JP2018194599A - 雑音抑圧装置、雑音抑圧方法及びプログラム - Google Patents

雑音抑圧装置、雑音抑圧方法及びプログラム Download PDF

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Abstract

【課題】入力信号のレベルが変動しても入力信号中のパルス状雑音を適切に抑圧し得る雑音抑圧装置を提供する。【解決手段】パルス状雑音が混入した入力信号におけるそのパルス状雑音を抑圧する雑音抑圧装置１０は、入力信号を対象とした線形予測分析により線形予測係数を導出する分析部１１と、線形予測係数を用いて入力信号から予測残差信号を算出する残差算出部１２と、入力信号の信号レベルに基づいて閾値を算出する閾値算出部１４と、閾値と予測残差信号の信号レベルとを比較する判定部１５と、判定部１５の比較結果に応じて予測残差信号にリミット制御を施すリミット制御部１６と、線形予測係数を用いて、リミット制御が施された予測残差信号に基づいて出力信号を生成する復元部１７とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、雑音抑圧装置、雑音抑圧方法、及び、雑音抑圧用のプログラムに関する。
エアコンの噴出し音のような定常雑音と異なり、突発的に発生する非定常雑音であるパルス状雑音（つまりパルス状のノイズ）は、いつ発生するか分からないため、その検出及びその雑音の信号レベルの推定が難しい。このため、車載ラジオ（車両に搭載されたラジオ受信機）では、受信するラジオ放送の電波状態が悪くなると、パルス状雑音が発生して、耳障りな音が再生されてしまう。また、テレビ会議システムでは、例えばマイク付近で使用されるコンピュータ入力用のキーボードの操作音がパルス状雑音となり、スピーカで再生される音声が非常に耳障りなものとなる。
従来、観測される信号である入力信号に線形予測分析を実施し、予測残差信号を求めることでパルス状雑音を検出する方法が知られている。特許文献１には、一定時間幅のフレームを分割した複数のサブフレーム毎における予測残差信号の振幅の絶対値が閾値を超えるサンプル点の数を計数して、フレームにおけるその計数値の最大値に基づいて、フレームにパルス状雑音が存在することを検出する方法が記載されている。
特許第４４１３１７５号公報
特許文献１には、雑音の検出の方法は記載されているが、入力信号の信号レベルの変動に対応した雑音の検出の方法、及び、雑音の除去の方法については記載されていない。
そこで、本発明は、入力信号のレベルが変動しても入力信号中のパルス状雑音を適切に抑圧し得る雑音抑圧装置を提供する。また、本発明は、入力信号中のパルス状雑音を適切に抑圧するための雑音抑圧方法、及び、雑音抑圧装置において入力信号中のパルス状雑音を適切に抑圧するために用いられるプログラム（コンピュータプログラム）を提供する。
上記課題を解決するために本発明の一態様に係る雑音抑圧装置は、パルス状雑音が混入した入力信号における当該パルス状雑音を抑圧する雑音抑圧装置であって、前記入力信号を対象とした線形予測分析により線形予測係数を導出する分析部と、前記線形予測係数を用いて前記入力信号から、線形予測結果との差分を示す予測残差信号を算出する残差算出部と、前記入力信号の信号レベルに基づいて閾値を算出する閾値算出部と、前記閾値と前記予測残差信号の信号レベルとを比較する判定部と、前記判定部の比較結果に応じて前記予測残差信号にリミット制御を施すリミット制御部と、前記線形予測係数を用いて、前記リミット制御が施された前記予測残差信号に基づいて出力信号を生成する復元部とを備える雑音抑圧装置である。
また、上記課題を解決するために本発明の一態様に係る雑音抑圧方法は、パルス状雑音が混入した入力信号における当該パルス状雑音を抑圧する雑音抑圧方法であって、前記入力信号を対象とした線形予測分析により線形予測係数を導出する分析ステップと、前記線形予測係数を用いて前記入力信号から、線形予測結果との差分を示す予測残差信号を算出する残差算出ステップと、前記入力信号の信号レベルに基づいて閾値を算出する閾値算出ステップと、前記閾値と前記予測残差信号の信号レベルとを比較する判定ステップと、前記判定ステップで前記予測残差信号の信号レベルが前記閾値より大きいという比較結果が得られた場合に前記予測残差信号を抑圧し、前記予測残差信号の信号レベルが前記閾値より大きくないという比較結果が得られた場合に前記予測残差信号を抑圧しないリミット制御ステップと、前記線形予測係数を用いて、前記リミット制御ステップで抑圧が施された前記予測残差信号に基づいて、出力信号を生成する復元ステップとを含む雑音抑圧方法である。
また、上記課題を解決するために本発明の一態様に係るプログラムは、マイクロプロセッサを備える雑音抑圧装置に、パルス状雑音が混入した入力信号における当該パルス状雑音を抑圧する雑音抑圧処理を実行させるためのプログラムであって、前記雑音抑圧処理は、前記入力信号を対象とした線形予測分析により線形予測係数を導出する分析ステップと、前記線形予測係数を用いて前記入力信号から、線形予測結果との差分を示す予測残差信号を算出する残差算出ステップと、前記入力信号の信号レベルに基づいて閾値を算出する閾値算出ステップと、前記閾値と前記予測残差信号の信号レベルとを比較する判定ステップと、前記判定ステップで前記予測残差信号の信号レベルが前記閾値より大きいという比較結果が得られた場合に前記予測残差信号を抑圧し、前記予測残差信号の信号レベルが前記閾値より大きくないという比較結果が得られた場合に前記予測残差信号を抑圧しないリミット制御ステップと、前記線形予測係数を用いて、前記リミット制御ステップで抑圧が施された前記予測残差信号に基づいて、出力信号を生成する復元ステップとを含むプログラムである。
本発明によれば、入力信号のレベルが変動しても入力信号中のパルス状雑音が適切に抑圧され得る。
実施の形態１に係る雑音抑圧装置の構成を示すブロック図である。 雑音抑圧装置の判定部及びリミット制御部の構成の一例を示すブロック図である。 雑音抑圧装置の復元部の構成の一例を示す図である。 雑音抑圧装置における入力信号及び予測残差信号の例を示す図である。 雑音抑圧装置における予測残差信号及びリミット制御を施した後の信号の例を示す図である。 雑音抑圧装置における入力信号及び出力信号の例を示す図である。 雑音抑圧装置における雑音抑圧処理の一例を示すフローチャートである。
本発明の一態様に係る雑音抑圧装置は、パルス状雑音が混入した入力信号における当該パルス状雑音を抑圧する雑音抑圧装置であって、前記入力信号を対象とした線形予測分析により線形予測係数を導出する分析部と、前記線形予測係数を用いて前記入力信号から、線形予測結果との差分を示す予測残差信号を算出する残差算出部と、前記入力信号の信号レベルに基づいて閾値を算出する閾値算出部と、前記閾値と前記予測残差信号の信号レベルとを比較する判定部と、前記判定部の比較結果に応じて前記予測残差信号にリミット制御を施すリミット制御部と、前記線形予測係数を用いて、前記リミット制御が施された前記予測残差信号に基づいて出力信号を生成する復元部とを備える。ここで、リミット制御は一定条件下で信号レベルを抑える制御である。これにより、入力信号の信号レベルに基づく閾値と予測残差信号の信号レベルとの比較結果に応じてリミット制御が行われるので、入力信号のレベルが変動しても入力信号中のパルス状雑音が適切に抑圧され得る。なお、リミット制御でパルス状雑音が抑圧された予測残差信号に基づいて出力信号が生成されるので、音声への悪影響が抑えられ、パルス状雑音が適切に除去された音声の復元が実現され得る。
また、前記リミット制御部による前記リミット制御は、前記判定部により前記予測残差信号の信号レベルが前記閾値より大きいという比較結果が得られた場合に前記予測残差信号を抑圧し、前記予測残差信号の信号レベルが前記閾値より大きくないという比較結果が得られた場合に前記予測残差信号を抑圧しないことであるとしてもよい。これにより、雑音抑圧装置は、入力信号にパルス状雑音が存在する区間に抑圧の対象を絞って効率的に抑圧することが可能となる。
また、前記入力信号は、サンプル点毎の信号データで構成される時系列信号であり、前記残差算出部は、前記サンプル点毎の信号データで構成される時系列信号として前記予測残差信号を算出し、前記判定部は、前記比較の対象である、１つのサンプル点における前記予測残差信号の信号レベルが、前記閾値より大きくないという比較結果が得られた場合には、当該サンプル点に後続する１つのサンプル点を次の前記比較の対象とし、前記比較の対象である１つのサンプル点における前記予測残差信号の信号レベルが前記閾値より大きいという比較結果が得られた場合には、当該サンプル点から所定数後の１つのサンプル点を次の前記比較の対象とし、前記リミット制御部は、前記比較の対象である１つのサンプル点における前記予測残差信号の信号レベルが前記閾値より大きいという比較結果が前記判定部により得られた場合には、少なくとも当該サンプル点と、当該サンプル点に後続する、前記所定数より１少ないサンプル点とにおける前記予測残差信号を抑圧することとしてもよい。これにより、パルス状雑音が存在することが推定的に検出されるサンプル点を含む一定区間においてパルス状雑音を一度に抑圧するので処理効率が向上し、処理コストが低減され得る。
また、前記判定部が、１つのサンプル点における前記予測残差信号の信号レベルと比較する前記閾値は、前記入力信号の当該サンプル点を含む複数の連続したサンプル点の信号レベルの平均値に基づいて算出された閾値であることとしてもよい。これにより、閾値が動的に定められ、閾値に基づく比較結果によりパルス状雑音が適切に検出され得るので、リミット制御によって効率的にパルス状雑音を除去することが可能となる。
また、前記閾値算出部は、前記入力信号の信号レベルと前記予測残差信号の信号レベルとの比に基づいて前記閾値を算出することとしてもよい。これにより、入力信号の信号レベルの大小にも依存せず予測残差信号の信号レベルの大小にも依存せずに、閾値に基づく比較結果によりパルス状雑音が適切に検出され得る。そして、この検出された区間の予測残差信号に対するリミット制御によって効率的にパルス状雑音を除去することが可能となる。
本発明の一態様に係る雑音抑圧方法は、パルス状雑音が混入した入力信号における当該パルス状雑音を抑圧する雑音抑圧方法であって、前記入力信号を対象とした線形予測分析により線形予測係数を導出する分析ステップと、前記線形予測係数を用いて前記入力信号から、線形予測結果との差分を示す予測残差信号を算出する残差算出ステップと、前記入力信号の信号レベルに基づいて閾値を算出する閾値算出ステップと、前記閾値と前記予測残差信号の信号レベルとを比較する判定ステップと、前記判定ステップで前記予測残差信号の信号レベルが前記閾値より大きいという比較結果が得られた場合に前記予測残差信号を抑圧し、前記予測残差信号の信号レベルが前記閾値より大きくないという比較結果が得られた場合に前記予測残差信号を抑圧しないリミット制御ステップと、前記線形予測係数を用いて、前記リミット制御ステップで抑圧が施された前記予測残差信号に基づいて、出力信号を生成する復元ステップとを含む。これにより、入力信号の信号レベルに基づく閾値より予測残差信号の信号レベルが大きいという比較結果に応じて予測残差信号の抑圧が行われるので、入力信号のレベルに対応してパルス状雑音が適切に抑圧された出力信号が生成され得る。
本発明の一態様に係るプログラムは、マイクロプロセッサを備える雑音抑圧装置に、パルス状雑音が混入した入力信号における当該パルス状雑音を抑圧する雑音抑圧処理を実行させるためのプログラムであって、前記雑音抑圧処理は、前記入力信号を対象とした線形予測分析により線形予測係数を導出する分析ステップと、前記線形予測係数を用いて前記入力信号から、線形予測結果との差分を示す予測残差信号を算出する残差算出ステップと、前記入力信号の信号レベルに基づいて閾値を算出する閾値算出ステップと、前記閾値と前記予測残差信号の信号レベルとを比較する判定ステップと、前記判定ステップで前記予測残差信号の信号レベルが前記閾値より大きいという比較結果が得られた場合に前記予測残差信号を抑圧し、前記予測残差信号の信号レベルが前記閾値より大きくないという比較結果が得られた場合に前記予測残差信号を抑圧しないリミット制御ステップと、前記線形予測係数を用いて、前記リミット制御ステップで抑圧が施された前記予測残差信号に基づいて、出力信号を生成する復元ステップとを含む。このプログラムを、プロセッサを含む装置のプロセッサに実行させることにより、入力信号のレベルに対応してパルス状雑音が適切に抑圧された出力信号が生成され得る。
なお、これらの全般的又は具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム又はコンピュータで読み取り可能なＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体で実現されても良く、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム又は記録媒体の任意な組み合わせで実現されても良い。
以下、実施の形態に係る雑音抑圧方法を用いる雑音抑圧装置について、図面を参照しながら説明する。ここで示す実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。従って、以下の実施の形態で示される数値、構成要素、構成要素の配置及び接続形態、並びに、処理の要素としてのステップ及びステップの順序等は、一例であって本発明を限定するものではない。以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意に付加可能な構成要素である。また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。
（実施の形態１）
以下、本実施の形態に係る雑音抑圧装置１０について説明する。雑音抑圧装置１０は、パルス状雑音が混入した音声信号である入力信号が入力されると、入力信号におけるパルス状雑音を小さく抑圧した出力信号を出力する装置である。雑音抑圧装置１０は、単体でも利用され得るし、例えば車載ラジオ、収音装置、音響機器等に組み込まれて利用されてもよい。
図１は、雑音抑圧装置１０の構成を示すブロック図である。雑音抑圧装置１０は、同図に示すように、分析部１１と、残差算出部１２と、平均値算出部１３と、閾値算出部１４と、判定部１５と、リミット制御部１６と、復元部１７とを含んで構成される。なお、図１には、雑音抑圧装置１０での信号の流れを表すために、入力端子等の、入力信号が入力される入力点１９ａと、残差算出部１２の出力する予測残差信号が現れる点１９ｂと、出力端子等の、出力信号が出力される出力点１９ｃとを示している。
入力信号は、パルス状雑音が混入した音声信号であり、例えば、特定のサンプリング（標本化）周波数（例えば１６ｋＨｚ）でサンプリングされたサンプル点毎のサンプル（つまり信号データ）で構成される時系列信号としてのデジタル信号である。時系列信号としての入力信号において、音声が現れている音声区間のみならず、音声が現れていない無音区間が含まれていてもよい。時間軸においてサンプリング周期の間隔で、サンプル点が存在する。雑音抑圧装置１０では、例えば、一定量の信号データを格納するバッファを用い、時系列信号である入力信号の各信号データを逐次バッファに入れて一時的に保持し、バッファ内の信号データを参照して処理を実行し得る。雑音抑圧装置１０は、例えば、逐次入力される入力信号に対して一定時間遅延して出力信号を逐次出力してもよい。
分析部１１は、入力信号を対象として線形予測分析を実施することにより線形予測係数を導出する。分析部１１は、具体的には、線形予測残差を最小にするように、式１に示すＰ次の線形予測係数を導出する。Ｐは、例えば、１４等である。
Figure 2018194599
時間に係るサンプル点ｔ（ｔ＝０，１，２，・・・）を用いて、入力信号を、時系列信号としてｘ（ｔ）で表す場合において、分析部１１で実施した線形予測による予測信号は、式２で表される。なお、線形予測では、入力信号と予測信号との加算結果の予測誤差が最小となるように予測信号を求めている。
Figure 2018194599
残差算出部１２は、分析部１１が導出した線形予測係数を用いて、入力信号に基づいて予測残差信号を算出する。残差算出部１２は、具体的には、入力信号ｘ（ｔ）と、式２に示される予測信号とを用いて、式３のように、予測残差信号ε（ｔ）を算出する。
Figure 2018194599
線形予測では、入力信号と予測信号との加算結果の予測誤差が最小となるように予測信号を求めているので、予測残差信号ε（ｔ）は、入力信号ｘ（ｔ）と線形予測結果との差分を示すものとなる。
平均値算出部１３は、入力信号の信号レベルの平均値を算出する。平均値算出部１３は、具体的には、入力信号ｘ（ｔ）に基づいて、式４のように、信号レベルの平均値ＸＬＶを算出する。信号レベルは、入力信号の信号波形における振幅の大きさに相当し、信号データの大きさ、つまり絶対値である。
Figure 2018194599
この信号レベルの平均値ＸＬＶは、Ｍ個の信号レベルの移動平均、つまり、Ｍ個のサンプル点の各信号データの絶対値で表される信号レベルを平均した値である。Ｍは２以上の任意の数であり、例えば１０等である。
閾値算出部１４は、入力信号の信号レベルに基づいてパルス状雑音の検出用の閾値を動的に算出する。閾値算出部１４は、具体的には、例えば、平均値算出部１３が算出する入力信号の信号レベルの平均値ＸＬＶに基づいて、式５のように、閾値を算出する。
Figure 2018194599
ここで、αは、時定数ゲインであり、α１、α２（α１＞α２）の値を持ち、予め閾値が適切な値となるように調整され得る。α１＞α２としているのは、信号レベルを、より小さいレベルの方に合わせるための制限である。
なお、音声、音楽等の周期性を有する信号に対しては線形予測分析による予測の誤差が小さくなり、残差算出部１２により算出される予測残差信号の信号レベルは比較的小さくなる。しかし、音声、音楽等の信号とパルス状雑音とが混合した入力信号において、パルス状雑音と比較して音声、音楽等の信号レベルが大きいため、入力信号の信号レベルが全体的に大きい場合等には、算出される予測残差信号における音声、音楽等の信号レベルはある程度大きなものとなり得る。このため、例えば閾値算出部１４が、単純に予測残差信号の平均的な信号レベルのみから閾値を算出すると、パルス状雑音の誤検出が生じ易い。これに対して、閾値算出部１４が上述したように入力信号の信号レベルの平均値に対応してパルス状雑音の検出用の閾値を算出することは、単純に予測残差信号の平均的な信号レベルのみから閾値を算出したり単純に固定値を閾値と定めたりするよりも、パルス状雑音の誤検出を抑制できて有用である。
判定部１５は、入力信号にパルス状雑音が含まれるか否かに係る判定を行う。この判定のために判定部１５は、閾値と、予測残差信号の信号レベルとを比較する。判定部１５は、具体的には、サンプル点毎の１サンプルについて、閾値算出部１４で算出される閾値（式５参照）と、残差算出部１２で算出された予測残差信号ε（ｔ）の信号レベル｜ε（ｔ）｜とを比較し、予測残差信号の信号レベル｜ε（ｔ）｜が閾値より大きい場合にパルス状雑音であると判定し、予測残差信号の信号レベル｜ε（ｔ）｜が閾値より大きくない場合にパルス状雑音でないと判定する。なお、判定部１５で、予測残差信号の１つのサンプル点の信号データの信号レベルとの比較に用いられる閾値は、入力信号のそのサンプル点の信号データを含むＭ個の連続したサンプル点の信号データの信号レベルの平均値に基づいて算出された閾値である。
リミット制御部１６は、残差算出部１２で算出される予測残差信号について、判定部１５の判定結果（つまり予測残差信号の信号レベルと閾値との比較結果）に応じて、リミット制御を行う。リミット制御を行うリミット制御部１６は、具体的には、判定部１５によりパルス状雑音と判定されなければ、予測残差信号をそのまま出力し、パルス状雑音と判定されると、予測残差信号に対して、信号レベルを一定範囲内に抑える抑圧を行って、出力する。
図２に判定部１５及びリミット制御部１６の構成の一例を示す。判定部１５は、予測残差信号の絶対値としての信号レベルを算出する信号レベル算出部１５１と、閾値と予測残差信号の信号レベルとを比較する比較部１５２とを含む。図２の例は、比較部１５２によって、予測残差信号の信号レベルが閾値より大きい場合には、判定部１５に入力された予測残差信号がリミット制御部１６の入力点１５９ａに供給され、予測残差信号の信号レベルが閾値より大きくない場合には、判定部１５に入力された予測残差信号がリミット制御部１６の入力点１５９ｂに供給されることを示す。
リミット制御部１６は、平均値算出部１６１と、抑圧係数算出部１６２と、範囲制御部１６３と、抑圧制御部１６４とを含む。リミット制御部１６では、入力点１５９ａに供給された予測残差信号を、そのまま、復元部１７に接続された点１６９へ供給し、入力点１５９ｂに供給された予測残差信号を、抑圧制御部１６４で抑圧してから点１６９へ供給する。
平均値算出部１６１は、予測残差信号のサンプル点毎の各信号データに対して、その信号データのサンプル点からＬＳＴサンプル分の過去の信号データとＬＥＮＤサンプル分の未来の信号データとの信号レベルの平均値ｑを、式６に示すように算出する。
Figure 2018194599
抑圧係数算出部１６２は、平均値算出部１６１が算出した平均値ｑと、平均値算出部１３が算出した入力信号の信号レベルの平均値ＸＬＶとを用いて、抑圧係数ｇを、式７に示すように算出する。
Figure 2018194599
ここで、βは、抑圧量を調整するための重み係数である。
範囲制御部１６３は、抑圧係数算出部１６２が算出した抑圧係数ｇについて最大値と最小値とを用いて制限をかける。範囲制御部１６３は、具体的には式８に示すように、予め定めた下限値ｇＭＩＮと１との間に制限された抑圧係数ｇを算出する。
Figure 2018194599
ここで、ＭＡＸ（）は２つの引数のうち大きな値を返す関数であり、ＭＩＮ（）は２つの引数のうち小さな値を返す関数である。
抑圧制御部１６４は、範囲制御部１６３により算出された抑圧係数ｇを用いて、信号レベルを抑えるように予測残差信号を抑圧する。
抑圧制御部１６４は、具体的には、式９に示すように、パルス状雑音を検出した１サンプルに対応してＬＳＴサンプル分過去からＬＥＮＤサンプル分未来までの区間の全ての予測残差信号の信号データについて、その予測残差信号の信号データと抑圧係数ｇとの乗算により、抑圧された予測残差信号の信号データを求める。
Figure 2018194599
なお、ＬＳＴ及びＬＥＮＤは任意に定めた値である。例えばＬＳＴは５であり、ＬＥＮＤは５である。例えば、ＬＥＮＤは０であってもよい。
このようにして、リミット制御部１６では、パルス状雑音が検出された１サンプルに対応して、そのＬＳＴサンプル分過去から、ＬＥＮＤサンプル−１分未来までの区間の信号データについての抑圧を行う。但し、リミット制御部１６は、未来の区間が、バッファに存在する最新の信号データのサンプル点を超える場合は、その最新の信号データまでに抑圧対象の区間を狭める。また、判定部１５は、サンプル点毎の１サンプルについて判定を行うが、サンプル点ｔの１サンプルに対してパルス状雑音であるという判定結果が得られた場合、つまりリミット制御を実行することとなる判定結果が得られた場合においては次の判定を、ｔ＋ＬＥＮＤサンプル分のサンプル点から実施することとする。換言すれば、判定部１５は、比較の対象である１つのサンプル点における予測残差信号の信号レベルが閾値より大きいという比較結果が得られた場合には、そのサンプル点から所定数ＬＥＮＤ後の１つのサンプル点を次の比較の対象とする。また、判定部１５は、比較の対象である１つのサンプル点における予測残差信号の信号レベルが閾値より大きくないという比較結果が得られた場合には、そのサンプル点に後続する１つのサンプル点を次の比較の対象とする。そして、リミット制御部１６は、比較の対象である１つのサンプル点における予測残差信号の信号レベルが閾値より大きいという比較結果が判定部１５により得られた場合には、少なくともそのサンプル点と、そのサンプル点に後続する、その所定数ＬＥＮＤより１少ないサンプル点とにおける予測残差信号を抑圧する。これにより、リミット制御部１６での予測残差信号の抑圧を効率良く適切に行うことができる。
復元部１７は、抑圧された予測残差信号を利用することで元の信号を復元する。元の信号は、パルス状雑音が含まれない状態の入力信号に相当する。
図３に復元部１７の構成の一例を示す。同図におけるＺ−１は、１サンプル点分遅延させる演算子である。
元の信号の復元のために復元部１７は、分析部１１が導出した線形予測係数に基づく逆フィルタを用いて、リミット制御部１６のリミット制御により一定条件で抑圧が施されて点１６９に供給された予測残差信号に基づいて、パルス状雑音が抑圧された入力信号に相当する出力信号を生成して出力点１９ｃへと出力する。なお、もし予測残差信号に抑圧が施されていないとすれば、逆フィルタを用いて生成した出力信号は、入力信号と同じものとなる。
時間に係るサンプル点ｔ（ｔ＝０，１，２，・・・）を用いて、出力信号を、時系列信号としてｙ（ｔ）で表す場合において、復元部１７において、出力信号ｙ（ｔ）は、式１に示すＰ次の線形予測係数と式９に示す抑圧された予測残差信号とを用いて、式１０に示すように算出される。
Figure 2018194599
式９で予測残差信号のパルス成分が抑えられているので、出力信号ｙ（ｔ）にパルス成分が復元されない。つまり、パルス状雑音が除去された出力信号が得られる。
（実験結果）
以下、車載ラジオとして上述の雑音抑圧装置１０を実装した実験の結果を説明する。
図４に、雑音抑圧装置１０における入力信号及び予測残差信号の例を示す。図４の（ａ）は、音声とパルス状雑音とが混合した入力信号を示し、図４の（ｂ）は、その入力信号に対応した予測残差信号を示す。縦軸方向の振幅の中央辺りが最小の信号レベルに相当する。
分析部１１により実施される線形予測分析では、時系列信号である入力信号における現時刻としての１サンプル点のサンプル値（つまり信号データの値）を、過去のサンプル値の線形結合として予測可能な線形予測係数を推定することで、線形予測係数の導出を行う。このため、過去のサンプル値に含まれる周期性が強いほど推定精度が高くなり、周期性がない場合は過去のサンプル値からの予測が難しくなるので推定精度が低くなる。従って、音声、音楽等の周期性のある信号については推定誤差が小さく、パルス信号のように突発的或いはランダムに発生する信号については音声等と比較して推定誤差が大きくなる。図４の（ｂ）のように、残差算出部１２が算出する予測残差信号においては、音声信号は小さくなっているが、パルス信号は、比較的大きな信号として残っている。また、音声が発された音声区間におけるパルス信号も大きく残っており、音声区間におけるパルス状雑音を効率良く検出できることが分かる。
図５に、雑音抑圧装置１０における予測残差信号及びリミット制御を施した後の信号の例を示す。図５の（ａ）は、リミット制御部１６でリミット制御が施される前の予測残差信号を示し、図５の（ｂ）は、そのリミット制御が施された後の予測残差信号を示す。なお、図５の（ａ）は、図４の（ｂ）の縦軸のスケールを拡大したものに相当する。パルス信号は大きな信号として予測残差信号に含まれるので、リミット制御により大きな信号を抑圧することで、主としてパルス信号成分が抑圧されることとなる。
図６に、雑音抑圧装置１０の入力信号及び出力信号を示す。図６の（ａ）は、音声とパルス状雑音とが混合した入力信号を示し、図６の（ｂ）は、雑音抑圧装置１０が出力する出力信号を示す。図６の（ｂ）に示すように、出力信号では、入力信号の音声波形はそのまま残り、パルス状雑音としてのパルス信号成分が除去されている。
（他の実施の形態）
以上のように、本発明に係る技術の例示として実施の形態１を説明した。しかしながら、本発明に係る技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略等を行った実施の形態にも適用可能である。例えば、以下のような変形例も本発明の一実施態様に含まれる。
（１）上記実施の形態では、閾値算出部１４が、入力信号の信号レベルの平均値を用いて、パルス状雑音の検出用の閾値を算出する例を示した。この他に、閾値算出部１４は、入力信号の信号レベルと予測残差信号の信号レベルとの両方を用いた演算によって閾値を算出することとしてもよい。例えば、閾値算出部１４は、入力信号の信号レベルと予測残差信号の信号レベルとの比に基づいて閾値を算出することとしてもよい。
（２）上記実施の形態で示した雑音抑圧装置１０は、例えばメモリ、プロセッサ（マイクロプロセッサ）といった集積回路を含むデジタル回路或いはアナログ回路等で構成される。この雑音抑圧装置１０は、メモリに記憶されたプログラムがプロセッサにより実行されてソフトウェア的にその雑音抑圧装置１０の各構成要素の機能を実現するものであっても良いし、専用のハードウェア（デジタル回路等）によりプログラムを用いずにその機能を実現するものであっても良い。例えば、雑音抑圧装置１０の各構成要素（例えば図１の各ブロック）は、それぞれデジタル回路或いはアナログ回路で構成され得るし、例えば、複数の構成要素を結合したものを１つの回路で構成しても良い。また、雑音抑圧装置１０内の各構成要素の機能分担は変更可能である。
（３）上記実施の形態における雑音抑圧装置１０を構成する構成要素の一部又は全部は、１個のシステムＬＳＩ（Large Scale Integration：大規模集積回路）から構成されているとしても良い。システムＬＳＩは、複数の構成部を１個のチップ上に集積して製造された超多機能ＬＳＩであり、具体的には、マイクロプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含んで構成されるコンピュータシステムである。前記ＲＡＭには、コンピュータプログラムが記録されている。前記マイクロプロセッサが、前記コンピュータプログラムに従って動作することにより、システムＬＳＩは、その機能を達成する。また、上記各装置を構成する構成要素の各部は、個別に１チップ化されていても良いし、一部又は全部を含むように１チップ化されても良い。また、ここでは、システムＬＳＩとしたが、集積度の違いにより、ＩＣ、ＬＳＩ、スーパーＬＳＩ、ウルトラＬＳＩと呼称されることもある。また、集積回路化の手法はＬＳＩに限るものではなく、専用回路又は汎用プロセッサで実現しても良い。ＬＳＩ製造後に、プログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）や、ＬＳＩ内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用しても良い。更には、半導体技術の進歩又は派生する別技術によりＬＳＩに置き換わる集積回路化の技術が登場すれば、当然、その技術を用いて機能ブロックの集積化を行っても良い。バイオ技術の適用等が可能性としてあり得る。
（４）本発明の一態様としては、上述の雑音抑圧装置１０の各構成要素の機能を実現するための処理手順としてのステップを含む雑音抑圧方法であるとしてもよい。また、本発明の一態様としては、この雑音抑圧方法に係る雑音抑圧処理を、プロセッサを有する装置におけるプロセッサに実行させるためのプログラム（コンピュータプログラム）であるとしても良い。図７は、プログラムを用いて雑音抑圧装置１０で実行される雑音抑圧処理の一例を示すフローチャートである。雑音抑圧処理のプログラムをプロセッサで実行する雑音抑圧装置１０は、パルス状雑音が混入した入力信号を対象とした線形予測分析により線形予測係数を導出する分析ステップＳ１と、線形予測係数を用いて入力信号から予測残差信号を算出する残差算出ステップＳ２と、入力信号の信号レベルに基づいて閾値を算出する閾値算出ステップＳ３と、閾値と予測残差信号の信号レベルとを比較する判定ステップＳ４と、判定ステップＳ４で予測残差信号の信号レベルが閾値より大きいという比較結果が得られた場合に予測残差信号を抑圧するリミット制御ステップＳ５と、線形予測係数を用いて、リミット制御ステップＳ５で抑圧が施された予測残差信号に基づいて、出力信号を生成する復元ステップＳ６とを実行する。リミット制御ステップＳ５では、判定ステップＳ４で予測残差信号の信号レベルが閾値より大きくないという比較結果が得られた場合に予測残差信号を抑圧しない。図７に示す処理手順の実行順序は、必ずしも、上述した通りの順序に制限されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で、実行順序を入れ替えたり並列処理したりその一部を省略したりすることができる。また、本発明の一態様としては、上述のプログラムからなるデジタル信号であるとしても良い。また、本発明の一態様としては、前記コンピュータプログラム又は前記デジタル信号をコンピュータで読み取り可能な記録媒体、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＢＤ（Blu-ray（登録商標） Disc）、半導体メモリ等に記録したものとしても良い。また、これらの記録媒体に記録されている前記デジタル信号であるとしても良い。また、本発明の一態様としては、前記コンピュータプログラム又は前記デジタル信号を、電気通信回線、無線又は有線通信回線、インターネットを代表とするネットワーク、データ放送等を経由して伝送するものとしても良い。また、本発明の一態様としては、マイクロプロセッサとメモリを備えたコンピュータシステムであって、前記メモリは、上記コンピュータプログラムを記録しており、前記マイクロプロセッサは、前記コンピュータプログラムに従って動作するとしても良い。また、前記プログラム若しくは前記デジタル信号を前記記録媒体に記録して移送することにより、又は、前記プログラム若しくは前記デジタル信号を、前記ネットワーク等を経由して移送することにより、独立した他のコンピュータシステムにより実施するとしても良い。
（５）上記実施の形態及び上記変形例で示した各構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明の範囲に含まれる。
本発明は、例えば車載ラジオ、収音装置、音響機器、テレビ会議システム等において雑音の除去のために利用可能である。
１０ 雑音抑圧装置
１１ 分析部
１２ 残差算出部
１３ 平均値算出部
１４ 閾値算出部
１５ 判定部
１６ リミット制御部
１７ 復元部
１９ａ 入力点
１９ｂ、１５９ａ、１５９ｂ、１６９ 点
１９ｃ 出力点
１５１ 信号レベル算出部
１５２ 比較部
１６１ 平均値算出部
１６２ 抑圧係数算出部
１６３ 範囲制御部
１６４ 抑圧制御部

Claims (7)

  1. パルス状雑音が混入した入力信号における当該パルス状雑音を抑圧する雑音抑圧装置であって、
    前記入力信号を対象とした線形予測分析により線形予測係数を導出する分析部と、
    前記線形予測係数を用いて前記入力信号から、線形予測結果との差分を示す予測残差信号を算出する残差算出部と、
    前記入力信号の信号レベルに基づいて閾値を算出する閾値算出部と、
    前記閾値と前記予測残差信号の信号レベルとを比較する判定部と、
    前記判定部の比較結果に応じて前記予測残差信号にリミット制御を施すリミット制御部と、
    前記線形予測係数を用いて、前記リミット制御が施された前記予測残差信号に基づいて出力信号を生成する復元部とを備える
    雑音抑圧装置。
  2. 前記リミット制御部による前記リミット制御は、前記判定部により前記予測残差信号の信号レベルが前記閾値より大きいという比較結果が得られた場合に前記予測残差信号を抑圧し、前記予測残差信号の信号レベルが前記閾値より大きくないという比較結果が得られた場合に前記予測残差信号を抑圧しないことである
    請求項１記載の雑音抑圧装置。
  3. 前記入力信号は、サンプル点毎の信号データで構成される時系列信号であり、
    前記残差算出部は、前記サンプル点毎の信号データで構成される時系列信号として前記予測残差信号を算出し、
    前記判定部は、前記比較の対象である、１つのサンプル点における前記予測残差信号の信号レベルが、前記閾値より大きくないという比較結果が得られた場合には、当該サンプル点に後続する１つのサンプル点を次の前記比較の対象とし、前記比較の対象である１つのサンプル点における前記予測残差信号の信号レベルが前記閾値より大きいという比較結果が得られた場合には、当該サンプル点から所定数後の１つのサンプル点を次の前記比較の対象とし、
    前記リミット制御部は、前記比較の対象である１つのサンプル点における前記予測残差信号の信号レベルが前記閾値より大きいという比較結果が前記判定部により得られた場合には、少なくとも当該サンプル点と、当該サンプル点に後続する、前記所定数より１少ないサンプル点とにおける前記予測残差信号を抑圧する
    請求項２記載の雑音抑圧装置。
  4. 前記判定部が、１つのサンプル点における前記予測残差信号の信号レベルと比較する前記閾値は、前記入力信号の当該サンプル点を含む複数の連続したサンプル点の信号レベルの平均値に基づいて算出された閾値である
    請求項３記載の雑音抑圧装置。
  5. 前記閾値算出部は、前記入力信号の信号レベルと前記予測残差信号の信号レベルとの比に基づいて前記閾値を算出する
    請求項１〜３のいずれか一項に記載の雑音抑圧装置。
  6. パルス状雑音が混入した入力信号における当該パルス状雑音を抑圧する雑音抑圧方法であって、
    前記入力信号を対象とした線形予測分析により線形予測係数を導出する分析ステップと、
    前記線形予測係数を用いて前記入力信号から、線形予測結果との差分を示す予測残差信号を算出する残差算出ステップと、
    前記入力信号の信号レベルに基づいて閾値を算出する閾値算出ステップと、
    前記閾値と前記予測残差信号の信号レベルとを比較する判定ステップと、
    前記判定ステップで前記予測残差信号の信号レベルが前記閾値より大きいという比較結果が得られた場合に前記予測残差信号を抑圧し、前記予測残差信号の信号レベルが前記閾値より大きくないという比較結果が得られた場合に前記予測残差信号を抑圧しないリミット制御ステップと、
    前記線形予測係数を用いて、前記リミット制御ステップで抑圧が施された前記予測残差信号に基づいて、出力信号を生成する復元ステップとを含む
    雑音抑圧方法。
  7. マイクロプロセッサを備える雑音抑圧装置に、パルス状雑音が混入した入力信号における当該パルス状雑音を抑圧する雑音抑圧処理を実行させるためのプログラムであって、
    前記雑音抑圧処理は、
    前記入力信号を対象とした線形予測分析により線形予測係数を導出する分析ステップと、
    前記線形予測係数を用いて前記入力信号から、線形予測結果との差分を示す予測残差信号を算出する残差算出ステップと、
    前記入力信号の信号レベルに基づいて閾値を算出する閾値算出ステップと、
    前記閾値と前記予測残差信号の信号レベルとを比較する判定ステップと、
    前記判定ステップで前記予測残差信号の信号レベルが前記閾値より大きいという比較結果が得られた場合に前記予測残差信号を抑圧し、前記予測残差信号の信号レベルが前記閾値より大きくないという比較結果が得られた場合に前記予測残差信号を抑圧しないリミット制御ステップと、
    前記線形予測係数を用いて、前記リミット制御ステップで抑圧が施された前記予測残差信号に基づいて、出力信号を生成する復元ステップとを含む
    プログラム。
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