JP2014096027A - Parameter estimation device, echo cancel device, parameter estimation method, and program - Google Patents

Parameter estimation device, echo cancel device, parameter estimation method, and program Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a parameter estimation technique capable of integrally updating a nonlinear parameter and a linear parameter although suppressing an operation quantity small when estimating an output signal of a nonlinear system and an output signal of a linear system.SOLUTION: A parameter estimation device includes: a nonlinear parameter application part which finds a nonlinear system output estimated value using a nonlinear parameter; a differential signal generation part which finds a value equivalent to a partial differential value as to the nonlinear parameter of the nonlinear system output estimated value; a frequency region linear parameter multiplication part which finds a transmission system output estimated value by multiplying the nonlinear system output estimated value in a frequency region by the linear parameter; an error calculation part which finds the difference between an output signal of a transmission system and a transmission system output estimated value; and a mixed type parameter update part which updates the nonlinear parameter using the difference of the frequency region, partial differential value, and nonlinear system output estimated value, and updates the linear parameter in the frequency region.

Description

本発明は、電気信号や、音、振動が伝播する伝達系が、非線形な特性を有する系(以下「非線形系」)と線形な特性を有する系(以下「線形系」)との縦続接続とみなせる場合に、その伝達系の未知のパラメータを推定する技術に関する。   The present invention relates to a cascade connection between a system in which an electric signal, sound, and vibration are propagated, having a nonlinear characteristic (hereinafter, “nonlinear system”) and a system having a linear characteristic (hereinafter, “linear system”). The present invention relates to a technique for estimating an unknown parameter of the transmission system when it can be considered.

電気信号や音、振動が伝播する未知の伝達系の特性を推定することは、その伝達系への任意の入力に対するその伝達系の出力を予測する上で有益である。伝達系を推定する問題は、その伝達系に対して有限のパラメータで表現可能なモデルを予め与え、そのパラメータの値を推定する問題として扱うことが多い。予め与えるモデルは、推定対象の伝達系の物理的素性(入力と出力の関係)に基づき選定される。例えば、入力と出力の関係が線形とみなせる場合、線形のFIR(Finite Impulse Response)フィルタやIIR(Infinite Impulse Response)フィルタが、離散時間領域における伝達系のモデルとして選ばれる。   Estimating the characteristics of an unknown transmission system through which an electric signal, sound, or vibration propagates is useful for predicting the output of the transmission system with respect to an arbitrary input to the transmission system. The problem of estimating a transmission system is often handled as a problem in which a model that can be expressed with a finite parameter is given to the transmission system in advance and the value of the parameter is estimated. The model given in advance is selected based on the physical features (relationship between input and output) of the transmission system to be estimated. For example, when the relationship between input and output can be regarded as linear, a linear FIR (Finite Impulse Response) filter or IIR (Infinite Impulse Response) filter is selected as a model of a transmission system in the discrete time domain.

ここで、図1に示すような伝達系1のパラメータを推定する問題がある。なお、伝達系1は入力と出力との関係が非線形な特性を有する。また、伝達系1において、非線形系2と線形系3とが分離可能で縦続接続型のモデルとして与えることができる。なおかつ、非線形系2の特性は過去の入力及び出力に依存しないハードクリップ特性とみなせ、かつ、線形系3の特性は有限長のインパルス応答とみなせる。   Here, there is a problem of estimating the parameters of the transmission system 1 as shown in FIG. The transmission system 1 has a characteristic in which the relationship between input and output is non-linear. Further, in the transmission system 1, the nonlinear system 2 and the linear system 3 are separable and can be provided as a cascade connection model. The characteristic of the nonlinear system 2 can be regarded as a hard clip characteristic that does not depend on past inputs and outputs, and the characteristic of the linear system 3 can be regarded as a finite-length impulse response.

<非線形系2のモデル>
図1の非線形系2は、過去の入力及び出力に依存しないハードクリップ特性を有するとき、その入力信号x(n)と出力信号s(n)との関係は、閾値a(>0)を用いて以下のように表現されるハードクリップ関数fを用いて、
<Model of nonlinear system 2>
When the nonlinear system 2 in FIG. 1 has a hard clip characteristic that does not depend on past inputs and outputs, the relationship between the input signal x (n) and the output signal s (n) uses a threshold value a (> 0). Using the hard clip function f expressed as

Figure 2014096027
Figure 2014096027

と与えられる。ここで、nは離散時間であり、出力信号s(n)は、入力信号x(n)に対しては、同じ離散時間nにおける値にのみ依存するとして関係づけられている。ここで、閾値aが推定すべき未知のパラメータである。以下、閾値aの推定値を非線形パラメータa^ともいう。 And given. Here, n is a discrete time, and the output signal s (n) is related to the input signal x (n) as being dependent only on the value at the same discrete time n. Here, the threshold value a is an unknown parameter to be estimated. Hereinafter, the estimated value of the threshold value a is also referred to as a nonlinear parameter a ^.

<線形系3のモデル>
図1の線形系3への入力信号を非線形系2の出力信号s(n)とすると、線形系3の出力信号y(n)を、
<Model of linear system 3>
If the input signal to the linear system 3 in FIG. 1 is the output signal s (n) of the nonlinear system 2, the output signal y (n) of the linear system 3 is

Figure 2014096027
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と畳込演算の形で表すことができ、ここで有限長のインパルス応答h0,h1,…,hLが推定すべき未知のパラメータである。以下、有限長のインパルス応答h0,h1,…,hLの推定値を線形パラメータh^0,h^1,…,h^Lともいう。ただし、次数Lは0以上の整数であり、出力信号s(n)は、実際には直接観測できない内部信号である。 , Where the finite-length impulse responses h 0 , h 1 ,..., H L are unknown parameters to be estimated. Hereinafter, the impulse response h 0 of finite length, h 1, ..., linear estimates of h L parameter h ^ 0, h ^ 1, ..., also referred to as h ^ L. However, the order L is an integer greater than or equal to 0, and the output signal s (n) is an internal signal that cannot actually be observed directly.

以上より、伝達系1において推定の対象とするパラメータは、式(1)におけるaと式(2)におけるh0,h1,…,hLである。 From the above, the parameters to be estimated in the transmission system 1 are a in equation (1) and h 0 , h 1 ,..., H L in equation (2).

<従来技術に係るパラメータ推定装置6>
非特許文献1には、このような枠組におけるパラメータ推定方法が示されている。図2は、非特許文献1に基づく従来のパラメータ推定方法を実現する構成例である。以下、パラメータ推定装置6について説明する。
<Parameter estimation device 6 according to the prior art>
Non-Patent Document 1 discloses a parameter estimation method in such a framework. FIG. 2 is a configuration example for realizing a conventional parameter estimation method based on Non-Patent Document 1. Hereinafter, the parameter estimation device 6 will be described.

なお、以下の説明に用いる図面では、同じ機能を持つ構成部や同じ処理を行うステップには同一の符号を記し、重複説明を省略する。以下の説明において、テキスト中で使用する記号「^」等は、本来直前の文字の真上に記載されるべきものであるが、テキスト記法の制限により、その文字の直後に記載する。式中においてはこれらの記号は本来の位置に記述している。また、ベクトルや行列の各要素単位で行われる処理は、特に断りが無い限り、そのベクトルやその行列の全ての要素に対して適用されるものとする。   In the drawings used for the following description, constituent parts having the same function and steps for performing the same process are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In the following description, the symbol “^” or the like used in the text should be described immediately above the character just before, but it is described immediately after the character due to restrictions on text notation. In the formula, these symbols are written in their original positions. Further, the processing performed for each element of a vector or matrix is applied to all elements of the vector or matrix unless otherwise specified.

離散時間nにおいて、パラメータ推定装置6の各部において以下の処理を行う。   In the discrete time n, the following processing is performed in each part of the parameter estimation device 6.

非線形パラメータ適用部601では、時間領域の入力信号x(n)を受け取り、入力信号x(n)と非線形パラメータa^(n)とを用いて、次式により、時間領域の入力信号x(n)に対する非線形系2の出力信号の推定値である非線形系出力推定値s^(n)を求め、出力する。   The nonlinear parameter application unit 601 receives the time domain input signal x (n), and uses the input signal x (n) and the nonlinear parameter a ^ (n) to calculate the time domain input signal x (n The nonlinear system output estimated value s ^ (n), which is an estimated value of the output signal of the nonlinear system 2 for), is obtained and output.

Figure 2014096027
Figure 2014096027

信号蓄積部602は、非線形系出力推定値s^(n)と後述する偏微分値s^'(n)とを受け取り、Lサンプル過去まで遡って、L+1個の非線形系出力推定値s^(n),s^(n-1),…,s^(n-L)と、L+1個の偏微分値s^'(n),s^'(n-1),…,s^'(n-L)とを蓄積する。なお、S^(n)=[s^(n),s^(n-1),…,s^(n-L)]T、S^'(n)=[s^'(n),s^'(n-1),…,s^'(n-L)]Tとする。ここでTは転置を表す。 The signal storage unit 602 receives the nonlinear system output estimated value s ^ (n) and a partial differential value s ^ '(n) described later, and goes back to L samples in the past, and L + 1 nonlinear system output estimated values s. ^ (n), s ^ (n-1), ..., s ^ (nL) and L + 1 partial differential values s ^ '(n), s ^' (n-1), ..., s ^ Accumulate '(nL). S ^ (n) = [s ^ (n), s ^ (n-1),…, s ^ (nL)] T , S ^ '(n) = [s ^' (n), s ^ '(n-1), ... , s ^' (nL)] and T. Here, T represents transposition.

線形パラメータ乗算部603は、信号蓄積部602からL+1個の非線形系出力推定値s^(n),s^(n-1),…,s^(n-L)を取り出し、次式のように、L+1個の非線形系出力推定値s^(n),s^(n-1),…,s^(n-L)とL+1個の線形パラメータh^0(n),h^1(n),…,h^L(n)をそれぞれ乗じた結果を全て加算し、推定対象の伝達系からの出力信号の推定値である伝達系出力推定値y^(n)を求め、出力する。
y^(n)=h^0(n)s^(n)+h^1(n)s^(n-1)+…+h^L(n)s^(n-L) (4)
を出力する。なお、H^(n)=[h^0(n),h^1(n),…,h^L(n)]Tと標記すると、式(4)は、
y^(n)=H^(n)TS^(n) (5)
となり、ベクトルの内積演算に相当する。
The linear parameter multiplication unit 603 extracts L + 1 non-linear system output estimation values s ^ (n), s ^ (n-1),..., S ^ (nL) from the signal storage unit 602, and , L + 1 nonlinear system output estimates s ^ (n), s ^ (n-1), ..., s ^ (nL) and L + 1 linear parameters h ^ 0 (n), h ^ 1 (n), ..., h ^ L (n) are all multiplied to obtain the transmission system output estimate y ^ (n), which is the estimated value of the output signal from the estimation target transmission system. Output.
y ^ (n) = h ^ 0 (n) s ^ (n) + h ^ 1 (n) s ^ (n-1) +… + h ^ L (n) s ^ (nL) (4)
Is output. In addition, H ^ (n) = If the title and [h ^ 0 (n), h ^ 1 (n), ..., h ^ L (n)] T, equation (4),
y ^ (n) = H ^ (n) T S ^ (n) (5)
This corresponds to a vector inner product operation.

誤差算出部604では、推定対象の伝達系からの出力信号y(n)と伝達系出力推定値y^(n)とを受け取り、次式のように、その差を求め、誤差信号e(n)として出力する。
e(n)=y(n)-y^(n) (6)
The error calculation unit 604 receives the output signal y (n) from the transmission system to be estimated and the transmission system output estimated value y ^ (n), obtains the difference as in the following equation, and calculates the error signal e (n ) Is output.
e (n) = y (n) -y ^ (n) (6)

微分信号生成部605は、次式のように非線形パラメータa^(n)についての非線形系出力推定値s^(n)の偏微分値s^'(n)を求め、出力する。なお、次式において、入力信号x(n)に代えて、非線形系出力推定値s^(n)を用いてもよい。   The differential signal generation unit 605 obtains and outputs a partial differential value s ^ '(n) of the nonlinear system output estimated value s ^ (n) with respect to the nonlinear parameter a ^ (n) as in the following equation. In the following equation, a nonlinear system output estimated value s ^ (n) may be used instead of the input signal x (n).

Figure 2014096027
Figure 2014096027

パラメータ更新部606は、誤差信号e(n)を受け取り、信号蓄積部602から偏微分値S^'(n)と非線形系出力推定値S^(n)とを取り出す。   The parameter update unit 606 receives the error signal e (n), and extracts the partial differential value S ^ ′ (n) and the nonlinear system output estimated value S ^ (n) from the signal storage unit 602.

ここで、誤差信号e(n)について、   Here, for the error signal e (n),

Figure 2014096027
Figure 2014096027

と与えられる評価式について、非線形パラメータa^(n)及び線形パラメータH^(n)についての勾配が、 And the gradient for the nonlinear parameter a ^ (n) and the linear parameter H ^ (n)

Figure 2014096027
Figure 2014096027

と得られる。
そのため、パラメータ更新部606は、次式により、非線形パラメータa^(n)及び線形パラメータH^(n)を更新し、時刻nにおける新たな更新値を出力する。
And obtained.
Therefore, the parameter update unit 606 updates the nonlinear parameter a ^ (n) and the linear parameter H ^ (n) according to the following expression, and outputs a new update value at time n.

Figure 2014096027
Figure 2014096027

なお、ステップサイズであるμa、μHは、それぞれ0≦μa≦1、0≦μH≦1の範囲の中で選定される。 The step sizes μ a and μ H are selected within the ranges of 0 ≦ μ a ≦ 1 and 0 ≦ μ H ≦ 1, respectively.

A. Stenger, W. Kellermann, “Nonlinear acoustic echo cancellation with fast converging memoryless preprocessor”, IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, 2000. ICASSP '00, 2000, Vol. 2, II805 - II808.A. Stenger, W. Kellermann, “Nonlinear acoustic echo cancellation with fast converging memoryless preprocessor”, IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, 2000. ICASSP '00, 2000, Vol. 2, II805-II808.

図1に示すような非線形系2と線形系3とが縦続接続された伝達系1を式(1)及び式(2)でモデル化し、それらの非線形パラメータa^(n)及び線形パラメータH^(n)を、それぞれ式(11)及び式(12)に従って逐次更新する従来技術では、伝達系出力推定値y^(n)の計算において、線形パラメータH^(n)を用いた式(4)または式(5)に相当する時間領域での畳込演算の実行に多くの演算量を要する。演算量の大きい時間領域での畳込演算は、周波数領域で効率的に実行可能であることが知られている。一方、非線形パラメータa^(n)を用いた式(3)に相当する非線形系出力推定値s^(n)の計算は、時間領域で計算した方が効率的である。従って、非線形系出力推定値s^(n)の計算を時間領域で実行した後、伝達系出力推定値y^(n)の計算を周波数領域で実行すればよい。しかし、この場合、非線形パラメータa^(n)及び線形パラメータH^(n)の逐次更新において、全てを時間領域で実行することを想定した式(11)、式(12)をそのまま適用することはできない。   A transmission system 1 in which a nonlinear system 2 and a linear system 3 are cascade-connected as shown in FIG. 1 is modeled by equations (1) and (2), and their nonlinear parameters a ^ (n) and linear parameters H ^ In the conventional technique in which (n) is sequentially updated according to Equation (11) and Equation (12), respectively, the equation (4) using the linear parameter H ^ (n) is calculated in the calculation of the transmission system output estimate y ^ (n). ) Or a convolution operation in the time domain corresponding to Equation (5) requires a large amount of calculation. It is known that a convolution operation in a time domain with a large amount of calculation can be efficiently executed in a frequency domain. On the other hand, the calculation of the nonlinear system output estimated value s ^ (n) corresponding to the equation (3) using the nonlinear parameter a ^ (n) is more efficient when calculated in the time domain. Therefore, after calculating the nonlinear system output estimated value s ^ (n) in the time domain, the transmission system output estimated value y ^ (n) may be calculated in the frequency domain. However, in this case, in the sequential update of the nonlinear parameter a ^ (n) and the linear parameter H ^ (n), formulas (11) and (12) that are assumed to be executed in the time domain should be applied as they are. I can't.

本発明は、非線形系2の出力信号s(n)及び線形系3の出力信号y(n)を推定する際の演算量を小さく抑えながらも、非線形パラメータ及び線形パラメータを統一的に更新できるパラメータ推定技術を提供することを目的とする。   The present invention is a parameter that can update the nonlinear parameter and the linear parameter uniformly while keeping the amount of calculation when estimating the output signal s (n) of the nonlinear system 2 and the output signal y (n) of the linear system 3 small. The purpose is to provide estimation technology.

上記の課題を解決するために、本発明の第一の態様によれば、パラメータ推定装置は過去の入力及び出力に依存しないハードクリップ特性とみなせる非線形系と有限長のインパルス応答とみなせる線形系との縦続接続とみなせる伝達系の、ハードクリップ特性の閾値と有限長のインパルス応答とを推定する。パラメータ推定装置は、閾値の推定値である非線形パラメータを用いて、時間領域の伝達系の入力信号に対する非線形系の出力信号の推定値である非線形系出力推定値を求める非線形パラメータ適用部と、非線形系出力推定値の非線形パラメータについての偏微分値に相当する値を求める微分信号生成部と、時間領域の非線形系出力推定値及び偏微分値に相当する値をそれぞれ周波数領域に変換し、周波数領域の非線形系出力推定値及び偏微分値に相当する値を求める周波数領域変換部と、周波数領域の有限長のインパルス応答の推定値である線形パラメータと、周波数領域の非線形系出力推定値とを乗じ、伝達系の出力信号の周波数領域の推定値である伝達系出力推定値を求める周波数領域線形パラメータ乗算部と、伝達系の出力信号と、伝達系出力推定値との差を求める誤差算出部と、周波数領域の差と偏微分値に相当する値と非線形系出力推定値とを用いて、非線形パラメータを更新し、線形パラメータを周波数領域で更新する混合型パラメータ更新部と、を含む。   In order to solve the above problems, according to the first aspect of the present invention, the parameter estimation device includes a nonlinear system that can be regarded as a hard clip characteristic independent of past inputs and outputs, and a linear system that can be regarded as a finite-length impulse response. The threshold of the hard clip characteristic and the impulse response of a finite length of the transmission system that can be regarded as a cascade connection are estimated. The parameter estimation device includes a nonlinear parameter application unit that obtains a nonlinear system output estimated value that is an estimated value of a nonlinear system output signal with respect to a time domain transmission system input signal using a nonlinear parameter that is a threshold estimated value, A differential signal generation unit for obtaining a value corresponding to a partial differential value for a nonlinear parameter of a system output estimated value, and a time domain nonlinear system output estimated value and a value corresponding to a partial differential value are each converted to a frequency domain, Multiplying the frequency domain transform unit to obtain the value corresponding to the nonlinear system output estimate and partial differential value, the linear parameter that is an estimate of the impulse response of finite length in the frequency domain, and the nonlinear system output estimate in the frequency domain , A frequency domain linear parameter multiplier for obtaining a transmission system output estimation value, which is an estimation value of the frequency domain of the transmission system output signal, an output signal of the transmission system, Update the nonlinear parameter using the error calculation unit that calculates the difference from the transmission system estimated value, the frequency domain difference, the value corresponding to the partial differential value, and the nonlinear system output estimated value, and the linear parameter in the frequency domain. A mixed parameter updating unit for updating.

上記の課題を解決するために、本発明の第二の態様によれば、パラメータ推定方法は、過去の入力及び出力に依存しないハードクリップ特性とみなせる非線形系と有限長のインパルス応答とみなせる線形系との縦続接続とみなせる伝達系の、ハードクリップ特性の閾値と有限長のインパルス応答とを推定する。パラメータ推定方法は、閾値の推定値である非線形パラメータを用いて、時間領域の伝達系の入力信号に対する非線形系の出力信号の推定値である非線形系出力推定値を求める非線形パラメータ適用ステップと、非線形系出力推定値の非線形パラメータについての偏微分値に相当する値を求める微分信号生成ステップと、時間領域の非線形系出力推定値及び偏微分値に相当する値をそれぞれ周波数領域に変換し、周波数領域の非線形系出力推定値及び偏微分値に相当する値を求める周波数領域変換ステップと、周波数領域の有限長のインパルス応答の推定値である線形パラメータと、周波数領域の非線形系出力推定値とを乗じ、伝達系の出力信号の周波数領域の推定値である伝達系出力推定値を求める周波数領域線形パラメータ乗算ステップと、伝達系の出力信号と、伝達系出力推定値との差を求める誤差算出ステップと、周波数領域の差と偏微分値に相当する値と非線形系出力推定値とを用いて、非線形パラメータを更新し、線形パラメータを周波数領域で更新する混合型パラメータ更新ステップと、を含む。   In order to solve the above problems, according to the second aspect of the present invention, the parameter estimation method includes a nonlinear system that can be regarded as a hard clip characteristic independent of past inputs and outputs, and a linear system that can be regarded as a finite-length impulse response. The threshold of the hard clip characteristic and the impulse response of a finite length of the transmission system that can be regarded as a cascade connection are estimated. The parameter estimation method includes a nonlinear parameter applying step for obtaining a nonlinear system output estimated value that is an estimated value of a nonlinear system output signal with respect to a time domain transmission system input signal using a nonlinear parameter that is a threshold estimated value, A differential signal generation step for obtaining a value corresponding to the partial differential value for the nonlinear parameter of the system output estimated value, and a time domain nonlinear system output estimated value and a value corresponding to the partial differential value are each converted to the frequency domain, and the frequency domain Multiplying the frequency domain transformation step to find the value corresponding to the nonlinear system output estimate and partial differential value of, the linear parameter that is an estimate of the impulse response of finite length in the frequency domain, and the nonlinear system output estimate in the frequency domain , Frequency domain linear parameter multiplication step to determine the transmission system output estimate, which is the frequency domain estimate of the output signal of the transmission system The nonlinear parameter is updated using the error calculation step for obtaining the difference between the transmission system output signal and the transmission system output estimate, the frequency domain difference, the value corresponding to the partial differential value, and the nonlinear system output estimate. And a mixed parameter update step of updating the linear parameter in the frequency domain.

本発明によれば、非線形系2の出力信号s(n)を時間領域で推定し、線形系3の出力信号y(n)を周波数領域で推定することで演算効率を高め、なおかつ、非線形パラメータ及び線形パラメータを統一的に更新できるという効果を奏する。   According to the present invention, the output signal s (n) of the nonlinear system 2 is estimated in the time domain, the output signal y (n) of the linear system 3 is estimated in the frequency domain, and the calculation efficiency is improved. In addition, the linear parameters can be updated uniformly.

伝達系を説明するための図。The figure for demonstrating a transmission system. 従来技術を用いたパラメータ推定装置の機能ブロック図。The functional block diagram of the parameter estimation apparatus using a prior art. 第一実施形態に係るパラメータ推定装置の機能ブロック図。The functional block diagram of the parameter estimation apparatus which concerns on 1st embodiment. 第一実施形態に係るパラメータ推定装置の処理フローを示す図。The figure which shows the processing flow of the parameter estimation apparatus which concerns on 1st embodiment. 第一実施形態の変形例に係るパラメータ推定装置の機能ブロック図。The functional block diagram of the parameter estimation apparatus which concerns on the modification of 1st embodiment. 第一実施形態の変形例に係るパラメータ推定装置の処理フローを示す図。The figure which shows the processing flow of the parameter estimation apparatus which concerns on the modification of 1st embodiment. 第一実施形態のパラメータ推定装置をエコー消去装置に転用した場合の機能ブロック図。The functional block diagram at the time of diverting the parameter estimation apparatus of 1st embodiment to an echo cancellation apparatus. 第一実施形態の変形例のパラメータ推定装置をエコー消去装置に転用した場合の機能ブロック図。The functional block diagram at the time of diverting the parameter estimation apparatus of the modification of 1st embodiment to an echo cancellation apparatus.

以下、本発明の実施形態について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.

<第一実施形態のポイント>
本実施形態では、時間領域において演算効率の高い非線形系における処理と、周波数領域において演算効率の高い線形系における処理とを効率的に融合させるために、非線形系の推定パラメータを時間領域での形式、線形系の推定パラメータを周波数領域での形式として保持しておきながら、両者を統一的に更新可能な更新式を導出した。その方法について説明する。
<Points of first embodiment>
In this embodiment, in order to efficiently fuse the processing in the nonlinear system with high calculation efficiency in the time domain and the processing in the linear system with high calculation efficiency in the frequency domain, the estimation parameters of the nonlinear system are in the form of the time domain. While maintaining the estimation parameters of the linear system as a form in the frequency domain, we derived an update formula that can update both in a unified manner. The method will be described.

時間領域における推定パラメータの更新式である式(11)、式(12)を次式のように一般化する。   Formulas (11) and (12), which are estimation parameter update formulas in the time domain, are generalized as the following formulas.

Figure 2014096027
Figure 2014096027

ここで、非線形系2の出力信号s(n)の推定計算を時間領域、線形系3の出力信号y(n)の推定計算を周波数領域で行うために適した、非線形パラメータ、線形パラメータの更新式の具体的な形式を考える。まず、式(13)、式(14)について、ステップサイズμa=μH=1として、更新値Δa^(n)、ΔH^(n)について、対応する時刻nについての入出力関係を満足するものとすると、次式の関係が得られる。 Here, update of nonlinear parameters and linear parameters suitable for performing estimation calculation of output signal s (n) of nonlinear system 2 in the time domain and estimation calculation of output signal y (n) of linear system 3 in the frequency domain. Consider the specific form of the expression. First, with respect to Equation (13) and Equation (14), the step size μ a = μ H = 1 is satisfied, and the updated values Δa ^ (n) and ΔH ^ (n) satisfy the input / output relationship for the corresponding time n. If we do this, the following relationship is obtained.

Figure 2014096027
Figure 2014096027

これに対し、N個の誤差信号e(n)からなる誤差信号ベクトル
E(n)=[e(n),e(n-1),…,e(n-N+1)] (16)
を、離散フーリエ変換、離散コサイン変換、フィルタバンク等を用いて、周波数領域に変換した場合、式(15)に対応する関係は、次式のようになる(少なくとも、近似的に次式の関係が成り立つとみなせる)。
On the other hand, an error signal vector consisting of N error signals e (n)
E (n) = [e (n), e (n-1), ..., e (n-N + 1)] (16)
Is converted to the frequency domain using discrete Fourier transform, discrete cosine transform, filter bank, etc., the relationship corresponding to equation (15) is as follows (at least approximately: Can be considered to hold).

Figure 2014096027
Figure 2014096027

但し、 However,

Figure 2014096027
ここで、E(ωk,i)、H^(ωk,i)、S^(ωk,i),S^'(ωk,i)はk番目の離散周波数ωkに対応するE(n),H^(n),S^(n),S^’(n)の周波数成分を表し(ただし、k=0,1,…,N-1)、iはブロック番号、式(16)のように、信号をN個の要素によるブロック単位としてまとめる時間間隔(例えば、シフト幅であり、1以上N以下の離散時間に対応する時間間隔)毎に割り当てられる番号であり、Δa^(i)はブロックiにおける非線形パラメータa^(i)の時間領域の更新量に相当し、ΔH^(ωk,i)はブロックiにおける線形パラメータH^(ωk,i)の周波数領域における更新量に相当する。
Figure 2014096027
Where E (ω k , i), H ^ (ω k , i), S ^ (ω k , i), S ^ '(ω k , i) are E corresponding to the kth discrete frequency ω k (n), H ^ (n), S ^ (n), S ^ '(n) represents the frequency component (where k = 0,1, ..., N-1), i is the block number, As in (16), it is a number assigned to each time interval (for example, a time interval corresponding to a discrete time of 1 to N) that summarizes the signal as a block unit of N elements, and Δa ^ (i) corresponds to the amount of time domain update of nonlinear parameter a ^ (i) in block i, and ΔH ^ (ω k , i) is in the frequency domain of linear parameter H ^ (ω k , i) in block i. It corresponds to the update amount.

さて、式(17)は未知数よりも、式の数の少ない不定方程式であり、解の与え方には自由度が存在する。本実施形態では、式(17)の重み付き最小ノルム解を各パラメータの更新量として採用する。そのために、式(17)に重み行列Wを導入し、   Now, equation (17) is an indefinite equation with a smaller number of equations than unknowns, and there is a degree of freedom in how to give the solution. In this embodiment, the weighted minimum norm solution of Expression (17) is adopted as the update amount of each parameter. For this purpose, a weight matrix W is introduced into Equation (17),

Figure 2014096027
Figure 2014096027

とする。ここで And here

Figure 2014096027
Figure 2014096027

である。式(18)について、次式により、重み付き最小ノルム解が得られる。但し、は共役転置を表す。 It is. For equation (18), a weighted minimum norm solution is obtained by the following equation. However, * represents conjugate transposition.

Figure 2014096027
Figure 2014096027

しかしながら、式(19)について、   However, for equation (19)

Figure 2014096027
Figure 2014096027

の逆行列計算をそのまま実行することは多大な演算量を要する。そこで、本実施形態では、
「逆行列の補助定理」
A=B-1+CD-1C*
A-1=B-BC(D+C*BC)-1C*B (20)
を利用し、上記の逆行列演算を効率化させる。
まず、
If the inverse matrix calculation is performed as it is, a large amount of calculation is required. Therefore, in this embodiment,
Inverse matrix theorem
A = B -1 + CD -1 C *
A -1 = B-BC (D + C * BC) -1 C * B (20)
To make the above inverse matrix operation more efficient.
First,

Figure 2014096027
Figure 2014096027

と変形した上で、式(20)において、
And in equation (20),

Figure 2014096027
ここで、S^S^*は対角行列であるため、対角要素の逆数を取ることで、簡単に逆行列演算が可能である。式(21)を式(19)に代入すると、次式のように、更新量が得られる。
Figure 2014096027
Here, since S ^ S ^ * is a diagonal matrix, the inverse matrix operation can be easily performed by taking the reciprocal of the diagonal element. When equation (21) is substituted into equation (19), the update amount is obtained as in the following equation.

Figure 2014096027
Figure 2014096027

ここで、αはスカラー量である。これより、非線形パラメータの更新式は、 Here, α is a scalar quantity. From this, the update equation of the nonlinear parameter is

Figure 2014096027
Figure 2014096027

となる。なお、real(A)は、複素数Aの実部のみを返す関数である。非線形パラメータa^(i)は実数値であるため、複素数のαの実部のみを更新に用いるようにしている。また、線形パラメータの更新式は、離散周波数ωk毎に独立に、 It becomes. Note that real (A) is a function that returns only the real part of the complex number A. Since the nonlinear parameter a ^ (i) is a real value, only the real part of the complex number α is used for updating. Also, the linear parameter update formula is independent for each discrete frequency ω k ,

Figure 2014096027
Figure 2014096027

となる。ここで、ステップサイズμhは、0≦μh≦1であり、離散周波数ωk毎に異なる値を与えてもよいし、時間変化するように与えてもよい。なお、式(24)に代えて、次式により、線形パラメータを更新してもよい。 It becomes. Here, the step size μ h is 0 ≦ μ h ≦ 1, and a different value may be given for each discrete frequency ω k or may be given so as to change with time. Note that the linear parameter may be updated by the following equation instead of the equation (24).

Figure 2014096027
Figure 2014096027

なお、δhは、零除算防止のための正の定数である。以下、パラメータ推定装置の構成例を示す。 Note that δh is a positive constant for preventing division by zero. Hereinafter, a configuration example of the parameter estimation apparatus will be shown.

<第一実施形態に係るパラメータ推定装置>
図3は第一実施形態に係るパラメータ推定装置10の機能ブロック図、図4はその処理フローを示す図である。
<Parameter estimation apparatus according to the first embodiment>
FIG. 3 is a functional block diagram of the parameter estimation apparatus 10 according to the first embodiment, and FIG. 4 is a diagram showing a processing flow thereof.

パラメータ推定装置10は、非線形パラメータ適用部110、微分信号生成部120、信号蓄積部130、周波数領域変換部140、線形パラメータ乗算部150、周波数領域変換部160、誤差算出部170及び混合型パラメータ更新部180を含む。   The parameter estimation apparatus 10 includes a nonlinear parameter application unit 110, a differential signal generation unit 120, a signal accumulation unit 130, a frequency domain conversion unit 140, a linear parameter multiplication unit 150, a frequency domain conversion unit 160, an error calculation unit 170, and a mixed parameter update. Part 180.

パラメータ推定装置10は、伝達系1の入力信号x(n)と出力信号y(n)とを受け取り、非線形系2のハードクリップ特性の閾値aと、線形系3の有限長のインパルス応答h0,h1,…,hLとを推定し、閾値aの推定値である非線形パラメータa^(i)と、有限長のインパルス応答h0,h1,…,hLの周波数領域の推定値である線形パラメータH^(ωk,i)とを出力する。以下、各部の処理内容を説明する。 The parameter estimation device 10 receives the input signal x (n) and the output signal y (n) of the transmission system 1, receives the hard clip characteristic threshold a of the nonlinear system 2, and the finite-length impulse response h 0 of the linear system 3. , h 1 , ..., h L , the nonlinear parameter a ^ (i), which is an estimate of the threshold a, and the frequency domain estimate of the finite-length impulse response h 0 , h 1 , ..., h L Output a linear parameter H ^ (ω k , i). Hereinafter, the processing content of each part is demonstrated.

離散時間nにおいて、パラメータ推定装置10の非線形パラメータ適用部110、微分信号生成部120及び信号蓄積部130において以下の処理を行う。   In the discrete time n, the nonlinear parameter application unit 110, the differential signal generation unit 120, and the signal storage unit 130 of the parameter estimation device 10 perform the following processing.

<非線形パラメータ適用部110>
非線形パラメータ適用部110では、非線形パラメータa^(i)と時間領域の入力信号x(n)とを受け取り、これらの値を用いて、次式またはそれと等価な式あるいは近似式により、時間領域の入力信号x(n)に対する非線形系2の出力信号の推定値である非線形系出力推定値s^(n)を求め(s1)、微分信号生成部120及び信号蓄積部130に出力する。
<Nonlinear Parameter Application Unit 110>
The nonlinear parameter application unit 110 receives the nonlinear parameter a ^ (i) and the time domain input signal x (n), and uses these values to calculate the time domain by the following equation or an equivalent equation or an approximate equation. A nonlinear system output estimated value s ^ (n), which is an estimated value of the output signal of the nonlinear system 2 with respect to the input signal x (n), is obtained (s1) and output to the differential signal generation unit 120 and the signal storage unit 130.

Figure 2014096027
Figure 2014096027

なお、a^(i)は、ブロックi毎(例えばシフト幅毎)に混合型パラメータ更新部180から受け取る値である。   Note that a ^ (i) is a value received from the mixed parameter update unit 180 for each block i (for example, for each shift width).

<微分信号生成部120>
微分信号生成部120は、例えば次式またはそれと等価な式あるいは近似式により、非線形系出力推定値s^(n)の非線形パラメータa^(i)についての偏微分値に相当する値s^'(n)を求め(s3)、信号蓄積部130に出力する。なお、図3に示すように、非線形系出力推定値s^(n)を受け取り、次式において、入力信号x(n)に代えて、非線形系出力推定値s^(n)を用いても、非線形系出力推定値s^(n)を非線形パラメータa^(i)について偏微分し、値s^'(n)を求めることができる。
<Differential signal generation unit 120>
The differential signal generation unit 120 uses a value s ^ ′ corresponding to the partial differential value of the nonlinear parameter a ^ (i) of the nonlinear system output estimated value s ^ (n) by, for example, the following expression or an equivalent expression or an approximate expression: (n) is obtained (s3) and output to the signal storage unit 130. As shown in FIG. 3, the nonlinear system output estimated value s ^ (n) is received, and in the following equation, the nonlinear system output estimated value s ^ (n) may be used instead of the input signal x (n). Then, the nonlinear output estimation value s ^ (n) can be partially differentiated with respect to the nonlinear parameter a ^ (i) to obtain the value s ^ '(n).

Figure 2014096027
Figure 2014096027

<信号蓄積部130>
信号蓄積部130は、非線形系出力推定値s^(n)と値s^'(n)とを受け取り、Lサンプル過去まで遡って、L+1個の非線形系出力推定値s^(n),s^(n-1),…,s^(n-L)と、L+1個の値s^'(n),s^'(n-1),…,s^'(n-L)とを蓄積する(s5)。
<Signal Storage Unit 130>
The signal accumulating unit 130 receives the nonlinear system output estimated value s ^ (n) and the value s ^ '(n), and goes back to the past of L samples, and L + 1 nonlinear system output estimated values s ^ (n) , s ^ (n-1), ..., s ^ (nL) and L + 1 values s ^ '(n), s ^' (n-1), ..., s ^ '(nL) Accumulate (s5).

ブロックi毎(例えばシフト幅毎)に、パラメータ推定装置10の周波数領域変換部140及び160、線形パラメータ乗算部150、誤差算出部170及び混合型パラメータ更新部180において以下の処理を行う。   For each block i (for example, for each shift width), the frequency domain conversion units 140 and 160, the linear parameter multiplication unit 150, the error calculation unit 170, and the mixed parameter update unit 180 of the parameter estimation device 10 perform the following processing.

<周波数領域変換部140及び160>
周波数領域変換部140は、信号蓄積部130から非線形系出力推定値S^(n)=[s^(n),s^(n-1),…,s^(n-L)]と、値S^'(n)=[s^'(n),s^'(n-1),…,s^'(n-L)]とを取り出し、それぞれ周波数領域に変換し、周波数領域の非線形系出力推定値S^(ωk,i)と、値S^'(ωk,i)とを求め(s7)、非線形系出力推定値S^(ωk,i)及び値S^'(ωk,i)を混合型パラメータ更新部180に、非線形系出力推定値S^(ωk,i)を線形パラメータ乗算部150に出力する。なお、周波数領域への変換方法としては、離散フーリエ変換、離散コサイン変換、フィルタバンク等が考えられる。
<Frequency domain converters 140 and 160>
The frequency domain transform unit 140 obtains a nonlinear system output estimated value S ^ (n) = [s ^ (n), s ^ (n-1),... S ^ (nL)] from the signal storage unit 130 and a value S. ^ '(n) = [s ^' (n), s ^ '(n-1),…, s ^' (nL)] are extracted and converted to the frequency domain, respectively, to estimate the nonlinear system output in the frequency domain The value S ^ (ω k , i) and the value S ^ '(ω k , i) are obtained (s7), and the nonlinear system output estimated value S ^ (ω k , i) and the value S ^' (ω k , i i) is output to the mixed parameter updating unit 180, and the nonlinear system output estimated value S ^ (ω k , i) is output to the linear parameter multiplying unit 150. Note that as a method for converting to the frequency domain, discrete Fourier transform, discrete cosine transform, filter bank, and the like are conceivable.

同様に周波数領域変換部160は、伝達系1の出力信号y(n)を受け取り、図示しない信号蓄積部にL+1個の伝達系1の出力信号y(n),y(n-1),…,y(n-L)を蓄積しておき、ブロックi毎に、L+1個の伝達系1の出力信号y(n),y(n-1),…,y(n-L)を周波数領域に変換し、周波数領域の伝達系1の出力信号Y(ωk,i)を求め(s11)、誤差算出部170に出力する。 Similarly, the frequency domain converter 160 receives the output signal y (n) of the transmission system 1 and outputs L + 1 output signals y (n), y (n-1) of the L + 1 transmission systems 1 to a signal storage unit (not shown). ,..., Y (nL) are accumulated, and for each block i, the output signals y (n), y (n-1),. To obtain the output signal Y (ω k , i) of the transmission system 1 in the frequency domain (s11) and output it to the error calculator 170.

<線形パラメータ乗算部150>
線形パラメータ乗算部150は、線形パラメータH^(ωk,i)と周波数領域の非線形系出力推定値S^(ωk,i)とを受け取り、次式のように、離散周波数ωk毎にこれらの値を乗じ、周波数領域の伝達系1の出力信号Y(ωk,i)の推定値である伝達系出力推定値Y^(ωk,i)を求め(s9)、誤差算出部170に出力する。
Y^(ωk,i)=H^(ωk,i)S^(ωk,i)
なお、この式の計算量が、式(4)、式(5)の計算量に比べて少ないため、パラメータ推定装置10は従来技術に比べ、計算量を少なくすることができる。このような構成により、非線形系2の出力信号s(n)を時間領域で推定し、線形系3の出力信号y(n)を周波数領域で推定することができる。
<Linear parameter multiplication unit 150>
The linear parameter multiplier 150 receives the linear parameter H ^ (ω k , i) and the frequency domain nonlinear system output estimate S ^ (ω k , i), and for each discrete frequency ω k as shown in the following equation. By multiplying these values, a transmission system output estimated value Y ^ (ω k , i) that is an estimated value of the output signal Y (ω k , i) of the transmission system 1 in the frequency domain is obtained (s9), and the error calculation unit 170 is calculated. Output to.
Y ^ (ω k , i) = H ^ (ω k , i) S ^ (ω k , i)
Since the calculation amount of this equation is smaller than the calculation amounts of Equation (4) and Equation (5), the parameter estimation device 10 can reduce the calculation amount as compared with the conventional technique. With such a configuration, the output signal s (n) of the nonlinear system 2 can be estimated in the time domain, and the output signal y (n) of the linear system 3 can be estimated in the frequency domain.

<誤差算出部170>
誤差算出部170は、周波数領域の伝達系1の出力信号Y(ωk,i)と伝達系出力推定値Y^(ωk,i)とを受け取り、次式のように、離散周波数ωk毎にその差を誤差信号E(ωk,i)として求め(s13)、混合型パラメータ更新部180に出力する。
E(ωk,i)=Y(ωk,i)-Y^(ωk,i)
<Error calculation unit 170>
The error calculation unit 170 receives the output signal Y (ω k , i) of the transmission system 1 in the frequency domain and the transmission system output estimated value Y ^ (ω k , i), and outputs the discrete frequency ω k as shown in the following equation. The difference is obtained as an error signal E (ω k , i) every time (s 13) and output to the mixed parameter updating unit 180.
E (ω k , i) = Y (ω k , i) -Y ^ (ω k , i)

<混合型パラメータ更新部180>
混合型パラメータ更新部180は、周波数領域の誤差信号E(ωk,i)と値S^'(ωk,i)と非線形系出力推定値S^(ωk,i)とを受け取り、これらの値を用いて、非線形パラメータa^(i)を更新し、線形パラメータH^(ωk,i)を周波数領域で更新し(s15)、更新後の非線形パラメータa^(i+1)を非線形パラメータ適用部110に、更新後の線形パラメータH^(ωk,i+1)を線形パラメータ乗算部150に出力する。
<Mixed parameter update unit 180>
The mixed parameter updating unit 180 receives the error signal E (ω k , i) in the frequency domain, the value S ^ ′ (ω k , i), and the nonlinear system output estimated value S ^ (ω k , i). Is used to update the nonlinear parameter a ^ (i), the linear parameter H ^ (ω k , i) is updated in the frequency domain (s15), and the updated nonlinear parameter a ^ (i + 1) is updated. The updated linear parameter H ^ (ω k , i + 1) is output to the nonlinear parameter application unit 110 to the linear parameter multiplication unit 150.

具体的には、式(23)、(24)により、更新する。   Specifically, it is updated according to equations (23) and (24).

Figure 2014096027
と零除算防止のための正の定数δ(大きくてもH^S^'*[S^S^*]-1H^S^'の平均値を超えない程度)を分母に与えてもよい。このような更新式を用いることで、非線形パラメータを時間領域での形式、線形系の推定パラメータを周波数領域での形式として保持しておきながら、両者を統一的に更新できる。また、重み係数wは正数であり、非線形パラメータの推定に重点を置く場合は、1より小さい値を与え、線形パラメータの推定に重点を置く場合は、1より大きい値を与える。利用者は、非線形系及び線形系の推定パラメータの更新重みを自由に制御することができる。
Figure 2014096027
And a positive constant δ to prevent division by zero (even if it is large, it does not exceed the average value of H ^ S ^ ' * [S ^ S ^ * ] -1 H ^ S ^') may be given to the denominator . By using such an update formula, both can be updated uniformly while maintaining the nonlinear parameters in the time domain format and the linear system estimation parameters in the frequency domain format. Further, the weighting factor w is a positive number, and a value smaller than 1 is given when emphasizing the estimation of the nonlinear parameter, and a value larger than 1 is given when emphasizing the estimation of the linear parameter. The user can freely control the update weights of the estimation parameters of the nonlinear system and the linear system.

ここで、重み係数wについて、   Here, for the weight coefficient w,

Figure 2014096027
Figure 2014096027

と時間変化するように与えてもよい。ここで、Nは周波数分割数である。 And may be given to change over time. Here, N is the frequency division number.

また、各離散周波数ωkについて、線形パラメータH^(ωk,i)のスカラー値の代わりに、長さM(M個の係数を持つ)の(小さな)FIRフィルタで構成してもよい。このとき、重み係数wは、 Further, each discrete frequency ω k may be configured by a (small) FIR filter having a length M (having M coefficients) instead of the scalar value of the linear parameter H ^ (ω k , i). At this time, the weight coefficient w is

Figure 2014096027
Figure 2014096027

と与えることもできる。線形パラメータH^(ωk,i)のノルムが1前後の値となるのに対し、非線形パラメータa^(i)の大きさは振幅に依存し、その取りうる範囲は線形パラメータH^(ωk,i)に比べ非常に大きいものとなる。非線形パラメータa^(i)の値に応じて、重み係数wを時間変化するように与えることで、重点的に推定するパラメータをより適切に設定することができる。つまり、非線形パラメータa^(i)の値が大きければ重み係数wの値を小さくして非線形パラメータの推定に重点を置き、小さければ重み係数wの値を大きくして線形パラメータの推定に重点を置く。このような構成により、演算的に効率的かつ精度の高い推定処理を可能としている。 Can also be given. While the norm of the linear parameter H ^ (ω k , i) is a value around 1, the magnitude of the nonlinear parameter a ^ (i) depends on the amplitude, and the possible range is the linear parameter H ^ (ω It is very large compared to k 1 , i). By giving the weighting coefficient w to change with time according to the value of the nonlinear parameter a ^ (i), it is possible to more appropriately set the parameter to be preferentially estimated. In other words, if the value of the nonlinear parameter a ^ (i) is large, the value of the weighting factor w is reduced to focus on the estimation of the nonlinear parameter, and if it is small, the value of the weighting factor w is increased to focus on the estimation of the linear parameter. Put. Such a configuration enables computationally efficient and highly accurate estimation processing.

なお、パラメータ推定装置10は、ブロックi毎に、非線形パラメータa^(i+1)及び線形パラメータH^(ωk,i+1)を推定値として出力してもよいし、非線形パラメータa^(i+1)及び線形パラメータH^(ωk,i+1)の値が収束した後に、収束したと判断したときの非線形パラメータa^(i+1)及び線形パラメータH^(ωk,i+1)を推定値として出力してもよい。例えば、以下のような場合に収束したと判断する。 The parameter estimation device 10 may output the nonlinear parameter a ^ (i + 1) and the linear parameter H ^ (ω k , i + 1) as estimated values for each block i, or the nonlinear parameter a ^ After the values of (i + 1) and linear parameters H ^ (ω k , i + 1) have converged, the nonlinear parameters a ^ (i + 1) and linear parameters H ^ (ω k , i + 1) may be output as an estimated value. For example, it is determined that convergence has occurred in the following case.

(1)非線形パラメータa^(i)及び線形パラメータH^(ωk,i)についての各更新前後の差が一定値以下になった場合(二つの差とも一定値以下になるまで二つのパラメータを更新してもよいし、何れか一方の差が一定値以下になった場合には、該当するパラメータのみ更新を停止してもよい)
(2)上記処理s1〜s15を一定数回(例えば100回)繰り返した場合
(3)(1)または(2)の何れかを満たす場合
(1) When the difference before and after each update of the non-linear parameter a ^ (i) and the linear parameter H ^ (ω k , i) is less than a certain value (the two parameters until the two differences are less than a certain value) May be updated, or when the difference of either one becomes less than a certain value, only the relevant parameter may be updated)
(2) When the above processes s1 to s15 are repeated a certain number of times (for example, 100 times) (3) When either (1) or (2) is satisfied

また、パラメータ推定装置10は、線形パラメータH^(ωk,i+1)を時間領域に変換して出力してもよい。 Further, the parameter estimation device 10 may convert the linear parameter H ^ (ω k , i + 1) into the time domain and output it.

<効果>
本実施形態によるパラメータ推定装置によれば、非線形系出力推定値を時間領域において計算し、線形系出力推定値を周波数領域において計算することで、演算効率を高めることができる。また、式(22)〜(24)により、非線形パラメータ及び線形パラメータを統一的に更新できる。なおかつ、周波数領域における誤差信号、非線形系出力推定値及びその偏微分値に相当する値を統一的に取り扱うことで、非線形系及び線形系の推定パラメータの更新重みを自由に制御可能な更新式を導出することにより、演算的に効率的かつ精度の高い推定処理を可能としている。
<Effect>
According to the parameter estimation device according to the present embodiment, the calculation efficiency can be improved by calculating the nonlinear system output estimation value in the time domain and calculating the linear system output estimation value in the frequency domain. Further, the nonlinear parameters and the linear parameters can be updated uniformly by the equations (22) to (24). In addition, by uniformly handling the error signal in the frequency domain, the nonlinear system output estimated value, and the value corresponding to the partial differential value, an update equation that can freely control the update weights of the estimation parameters of the nonlinear system and the linear system is provided. By deriving, it is possible to perform estimation processing that is computationally efficient and highly accurate.

<変形例>
図5は第一実施形態の変形例の機能ブロック図、図6はその処理フローを示す図である。第一実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
<Modification>
FIG. 5 is a functional block diagram of a modification of the first embodiment, and FIG. 6 is a diagram showing a processing flow thereof. Only parts different from the first embodiment will be described.

パラメータ推定装置20は、非線形パラメータ適用部110、微分信号生成部120、信号蓄積部130、周波数領域変換部140、線形パラメータ乗算部150、誤差算出部270、時間領域変換部191、周波数領域変換部193及び混合型パラメータ更新部180を含む。つまり、時間領域変換部191及び周波数領域変換部193を含む点、周波数領域変換部160を含まない点、誤差算出部270の入出力が第一実施形態と異なる。ブロックi毎に、誤差算出部270、時間領域変換部191、周波数領域変換部193において以下の処理を行う。   The parameter estimation device 20 includes a nonlinear parameter application unit 110, a differential signal generation unit 120, a signal accumulation unit 130, a frequency domain conversion unit 140, a linear parameter multiplication unit 150, an error calculation unit 270, a time domain conversion unit 191, and a frequency domain conversion unit. 193 and the mixed parameter update unit 180. That is, the point including the time domain conversion unit 191 and the frequency domain conversion unit 193, the point not including the frequency domain conversion unit 160, and the input / output of the error calculation unit 270 are different from the first embodiment. For each block i, the error calculator 270, time domain converter 191 and frequency domain converter 193 perform the following processing.

<時間領域変換部191>
時間領域変換部191は、線形パラメータ乗算部150から伝達系出力推定値Y^(ωk,i)を受け取り、時間領域に変換し、時間領域の伝達系出力推定値Y^(n)=[y^(n),y^(n-1),…,y^(n-L)]を求め(s21)、誤差算出部270に出力する。なお、時間領域への変換方法としては、周波数領域変換部140の変換方法に対応するものを用いればよい。
<Time domain conversion unit 191>
The time domain conversion unit 191 receives the transmission system output estimated value Y ^ (ω k , i) from the linear parameter multiplication unit 150, converts it into the time domain, and transmits the time domain transmission system output estimation value Y ^ (n) = [ y ^ (n), y ^ (n-1),..., y ^ (nL)] are obtained (s21) and output to the error calculation unit 270. In addition, as a conversion method to the time domain, a method corresponding to the conversion method of the frequency domain conversion unit 140 may be used.

<誤差算出部270>
誤差算出部270は、伝達系1の出力信号y(n)と伝達系出力推定値Y^(n)=[y^(n),y^(n-1),…,y^(n-L)]とを受け取り、次式のように、離散時間n毎にその差を誤差信号e(n)として求め(s23)、周波数領域変換部193に出力する。
e(n)=y(n)-y^(n)
例えば、誤差算出部270は、図示しない信号蓄積部にL+1個の伝達系1の出力信号y(n),y(n-1),…,y(n-L)を蓄積しておき、伝達系出力推定値Y^(n)を受け取る毎に、L+1個の誤差信号e(n),e(n-1),…,e(n-L)からなる誤差信号ベクトルE(n)を求める。また、シフト幅分だけ伝達系1の出力信号y(n)を蓄積しておき、伝達系出力推定値Y^(n)を受け取る毎に、シフト幅分だけ誤差信号e(n)を求め、それ以前に求めた誤差信号と合わせて1ブロック分の誤差信号e(n),e(n-1),…,e(n-L)からなる誤差信号ベクトルE(n)を周波数領域変換部193に出力する構成としてもよい。
<Error calculation unit 270>
The error calculation unit 270 outputs the output signal y (n) of the transmission system 1 and the transmission system output estimated value Y ^ (n) = [y ^ (n), y ^ (n-1), ..., y ^ (nL). The difference is obtained as an error signal e (n) at each discrete time n as shown in the following equation (s23), and is output to the frequency domain transform unit 193.
e (n) = y (n) -y ^ (n)
For example, the error calculation unit 270 stores output signals y (n), y (n−1),..., Y (nL) of L + 1 transmission systems 1 in a signal storage unit (not shown) and transmits the signal. Every time system output estimate Y ^ (n) is received, an error signal vector E (n) consisting of L + 1 error signals e (n), e (n-1), ..., e (nL) is obtained. . Also, the output signal y (n) of the transmission system 1 is accumulated for the shift width, and every time the transmission system output estimated value Y ^ (n) is received, the error signal e (n) is obtained for the shift width, An error signal vector E (n) composed of error signals e (n), e (n−1),..., E (nL) for one block together with the error signal obtained before that is sent to the frequency domain transform unit 193. It is good also as a structure to output.

<周波数領域変換部193>
周波数領域変換部193は、誤差信号ベクトルE(n)を受け取り、周波数領域に変換し、周波数領域の誤差信号E(ωk,i)を求め(s25)、混合型パラメータ更新部180に出力する。
<Frequency domain conversion unit 193>
The frequency domain transform unit 193 receives the error signal vector E (n), transforms it into the frequency domain, obtains the frequency domain error signal E (ω k , i) (s25), and outputs it to the mixed parameter update unit 180. .

このような構成により、第一実施形態と同様の効果を得ることができる。   With such a configuration, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.

<第二実施形態>
第一実施形態及びその変形例のパラメータ推定装置は、例えばエコー消去装置への転用が可能である。図7及び図8はそれぞれ第一実施形態及びその変形例のパラメータ推定装置をエコー消去装置に転用した場合の機能ブロック図である。
<Second embodiment>
The parameter estimation device according to the first embodiment and its modification can be diverted to, for example, an echo canceller. 7 and 8 are functional block diagrams when the parameter estimation device of the first embodiment and its modification is diverted to an echo canceller, respectively.

エコー消去装置30及び40は、スピーカ202から再生される音響信号が室内で反響し、同一室内にあるマイクロホン302へ回り込むエコーを推定して得られる擬似エコー信号をマイクロホンの収音信号から差し引くことで、エコーの消去された信号を出力するものである。   The echo cancellers 30 and 40 subtract the pseudo echo signal obtained by estimating the echo that circulates into the microphone 302 in the same room and the acoustic signal reproduced from the speaker 202 from the sound pickup signal of the microphone. The signal from which the echo is canceled is output.

図7及び図8に示すように、スピーカ202で再生するための再生信号x(n)に増幅器201でゲインをかけてスピーカ202から再生する際、増幅器201やスピーカ202により信号に歪が生じる場合がある。すなわち、スピーカ202で再生するための再生信号x(n)が、歪を発生させる増幅器201やスピーカ202を経由し、スピーカ202から放音される信号が得られるまでの伝達特性は非線形とみなし、非線形系2を構成しているものと想定できる。言い換えると、非線形系2はスピーカ202及び増幅器201を含む。また、スピーカ202から放出された音響信号が、室内の反響路301を経由して、マイクロホン302に回り込み、収音信号y(n)が得られるまでの伝達特性は線形とみなし、線形系3を構成するものと想定できる。言い換えると、線形系3は反響路301及びマイクロホン302を含む。   As shown in FIGS. 7 and 8, when a signal is reproduced by the amplifier 201 or the speaker 202 when the reproduction signal x (n) to be reproduced by the speaker 202 is gained by the amplifier 201 and reproduced from the speaker 202. There is. That is, the transfer characteristic until the reproduced signal x (n) to be reproduced by the speaker 202 passes through the amplifier 201 and the speaker 202 that generate distortion and a signal emitted from the speaker 202 is obtained is regarded as nonlinear. It can be assumed that the nonlinear system 2 is configured. In other words, the nonlinear system 2 includes the speaker 202 and the amplifier 201. Further, the acoustic signal emitted from the speaker 202 passes through the indoor reverberation path 301 to the microphone 302, and the transfer characteristic until the sound pickup signal y (n) is obtained is regarded as linear. It can be assumed that it is composed. In other words, the linear system 3 includes an echo path 301 and a microphone 302.

この場合、図3あるいは図5のパラメータ推定装置10あるいは20は、それぞれ図7あるいは図8に示すエコー消去装置30あるいは40として動作することが可能であり、上述の説明にて入力信号x(n)をスピーカ202で再生するための再生信号x(n)に、出力信号y(n)をスピーカ202と同一の空間でマイクロホン302で収音した収音信号y(n)に読み替え(置き換え)ればよいので、重複説明を省略する。なお、エコー消去装置30または40は、非線形パラメータa^(i+1)も線形パラメータH^(ωk,i)も外部に出力する必要はない代わりに、誤差信号e(n)を送信信号として出力する。このため、図7のエコー消去装置30の構成においては、E(ωk,i)をe(n)に変換する時間領域変換部310が新たに設けられている。 In this case, the parameter estimation device 10 or 20 shown in FIG. 3 or 5 can operate as the echo cancellation device 30 or 40 shown in FIG. 7 or FIG. 8, respectively, and the input signal x (n ) Is read (replaced) as a reproduction signal x (n) for reproduction by the speaker 202, and an output signal y (n) as a sound collection signal y (n) collected by the microphone 302 in the same space as the speaker 202. Therefore, the duplicated explanation is omitted. The echo canceling device 30 or 40 does not need to output the nonlinear parameter a ^ (i + 1) or the linear parameter H ^ (ω k , i) to the outside, but sends the error signal e (n) to the transmission signal. Output as. For this reason, in the configuration of the echo canceller 30 of FIG. 7, a time domain conversion unit 310 that converts E (ω k , i) into e (n) is newly provided.

収音信号y(n)には、伝達系に由来するエコーのほかに、近端の話者の発話音声などが含まれる。近端の話者の音声とエコーが混合している場合には、y(n)から擬似エコー信号である伝達系出力推定値y^(n)を差し引いて得られる誤差信号e(n)は、近端の話者の音声が主となり、通信相手への送信信号となる。しかしながら同時に、誤差信号e(n)の中に存在する近端話者の音声は、非線形パラメータや線形パラメータの推定結果を乱す要因ともなる。そこで、以下のような対処が別途必要である。ステップサイズμaまたはμhの値を固定値とする場合は、その値を十分に小さく与える。近端話者の音声の存在を検知できる場合は、近端話者の音声が検知された場合にのみ、ステップサイズμaまたはμhを小さくするように制御する(例えば、μah=0とする)。 The collected sound signal y (n) includes the utterance voice of the near-end speaker in addition to the echo originating from the transmission system. When the near-end speaker's voice and echo are mixed, the error signal e (n) obtained by subtracting the transmission system output estimate y ^ (n), which is a pseudo echo signal, from y (n) is The voice of the near-end speaker is mainly used as a transmission signal to the communication partner. At the same time, however, the near-end speaker's voice present in the error signal e (n) becomes a factor that disturbs the estimation results of the nonlinear parameters and linear parameters. Therefore, the following measures are necessary separately. If the value of the step size mu a or mu h a fixed value gives sufficiently small value. If the presence of the near-end speaker's voice can be detected, control is performed so that the step size μ a or μ h is reduced only when the near-end speaker's voice is detected (for example, μ a = μ h = 0).

<その他の変形例>
本発明は上記の実施形態及び変形例に限定されるものではない。例えば、上述の各種の処理は、記載に従って時系列に実行されるのみならず、処理を実行する装置の処理能力あるいは必要に応じて並列的にあるいは個別に実行されてもよい。その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
<Other variations>
The present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications. For example, the various processes described above are not only executed in time series according to the description, but may also be executed in parallel or individually as required by the processing capability of the apparatus that executes the processes. In addition, it can change suitably in the range which does not deviate from the meaning of this invention.

<プログラム及び記録媒体>
上述したパラメータ推定装置やエコー消去装置は、コンピュータにより機能させることもできる。この場合はコンピュータに、目的とする装置(各種実施形態で図に示した機能構成をもつ装置)として機能させるためのプログラム、またはその処理手順(各実施形態で示したもの)の各過程をコンピュータに実行させるためのプログラムを、CD−ROM、磁気ディスク、半導体記憶装置などの記録媒体から、あるいは通信回線を介してそのコンピュータ内にダウンロードし、そのプログラムを実行させればよい。
<Program and recording medium>
The parameter estimation device and echo canceling device described above can also be operated by a computer. In this case, each process of a program for causing a computer to function as a target device (a device having the functional configuration shown in the drawings in various embodiments) or a process procedure (shown in each embodiment) is processed by the computer. A program to be executed by the computer may be downloaded from a recording medium such as a CD-ROM, a magnetic disk, or a semiconductor storage device or via a communication line into the computer, and the program may be executed.

Claims (8)

過去の入力及び出力に依存しないハードクリップ特性とみなせる非線形系と有限長のインパルス応答とみなせる線形系との縦続接続とみなせる伝達系の、前記ハードクリップ特性の閾値と前記有限長のインパルス応答とを推定するパラメータ推定装置であって、
前記閾値の推定値である非線形パラメータを用いて、時間領域の前記伝達系の入力信号に対する前記非線形系の出力信号の推定値である非線形系出力推定値を求める非線形パラメータ適用部と、
前記非線形系出力推定値の前記非線形パラメータについての偏微分値に相当する値を求める微分信号生成部と、
時間領域の前記非線形系出力推定値及び前記偏微分値に相当する値をそれぞれ周波数領域に変換し、周波数領域の非線形系出力推定値及び偏微分値に相当する値を求める周波数領域変換部と、
周波数領域の前記有限長のインパルス応答の推定値である線形パラメータと、周波数領域の前記非線形系出力推定値とを乗じ、前記伝達系の出力信号の周波数領域の推定値である伝達系出力推定値を求める周波数領域線形パラメータ乗算部と、
前記伝達系の出力信号と、前記伝達系出力推定値との差を求める誤差算出部と、
周波数領域の前記差と前記偏微分値に相当する値と前記非線形系出力推定値とを用いて、前記非線形パラメータを更新し、前記線形パラメータを周波数領域で更新する混合型パラメータ更新部と、を含む、
パラメータ推定装置。
The threshold value of the hard clip characteristic and the impulse response of the finite length of a transmission system that can be regarded as a cascade connection of a nonlinear system that can be regarded as a hard clip characteristic independent of past inputs and outputs and a linear system that can be regarded as a finite impulse response. A parameter estimation device for estimating,
Using a nonlinear parameter that is the estimated value of the threshold, a nonlinear parameter application unit that obtains a nonlinear system output estimated value that is an estimated value of the output signal of the nonlinear system with respect to the input signal of the transmission system in the time domain;
A differential signal generation unit for obtaining a value corresponding to a partial differential value for the nonlinear parameter of the nonlinear system output estimated value;
A frequency domain conversion unit that converts the values corresponding to the nonlinear system output estimated value and the partial differential value in the time domain to the frequency domain, respectively, and calculates values corresponding to the nonlinear system output estimated value and the partial differential value in the frequency domain;
Multiplying the linear parameter that is the estimated value of the finite-length impulse response in the frequency domain and the nonlinear system output estimated value in the frequency domain, and the transmission system output estimated value that is the estimated value in the frequency domain of the output signal of the transmission system A frequency domain linear parameter multiplier for obtaining
An error calculation unit for obtaining a difference between the output signal of the transmission system and the estimated value of the transmission system output;
Using the difference in the frequency domain, a value corresponding to the partial differential value, and the nonlinear system output estimation value, updating the nonlinear parameter, and a mixed parameter updating unit that updates the linear parameter in the frequency domain, Including,
Parameter estimation device.
請求項1記載のパラメータ推定装置であって、
iを時間領域の信号をN個の要素によるブロック単位としてまとめる時間間隔毎に割り当てられる番号とし、μa及びμhをそれぞれ0≦μa≦1及び0≦μh≦1の範囲の中で選定されるステップサイズとし、real(A)を複素数Aの実部のみを返す関数とし、k=0,1,…,N-1とし、ωkをk番目の離散周波数とし、a^(i)及びH^(ωk,i)をそれぞれ前記非線形パラメータ及び線形パラメータとし、S^(ωk,i)、S^'(ωk,i)及びE(ωk,i)をそれぞれ周波数領域の前記非線形系出力推定値、前記偏微分値に相当する値及び前記差とし、*を共役転置とし、重み係数wを正数とし、前記混合型パラメータ更新部において、
Figure 2014096027
ただし、
Figure 2014096027
により、前記非線形パラメータa^及び前記線形パラメータH^を更新する、
パラメータ推定装置。
The parameter estimation device according to claim 1,
i is a number assigned for each time interval in which signals in the time domain are grouped as a block unit of N elements, and μ a and μ h are in a range of 0 ≦ μ a ≦ 1 and 0 ≦ μ h ≦ 1, respectively. The selected step size, real (A) is a function that returns only the real part of the complex number A, k = 0,1, ..., N-1, ω k is the kth discrete frequency, and a ^ (i ) And H ^ (ω k , i) are the nonlinear and linear parameters, respectively, and S ^ (ω k , i), S ^ '(ω k , i) and E (ω k , i) are in the frequency domain, respectively. In the non-linear system output estimated value, the value corresponding to the partial differential value and the difference, * is a conjugate transpose, the weighting factor w is a positive number,
Figure 2014096027
However,
Figure 2014096027
To update the nonlinear parameter a ^ and the linear parameter H ^,
Parameter estimation device.
請求項2記載のパラメータ推定装置であって、
前記線形パラメータH^(ωk,i)がスカラー値の場合、前記重み係数wを
Figure 2014096027

とし、前記線形パラメータH^(ωk,i)が長さMのFIRフィルタで構成される場合、前記重み係数wを
Figure 2014096027

とする、
パラメータ推定装置。
The parameter estimation device according to claim 2, wherein
When the linear parameter H ^ (ω k , i) is a scalar value, the weight coefficient w is
Figure 2014096027

And when the linear parameter H ^ (ω k , i) is composed of an FIR filter of length M, the weight coefficient w is
Figure 2014096027

And
Parameter estimation device.
請求項1から請求項3の何れかに記載のパラメータ推定装置であって、
時間領域の前記伝達系の出力信号を周波数領域に変換し、周波数領域の前記伝達系の出力信号を求める第二周波数領域変換部をさらに含み、
前記誤差算出部において、周波数領域の前記伝達系の出力信号と、前記伝達系出力推定値との差を求める、
パラメータ推定装置。
The parameter estimation device according to any one of claims 1 to 3,
A second frequency domain transform unit for converting the output signal of the transmission system in the time domain into the frequency domain, and obtaining an output signal of the transmission system in the frequency domain;
In the error calculation unit, a difference between the output signal of the transmission system in the frequency domain and the estimated value of the transmission system output is obtained.
Parameter estimation device.
請求項1から請求項3の何れかに記載のパラメータ推定装置であって、
前記伝達系出力推定値を時間領域に変換し、時間領域の伝達系出力推定値を求める時間領域変換部と、
時間領域の誤差信号を周波数領域に変換し、周波数領域の誤差信号を求める第三周波数領域変換部と、をさらに含み、
前記誤差算出部において、時間領域の前記伝達系の出力信号と、時間領域の前記伝達系出力推定値との差を求める、
パラメータ推定装置。
The parameter estimation device according to any one of claims 1 to 3,
Converting the transmission system output estimation value into the time domain, and obtaining a time domain transmission system output estimation value; and
A third frequency domain converter that converts the time domain error signal to the frequency domain and obtains the frequency domain error signal; and
In the error calculation unit, a difference between the output signal of the transmission system in the time domain and the transmission system output estimated value in the time domain is obtained.
Parameter estimation device.
請求項1から請求項5の何れかに記載のパラメータ推定装置を含むエコー消去装置であって、
前記非線形系はスピーカ及び増幅器を含むものとし、前記線形系は反響路及びマイクロホンを含むものとし、前記伝達系の入力信号は前記スピーカの再生信号であり、前記伝達系の出力信号は前記マイクロホンの収音信号であり、当該エコー消去装置は時間領域の誤差信号eを送信信号として出力する、
エコー消去装置。
An echo canceller including the parameter estimation device according to any one of claims 1 to 5,
The nonlinear system includes a speaker and an amplifier, the linear system includes an echo path and a microphone, the input signal of the transmission system is a reproduction signal of the speaker, and the output signal of the transmission system is a sound pickup of the microphone The echo canceller outputs a time domain error signal e as a transmission signal,
Echo canceler.
過去の入力及び出力に依存しないハードクリップ特性とみなせる非線形系と有限長のインパルス応答とみなせる線形系との縦続接続とみなせる伝達系の、前記ハードクリップ特性の閾値と前記有限長のインパルス応答とを推定するパラメータ推定方法であって、
前記閾値の推定値である非線形パラメータを用いて、時間領域の前記伝達系の入力信号に対する前記非線形系の出力信号の推定値である非線形系出力推定値を求める非線形パラメータ適用ステップと、
前記非線形系出力推定値の前記非線形パラメータについての偏微分値に相当する値を求める微分信号生成ステップと、
時間領域の前記非線形系出力推定値及び前記偏微分値に相当する値をそれぞれ周波数領域に変換し、周波数領域の非線形系出力推定値及び偏微分値に相当する値を求める周波数領域変換ステップと、
周波数領域の前記有限長のインパルス応答の推定値である線形パラメータと、周波数領域の前記非線形系出力推定値とを乗じ、前記伝達系の出力信号の周波数領域の推定値である伝達系出力推定値を求める周波数領域線形パラメータ乗算ステップと、
前記伝達系の出力信号と、前記伝達系出力推定値との差を求める誤差算出ステップと、
周波数領域の前記差と前記偏微分値に相当する値と前記非線形系出力推定値とを用いて、前記非線形パラメータを更新し、前記線形パラメータを周波数領域で更新する混合型パラメータ更新ステップと、を含む、
パラメータ推定方法。
The threshold value of the hard clip characteristic and the impulse response of the finite length of a transmission system that can be regarded as a cascade connection of a nonlinear system that can be regarded as a hard clip characteristic independent of past inputs and outputs and a linear system that can be regarded as a finite impulse response. A parameter estimation method for estimating,
Applying a nonlinear parameter to obtain a nonlinear system output estimated value that is an estimated value of the output signal of the nonlinear system with respect to an input signal of the transmission system in the time domain, using a nonlinear parameter that is an estimated value of the threshold;
A differential signal generation step for obtaining a value corresponding to a partial differential value for the nonlinear parameter of the nonlinear system output estimated value;
A frequency domain conversion step of converting the values corresponding to the nonlinear system output estimated value and the partial differential value in the time domain to the frequency domain, respectively, and obtaining values corresponding to the nonlinear system output estimated value and the partial differential value in the frequency domain;
Multiplying the linear parameter that is the estimated value of the finite-length impulse response in the frequency domain and the nonlinear system output estimated value in the frequency domain, and the transmission system output estimated value that is the estimated value in the frequency domain of the output signal of the transmission system A frequency domain linear parameter multiplication step to determine
An error calculating step for obtaining a difference between the output signal of the transmission system and the estimated value of the transmission system output;
Using the difference in the frequency domain, the value corresponding to the partial differential value, and the nonlinear system output estimation value, the nonlinear parameter is updated, and the mixed parameter update step of updating the linear parameter in the frequency domain, and Including,
Parameter estimation method.
請求項1から請求項5の何れかに記載のパラメータ推定装置の各部、または、請求項6に記載のエコー消去装置の各部として、コンピュータを機能させるためのプログラム。   The program for functioning a computer as each part of the parameter estimation apparatus in any one of Claims 1-5, or each part of the echo cancellation apparatus of Claim 6.
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