JP2009510503A - 活性ノイズの減少のための方法及び該方法を動作させるための装置 - Google Patents

Abstract

ノイズを活性的に減少させるために用いられる方法が開示される。該方法によれば、ディジタル・ユーザ信号は異なったサンプリング・レートで送信され得、該サンプリング・レートは、適切な変換器の助けを借りて調節される。

Description

本発明は、請求項１の特徴部分の前段による活性ノイズの減少のための方法並びに該方法を履行するための装置に関する。

ノイズ源は、環境汚染としてますます認められており、生活の質の減少であると考えられている。ノイズ源は、しばしば避けることができないので、干渉の原理に基づいてノイズを減少させるための方法が既に提案されている。

活性ノイズの減少（ＡＮＣまたは“活性ノイズ相殺”）のための原理は、干渉による音波の相殺に基づいている。これらの干渉は、１つまたは幾つかの電気音響変換器によって、例えば、拡声器によって発生される。電気音響変換器から発する信号は、その目的にとって適切である適当なアルゴリズムを用いて計算され、連続的に修正される。１つまたは幾つかのセンサから提供される情報は、電気音響変換器から発せられるべき信号の計算のための基礎として働く。これは、一方では、最小化されるべき信号の特性に関する情報である。このために、例えば、マイクロフォンが、最小化されるべき音を獲得するために用いられる。他方では、残りの残留信号に関する情報も必要とされる。このために、また、マイクロフォンが用いられる。

ノイズを活性的に減少するための既知の履行は、例えば、ヘリコプタのパイロットによって用いられるヘッドフォンである。従って、ヘリコプタのパイロットのヘッドフォンに入り込んでくるノイズは、ロータの駆動から導出されるノイズの情報を利用することにより、活性的に減衰される。これらの既知のヘッドフォンによる信号処理は、アナログ技術、例えば、音響信号の助けを借りて履行され、そしてそれらの処理は、アナログ的にのみ行われる。

既知のヘッドフォンに対しては、例えば、無線通信として、所望の信号を重畳することが可能であり、その理由は、双方の信号がアナログであるからである。

すべてのアナログの履行は、それらが特定の状況に対して最適化されるということを共通に有する。他方の履行への転換は、一般に行うのが容易では無い。従って、新しい履行のための解決法が提供されなければならない場合には、ハードウェアの新しい概念が常に必要である。

従って、本発明の目的は、上述の欠点を有さない、活性ノイズの減少のための方法を提供することである。

この目的は、請求項１の特徴部分に与えられた要件によって得られる。本発明の長所的な実施形態並びに該方法を履行するための装置は、さらなる請求項に与えられる。

本発明は、未知の伝達関数によって処理される入力信号における活性ノイズの減少のために用いられる。さて、当該方法は、未知の伝達関数またはその実際の出力信号が、それぞれ、入力信号及びエラー信号を用いて適合プロセスの助けを借りて評価される、ということにある。そうすることにおいて、エラー信号は、評価された出力信号及び実際の出力信号間の差に対応する。さらに、評価された出力信号は、ノイズ減少された出力信号を形成するよう、実際の出力信号から減算される。本発明は、所望の信号が、ノイズ減少された出力信号上に重畳され、それに反して、所望の出力信号は、エラー信号に影響を与えず、そして、適合プロセスの計算サイクルは、所望の信号のクロック間隔よりも長いことを特徴とする。

これにより、新しい履行に非常に迅速に伝達されることができる柔軟な方法が創成される。特に、この目的のために用いられるハードウェアは、変更されなければならないということが無く、適合プロセスを制御する、必要とされるアルゴリズムの調節で充分である。さらに、活性ノイズの減少が高い計算能力を必要とするという事実が考慮される。

一方、計算能力のための必要性は高いので、処理されるべき入力信号は、比較的低いサンプリング・レートを有さなければならない。高すぎるサンプリング・レートを有する入力信号は、それ故、処理可能ではない。それは、なぜ高いサンプリング・レートが適切でもないと言う理由であり、何故ならば、活性ノイズの減少は、特に比較的低い周波数において着実に作用するからである。

本発明の一実施形態においては、入力信号のクロック間隔は、適合プロセスの計算サイクルに適合され、そして、評価された出力信号のクロック間隔は、所望の信号のクロック間隔に適合されることが提供される。

これにより、さらに、利用可能な計算能力に起因して、減少された処理サイクルが適合プロセスに対して必要とされると言う事実が考慮される。用語“クロック間隔”及び“計算サイクル”に関連して、その相互の値は、それぞれのサンプリング・レートに対応するということが指摘される。

本発明のさらなる実施形態は、入力信号のクロック間隔の調整が、デシメーション・アルゴリズムの助けを借りて行われる、ということにあり、さらにもう１つの実施形態では、評価された出力信号のクロック間隔の調整は、補間アルゴリズムの助けを借りて行われる、ということにある。

ディジタル信号のサンプリング・レートを修正するためのデシメーション・アルゴリズム及び補間アルゴリズムは、例えば、Ｒｏｎａｌｄ Ｅ．Ｃｒｏｃｈｉｅｒｅ及びＬａｗｒｅｎｃｅ Ｒ．Ｒａｂｉｎｅｒによる、“Ｍｕｌｔｉｒａｔｅ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ”と言う名称の刊行物（Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ， Ｉｎｃ．， Ｅｎｇｌｅｗｏｏｄ Ｃｌｉｆｆｓ， Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｅｙ， １９８３）に記載されている。

さらに、さらなる実施形態は、所望の信号及びノイズ減少された出力信号間に存在する時間遅延は、適合遅延ユニットの助けを借りて修正されることを特徴とする。

本発明による方法に加えて、実際の出力信号を有する未知の伝達関数に与えられる、入力信号を含む装置も開示される。さらに、該装置は、
− 入力信号が入射され、かつ、評価された出力信号を含む適合プロセッサ・ユニット、
− 評価された出力信号及び実際の出力信号から信号エラーを生成するための手段、及び
− ノイズ減少された出力信号を生成するための手段、
を含み、エラー信号は、適合プロセッサ・ユニット上に入射される。さらに、該装置は、
− 所望の信号を生成するための所望の信号源、及び、
− ノイズ減少された出力信号上に所望の信号を重畳するための手段、
を備え、適合プロセッサ・ユニットの計算サイクルは、所望の信号のクロック信号よりも長い。

本発明のさらなる実施形態は、
− 入力信号のサンプリング間隔を、適合プロセッサ・ユニットの計算サイクルに調整するための手段、及び、
− 評価された出力信号のサンプリング間隔を、所望の信号のサンプリング間隔に調整するための手段、
を備える。

本発明のさらなる実施形態は、ノイズ減少された出力信号を生成するための手段が、実際の出力信号及び評価された出力信号が入射される、少なくとも１つの拡声器ユニットであることにある。

さらに、本発明のさらなる実施形態においては、所望の信号が、少なくとも１つの拡声器ユニット上に追加的に入射されることが提供される。

本発明による装置のなおさらなる実施形態は、アナログ・ディジタル変換器ユニットを介して入力信号のサンプリング間隔を適合プロセッサ・ユニットの計算サイクルに調整するための手段上に入力信号が入射され、そして、ディジタル・アナログ変換器ユニットを介してノイズ減少された出力信号を生成するための手段上に評価された出力信号が入射されることにある。

最後に、さらなる実施形態は、適合プロセッサ・ユニットの計算サイクル時に入力信号のサンプリング間隔を調整するための手段の前に第１のフィルタ・ユニットが配列されることにある。

以下において、本発明の例示的実施形態を示す図面を参照して、本発明を説明する。

図１は、活性ノイズの減少のための、伝達関数Ｈを含む、本発明による装置（“活性ノイズ相殺器”−ＡＮＣ）のブロック図を示し、それに反し、その可能性は、外部の所望の信号源７に発生される所望の信号Ｓを重畳するために与えられる。

伝達関数Ｈは、最初に、適合プロセス・ユニット１５で評価される未知の量である。代替的には、伝達関数Ｈの実際の出力信号Ｏは、適合プロセス・ユニット１５で評価される。伝達関数Ｈは、それぞれ、本発明による装置または本発明による方法を説明するために用いられており、それ自体、それぞれ本発明による方法または本発明による装置の部分ではない。伝達関数Ｈは、伝達関数Ｈに供給される入力信号Ｉの結果として生じる実際の出力信号Ｏを記載している。本明細書の導入部で述べたヘリコプタにおける履行に関しては、入力信号Ｉは、例えば、コックピットで見られるようなヘリコプタの音に対応しており、実際の出力信号Ｏは、ヘリコプタに未だ存在する音響信号に対応している。従って、伝達関数Ｈは、ヘッドフォンのシェルを通る入力信号Ｉの変化を記載している。さて、伝達関数Ｈまたはその出力信号がそれぞれ評価される、実際のノイズの減少は、それにより達成される。それに対して、図１に示されるように、入力信号Ｉは、アナログ・ディジタル変換器ユニット１を介して、第１のフィルタ・ユニット１２を介して、そして第１のデシメーション（ｄｅｃｉｍａｔｉｏｎ）・ユニット４を介して、適合プロセッサ・ユニット１５に与えられる。適合プロセッサ・ユニット１５において、評価された出力信号Ｏ^＊は、評価された出力信号Ｏ^＊が補間ユニット５に与えられる、適合アルゴリズムを用いることによって決定される。補間ユニット５において、所望の信号Ｓに対応する、サンプリング・レートが調節される。それにより、評価された出力信号Ｏ^＊及び所望の信号Ｓが加算され得るという条件が満足され、このことは、評価された出力信号Ｏ^＊並びに所望の信号Ｓを加算ユニット８に入射させることにより加算ユニット８において生じる。加算ユニット８の出力信号は、ディジタル・アナログ変換器ユニット２を介して重畳ユニット１４に与えられ、該重畳ユニット１４には、実際の出力信号Ｏも与えられ、評価された出力信号Ｏ^＊は、重畳に先立って、すなわち、実際の出力信号Ｏ^＊との重畳に先立って変換され、これにより、２つの信号の合致は、信号の相殺に帰結し、すなわち、評価された出力信号Ｏ^＊は、実際の出力信号Ｏを完全に相殺する。与えられた２つの信号の合致が生じない場合には、従って、信号の相殺も生じないが、合致の程度に対応する減少は生じる。

ダイ重畳ユニット１４は、再度ヘリコプタの例に関して、オーリクル（ａｕｒｉｃｌｅ：耳翼）によって説明された空間における状況を記載しているモデルの部分として考慮されなければならないということが指摘される。事実、評価された出力信号Ｏ^＊は、幾つかのイヤホン・ユニット（図１には示されていない）に対して適切である場合、音響信号を発生するためのものに送信される。相殺（実際及び評価された出力信号の完全な合致に対して）または信号の減少（未だ異なった信号において）は、それぞれ、閉じた空間で生じる。

適合プロセッサ・ユニット１５またはそこで行われる計算が、それぞれ、おそらく変化している伝達関数Ｈに対して連続的に調整されることができるために、エラー信号εが適合プロセッサ・ユニット１５にフィードバックされる。そこにおいて、評価された信号Ｏ^＊または適合プロセッサ・ユニット１５において評価された伝達関数は、それぞれ、誤差信号εが最小に到達した限りにおいて、最適化される。

本発明によれば、所望の信号Ｓは、ノイズ減少された出力信号Ｑ上に重畳される。このことは、エラー信号εを計算している間、考慮されなければならない。このことは、減算ユニット９によって達成され、該減算ユニット９には、一方では、所望の信号源７の所望の信号Ｓが、及び、他方では、例えばマイクロフォン（図１には示されていない）によって記録され、第２のアナログ・ディジタル変換器ユニット３によって変換された、被変換ノイズ減少された出力信号Ｑが与えられる。実際の出力信号Ｏを形成するための所望の信号Ｓ及び評価された出力信号Ｏ^＊の重畳の結果として、所望の信号Ｓは、減算されたエラー信号εを発生するよう、減算されなければならず、このことは、上述したように減算ユニット９において生じる。ディジタル・アナログ変換器ユニット２及びアナログ・ディジタル変換器ユニット３は、同じサンプリング・レートで動作されるので、エラー信号εに対応する減算ユニット９の出力信号は、伝達前のその計算サイクルまで適合プロセッサ・ユニット１５に調整されなければならない。

それに対して、第２のデシメーション（ｄｅｃｉｍａｔｉｏｎ）・ユニット６が、それぞれ、サンプリング・レートにおけるまたはサンプリング間隔における、必要とされる調節を行うために設けられる。

いわゆるアンチエイリアシング効果が避けられ得るよう、図１による実施形態においては、第１及び／または第２のユニット１２、１３が、第１のデシメーション・ユニット４の前に及び／または第２のデシメーション・ユニット６の前に設けられる。

適合プロセッサ・ユニット１５は、図１では点線で示されている。適合プロセッサ・ユニット１５の２つの構成要素は、点線を有する枠の内側に示されており、そこには、調整可能な伝達関数Ｗ及びそれに動作的に接続されたエラー計算ユニットＬＭＳが存在する。理想的には、調整可能な伝達関数Ｗは、伝達関数Ｈに対応する。その場合だけ、評価された出力信号Ｏ^＊は、実際の出力信号Ｏに対応し、完全な信号相殺がその結果である。相違の場合には、対応的に減少された信号相殺または単に信号減少が、それぞれ、帰結する。エラー計算ユニットＬＭＳは、できる限り大きい信号減少または完全な信号相殺さえが、それぞれ得られるような態様で、調整可能な伝達関数Ｗに影響する。このためには、いわゆるＬＭＳ（最小平均二乗）アルゴリズムが適切であるが、該ＬＭＳアルゴリズムは、多くの他の可能な履行の中の１つである。基本的には、評価された出力信号の決定のための適合信号処理から知られているアルゴリズムが適合プロセッサ・ユニットにおいて適用可能であり、それらは、例えば、Ｒｏｎａｌｄ Ｅ．Ｃｒｏｃｈｉｅｒｅ及びＬａｗｒｅｎｃｅ Ｒ．Ｒａｂｉｎｅｒによる、“Ｍｕｌｔｉｒａｔｅ ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ”と言う名称の刊行物（Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ， Ｉｎｃ．， Ｅｎｇｌｅｗｏｏｄ Ｃｌｉｆｆｓ， Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｅｙ， １９８３）に記載されている。

２つのアナログ・ディジタル変換器ユニット１及び３は、例えばマイクロフォン（図１には示されない）によって記録されるアナログ信号を、対応のディジタル信号に変換するということはすでに指摘した。さらに、計算されたディジタル信号、すなわち、評価された出力信号Ｏ^＊は、例えば拡声器（図１には示されない）上に入射される（ｉｍｐｉｎｇｅｄ）アナログ信号にディジタル・アナログ変換器ユニット２によって変換される。変換器ユニット１、２、３は、同じＣＯＤＥＣに属しているので、同じサンプリング・レートで実行される。

所望の信号Ｓが対応の質的要件を満たさなければならないのと同じ速さで、ＣＯＤＥＣは、高いサンプリング・レートで実行しなければならず、その理由は、それが、例えば音楽の場合において与えられるからである。ＣＤの品質に対しては、サンプリング・レートは、４４．１ｋＨｚである。結果として、変換器ユニット１乃至３は、４４．１ｋＨｚのこのクロック周波数で実行されなければならない。しかしながら、適合プロセッサ・ユニット１５においては、使用されるアルゴリズムは、実質的に一層低い周波数、例えば、８ｋＨｚで実行する。この変換は、上述のように、デシメーション・ユニット４及び６によって行われる。補間ユニット５は、適合プロセッサ・ユニット１５によって評価された出力信号（該評価された出力信号は８ｋＨｚのサンプリング・レートを有する）を、音楽の再生にとって必要とされる４４．１ｋＨｚのサンプリング・レートに変換する。

それにより、加算ユニット８及び減算ユニット９に与えられる信号は、同一のサンプリング・レートを有する。その結果として、信号は、困難なく、それぞれ加算または減算され得る。

図１は、アンチエイリアシング効果を避ける本発明の実施形態を示す。このために、フィルタ・ユニット１２及び１３が、前述したように、それぞれデシメーション・ユニット５、６の前に設けられる。２つのフィルタ・ユニット１２及び１３は、今や、引き続くデシメーション・ユニット４及び６が、減少されたサンプリング・レートの半分より上のすべての信号部分、従ってこの場合には４ｋＨｚより上のすべての信号部分、をフィルタリング・アウトすることにより関連の信号部分だけを組み込むということを確実にする。

図２は、フィルタ・ユニット１２及び１３が設けられない場合の本発明の実施形態を示す。従って、信号処理の劣化が、特に、適合プロセッサ・ユニット１５において予想され、その理由は、この実施形態においては、アンチエイリアシング効果が予想されなければならないからである。

図３は、図１及び図２に示されるブロック図の変更された部分を示す。従って、所望の信号Ｓの遅延を補償するために、加算ユニット８及び減算ユニット９の間の信号経路に減算ユニット９の入力の前で、適合遅延ユニット２０が含まれる。所望の信号Ｓの遅延は、加算ユニット８、ディジタル・アナログ変換器ユニット２及びアナログ・ディジタル変換器ユニット３を介する信号経路内に発生する。減算ユニット９に直接与えられる所望の信号Ｓは、誤差信号εの正確な計算を可能にするために、それに応じて遅延されなければならない。

本発明のハードウェアの柔軟な調整は、活性ノイズ減少ユニットのディジタル的な履行を必要とする。いずれにしても拡声器がこのような活性ノイズ減少ユニット内に存在するので、例えば音声または音楽のような他の音響信号の一体化が望ましい。

すでに指摘したように、例えばマイクロフォンによって検出される信号はアナログであり、適合プロセッサ・ユニットでのさらなる処理のために、ディジタル形態に変換されなければならない。ＣＯＤＥＣは、これに対する効率的な変形例を代表する。それらは、視聴覚の応用にとって低価格であり最適であり、さらに幾つかのチャンネルを有する。ＣＯＤＥＣは、同一のサンプリング・レートですべてのチャンネル上で実行される。ＣＯＤＥＣとしては、例えば、会社テキサス・インスツルマンツ・インクによって開発された名称ＴＬＶ ３２０ ＡＩＣ ２３またはＴＬＶ ３２０ ＡＩＣ ２５を有するアルゴリズムが適切である。けれども、本発明は、これらのアルゴリズムの使用に制限されるものではない。

原理的には、ＣＯＤＥＣの代わりに、通常の変換器ユニットの使用が各チャンネルに対して実行可能であり、それにより、個々のサンプリング・レートが次に各チャンネルごとに調節され得る。

クロック・レートまたはクロック間隔の調整は、それぞれ、とにかく適合プロセスを計算するための本発明の装置の実施形態に存在するディジタル信号処理ユニット（ＤＳＰ−ディジタル信号プロセッサ）において行われ得る。それにより、そうでない場合にはデシメーション・ユニットまたは補間ユニットのためにそれぞれ費やさなければならない追加の価格が低下される。

本発明による装置を概略的に示すブロック図である。 さらなる実施形態を概略的に示すブロック図である。 図１及び図２によるブロック図と比較した変更部分を示す図である。

符号の説明

１ アナログ・ディジタル変換器ユニット
２ ディジタル・アナログ変換器ユニット
３ 第２のアナログ・ディジタル変換器ユニット
４ 第１のデシメーション（ｄｅｃｉｍａｔｉｏｎ）・ユニット
５ 補間ユニット
６ 第２のデシメーション（ｄｅｃｉｍａｔｉｏｎ）・ユニット
７ 外部の所望の信号源
８ 加算ユニット
９ 減算ユニット
１２ 第１のフィルタ・ユニット
１３ 第２のフィルタ・ユニット
１４ 重畳ユニット
１５ 適合プロセス・ユニット
２０ 適合遅延ユニット

Claims (11)

1. 未知の伝達関数（Ｈ）に与えられる入力信号（Ｉ）における活性ノイズの相殺のための方法であって、未知の伝達関数（Ｈ）またはその実際の出力信号（Ｏ）は、それぞれ、入力信号（Ｉ）及びエラー信号（ε）を用いることによって適合プロセスの助けを借りて評価され、エラー信号（ε）は、評価された出力信号（Ｏ^＊）及び実際の出力信号（Ｏ）間の差に対応し、そして、評価された出力信号（Ｏ^＊）は、ノイズ減少された出力信号（Ｑ）を形成するよう、実際の出力信号から減算される、前記方法において、所望の信号（Ｓ）は、ノイズ減少された出力信号（Ｑ）上に重畳され、所望の出力信号（Ｓ）は、エラー信号（ε）に影響せず、そして、適合プロセスの計算サイクルは、所望の信号（Ｓ）のクロック間隔よりも長いことを特徴とする方法。
2. 入力信号（Ｉ）のクロック間隔は、適合プロセスの計算サイクルに調整され、そして、評価された出力信号（Ｏ^＊）のクロック間隔は、所望の信号（Ｓ）のクロック間隔に調整されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 入力信号（Ｉ）のクロック間隔の調整は、デシメーション・アルゴリズムの助けを借りて行われることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 評価された出力信号（Ｏ^＊）のクロック間隔の調整は、補間アルゴリズムの助けを借りて行われることを特徴とする請求項２または３に記載の方法。
5. 所望の信号（Ｓ）及びノイズ減少された出力信号（Ｑ）間に存在する時間遅延は、遅延ユニット（２０）の助けを借りて修正されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 実際の出力信号（Ｏ）を含む、未知の伝達関数（Ｈ）上に入射される、入力信号（Ｉ）を含む請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法を行うための装置であって、さらに、
   − 入力信号（Ｉ）が入射され、かつ、評価された出力信号（Ｏ^＊）を含む適合プロセッサ・ユニット（１５）、
   − 評価された出力信号（Ｏ^＊）及び実際の出力信号（Ｏ）からエラー信号（ε）を生成するための手段、及び、
   − ノイズ減少された出力信号（Ｑ）を生成するための手段（１４）、
   を含み、エラー信号（ε）は、適合プロセッサ・ユニット（１５）上に入射する、前記装置において、
   − 所望の信号（Ｓ）を生成するための所望の信号源（７）、及び、
   − ノイズ減少された出力信号（Ｑ）上に所望の信号（Ｓ）を重畳するための手段、
   を備え、適合プロセッサ・ユニット（１５）の計算サイクルは、所望の信号（Ｓ）のクロック信号よりも長いことを特徴とする装置。
7. さらに、
   − 入力信号（Ｉ）のサンプリング間隔を、適合プロセッサ・ユニット（１５）の計算サイクルに調整するための手段（４）、及び、
   − 評価された出力信号（Ｏ^＊）のサンプリング間隔を、所望の信号（Ｓ）のサンプリング間隔に調整するための手段（５）、
   を備えたことを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. ノイズ減少された出力信号（９）を生成するための手段（１４）は、実際の出力信号（Ｏ）及び評価された出力信号（Ｏ^＊）が入射される、少なくとも１つの拡声器ユニットであることを特徴とする請求項６または７に記載の装置。
9. 所望の信号が、少なくとも１つの拡声器ユニット上に追加的に入射されることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. アナログ・ディジタル変換器ユニット（１）を介して入力信号（Ｉ）のサンプリング間隔を適合プロセッサ・ユニット（１５）の計算サイクルに調整するための手段（４）上に入力信号（Ｉ）が入射され、そして、ディジタル・アナログ変換器ユニット（２）を介してノイズ減少された出力信号（Ｑ）を生成するための手段（１４）上に評価された出力信号（Ｏ^＊）が入射されることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の装置。
11. 適合プロセッサ・ユニット（１５）の計算サイクル時に入力信号（Ｉ）のサンプリング間隔を調整するための手段（４）の前に第１のフィルタ・ユニット（１２）が配列されることを特徴とする請求項７に記載の装置。

Images