JP2007281860A - 適応信号処理装置およびその適応信号処理方法 - Google Patents
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Abstract
【目的】周波数領域LMSアルゴリズムにおける演算処理量を減少する「適応信号処理装置およびその適応信号処理方法」を提供する。
【構成】周波数領域LMSアルゴリズムを採用する適応信号処理装置は、周波数毎に、入力信号の周波数信号成分と適応フィルタの各周波数タップのフィルタ係数とステップサイズパラメータとを用いて、周波数領域の適応信号処理を行って次の演算サイクルにおける各周波数タップのフィルタ係数を算出する。かかるフィルタ係数の算出に際して、適応信号処理装置は、各周波数のステップサイズパラメータ値をフィルタ係数の演算サイクル毎に制御する。この場合、低域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を多くし、高域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を少なくする。
【選択図】図２
【構成】周波数領域LMSアルゴリズムを採用する適応信号処理装置は、周波数毎に、入力信号の周波数信号成分と適応フィルタの各周波数タップのフィルタ係数とステップサイズパラメータとを用いて、周波数領域の適応信号処理を行って次の演算サイクルにおける各周波数タップのフィルタ係数を算出する。かかるフィルタ係数の算出に際して、適応信号処理装置は、各周波数のステップサイズパラメータ値をフィルタ係数の演算サイクル毎に制御する。この場合、低域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を多くし、高域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を少なくする。
【選択図】図２
Description
本発明は、適応信号処理装置およびその適応信号処理方法に係わり、特に入力信号の各周波数信号成分を用いて適応フィルタの各周波数タップのフィルタ係数を周波数領域の適応信号処理により演算する適応信号処理装置およびその適応信号処理方法に関する。
適応フィルタを用いたオーディオサウンドキャンセレーション(ASC)システムが実用化されている(特許文献１参照)。このASCシステムでは、非音声認識時にスピーカからマイク位置までの伝達関数を推定し、マイク位置でのオーディオ音を模擬生成可能にする。これにより、ASCシステムでは音楽再生下での音声認識時、マイク入力信号から上記模擬生成されたオーディオ信号を減算することで発話音声のみを残すことができ、音楽再生下での音声認識率を向上できる。
図１０はかかるオーディオサウンドキャンセレーション(ASC)システムの構成図である。オーディオソース１はオーディオ信号ASをDA変換器２ａ及びアンプ２ｂを介してスピーカ３に入力し、該スピーカより車室内音響空間に放射する。マイクロホン４は放射されたオーディオ音を検出し、アンプ５、AD変換器６及び遅延部７を介して誤差演算部８に入力する。又、オーディオソース１は前記オーディオ信号ASをオーディオ音キャンセルコントローラ１０に入力する。オーディオ音キャンセルコントローラ１０は、入力するオーディオ信号x(n)にフィルタリング処理を施して出力する適応フィルタ１０ａと、オーディオ信号x(n)を参照信号として入力され、誤差演算部８から出力する誤差信号e(ｎ)のパワーが最小となるように適応信号処理を行って適応フィルタの１０ａの各タップのフィルタ係数を決定するＬＭＳ演算部(係数更新部)１０ｂを備えている。
図１０はかかるオーディオサウンドキャンセレーション(ASC)システムの構成図である。オーディオソース１はオーディオ信号ASをDA変換器２ａ及びアンプ２ｂを介してスピーカ３に入力し、該スピーカより車室内音響空間に放射する。マイクロホン４は放射されたオーディオ音を検出し、アンプ５、AD変換器６及び遅延部７を介して誤差演算部８に入力する。又、オーディオソース１は前記オーディオ信号ASをオーディオ音キャンセルコントローラ１０に入力する。オーディオ音キャンセルコントローラ１０は、入力するオーディオ信号x(n)にフィルタリング処理を施して出力する適応フィルタ１０ａと、オーディオ信号x(n)を参照信号として入力され、誤差演算部８から出力する誤差信号e(ｎ)のパワーが最小となるように適応信号処理を行って適応フィルタの１０ａの各タップのフィルタ係数を決定するＬＭＳ演算部(係数更新部)１０ｂを備えている。
適応フィルタ１０aはＬＭＳ演算部１０ｂにより決定された各タップの係数に従って参照信号ｘ(n)にデジタルフィルタ処理を施してオーディオ音キャンセル信号ｙ(n)を出力する。誤差演算部８はオーディオ音キャンセル信号y(n)とマイクロホン検出信号d(n)の差を誤差信号e(ｎ)として出力する。
適応フィルタ１０aは図１１に示すように、NタップのFIR型デジタルフィルタで構成され、例えば、(1)入力信号を順次１サンプリング時間遅延する(N-1)個の遅延要素DL,DL・・・と、(2)各延要素出力に係数ｗ0(n)，ｗ1(n)，ｗ2(n)，・・・ｗN-1(n)を乗算するN個の乗算部ML,ML,・・・と、(3)各乗算部出力を順次加算する加算部AD,AD・・・で実現される。すなわち、現時刻n・Tsにおける参照信号をｘ(n)、その時の各乗算部の係数をｗ0(n)，ｗ1(n)，ｗ2(n)，・・・，ｗN-1(n)、出力(オーディオ音キャンセル信号)をｙnとすれば、適応フィルタ１０ａは次式
ｙ(n)＝Σiｗi(n)・ｘ(n-i) (i=0〜N-1) ・・(1)
の演算を実行し、オーディオ音キャンセル信号ｙ(n)を出力する。
適応フィルタ１０aは図１１に示すように、NタップのFIR型デジタルフィルタで構成され、例えば、(1)入力信号を順次１サンプリング時間遅延する(N-1)個の遅延要素DL,DL・・・と、(2)各延要素出力に係数ｗ0(n)，ｗ1(n)，ｗ2(n)，・・・ｗN-1(n)を乗算するN個の乗算部ML,ML,・・・と、(3)各乗算部出力を順次加算する加算部AD,AD・・・で実現される。すなわち、現時刻n・Tsにおける参照信号をｘ(n)、その時の各乗算部の係数をｗ0(n)，ｗ1(n)，ｗ2(n)，・・・，ｗN-1(n)、出力(オーディオ音キャンセル信号)をｙnとすれば、適応フィルタ１０ａは次式
ｙ(n)＝Σiｗi(n)・ｘ(n-i) (i=0〜N-1) ・・(1)
の演算を実行し、オーディオ音キャンセル信号ｙ(n)を出力する。
ＬＭＳ演算部１０ｂ は、１サンプリング時刻Ts後の次の時刻(n+1)・Tsにおける適応フィルタ１０ａの係数w(n+1)を、現時刻n・Tｓにおける適応フィルタの係数w(n)と参照信号x(n)及びエラー信号ｅ(n)を用いて次式
により決定する。但し、太文字wおよびxはベクトルを意味し、
である。又、Ｔは転置行列を意味し、μは適応フィルタ係数の更新ステップを決める１以下の定数（ステップサイズパラメータ）である。
図１０のオーディオキャンセルシステムによれば、スピーカからマイクロホンまでの伝達特性を模擬するように、換言すれば、オーディオ音をキャンセルするように適応フィルタ１０aの係数が決定される。この結果、オーディオ音が出力されている状態において話者が音声を発声すると、マイクロホン４により該オーディオ音と発話音声の合成音が検出され、誤差発生部８は該合成音信号d(n)よりオーディオ音キャンセル信号y(n)を除いた誤差信号e(n)を話者の発話音声信号として音声認識装置SRUに入力し、音声認識装置SRUは入力音声を認識する。
図１０のオーディオキャンセルシステムによれば、スピーカからマイクロホンまでの伝達特性を模擬するように、換言すれば、オーディオ音をキャンセルするように適応フィルタ１０aの係数が決定される。この結果、オーディオ音が出力されている状態において話者が音声を発声すると、マイクロホン４により該オーディオ音と発話音声の合成音が検出され、誤差発生部８は該合成音信号d(n)よりオーディオ音キャンセル信号y(n)を除いた誤差信号e(n)を話者の発話音声信号として音声認識装置SRUに入力し、音声認識装置SRUは入力音声を認識する。
図１０では時間領域のLMSアルゴリズムにしたがってオーディオ音キャンセルコントローラ１０がフィルタ係数を決定した場合であるが、最近、収束時間を短縮できる周波数領域のLMSアルゴリズム(非特許文献１参照)にしたがって適応フィルタの各周波数タップのフィルタ係数を決定することが行なわれている。図１２は周波数領域のLMSアルゴリズムを採用したオーディオ音キャンセルコントローラ１０の構成図である。
遅延部１１0〜１１N-1は参照信号であるオーディオ信号x(n)を1サンプル時間づつ順次遅延してN個の離散オーディオデータを発生し、離散フーリエ変換部（DFT）１２は該離散オーディオデータに離散フーリエ変換処理を施してN個の周波数サンプル(周数成分)X(0,n),X(1,n),….,X(N-2,n),X(N-1,n)を出力する。適応フィルタ１３は、N個の乗算器MLPと(N-1)個の加算器ADDを備え、後述する適応処理により決定されたN個の周波数に応じたフィルタ係数W(0,n),W(1,n),….,W(N-2,n),W（N-1,n)を対応するNタップの周波数成分X(0,n),X(1,n),….,X(N-2,n),X（N-1,n)に乗算し、乗算結果を合成してオーディオ音キャンセル信号y(n)を出力する。すなわち、適応フィルタ１３は次式、
の演算を実行する。
遅延部１１0〜１１N-1は参照信号であるオーディオ信号x(n)を1サンプル時間づつ順次遅延してN個の離散オーディオデータを発生し、離散フーリエ変換部（DFT）１２は該離散オーディオデータに離散フーリエ変換処理を施してN個の周波数サンプル(周数成分)X(0,n),X(1,n),….,X(N-2,n),X(N-1,n)を出力する。適応フィルタ１３は、N個の乗算器MLPと(N-1)個の加算器ADDを備え、後述する適応処理により決定されたN個の周波数に応じたフィルタ係数W(0,n),W(1,n),….,W(N-2,n),W（N-1,n)を対応するNタップの周波数成分X(0,n),X(1,n),….,X(N-2,n),X（N-1,n)に乗算し、乗算結果を合成してオーディオ音キャンセル信号y(n)を出力する。すなわち、適応フィルタ１３は次式、
誤差演算部８は観測点に設置したマイクロホン(図示せず)で検出した検出信号d(n)とオーディオ音キャンセル信号y(n)との差である誤差信号e(n)を次式
により計算して出力する。
係数更新部１４は、N個の周波数成分毎に、各周波数成分X(n)と適応フィルタの各周波数タップのフィルタ係数W(n)と誤差信号e(n)とステップサイズパラメータμを用いて次式
により、次の時刻におけるN個の周波数タップのフィルタ係数W(n+1)を計算して適応フィルタ１３に入力する。なお、上式においてE（・）は期待値演算を意味する。
係数更新部１４は、N個の周波数成分毎に、各周波数成分X(n)と適応フィルタの各周波数タップのフィルタ係数W(n)と誤差信号e(n)とステップサイズパラメータμを用いて次式
以上より、話者が発話していない状態においてオーディオ音キャンセルコントローラ１０の係数更新部１４は周波数領域のLMSアルゴリズム((5)式)によりオーディオ音をキャンセルする各周波数タップのフィルタ係数を決定して適応フィルタ１３に設定する。このため、音声認識時に話者が発話するとマイクロホン検出信号（話者の発話音声とオーディオ音との合成音検出信号）d(n)からオーディオ音キャンセル信号y(n)を除いた発話音声のみが音声認識装置に入力する。
特開２００１−２３６０９０号公報
"Transform Domain LMS Algorithm" , S.Shankar et al. IEEE TRANSACTIONS ON ACOUSTICS, SPEECH, AND SIGNAL PROCESSING, VOL. ASSP-31, NO.3, JUNE 1983
周波数領域LMSアルゴリズムによれば、収束時間を短縮できるが単位時間あたりの演算処理量が多い問題がある。サンプリング周波数fs[Hz]、タップ長NのFIRフィルタにおいて、適応フィルタの係数更新に必要な積和演算回数は1秒あたり２N×fs回となる（逐次更新型の場合）。その結果、リアルタイム処理可能な演算デバイスとして性能の高いものが必要となり、デバイスコストが上昇する問題があった。
以上から、本発明の目的は、周波数領域LMSアルゴリズムにおける演算処理量を減少することである。
以上から、本発明の目的は、周波数領域LMSアルゴリズムにおける演算処理量を減少することである。
・適応信号処理装置
本発明は、適応フィルタの各周波数タップのフィルタ係数を周波数領域適応信号処理により算出する適応信号処理装置であり、離散的な時系列の入力信号に離散フーリエ変換処理を施して複数の周波数信号成分を出力する離散フーリエ変換処理部、周波数毎にフィルタ係数が設定され、該フィルタ係数を対応する周波数の信号成分に乗算し、乗算結果を合成して出力する適応フィルタ、該適応フィルタ出力信号と希望信号との差分である誤差信号を発生する誤差信号発生部、周波数毎に、前記周波数信号成分と適応フィルタの各周波数タップのフィルタ係数と前記誤差信号とステップサイズパラメータを用いて周波数領域適応信号処理により次の演算サイクルにおける各周波数タップのフィルタ係数を算出して適応フィルタに設定する係数更新部を備え、前記係数更新部は、各周波数のステップサイズパラメータ値をフィルタ係数演算サイクル毎に制御し、該ステップサイズパラメータ値を用いて周波数毎に次の演算サイクルにおけるフィルタ係数を決定する。
前記係数更新部は、低域の周波数帯域に属する周波数に応じた前記ステップサイズパラメータ値が0になる回数を多くし、高域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を少なくする。
前記係数更新部は、車室内のスピーカからマイクロホンまでの伝達特性を模擬するフィルタ係数を算出して適応フィルタに設定する場合、低域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を多くし、中域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を少なく、高域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0とならないようにする。
前記係数更新部は、車室内のスピーカからマイクロホンまでの伝達特性を模擬するフィルタ係数を算出して適応フィルタに設定する場合、前記高域以外の周波数におけるステップサイズパラメータ値が0になる回数を周波数が低くなるにつれて多くする。
本発明は、適応フィルタの各周波数タップのフィルタ係数を周波数領域適応信号処理により算出する適応信号処理装置であり、離散的な時系列の入力信号に離散フーリエ変換処理を施して複数の周波数信号成分を出力する離散フーリエ変換処理部、周波数毎にフィルタ係数が設定され、該フィルタ係数を対応する周波数の信号成分に乗算し、乗算結果を合成して出力する適応フィルタ、該適応フィルタ出力信号と希望信号との差分である誤差信号を発生する誤差信号発生部、周波数毎に、前記周波数信号成分と適応フィルタの各周波数タップのフィルタ係数と前記誤差信号とステップサイズパラメータを用いて周波数領域適応信号処理により次の演算サイクルにおける各周波数タップのフィルタ係数を算出して適応フィルタに設定する係数更新部を備え、前記係数更新部は、各周波数のステップサイズパラメータ値をフィルタ係数演算サイクル毎に制御し、該ステップサイズパラメータ値を用いて周波数毎に次の演算サイクルにおけるフィルタ係数を決定する。
前記係数更新部は、低域の周波数帯域に属する周波数に応じた前記ステップサイズパラメータ値が0になる回数を多くし、高域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を少なくする。
前記係数更新部は、車室内のスピーカからマイクロホンまでの伝達特性を模擬するフィルタ係数を算出して適応フィルタに設定する場合、低域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を多くし、中域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を少なく、高域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0とならないようにする。
前記係数更新部は、車室内のスピーカからマイクロホンまでの伝達特性を模擬するフィルタ係数を算出して適応フィルタに設定する場合、前記高域以外の周波数におけるステップサイズパラメータ値が0になる回数を周波数が低くなるにつれて多くする。
・適応信号処理方法
本発明は、周波数毎に、入力信号の周波数信号成分と適応フィルタの各周波数タップのフィルタ係数とステップサイズパラメータとを用いて、周波数領域の適応信号処理を行って該適応フィルタの次の演算サイクルにおけるフィルタ係数を算出する適応信号処理装置における適応信号処理方法であり、各周波数のステップサイズパラメータ値をフィルタ係数の演算サイクル毎に制御するステップ、該ステップサイズパラメータ値を用いて周波数領域の適応信号処理を行って周波数毎に次の演算サイクルにおける各周波数タップのフィルタ係数を決定するステップを有している。
上記適応信号処理方法は、車室内のスピーカからマイクロホンまでの伝達特性を模擬するフィルタ係数を算出して適応フィルタに設定する場合、低域の周波数帯域に属する周波数に応じた前記ステップサイズパラメータ値が0になる回数を多くし、高域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を少なくするステップを有している。
上記適応信号処理方法は、車室内のスピーカからマイクロホンまでの伝達特性を模擬するフィルタ係数を算出して適応フィルタに設定する場合、低域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を多くし、中域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を少なく、高域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0とならないようにするステップを有している。この場合、前記高域以外の周波数におけるステップサイズパラメータ値が0になる回数を周波数が低くなるにつれて多くする。
本発明は、周波数毎に、入力信号の周波数信号成分と適応フィルタの各周波数タップのフィルタ係数とステップサイズパラメータとを用いて、周波数領域の適応信号処理を行って該適応フィルタの次の演算サイクルにおけるフィルタ係数を算出する適応信号処理装置における適応信号処理方法であり、各周波数のステップサイズパラメータ値をフィルタ係数の演算サイクル毎に制御するステップ、該ステップサイズパラメータ値を用いて周波数領域の適応信号処理を行って周波数毎に次の演算サイクルにおける各周波数タップのフィルタ係数を決定するステップを有している。
上記適応信号処理方法は、車室内のスピーカからマイクロホンまでの伝達特性を模擬するフィルタ係数を算出して適応フィルタに設定する場合、低域の周波数帯域に属する周波数に応じた前記ステップサイズパラメータ値が0になる回数を多くし、高域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を少なくするステップを有している。
上記適応信号処理方法は、車室内のスピーカからマイクロホンまでの伝達特性を模擬するフィルタ係数を算出して適応フィルタに設定する場合、低域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を多くし、中域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を少なく、高域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0とならないようにするステップを有している。この場合、前記高域以外の周波数におけるステップサイズパラメータ値が0になる回数を周波数が低くなるにつれて多くする。
本発明によれば、各周波数のステップサイズパラメータ値をフィルタ係数の演算サイクル毎に制御し、該ステップサイズパラメータ値を用いて周波数領域の適応信号処理を行って周波数毎に次の演算サイクルにおける各周波数タップのフィルタ係数を決定するようにしたから、各周波数のステップサイズパラメータ値を適宜０にすることにより、周波数領域LMSアルゴリズムにおける演算処理量を減少することができ、必要なデバイスコストを下げることができる。
また、本発明によれば、車室内のスピーカからマイクロホンまでの伝達特性を模擬するフィルタ係数を算出して適応フィルタに設定する場合、(1)低域の周波数帯域に属する周波数に応じた前記ステップサイズパラメータ値が0になる回数を多くし、高域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を少なくするようにしたから、あるいは(2) 低域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を多くし、中域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を少なく、高域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0とならないようにしたから、周波数領域LMSアルゴリズムにおける演算処理量を減少することができ、必要なデバイスコストを下げることができる。また、フィルタ係数の収束を高速に行なえ、しかも、エラー量も収束状態において小さくすることができる。
また、本発明によれば、車室内のスピーカからマイクロホンまでの伝達特性を模擬するフィルタ係数を算出して適応フィルタに設定する場合、(1)低域の周波数帯域に属する周波数に応じた前記ステップサイズパラメータ値が0になる回数を多くし、高域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を少なくするようにしたから、あるいは(2) 低域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を多くし、中域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を少なく、高域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0とならないようにしたから、周波数領域LMSアルゴリズムにおける演算処理量を減少することができ、必要なデバイスコストを下げることができる。また、フィルタ係数の収束を高速に行なえ、しかも、エラー量も収束状態において小さくすることができる。
(A)本発明の原理
本発明は、周波数領域LMSアルゴリズムを用いる適応フィルタの係数更新において、車室内伝達特性を考慮してフィルタ係数更新制御を行うものである。周波数領域LMSアルゴリズムは前出の(5)式((6)式として以下に示す）フィルタ係数更新式
からもわかるように、ステップサイズパラメータμの値により前回の演算サイクルにおける係数との差分量を調整することができる。このときμ=0とすれば、
となり、(6)式の右辺第2項の積和演算を省略することができる。そこで、ステップサイズパラメータμを所定演算サイクル間隔で変化するようにし（μ→μ(n)）、該ステップサイズパラメータμ(n)＝０（非アクティブ）の際は(6)式の係数更新処理を行わないようにする。この場合フィルタ係数更新式は次式
により表現できる。
本発明は、周波数領域LMSアルゴリズムを用いる適応フィルタの係数更新において、車室内伝達特性を考慮してフィルタ係数更新制御を行うものである。周波数領域LMSアルゴリズムは前出の(5)式((6)式として以下に示す）フィルタ係数更新式
すなわち、周波数毎に、入力信号の周波数信号成分X(i,n) （i=0〜N-1）と適応フィルタの周波数タップのフィルタ係数W(i,n)とステップサイズパラメータμ（i,n）と誤差信号e(n)を用いて、次の演算サイクルにおける周波数タップのフィルタ係数W(i,n+1)を(8)式により算出する。この際、各周波数のステップサイズパラメータ値μ（i,n）をフィルタ係数の演算サイクル毎に制御する。そして、μ（i,n）＝0であれば、W(i,n+1)＝W(i,n)となり(8)式の演算を省略できる。そこで、各周波数のステップサイズパラメータ値μ（i,n）を適宜０にすることにより、周波数領域LMSアルゴリズムにおける演算処理量を減少することができ、必要なデバイスコストを下げることができる。
（B）車室内オーディオキャンセルへの適用原理
車室内のオーディオキャンセルシステムでは、図１０で説明したようにスピーカからマイクロホンまでの伝達特性を模擬するようにフィルタ係数を算出して適応フィルタに設定する。かかる車室内の伝達特性は、高域ほど変化しやすいが、低域の伝達特性の変化は緩慢である。そこで、高周波帯域の各周波数タップの係数更新処理を行う頻度を高くし、低周波帯域の各周波数タップの係数更新処理を行う頻度を少なくする。すなわち、周波数領域LMSアルゴリズムを用いる適応フィルタの係数更新において、低周波帯域の各周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を多くし、高周波帯域の各周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を少なくする。このようにすることにより、周波数領域LMSアルゴリズムを用いる車室内のオーディオキャンセルシステムにおける算処理量を減少することができ、必要なデバイスコストを下げることができる。
車室内のオーディオキャンセルシステムでは、図１０で説明したようにスピーカからマイクロホンまでの伝達特性を模擬するようにフィルタ係数を算出して適応フィルタに設定する。かかる車室内の伝達特性は、高域ほど変化しやすいが、低域の伝達特性の変化は緩慢である。そこで、高周波帯域の各周波数タップの係数更新処理を行う頻度を高くし、低周波帯域の各周波数タップの係数更新処理を行う頻度を少なくする。すなわち、周波数領域LMSアルゴリズムを用いる適応フィルタの係数更新において、低周波帯域の各周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を多くし、高周波帯域の各周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を少なくする。このようにすることにより、周波数領域LMSアルゴリズムを用いる車室内のオーディオキャンセルシステムにおける算処理量を減少することができ、必要なデバイスコストを下げることができる。
図１は周波帯域を低周波帯域と高周波帯域の２つの帯域に分割し、低周波帯域の周波数のステップサイズパラメータ値を３演算サイクルのうち１回だけμ0にし、残りの２回を０にし、また、高周波帯域の周波数のステップサイズパラメータ値を３演算サイクルのうち２回μ1にし、残りの１回を０にした例である。又、図１では、一方の帯域でステップサイズパラメータ値をμ0またはμ1にしたとき、他方の帯域でステップサイズパラメータ値を０にし、同時に両帯域でステップサイズパラメータ値がμ0、μ1にならないようにしている。すなわち、同期を取って常にどちらかのみがアクティブ(非零)になるように、μ(n)=0にする間引きタイミングを設定する。このようにすれば、係数更新部は１演算サイクルにおける演算処理量を減少することができる。
（A）第１実施例
図２は図１に従って周波数領域LMSアルゴリズムを用いて適応フィルタの各周波数タップの係数更新を行なう第１実施例の適応信号処理装置の構成図である。この適応信号処理装置は、一例として図示しないマイクロホンで検出した検出信号d(n)に含まれるオーディオ音をキャンセルするオーディオ音キャンセル信号y(n)を発生するように適応フィルタの各周波数タップの係数を周波数領域LMSアルゴリズムを用いて算出する例を示している。すなわち、適応信号処理装置は、スピーカからマイクロホンまでの伝達特性を模擬するフィルタ係数を算出して適応フィルタに設定する。
図２は図１に従って周波数領域LMSアルゴリズムを用いて適応フィルタの各周波数タップの係数更新を行なう第１実施例の適応信号処理装置の構成図である。この適応信号処理装置は、一例として図示しないマイクロホンで検出した検出信号d(n)に含まれるオーディオ音をキャンセルするオーディオ音キャンセル信号y(n)を発生するように適応フィルタの各周波数タップの係数を周波数領域LMSアルゴリズムを用いて算出する例を示している。すなわち、適応信号処理装置は、スピーカからマイクロホンまでの伝達特性を模擬するフィルタ係数を算出して適応フィルタに設定する。
遅延部１１は参照信号であるオーディオ信号x(n)を1サンプル時間づつ順次遅延してN個の離散オーディオデータx(n),x(n-1),….,ｘ（n-N+1）を発生し、離散フーリエ変換部１２はＮサンプルの離散的なオーディオデータに離散フーリエ変換処理を施してＮ個の周波数サンプル(周波数成分)X(0,n),X(1,n),….,X(N-2,n),X(N-1,n)を出力する。
適応フィルタ１３は、低周波帯域の適応フィルタ部１３Lと高周波帯域の適応フィルタ部１３H1，１３H2に分かれており、全体としてN個の乗算器MLP〜MLPと(N-1)個の加算器ADDを備えている。低周波帯域の適応フィルタ部１３Lは、低周波数F0〜FM-1のM個の周波数タップに応じた部分で、フィルタ係数W(0,n)〜W(M-1,n)が設定される。高周波帯域の第1の適応フィルタ部１３H1は高周波数FM〜FN/2-1の（N/2−M）個の周波数タップに応じた部分で、フィルタ係数W(M,n)〜W(N/2-1,n)が設定される。高周波帯域の第２の適応フィルタ部１３H2は高周波数FN/2〜FN-1のN/2個の周波数タップに応じた部分で、フィルタ係数W(N/2,n)〜W(N-1,n)が設定される。なお、W(N/2,n)〜W(N-1,n)はW(N/2,n)を軸とした鏡像の対応により設定される。すなわち、次式
の関係を利用してW(N/2,n)〜W(N-1,n)は設定される。なお、(9)式の右辺はW(k)の複素共役を意味している。
適応フィルタ１３は、周波数LMSアルゴリズムにより決定されたフィルタ係数W(0,n),W (1,n),….,W (N-2,n),W（N-1,n)を対応するN個の周波数信号成分X(0,n),X(1,n),….,X(N-2,n),X(N-1,n)に乗算し、乗算結果を合成してオーディオ音キャンセル信号y(n)を出力する。
適応フィルタ１３は、低周波帯域の適応フィルタ部１３Lと高周波帯域の適応フィルタ部１３H1，１３H2に分かれており、全体としてN個の乗算器MLP〜MLPと(N-1)個の加算器ADDを備えている。低周波帯域の適応フィルタ部１３Lは、低周波数F0〜FM-1のM個の周波数タップに応じた部分で、フィルタ係数W(0,n)〜W(M-1,n)が設定される。高周波帯域の第1の適応フィルタ部１３H1は高周波数FM〜FN/2-1の（N/2−M）個の周波数タップに応じた部分で、フィルタ係数W(M,n)〜W(N/2-1,n)が設定される。高周波帯域の第２の適応フィルタ部１３H2は高周波数FN/2〜FN-1のN/2個の周波数タップに応じた部分で、フィルタ係数W(N/2,n)〜W(N-1,n)が設定される。なお、W(N/2,n)〜W(N-1,n)はW(N/2,n)を軸とした鏡像の対応により設定される。すなわち、次式
適応フィルタ１３は、周波数LMSアルゴリズムにより決定されたフィルタ係数W(0,n),W (1,n),….,W (N-2,n),W（N-1,n)を対応するN個の周波数信号成分X(0,n),X(1,n),….,X(N-2,n),X(N-1,n)に乗算し、乗算結果を合成してオーディオ音キャンセル信号y(n)を出力する。
周波数領域のLMS演算部(係数更新部)１４は、(8)式に従って次の演算サイクルにおける適応フィルタ１３のフィルタ係数W(0,n+1),W (1,n+1),….,W(N-2,n+1),W（N-1,n+1)を演算して適応フィルタ１３に設定する。
図１の場合、係数更新部１４は演算タイミング０，１において、高周波帯域の周波数FM〜FN-1のステップサイズパラメータ値をμ0にし、低周波帯域の周波数F0〜FM-1のステップサイズパラメータ値を０にして(8)式の係数更新演算を行なって、演算結果を適応フィルタ１３に設定する。すなわち、係数更新部１４は演算タイミング０，１において、(8)式により高周波帯域の周波数FM〜FN/2-1の周波数タップのフィルタ係数W(M,n+1)〜W (N/2-1,n+1)のみ演算して高周波帯域の適応フィルタ部１３H1に設定し、低周波帯域の周波数F0〜FM-1の周波数タップのフィルタ係数W(0,n+1)〜W (M-1,n+1)は演算せず、W(0,n+1)＝W(0,n)〜W (M-1,n+1)＝W(M-1,n)とする。なお、フィルタ係数W(N/2,n+1)〜W(N-1,n+1)は(9)式の関係を利用して高周波帯域の適応フィルタ部１３H2に設定する。
また、係数更新部１４は演算タイミング２において、低周波帯域の周波数F0〜FM-1のステップサイズパラメータ値をμ0にし、高周波帯域の周波数FM〜FN/2-1のステップサイズパラメータ値を０にして(8)式の係数更新演算を行なって、演算結果を適応フィルタ１３に設定する。すなわち、係数更新部１４は演算タイミング２において、(8)式により低周波帯域の周波数F0〜FM-1の周波数タップのフィルタ係数W(0,n+1)〜W (M-1,n+1)のみ演算して低周波帯域の適応フィルタ部１３Lに設定し、高周波帯域の周波数FM〜FN/2-1の周波数タップのフィルタ係数W(M,n+1)〜W(N/2-1,n+1)は演算せず、W(M,n+1)＝W(M,n)〜W (N/2-1,n+1)＝W(N/2-1,n)とする。また、W(N/2,n+1)＝W(N/2,n)〜W(N-1,n+1)＝W(N-1,n)である。
図１の場合、係数更新部１４は演算タイミング０，１において、高周波帯域の周波数FM〜FN-1のステップサイズパラメータ値をμ0にし、低周波帯域の周波数F0〜FM-1のステップサイズパラメータ値を０にして(8)式の係数更新演算を行なって、演算結果を適応フィルタ１３に設定する。すなわち、係数更新部１４は演算タイミング０，１において、(8)式により高周波帯域の周波数FM〜FN/2-1の周波数タップのフィルタ係数W(M,n+1)〜W (N/2-1,n+1)のみ演算して高周波帯域の適応フィルタ部１３H1に設定し、低周波帯域の周波数F0〜FM-1の周波数タップのフィルタ係数W(0,n+1)〜W (M-1,n+1)は演算せず、W(0,n+1)＝W(0,n)〜W (M-1,n+1)＝W(M-1,n)とする。なお、フィルタ係数W(N/2,n+1)〜W(N-1,n+1)は(9)式の関係を利用して高周波帯域の適応フィルタ部１３H2に設定する。
また、係数更新部１４は演算タイミング２において、低周波帯域の周波数F0〜FM-1のステップサイズパラメータ値をμ0にし、高周波帯域の周波数FM〜FN/2-1のステップサイズパラメータ値を０にして(8)式の係数更新演算を行なって、演算結果を適応フィルタ１３に設定する。すなわち、係数更新部１４は演算タイミング２において、(8)式により低周波帯域の周波数F0〜FM-1の周波数タップのフィルタ係数W(0,n+1)〜W (M-1,n+1)のみ演算して低周波帯域の適応フィルタ部１３Lに設定し、高周波帯域の周波数FM〜FN/2-1の周波数タップのフィルタ係数W(M,n+1)〜W(N/2-1,n+1)は演算せず、W(M,n+1)＝W(M,n)〜W (N/2-1,n+1)＝W(N/2-1,n)とする。また、W(N/2,n+1)＝W(N/2,n)〜W(N-1,n+1)＝W(N-1,n)である。
誤差発生部１５は適応フィルタ１３から出力するオーディオ音キャンセル信号y(n)とマイクロホン検出信号d(n)の差を誤差信号e(n)として演算して係数更新部１４に入力する。係数更新部１４は(8)式に従って次の演算サイクルにおける適応フィルタ１３のN個の周波数タップのフィルタ係数W(0,n+1),W (1,n+1),….,W(N-2,n+1),W（N-1,n+1)のうち高周波帯域あるいは低周波帯域のフィルタ係数を演算して適応フィルタ１３に設定する。
この結果、最終的に適応フィルタ１３にスピーカからマイクロホンまでの伝達特性を模擬するフィルタ係数が設定され、該適応フィルタ１３からマイクロホン検出信号d(n)に含まれるオーディオ音をキャンセルするオーディオ音キャンセル信号y(n)が出力する。このため、音声認識時に話者が発話すると、マイクロホン検出信号（話者の発話音声とオーディオ音との合成音検出信号）d(n)からオーディオ音キャンセル信号y (n)を除いた発話音声のみが誤差信号発生部１５から図示しない音声認識装置に入力する。
この結果、最終的に適応フィルタ１３にスピーカからマイクロホンまでの伝達特性を模擬するフィルタ係数が設定され、該適応フィルタ１３からマイクロホン検出信号d(n)に含まれるオーディオ音をキャンセルするオーディオ音キャンセル信号y(n)が出力する。このため、音声認識時に話者が発話すると、マイクロホン検出信号（話者の発話音声とオーディオ音との合成音検出信号）d(n)からオーディオ音キャンセル信号y (n)を除いた発話音声のみが誤差信号発生部１５から図示しない音声認識装置に入力する。
図３は図１にしたがってフィルタ係数を更新する場合の係数更新部１４の更新処理フローである。
iの初期値を0とし、i=2であるかチェックする(ステップ101)。i=2でないから以後、係数更新部１４は高周波帯域の各周波数タップのフィルタ係数の更新処理を行う。すなわち、k=Mとし(ステップ102)、ｋ≦N/2であるかチェックし(ステップ103)、ｋ≦N/2であれば、低周波帯域のステップサイズパラメータμを０とし、高周波帯域のステップサイズパラメータμをμ1として、高周波帯域における周波数Fkの周波数タップのフィルタ係数W(k,n+1)を(8)式により演算する。又、係数更新部１４は
よりW(N-k,n+1)を演算する(ステップ104)。
ついで、k+1=kによりkを更新し(ステップ105)、ステップ103以降の処理を繰り返す。(N/2-M)回ステップ103以降の処理を繰り返して高周波帯域の全周波数FM〜FN-1に応じた周波数タップのフィルタ係数W(M,n+1)〜W(N-1,n+1)の演算が終了すれば、k=N/2となりステップ103において「NO」となる。これにより、i+1=iによりiを歩進し(ステップ106)、１演算サイクルの係数更新処理が終了し、始めに戻る。このとき、ｉ＝１になっている。
次の係数演算サイクルにおいて、i=1になっているから、ステップ101において「NO」となり、再びステップ102以降の高周波帯域における(N-M)個の周波数タップのフィルタ係数更新処理が行われ、i=2となって１演算サイクルの係数更新処理が終了し、始めに戻る。
iの初期値を0とし、i=2であるかチェックする(ステップ101)。i=2でないから以後、係数更新部１４は高周波帯域の各周波数タップのフィルタ係数の更新処理を行う。すなわち、k=Mとし(ステップ102)、ｋ≦N/2であるかチェックし(ステップ103)、ｋ≦N/2であれば、低周波帯域のステップサイズパラメータμを０とし、高周波帯域のステップサイズパラメータμをμ1として、高周波帯域における周波数Fkの周波数タップのフィルタ係数W(k,n+1)を(8)式により演算する。又、係数更新部１４は
ついで、k+1=kによりkを更新し(ステップ105)、ステップ103以降の処理を繰り返す。(N/2-M)回ステップ103以降の処理を繰り返して高周波帯域の全周波数FM〜FN-1に応じた周波数タップのフィルタ係数W(M,n+1)〜W(N-1,n+1)の演算が終了すれば、k=N/2となりステップ103において「NO」となる。これにより、i+1=iによりiを歩進し(ステップ106)、１演算サイクルの係数更新処理が終了し、始めに戻る。このとき、ｉ＝１になっている。
次の係数演算サイクルにおいて、i=1になっているから、ステップ101において「NO」となり、再びステップ102以降の高周波帯域における(N-M)個の周波数タップのフィルタ係数更新処理が行われ、i=2となって１演算サイクルの係数更新処理が終了し、始めに戻る。
次の係数演算サイクルにおいて、i=2になっているから、ステップ101において「YES」となり、以後、係数更新部１４は低周波帯域の周波数タップのフィルタ係数の更新処理を行う。すなわち、ｋ＝０とし(ステップ111)、ｋ＜Ｍであるかチェックし(ステップ112)、ｋ＜Ｍであれば、高周波帯域のステップサイズパラメータμを０とし、低周波帯域のステップサイズパラメータμをμ0として、低周波帯域における周波数Fkの周波数タップのフィルタ係数W(k,n+1)を(8)式により演算する。又、(10)式によりW(N-k,n+1)を演算する(ステップ113)。
ついで、k+1=kによりkを更新し(ステップ114)、ステップ112以降の処理を繰り返す。Ｍ回ステップ112以降の処理を繰り返して低周波帯域の全周波数F0〜FM-1に応じた周波数タップのフィルタ係数W(0,n+1)〜W(M-1,n+1)の演算が終了すれば、k=Mとなりステップ112において「NO」となる。これによりi=0によりiを初期化し(ステップ115)、１演算サイクルの係数更新処理が終了し、始めに戻る。
以後、上記処理が繰り返される。この結果、低周波帯域の周波数のステップサイズパラメータ値を３演算サイクルのうち１回だけμ0にし、残りの２回を０にし、また、高周波帯域の周波数のステップサイズパラメータ値を３演算サイクルのうち２回μ1にし、残りの１回を０にして(8)式により係数更新を行なう。
ついで、k+1=kによりkを更新し(ステップ114)、ステップ112以降の処理を繰り返す。Ｍ回ステップ112以降の処理を繰り返して低周波帯域の全周波数F0〜FM-1に応じた周波数タップのフィルタ係数W(0,n+1)〜W(M-1,n+1)の演算が終了すれば、k=Mとなりステップ112において「NO」となる。これによりi=0によりiを初期化し(ステップ115)、１演算サイクルの係数更新処理が終了し、始めに戻る。
以後、上記処理が繰り返される。この結果、低周波帯域の周波数のステップサイズパラメータ値を３演算サイクルのうち１回だけμ0にし、残りの２回を０にし、また、高周波帯域の周波数のステップサイズパラメータ値を３演算サイクルのうち２回μ1にし、残りの１回を０にして(8)式により係数更新を行なう。
以上により、１演算サイクルにつき従来、高周波帯域および低周波帯域のそれぞれにおいて1回ずつ計２回の係数更新演算が必要であったのが、第1実施例によれば、１演算サイクルにおいて高周波帯域あるいは低周波帯域の１回分の係数更新演算でよくなり、係数更新演算量を減少することができる。これと同様に、間引きタイミングの設定を３分割や４分割することにより、従来の１／３あるいは１／４の演算量で係数更新演算を行なえるようになる。
第１実施例では一般に、車室内のスピーカからマイクロホンまでの伝達特性を模擬するフィルタ係数を算出して適応フィルタに設定する場合、低周波帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を多くし、高周波帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を少なくする。
第１実施例では一般に、車室内のスピーカからマイクロホンまでの伝達特性を模擬するフィルタ係数を算出して適応フィルタに設定する場合、低周波帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を多くし、高周波帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を少なくする。
（B）第２実施例
図４は第２実施例の係数更新処理方法の説明図である。第１実施例では周波帯域を低周波帯域と、高周波帯域の２つの帯域に分割したが、第２実施例では周波帯域を低周波帯域、中周波帯域、高周波帯域の３つの帯域に分割し、低周波帯域の周波数のステップサイズパラメータ値をA回の演算サイクルのうち１回だけμ0にし、残りの（A-1）回を０にし、また、中周波帯域の周波数のステップサイズパラメータ値をA回の演算サイクルのうち（A-1）回μ1にし、残りの１回を０にし、高周波帯域の周波数のステップサイズパラメータ値をA演算サイクルすべてにおいてμ2にし、０にしない。図５はA=３とした例であり、低周波、中周波帯域でステップサイズパラメータ値が同時にμ0、μ1にならないようにしている。
図４は第２実施例の係数更新処理方法の説明図である。第１実施例では周波帯域を低周波帯域と、高周波帯域の２つの帯域に分割したが、第２実施例では周波帯域を低周波帯域、中周波帯域、高周波帯域の３つの帯域に分割し、低周波帯域の周波数のステップサイズパラメータ値をA回の演算サイクルのうち１回だけμ0にし、残りの（A-1）回を０にし、また、中周波帯域の周波数のステップサイズパラメータ値をA回の演算サイクルのうち（A-1）回μ1にし、残りの１回を０にし、高周波帯域の周波数のステップサイズパラメータ値をA演算サイクルすべてにおいてμ2にし、０にしない。図５はA=３とした例であり、低周波、中周波帯域でステップサイズパラメータ値が同時にμ0、μ1にならないようにしている。
図６は図５に従って周波数領域LMSアルゴリズムを用いて適応フィルタの係数更新を行なう第２実施例の適応信号処理装置の構成図であり、第１実施例と同様にスピーカからマイクロホンまでの伝達特性を模擬するフィルタ係数を算出して適応フィルタに設定する例を示している。また、図２の第１実施例と同一部分には同一符号を付している。異なる点は、適応フィルタ１３が、低周波帯域の適応フィルタ部１３Lと、中周波帯域の適応フィルタ部１３Mと、高周波帯域の適応フィルタ部１３Hに分かれている点である。すなわち、(1)周波数F0〜FM-1に応じた周波数タップのフィルタ係数W(0,n)〜W(M-1,n)を低周波帯域の伝達特性を特定するフィルタ係数とし、(2) 周波数FM〜FH-1に応じた周波数タップのフィルタ係数W(M,n)〜W(H-1,n)を中周波帯域の伝達特性を特定するフィルタ係数とし、(3) 周波数FH〜FN-1に応じた周波数タップのフィルタ係数W(H,n)〜W(N-1,n)を高周波帯域の伝達特性を特定するフィルタ係数としている。
遅延部１１及び離散フーリエ変換部１２は第１実施例と同様に動作し、係数更新部１４は、(8)式に従って次の演算サイクルにおける適応フィルタ１３のN個の周波数タップのフィルタ係数W(0,n+1),W (1,n+1),….,W(N-2,n+1),W（N-1,n+1)を演算して適応フィルタ１３に設定する。図５の場合、係数更新部１４は演算タイミング０，１において、中周波帯域の周波数FM〜FH-1のステップサイズパラメータ値をμ1にし、高周波帯域の周波数FH〜FN-1のステップサイズパラメータ値をμ2にし、低周波帯域の周波数F0〜FM-1のステップサイズパラメータ値を０にして(8)式の係数更新演算を行なって、演算結果を適応フィルタ１３に設定する。すなわち、係数更新部１４は演算タイミング０，１において、(8)式により、中周波帯域及び高周波帯域の周波数FM〜FH-1、FH〜FN/2-1に応じた周波数タップのフィルタ係数W(M,n+1)〜W (H-1,n+1)、W(H,n+1)〜W (N/2-1,n+1)を演算して中周波帯域、高周波帯域の適応フィルタ部１３M,１３Hに設定する。又、(10)式の関係を利用してW(N/2,n+1)〜W(N-1,n+1)を適応フィルタ部１３Hに設定する。
また、係数更新部１４は演算タイミング２において、低周波帯域の周波数F0〜FM-1のステップサイズパラメータ値をμ0にし、高周波帯域の周波数FH〜FN-1のステップサイズパラメータ値をμ2にし、中周波帯域の周波数FM〜FH/2-1のステップサイズパラメータ値を０にして(8)式の係数更新演算を行なって、演算結果を適応フィルタ１３に設定する。すなわち、係数更新部１４は演算タイミング２において、(8)式により、低周波帯域及び高周波帯域の周波数F0〜FM-1、FH〜FN/2-1に応じた周波数タップのフィルタ係数W(0,n+1)〜W (M-1,n+1)、W(H,n+1)〜W (N/2-1,n+1)を演算して低周波帯域、高周波帯域の適応フィルタ部１３L,１３Hに設定する。又、(10)式の関係を利用してW(N/2,n+1)〜W(N-1,n+1)を適応フィルタ部１３Hに設定する。
また、係数更新部１４は演算タイミング２において、低周波帯域の周波数F0〜FM-1のステップサイズパラメータ値をμ0にし、高周波帯域の周波数FH〜FN-1のステップサイズパラメータ値をμ2にし、中周波帯域の周波数FM〜FH/2-1のステップサイズパラメータ値を０にして(8)式の係数更新演算を行なって、演算結果を適応フィルタ１３に設定する。すなわち、係数更新部１４は演算タイミング２において、(8)式により、低周波帯域及び高周波帯域の周波数F0〜FM-1、FH〜FN/2-1に応じた周波数タップのフィルタ係数W(0,n+1)〜W (M-1,n+1)、W(H,n+1)〜W (N/2-1,n+1)を演算して低周波帯域、高周波帯域の適応フィルタ部１３L,１３Hに設定する。又、(10)式の関係を利用してW(N/2,n+1)〜W(N-1,n+1)を適応フィルタ部１３Hに設定する。
誤差発生部１５は適応フィルタ１３から出力するオーディオ音キャンセル信号y(n)とマイクロホン検出信号d(n)の差を誤差信号e(n)として演算して係数更新部１４に入力する。係数更新部１４は(8)式に従って次の演算サイクルにおける適応フィルタ１３のフィルタ係数を演算して適応フィルタ１３に設定する。
この結果、最終的に適応フィルタ１３にスピーカからマイクロホンまでの伝達特性を模擬するフィルタ係数が設定され、該適応フィルタ１３からマイクロホン検出信号d(n)に含まれるオーディオ音をキャンセルするオーディオ音キャンセル信号y(n)が出力する。このため、音声認識時に話者が発話すると、マイクロホン検出信号（話者の発話音声とオーディオ音との合成音検出信号）d(n)からオーディオ音キャンセル信号y(n)を除いた発話音声のみが誤差信号発生部１５から図示しない音声認識装置に入力する。
この結果、最終的に適応フィルタ１３にスピーカからマイクロホンまでの伝達特性を模擬するフィルタ係数が設定され、該適応フィルタ１３からマイクロホン検出信号d(n)に含まれるオーディオ音をキャンセルするオーディオ音キャンセル信号y(n)が出力する。このため、音声認識時に話者が発話すると、マイクロホン検出信号（話者の発話音声とオーディオ音との合成音検出信号）d(n)からオーディオ音キャンセル信号y(n)を除いた発話音声のみが誤差信号発生部１５から図示しない音声認識装置に入力する。
図７は図５にしたがってフィルタ係数を更新する場合の係数更新部１４の更新処理フローであり、図３の処理フローと異なる点は、ステップ201、202を付加して高域のフィルタ係数を毎回演算するようにしている点である。
iの初期値を0とし、i=2であるかチェックする(ステップ101)。i=2でないから以後、係数更新部１４は中周波帯域のフィルタ係数の更新処理を行う。すなわち、k=Mとし(ステップ102)、ｋ＜Hであるかチェックし(ステップ103)、ｋ＜Hでなければ、中周波帯域のステップサイズパラメータμをμ1として、中周波帯域の周波数Fkに応じた周波数タップのフィルタ係数W(k,n+1)を(8)式により演算する(ステップ104)。ついで、k+1=kによりkを更新し(ステップ105)、ステップ103以降の処理を繰り返す。(H-M)回ステップ103以降の処理を繰り返して中周波帯域の全周波数FM〜FH-1に応じた周波数タップのフィルタ係数W(M,n+1)〜W(H-1,n+1)の演算が終了すれば、k=Hとなりステップ103において「NO」となる。これにより、係数更新部１４は高周波帯域のステップサイズパラメータμをμ2として高周波帯域の周波数FH〜FN/2-1に応じた周波数タップのフィルタ係数W(H,n+1)〜W(N/2-1,n+1)を(8)式により演算する。また、(10)式の関係を利用してW(N/2,n+1)〜W(N-1,n+1)を演算する(ステップ201)。ついで、i+1=iによりiを歩進し(ステップ106)、１演算サイクルの係数更新処理が終了し、始めに戻る。このとき、ｉ＝１になっている。
次の係数演算サイクルにおいて、i=1になっているから、ステップ101において「NO」となり、再びステップ102以降の中周波帯域の各周波数タップのフィルタ係数の更新処理及び高周波帯域の各周波数タップのフィルタ係数の更新処理が行われ、i=2となって１演算サイクルの係数更新処理が終了し、始めに戻る。
iの初期値を0とし、i=2であるかチェックする(ステップ101)。i=2でないから以後、係数更新部１４は中周波帯域のフィルタ係数の更新処理を行う。すなわち、k=Mとし(ステップ102)、ｋ＜Hであるかチェックし(ステップ103)、ｋ＜Hでなければ、中周波帯域のステップサイズパラメータμをμ1として、中周波帯域の周波数Fkに応じた周波数タップのフィルタ係数W(k,n+1)を(8)式により演算する(ステップ104)。ついで、k+1=kによりkを更新し(ステップ105)、ステップ103以降の処理を繰り返す。(H-M)回ステップ103以降の処理を繰り返して中周波帯域の全周波数FM〜FH-1に応じた周波数タップのフィルタ係数W(M,n+1)〜W(H-1,n+1)の演算が終了すれば、k=Hとなりステップ103において「NO」となる。これにより、係数更新部１４は高周波帯域のステップサイズパラメータμをμ2として高周波帯域の周波数FH〜FN/2-1に応じた周波数タップのフィルタ係数W(H,n+1)〜W(N/2-1,n+1)を(8)式により演算する。また、(10)式の関係を利用してW(N/2,n+1)〜W(N-1,n+1)を演算する(ステップ201)。ついで、i+1=iによりiを歩進し(ステップ106)、１演算サイクルの係数更新処理が終了し、始めに戻る。このとき、ｉ＝１になっている。
次の係数演算サイクルにおいて、i=1になっているから、ステップ101において「NO」となり、再びステップ102以降の中周波帯域の各周波数タップのフィルタ係数の更新処理及び高周波帯域の各周波数タップのフィルタ係数の更新処理が行われ、i=2となって１演算サイクルの係数更新処理が終了し、始めに戻る。
次の係数演算サイクルにおいて、i=2になっているから、ステップ101において「YES」となり、以後、係数更新部１４は低周波帯域に応じた周波数タップのフィルタ係数の更新処理を行う。すなわち、ｋ＝０とし(ステップ111)、ｋ＜Ｍであるかチェックし(ステップ112)、ｋ＜Ｍであれば、高周波帯域のステップサイズパラメータμを０とし、低周波帯域のステップサイズパラメータμをμ0として、低周波帯域の周波数Fkに応じた周波数タップのフィルタ係数W(k,n+1)を(8)式により演算する(ステップ113)。ついで、k+1=kによりkを更新し(ステップ114)、ステップ112以降の処理を繰り返す。Ｍ回ステップ112以降の処理を繰り返して低周波帯域の全周波数F0〜FM-1に応じた周波数タップのフィルタ係数W(0,n+1)〜W(M-1,n+1)の演算が終了すれば、k=Mとなりステップ112において「NO」となる。これにより係数更新部１４は高周波帯域のステップサイズパラメータμをμ2として高周波帯域の周波数FH〜FN/2-1に応じた周波数タップのフィルタ係数W(H,n+1)〜W(N/2-1,n+1)を(8)式により演算する。また、(10)式の関係を利用してW(N/2,n+1)〜W(N-1,n+1)を演算する(ステップ202)。ついで、i=0によりiを初期化し(ステップ115)、１演算サイクルの係数更新処理が終了し、始めに戻る。
以後、上記処理が繰り返される。この結果、低周波帯域の周波数のステップサイズパラメータ値を３演算サイクルのうち１回だけμ0にし、残りの２回を０にし、また、中周波帯域の周波数のステップサイズパラメータ値を３演算サイクルのうち２回μ1にし、残りの１回を０にして(8)式により係数更新を行なう。
以後、上記処理が繰り返される。この結果、低周波帯域の周波数のステップサイズパラメータ値を３演算サイクルのうち１回だけμ0にし、残りの２回を０にし、また、中周波帯域の周波数のステップサイズパラメータ値を３演算サイクルのうち２回μ1にし、残りの１回を０にして(8)式により係数更新を行なう。
以上により、１演算サイクルにつき従来、高周波帯域、中周波帯域および低周波帯域のそれぞれにおいて1回ずつ計３回の係数更新演算が必要であったのが、第２実施例によれば、１演算サイクルにおいて高周波帯域と中周波帯域あるいは高周波帯域と低周波帯域の２回分の係数更新演算でよくなり、係数更新演算量を減少することができる。
第２実施例では一般に、車室内のスピーカからマイクロホンまでの伝達特性を模擬するフィルタ係数を算出して適応フィルタに設定する場合、低周波帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を多くし、中域の周波帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を少なく、高周波帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0とならないようにする。
第２実施例では一般に、車室内のスピーカからマイクロホンまでの伝達特性を模擬するフィルタ係数を算出して適応フィルタに設定する場合、低周波帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を多くし、中域の周波帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を少なく、高周波帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0とならないようにする。
（C）係数更新処理方法の変形例
第２実施例では周波帯域を低周波帯域、中周波帯域、高周波帯域の３つの帯域に分割したが、図8に示すように周波帯域を高周波帯域とそれ以外の帯域（非高周波帯域）に分け、非高周波帯域の周波数のステップサイズパラメータ値が0になる回数を周波数が低くなるにつれて多くする。この場合、A回の演算サイクルにおける帯域aと帯域zにおける更新回数の和がAとなるように、かつ、各帯域a,zのステップサイズパラメータが同時にアクティブにならないようにμ=０となる演算サイクルを決定する。同様に、帯域bと帯域y，帯域cと帯域x、…でそれぞれ更新回数の和がAとなるように、かつ、各帯域のステップサイズパラメータμが同時にアクティブにならないようにμ=０となる演算サイクルを決定する。このようにすれば、高周波帯域の周波数タップ数を（M−２H）,非高周波帯域の周波数タップを２Hとすれば、１回の演算サイクルにおいて（M−H）個のフィルタ係数を演算するだけでよく演算量を減少することができる。
以上では、車室内における伝達関数の変動が高域において大きく、逆に低域において変動が微小であることを利用しているが、音声認識に特化して音韻情報を区別する子音部分を重視し、子音部分が1000Hz以上に存在するとすれば、FHを1000Hzとして図８に示す方法で各帯域におけるμ＝０になる演算サイクルを決定する。
第２実施例では周波帯域を低周波帯域、中周波帯域、高周波帯域の３つの帯域に分割したが、図8に示すように周波帯域を高周波帯域とそれ以外の帯域（非高周波帯域）に分け、非高周波帯域の周波数のステップサイズパラメータ値が0になる回数を周波数が低くなるにつれて多くする。この場合、A回の演算サイクルにおける帯域aと帯域zにおける更新回数の和がAとなるように、かつ、各帯域a,zのステップサイズパラメータが同時にアクティブにならないようにμ=０となる演算サイクルを決定する。同様に、帯域bと帯域y，帯域cと帯域x、…でそれぞれ更新回数の和がAとなるように、かつ、各帯域のステップサイズパラメータμが同時にアクティブにならないようにμ=０となる演算サイクルを決定する。このようにすれば、高周波帯域の周波数タップ数を（M−２H）,非高周波帯域の周波数タップを２Hとすれば、１回の演算サイクルにおいて（M−H）個のフィルタ係数を演算するだけでよく演算量を減少することができる。
以上では、車室内における伝達関数の変動が高域において大きく、逆に低域において変動が微小であることを利用しているが、音声認識に特化して音韻情報を区別する子音部分を重視し、子音部分が1000Hz以上に存在するとすれば、FHを1000Hzとして図８に示す方法で各帯域におけるμ＝０になる演算サイクルを決定する。
（D）収束特性
図９は本発明の収束特性（8tap，白色雑音をリファレンス）を従来方法の収束特性と対比させて示す図であり、縦軸は誤差信号、横軸はフィルタ係数の繰り返し演算回数である。又、（A）は本発明の収束特性、（B）は毎回全周波数タップのフィルタ係数を演算する場合の収束特性、（C）は時間領域のLMSアルゴリズムによる収束特性である。本発明によれば、（B）の従来法と比べて若干の収束遅れを示すが、（C）の時間領域LMSの場合と比べ依然高速であり，また，リダクション量も収束状態では従来法と同等値を示している。
以上、発明によれば、１秒当りの積和演算回数を減少できると共に、従来例と同等の性能を達成することができ、処理量およびそれに必要なデバイスコストを下げることができる。
図９は本発明の収束特性（8tap，白色雑音をリファレンス）を従来方法の収束特性と対比させて示す図であり、縦軸は誤差信号、横軸はフィルタ係数の繰り返し演算回数である。又、（A）は本発明の収束特性、（B）は毎回全周波数タップのフィルタ係数を演算する場合の収束特性、（C）は時間領域のLMSアルゴリズムによる収束特性である。本発明によれば、（B）の従来法と比べて若干の収束遅れを示すが、（C）の時間領域LMSの場合と比べ依然高速であり，また，リダクション量も収束状態では従来法と同等値を示している。
以上、発明によれば、１秒当りの積和演算回数を減少できると共に、従来例と同等の性能を達成することができ、処理量およびそれに必要なデバイスコストを下げることができる。
１１ 遅延部
１２ 離散フーリエ変換部
１３ 適応フィルタ
１３Ｌ 低周波帯域の適応フィルタ部
１３Ｈ 高周波帯域の適応フィルタ部
１４ 周波数領域のLMS演算部(係数更新部)
１５ 誤差発生部
１２ 離散フーリエ変換部
１３ 適応フィルタ
１３Ｌ 低周波帯域の適応フィルタ部
１３Ｈ 高周波帯域の適応フィルタ部
１４ 周波数領域のLMS演算部(係数更新部)
１５ 誤差発生部
Claims (8)
- 入力信号の各周波数信号成分を用いて適応フィルタの各周波数タップのフィルタ係数を周波数領域の適応信号処理により演算する適応信号処理装置において、
離散的な時系列の入力信号に離散フーリエ変換処理を施して複数の周波数信号成分を出力する離散フーリエ変換処理部、
周波数毎にフィルタ係数が設定され、該フィルタ係数を対応する周波数の信号成分に乗算し、乗算結果を合成して出力する適応フィルタ、
該適応フィルタ出力信号と希望信号との差分である誤差信号を発生する誤差信号発生部、
周波数毎に、前記周波数信号成分と適応フィルタの各周波数タップのフィルタ係数と前記誤差信号とステップサイズパラメータを用いて周波数領域の適応信号処理を行って次の演算サイクルにおける各周波数タップのフィルタ係数を算出して適応フィルタに設定する係数更新部を備え、
前記係数更新部は、各周波数のステップサイズパラメータ値をフィルタ係数演算サイクル毎に制御し、該ステップサイズパラメータ値を用いて周波数毎に次の演算サイクルにおけるフィルタ係数を決定する、
ことを特徴とする適応信号処理装置。 - 前記係数更新部は、車室内のスピーカからマイクロホンまでの伝達特性を模擬するフィルタ係数を算出して適応フィルタに設定する場合、低域の周波数帯域に属する周波数に応じた前記ステップサイズパラメータ値が0になる回数を多くし、高域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を少なくする、
ことを特徴とする請求項１記載の適応信号処理装置。 - 前記係数更新部は、車室内のスピーカからマイクロホンまでの伝達特性を模擬するフィルタ係数を算出して適応フィルタに設定する場合、低域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を多くし、中域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を少なく、高域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0とならないようにする、
ことを特徴とする請求項１記載の適応信号処理装置。 - 前記係数更新部は、前記高域以外の周波数におけるステップサイズパラメータ値が0になる回数を周波数が低くなるにつれて多くする、
ことを特徴とする請求項３記載の適応信号処理装置。 - 周波数毎に、入力信号の周波数信号成分と適応フィルタの各周波数タップのフィルタ係数とステップサイズパラメータとを用いて、周波数領域の適応信号処理を行って該適応フィルタの次の演算サイクルにおけるフィルタ係数を算出する適応信号処理装置における適応信号処理方法において
各周波数のステップサイズパラメータ値をフィルタ係数の演算サイクル毎に制御し、
該ステップサイズパラメータ値を用いて周波数領域の適応信号処理を行って周波数毎に次の演算サイクルにおける各周波数タップのフィルタ係数を算出する、
ことを特徴とする適応信号処理方法。 - 車室内のスピーカからマイクロホンまでの伝達特性を模擬するフィルタ係数を算出して適応フィルタに設定する場合、低域の周波数帯域に属する周波数に応じた前記ステップサイズパラメータ値が0になる回数を多くし、高域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を少なくする、
ことを特徴とする請求項５記載の適応信号処理方法。 - 車室内のスピーカからマイクロホンまでの伝達特性を模擬するフィルタ係数を算出して適応フィルタに設定する場合、低域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を多くし、中域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0になる回数を少なく、高域の周波数帯域に属する周波数に応じたステップサイズパラメータ値が0とならないようにする、
ことを特徴とする請求項５記載の適応信号処理方法。 - 前記高域以外の周波数におけるステップサイズパラメータ値が0になる回数を周波数が低くなるにつれて多くする、
ことを特徴とする請求項７記載の適応信号処理方法。
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2006
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