JP2011171968A - Apparatus and method for noise elimination - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、外部からのノイズによって所望する再生音の音質が損なわれるのを防止することが可能な雑音除去装置および雑音除去方法に関する。 The present invention relates to a noise removal apparatus and a noise removal method capable of preventing the quality of a desired reproduced sound from being deteriorated by external noise.
ヘッドホンから出力された音(再生音)は、空間等の伝送路を通じてそのヘッドホンを装着している人の耳に伝達される。従って、再生音以外の所謂ノイズも同伝送路を通じて人の耳に伝達されてしまい、再生音の音質が損なわれる。 Sound (reproduced sound) output from the headphones is transmitted to the ears of the person wearing the headphones through a transmission path such as space. Therefore, so-called noise other than the reproduced sound is also transmitted to the human ear through the transmission path, and the sound quality of the reproduced sound is impaired.
そこで、ヘッドホンの内側や外側にモニタ用マイクロホンを設置し、そのマイクロホンの出力を反転した信号をノイズキャンセル信号とし、原音信号に加算してスピーカから出力することで、外部からのノイズを打ち消すヘッドホンが知られている。かかるノイズキャンセル信号は、アナログ回路のみならずデジタル回路を用いて生成することもできる。 Therefore, there is a headphone that installs a monitoring microphone inside or outside the headphones, adds the inverted signal of the microphone as a noise cancellation signal, adds it to the original sound signal, and outputs it from the speaker, thereby canceling noise from the outside. Are known. Such a noise cancellation signal can be generated using not only an analog circuit but also a digital circuit.
しかし、デジタル回路を用いてノイズキャンセル信号を生成すると、実際のノイズと計算されたノイズキャンセル信号との間にデジタル信号処理に伴う遅延による位相差が生じ、十分にノイズを打ち消すことができなかった。そこで、ノイズ信号の過去から現在までの所定数のサンプリングデータから所定数先のサンプリングデータを予測し、位相を合わせてその予測した信号を加算する技術が開示されている(例えば、特許文献1)。 However, when a noise cancellation signal is generated using a digital circuit, a phase difference due to delay associated with digital signal processing occurs between the actual noise and the calculated noise cancellation signal, and the noise cannot be sufficiently canceled out. . Therefore, a technique is disclosed in which a predetermined number of sampling data ahead is predicted from a predetermined number of sampling data from the past to the present of the noise signal, and the predicted signals are added in phase (for example, Patent Document 1). .
デジタル回路を用いてノイズキャンセル信号を生成する場合、デジタルに変換された収音信号には、予測誤差の要因となる高周波数成分が含まれているため、ローパスフィルタによって除去する必要がある。このようなローパスフィルタには、IIR(Infinite Impulse Response : 無限インパルス応答)フィルタや、FIR(Finite Impulse Response : 有限インパルス応答)フィルタが用いられる。 When a noise cancellation signal is generated using a digital circuit, the collected sound signal converted into digital contains a high frequency component that causes a prediction error, and therefore needs to be removed by a low-pass filter. As such a low-pass filter, an IIR (Infinite Impulse Response) filter or an FIR (Finite Impulse Response) filter is used.
しかし、ローパスフィルタとしてIIRフィルタを用いると位相回転が生じ、かつ位相差が周波数毎に異なってしまう。位相差が周波数毎に異なると、ある帯域のノイズ信号を打ち消そうと試みたとき、逆位相成分によってそのノイズ成分を低減することはできるが、他の帯域では、位相が重なり合ってしまい却ってノイズ成分が増加することとなる。 However, when an IIR filter is used as a low-pass filter, phase rotation occurs and the phase difference differs for each frequency. If the phase difference is different for each frequency, when trying to cancel a noise signal in a certain band, the noise component can be reduced by the anti-phase component, but in other bands, the phases overlap and the noise is reversed. The component will increase.
また、FIRフィルタを用いて十分な減衰特性を得ようとすると、フィルタを構成するタップ長を長くしなければならず、タップ長を一律に長くしてしまうと、サンプル時点が新しい収音信号を生成するフィルタによって遅延を招き、位相差を補償する予測距離が増加してしまう。予測距離が増加すると、予測誤差が拡大して、ノイズの除去精度が落ちることとなる。 Also, if a sufficient attenuation characteristic is obtained using the FIR filter, the tap length constituting the filter must be increased, and if the tap length is increased uniformly, a new sound pickup signal is obtained at the sampling point. The generated filter causes a delay and increases the predicted distance for compensating for the phase difference. As the prediction distance increases, the prediction error increases and the noise removal accuracy decreases.
本発明は、このような課題に鑑み、正確なノイズ信号に基づいて予測信号を生成し、外部からのノイズを適切に打ち消すことが可能な雑音除去装置および雑音除去方法を提供することを目的としている。 In view of such problems, the present invention has an object to provide a noise removal apparatus and a noise removal method capable of generating a prediction signal based on an accurate noise signal and appropriately canceling external noise. Yes.
上記課題を解決するために、本発明の雑音除去装置は、筐体の内部の音を収音して収音信号を生成するマイクロホンと、再生信号を出力するスピーカと、再生信号に伝送路の伝達特性と略等しい伝達特性のフィルタで補正を施す補正部と、収音信号から、補正が施された再生信号を除去する再生除去部と、再生信号が除去された収音信号から所定周波数以上の高周波数成分を除去する、タップ数の異なる複数のフィルタとして機能するフィルタ部と、高周波数成分が除去された収音信号に基づいて予測信号を生成する予測信号生成部と、予測信号を反転する予測信号反転部と、外部から入力された原音信号に、反転された予測信号を加算し再生信号を生成する加算部と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a noise removal apparatus according to the present invention includes a microphone that collects sound inside a housing and generates a sound collection signal, a speaker that outputs a reproduction signal, a transmission path for the reproduction signal. A correction unit that performs correction with a filter having a transfer characteristic substantially equal to the transfer characteristic, a reproduction removal unit that removes the corrected reproduction signal from the collected sound signal, and a predetermined frequency or more from the collected sound signal from which the reproduction signal has been removed A filter unit that functions as a plurality of filters with different number of taps, a prediction signal generation unit that generates a prediction signal based on the collected sound signal from which the high frequency component has been removed, and an inverted prediction signal And a prediction signal inverting unit for adding the inverted prediction signal to the original sound signal input from the outside to generate a reproduction signal.
上記課題を解決するために、本発明の他の雑音除去装置は、筐体の外部の音を収音して収音信号を生成するマイクロホンと、収音信号から所定周波数以上の高周波数成分を除去する、タップ数の異なる複数のフィルタとして機能するフィルタ部と、高周波数成分が除去された収音信号に基づいて予測信号を生成する予測信号生成部と、予測信号を反転する予測信号反転部と、外部から入力された原音信号に、反転された予測信号を加算し再生信号を生成する加算部と、再生信号を出力するスピーカと、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, another noise removal apparatus of the present invention includes a microphone that collects sound outside a housing and generates a collected signal, and a high-frequency component that is equal to or higher than a predetermined frequency from the collected signal. A filter unit that functions as a plurality of filters having different numbers of taps to be removed, a prediction signal generation unit that generates a prediction signal based on a collected sound signal from which high-frequency components have been removed, and a prediction signal inversion unit that inverts the prediction signal And an adder that adds the inverted prediction signal to the original sound signal input from the outside to generate a reproduction signal, and a speaker that outputs the reproduction signal.
上記フィルタ部における複数のフィルタは、過去の複数のサンプル時点における高周波数成分が除去された収音信号をそれぞれ生成し、高周波数成分が除去された収音信号に対応するサンプル時点が古い程、サンプル時点よりも新しいサンプル値を多く参照してもよい。 The plurality of filters in the filter unit respectively generate a collected sound signal from which high frequency components at a plurality of past sample times are removed, and the older the sample time corresponding to the collected sound signal from which the high frequency components have been removed, You may refer to more sample values than the sample time.
上記フィルタ部は、位相回転のないフィルタで構成されていてもよい。 The filter unit may be configured by a filter without phase rotation.
上記課題を解決するために、本発明の雑音除去方法は、筐体の内部の音を収音して収音信号を生成し、収音信号から再生信号を除去し、タップ数の異なる複数のフィルタとして機能し、再生信号が除去された収音信号から所定周波数以上の高周波数成分を除去し、高周波数成分が除去された収音信号に基づいて予測信号を生成し、予測信号を反転し、外部から入力された原音信号に、反転した予測信号を加算して再生信号を生成し、再生信号を出力することを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, the noise removal method of the present invention collects sound inside a housing to generate a sound collection signal, removes a reproduction signal from the sound collection signal, and includes a plurality of taps having different numbers of taps. Functions as a filter, removes high frequency components above a specified frequency from the collected sound signal from which the playback signal has been removed, generates a prediction signal based on the collected sound signal from which the high frequency component has been removed, and inverts the prediction signal The reproduction signal is generated by adding the inverted prediction signal to the original sound signal input from the outside, and the reproduction signal is output.
上記課題を解決するために、本発明の他の雑音除去方法は、筐体の外部の音を収音して収音信号を生成し、タップ数の異なる複数のフィルタとして機能し、収音信号から所定周波数以上の高周波数成分を除去し、高周波数成分が除去された収音信号に基づいて予測信号を生成し、予測信号を反転し、外部から入力された原音信号に、反転した予測信号を加算して再生信号を生成し、再生信号を出力することを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, another noise removal method of the present invention collects sound outside the housing to generate a collected sound signal, functions as a plurality of filters having different tap numbers, and collects the collected sound signal. A high-frequency component above a predetermined frequency is removed from the sound signal, a prediction signal is generated based on the collected sound signal from which the high-frequency component has been removed, the prediction signal is inverted, and the prediction signal is inverted to the original sound signal input from the outside Is added to generate a reproduction signal and output the reproduction signal.
本発明の雑音除去装置は、正確なノイズ信号に基づいて予測信号を生成し、外部からのノイズを適切に打ち消すことが可能となる。 The noise removal apparatus of the present invention can generate a prediction signal based on an accurate noise signal, and can appropriately cancel noise from the outside.
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The dimensions, materials, and other specific numerical values shown in the embodiment are merely examples for facilitating understanding of the invention, and do not limit the present invention unless otherwise specified. In the present specification and drawings, elements having substantially the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted, and elements not directly related to the present invention are not illustrated. To do.
以下の実施形態では、雑音除去装置として、ヘッドホン(ノイズキャンセルヘッドホン)を例に挙げているが、かかる場合に限られず、例えば、イヤホン、携帯電話、PHS(Personal Handyphone System)、トランシーバ等、ユーザが耳に装着したり押しあてたりすることで、ユーザに音声(音)を聞き取らせることができる電気機器を用いることが可能である。 In the following embodiment, a headphone (noise canceling headphone) is cited as an example of a noise removal device. However, the present invention is not limited to such a case. For example, an earphone, a mobile phone, a PHS (Personal Handyphone System), a transceiver, etc. It is possible to use an electric device that allows a user to hear a sound (sound) by wearing or pushing the ear.
ノイズキャンセルヘッドホンは、例えば、ヘッドホンの外側(外部)にマイクロホンを設置し、そのマイクロホンが収音した収音信号を反転し、ノイズキャンセル信号として原音信号に加えヘッドホンの内側に設けたスピーカから出力する。スピーカから出力されたノイズキャンセル音は外部からのノイズと打ち消し合い(相殺し)、ユーザは外部からのノイズが排除された原音のみを聞くことが可能となる。本実施形態において、原音信号は、CD(Compact Disc)プレーヤ、DVD(Digital Versatile Disk)プレーヤ、携帯電話等の外部機器から入力された音声信号である。 Noise canceling headphones, for example, install a microphone outside (external) the headphones, invert the sound collected signal picked up by the microphone, and output as a noise canceling signal from a speaker provided inside the headphones in addition to the original sound signal . The noise cancellation sound output from the speaker cancels out (cancels) the noise from the outside, and the user can hear only the original sound from which the noise from the outside has been eliminated. In this embodiment, the original sound signal is an audio signal input from an external device such as a CD (Compact Disc) player, a DVD (Digital Versatile Disk) player, or a mobile phone.
かかるノイズキャンセル信号を、デジタル回路を用いて生成する場合、実際のノイズ信号と計算されたノイズキャンセル信号との間にデジタル信号処理に伴う遅延による位相差が生じ、そのままでは十分に外部からのノイズを打ち消すことができない。 When such a noise cancellation signal is generated using a digital circuit, a phase difference due to a delay associated with digital signal processing occurs between the actual noise signal and the calculated noise cancellation signal. Cannot be countered.
そこで、デジタル回路を用いたヘッドホンは、マイクロホンが収音した音信号から将来の音信号を予測し予測信号を生成する。かかる予測信号を用いることで、ノイズをノイズキャンセル音で相殺する際、ノイズとの位相を合わせることができる。 Therefore, a headphone using a digital circuit predicts a future sound signal from a sound signal picked up by a microphone and generates a prediction signal. By using such a prediction signal, the phase of the noise can be matched when the noise is canceled with the noise cancellation sound.
しかし、予測信号を生成する際、元となる収音信号から予測誤差の要因となる高周波数成分を十分に除外できていないと、ノイズを相殺しきれず音質が損なわれるおそれがある。以下の実施形態では、高周波数成分の除去性能に優れ、正確なノイズ信号に基づいて予測信号を生成できるデジタル方式のヘッドホンについて詳述する。第1の実施形態では、ヘッドホンの筐体(ハウジング)の内側にマイクロホン(収音部)を持つフィードバック方式の構造を、第2の実施形態では、ヘッドホンの筐体の外側にマイクロホンを持つフィードフォワード方式の構造を例に挙げる。 However, when generating a prediction signal, if high frequency components that cause a prediction error are not sufficiently excluded from the original collected sound signal, noise cannot be canceled out and sound quality may be impaired. In the following embodiments, digital headphones that are excellent in high-frequency component removal performance and can generate a prediction signal based on an accurate noise signal will be described in detail. In the first embodiment, a feedback-type structure having a microphone (sound collecting unit) inside a headphone housing (housing), and in the second embodiment, a feedforward having a microphone outside the headphone housing. Take the structure of the system as an example.
(第1の実施形態:ヘッドホン100)
図1は、第1の実施形態にかかるヘッドホン100の電気的な構成を示した機能ブロック図である。ヘッドホン100は、マイクロホン110と、マイクアンプ112と、AD(Analog Digital)変換部114と、補正部116と、再生除去部118と、バッファ部120と、予測信号生成部122と、フィルタ部124と、予測信号反転部126と、加算部128と、DA(Digital Analog)変換部130と、スピーカ132と、を含んで構成される。
(First embodiment: headphones 100)
FIG. 1 is a functional block diagram showing an electrical configuration of a
マイクロホン110は、物理振動を電気信号に変換する機器であり、筐体の内部の音、すなわち、ヘッドホン100周囲のノイズ源150から発せられたノイズのうち筐体で遮られなかった略2kHz以下の周波数成分で表わされるノイズと、スピーカ132から放音する再生音とを収音して収音信号を生成する。また、本実施形態に適用可能なマイクロホン110は、任意の伝達媒体の振動を音信号に変換できれば足り、例えば、コンデンサマイク、ダイナミックマイク、リボンマイク、圧電マイク、カーボンマイク等を用いることができる。
The
マイクアンプ112は、マイクロホン110が変換した収音信号の振幅をAD変換器114で取得可能となるように増幅する。
The
AD変換部114は、マイクアンプ112が増幅した収音信号から、折り返し歪を抑制するためにナイキスト周波数以上の周波数成分を除去した後(ローパスフィルタ)、所定のサンプリング周波数でアナログからデジタルに変換する。AD変換部114は、外部からのノイズをキャンセル(相殺)するために必要な周波数帯域である略2kHz以下の信号を取得することができれば十分であるが、AD変換部114として、より高いサンプリング周波数を実現可能な回路を用いることでローパスフィルタの構成を簡略化し遅延を抑制することが可能となる。例えばサンプリング周波数を96kHzにすると、予測距離に大きく影響する、AD変換処理に伴う遅延を20サンプルから5サンプル程度に短縮できる。
The
補正部116は、再生信号に、DA変換部130からAD変換部114までの電気回路および伝送空間を加味した伝送路の伝達特性と略等しい伝達特性のフィルタで補正を施し、再生除去部118は、収音信号から、補正が施された再生信号を除去してノイズ信号を取得する。本実施形態において、再生信号は、スピーカ132から出力される再生音を生成する基となる音声信号である。
The
上述したように、収音信号にはノイズ信号の他に再生信号も含まれており、ノイズキャンセル信号を生成するためには、収音信号から再生信号を除去しなければならない。再生音はスピーカ132を通じ、ヘッドホン100自体を振動させたりヘッドホン100の内部の空気を振動させたりするため、マイクロホン110の位置に到達した際には、ヘッドホン100の筐体、ユーザの顔の輪郭、耳の形、ヘッドホン100の装着態様等に基づく所定の伝達特性の影響を受けている。このうち、少なくとも形状および性質が分かっているヘッドホン100の筐体の影響は測定でき、平均的な顔の輪郭や耳の形を想定することで、その伝達特性を予め算出することが可能である。補正部116は、再生信号にこの予め算出された伝達特性のフィルタを通じて補正を施すことで、収音信号中の再生信号と略等しい再生信号を生成している。
As described above, the collected sound signal includes a reproduced signal in addition to the noise signal. In order to generate the noise cancel signal, the reproduced signal must be removed from the collected sound signal. The reproduced sound vibrates the
バッファ部120は、RAM(Random Access Memory)、EEPROM(Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory)、不揮発性RAM、フラッシュメモリ等で構成され、サンプリング周期に応じて再生信号が除去された収音信号を保持しつつ新たな収音信号によってそのサンプル値をシフトする。したがって、バッファ部120では、収音信号の過去のサンプル値を参照することができる。
The
予測信号生成部122は、バッファ部120に保持され、後述するフィルタ部124を通じて高周波数成分が除去された収音信号に基づいて、当該系における遅延を補償する予測信号を生成する。図1に示した系における遅延は、AD変換部114およびDA変換部130の変換に費やす時間や他のデジタル信号処理に費やす時間、さらにスピーカ132からマイクロホン110までの空間遅延が主要因である。
The prediction
かかる予測信号生成部122の予測信号の生成法は、自己相関を利用した適応フィルタを用いて、実時間のノイズ信号との位相を合わせる手法と、過去から現在までのノイズ信号を用いて将来のノイズ信号を予測し位相を合わせる手法とに大別される。具体的に、例えば高次関数を組み合わせた前方線形予測法、統計的手法であるバーグ法、自体の相関性を基に将来の信号を算出するLMS(Least Mean Square)法等、既存の様々な方法を用いることができる。
The prediction signal generation method of the prediction
本実施形態のヘッドホン100は上述したいずれの手法も適用することが可能であるが、ここでは、前方線形予測法を適用した場合を例に挙げて説明する。予測信号生成部122は、例えば、有限長のタップ数を持つFIRフィルタ構造を用い、現在および過去の1または複数のサンプル値とフィルタ係数(予測係数)に基づいて導出した値の積和を取ることで、将来のサンプル時点の収音信号を予測し、予測信号を生成する。
Any of the above-described methods can be applied to the
図2は、予測信号生成部122の処理を説明するための説明図である。ここでは4次の線形予測を行う場合を例に挙げて説明する。図2に示すように、予測信号生成部122は、予測信号のサンプル時点が最新の収音信号のサンプル時点から4つのサンプル数分将来である場合、最新の収音信号のサンプル値X0と、最新の収音信号のサンプル時点から4つのサンプル時点置きに、過去の3つのサンプル値X1〜X3を取得する。
FIG. 2 is an explanatory diagram for describing processing of the prediction
そして、予測信号生成部122は、取得したサンプル値X1〜X3に、それぞれ対応する予測係数(A、B、C、D)を乗じ、その積を加算して4つ先のサンプル時点の予測信号を予測した予測信号Yを生成する。
Y = A×X0+B×X1+C×X2+D×X3 …(式1)
Then, the prediction
Y = A × X 0 + B × X 1 + C × X 2 + D × X 3 (Formula 1)
しかし、補正部116は、上述したように、平均的な顔の輪郭や耳の形を想定しているため、ユーザによってばらつきのある、顔の輪郭、耳の形、ヘッドホン100の装着態様等に基づく、スピーカ132からマイクロホン110までの伝送路の伝達特性を完全には再現できない。そのため、再生除去部118から出力される収音信号は、再生信号が完全に除去されておらず、再生信号のうち高周波数成分が残留してしまう。以下、残留した高周波数成分を残留成分と呼ぶ。
However, as described above, the
本実施形態のように、フィードバック方式のヘッドホン100において、外部からのノイズのうちの略2kHz以上の高周波数成分は、筐体によって大部分遮断されるため、視聴時にノイズの影響は抑制され、ノイズキャンセル信号で相殺する必要がない。したがって外部からのノイズは筐体の中に設けられたマイクロホン110に到達しないため、ノイズ信号は収音信号に含まれないと考えることができる。そのため、収音信号の高周波数成分は残留成分が主要因である。この残留成分は、予測誤差の要因となる上、そのままでは本来不要な周波数帯域についてまで予測処理を行うこととなり処理負荷が増加してしまう。そこで、ローパスフィルタを用いて残留成分を除去する必要がある。
As in the present embodiment, in the
しかし、再生信号において、2kHz付近の信号成分は、音圧レベルが高いため、残留成分を完全に除去するためにはローパスフィルタの減衰特性を急峻にしなければならない。このようなローパスフィルタとしてFIRフィルタが用いられる。 However, since the signal component in the vicinity of 2 kHz has a high sound pressure level in the reproduced signal, the attenuation characteristic of the low-pass filter must be steep in order to completely remove the residual component. An FIR filter is used as such a low-pass filter.
FIRフィルタで急峻な減衰特性を得ようとすると、フィルタを構成するタップ長を長くしなければならず、タップ長を一律に長くしてしまうと、サンプル時点が新しい収音信号を生成するフィルタによって遅延を招き、位相差を補償する予測距離が増加してしまう。予測距離が増加すると、予測誤差が拡大して、ノイズの除去精度が落ちてしまう。 If a steep attenuation characteristic is to be obtained with an FIR filter, the tap length constituting the filter must be increased. If the tap length is increased uniformly, the sampling time point is caused by a filter that generates a new collected sound signal. This causes a delay and increases the predicted distance for compensating for the phase difference. As the prediction distance increases, the prediction error increases and the noise removal accuracy decreases.
そこで、本実施形態のヘッドホン100では、フィルタ部124の構成を工夫することでノイズの除去精度の低下を回避する。
Therefore, in the
図3は、フィルタ部124の電気的な構成を示した機能ブロック図であり、図4、図5は、フィルタ部124と予測信号生成部122それぞれの処理を関連付けて説明するための説明図である。
FIG. 3 is a functional block diagram showing an electrical configuration of the
フィルタ部124は、再生信号が除去された収音信号から、さらに所定周波数以上の高周波数成分を除去する、タップ数の異なる複数のローパスフィルタとして機能する。フィルタ部124は、図3に示すように、実際に複数のローパスフィルタ(フィルタ124a〜124c)を備えてもよいし、可変タップ長に対応した1つのローパスフィルタを順次処理することによって複数のローパスフィルタとして機能させてもよい。
The
上述したように、予測信号生成部122は、予測信号を生成するために、最新のサンプル値(収音信号のサンプル値)の値X0と共に、最新のサンプル値のサンプル時点から4のサンプル時点置きに、過去の3のサンプル値X1〜X3を取得して用いる。ここでは、過去の3のサンプル値X1〜X3に対応したタップ数の異なる3のフィルタ124a〜124cを準備し、3のサンプル値X1〜X3の代わりに3のフィルタ124a〜124cから出力された、高周波数成分が除去された収音信号である3のフィルタ信号X1’〜X3’を予測信号生成部122に入力する。
As described above, the prediction
ここで、フィルタ信号X1’〜X3’は、それぞれ対応するバッファ部120のサンプル時点が異なり、そのサンプル時点と最新のサンプル値のサンプル時点間のサンプル数も異なる。したがって、フィルタ信号X1’〜X3’をそれぞれ生成するフィルタ124a〜124cでは、フィルタ信号X1’〜X3’に対応するサンプル時点に応じて、取得可能なサンプル数、特に、フィルタ信号X1’〜X3’に対応するサンプル時点と最新のサンプル値のサンプル時点間のサンプル数が異なる。
Here, the filter signals X 1 ′ to X 3 ′ have different sample time points in the
例えば、図4を用いてフィルタ124aについて説明すると、フィルタ124aが出力するフィルタ信号X1’に対応するサンプル時点のサンプル値は、バッファ部120に入力されてから許容遅延量W1分だけ時間が経過しており、フィルタ信号X1’に対応するサンプル時点より後に新たなサンプル値が4つ取得されていることとなる。フィルタ124aは、この新たなサンプル値4個と、サンプル値X1に対応するサンプル時点のサンプル値1個と、過去におけるサンプル値複数個(図4中、括弧160で示す範囲のサンプル値のうち、例えば、サンプル値X1に対応するサンプル時点のサンプル値から連続する所定数のサンプル値)とを用いて(図4中、中括弧162で示すサンプル値を用いて)、ローパスフィルタとしての演算を行い、高周波数成分を除去したフィルタ信号X1’を導出する。
For example, the
また、フィルタ124bが出力するフィルタ信号X2’に対応するサンプル時点のサンプル値は、バッファ部120に入力されてから許容遅延量W2分だけ時間が経過しており、フィルタ信号X1’に対応するサンプル時点より新しいサンプル値がすでに8個取得されている。同様に、フィルタ124cでは、フィルタ信号X3’に対応するサンプル時点のサンプルが取得されてから許容遅延量W3分だけ時間が経過しており、新しいサンプル値が12個取得されている。したがって、フィルタ124b、124cは、新しいサンプル値が多い分、さらに多くのサンプル値を用いてローパスフィルタとしての演算を行うことができる。このようにタップ長を増やすことで、周波数遮断性能が向上し、より信頼性の高い信号を得ることが可能となる。ここで、フィルタ124a〜124cは、それぞれフィルタ信号X1’〜X3’に対応するサンプル点の残留高周波数成分を削減する働きを持ち、時間的な経過から利用可能な最新信号までのサンプル数が異なっている。
In addition, the sample value at the sample time corresponding to the filter signal X 2 ′ output from the
このように、フィルタ部124における複数のローパスフィルタ(フィルタ124a〜124c)は、自体が生成する、高周波数成分が除去されたフィルタ処理後の信号に対応するサンプル時点が古い程、そのサンプル時点よりも新しいサンプル値を多く参照し、タップ数を多くとることができる。
As described above, the plurality of low-pass filters (
上述したフィルタ124a〜124cは、そのフィルタ信号X1’〜X3’を生成するために、少なくとも、フィルタ信号X3’に対応する最も古いサンプル時点のサンプル値が必要となる。したがって、バッファ部120は、フィルタ信号X3’を求めるに当たり所定のタップ長に対応するサンプル数だけのバッファを準備しなければならない。フィルタ部124はこの最新のサンプル値からフィルタ信号X3’に対応するサンプル時点のサンプル値間のタップを有効利用してフィルタ信号X1’〜X3’を出力する。すなわち、生成するフィルタ信号に対応するサンプル時点が古い程、取得する、新しいサンプル時点のサンプル値のタップ数を増やすことができる。かかる構成により、バッファ部120に備える過去のサンプルを有効利用して、高周波数成分の除去の精度を向上することができる。
In order to generate the filter signals X 1 ′ to X 3 ′, the above-described
さらに、フィルタ124a〜124cは、図5に示すように、生成するフィルタ信号に対応するサンプル時点を中心に、生成するフィルタ信号に対応するサンプル時点より新しいサンプル値を生成するタップ数と、古いサンプル値を生成するタップ数とが等しくなるように形成され、フィルタ124a〜124cそれぞれにおけるフィルタ係数が、新しいサンプル時点と古いサンプル時点とで偶対称となるように配されてもよい。
Further, as shown in FIG. 5, the
例えば、図5において、フィルタ124aは、新たなサンプル値4つと、同数の過去におけるサンプル値4つと、サンプル値X1に対応するサンプル時点のサンプル値1つの合計9のサンプル値(図5中、中括弧164aで示す)を用いて、ローパスフィルタとしての演算を行い、高周波数成分を除去したフィルタ信号X1’を導出する。同様に、フィルタ124b、124cはそれぞれ、17個のサンプル(図5中、中括弧164bで示す)、25個のサンプル値(図5中、中括弧164cで示す)を用いて、ローパスフィルタとしての演算を行う。
For example, in FIG. 5, the
このように生成するフィルタ信号に対応するサンプル時点を中心に参照するサンプル数を新古等しく形成した場合、フィルタ124a〜124cは、周波数帯域毎の遅延がそれぞれ等しい、線形位相の特性を持ったフィルタとなる。周波数帯域毎の遅延が等しいと、予測信号による遅延補償が容易となる。
When the number of samples referred to centering on the sample time point corresponding to the filter signal generated in this way is made equal to old and new, the
本実施形態のヘッドホン100のフィルタ部124では、予測信号生成部122が用いる、フィルタ信号に対応する複数のサンプル時点に合わせてそれぞれ適切なタップ数に調整した、タップ数の異なる複数のフィルタ124a〜124cによって、予測距離を増加させることなく高周波数成分を除去できるので、高周波数成分を精度良く除去することが可能となる。そのため、予測信号生成部122は、正確なノイズ信号に基づいて予測信号を生成でき、加算部128において外部からのノイズを適切に打ち消すことが可能となる。また、予測信号の周波数帯域も絞ることができるようになるため、予測信号生成部122は、計算負荷を軽減でき予測信号の精度を向上することが可能となる。
In the
また、本実施形態のフィルタ部124は、位相回転のないフィルタで構成される。こうして、予測信号生成部122は、位相回転の補償をする必要が無くなり、予測信号の予測精度を向上することができる。
Further, the
このとき、フィルタ部124は、最新の収音信号のサンプル値X0を用いるとしてもよいし、敢えて利用しないとすることもできる。最新の収音信号を用いると、最新の収音信号がサンプルされるまで待たなくてはならないが、高周波数成分の除去処理の精度が向上する。最新の収音信号を利用せず、他のサンプル時点のサンプル値のみでフィルタを構成すると、精度は劣ることとなるが、予測信号を迅速に得ることができる。いずれの構成を採用するかは回路特性に応じて適宜選択することができる。
At this time, the
本実施形態においては、最新の収音信号のサンプル値はフィルタ部124を介さず、直接予測信号生成部122に出力されることとしたが、かかる場合に限定されず、フィルタ部124を通じて、最新の収音信号に関しても高周波数成分の除去を行うこともできる。
In the present embodiment, the sample value of the latest collected sound signal is output directly to the prediction
また、予測信号の生成に前方線形予測法ではなくLMS法を用いる場合、LMSのタップ数であるLから最新のサンプル値のタップを除いたL−1個のフィルタで構成したり、処理負荷を軽減するため共通のローパスフィルタを用いて必要なローパスフィルタの数を減らしたりしてもよい。LMS法を用いる場合であっても、複数のフィルタ124a〜124cを用いた並列処理によって一度に補正後のノイズ信号を取得したり、タップ数が可変である1つのフィルタを用いて順次処理したりしてもよい。
In addition, when the LMS method is used instead of the forward linear prediction method for generating the prediction signal, the prediction signal is configured by L-1 filters obtained by removing the tap of the latest sample value from L which is the number of LMS taps. In order to reduce the number of low-pass filters, a common low-pass filter may be used. Even when the LMS method is used, a corrected noise signal is acquired at once by parallel processing using a plurality of
予測信号反転部126は、予測信号を反転してノイズキャンセル信号を生成し、加算部128は、外部から入力された原音信号に、反転された予測信号(ノイズキャンセル信号)を加算し再生信号を生成する。そして、DA変換部130は、その再生信号をデジタルからアナログに変換し、スピーカ132は、変換された再生信号を再生音として出力する。
The prediction
また、本実施形態では、原音信号はデジタルである場合を例に挙げたが、原音信号がアナログである場合、加算部128としての加算器は、DA変換部130の後段に配され、DA変換部130がアナログに変換したノイズキャンセル信号と原音信号とを加算し再生信号を生成してもよい。
Further, in the present embodiment, the case where the original sound signal is digital has been described as an example. However, when the original sound signal is analog, the adder as the
上述したように、本実施形態の予測信号生成部122は、正確なノイズ信号に基づいて予測信号を生成でき、加算部128において外部からのノイズを適切に打ち消すことができ、例えば、飛行機内のジェット音、列車内の走行音、および室内の空調音においても、外部からのノイズに邪魔されずに音楽等を楽しむことが可能となる。
As described above, the prediction
(雑音除去方法)
続いて上述したヘッドホン100を用いた雑音除去方法について、フローチャートを用いて説明する。
(Noise removal method)
Next, a noise removal method using the
図6は、第1の実施形態にかかるヘッドホン100を用いた雑音除去方法の全体の処理の流れを説明したフローチャートである。
FIG. 6 is a flowchart for explaining the overall processing flow of the noise removal method using the
サンプリング周期が到来すると(S200のYES)、マイクロホン110は、筐体の内部の音を収音して収音信号を生成する(S202)。AD変換部114は、収音信号から折り返し歪を抑制するためにナイキスト周波数以上の周波数成分を除去した後、所定のサンプリング周波数で収音信号をアナログからデジタルに変換する(S204)。
When the sampling period arrives (YES in S200), the
そして、補正部116は、ヘッドホン100内部で生成される再生信号に、DA変換部130からAD変換部114までの伝送路の伝達特性と略等しい伝達特性のフィルタで補正を施し(S206)、再生除去部118は、収音信号から、補正が施された再生信号を除去してノイズ信号を取得する(S208)。
Then, the
フィルタ部124は、タップ数の異なる複数のフィルタ124a〜124cとして機能し、再生信号が除去された収音信号から所定周波数以上の高周波数成分を除去し(S210)、予測信号生成部122は、フィルタ部124を通じて高周波数成分が除去された収音信号であるノイズ信号に基づいて、当該系における遅延(AD変換部114およびDA変換部130にかかる遅延やデジタル信号処理における遅延)分、および空間遅延分を補償する予測信号を生成する(S212)。
The
予測信号反転部126は、予測信号を反転してノイズキャンセル信号を生成し(S214)、加算部128は、外部から入力された原音信号に、ノイズキャンセル信号を加算し再生信号を生成する(S216)。そして、DA変換部130は、再生信号をデジタルからアナログに変換し(S218)、スピーカ132は、再生信号を再生音として出力する(S220)。
The prediction
かかる処理は、ヘッドホン100が起動している間、例えば、所定のサンプリング周期毎に繰り返し実行される。
Such processing is repeatedly executed, for example, every predetermined sampling period while the
上述したように、本実施形態の雑音除去方法によれば、正確なノイズ信号に基づいて予測信号を生成でき、外部からのノイズを適切に打ち消すことが可能となる。 As described above, according to the noise removal method of the present embodiment, a predicted signal can be generated based on an accurate noise signal, and external noise can be appropriately canceled out.
(第2の実施形態:ヘッドホン300)
第1の実施形態では、筐体の内部の音を収音するフィードバック方式のヘッドホン100について説明した。続いて、第2の実施形態では、筐体の外部の音を収音して雑音除去処理を行うフィードフォワード方式のヘッドホン300について説明する。
(Second embodiment: headphones 300)
In the first embodiment, the
図7は、第2の実施形態にかかるヘッドホン300の電気的な構成を示した機能ブロック図である。ヘッドホン300は、マイクロホン310と、マイクアンプ112と、AD変換部114と、補正部316と、バッファ部120と、予測信号生成部122と、フィルタ部124と、予測信号反転部126と、加算部128と、DA変換部130と、スピーカ132と、を含んで構成される。なお、上述した第1の実施形態と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略し、ここでは、構成が相違するマイクロホン310と補正部316を主に説明する。
FIG. 7 is a functional block diagram showing an electrical configuration of the
マイクロホン310は、筐体の外部の音を収音して収音信号を生成する。マイクロホン310は、第1の実施形態におけるマイクロホン110と異なり筐体の外部のノイズを直接収音するため、再生信号の影響は極めて少なく、無視してもよい。そのため、ヘッドホン300は、ヘッドホン100と異なり、再生信号に補正を施す補正部116および補正が施された再生信号を除去する再生除去部118を備える必要がない。
The
しかし、実際にユーザの耳に届くノイズは、マイクロホン310が収音する筐体の外部の音に比べて、筐体の遮音効果により、略2kHz以上の信号成分が除去され、さらに、2kHz以下の成分も減衰している。したがって、直接収音したノイズ信号に耳に届くまでの伝達特性に相当する補正を施す必要がある。そこで、ヘッドホン300では新たに補正部316を備える。
However, the noise that actually reaches the user's ear has a signal component of approximately 2 kHz or more removed due to the sound insulation effect of the housing, compared to the sound outside the housing that the
補正部316は、マイクロホン310からユーザの耳の位置までの筐体を通じた伝送路の伝達特性に略等しい伝達特性のフィルタで、マイクロホン310が収音した収音信号に補正を施す。
The
上述したようにこの筐体を通じた伝送路では、略2kHz以上の信号成分が除去される。しかし、補正部316を所望の特性を持ったフィルタとして機能させると、上述したように、フィルタの構成によっては位相回転が生じたり(IIR)、遅延に伴って予測信号生成部122が生成する予測信号の予測距離が無用に増加したりする(FIR)。そこで、補正部316は、略2kHz以上の信号成分を除去する筐体の伝達特性を完全には再現せず、フィルタ部124において、略2kHz以上の高周波数成分を除去する。
As described above, a signal component of approximately 2 kHz or more is removed from the transmission path through the casing. However, when the
そして、本実施形態のヘッドホン300のフィルタ部124も、第1の実施形態と同様に、予測信号生成部122が用いるフィルタ信号に対応する複数のサンプル時点に合わせた、タップ数の異なる複数のフィルタ124a〜124cで高周波数成分を除去する。そのため、外部からのノイズを適切に打ち消すことが可能となる。
The
(雑音除去方法)
続いて上述したヘッドホン300を用いた雑音除去方法について、フローチャートを用いて説明する。図8は、第2の実施形態にかかるヘッドホン300を用いた雑音除去方法の全体の処理の流れを説明したフローチャートである。
(Noise removal method)
Next, a noise removal method using the above-described
サンプリング周期が到来すると(S200のYES)、マイクロホン110は、筐体の外部の音を収音して収音信号を生成する(S402)。AD変換部114は、収音信号から折り返し歪を抑制するためにナイキスト周波数以上の周波数成分を除去した後、所定のサンプリング周波数で収音信号をアナログからデジタルに変換する(S204)。
When the sampling period arrives (YES in S200), the
そして、補正部316は、マイクロホンが生成した収音信号に筐体の伝送路の伝達特性に略等しい伝達特性のフィルタで補正を施し(S406)、フィルタ部124は、タップ数の異なる複数のフィルタ124a〜124cとして機能し、再生信号が除去された収音信号から所定周波数(略2kHz)以上の高周波数成分を除去してフィルタ信号を生成する(S210)。
Then, the
以下、予測信号生成ステップ(S212)から出力ステップ(S220)までの処理は、図6において説明した処理と実質的に等しいため説明は省略する。 Hereinafter, the processing from the prediction signal generation step (S212) to the output step (S220) is substantially the same as the processing described in FIG.
上述したように、本実施形態の雑音除去方法によれば、デジタル化された収音信号の複数のサンプル時点に合わせた、タップ数の異なる複数のフィルタ124a〜124cで、筐体で遮音しきれなかった高周波数成分を収音信号から除去する。そのため、予測性能向上効果があり外部からのノイズを適切に打ち消すことが可能となる。
As described above, according to the noise removal method of the present embodiment, the plurality of
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring an accompanying drawing, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to this embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the claims, and these are naturally within the technical scope of the present invention. Understood.
例えば、上述したヘッドホン100、300を構成する、フィルタ部124から予測信号反転部126までの各構成部は、その機能を有する半導体チップ等のハードウェアであってもよいし、その機能をプログラムされたソフトウェアであってもよい。また、AD変換部114に代わってマイクロホン110から直接デジタルの収音信号を取得する構成を採用してもよいし、DA変換部130に代わってデジタルのノイズキャンセル信号や再生信号を直接スピーカ132に出力する構成を採用することもできる。
For example, each component from the
なお、本明細書の雑音除去方法における各工程は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいはサブルーチンによる処理を含んでもよい。 Note that each step in the noise removal method of the present specification does not necessarily have to be processed in time series in the order described in the flowchart, and may include processing in parallel or by a subroutine.
本発明は、外部からのノイズによって所望する再生音の音質が損なわれるのを防止することが可能な雑音除去装置および雑音除去方法に利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in a noise removal device and a noise removal method that can prevent the sound quality of a desired reproduced sound from being impaired by external noise.
100、300 …ヘッドホン(雑音除去装置)
110、310 …マイクロホン
116、316 …補正部
118 …再生除去部
122 …予測信号生成部
124 …フィルタ部
126 …予測信号反転部
128 …加算部
132 …スピーカ
100, 300 ... headphones (noise removal device)
110, 310 ...
Claims (6)
再生信号を出力するスピーカと、
前記再生信号に伝送路の伝達特性と略等しい伝達特性のフィルタで補正を施す補正部と、
前記収音信号から、補正が施された前記再生信号を除去する再生除去部と、
前記再生信号が除去された収音信号から所定周波数以上の高周波数成分を除去する、タップ数の異なる複数のフィルタとして機能するフィルタ部と、
前記高周波数成分が除去された収音信号に基づいて予測信号を生成する予測信号生成部と、
前記予測信号を反転する予測信号反転部と、
外部から入力された原音信号に、反転された前記予測信号を加算し前記再生信号を生成する加算部と、
を備えることを特徴とする雑音除去装置。 A microphone that picks up the sound inside the housing and generates a sound pickup signal;
A speaker for outputting a reproduction signal;
A correction unit that corrects the reproduction signal with a filter having a transmission characteristic substantially equal to the transmission characteristic of the transmission path;
A reproduction removing unit that removes the corrected reproduction signal from the collected sound signal;
A filter unit that functions as a plurality of filters with different numbers of taps for removing high frequency components of a predetermined frequency or higher from the collected sound signal from which the reproduction signal has been removed;
A prediction signal generation unit that generates a prediction signal based on the collected sound signal from which the high-frequency component has been removed;
A prediction signal inversion unit for inverting the prediction signal;
An adder for adding the inverted prediction signal to the original sound signal input from the outside to generate the reproduction signal;
A noise removal apparatus comprising:
前記収音信号から所定周波数以上の高周波数成分を除去する、タップ数の異なる複数のフィルタとして機能するフィルタ部と、
前記高周波数成分が除去された収音信号に基づいて予測信号を生成する予測信号生成部と、
前記予測信号を反転する予測信号反転部と、
外部から入力された原音信号に、反転された前記予測信号を加算し再生信号を生成する加算部と、
前記再生信号を出力するスピーカと、
を備えることを特徴とする雑音除去装置。 A microphone that picks up the sound outside the housing and generates a sound pickup signal;
A filter unit that removes high frequency components of a predetermined frequency or higher from the collected sound signal and functions as a plurality of filters having different tap numbers;
A prediction signal generation unit that generates a prediction signal based on the collected sound signal from which the high-frequency component has been removed;
A prediction signal inversion unit for inverting the prediction signal;
An addition unit that adds the inverted prediction signal to the original sound signal input from the outside to generate a reproduction signal;
A speaker for outputting the reproduction signal;
A noise removal apparatus comprising:
前記収音信号から再生信号を除去し、
タップ数の異なる複数のフィルタとして機能し、前記再生信号が除去された収音信号から所定周波数以上の高周波数成分を除去し、
前記高周波数成分が除去された収音信号に基づいて予測信号を生成し、
前記予測信号を反転し、
外部から入力された原音信号に、反転された前記予測信号を加算し前記再生信号を生成し、
前記再生信号を出力することを特徴とする雑音除去方法。 Collects the sound inside the housing to generate a sound collection signal,
Removing the reproduction signal from the collected sound signal;
Functions as a plurality of filters with different tap numbers, removes high frequency components of a predetermined frequency or more from the collected sound signal from which the reproduction signal has been removed,
Generating a prediction signal based on the collected sound signal from which the high-frequency component has been removed;
Inverting the prediction signal;
Add the inverted prediction signal to the original sound signal input from the outside to generate the reproduction signal,
A method for removing noise, comprising outputting the reproduction signal.
タップ数の異なる複数のフィルタとして機能し、前記収音信号から所定周波数以上の高周波数成分を除去し、
前記高周波数成分が除去された収音信号に基づいて予測信号を生成し、
前記予測信号を反転し、
外部から入力された原音信号に、反転された前記予測信号を加算し再生信号を生成し、
前記再生信号を出力することを特徴とする雑音除去方法。 Pick up the sound outside the housing to generate a sound pickup signal,
Functions as a plurality of filters with different number of taps, removes high frequency components above a predetermined frequency from the collected sound signal,
Generating a prediction signal based on the collected sound signal from which the high-frequency component has been removed;
Inverting the prediction signal;
Add the inverted prediction signal to the original sound signal input from the outside to generate a playback signal,
A method for removing noise, comprising outputting the reproduction signal.
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