JP2008516540A - 適合アルゴリズムを安定化するための方法並びに前記方法を実行する装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、入力信号（ｘ）及び実際の出力信号（ｙ）を具備する未知の伝達関数（Ｈ）を推定するための方法に関する。本発明によると、入力信号（ｘ）を使用して、適合処理（３）内で推定出力信号（＾ｙ）を生成する。実際の出力信号（ｙ）及び推定出力信号（＾ｙ）から、誤差信号（ε）を生成し、かつ誤差信号（ε）を使用して、適合処理（３）を改善する。そこにおいて、少なくとも１つの条件に依存して、次に挙げる、誤差信号（ε）を搬送する信号経路、入力信号（ｘ）を搬送する信号経路、推定出力信号（＾ｙ）を搬送する信号経路の少なくとも１つの信号経路が切断又は接続される。本発明により、適合処理又は適合アルゴリズムを実質的に安定化することが可能となる。本発明はまた、前記方法の使用、機器、並びに前記機器の使用に関する。

Description

本発明は、請求項１の前提条件に記載の、適合アルゴリズムを安定化するための方法、前記方法の使用、前記方法を実行するための装置及び前記装置の使用に関する。

ノイズ源は、より一層環境汚染として認知されるとともに、生活の質を落とすものと考えられている。なぜなら、ノイズ源は、多くの場合不可避であるからである。ノイズを低減するための方法は、すでに提案されており、それらは波形相殺の原理に基づいている。

能動的ノイズキャンセリング（ＡＮＣ）の原理は、干渉により音声波形が相殺されることに基づいている。これらの干渉は、１つ又はいくつかの電気音声変換器、例えばスピーカー（ｌｏｕｄｓｐｅａｋｅｒ）によって生成される。電気音声変換器によって送出される信号は、適切なアルゴリズムに基づいて計算されるとともに、定期的に補正される。電気音声変換器によって送出された信号の計算の基礎として、１つ又は複数のセンサによって提供される情報が使用される。これは、一方においては、最小化されるべき信号の構成に関する情報である。それには、例えば、最小化されるべき音声を録音するマイクロフォンを使用しても良い。他方においては、残りの残余信号に関する情報が必要である。それにも、マイクロフォンを使用しても良い。

能動的ノイズ低減のために実施された基礎的な原理は、１９３５年まで遡るＡＴ−１４１ ９９８特許公報の特許明細書中で、Ｐａｕｌ Ｌｕｅｇ博士により説明されている。この発行された公報では、反対の位相を有する信号を生成することにより、管の内部でどのようにノイズがキャンセルされるのかが説明されている。

さらなる発展により、多くの固有なアルゴリズム、例えば、ＬＭＳ（最小二乗法）や、関連するアルゴリズム、例えば、ＦｘＬＭＳやＮＬＭＳに至った。

能動的ノイズキャンセリングのアルゴリズムは、少なくとも１つのセンサ（例えばマイクロフォン）の情報を必要とし、それにより残余誤差（以下、誤差信号とも呼ばれる）を決定する。実施方法及び実施されるアルゴリズムによっては、最小化されるべき信号の組成に関する情報を提供するさらなるセンサが形成される。さらに、適合型ノイズ低減システムは、補正信号を出力するための、１つ又はいくつかの（例えば、スピーカーのような）アクチュエータを必要とする。センサの情報は、アナログ・デジタル変換器によって、対応するフォーマットに変換される。信号は、前記アルゴリズムにより処理された後、デジタル・アナログ変換器によって再変換され、前記アクチュエータに伝送される。これらの変換器は、その分解能はもちろん、ダイナミクスに関しても限界を有する。

多くのアルゴリズム、特に、公知である勾配法は、非相関入力信号に対してある不安定性を示す。これは、前記変換器の限界と一緒になって、弱い入力信号に対しては、アルゴリズムの制御不能な挙動に至らしめる可能性がある。これは、低周波ノイズ、又は、システム全体の、一般的な不安定挙動の結果をもたらす可能性がある。

それゆえ、本発明は、上述の障害を有さない、適合アルゴリズムを安定化するための方法を提供することを目的とする。

この目的は、請求項１の特徴的部分で与えられた構成要素により解決される。特長を有する実施例、方法の使用、方法を実行する機器、及び機器の使用については、特許請求の範囲で与えられる。

入力信号と実際の出力信号とを具備する未知の伝達関数を推定するために援用される、適合アルゴリズムを安定化する方法が開示される。この方法は、入力信号を使用して、適合処理を援用することにより、推定出力信号を生成する段階と、実際の出力信号及び前記推定出力信号から誤差信号を生成する段階と、前記誤差信号に基づいて前記適合処理を改善する段階とを具備する。本発明によると、次に挙げる、
誤差信号を搬送する信号経路、
入力信号を搬送する信号経路、
推定出力信号を搬送する信号経路、
の少なくとも１つの信号経路は、少なくとも１つの条件に依存して、それぞれ切断又は接続される。

それとともに、まず、適合アルゴリズムを安定化させるために特に適している方法が創作される。そこにおいて、本発明により、処理不可能である信号が事前に適合処理により消去される。その結果として、前記システムは、全体として、より安定化するとともに、より堅牢になる。

本発明のさらなる実施例では、所与の信号レベル又は所与の中心信号電力が、次に挙げる信号、
入力信号、
推定出力信号、
誤差信号、
の１つの信号を、それぞれ下回るか又は上回るかが本質的である。

そこにおいて、本発明による方法は、自己制御するとともに、自動的にその構成を現信号波形及び信号強度に適応させる結果をもたらす。

本発明の、さらなる実施例においては、信号経路を補正する条件は、この信号経路を通る信号に依存している。

最後に、もう１つの実施例においては、いくつかの信号経路がそれぞれ同時に、切断され又は接続されるように設けられる。

本発明による方法は、特に能動的ノイズキャンセリングに適しているが、決して他の応用例を除外するものではない。それどころか、本発明による方法は、安定性や堅牢性を改善するための全ての適合システムに非常に適している。

さらに、機器が、本発明の目的物であり、前記機器は、次に挙げる特徴、
推定出力信号の決定をするための適合処理ユニットと、
実際の出力信号及び推定出力信号の誤差信号を決定する手段と、
切替えユニットと、
を具備している。入力信号が前記処理ユニットに与えられる。前記誤差信号は、前記適合処理ユニットに与えられる。前記切替えユニットは、次に挙げる、
誤差信号を搬送する信号経路、
入力信号を搬送する信号経路、
推定出力信号を搬送する信号経路、
の少なくとも１つの信号経路に設けられる。

さらなる実施例では、信号のレベル又は平均電力を決定する手段を具備し、これらの手段は、動作するように、少なくとも１つの切替えユニットに接続される。

本発明のさらなる実施例では、信号のレベル又は平均電力を決定する手段が、動作するように、同一の信号経路内の切替えユニットに接続される。

本発明のさらなる実施例においては、いくつかの切替えユニットは、同時に動作可能である。

本発明のさらなる実施例においては、切替えユニットは、補正可能な特性切替え曲線を具備する。

最後に、本願発明のさらなる実施例においては、切替えユニットは動作するように接続される。

本発明は、図面を参照して代表的な実施例を援用することによりさらに説明される。

図１は、干渉ノイズを低減するための本発明による機器の実施例を示している。これは、いわゆる適合ノイズキャンセリングシステム（ＡＮＣ）と呼ばれるものであり、それを援用し、信号消去の原理を実施することで、干渉ノイズは消去され、又は少なくとも低減される。

そのような適合ノイズキャンセリングシステムの中心部は、適合処理ユニット３であり、動作するように、外部マイクロフォンユニット１に接続される。ここで、「外部」を追加したのは、マイクロフォンユニットが、部屋Ｒの外部に配置されることを指している。それとともに、通常、部屋Ｒの外部にある干渉ノイズ源は、より良好に録音される。さらに、２つの内部マイクロフォンユニット５と、２つのスピーカーユニット７とが部屋Ｒ内に設けられ、これらのユニットは全て、動作するように、適合処理ユニット３に接続される。図１から判るように、切替えユニット２，４，６は、マイクロフォンユニット１，５の１つと適合処理ユニット３との間、又はスピーカーユニット７の１つと適合処理ユニット３との間にそれぞれ設けられる。切替えユニット２，４，６により、それぞれの信号経路を切断することが可能になる。

前記適合処理ユニット３において、壁又は窓越しに部屋Ｒに到達する干渉信号が、信号消去又は信号相殺によって各々相殺される又は低減されるような方法で、マイクロフォンユニット１によって録音された信号に基づいて、相殺信号がスピーカー７を通して部屋Ｒ内に供給される。そして、後述するように、最適な信号相殺又は信号低減が、それぞれ達成される。変化する条件下においても、これが成功裏に達成され得るために、誤差信号は、マイクロフォンユニット５を援用して録音されるとともに、低減信号の計算が適合処理ユニット３内で改善されるように、適合処理ユニット３に与えられる。そして、続いて、最適信号相殺又は最適信号低減が、それぞれ達成される。

任意の個数のマイクロフォンユニット１，５及びスピーカー７について、本発明の原理から逸脱せずに考察可能であることは明白に指摘される。加えて、マイクロフォンユニット１，５及び／又はスピーカー７以外の変換ユニットについても考察可能である。

図２は、図１による本願発明の実施例の、単純化された等価回路のブロック図を示す。本発明によると、信号経路は切断可能であり、それは切替えユニット２，４，６によって実現される。この例では、切替えユニット２，４，６は、パラメータの値によって制御されるスイッチを表している。前記パラメータの値は、例えば、平均入力電力又は入力レベルに対応する。切替えユニット２は、マイクロフォンユニット１と適合処理ユニット３との間に接続され、例えば、マイクロフォンユニット１によって録音される干渉ノイズが、所与の信号レベルを下回ると同時に、適合処理ユニット３への信号経路を切断するために使用される。適合処理ユニット３は、信号経路の切断の帰結として、干渉ノイズをそれ以上受信しなくなる。その結果として、適合処理ユニット３は、またスピーカーユニット７に対しても、それ以上低減信号を供給しなくなる。この構成は、例えば、壁又は窓がすでに充分に干渉ノイズを低減しているために、所定の大きさを下回る干渉ノイズを、能動的に最小化するべきではない場合に、有意義である。加えて、かつ本願発明のさらなる実施例として、スピーカーユニット７に対して低減信号を生成する信号生成器からの信号経路は、切替えユニット６によって制御しても良く、それは、適合処理ユニット３とスピーカーユニット７との間に接続される。このようにすると、切替えユニット６が、スピーカーユニット７への信号経路を切断すると同時に、スピーカーユニット７へ信号が供給されなくなる。
このようにして、スピーカーユニット７それ自体によって生成される、起こり得るバックグラウンドノイズが抑制される。また、これにより、システム全体の安定性が大幅に改善される。なぜなら、このようにしなければ、このバックグラウンドノイズは、センサ、即ち残余ノイズを録音しているマイクロフォンユニット５によって録音されてしまうからである。追加の切替えユニット４は、同様に干渉ノイズに依存して動作し、誤差信号を搬送する信号経路を切断可能である。これにより、適合処理ユニット３が、対応するマイクロフォンユニット５の誤差信号を受信しなくなる。従って、適合処理ユニット３は、前記システムが、瞬間的状況に最良適応しており、かつそれ以上に最適化される必要はないものと想定する。

上述の切替えユニットを具備した実施例の１つ、又は上述の切替えユニットを具備した２つ又はより多くの組み合わせを実施することにより、システム全体の本質的な安定性の改善結果が得られる。なぜならば、入力信号はソフト（ｌｅｉｓｅ）であり、そのために処理が困難であるものが消去されるからである。それによって、デジタルシステム又はその他の構成要素に不可欠なアナログ・デジタル変換器及びデジタル・アナログ変換器で起こりうる不完全動作は、その影響力を失う。

前記部屋Ｒ内の残余ノイズに対する限界を定義しても良い。前記残余ノイズが前記限界を下回った場合には、誤差信号εはスイッチオフされる、即ち、内部マイクロフォンユニット５から適合処理ユニット３への信号経路が切断される。このことは、適合処理ユニット３では、誤差信号εが存在しないものと解釈される。また、これにより、低レベル信号、即ち処理が困難である信号が、計算から削除されることになる。誤差信号εのミュート切替えに応じて、干渉ノイズを録音するのに使用される外部マイクロフォンユニット１と、１つまたは複数のスピーカーユニット７とが制御される。そのような構成は、例えば、前記部屋Ｒ内で所定の閾値を上回った場合に限り、適合処理ユニット３が動作するような場合に、有意義である。

すでに指摘済みであるが、切替えユニット２，４，６は、入力値に依存する状態を有する切替え器のように機能する。切替えユニット２，４，６の機能にとって、前記入力信号のレベル、平均電力、又は他の値のどれが取得されるかというのは重要ではない。

切替えユニット２，４，６の基本的な機能については、図３，４に基づいて、以下でさらに説明される。

図３は、切替えユニット２，４，６，８を示しており、それらに入力信号９が与えられる。切替えユニット２，４，６内で、例えば、図４により入力／出力推移の結果として得られる出力信号１０が生成される。そこでは、どのような特性曲線を使用しても良く、特に次の、いわゆるＡＧＣ（自動ゲイン制御）ユニットの機能が、信号も増幅するか、又は減衰するために考えられる。図４に示されたグラフでは、水平軸には、入力信号９のレベルを、かつ垂直軸には、対応する出力信号１０のレベルを示している。このグラフが示すことにより、次のことが導出される。切替えユニット２，４，６の入力信号９が所定の閾値を下回ると同時に、前記切替えユニット２，４，６の出力信号１０がゼロに切替えられる、即ち、前記切替えユニット２，４，６を経由する信号経路は切断される。即ち、もし入力信号９が、所定の閾値を下回った場合は、出力信号１０は無価値である。一方で、もし入力信号９が所定の閾値を上回った場合は、前記出力信号１０は前記入力信号９に対応する。

さらなる実施例は、図４においても予見可能であると思うが、切替えユニット２，４，６が制御入力１２を具備することを特徴としている。この制御入力１２を経由して、切替えユニット２，４，６を制御してもよい。制御信号は、例えば、適合処理ユニット３又は他の切替えユニット２，４，６の１つの内部で生成される。

本発明のさらなる実施例では、切替えユニット２，４，６は、制御出力１３を具備することを特徴としている。この制御入力１３を経由して、同様に他の切替えユニット２，４，６を制御してもよい。切替えユニット２，４，６の状態は、制御入力１３を経由して、適合制御ユニット３、又はさらなる処理をするための他の計算ユニットへ送信されることも考えられる。

前記制御出力１３及び前記制御入力１２は、また反転信号として使用されても良い。このようにすると、例えば、他の切替えユニット２，４，６を経由する信号経路が切断されている時に、切替えユニット２，４，６は、その時には接続されている（即ち、切替えユニット２，４，６を経由する信号経路が切断されていない。）。それによって、例えば、所定の閾値を上回った後に、切替えユニット２，４，６が信号経路を切断するまでに経過する時間を調節できるようになる。同様に、所定の閾値を下回った後に、切替えユニット２，４，６が信号経路を再接続するのに必要な時間を調節してもよい。これは、各ゼロクロッシングの前後においては、それぞれ信号経路が切断も再接続もされないという特長を有する。それによって、さらなるシステム全体の不安定化が、本発明によって防止される。

なお、本願において、＾ｙは

を表すものとする。

図１は、本発明による機器の実施例を、図面により表現したものである。 図２は、図１で図示された実施例の単純化されたブロック図であり、同様に図面により表現したものである。 図３は、図１，２で使用される切替えユニットの単純化されたブロック図である。 図４は、図３による切替えユニットの考えられる動作方法を説明するための、信号の推移を示す。

符号の説明

１ マイクロフォンユニット
２ 切替えユニット
３ 適合処理ユニット
４ 切替えユニット
５ マイクロフォンユニット
６ 切替えユニット
７ スピーカーユニット
Ｒ 部屋

Claims (14)

1. 入力信号（ｘ）を使用して、適合処理（３）の援用により、推定出力信号（＾ｙ）を生成する段階と、
   実際の出力信号（ｙ）及び推定出力信号（＾ｙ）から、誤差信号（ε）を生成する段階と、
   適合処理（３）が、前記誤差信号（ε）に基づいて改善される段階と、
   を具備し、入力信号（ｘ）及び実際の出力信号（ｙ）を有する未知の伝達関数（Ｈ）を推定するために援用される、適合アルゴリズムを安定化させるための方法において、
   次に挙げる、
   前記誤差信号（ε）を搬送する信号経路、
   前記入力信号（ｘ）を搬送する信号経路、
   推定出力信号（＾ｙ）を搬送する信号経路、
   の少なくとも１つの信号経路が、少なくとも１つ以上の条件に依存して切断されることを特徴とする方法。
2. 所定の信号レベル又は所定の平均信号電力が、次に挙げる、
   入力信号（ｘ）、
   推定出力信号（＾ｙ）、
   誤差信号（ε）、
   の１つの信号を下回ることが前記条件であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 入力信号（ｘ）を使用して、適合処理（３）の援用により、推定出力信号（＾ｙ）を生成する段階と、
   実際の出力信号（ｙ）及び推定出力信号（＾ｙ）から、誤差信号（ε）を生成する段階と、
   前記誤差信号（ε）に基づいて、前記適合処理（３）を改善する段階と、
   を具備し、入力信号（ｘ）及び実際の出力信号（ｙ）を有する未知の伝達関数（Ｈ）を推定するために援用される、適合アルゴリズムを安定化させるための方法において、
   少なくとも一つの条件に依存して、次に挙げる、
   前記誤差信号（ε）を搬送する信号経路、
   前記入力信号（ｘ）を搬送する信号経路、
   推定出力信号（＾ｙ）を搬送する信号経路、
   の少なくとも１つの信号経路が接続されることを特徴とする方法。
4. 所与の信号レベル、又は所与の平均信号電力が、次に挙げる、
   入力信号（ｘ）、
   推定出力信号（＾ｙ）、
   誤差信号（ε）、
   の１つの信号を上回ることが前記条件であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 信号経路を補正するための条件が、前記信号経路で搬送される信号（ｘ，ε，＾ｙ）に依存することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. いくつかの信号経路が、同時に、それぞれ、切断されるか又は接続されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 部屋（Ｒ）内において、能動的ノイズ低減のために、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法を使用する方法。
8. 請求項１〜６のいずれか１項に従う方法を実行するための機器であって、
   入力信号（ｘ）が与えられるとともに、推定出力信号（＾ｙ）を決定するための適合処理ユニット（３）と、
   実際の出力信号（ｙ）及び推定出力信号（＾ｙ）から誤差信号（ε）を決定し、前記誤差信号（ε）が前記適合処理ユニット（３）に与えられる手段と、
   切替えユニット（２，４，６）と、
   を具備し、前記切替えユニットは、次に挙げる、
   前記誤差信号（ε）を搬送するための信号経路、
   前記入力信号（ｘ）を搬送するための信号経路、
   前記推定出力信号（＾ｙ）を搬送するための信号経路、
   のうち少なくとも１つの信号経路に設けられることを特徴とする機器。
9. 信号（ｘ，ε，＾ｙ）のレベル又は平均電力を決定する手段が形成され、前記手段は、動作するように、切替えユニット（２，４，６）の少なくとも１つに接続されることを特徴する請求項８に記載の機器。
10. 信号経路において信号（ｘ，ε，＾ｙ）のレベル又は平均電力を決定する前記手段は、動作するように、同一の信号経路内で切替えユニット（２，４，６）に接続されることを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. いくつかの切替えユニット（２，４，６）が同時に動作可能であることを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 切替えユニット（２，４，６）は、補正可能な切替え特性を具備することを特徴とする、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 切替えユニット（２，４，６）は、動作するように、互いに連結されることを特徴とする、請求項８〜１２のいずれか１項に記載の装置。
14. 部屋（Ｒ）内において、能動的ノイズ低減のために、請求項８〜１３のいずれか１項に記載の装置を使用する方法。

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