JP2546001B2 - 自動利得制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、電話回線における音響信号レベル調整な
ど音響信号処理における自動利得制御装置に関するもの
である。

〔従来の技術〕

近年、通信分野の発展はめざましいものがあり、数々
の新しい製品が生み出されている。例えば、複数の端末
を接続することで互いに離れた場所にいる人が移動する
ことなく会議を行なうことのできるTV会議システムや、
受信側の人間が不在の場合でも音声の伝言を残すことの
できる音声メール装置などはその顕著な例であり、これ
によって時間の節約が可能な限り行なわれている。こう
した新しい発明が忙しい都市社会で果たす役割は大き
く、あらゆる視点から多大な関心が寄せられている。最
近では、より自然な音声と安価な使用料金の実現が望ま
れており伝送分野での新たな革新が期待されている。

この高品質な音声の実現に応えるものの１つに自動利
得制御装置がある。自動利得制御（Automatic Gain Con
torol:以下AGCと略す）とは入力信号のレベル範囲が広
い場合にも、その出力を一定の範囲に保つ働きをいい、
伝送に伴なう損失を補い送受信の信号レベルの大きさを
調整するために音響信号処理にも用いられ通信分野の発
展に大きく貢献している。このAGC作用は通常、演算増
幅器を用いたアナログ回路によって行なわれてきた。と
ころが近年のディジタル処理技術の発展により、このAG
C作用をディジタル回路によって行なわせることが可能
となってきた。さらに現在ではディジタル信号処理用プ
ロセッサシステムで、ディジタル形AGC回路を実現して
いるものも多く、より限定された目的のためのAGC装置
が開発されつつある。

そして、第３図は例えば特公昭63−19089号公報に示
された従来のディジタル形AGCシステムの概要を示すシ
ステム図の一例である。

アナログ入力信号A_inはA/D変換器（１）によりディジ
タル入力信号ｘに変換される。そしてこのディジタル入
力信号ｘはディジタル形AGCシステムのAGCループに入力
される。ここで乗算器（２）に入り、利得係数Agとの乗
算が行なわれてAGC出力であるディジタル出力信号ｙと
なる。従って、ｙ＝Ag・ｘとなる。ディジタル出力信号
ｙは分岐されて二乗回路（３）と平均化回路（４）を経
て、利得係数発生回路（５）に入る。こうして利得係数
Agは、サンプル値が入力され、ディジタル出力信号ｙが
AGCループを一巡する毎に定まる。

第３図におけるAGCループALをハードウェア的に実現
するものの一例として、例えば第４図に示すようなもの
がある。

以下に第４図の動作について詳しく説明を行なう。

入力音響信号は、A/D変換器によりディジタル信号に
変換された後、本回路へ与えられる。ディジタル入力信
号ｘはまず乗算器（２）に入力され、ここで利得係数Ag
との乗算が行なわれてAGC出力であるディジタル出力信
号ｙが算出される。ディジタル出力信号ｙはAGCループ
内に分岐されてまずそのレベルを検出するために二乗回
路（31）、さらに加算器（32）に入力される。ただし、
加算器（32）には−（マイナス）入力として入力され
る。加算器（32）には別途基準値Drが印加されており、
ディジタル出力信号ｙがDrを越えるときは負の入力とし
て、逆にディジタル出力信号ｙがDrを下回るときは正の
入力として乗算器（41）に与えられ一定の重みづけがな
される。この乗算器（41）を含めて、加算器（42）なら
びに遅延回路T₁が平均化を行なう。なお、乗算器（51）
に対するｂ、加算器（52）に対する1.0は共に重みづけ
に係わるものであり、ここで利得係数Agを決定、発生す
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のディジタル形AGCシステムにおけるAGCループに
は、第４図のように構成されているものがあり、これを
音響信号のレベル調整に用いようとすると次のような課
題が浮び上がる。先に述べた通り、第４図において、加
算器（42）および遅延回路T₁を含むループは積分器を構
成して平均値を算出する際、積分器は入力された全ての
値を加算しているが、電話回線においては常に通話状態
であるとは限らないので、有音信号が存在しない無音状
態においてもデータの取り込みは行なわれる。これを一
律に平均したのでは、平均値は算出したときの状況に左
右され実際の音響信号レベルとは無関係な値となる虞れ
がある。そこで、音響信号レベルの算出の際に有音検出
回路を用いて有音データだけを抽出しそれらから平均値
を求め、これを参照して利得係数を定めるといったもの
が考案された。先行の装置は構成が簡単であるという長
所を持つもので、データが有音であるかどうかを決める
閾値を予め設定しておいて入力信号がこれに比べて大き
いときは有音データとして平均化の対象とし、小さいと
きは無音データとして平均化の対象から外し、有音デー
タだけから音響レベルを算出する演算機能と、無音区間
時には前サンプルに与えた利得係数をホールドしておく
処理機能を備えたものである。

しかしこの方法では有音時および無音時の入力レベル
に変化が起きた場合、閾値が音声を検出するのに適切で
なくなることがあり、正確な有音検出が行なわれないこ
とがある。有音時および無音時の入力レベルに対して閾
値が適切な値に設定されないとき、どのような結果を導
くかを明確にするため、以下の記述を追記する。第２図
に大きさの異なる３種類の閾値によって有音検出を行
い、有音と判定されたサンプルのみで平均値を算出した
結果を示す。例えば（イ）に示す波形は、ある音響信号
の２乗値であり、これを入力としてa,b,cのような大き
さの異なる３種類の閾値で有音検出し、平均を算出した
結果は（ロ），（ハ），（ニ）のようになる。

すなわち（イ）に示す入力信号に対して閾値ａは小さ
過ぎるため、通常ならば（あ），（い），（う）に示す
ような部分は無音区間と判断して前サンプルに与えた利
得係数をホールドしておくべきであるが、この無音時の
雑音をも有音データとして取り込んでしまう。その結
果、有音レベルはＣを閾値に用いた第２図（ニ）よりも
小さいうえ、広い範囲で変動する。また閾値ｂは（イ）
に示す入力信号に対して大き過ぎる為、入力信号全てを
無音状態の雑音と判定してしまい、有音レベルを算出す
ることができない。従って、無音区間の処理として先に
述べたように、前サンプルに対して与えた利得係数をホ
ールドしこれらの入力に与える。（ハ）に示す波線ｄは
無音区間の始まる直前のサンプルから算出されたレベル
である。a,b,cのうちｃで有音検出を行なった場合の有
音レベルは有音時間に算出される入力信号の平均値とし
て最も見合った値をとり、かつ安定している。これらの
図から分かるように不適当な閾値を用いた場合、算出さ
れるレベルは本来のレベルと異なる場合が多く、これを
基に算出される利得係数も適切な値を取ることができず
自然なレベル調整を行なうことができない。

この発明は、上記のような問題点を解消するためにな
されたもので、入力の対象となる音響データが自然なレ
ベル調整を受けるように、無音時の入力信号の大きさに
あわせて閾値を自動的に変えて正確に有音検出を行な
い、安定したレベルの算出を行い、これを基に有音時の
入力レベルに見合った利得係数を発生させることのでき
る自動利得制御装置を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る自動利得制御装置は、入力信号レベル
を算出しこれをもとに利得係数を発生させるAGCループ
内に有音検出回路と閾値制御回路を装備する。有音時に
は、これにより信号の入力レベルを算出する際に有音検
出回路より有効とされた信号のみを平均した値を算出し
これを入力レベルとし利得係数を算出すると共に、閾値
制御回路へ接続される無音区間信号レベルの平均化回路
の動作を停止させて保持し、又無音時には前サンプルに
対して与えた利得係数をホールドすることで、出力レベ
ルを変動させることを防ぎ、これとともに有音検出回路
により無効とされた信号の平均値を閾値制御回路に印加
して閾値を制御するというものである。

〔作用〕

この発明における自動利得制御装置は、音声等の信号
検出を行なう回路で有音レベル算出に有効なデータのみ
を抽出する作用を前提として、それとともに有音データ
を抽出するための基準値である閾値を無音時の雑音デー
タだけを平均した無音レベルの大きさに合わせて随時調
整するので、信号を有音と無音に分類する処理には高い
信頼性がおかれ、これによって算出される有音レベルは
常に入力音響信号の有音のみから求めたものであり、無
音状態における雑音の影響を受けないので、有音時の入
力に見合った安定した利得制御を受けた出力信号が得ら
れる。

〔実施例〕

第１図は、この発明の一実施例を示すブロック図であ
り、（１），（２），（３），（４），（５）は第３図
に示した従来装置と同一のものである。又、（６）は
（４）と同様平均化回路である。

（７）は閾値制御回路、（８）は有音検出回路、
（９）は有音時と無音時で回路の切り替えを行うスイッ
チ回路である。

次に動作について詳しく説明する。この発明に係るデ
ィジタル形の自動利得制御装置は、従来例のディジタル
形自動利得制御装置と同様にアナログ入力信号A_inをA/D
変換器（１）によりディジタル入力信号ｘに変換した後
に、AGCループに入力して乗算器（２）で利得係数Agと
の乗算を行ってディジタル出力信号ｙとする一方、二乗
回路（３）でそのパワーを抽出する。

このループ内の処理と平行して、ディジタル入力信号
ｘを閾値制御回路（７）より出力された閾値ｃと比較し
てディジタル入力信号ｘが有音データであるか無音デー
タであるかの判定を行う。

閾値制御回路（７）の制御動作については後述する。
音声検出において入力信号が有音のときはスイッチ回路
（９）はON側に接続され、二乗回路（３）の出力信号は
第１の平均化回路（４）へ有音データとして入力され有
音レベルの算出を行ない、この結果を用いて利得係数発
生回路（５）にて利得係数Agを発生させる。このとき第
２の平均化回路（６）では出力信号をそのまま保持する
ように動作させることで、閾値制御回路（７）では前無
音サンプルに対する閾値ｃをホールドし、その値を出力
し続ける。また入力信号が無音であったときはスイッチ
回路（９）はOFF側に接続され、二乗回路（３）の出力
信号は第２の平均化回路（６）へ無音データとして入力
され無音レベルの算出を行なう。そしてこの値が閾値制
御回路（７）に入力され次の様な処理を行う。すなわ
ち、第２の平均化回路（６）の出力する無音レベルの値
が閾値ｃに一定値ｅ（０＜ｅ＜１）を乗じた値より小さ
ければ、無音時の入力レベルに対して閾値ｃは大きいと
みなされるので閾値を下げ、逆に大きければ閾値ｃは無
音時の入力レベルに対して小さいとみなされ、その値を
上げるといった調整を行なう。このようにして閾値の制
御を行い、新たな値が発生すると、閾値制御回路（７）
の出力を有音検出回路（８）の閾値ｃとして新たに設定
し直すことにより、閾値ｃの値は無音時の入力レベルに
対して一定比率で大きい値をとるようになる。また、入
力信号が無音である間は、第１の平均化回路（４）の出
力する有音レベルの算出値を同一値に保持するように動
作させることで、利得係数発生回路（５）では前有音サ
ンプルに対する利得係数Agをホールドし、その値を出力
し続ける。

従って、通話中における会話の節目や沈黙があって
も、適切な閾値を設定することで入力された信号が有音
であるか無音であるかの区別をし、有音レベルの算出を
行なう回路では無音時の雑音信号を平均化対象から除外
して処理を行ない、逆に無音レベルの算出を行なう回路
では無音データのみを対象として処理を行なうことがで
きるという効果がある。さらに本発明で重視したいの
は、無音データを平均して求めた無音レベルによって有
音検出器における閾値を制御するので、常に無音時の入
力レベルに適応した閾値によって有音検出を行うことが
できる点である。すなわち、無音レベルが閾値に一定値
を乗じた値よりも小さい時は閾値を下げ、逆に大きいと
きは閾値を大きくするというように閾値を変更すること
で有音時または無音時の入力信号レベルが変わっても雑
音を有音と判定したり、逆に有音を雑音と判定すること
なく信頼度の高い有音検出を行い、適した利得係数の算
出を行うことができるという効果がある。

尚、上記実施例では、レベルの抽出のために二乗回路
（３）を採用しているが、この代わりに絶対値をとって
も同様の効果があげられる。

また、本発明の自動利得装置はプロセッサを中心とし
たソフトウェア処理で行なうことも可能である。

また、上記実施例では閾値以下の値から無音レベルを
算出し、この値で閾値の制御を行なっているが、無音レ
ベルの代わりに有音レベルに１より小さな一定の値をか
けてこの値を閾値とする制御を行なえば、平均化回路は
１つで済むという効果も考えられる。

また、上記実施例ではAGCループの入力であるディジ
タル入力信号ｘを用いて有音検出を行なっているが、自
動利得制御後の信号であるディジタル出力信号ｙを用い
て有音検出を行なっても良い。

なお、この発明に関するものとして、特開昭61−2563
94号公報に示されるものがある。特開昭61−256394号公
報に示された音声区間検出方式は、無音判定となった後
一定時間を経過した時点の短時間平均ノズルレベル値
（又は、その後一定時間間隔で再サンプリングした短時
間平均ノイズ値）を用いて、有音検出回路の検出閾値の
適応化を行なうものである。この方式は、音声認識装置
のように単語間の無音時間の短いシステムを対象として
いるものであり、短時間のノイズレベル平均値を用いて
有音検出閾値の適応化を行なう為、サンプリングを実施
した時点での入力ノイズレベル状態の影響を受け易く、
サンプリング実施時のノイズ値が瞬間的に高い（或いは
低い）場合には誤った適応化を実現してしまう可能性が
高い。

一方、この発明は、無音判定されている全区間の入力
信号を対象として平均化を行なって得たノイズレベル値
を基にして有音検出回路の検出閾値の適応化を行なうも
のである。

この発明によれば、無音区間全体を対象としてノイズ
レベル値の平均化を行なう為、瞬間的なノイズレベル変
動には左右されない安定した閾値適応制御を行なう事が
できる。この発明は、たとえば、電話通信のように会話
信号の伝送を目的とするシステムを対象としており、全
区間に対し、無音区間が長く、多いという条件下（たと
えば、無音区間が平均的に50％以上存在する条件下）に
於て安定な動作を実現するものである。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明によれば、音声等の有音信号検
出を行なう回路において有音／無音に分類する閾値を無
音時の雑音信号レベルを用いて、適応制御することによ
って、無音時あるいは有音時の入力レベルが変わっても
本来の有音レベル、無音レベルの算出を行なうことがで
きるようになり、これを基に算出する利得を安定したも
のにすることが可能となり、より自然な音響信号レベル
調整を行なうことができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の概要図を示すブロック
図、第２図（イ）〜（ニ）は本発明を適用した場合のデ
ィジタル形AGCシステムにおける入力信号に対する各回
路の出力値を示す図、第３図はディジタル形AGCシステ
ムの概要を示す一従来例のシステム図、第４図はこの発
明の一従来例をハードウェア的に示すブロック図であ
る。 （２）は乗算器、（３）は二乗回路、（４），（６）は
平均化回路、（９）は回路の切り替えを行なうスイッチ
回路、A_inはアナログ入力信号、ｘはディジタル入力信
号、ｙは出力信号。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】信号の入力レベルの強弱に応じた利得係数
   を自動設定し、一定レベルの信号を出力する自動利得制
   御装置において、 信号の入力レベルと予め設定された閾値とを比較し、信
   号の有音区間と無音区間を検出する有音検出回路と、 有音検出回路により検出された有音区間と無音区間に基
   づいて有音区間と無音区間の信号をそれぞれ分離するス
   イッチ回路と、 スイッチ回路により分離された有音区間の信号を入力
   し、有音区間の信号レベルを算出する有音レベル算出部
   と、 有音レベル算出部により算出された有音区間の信号レベ
   ルに基づいて利得係数を設定する利得係数発生回路と、 スイッチ回路により分離された無音区間の信号を入力
   し、無音区間の信号レベルを算出する無音レベル算出部
   と、 無音レベル算出部により算出された無音区間の信号レベ
   ルのみに基づいて上記有音区間と無音区間とを判定する
   閾値を制御する閾値制御回路とを備えたことを特徴とす
   る自動利得制御装置。