JP2551869B2 - 反響消去装置 - Google Patents

反響消去装置

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JP2551869B2
JP2551869B2 JP3044929A JP4492991A JP2551869B2 JP 2551869 B2 JP2551869 B2 JP 2551869B2 JP 3044929 A JP3044929 A JP 3044929A JP 4492991 A JP4492991 A JP 4492991A JP 2551869 B2 JP2551869 B2 JP 2551869B2
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昭二 牧野
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、2線4線変換系およ
び拡声通話系などにおいてハウリングの原因および聴覚
上の障害となる反響信号を消去する反響消去装置に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】衛星通信や音声会議の普及に伴い、同時
通話性能に優れ、反響感の少ない通話装置の提供が望ま
れている。この要求を満たすものとして反響消去装置が
ある。図4に従来の反響消去装置を示し、拡声通話に用
いた場合である。受話信号x(t)を受ける受話入力端
1からスピーカ2に至る受話系と、マイクロホン3から
送話出力端4に至る送話系とからなる通話系において、
A/D変換器5により受話信号x(t)がサンプル値化
され、そのサンプル値化された受話信号x(n)が擬似
反響路6へ供給され、擬似反響路6から擬似反響信号y
(n)h が出力される。A/D変換器7によりマイクロ
ホン3に入力された反響信号y(t)がサンプル値化さ
れ、そのサンプル値化された反響信号y(n)から擬似
反響信号y(n)h を減算器8で差し引くことにより送
話出力端4へ供給される反響信号y(n) は消去され
る。
【0003】ここで擬似反響路6は、スピーカ2からマ
イクロホン3へ達する反響路の経時変動に追従する必要
がある。擬似反響路6は例えばディジタルFIRフィル
タを用いて構成され、減算器8の出力である残差e
(n)=y(n)−y(n)h が0に近づくように、学
習同定法、LMS法またはアファイン射影法などを用い
た推定回路9によってフィルタ係数の逐次修正を行う。
このように擬似反響路6の修正が行われることによっ
て、常に最適な反響消去が維持される。反響消去された
マイクロホン3の送話出力はD/A変換器10でアナロ
グ信号に変換されて送話出力端4へ供給される。
【0004】図5に推定回路9の内部構成を、学習同定
法を用いた場合につき示す。サンプル値化された受話信
号x(n)は受話信号記憶回路11で受話信号ベクトル
x(h)v とされると共にノルム演算回路12で‖x
(n)v 2 が演算される。ステップゲイン行列記憶回
路13にはステップゲイン行列Am が記憶される。擬似
反響路6がディジタルFIRフィルタで構成される場合
には、そのフィルタ係数h(n)vhは室内インパルス応
答h(n)v を直接模擬したものとなっている。従っ
て、反響路の変動に応じて必要なフィルタ係数修正の大
きさは、室内インパルス応答の変動量と一致する。そこ
で、フィルタ係数修正動作における修正幅(ステップゲ
イン)を表すステップゲイン行列Am はインパルス応答
の経時変動特性で重み付けられている。一般に室内音場
におけるインパルス応答変動量は減衰率γを用いた指数
関数として表される。
【0005】x(n)v ,‖x(n)v 2 ,e
(n),Am は修正情報生成回路14に供給されて、 Am ・e(n)・x(n)v /‖x(n)v 2 (1) が演算され、その出力は加算器15へ供給されてタップ
係数記憶回路16からのh(n)vhに加算されて修正さ
れたh(n+1)vhが得られる。その修正されたh(n
+1)vhは擬似反響路6へ出力されると同時に、タップ
係数記憶回路16の値を更新する。
【0006】以上の操作により、擬似反響路6は(2)
式に従って逐次修正され、擬似反響路6のインパルス応
答h(n)vhは真の反響路のインパルス応答h(n)v
に近づいてゆく。 h(n+1)vh=h(n)vh+Am ・e(n)・x(n)v /‖x(n)v 2 (2) ただし、 Am =diag〔α1 ,α2 ,…,αL 〕:ステップゲイン
行列(対角行列であって対角の要素α1 〜αL 以外の要
素はゼロ) α1 =α max γi-1 (i=1,2,…,L) γ:インパルス応答変動量の減衰率 L:タップ数 h(n)vh=(h1(n)h ,h2(n)h ,…,hL (n)h )
T : 擬似反響路(FIRフィルタ)係数 e(n) :推定誤差(=y(n) −y(n)h ) x(n)v =(x(n),x(n−1),…,x(n−L+
1))T :受話信号ベクトルT : ベクトルの転置 (2)式が収束するための必要十分条件は(3)式で表
される。
【0007】 0<αm =(1/L)Σi αi <2 (3) Σi はi=1からi=Lまでの加算であり、αm はステ
ップゲインαi の平均値である。ステップゲイン行列A
m の対角成分αi (i=1,2,…,L)は図2Bに示
すようにiの増加に伴ってαmax からインパルス応答の
指数減衰特性と同じ傾きで指数減衰し0に漸近する。
(3)式によれば、ステップゲインの平均値αmは2を
越えてはならないが、個々のステップゲインαi の値は
2を越えてもよい。実際、最高の収束速度はαm =1.0
のときに達成され、このとき通常の指数減衰およびタッ
プ数を考えれば、αmax >2となる。以上の詳細は特願
昭63−45163号「反響消去装置」の明細書に記載
されている。このアルゴリズムは、人や物の移動により
反響路のインパルス応答が変動する場合に、その変動量
(インパルス応答の差)はインパルス応答と同じ減衰率
で指数減衰するという音響学的知見を利用したものであ
る。変動の大きいインパルス応答の初期の係数は大きな
ステップで、変動の小さいインパルス応答の後期の係数
は小さなステップで修正することにより、収束速度の大
きな反響消去装置を提供することができる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】従来のアルゴリズムの
収束条件(3)式は、入力信号の白色性を仮定して導出
されたものである。ところが、入力信号が音声信号であ
る場合には、白色性の仮定が満足されないため、(3)
式の収束条件は成立しない。そのため、(3)式を満足
するようにαi を設定しただけでは入力信号が音声信号
である場合に発散してしまい、反響消去効果がなくなっ
てしまうという問題があった。
【0009】この発明は上記の問題点に鑑みてなされた
もので、入力信号が音声信号である場合にも反響路の変
動に対し、擬似反響路のインパルス応答の修正の収束を
保証し、収束速度の速い反響消去装置を提供することを
目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】擬似反響路を構成するデ
ィジタルフィルタの係数が反響信号の消去誤差が最小と
なるように動作するアルゴリズムにより逐次的に修正
し、その修正動作における修正幅(ステップゲイン)
を、反響路の変動に対して必要とされるフィルタ係数修
正の大きさに比例して重み付けてあり、この発明ではそ
のフィルタ係数修正動作における個々のステップゲイン
αi の最大値を2で制限することを特徴とする。
【0011】このようにしたから、この発明では入力信
号が音声信号である場合にも収束を保証し収束速度の大
きな反響消去装置を得ることができる。
【0012】
【実施例】図1にこの発明の実施例の要部である推定回
路9の内部の一例として学習同定法を用いた構成例を示
し、図5と対応する部分には同一符号を付けてある。サ
ンプル値化された受話信号x(n)は受話信号記憶回路1
1で受話信号ベクトルx(n)v とされると共にノルム演
算回路12で‖x(n)v 2 が演算される。ステップゲ
イン行列記憶回路13にはステップゲイン行列Am が記
憶される。最大値制限回路17は、個々のステップゲイ
ンαi の最大値が2より大きいときに、その最大値を2
とするように、個々のステップゲインαi に2/αmax
を乗じる。個々のステップαi の最大値が2より小さい
場合には、最大値制限回路17は動作させない。これに
より指数減衰率を変えずに個々のステップゲインαi
最大値を2で制限することができる。
【0013】x(n)v ,‖x(n)v 2 ,e(n) および
最大値を2で制限されたステップゲイン行列Am1は修正
情報生成回路14に供給されて Am1・e(n) ・x(n)v /‖x(n)v 2 (4) が演算され、その出力は加算器15へ供給されてタップ
係数記憶回路16からのh(n)vhに加算されて修正され
た0フィルタ係数h(n+1)vhが得られる。そのフィ
ルタ係数h(n+1)vhは擬似反響路6へ出力されると
同時に、タップ係数記憶回路16の値を更新する。
【0014】以上の操作により、擬似反響路6は(5)
式に従って逐次修正され、擬似反響路6のインパルス応
答h(n)vhは真の反響路のインパルス応答h(n)v に近
づいてゆく。 h(n+1)vh=h(n)vh+Am1・e(n) ・x(n)v /‖x(n)v 2 (5) ただし、Am1=diag〔α1 ,α2 …,αL 〕:最大値を
2で制限されたステップゲイン行列、その他は(2)式
の対応するものと同一。
【0015】(3)式は自動的に満足され、次式で表せ
る。 0<αm =(1/L)Σi αi <2・(2/αmax )<2 (6) ステップゲイン行列Am1の対角成分αi (i=1,2,
…,L)は図2Aに示すようにiの増加に伴って2から
インパルス応答の指数減衰特性と同じ傾きで指数減衰し
0に漸近する。
【0016】この発明の収束特性の計算機シュミレーシ
ョン結果を図3に示す。計算機シュミレーションには実
測したインパルス応答(3840タップ、サンプリング
周波数fs =8KHz )を使用した。反響信号にはS/N
比=30dBとなるように近端雑音を加えた。実線はこの
発明(αm =0.4),破線は前記特願昭63−4516
3号に示す方法(従来法と記す)(αm =1.0),一点
破線は学習同定法を用いてα1 =α2 =…=αL =1.0
とした場合である。
【0017】図3Aは受話信号として音声信号を用いた
場合の収束特性である。従来法(破線)はすぐに反響消
去量が0以下になり発散してしまい、反響消去効果がな
くなってしまうのに対して、この発明(実線)は安定に
収束し、約35dBの反響消去量が得られている。この値
は学習同定法(α=1.0固定)の反響消去量よりも約1
0dB大きい。また、反響消去量20dBに達する収束時間
はαを1.0に固定した学習同定法(一点破線)の約40
%に低減されることがわかる。
【0018】図3Bは受話信号として白色信号を用いた
場合の収束特性である。α固定の学習同定法(一点破
線)と比べた時の収束速度の向上はこの発明(実線)と
従来法(破線)とでほゞ変化がなく、反響消去量20dB
に達する収束時間はα固定の学習同定法(一点破線)の
約40%に低減されることがわかる。詳細にこの発明と
従来法とを比較すれば、この発明(実線)は初期の収束
速度は低下するが定常消去量は増加することがわかる。
これは、平均ステップゲインαm が小さくなることによ
る収束速度と定常消去量のトレードオフの関係のためで
ある。
【0019】このように、この発明では音声信号に対
し、反響路変動に対する擬似反響路のインパルス応答の
収束性が速いが、拡声通話系では人の移動などによる反
響路の変動が多く、これに迅速に適応できることは大き
な利点となる。以上、音場のインパルス応答の変動量が
指数減衰特性を持つ場合について説明したが、他の任意
の変動特性であってもよい。また、インパルス応答の変
動特性を近似してステップゲイン行列の対角成分αi
設定してもよい。ディジタルフィルタとしてFIRフィ
ルタで説明したが、他の任意のディジタルフィルタであ
ってもよい。また、アルゴリズムとして学習同定法で説
明したが、他の任意のアルゴリズムであってもよく、イ
ンパルス応答の変動特性が推定するパラメータに及ぼす
変動の大きさに応じて修正幅をきめればよい。
【0020】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれば
個々のステップゲインαi の最大値を2で制限したか
ら、入力信号が音声信号である場合にも収束を保証し、
収束速度の速い反響消去装置を得ることができる。従っ
て通話品質が改善される効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例の要部である推定回路の具体
例を示すブロック図。
【図2】Aはこの発明におけるステップゲイン行列Am1
の対角成分αi を示す説明図、Bは従来法におけるステ
ップゲイン行列Am の対角成分αi を示す説明図であ
る。
【図3】Aはこの発明と従来法との音声信号入力に対す
る収束過程のシュミレーション結果を示す説明図、Bは
この発明と従来法との白色信号に対する収束過程のシュ
ミレーション結果を示す説明図である。
【図4】反響消去装置の一般的構成を示すブロック図。
【図5】従来の推定回路6の内部の一例を示すブロック
図。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 反響路への送出信号と、その送出信号が
    前記反響路を経由した後の反響信号とから擬似反響路を
    生成し、前記送出信号を前記擬似反響路の入力とするこ
    とにより得られる擬似反響信号を前記反響信号から差し
    引くことにより前記反響信号を消去する反響消去装置に
    おいて、 前記擬似反響路はディジタルフィルタにより構成され、
    前記ディジタルフィルタの係数は前記反響信号の消去
    誤差を最小とするように動作するアルゴリズムにより逐
    次的に修正されるものであり、 そのフィルタ係数修正動作における修正幅(ステ
    ップゲイン)は、それぞれ前記反響路の変動に対して必
    要とされるそのフィルタ係数修正の大きさに比例して重
    み付けられており、 前記フィルタ係数修正動作における修正幅(ステップ
    ゲイン)の最大値は2で制限されていることを特徴とす
    る反響消去装置。
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