JP2008020913A - 時間および周波数領域内のパーティションされた高速畳み込み - Google Patents

Abstract

【課題】デジタル信号を処理する方法およびフィルタリング手段を提供すること。
【解決手段】本発明によって提供される方法は、該信号を時間領域内で部分的にパーティションし該信号の２つ以上のパーティションを得ることと、該手段を時間領域内でパーティションし該手段の２つ以上のパーティションを得ることと、該信号のパーティションの各々をフーリエ変換しフーリエ変換された信号パーティションを得ることと、該手段のパーティションの各々をフーリエ変換しフーリエ変換されたフィルタパーティションを得ることと、該変換された信号パーティションおよび該対応する変換されたフィルタパーティションの畳み込みを行い、スペクトルパーティションを得ることと、該スペクトルパーティションを結合し全スペクトルを得ることと、全スペクトルを逆フーリエ変換しデジタル出力信号を得ることと、を包含する。
【選択図】図２

Description

本発明は、デジタル信号処理に関し、特に、有限インパルス応答フィルタ（ＦＩＲ）による音響信号のフィルタリングに関している。本発明は、特に、長い有限インパルス応答フィルタによるエコー補償およびエコー等化のためのフィルタリングに関する。

通信システムにおいて受信される信号の質の向上は、音響信号処理、特にスピーチ信号処理において、中心となるトピックである。２つのパーティ間の通信は、しばしば、騒々しいバックグラウンド環境において実行され、ノイズリダクションならびにエコー補償が、明瞭性（ｉｎｔｅｌｌｉｇｉｂｉｌｉｔｙ）を保証するために必要である。顕著な例は、車両内でのハンズフリー音声通信である。

リモートの加入者の信号を扱うことは特に重要であり、リモートの加入者の信号は拡声器によって放射され、結果としてマイクロフォンによって再び受信される。なぜならば、そうでない場合には、不快なエコーが、音声通信の質および明瞭性に深刻に影響し得るからである。最悪な場合には、音響フィードバックは、通信の完全な故障にさえ導き得る。

上記の問題を克服するために、音響エコー補償のための手段が提供され、この手段は、基本的に以下のように作用する。音響フィードバックのレプリカが合成され、補償信号が拡声器の受信された信号から取得される。この補償信号は、マイクロフォンの送信信号から差し引かれ、これによりリモート加入者に送信されるべき結果として生じる信号を生成する。

さらに、音響信号の等化は、通常、送信される信号の質を受け入れ可能なレベル（例えば、ハンズフリー電話におけるリモート通信のパーティによって送信される、受信されたスピーチ信号の明瞭性を増加するために）まで向上させるために必要である。透過フィルタリング手段は、通常、予め決定された周波数範囲において信号を増強または減衰することにより、音声入力信号を処理する。等化フィルタリング手段は、低周波数範囲または高周波数範囲のいずれかを選択的に増強／減衰するためのシェルビングフィルタと、中心周波数を用いて信号を増強／減衰するためのピーキングフィルタとを備え、帯域幅の帯域内および帯域外のゲインは、別個に調整することが可能である。等化フィルタ手段は、１つ以上のシェルビングフィルタおよびピーキングフィルタを結合するパラメトリック等化器をさらに備え得る。

現在利用可能なフィルタリング手段の１つの主要な問題は、処理される音響信号の質を向上させるために適合される、または最適化されるフィルタ係数の莫大な量であり、これは、信号処理手段における非常に高いメモリ要求および重いプロセッサ負荷という結果を生じる。エコー補償フィルタリング手段の場合には、結果として、サンプリングレートは、しばしば約８ｋＨｚに制限され、このことはスピーチ信号に対して、わずかに我慢できると考えられる。

等化フィルタリング手段においては、無限インパルス応答（ＩＩＲ）フィルタが通常使用される。なぜならば、有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタのインプリメンテーションは、上記の理由のために成功することが証明されていないからである。等化は、主に、高周波数範囲および中程度周波数範囲において行われなければならず、低減していないサンプリングレート（例えば、受け入れ可能な結果のためには４４ｋＨｚ）に対して相対的に高い精度で認識されなければならない。従って、多くのフィルタ係数を備えている非常に長いフィルタが必要になる。しかしながら、ＦＩＲフィルタが有利である。なぜならば、例えば、ＦＩＲフィルタは無条件の安定フィルタであり（フィルタ出力はフィードバックしない）、設計し易いからである。

上記の問題を解決するために、ひずみ周波数範囲において設計された短いフィルタ（いわゆるねじれＦＩＲまたはＩＩＲフィルタ）を使用することが提案されている。しかしながら、ねじれフィルタはまた、長い補償時間の必要性に苦しむ。代替的なアプローチに従って、並列のバンドパスフィルタによって、複数の周波数範囲において処理されるべき音響信号を分割するためのマルチレートデジタルシステムまたはフィルタバンクが等化のために使用されている。しかしながら、このアプローチは、高いメモリ要求および長い待ち時間（すなわち、フィルタリング手段の入力から出力までの長いトラベルタイム）に苦しむ。

最近の発展および改良にかかわらず、ＦＩＲフィルタリング手段による改良されたデジタル信号のフィルタリングに対するさらなる必要性がある。それゆえ、本発明の裏に潜む問題は、上記の欠点を克服することと、デジタル信号を処理するための方法ならびにコンピュータリソースに対する低減された要求および低減された待ち時間を有する長いフィルタリング手段を提供することである。さらに、ＦＩＲフィルタリング手段は、所与の種類のデジタル信号プロセッサに容易に適合可能であるべきである。

（発明の記載）
上記される問題は、本明細書において開示される、請求項１に記載の有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタリング手段によってデジタル入力信号を処理するための方法によって解決される。請求される、ＦＩＲフィルタリング手段によってデジタル入力信号を処理するための方法は、該デジタル入力信号を、時間領域内で少なくとも部分的にパーティションすることにより、該デジタル入力信号の少なくとも２つのパーティションを取得するステップと、該ＦＩＲフィルタリング手段を時間領域内でパーティションすることにより、該ＦＩＲフィルタリング手段の少なくとも２つのパーティションを取得するステップと、デジタル入力信号の該少なくとも２つのパーティションの各々をフーリエ変換することにより、フーリエ変換された信号パーティションを取得するステップと、該ＦＩＲフィルタリング手段の該少なくとも２つのパーティションの各々をフーリエ変換することにより、フーリエ変換されたフィルタパーティションを取得するステップと、該フーリエ変換された信号パーティションおよび対応するフーリエ変換されたフィルタパーティションの畳み込みを行うことにより、スペクトルパーティションを取得するステップと、該スペクトルパーティションを結合することにより、全スペクトルを取得するステップと、全スペクトルを逆フーリエ変換することにより、デジタル出力信号を取得するステップと、を包含する。

デジタル入力信号は、例えば、音響信号またはスピーチ信号であり得る。本開示される方法は、スピーチ信号処理のコンテキストにおいて、特に有用である。フーリエ変換に基づいて、畳み込みは、周波数領域内で行われる（これは、時間領域内のいわゆる循環畳み込み（ｃｉｒｃｕｌａｒ ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ）と解釈される）。デジタル入力信号は、時間領域内でいくつかの時間遅延フィルタリング（パーティション遅延線）によってパーティションされ、結果として生じるパーティションは畳み込みのためにフーリエ変換される。デジタル入力信号をパーティションすることは、原則として、フィルタバンクによって行われ得、フィルタバンクは、特定の周波数範囲に対するパスフィルタ（ハイパスフィルタ、帯域フィルタおよびローパスフィルタ）を備えている。好ましくは、フーリエ変換は、パーティションされた高速畳み込みの結果として生じる高速フーリエ変換によって行われる。

本開示される方法は、フーリエ変換のステップを必ず含むが、フーリエ変換は、必ずしもフィルタリング処理の途中にオンラインで計算されないことに注意されるべきである。むしろ、ＦＩＲフィルタパーティションは、予めフーリエ変換され得、外部メモリに格納され得る。このことは、制限されたコンピュータリソースおよび十分に大きな外部メモリの場合には、特に有用である。変換されたフィルタパーティションの格納はまた、ＦＩＲフィルタリング手段が時間と共に変化しない場合には有利である。

フィルタパーティションのフーリエ変換の部分的な計算または完全な計算ならびに予めフーリエ変換されたフィルタパーティションの格納は、特定のアプリケーションにおいて利用可能なハードウェアリソースに従って保持され得る。

時間領域内の信号パーティションに対応する個別のフーリエ変換された信号パーティションＸ_１（ω）、．．、Ｘ_ｐ（ω）は、パーティションされたＦＩＲフィルタリング手段に対応するそれぞれのフーリエ変換されたフィルタパーティションＦＩＲ_１（ω）、．．、ＦＩＲ_ｐ（ω）を、それぞれ掛ける。原則として、時間領域において、音響信号Ｎ_ｘのパーティションの数とＦＩＲフィルタリング手段Ｎ_ＦＩＲのパーティションの数とは、異なり得る。サーキュラアーティファクト（ｃｉｒｃｕｌａｒ ａｒｔｉｆａｃｔ）を回避するために、時間領域内の音響信号および時間領域内のフィルタパーティションが、フーリエ変換の前に０をパッドされ得ることにより、それらのそれぞれの長さはＮ_ｘ＋Ｎ_ＦＩＲ−１になる。

ＦＩＲフィルタリング手段をパーティションすることは、全体が時間領域内で実行されることが強調されるべきである。パーティションは、スペクトル（周波数）領域内で畳み込まれる。この混成された時間−周波数処理は、時間および周波数処理のそれぞれの利点と不利点の考慮の下で、実際のアプリケーション内でのインプリメントを可能にする。

時間レジームにおける循環畳み込み処理または高速畳み込み処理と対比すると、通常の畳み込み処理が、悪名高く、コンピュータを利用して高価であることが周知である。他方、周波数領域内の信号処理は、莫大なメモリ要求に苦しむ。

所与のハードウェアリソースに対して、本発明の方法は、選択されたパーティションの長さの適切な選択による、長いＦＩＲフィルタリング手段によるデジタル信号のフィルタリングに利用可能なコンピュータリソースの最適な使用を可能にする。当該分野のフィルタリング方法によるプロセッサ負荷および／またはメモリ要求に対して現実的でないフィルタの長さが使用され得る。

さらに、本発明の方法に従う信号処理の待ち時間ならびに内部メモリ要求およびプロセッサ負荷は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）の長さによって制御され得る。待ち時間は、使用されるＦＦＴの長さの２倍により与えられる。内部メモリ要求は、ＦＦＴの長さに比例して増加し、ＦＦＴの長さの約４倍である。プロセッサ負荷は、ＦＦＴの長さの減少と共に増加する。

本発明の方法の好ましい実施形態に従って、デジタル入力信号は、時間領域内に部分的にパーティションされることにより、引き続いてスペクトル領域内でフーリエ変換され、部分的にパーティションされる入力信号のパーティションを取得する。この実施形態に従って、時間およびスペクトル領域内のデジタル入力信号の、結合されたパーティションの高速畳み込みが行われ得、時間およびスペクトル領域の各々のパーティションの数を選択することが可能になり、利用可能なコンピュータリソースに従って選択される。一方では、時間領域内のパーティションの数は選択され得ることにより、算出時間は、効果的な信号処理において（可聴アーティファクトの発生なしに）受け入れ可能である。他方では、スペクトル領域内のパーティションの数（複素数値）は選択され得ることにより、メモリに対する需要は利用可能なメモリリソースおよび／またはデータ交換に使用されるインタフェースの容量を超えない。時間領域およびスペクトル領域内のパーティションの割り当て（分配）は自動的に、またはユーザによって制御され得る。

上記の実施形態において、デジタル入力信号は、時間領域内のブロックに有利に分割され得、畳み込みは、オーバーラップセーブブロック畳み込みによって行われ得る。デジタル入力信号は、等しいサイズのブロックに、簡単な処理で分割され得るか、あるいは、異なるサイズのブロックに分割され得る。より短いブロックは相対的に短い待ち時間を提供するが、より長いブロックは、畳み込み全体を、処理電力という点でより安価にする。

オーバーラップセーブブロック畳み込みに従って、長いデジタル入力信号は、Ｎ_ｘ個のサンプルの連続的なブロックに分割され、各ブロックは、前のブロックにＮ_ＦＩＲ個のサンプルだけオーバーラップする。各ブロックの循環畳み込みは、ＦＩＲフィルタリング手段によって行われる。各出力ブロックにおける第１のＮ_ＦＩＲ−１個の点は処分され、残りの点は連結され、出力信号を作る。通常５０％のオーバーラップが使用され、これは最大限の許容されるサイズであり、クリティカルにサンプルされたバンクに対応する。

オーバーラップセーブ方法の代わりに、特に単純なブロックフィルタリング方法を代表するオーバーラップアッド方法が使用され得る。オーバーラップアッドスキームが周波数領域内で使用される場合には、均一なブロックサイズはパフォーマンスの最適化の可能性を提供する。しかしながら、ＦＩＲフィルタリング手段のインパルス応答がブロックの長さＮ_ｘよりも短い場合には、オーバーラップアッド方法は現実的であるに過ぎない。

さらに、高速畳み込みによって取得される全スペクトルは、特に、フーリエ変換されたフィルタパーティションのフーリエコンポーネントの半数を用いることのみで取得され得る。従って効果的な処理が可能である。

本明細書において開示される方法の特に効果的なインプリメンテーションにおいて、フーリエ変換された信号パーティションおよびフーリエ変換されたフィルタパーティションは、全て同一の帯域幅であり、中間周波数は、等距離の離散周波数ラスタ上で分散される。中間周波数の分散の計算に対するさらに複雑なアルゴリズムが可能であり、実際のアプリケーションに依存して適用され得る。

本発明の方法の上記の実施形態の代替案として、時間領域内でのデシメーション（ｄｅｃｉｍａｔｉｏｎ）フィルタバンク、特にクリティカルなデシメーションフィルタバンクによるＦＩＲフィルタリングの現実化が可能である。

本発明はまた、コンピュータプログラム製品を提供し、該コンピュータプログラム製品は、本発明の上記の例のステップを行うためのコンピュータ実行可能な命令を有する１つ以上のコンピュータ読み取り可能な媒体を備えている。

上記の問題はまた、請求項１１に記載の、デジタル入力信号、特に音響信号またはスピーチ信号を処理するための信号処理手段によって解決され、該手段は、該デジタル入力信号を（高速）フーリエ変換するように構成されているフーリエ変換手段と、時間領域内にパーティションされ、該デジタル入力信号を高速畳み込みによりフィルタをかけ、スペクトルパーティションを取得するように構成されているＦＩＲフィルタリング手段と、該スペクトルパーティションを総計するように構成されている加算器と、該加算されたスペクトルパーティションを逆フーリエ変換することにより、時間領域内でデジタル出力信号を取得するように構成されている逆フーリエ変換手段と、を備えている。

ＦＩＲフィルタリング手段は、同一の周波数範囲のフーリエ変換された信号パーティションおよび対応するフーリエ変換されたフィルタパーティションを畳み込むことにより、デジタル入力信号のフィルタリングを行う。

信号処理手段は、該デジタル入力信号を、等しいサイズまたは異なるサイズのブロックに分割するように構成されているブロック分割手段をさらに備えており、ＦＩＲフィルタリング手段はオーバーラップセーブブロック畳み込みを行うように有利に構成され得る。

信号処理手段の実施形態に従って、フーリエ変換手段は、デジタル入力信号の各々を別々に高速フーリエ変換するように構成され、これは、時間領域内でパーティションされることにより、フーリエ変換された信号パーティションを取得する。この実施形態に従って、各パーティションは、外部ストレージ手段から別々に引き出され得るので、高価な内部メモリはセーブされ得る。複数のＦＦＴがこの場合に必要であるので、算出時間が増加し、外部メモリに対する高速インタフェースが必要になる。

本発明の逆信号処理手段の上記される例は、適応可能である場合には、等化フィルタリング手段ならびにエコー補償フィルタリング手段において有利に使用され得る。等化フィルタリング手段は、特に、調整可能な待ち時間を有する長い固定されたＦＩＲフィルタを用いた静的畳み込みを現実にするように適用され得る。

本発明は、さらに、ハンズフリーセットと、スピーチ認識システムと、スピーチダイアログシステムとを提供し、各々が、本発明に従う信号処理手段の上記の例のうちの１つを備えている。スピーチ認識システムは、対応するデジタル化されたスピーチ信号を解析することによって言語発声を認識するための手段である。スピーチダイアログシステムは、スピーチ入力を処理するためのスピーチ認識システムを含み、合成スピーチ出力手段も含む。

本発明の追加の特徴および利点は、図面を参照して記載される。記載において、参照が添付する図面に対してなされ、添付する図面は、本発明の好ましい実施形態を例示することが意図される。このような実施形態は、本発明の完全な範囲を示さないことが理解される。

本発明は、さらに、以下の手段を提供する。

（項目１）
有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタリング手段によって、デジタル入力信号（ｘ［ｎ］）を処理するための方法であって、該方法は、
該デジタル入力信号（ｘ［ｎ］）を、時間領域内で少なくとも部分的にパーティションすることにより、該デジタル入力信号の少なくとも２つのパーティション（ｘ_ｉ［ｎ］）を取得することと、
該ＦＩＲフィルタリング手段を、時間領域内でパーティションすることにより、該ＦＩＲフィルタリング手段の少なくとも２つのパーティション（ＦＩＲ_ｉ［ｎ］）を取得することと、
該デジタル入力信号（ｘ［ｎ］）の該少なくとも２つのパーティション（ｘ_ｉ［ｎ］）の各々をフーリエ変換することにより、フーリエ変換された信号パーティション（Ｘ_ｉ（ω））を取得することと、
該ＦＩＲフィルタリング手段の該少なくとも２つのパーティション（ＦＩＲ_ｉ［ｎ］）の各々をフーリエ変換する（１４）ことにより、フーリエ変換されたフィルタパーティション（ＦＩＲ_ｉ（ω））を取得することと、
該フーリエ変換された信号パーティション（Ｘ_ｉ（ω））および該対応するフーリエ変換されたフィルタパーティション（ＦＩＲ_ｉ（ω））の畳み込みを行う（１５）ことにより、スペクトルパーティション（Ｙ_ｉ（ω））を取得することと、
該スペクトルパーティション（Ｙ_ｉ（ω））を結合する（１６）ことにより、全スペクトル（Ｙ（ω））を取得することと、
該全スペクトル（Ｙ（ω））を逆フーリエ変換する（１７）ことにより、デジタル出力信号（ｙ［ｎ］）を取得することと
を包含する、方法。

（項目２）
上記デジタル入力信号（ｘ［ｎ］）の第１の部分は、時間領域内でパーティションされることにより、該デジタル入力信号のＴ個のパーティション（ｘ_Ｔ［ｎ］）を取得し、該Ｔ個パーティションはフーリエ変換されることにより、Ｔ個のフーリエ変換された信号パーティション（Ｘ_Ｔ（ω））を取得し、ここでＴは整数であり、
該デジタル入力信号（ｘ［ｎ］）の該第１の部分とは異なる第２の部分は、フーリエ変換され、該フーリエ変換された第２の部分はパーティションされることにより、Ｓ個のフーリエ変換された信号パーティション（Ｘ_Ｓ（ω））を取得し、ここでＳは整数であり、
該Ｔ個のおよびＳ個のフーリエ変換された信号パーティション（Ｘ_Ｔ（ω）、Ｘ_Ｓ（ω））ならびに対応するフーリエ変換されたフィルタパーティション（ＦＩＲ_Ｔ（ω）、ＦＩＲ_Ｓ（ω））の両方の畳み込み（１５）が行われることにより、スペクトルパーティション（Ｙ_１（ω）、．．、Ｙ_Ｔ＋Ｓ（ω））を取得し、該スペクトルパーティションが結合されることにより、全スペクトル（Ｙ（ω））を取得し、該全スペクトルは逆フーリエ変換されることにより、該デジタル出力信号（ｙ［ｎ］）を取得する、
項目１に記載の方法。

（項目３）
上記デジタル入力信号（ｘ［ｎ］）は、時間領域内のブロックに分割され、上記畳み込みは、オーバーラップセーブブロック畳み込みによって行われる、項目１または２に記載の方法。

（項目４）
全スペクトル（Ｙ（ω））は、上記フーリエ変換されたフィルタパーティションのフィルタコンポーネントの半数を用いることによって取得される、項目１〜３のうちの１項に記載の方法。

（項目５）
上記フーリエ変換された信号パーティション（Ｘ_ｉ（ω））および上記フーリエ変換されたフィルタパーティション（Ｙ_ｉ（ω））は、全て同一の帯域幅であり、中間周波数は、等距離の離散周波数ラスタ上で分散される、項目１〜４のうちの１項に記載の方法。

（項目６）
項目１〜５のうちの１項に記載の方法のステップを行うためのコンピュータ実行可能な命令を有する１つ以上のコンピュータ読み取り可能媒体を備えている、コンピュータプログラム製品。

（項目７）
デジタル入力信号、特に音響信号またはスピーチ信号を処理するための信号処理手段であって、
該デジタル入力信号（ｘ［ｎ］）を時間領域内で少なくとも部分的にパーティションすることにより、該デジタル入力信号の少なくとも２つのパーティション（ｘ_ｉ［ｎ］）を取得するように構成されている、パーティション手段と、
該デジタル入力信号（ｘ［ｎ］）の該パーティション（ｘ_ｉ［ｎ］）の各々を別々にフーリエ変換することにより、フーリエ変換された信号パーティション（Ｘ_ｉ（ω））を取得するように構成されている、フーリエ変換手段（１２）と、
時間領域内にパーティションされ、該フーリエ変換された信号パーティション（Ｘ_ｉ（ω））および対応するフーリエ変換されたフィルタパーティション（ＦＩＲ_ｉ（ω））の畳み込み（１５）を行い、スペクトルパーティション（Ｙ_ｉ（ω））を取得することにより、該デジタル入力信号（ｘ［ｎ］）にフィルタをかけるように構成されている、ＦＩＲフィルタリング手段と、
該スペクトルパーティション（Ｙ_ｉ（ω））を総計するように構成されている、加算器（１６）と、
該加算されたスペクトルパーティションを逆フーリエ変換することにより、時間領域内でデジタル出力信号（ｙ［ｎ］）を取得するように構成されている、逆フーリエ変換手段（１７）と
を備えている、手段。

（項目８）
上記パーティション手段は、時間領域内で上記デジタル入力信号（ｘ［ｎ］）の第１の部分をパーティションすることにより、該デジタル入力信号のＴ個のパーティション（ｘ_Ｔ［ｎ］）を取得するように構成され、ここでＴは整数であり、
上記フーリエ変換手段（１２）は、該Ｔ個のパーティション（ｘ_Ｔ［ｎ］）の各々をフーリエ変換することにより、Ｔ個のフーリエ変換された信号パーティション（Ｘ_Ｔ（ω））を取得するように、かつ該デジタル入力信号（ｘ［ｎ］）の該第１の部分とは異なる第２の部分をフーリエ変換するように構成されており、
該パーティション手段はまた、該デジタル入力信号（ｘ［ｎ］）の該フーリエ変換された第２の部分をパーティションすることにより、Ｓ個のフーリエ変換された信号パーティション（Ｘ_Ｓ（ω））を取得するように構成されており、ここでＳは整数であり、
上記ＦＩＲフィルタリング手段は、該Ｔ個およびＳ個のフーリエ変換された信号パーティション（Ｘ_Ｔ（ω）、Ｘ_Ｓ（ω））ならびに対応するフーリエ変換されたフィルタパーティション（ＦＩＲ_Ｔ（ω）、ＦＩＲ_Ｓ（ω））の両方の畳み込み（１５）を行い、スペクトルパーティション（Ｙ_１（ω）、．．、Ｙ_Ｔ＋Ｓ（ω））を取得することにより、該デジタル入力信号（ｘ［ｎ］）にフィルタをかけるように構成されており、
上記加算器（１６）は、該スペクトルパーティション（Ｙ_１（ω）、．．、Ｙ_Ｔ＋Ｓ（ω））を総計するように構成されており、
上記逆フーリエ変換手段（１７）は、該スペクトルパーティション（Ｙ_１（ω）、．．、Ｙ_Ｔ＋Ｓ（ω））の該総計を逆フーリエ変換することにより、上記デジタル出力信号（ｙ［ｎ］）を取得するように構成されている、
項目７に記載の信号処理手段。

（項目９）
上記デジタル入力信号（ｘ［ｎ］）を等しいサイズまたは異なるサイズのブロックに分割するように構成されているブロック分割手段であって、上記ＦＩＲフィルタリング手段は、オーバーラップセーブブロック畳み込みを行うように構成されている、ブロック分割手段
をさらに備えている、項目７または８に記載の信号処理手段。

（項目１０）
項目７〜９のうちの１項に記載の信号処理手段を備えている、ハンズフリーセット。

（項目１１）
項目７〜９のうちの１項に記載の信号処理手段を備えている、スピーチ認識システムまたはスピーチダイアログシステム。

（摘要）
本発明は、有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタリング手段によって、デジタル入力信号を処理するための方法に関する。該方法は、該デジタル入力信号を、時間領域内で少なくとも部分的にパーティションすることにより、該デジタル入力信号の少なくとも２つのパーティションを取得することと、該ＦＩＲフィルタリング手段を、時間領域内でパーティションすることにより、該ＦＩＲフィルタリング手段の少なくとも２つのパーティションを取得することと、該デジタル入力信号の該少なくとも２つのパーティションの各々をフーリエ変換することにより、フーリエ変換された信号パーティションを取得することと、該ＦＩＲフィルタリング手段の該少なくとも２つのパーティションの各々をフーリエ変換することにより、フーリエ変換されたフィルタパーティションを取得することと、該フーリエ変換された信号パーティションおよび該対応するフーリエ変換されたフィルタパーティションの畳み込みを行うことにより、スペクトルパーティションを取得することと、該スペクトルパーティションを結合することにより、全スペクトルを取得することと、該全スペクトルを逆フーリエ変換することにより、デジタル出力信号を取得することと、を包含する。

本発明に従って、音響信号のエコー補償またはエコー等化は、満足できる質の音響信号またはスピーチ信号を取得するために、莫大な数のフィルタ係数が使用されなければならない場合でさえも、ＦＩＲフィルタリング手段によって行われ得る。本明細書で開示される方法は、周波数領域におけるデジタル入力信号の畳み込みを備えている。図１に示されるように、整数ｉによってインデックスを付けられた入力信号ｘ_ｉ［ｎ］のパーティションは、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を受けることにより、フーリエ変換された信号パーティションＸ_ｉ（ω）を予め決定された周波数範囲で取得する。

ＦＩＲフィルタ全体が、時間領域内でパーティションされることにより、フィルタパーティションＦＩＲ_ｉ［ｎ］を取得することは、本発明の主要な局面である。本例に従って、フィルタパーティションＦＩＲ_ｉ［ｎ］と信号パーティションＸ_ｉ（ω）の等しい数が選択される。長いＦＩＲフィルタリング手段による畳み込みは、多くの基本的な高速畳み込みによって、それぞれのフィルタパーティションに対して実行され得る。

ＦＩＲフィルタ係数の数とは独立して、待ち時間は選択されたＦＦＴの長さにより決定される。実際には、待ち時間はＦＦＴの長さの２倍により与えられる。高速畳み込みを実行するために、フィルタパーティションＦＩＲ_ｉ［ｎ］が高速フーリエ変換されることにより、フーリエ変換されたフィルタパーティションＦＩＲ_ｉ（ω）：

を取得する。ＦＦＴは、Ｏ（Ｎ_ＦｌｏｇＮ_Ｆ）操作における上記の合計を算出するアルゴリズムである。現実的には、ＦＦＴは、例えば、クーリーテューキー（Ｃｏｏｌｅｙ−Ｔｕｋｅｙ）アルゴリズムによって実行され得る。

フーリエ変換された信号パーティションＸ_ｉ（ω）は、対応するフーリエ変換されたフィルタパーティションＦＩＲ_ｉ（ω）と共に畳み込まれることにより、図１に示されるような個別の畳み込み結果Ｙ_ｉ（ω）の結果を取得する。信号処理の結果取得される所望される出力信号ｙ［ｎ］は、信号Ｙ_ｉ（ω）を総計すること、および結果として生じる信号を、続いて逆フーリエ変換することによって、続いて達成される。信号処理の待ち時間は、ＦＦＴの長さ（すなわちＮ_Ｆ）によって制御され得る。記号表記において、所望される出力信号は、

により取得され、ここでＩＦＦＴは、逆高速フーリエ変換を示す。

図２は、本発明に従うパーティションされた高速畳み込みの例を図示している。高速畳み込みはオーバーラップセーブ方法によって、信号ブロックに対して実行される。オーバーラップセーブＦＦＴの詳細は、例えば、Ｒａｂｉｎｅｒ，Ｌ．およびＧｏｌｄ，Ｂ．著「Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」、ニュージャージー州、Ｐｒｅｎｔｉｃｅ−Ｈａｌｌ、Ｅｎｇｌｅｗｏｏｄ Ｃｌｉｆｆｓ（１９７５年）に見出され得る。

入力音響信号ｘ［ｎ］は、ブロックに分割される。入力ブロックは、処理のために引き続き連結される（１０）。入力ブロックが高速フーリエ変換されることにより（１２）、フーリエ変換された信号パーティションＸ_ｉ（ω）を取得する。個別のフーリエ変換された信号パーティションＸ_ｉ（ω）（ｉ＝１、．．、ｐ）は、時間領域内のそれぞれの信号パーティションのスペクトル表記を示し、結果として周波数レジーム内の遅延フィルタリング（１３）によって取得され得る。

時間領域内にパーティションされたＦＩＲフィルタリング手段のパーティションは、高速フーリエ変換される（１４）ことにより、フーリエ変換されたフィルタパーティションＦＩＲ_ｉ（ω）（ｉ＝１、．．、ｐ）を取得する。各フーリエ変換された信号パーティションＸ_ｉ（ω）は、対応するフーリエ変換されたフィルタパーティションＦＩＲ_ｉ（ω）によって畳み込まれ（１５）、結果Ｙ_ｉ（ω）は総計される（１６）ことにより、全スペクトルＹ（ω）を取得する。本例に従って、全スペクトルＹ（ω）は、ＦＦＴの長さの半分の入力信号ブロックと、時間領域内にパーティションされたＦＩＲフィルタリング手段全体との高速畳み込みの結果である。

出力信号ｙ［ｎ］は、Ｙ（ω）の逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）（１７）によって、およびＩＦＦＴにより達成された出力ブロック１８の第２の半分を保つことによって取得される。

図３は、本発明に従うパーティションされた高速畳み込み方法の上記の例の代替的な実施形態を示す。この例においては、デジタル入力信号ｘ［ｎ］をパーティションすることは、ＦＦＴフィルタリング手段によって行われず、むしろ先にパーティションされる遅延線によって行われる。結果として、ＦＦＴはデジタル入力信号ｘ［ｎ］のパーティションの各々に対して行われる。さらなる処理は、図２を参照して上記のように行われる。

デジタル入力信号の単一のＦＦＴを使用する例（図２を参照する）に反して、複数のＦＦＴが必要である。結果として、算出時間が増加し、外部メモリに対する高速インタフェースが必要である。他方、内部メモリに対するコストは低減され得る。なぜならば、各パーティションは、外部メモリから別々に引き出され、引き続いて内部メモリ内にロードされるからである。利用可能なハードウェアリソースに依存して、上記の２つの代替案から１つが選択され得る。このことは、本発明のパーティションされた高速畳み込み方法の柔軟性を例示する。

信号パーティションは、予めフーリエ変換され得、フーリエ変換された信号パーティションは格納され得、このことは、特定の信号処理状況において、相対的に少ない数の入力信号が相対的に多い数のＦＩＲフィルタと共に畳み込まれる場合には、有利であることに注意する。

図４において、結合された、時間領域およびスペクトル領域内でデジタル入力信号ｘ［ｎ］をパーティションすることが図示される。図３に示される例とは異なり、デジタル入力信号ｘ［ｎ］の一部分のみが、時間遅延フィルタリングにより、時間領域内でパーティションされる。一方では、入力信号ｘ［ｎ］のＴ個のパーティションｘ_１［ｎ］、．．、ｘ_Ｔ［ｎ］が各々フーリエ変換されることにより、Ｔ個のフーリエ変換された信号パーティションＸ_１（ω）、．．、Ｘ_Ｔ（ω）を取得する。他方では、Ｓ個の入力信号の既にフーリエ変換された部分は、スペクトル領域内でパーティションされることにより、スペクトル領域においてＳ個のパーティションＸ_Ｔ＋１（ω）、．．、Ｘ_Ｔ＋Ｓ（ω）を取得する。フーリエ変換された信号パーティションＸ_１（ω）、．．、Ｘ_Ｔ＋Ｓ（ω）は、次いで対応するフーリエ変換されたフィルタパーティションＦＩＲ_１（ω）、．．、ＦＩＲ_Ｔ＋Ｓ（ω）によって畳み込まれ、結果Ｙ_１（ω）、．．、Ｙ_Ｔ＋Ｓ（ω）が総計されることにより、全スペクトルＹ（ω）を取得する。

図１は、本明細書で開示される、ＦＩＲフィルタリング手段を時間においてパーティションすることを含む、デジタル入力信号の処理のための方法の実施例の基本コンポーネントを図示している。 図２は、本発明に従う、デジタル入力信号のパーティションされた高速畳み込みの実施例によるデジタル入力信号の処理を図示している。 図３は、本発明に従う、デジタル入力信号のパーティションされた高速畳み込みの別の実施例によるデジタル入力信号の処理を図示している。 図４は、時間領域およびスペクトル領域内で、結合されパーティションされた高速畳み込みによるデジタル入力信号の処理を図示している。

符号の説明

１０ 入力ブロックの連結
１２、１４ フーリエ変換手段
１３ 遅延フィルタリング
１５ 畳み込み
１６ 加算器
１７ 逆フーリエ変換手段
１８ 出力ブロック

Claims (11)

1. 有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタリング手段によって、デジタル入力信号（ｘ［ｎ］）を処理するための方法であって、該方法は、
   該デジタル入力信号（ｘ［ｎ］）を、時間領域内で少なくとも部分的にパーティションすることにより、該デジタル入力信号の少なくとも２つのパーティション（ｘ_ｉ［ｎ］）を取得することと、
   該ＦＩＲフィルタリング手段を、時間領域内でパーティションすることにより、該ＦＩＲフィルタリング手段の少なくとも２つのパーティション（ＦＩＲ_ｉ［ｎ］）を取得することと、
   該デジタル入力信号（ｘ［ｎ］）の該少なくとも２つのパーティション（ｘ_ｉ［ｎ］）の各々をフーリエ変換することにより、フーリエ変換された信号パーティション（Ｘ_ｉ（ω））を取得することと、
   該ＦＩＲフィルタリング手段の該少なくとも２つのパーティション（ＦＩＲ_ｉ［ｎ］）の各々をフーリエ変換する（１４）ことにより、フーリエ変換されたフィルタパーティション（ＦＩＲ_ｉ（ω））を取得することと、
   該フーリエ変換された信号パーティション（Ｘ_ｉ（ω））および該対応するフーリエ変換されたフィルタパーティション（ＦＩＲ_ｉ（ω））の畳み込みを行う（１５）ことにより、スペクトルパーティション（Ｙ_ｉ（ω））を取得することと、
   該スペクトルパーティション（Ｙ_ｉ（ω））を結合する（１６）ことにより、全スペクトル（Ｙ（ω））を取得することと、
   該全スペクトル（Ｙ（ω））を逆フーリエ変換する（１７）ことにより、デジタル出力信号（ｙ［ｎ］）を取得することと
   を包含する、方法。
2. 前記デジタル入力信号（ｘ［ｎ］）の第１の部分は、時間領域内でパーティションされることにより、該デジタル入力信号のＴ個のパーティション（ｘ_Ｔ［ｎ］）を取得し、該Ｔ個パーティションはフーリエ変換されることにより、Ｔ個のフーリエ変換された信号パーティション（Ｘ_Ｔ（ω））を取得し、ここでＴは整数であり、
   該デジタル入力信号（ｘ［ｎ］）の該第１の部分とは異なる第２の部分は、フーリエ変換され、該フーリエ変換された第２の部分はパーティションされることにより、Ｓ個のフーリエ変換された信号パーティション（Ｘ_Ｓ（ω））を取得し、ここでＳは整数であり、
   該Ｔ個のおよびＳ個のフーリエ変換された信号パーティション（Ｘ_Ｔ（ω）、Ｘ_Ｓ（ω））ならびに対応するフーリエ変換されたフィルタパーティション（ＦＩＲ_Ｔ（ω）、ＦＩＲ_Ｓ（ω））の両方の畳み込み（１５）が行われることにより、スペクトルパーティション（Ｙ_１（ω）、．．、Ｙ_Ｔ＋Ｓ（ω））を取得し、該スペクトルパーティションが結合されることにより、全スペクトル（Ｙ（ω））を取得し、該全スペクトルは逆フーリエ変換されることにより、該デジタル出力信号（ｙ［ｎ］）を取得する、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記デジタル入力信号（ｘ［ｎ］）は、時間領域内のブロックに分割され、前記畳み込みは、オーバーラップセーブブロック畳み込みによって行われる、請求項１または２に記載の方法。
4. 全スペクトル（Ｙ（ω））は、前記フーリエ変換されたフィルタパーティションのフィルタコンポーネントの半数を用いることによって取得される、請求項１〜３のうちの１項に記載の方法。
5. 前記フーリエ変換された信号パーティション（Ｘ_ｉ（ω））および前記フーリエ変換されたフィルタパーティション（Ｙ_ｉ（ω））は、全て同一の帯域幅であり、中間周波数は、等距離の離散周波数ラスタ上で分散される、請求項１〜４のうちの１項に記載の方法。
6. 請求項１〜５のうちの１項に記載の方法のステップを行うためのコンピュータ実行可能な命令を有する１つ以上のコンピュータ読み取り可能媒体を備えている、コンピュータプログラム製品。
7. デジタル入力信号、特に音響信号またはスピーチ信号を処理するための信号処理手段であって、
   該デジタル入力信号（ｘ［ｎ］）を時間領域内で少なくとも部分的にパーティションすることにより、該デジタル入力信号の少なくとも２つのパーティション（ｘ_ｉ［ｎ］）を取得するように構成されている、パーティション手段と、
   該デジタル入力信号（ｘ［ｎ］）の該パーティション（ｘ_ｉ［ｎ］）の各々を別々にフーリエ変換することにより、フーリエ変換された信号パーティション（Ｘ_ｉ（ω））を取得するように構成されている、フーリエ変換手段（１２）と、
   時間領域内にパーティションされ、該フーリエ変換された信号パーティション（Ｘ_ｉ（ω））および対応するフーリエ変換されたフィルタパーティション（ＦＩＲ_ｉ（ω））の畳み込み（１５）を行い、スペクトルパーティション（Ｙ_ｉ（ω））を取得することにより、該デジタル入力信号（ｘ［ｎ］）にフィルタをかけるように構成されている、ＦＩＲフィルタリング手段と、
   該スペクトルパーティション（Ｙ_ｉ（ω））を総計するように構成されている、加算器（１６）と、
   該加算されたスペクトルパーティションを逆フーリエ変換することにより、時間領域内でデジタル出力信号（ｙ［ｎ］）を取得するように構成されている、逆フーリエ変換手段（１７）と
   を備えている、手段。
8. 前記パーティション手段は、時間領域内で前記デジタル入力信号（ｘ［ｎ］）の第１の部分をパーティションすることにより、該デジタル入力信号のＴ個のパーティション（ｘ_Ｔ［ｎ］）を取得するように構成され、ここでＴは整数であり、
   前記フーリエ変換手段（１２）は、該Ｔ個のパーティション（ｘ_Ｔ［ｎ］）の各々をフーリエ変換することにより、Ｔ個のフーリエ変換された信号パーティション（Ｘ_Ｔ（ω））を取得するように、かつ該デジタル入力信号（ｘ［ｎ］）の該第１の部分とは異なる第２の部分をフーリエ変換するように構成されており、
   該パーティション手段はまた、該デジタル入力信号（ｘ［ｎ］）の該フーリエ変換された第２の部分をパーティションすることにより、Ｓ個のフーリエ変換された信号パーティション（Ｘ_Ｓ（ω））を取得するように構成されており、ここでＳは整数であり、
   前記ＦＩＲフィルタリング手段は、該Ｔ個およびＳ個のフーリエ変換された信号パーティション（Ｘ_Ｔ（ω）、Ｘ_Ｓ（ω））ならびに対応するフーリエ変換されたフィルタパーティション（ＦＩＲ_Ｔ（ω）、ＦＩＲ_Ｓ（ω））の両方の畳み込み（１５）を行い、スペクトルパーティション（Ｙ_１（ω）、．．、Ｙ_Ｔ＋Ｓ（ω））を取得することにより、該デジタル入力信号（ｘ［ｎ］）にフィルタをかけるように構成されており、
   前記加算器（１６）は、該スペクトルパーティション（Ｙ_１（ω）、．．、Ｙ_Ｔ＋Ｓ（ω））を総計するように構成されており、
   前記逆フーリエ変換手段（１７）は、該スペクトルパーティション（Ｙ_１（ω）、．．、Ｙ_Ｔ＋Ｓ（ω））の該総計を逆フーリエ変換することにより、前記デジタル出力信号（ｙ［ｎ］）を取得するように構成されている、
   請求項７に記載の信号処理手段。
9. 前記デジタル入力信号（ｘ［ｎ］）を等しいサイズまたは異なるサイズのブロックに分割するように構成されているブロック分割手段であって、前記ＦＩＲフィルタリング手段は、オーバーラップセーブブロック畳み込みを行うように構成されている、ブロック分割手段
   をさらに備えている、請求項７または８に記載の信号処理手段。
10. 請求項７〜９のうちの１項に記載の信号処理手段を備えている、ハンズフリーセット。
11. 請求項７〜９のうちの１項に記載の信号処理手段を備えている、スピーチ認識システムまたはスピーチダイアログシステム。

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