JP2009050013A - エコー検出および監視 - Google Patents

Abstract

【課題】稼働中の通信ネットワークにおけるエコーの検出。
【解決手段】エコー検出および監視システムおよび方法を提供する。本発明によれば、音声通信の発信音声伝送チャネルおよび着信音声伝送チャネルを監視する。発信信号および着信信号を時間的に整合させ、次いで、信号中にエコーが存在するかどうか判定する措置を講じる。本発明の一実施形態によれば、発信信号が適応フィルタを介して供給される。
【選択図】図３

Description

本発明は音声（ｖｏｉｃｅ）通信システムにおけるエコーの検出を対象とする。詳細には、本発明は現に使用中の音声通信システムにおけるエコーの検出に関する。

音声通信ネットワークに関して、エコーの存在は周知の問題である。そうしたエコーは、通信ハードウェア内の異種間の不均衡な諸条件（ハイブリッド・アンバランス・コンディション）から生じることがある。また、音響フィードバックがエコーを生じさせることもある。エコーがユーザに知覚され得るかどうかは、一般に、エコー・リターンの信号レベルおよび元の信号が生成された時間に対するエコー・リターンの時間差によって決まる。音声通信におけるエコーの問題は、パケット・データ・ネットワークを使用することによってさらに悪化する。具体的には、パケット・データ・ネットワークに伴って伝送遅延時間が増大すると、ユーザにエコーがよりはっきり分かるようになることがある。

通信ネットワークにおけるエコーの存在を検出するには、合成試験エコーを利用する機器が使用可能である。しかし、従来の試験機器では、試験を実施する前にネットワークの稼働を休止する必要がある。さらに、従来の試験機器は、較正および使用が難しいことがある。エコーは、通信ネットワークの実際のユーザによる苦情申立ての結果として検出されることもある。しかし、ユーザまたは顧客が苦情を申し立てるほどの水準までエコーが増大したときは、もはや顧客の不満を防ぐには手遅れである。
米国特許出願第１０／１５２，７１６号

本発明は、従来技術の上記およびその他の問題ならびに欠点を解決することを対象とする。一般に、本発明によれば、音声通信信号の発信部分を監視する。さらに、音声通信信号の着信部分も監視する。発信信号を着信信号と時間的に整合させ、相関手順を実施する。相関手順の結果から、音声通信信号中にエコーが存在するかどうか判定する。

本発明の一実施形態によれば、適応フィルタを使って通信信号の発信部分をフィルタリングする。フィルタリングされた音声通信信号の発信部分と時間的に整合された音声通信信号の着信部分との差から計算される誤差信号に応答して、適応フィルタのパラメータを変更することができる。具体的には、観測される誤差を低減するために、適応フィルタに関連するタップを変更する。次いで、時間的に整合された着信信号の出力と誤差信号の出力の比を計算する。計算された比が所定の量より大きい場合、エコーの存在が示される。本発明の別の実施形態によれば、音声通信信号の発信部分と音声通信信号の着信部分との間で観測される時間遅延を計算する。次いで、その時間遅延、および着信信号の出力と差信号の計算された比を使って、音声通信システムにおいて検出されるエコーの強度を特徴付けることができる。

本発明の別の実施形態によれば、発信信号を着信信号と時間的に整合させる。次いで、信号監視機構は、各信号の周期性が所定の量より小さいかどうか判定する。周期性が所定の量より小さい場合、次に、エコー出力が所定の出力より大きいかどうか判定する。エコーが所定の出力を超える場合は、通信中にエコーが存在することを示す信号を生成する。

本発明の別の実施形態によれば、発信音声信号および着信音声信号を時間的に整合させ、それらを信号監視機構に送る。次いで、信号監視機構は、メル周波数ケプストラム係数（ｍｅｌ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｅｐｓｔｒａｌ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）が所定の量より大きいかどうか判定する。所定の量を超える場合は、通信中にエコーが存在することを示す信号を生成する。

本発明の別の実施形態によれば、複数の時間的整合ステップを実施することができる。たとえば、粗い時間的整合のステップと微細な時間的整合のステップを続けて実施することができる。

本発明の一実施形態によれば、稼働中の音声通信ネットワークにおけるエコーを検出するシステムが提供される。システムは、一般に、音声通信信号の発信成分を受け取るように動作可能な第１の電子信号経路を含む。システムはさらに、音声通信信号の着信成分を受け取るように動作可能な第２の電子信号経路を含む。発信成分を着信成分と整合させるために、時間的整合ブロックが設けられている。適応フィルタは、第１の電子信号経路が受け取る音声通信信号の発信成分をフィルタリングする。フィルタリングされ時間的に整合された音声通信信号の発信成分と着信成分との差から誤差信号を計算するために、加算ブロックが設けられている。さらに、信号監視機構は着信信号および誤差信号を受け取り、それらからエコーの存在に関する判定を行うことができる。本発明の別の実施形態によれば、加算ブロックによって計算された誤差信号を適応フィルタに送信するために、フィードバック信号線が設けられている。さらに別の実施形態では、装置は、第１および第２の電子信号経路を通信ネットワークと相互接続するための通信ネットワーク・インタフェースを含むことができる。本発明の一実施形態によれば、このインタフェースは、ＶｏＩＰ（ｖｏｉｃｅ ｏｖｅｒ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）ネットワークとのインタフェースを含むことができる。

本発明の別の実施形態によれば、稼働中の音声通信ネットワークにおけるエコーを検出するための、時間的整合ユニットを備えたシステムが提供される。時間的整合ユニットは、音声通信に伴う発信信号および着信信号を入力として受け取る。時間的整合ユニットは信号監視機構と相互接続される。信号監視機構には時間的に整合された発信信号および着信信号が供給され、それらからエコーの有無を判定することができる。

本発明の上記およびその他の利点および特徴は、以下の考察を、特に添付の図面と併せて読めばより明らかになるであろう。

本発明は、稼働中の通信ネットワークにおけるエコーの検出を対象とする。
図１に、本発明の一実施形態と共に使用するのに適した通信システム１００を示す。一般に、通信システム１００は、通信ネットワーク１０４、第１の通信装置１０８、および第２の通信装置１１２を含む。通信ネットワーク１０４は、１つまたは複数の様々なタイプのネットワークを含むことができる。たとえば、通信ネットワーク１０４は、公衆交換電話網を含むことができる。本発明の別の実施形態によれば、通信ネットワーク１０４は、ＶｏＩＰによる音声通信がそれを介して伝送されるパケット・データ・ネットワークを含む。通信装置１０８、１１２は、音声通信と共に使用するのに適した任意のタイプの通信装置を含むことができる。したがって、通信装置１０８、１１２の例には、電話、ソフト電話、および無線音声通信装置が含まれる。

当技術分野の技術者には周知のように、第１の通信装置１０８から送信される音声通信は、第２の通信装置１１２では元の音声の歪んだものとして受け取られる。具体的には、音声通信が時間的に遅延し、システム１００の各構成装置によって歪みが導入されることがある。さらに、第１（１０８）および第２（１１２）の通信装置間で音声通信を伝送する際に、システム１００は様々なエコーの原因を導入する。たとえば、通信装置１０８または１１２内の音の残響が、通信装置１０８、１１２間での音声通信の伝送時にエコーを生成することがある。さらに、システム１００の各構成装置間の相互接続における異種の不均衡な諸条件によってエコーが導入されることがある。エコーが音質に及ぼす影響は、システム１００の他の特性によって増大する可能性がある。たとえば、通信ネットワーク１０４によって導入された交換および伝送の遅延によって、システム１００中に存在するエコーがより明白になることがある。ＶｏＩＰ伝送技術を利用する通信ネットワーク１０４に伴う伝送遅延は特に問題となることがある。

次に図２を参照すると、通信ネットワーク１０４に関連するエコー検出システム２００が示されている。本発明の一実施形態によれば、エコー検出システム２００は、通信装置１０８、１１２の一部として設けることができる。本発明の別の実施形態によれば、エコー検出システム２００は、ＶｏＩＰネットワークを含む通信ネットワーク１０４へのゲートウェイの一部として設けることができる。本発明のこの実施形態によれば、通信装置１０８、１１２は、一般に、エコー検出システム２００を組み込んだゲートウェイを介して通信ネットワーク１０４に接続される。

図２に示すように、エコー検出システム２００は、一般に、エコー検出機構２０４およびエコー監視機構２０８を含む。一般に、エコー検出システム２００は、通信システム１００内のそれが監視する点において音声通信中におけるエコーの存在を検出する。エコー検出機構２０４は、一般に、音声通信の発信成分または部分２１２、および同じ音声通信の着信成分または部分２１６を監視するように機能する。エコー監視機構２０８は、エコー検出システム２００の一部として設けることができるが必須ではない。エコー監視機構２０８は、一般に、検出されたエコーの強度を示すように機能する。本発明の一実施形態によれば、エコー監視機構２０８は、検出されたエコーの振幅または出力、および基準信号に対してエコー信号が時間的にシフトされている時間量に関する情報を受け取る。その情報を使用して、エコー監視機構２０８は、エコーが実行中の音声通信に及ぼす影響を特徴付けることができる。

次に図３を参照すると、エコー検出機構２０４の諸態様が示されている。図３に示すように、エコー検出機構２０４は、発信音声信号２１２が通信ネットワーク１０４に提供されるときに発信音声信号２１２を監視する。エコー検出機構２０４は、発信音声信号２１２を時間的整合ユニット３０４に供給する。さらに、エコー検出機構２０４は通信ネットワーク１０４から受け取る着信音声信号２１６を監視する。着信音声信号２１６も時間的整合ユニット３０４に供給される。前述のように、発信音声信号２１２および着信音声信号２１６は、一般に、通信ネットワーク１０４のエコー検出機構２０４に近接する一端にある第１の通信装置１０８と、通信ネットワーク１０４の遠端にある第２の通信装置１１２との間の音声通信の発信部分および着信部分を含む。時間的整合ユニット３０４からの時間的に整合された出力信号３１２の出力を遅延させるために遅延バッファ３０８を設けることができる。次いで、遅延バッファ３０８からの出力３１６を適応フィルタ３２０に供給することができる。加算ブロック３２４は、適応フィルタ３２０からフィルタリングされ時間的に整合された発信音声信号３２８を受け取り、通信ネットワーク１０４から着信音声信号２１６を受け取る。加算ブロック３２４の出力は誤差信号３３２である。誤差信号３３２は、フィードバック信号線３３６を介して適応フィルタ３２０にフィードバックすることができる。本発明の別の実施形態によれば、遅延バッファ３０８は設けられず、時間的整合ユニット３０４の出力３１２が適応フィルタ３２０の入力に直接接続される。

時間的整合ユニット３０４は、一般に、発信信号２１２および着信信号２１６を時間的に整合させ、送り出すすなわち出て行く信号２１２と受け取るすなわち入って来る信号２１６の間の時間遅延を決定するように動作する。したがって、時間的整合ユニット３０４は第１の入力として発信音声信号２１２を受け取り、第２の入力として着信音声信号２１６を受け取る。一般に、時間的整合は、粗い時間的整合手順とその後に続く微細な時間的整合手順を含むことができる。

本発明の一実施形態によれば、図５Ａを参照すると、時間的整合ユニット３０４によって実施される粗い時間的整合手順５００は、発信信号２１２および着信信号２１６をプリエンファシスするステップを含む（ステップ５０４）。各信号をプリエンファシスするこのステップ中、音声発声（ｕｔｔｅｒａｎｃｅ）の識別に役立つように各信号に単純な一次フィルタを適用する。ステップ５０８で、発信信号２１２および着信信号２１６の短期エネルギー・プロファイルを抽出する。これにより、各信号に含まれるエネルギーの滑らかな包絡線または大まかな形状が、時間の関数として提供される。次いで、短期エネルギー・プロファイルを使って、２つの信号２１２、２１６を整合させる（ステップ５１２）。具体的には、各信号の短期エネルギー・プロファイルを抽出することにより得られた２つの平滑化された包絡線を相互に相関させる。（２つの相関図をとる）次いで信号２１２、２１６を個々の発声に分割し、発信信号２１２からの発声を着信信号２１６からの発声に整合させる（ステップ５１６）。当分野の技術者であれば理解できるように、発声は、無音に対するアクティブな話声（ｓｐｅｅｃｈ）のセグメントである。このステップでは個々の発声を区別し分割する。各発声の整合は、相互相関技術を使って実施する。信号２１２、２１６の粗い整合５００に続いて、ピッチ計算および周期性を使って微細な時間的整合を実施する（ステップ５２０）。

次に図４および図５Ｂを参照すると、本発明の一実施形態による発信信号２１２および着信信号２１６の微細な時間的整合が示されている。この実施形態によれば、時間的整合ユニット３０４のブロック４０４で、着信音声信号２１６サンプルのバッファのピッチ周期を計算することによって時間遅延を計算する（ステップ５２４）。次いで、各遅延期間ごとに一定範囲の遅延について、着信信号２１６のピッチと発信信号２１２のピッチの類似性を計算する（ステップ５２８）。その一定範囲の遅延のうちで各遅延ごとに類似性を判定した後、受信信号および送信信号内で計算された期間について最大の類似性を示した遅延を実際の遅延として選択する（ステップ５３２）。次いで、このように判定した遅延期間を時間的整合ユニット３０４内のバッファ４０８に供給し、バッファ４０８はその遅延期間中、その発信信号を保持する（ステップ５３６）。時間的整合ユニット３０４の出力は発信信号が時間的に整合されたものであり、本明細書中ではこれを時間的に整合された発信信号とも呼ぶ。本発明の一実施形態による時間的整合ユニット３０４の動作に関する追加の開示および情報として、参照によりその全体の開示が本明細書に組み込まれる、２００２年５月２２日に出願され、本出願の譲受人に譲渡された、米国特許出願第１０／１５２，７１６号を参照する。

遅延バッファ３０８は、一般に、因果的システムが働くように設けられる。具体的には、時間的に整合された信号３１２に、たとえば約１０ミリ秒程度の小さい遅延を加えて、その信号が着信信号２１６の前に発生しないようにする。したがって、遅延バッファ３０８による遅延の導入は、適応フィルタ３２０の適切な動作を保証する。

適応フィルタ３２０は、一般に、発信信号をフィルタリングすることによって、着信信号２１６と、時間的に整合された発信信号３１２の間の誤差を最小にするように動作する。フィルタリングされた発信信号３２８と着信信号２１６の間の誤差または差３３２を最小にすることによって、着信音声信号２１６中に存在するエコーがあればそれがより明白になる。具体的には、着信信号２１６がフィルタリングされた発信信号３２８に類似していれば、誤差信号３３２は小さくなり、したがって、着信信号２１６と誤差信号３３２の比は大きくなる。さらに、適応フィルタ３２０にはフィードバック３３６として誤差信号３３２が供給されるので、発信信号２１２の、時間的に整合された着信信号３２０とは異なる部分をより正確に除去することができ、そのため誤差信号３３２は、着信信号２１６中のエコーの有無を一層適切に示す。

また、エコー検出機構２０４の一部として、信号監視機構３４０が設けられる。一般に、信号監視機構３４０は、着信音声信号２１６および誤差信号３３２を受け取る。次いで、信号監視機構３４０は、着信信号２１６の出力と誤差信号３３２の出力の比を計算する。本発明の一実施形態によれば、計算された比が所定の閾値量より大きい場合、信号監視機構３４０によってエコー信号線３４４上に、エコーの存在を示す信号が生成される。本発明の一実施形態によれば、エコー信号線３４４はエコー監視機構２０８と相互接続される。また、時間的整合ユニット３０４によって判定される遅延期間（すなわち、発信信号２１２と着信信号２１６の間の時間差）をエコー監視機構２０８に伝達するために、時間遅延信号線３４８を設けることもできる。

図６を参照すると、本発明の一実施形態によるエコー検出システム２００の動作が示されている。まずステップ６００で、音声通信に関連する着信音声２１６および発信音声２１２伝送チャネルを取得しそれらを復号化する。ステップ６０４で、図４、５Ａ、５Ｂを参照して前述したような時間的整合アルゴリズムを適用して、発信信号２１２と着信信号２１６の間の遅延を補償する。次に、時間的に整合された音声信号３１２に小さい追加時間遅延を加える任意選択のステップを示す（ステップ６０８）。一般に、因果的エコー検出システム２００が働くようにするためには、時間的に整合された信号３１２に遅延を追加することが望ましい。

ステップ６１２で、時間的に整合された発信音声信号２１２に適応フィルタ３２０を適用する。一般に、適応フィルタ３２０のタップは、誤差信号３３２に応答して変更することができる。具体的には、フィードバック信号線３３６を介して誤差信号３３２の形でフィードバックを供給することによって、誤差信号３３２が最小になるように適応フィルタ３２０を変更することができる。ステップ６１６において、加算ブロック３２４で着信信号２１６と時間的に整合されフィルタリングされた発信信号３２８の間の差を取ることによって、誤差または差信号３３２を計算する。次いで、着信信号出力２１６と誤差信号の出力３３２の比を計算する（ステップ６２０）。本発明の一実施形態によれば、得られる
比は、ＥＲＬＥ（ｅｃｈｏ ｒｅｔｕｒｎ ｌｏｓｓ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ、エリコー リターン 損失増強量）であり、以下の式で示される。

式中、ｄ［ｎ］は着信信号２１６であり、ｅ［ｎ］は誤差信号３３２である。

ステップ６２４で、着信信号２１６の出力と誤差信号３３２の出力の比が所定の閾値より大きいかどうか判定する。計算された比が所定の閾値以下の場合、着信エコーを検出しない（ステップ６２８）。計算された比が選択された閾値より大きい場合、着信エコーを検出したと見なされる（ステップ６３２）。

図７に本発明の別の実施形態によるエコー検出機構２０４の諸態様を示す。図７に示すように、エコー検出機構２０４は、発信音声信号２１２が通信ネットワーク１０４に供給されるときそれを監視する。発信音声信号２１２は時間的整合ユニット３０４に供給される。さらに、エコー検出機構２０４は、通信ネットワーク１０４から受け取る着信音声信号２１６を監視する。着信音声信号２１６も、時間的整合ユニット３０４に供給される。前述のように、発信音声信号２１２および着信音声信号２１６は、通信ネットワーク１０４のエコー検出機構２０４に近接した一端にある第１の通信装置１０８と、通信ネットワーク１０４の遠端にある第２の通信装置１１２との間の音声通信の発信部分および着信部分を含むことができる。次いで、時間的整合ユニット３０４は、信号監視機構７０４に時間的に整合された発信音声信号３１２を供給する。本発明の一実施形態によれば、信号監視機構７０４は、信号の周期性およびエコー出力を評価することによって、システム１００でエコーが検出されるかどうか判定する。本発明の別の実施形態によれば、信号監視機構７０４は、メル周波数ケプストラム係数（ＭＦＣＣ）を評価することによってシステム１００にエコーが存在するかどうか判定する。エコー信号線７０８は、信号監視機構７０４をエコー監視機構２０８と相互接続することができる。さらに、時間遅延信号線７１２は、時間的整合ユニット３０４によって判定された遅延の期間をエコー監視機構２０８に供給することができる。

次に図８を参照すると、図７に示した本発明の一実施形態によるエコー検出システム２００の動作が示されている。まずステップ８００で、音声通信に関連する着信音声伝送チャネル２１６および発信音声伝送チャネル２１２を取得しそれらを復号化する。ステップ８０４で、時間的整合アルゴリズムを適用して、発信信号２１２と着信信号２１６の間の遅延を補償する。ステップ８０８で、各信号の周期性を閾値量と比較する。当分野の技術者であれば理解できるように、周期性は、信号が周期的であるかそれとも非周期的であるかの尺度である。たとえば、トーンまたは正弦曲線は周期的であり、ホワイト・ノイズは非周期的である。話声など実世界の信号は、完全に周期的な信号トーンの極値とホワイト・ノイズの間のどこかで発生するので、信号の周期性を測定すれば、受け取った信号が周期的信号により類似しているかそれとも非周期的信号により類似しているかが示される。本発明の一実施形態によれば、周期性は以下の手順によって与えられる。

ｘ［ｎ］を発信信号のサンプルとし、ｙ［ｎ］を着信信号のサンプルとする。ｄを発信信号と着信信号の間の遅延とし、Ｔをピッチ周期とする。周期性は以下の２つのステップで計算される。

本発明のこの実施形態によれば、周期性（ｐ）が０．４以上である場合、その信号にはエコーがない（ステップ８１２）と見なすことができる。

周期性が閾値量以上である場合、エコー出力が閾値より大きいかどうか判定する（ステップ８１６）。本発明の一実施形態によれば、エコー出力は以下の式で与えられる。

式中ｄ［ｎ］は着信信号２１６を表す。エコー出力が閾値量以下である場合、信号中にエコーが存在しないと見なす（ステップ８２０）。エコー出力が閾値量より大きい場合は、着信エコーを検出する（ステップ８２４）。本発明の一実施形態によれば、計算されたエコー出力が５０デシベルより大きい場合、着信信号２１６中にエコーが存在すると見なす。

次に図９を参照すると、本発明のさらに別の実施形態によるエコー検出機構２０４の動作が示されている。まず、ステップ９００で、音声通信に関連する着信音声伝送チャネル２１６および発信音声伝送チャネル２１２を取得しそれらを復号化する。ステップ９０４で、時間的整合アルゴリズムを適用して２つの信号２１２、２１６の間の遅延を補償する。ステップ９０８で、時間的に整合された発信信号３１２と着信信号２１６の間で計測される、メル周波数ケプストラム係数距離（ＭＦＣＣ）を計算する。ステップ９１２で、ＭＦＣＣ距離が閾値量より大きいかどうか判定する。ＭＦＣＣ距離が閾値量以下の場合、エコーを検出しない（ステップ９１６）。ＭＦＣＣ距離が閾値量より大きい場合は、着信エコーを検出する（ステップ９２０）。本発明の一実施形態によれば、ＭＦＣＣ距離の大きさが０．８２より大きい場合は、着信エコーが存在すると見なす。

以上の説明から、本発明が、音声通信に伴うエコーの検出を、コンピュータ・システム１００が稼働している間に行えるようにすることが理解できる。必要ならば、エコーが存在するという判定に応答してエコーを軽減する措置を講じることができる。

本発明の以上の考察は、例示および説明のために提示したものである。また、説明は、本明細書中に開示の形に本発明を限定するためのものではない。したがって、関連技術の技術および知識の範囲内にある、前述の教示と同等の変形形態および改変形態は、本発明の範囲内にあるものとする。本明細書中で述べた各実施形態は、さらに、現在知られている本発明実施の最善の形態を説明し、当分野の技術者が、それらの実施形態または他の実施形態において、本発明の個々の用途または使用に必要な様々な変更形態を用いて本発明を利用できるようにするためのものである。添付の特許請求の範囲は、従来技術によって可能な範囲の代替実施形態を含むと解釈されるものとする。

本発明の一実施形態をそれと共に使用できる通信システムを示す図である。 本発明の一実施形態によるエコー検出構成を示す図である。 本発明の一実施形態によるエコー検出機構を示す図である。 本発明の一実施形態による時間的整合ユニットを示す図である。 本発明の一実施形態による信号の時間的整合を示す流れ図である。 本発明の別の実施形態による信号の時間的整合を示す流れ図である。 本発明の一実施形態によるエコーの検出を示す流れ図である。 本発明の別の実施形態によるエコー検出機構を示す図である。 本発明の別の実施形態によるエコーの検出を示す流れ図である。 本発明のさらに別の実施形態によるエコーの検出を示す流れ図である。

Claims (1)

1. 稼働中のネットワークにおけるエコーを検出する方法であって、
   時間的に整合された発信信号を得るために発信信号を着信信号と時間的に整合させるステップと、
   フィルタリングされ時間的に整合された発信信号を得るために前記時間的に整合された発信信号をフィルタリングするステップと、
   差信号を生成するために前記フィルタリングされ時間的に整合された発信信号と前記着信信号の差を判定するステップと、
   前記着信信号のパワーの前記差信号のパワーに対する比を計算するステップと、
   前記比が所定の量より大きいときにエコーの存在を知らせるステップと、
   を含む方法。

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