に異なった値を設定してもよい。特に入力信号が帯域制限されている場合は、帯域制限された周波数以上の成分で強調処理を行うと、誤って雑音成分を強調することになりかねない。例えば、入力信号がＦＭ復調信号である場合、ＦＭ信号は１５ｋＨｚに帯域制限されていることから、強調処理は１５ｋＨｚ以下とすることが望ましい。さらに、人間の聴感特性に合わせて強調処理をさらに低域、例えば１〜４ｋＨｚまでに制限することでより違和感なく雑音抑圧を行うことが可能である。

なお、上記実施の形態では、ＡＭやＦＭラジオ受信機を一例として説明したが、本発明の雑音抑圧装置は、携帯電話機などのあらゆる無線通信機器に適用することができる。また、上記実施の形態では、電界強度に応じた雑音パターンを雑音推定部２に記憶しておき、その時点での電界強度に応じた雑音パターンを雑音推定部２から読み出して抑圧関数の算出に用いる場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、雑音（無音）区間における入力信号スペクトルを雑音スペクトルと推定し、これに基づいて抑圧関数を算出してもよい。さらに、例えば、携帯電話機などでは音声認識により無音区間を特定することができる。従って、携帯電話機などでは、特定された無音区間の信号から雑音スペクトルを推定し、抑圧関数を算出するとしてもよい。

本発明にかかる雑音抑圧装置は、電界強度の低下によって背景雑音のレベルが増加した場合でも、スペクトルサブトラクション法適用によるミュージカルノイズの発生を抑え、かつ、大きな雑音抑圧効果を得ることができる、雑音抑圧装置として有用である。本発明の雑音抑圧装置は、カーラジオ、携帯電話機などに備えられる雑音抑圧装置として有用である。

本発明の一実施の形態における雑音抑圧装置の構成を示すブロック図である。図１に示した抑圧関数補正部の詳細な構成を示すブロック図である。図１の抑圧関数補正部での雑音抑圧と信号強調に関する動作を示すフローチャートである。図１に示した雑音推定部が記憶している電界強度レベルに応じた雑音スペクトルＮ（ｆ）のパターンの一例を示す図である。（ａ）は、電界強度レベルが低いときでも雑音の影響を受けずに強度を保っている信号成分が強調された場合の入力信号スペクトルの波形の一例を示す図である。（ｂ）は、電界強度レベルが低いときに、信号成分が強調された入力信号スペクトルから雑音成分を減算した場合の入力信号スペクトルの波形の一例を示す図である。図５（ａ）のように信号成分を強調した後に、強調された信号スペクトルの振幅を調整した場合の信号スペクトルの波形の一例を示す図である。従来のスペクトルサブトラクション法を用いた雑音抑圧装置の機能ブロック図である。

符号の説明

１周波数変換部
２雑音推定部
３抑圧関数算出部
４抑圧関数補正部
５雑音抑圧部
６周波数逆変換部
４１信号成分判定部
４２信号成分強調部
４３振幅調整部
７１、７２、７３雑音スペクトル
１０１周波数変換部
１０２雑音判定部
１０３雑音推定部
１０４減算部
１０５周波数逆変換部
１０６振幅調整部
１００１抑圧関数算出処理
１００２信号成分判定処理
１００３信号成分強調処理
１００４振幅調整処理

Claims

入力信号に含まれる雑音成分を抑圧する雑音抑圧装置であって、
電界強度のレベルに応じて、入力信号中の雑音でない信号成分を判定する信号成分判定手段と、
判定された前記信号成分だけを第１のゲインで増幅する信号成分増幅手段と、
前記信号成分増幅手段によって増幅された前記入力信号を第２のゲインで抑圧する抑圧手段と
を備えることを特徴とする雑音抑圧装置。
前記雑音抑圧装置は、さらに、
入力信号を、周波数の関数である信号スペクトルに変換する周波数変換手段と、
前記電界強度を取得する電界強度取得手段と、
取得された前記電界強度に応じた雑音スペクトルを推定する雑音推定手段とを備え、
前記信号成分判定手段は、前記信号スペクトルと、推定された前記雑音スペクトルとを周波数ごとに比較して、前記信号成分を判定し、
前記信号成分増幅手段は、判定された信号成分のスペクトルを増幅し、
前記抑圧手段は、増幅された前記入力信号スペクトルを抑圧する
ことを特徴とする請求項１記載の雑音抑圧装置。
前記信号成分増幅手段で前記信号成分のスペクトルを増幅する第１のゲインと、前記抑圧手段で前記入力信号スペクトルを抑圧する第２のゲインとが等しい
ことを特徴とする請求項２記載の雑音抑圧装置。
前記信号成分増幅手段は、入力信号の帯域が制限されている周波数帯域でのみ、前記信号成分の増幅を行う
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の雑音抑圧装置。
前記信号成分増幅手段で前記信号成分を増幅する第１のゲインは、周波数帯域ごとに、人間の聴感特性に応じて定められる
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の雑音抑圧装置。
入力信号に含まれる雑音成分を抑圧する雑音抑圧方法であって、
電界強度のレベルに応じて、入力信号中の雑音ではない信号成分を判定し、
判定された前記信号成分だけを第１のゲインで増幅し、
前記第１のゲインで増幅された前記入力信号を第２のゲインで抑圧する
ことを特徴とする雑音抑圧方法。
入力信号に含まれる雑音成分を抑圧する雑音抑圧装置のためのプログラムであって、電界強度のレベルに応じて、入力信号中の雑音ではない信号成分を判定するステップと、判定された前記信号成分だけを第１のゲインで増幅するステップと、前記第１のゲインで増幅された前記入力信号を第２のゲインで抑圧するステップとをコンピュータに実行させるプログラム。
電界強度のレベルに応じて、入力信号中の雑音ではない信号成分を判定するステップと、判定された前記信号成分だけを第１のゲインで増幅するステップと、前記第１のゲインで増幅された前記入力信号を第２のゲインで抑圧するステップとをコンピュータに実行させるプログラムが記録されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
入力信号に含まれる雑音成分を抑圧する集積回路であって、
電界強度のレベルに応じて、入力信号中の雑音でない信号成分を判定する信号成分判定手段と、
判定された前記信号成分だけを第１のゲインで増幅する信号成分増幅手段と、
前記信号成分増幅手段によって増幅された前記入力信号を第２のゲインで抑圧する抑圧手段と
を備えることを特徴とする集積回路。