JP2793547B2 - ノイズ除去装置およびその除去方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はノイズ除去装置およ
びその除去方法に関し、特にリアルタイム処理を必要と
する技術領域において、パルス性ノイズを除去する際に
使用されるノイズ除去装置およびその除去方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、リアルタイム処理を必要とする技
術領域において、パルス性ノイズを除去するノイズ除去
装置およびその除去方法は、ＦＭ放送まはＡＭ放送の受
信時、または傷のついたレコード盤を再生する場合など
に生じるパルス性のノイズを低減することなどを目的と
して利用されているのが通例である。このようなパルス
性のノイズは、図７（ａ）の正常な信号波形に対して、
図７（ｂ）に示されるように、その信号出力波形が急激
に変動する信号であり（Ｇの区間を参照）、一般的に、
通常の音楽等の信号の周波数領域よりも更に高い周波数
領域において大きいエネルギーを有している。このため
に、パルス性のノイズが重畳されている音楽信号を高域
通過フィルタを通すことにより、これらの音楽信号に含
まれているパルス性ノイズ成分を検出することが可能で
ある。

【０００３】このように、パルス性ノイズの検出方法と
しては、実公昭６０ー７５７２号公報に１つの方法が開
示されている。当該検出方法は、高域通過フィルタより
出力される信号の出力エンベロープを検出して、その出
力エンベロープ信号のレベルを所定のレベル値と比較照
合して、当該出力エンベロープ信号のレベルが著しく大
きい場合に、前記高域通過フィルタに対する入力信号
に、パルス性ノイズが含まれているものと判定する方法
である。一方において、これらの手法を用いて検出され
たパルス性ノイズを除去するために、パルス性ノイズ成
分の原信号を数学的手法を用いて推測し、その推測結果
によるデータに基づいて信号補間を行うノイズ除去方法
が特公平２ー４８８１５号公報に開示されている。

【０００４】上記の特公平２ー４８８１５号公報に示さ
れているノイズ除去手法を１従来例として、その処理内
容について説明する。当該従来例の基本的な処理手順は
次記のとうりであ。 Ａ．ギャップ中のデータ値を予測するための信号モデル
を与えるために、当該ギャップの前と後の双方より良好
なデータ値を用いて数学的モデルを作成し、 Ｂ．前記ギャップに先立つ良好なデータ値を用いて、ギ
ャップに対応するデータ値を予測するために、前記数学
的モデルを使用し、 Ｃ．当該ギャップに対応するデータ値を予測するため
に、実際のデータ値が存在するギャップに続く点に対応
するデータ値を予測するために、前記数学的モデルを引
続き継続して使用し、 Ｄ．前記ギャップに続く点に対応して予測されたデータ
値と、ギャップに続く良好なデータ値から得られる実際
のデータ値とを比較し、且つ前記数学的モデルを変更す
ることなく、当該数学的モデルにより予測されたデータ
値および実際のデータ値が得られるギャップに続く点に
対応して予測されたデータ値におけう誤差の総計を最小
化するように、ギャップの点に対応して予測されたデー
タ値を再度計算し、 Ｅ．前記点に対応して再度計算されたデータ値を、ノイ
ズ信号を削除した部分に代入して、ノイズ除去方法を終
了する。

【０００５】次に、上記の従来例について、図５のブロ
ック図および図６の処理フローを示すフローチャートを
参照して、その動作内容について敷延して説明する。な
お、本従来例は、入力信号として音楽信号を対象とした
場合の１例である。

【０００６】図５は、当該従来例の構成を示すブロック
図である。図５に示されるように、本従来例は、入力遅
延回路１と、高域通過フィルタ２と、全波整流回路３
と、低域通過フィルタ４と、信号比率比較回路５と、信
号推測演算回路６と、振幅抑圧回路７と、信号再推測演
算回路１０と、出力信号生成回路９とを備えて構成され
る。

【０００７】図５において、信号入力端子Ｔ1 に入力さ
れた音楽信号Ｓi は、入力信号遅延回路１および高域通
過フィルタ２にそれぞれ入力される。高域通過フィルタ
２に入力された音楽信号Ｓi は、パルス性ノイズの検出
用として用いられており、高域通過フィルタ２からはパ
ルス性信号を含む高周波信号Ｓ3 が出力される。当該高
周波信号Ｓ3 は全波整流回路３において全波整流され
て、低域通過フィルタ４に入力され、平滑化された信号
Ｓ4 が生成されて出力される。上記の高周波信号Ｓ3 と
平滑化された信号Ｓ4 は信号比率比較回路５に入力され
て比較照合され、高周波信号Ｓ3 のレベルが極端に大き
い場合には、パルス性ノイズが検出され、検出信号Ｓ5
が、パルス性ノイズ部分を示す信号として出力されて、
信号推測演算回路６および振幅抑圧回路７に入力され
る。振幅抑圧回路７においては、入力信号遅延回路１よ
り出力される信号Ｓ1 のノイズ信号部分が検出信号Ｓ5
の入力を介して抑圧制御され、その出力信号は出力信号
生成回路９に入力される。

【０００８】一方において、この検出信号Ｓ5 が信号比
率比較回路５より出力されている間において、入力信号
遅延回路１において遅延された音楽信号Ｓi は、信号Ｓ
1 として出力されて信号推測演算回路６および振幅抑圧
回路７に入力される。信号推測演算回路６においては、
当該信号Ｓ1 と検出信号Ｓ5 の入力を受けて、ノイズを
除去する信号の原信号の値を推測するための信号モデル
を作成するために、ノイズ信号の前および後のサンプル
された信号（図７におけるＢおよびＡの時間領域の信
号）の双方の値より、良好なデータ値を用いて数学的モ
デルが作成される（ステップ６１）。、次いで、信号推
測演算回路６において、ノイズ信号前の良好な信号（図
７におけるＢの時間領域の信号）のデータ値を初期値と
して、ステップ６１において作成された数学的モデルを
使用して、ノイズ信号部分（図７におけるＧの時間領域
の信号）の原信号の推測値が算出される（ステップ６
２）。そして、原信号に対する推測データ値の精度を向
上させるための反復計算に使用する数学的モデルを作成
するために、良好なデータ値が存在するサンプル上（図
７におけるＡの時間領域の信号）においても、ステップ
６１において作成された数学的モデルを使用して、原信
号の推測演算処理が継続して行われる（ステップ６
３）。次いで、ステップ６３において予測演算を行って
得られたデータ値（図７におけるＡの時間領域の信号に
対応するＡ’）と、実際のサンプリング値とが比較照合
されて、当該予測結果と実際のサプリング値との差が０
となるように、ステップ６１において作成された数学的
モデルが修正され（ステップ６４）、当該ステップ６４
において修正算出された数学モデルを用いて、信号再推
測演算回路１０においては、ノイズ信号部分の時間区間
に対応する原信号予測値の再計算が行われる（ステップ
６５）。そして、ステップ６５において再計算され、原
信号予測値として信号再推測演算回路１０より出力され
る信号Ｓ2 は出力信号生成回路９に入力される。出力信
号生成回路９においては、上記の信号Ｓ2 と振幅抑圧回
路７より入力される信号とが加算されて（ステップ６
７）、ノイズ信号部分の時間区間に信号Ｓ2 が挿入さ
れ、ノイズ信号が除去された信号Ｓo として信号出力端
子Ｔ2 より出力される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のノイズ
除去装置およびその除去方法においては、図６の処理手
順において示されるように、信号推測演算回路６および
信号再推測演算回路１０において、数学的モデルの作成
と信号予測演算が２回行われるが、この予測計算を行う
ためには、〔ｎ₂ ＋Ｏ（ｎ)×２〕（解像度１６ビット
の場合にはｎ＝１５）の乗除算処理と同じ回数の加減算
処理が行われている。また、推測演算処理するための数
学的モデルを作成するためには、〔ｎ₂ ＋Ｏ(ｎ)×２＋
８〕回の乗除算と８回の加減算を行うことが必要であ
る。このために、従来のノイズ除去装置およびその除去
方法においては、推測された信号値を、ノイズ信号部分
に挿入する処理に時間を要し、その処理をリアルタイム
にて実行することが不可能であるという欠点がある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】第１の発明のノイズ除去
装置は、パルス性のノイズ信号が部分的に混合される入
力信号の入力を受けて、当該入力信号を所定時間遅延さ
せて出力する入力信号遅延手段と、前記入力信号に混合
されているバルス性のノイズ信号を検出して、当該ノイ
ズ信号のサンプル値を出力するノイズ検出手段と、前記
入力信号遅延手段より出力される遅延入力信号の入力を
受けて、前記ノイズ検出手段より出力されるノイズ信号
のサンプル値を介して、当該遅延入力信号における当該
ノイズ信号部分の前後の正常信号を参照して、前記ノイ
ズ信号が混合されている部分に相応する原信号を推測演
算処理し、所定の信号推測値を出力する信号推測演算手
段と、前記ノイズ検出手段より出力されるノイズ信号の
サンプル値と、前記信号推測演算手段より出力される信
号推測値とを比較照合して、当該比較照合値が所定のス
レッシュ・ホールド値未満の値であるか、または当該ス
レッシュ・ホールド値以上の値であるかを判定し、所定
のレベル判定信号を出力する信号レベル比較手段と、前
記レベル判定信号により制御されて、前記比較照合値が
所定のスレッシュ・ホールド値以上の値である場合に
は、前記遅延入力信号に存在するノイズ信号レベルを抑
圧して出力する振幅抑圧手段と、前記レベル判定信号に
より制御されて、前記比較照合値が所定のスレッシュ・
ホールド値以上の値である場合には、前記信号推定値
を、前記振幅抑圧手段より出力される信号のノイズ信号
部分に置換挿入して生成される信号を所定の出力信号と
して出力し、前記比較照合値が所定のスレッシュ・ホー
ルド値未満の値である場合には、前記遅延入力信号を所
定の出力信号として出力する出力信号生成手段と、を少
なくとも備えて構成され、前記信号推測演算手段が唯一
の信号推測演算手段として設けられていることを特徴と
している。

【００１１】また、第２の発明のノイズ除去方法は、パ
ルス性のノイズ信号が部分的に混合される入力信号よ
り、当該ノイズ信号を除去するノイズ除去方法におい
て、前記入力信号を所定時間遅延させて遅延入力信号を
出力するとともに、当該入力信号に混合されている前記
ノイズ信号を検出して、当該ノイズ信号のサンプル値を
生成する第１のステップと、前記前記遅延入力信号をサ
ンプリングし、前記ノイズ信号の存在する時間区間に相
応する原信号の信号推測値を推測演算して生成する第２
のステップと、前記第１のステップにおいて得られたノ
イズ信号のサンプル値と、前記第２のステップにおいて
得られた信号推測値とを比較照合して、相互間のレベル
判定信号を生成する第３のステップと、前記レべル判定
信号を介して、前記比較照合値が所定のスレッシュ・ホ
ールド値以上の値である場合には、前記遅延入力信号に
存在するノイズ信号レベルが抑圧された信号に対して、
前記信号推定値を当該信号のノイズ信号部分に置換挿入
して生成される信号を所定の出力信号として出力し、前
記比較照合値が所定のスレッシュ・ホールド値未満の値
である場合には、前記遅延入力信号を、そのまま所定の
出力信号として出力する第４のステップと、を少なくと
も有することを特徴としている。

【００１２】

【発明の実施の形態】次に、本発明について図面を参照
して説明する。

【００１３】図１は本発明の１実施形態を示すブロック
図である。図１に示されるように、本実施形態は、入力
遅延回路１と、高域通過フィルタ２と、全波整流回路３
と、低域通過フィルタ４と、信号比率比較回路５と、信
号推測演算回路６と、信号レベル比較回路７と、振幅抑
圧回路８と、出力信号生成回路９とを備えて構成され
る。また図２は、本実施形態によるノイズ除去方法にお
けるノイズ除去処理手順を要約して示すフローチャート
である。

【００１４】図１において、信号入力端子Ｔ1 に入力さ
れた音楽信号Ｓi は、入力信号遅延回路１および高域通
過フィルタ２にそれぞれ入力される。高域通過フィルタ
２に入力された音楽信号Ｓi は、パルス性ノイズの検出
用として用いられており、高域通過フィルタ２からは、
パルス性ノイズ信号以外の大半の信号のレベルが減衰さ
れた高周波信号Ｓ3 が出力される。当該高周波信号Ｓ3
は全波整流回路３において全波整流されて、低域通過フ
ィルタ４に入力され、平滑化された信号Ｓ4 が生成され
て出力される。なお、低域通過フィルタ４の遮断周波数
は、高域通過フィルタ２の遮断周波数よりは極めて低い
値に設定されており、信号Ｓ4 は、瞬間的な信号変化に
対してはあまり反応しないレベル変動の少ない高域信号
として出力される。上記の高周波信号Ｓ3 と平滑化され
た信号Ｓ4 は信号比率比較回路５に入力されて比較照合
され、高周波信号Ｓ3 のレベルが極端に大きい場合には
パルス性ノイズの発生区間として判定され、パルス性ノ
イズが検出されて検出信号Ｓ5 が、パルス性ノイズ部分
を示す信号として出力されて、信号推測演算回路６およ
び信号レベル比較回路７に入力される。

【００１５】一方において、この検出信号Ｓ5 が信号比
率比較回路５より出力されている間において、入力信号
遅延回路１において遅延された音楽信号Ｓi は、信号Ｓ
1 として出力されて信号推測演算回路６および信号レベ
ル比較回路７に入力される。信号推測演算回路６におい
ては、当該信号Ｓ1 と検出信号Ｓ5 の入力を受けて、ノ
イズを除去する信号の原信号の値を推測するための信号
モデルを作成するために、検出信号Ｓ5 の入力を介して
ノイズ信号の前および後のサンプルされた信号（図７に
おけるＢおよびＡの時間領域の信号）の双方の値より、
これらの良好なデータ値を用いて数学的モデルが作成さ
れる（ステップ２１）。本発明における信号推測演算回
路６は、線形予測を演算を行うために必要な線形予測係
数作成部と、線形予測係数作成のために必要な部分自己
相関係数抽出部と、信号推測演算部とを備えて構成され
ている。

【００１６】ここにおいて、ステップ２１以降の処理手
順の説明に対応して、信号推測演算回路６における処理
内容について、図３に示されるＰＡＲＣＯＲ係数定義用
の模式図と、図４のＰＡＲＣＯＲ係数抽出回路を参照し
て説明する。

【００１７】音楽信号のような不規則信号の生成過程
は、次のような自己回帰過程モデル（以下、ＡＲモデル
とする）にて表示される。字数ｎ型の再帰型フィルタに
て表わされる確率過程のサンプルをＸ_t にて表わす。こ
こにおいて、Ｖ_t は、平均と共分散が、それぞれ次式に
て示されるような白色雑音である。

【００１８】

【００１９】次数（ｍー１）のＡＲモデルは、過去の
（ｍー１）個の時点のサンプル波形（Ｘ_tーm+1 ，……
…，Ｘ_tー2 、Ｘ_tー1 ）に基づいて、現在のサンプルＸ_t
を予測する 次式の形にて書くことができる。

【００２０】

【００２１】このモデルを使用して前向き線形予測（３
４）が行われるが、ここにおいては、得られる予測値は
予測係数と呼ばれる。この時に、実現値（３２）との間
に生じる予測誤差は次式のように表わされるが、これを
前向き予測誤差と云う。

【００２２】

【００２３】前記（１）式の場合と同様に、同じ（ｍー
１）個の時点のサンプル波形から、ｍ時点前のサンプル
Ｘ_tーm を後向き線形予測（３３）した時の、実現値（３
１）との間に生じる後向き線形予測誤差は、次式によう
に表わされる。

【００２４】

【００２５】この時に、相関器（３７）によるＸ_t とＸ
_tーm の部分自己相関関数Ｋ_m は、ＰＡＲＣＯ係数とし
て、次式にて定義される。

【００２６】

【００２７】ｋm （ｍ＝１，２，…………，ｎ）をサン
プリング波形Ｘ_t から直接に求めるために、前向きおよ
び後向き予測誤差演算子Ａ_m （Ｄ)、Ｂ_m （Ｄ)が次式の
ように定義される。

【００２８】

【００２９】但し、Ｄは遅延演算子であり、Ｄ'Ｘ_t ＝
Ｘ_tー1 である。これより、ＰＡＲＣＯ係数が求められ、
下記の（７）式を用いてｍ＝１、２、…………ｎの繰返
し演算が行われて、予測係数が算出される。求められた
予測係数と、１つ前のサンプル信号を使用して、前記
（２）式より予測データが作成される。

【００３０】

【００３１】即ち、本発明においては、上記の（１）式
〜（７）式を含む数学的解析処理により、パルス性ノイ
ズ信号の部分における原信号の推測値が算出される（ス
テップ２２）。

【００３２】信号推測演算回路６より出力される信号Ｓ
2 は、信号レベル比較回路７および出力信号生成回路９
に入力されるが、信号レベル比較回路７においては、信
号比率比較回路５より入力される検出信号Ｓ5 を介し
て、信号推測演算回路６において推測されて生成された
信号Ｓ2 のレベルと、信号Ｓ1 のＧ区間のサンプリング
された信号レベルとが比較照合され、その比較結果にお
いて、信号Ｓ1 のレベルが任意に設定されたスレッシュ
ホールド値よりも大きい場合には、信号Ｓ2 のレベルが
抑圧されて、推測された信号Ｓ2 の方をＧ区間に対して
挿入されるように、振幅抑圧回路８および出力生成回路
９に対する制御が行われ、また逆に、比較結果におて、
信号Ｓ1 のレベルが任意に設定されたスレッシュホール
ド値よりも小さい場合には、信号Ｓ2 の方がそのまま出
力されるように、振幅抑圧回路８および出力生成回路９
に対する制御が行われる（ステップ２３）。

【００３３】振幅抑圧回路８においては、信号引率比較
回路５においてパルス性ノイズが存在するものと判定さ
れる場合には、入力信号遅延回路１より出力される信号
Ｓ1のレベルは０に抑圧される。通常、音楽信号のレベ
ルを急に０にすると信号波形が不連続となり、第２のノ
イズの原因となるが、本発明においては、出力生成回路
９には、信号レベル比較回路７からの制御作用を介し
て、サンプリグされた信号Ｓ1 のレベル値を出力する
か、または信号推測演算回路６より出力される信号Ｓ2
のレベル値を出力するか、何れか一方の信号を選択して
出力する信号切替機能が具備されており、上記の０レベ
ルに抑圧された信号部分に対しては、信号推測演算回路
６より出力される信号Ｓ2 が、当該切替制御機能を介し
て代わりに挿入されて（ステップ２４）、出力生成回路
９からは、連続した正常の信号Ｓo が生成されて出力さ
れる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、パルス
性ノイズの前後における良好な信号のサンプル信号を用
いて数学的モデルを作成し、当該ノイズの前の良好な信
号のサンプル値を初期値として、ノイズ区間の原信号を
前記数学的モデルを用いて推測し、当該推測値のサンプ
ル値とサンプリングしたノイズ信号値とを比較照合し
て、当該比較値が、所定のスッレッシュ・ホールド値以
上の場合には、前記推測値をノイズ信号の区間に挿入
し、また当該比較値が、前記スッレッシュ・ホールド値
未満の場合には、入力されているノイズ区間の信号よ
り、前記サンプリングされたノイズ信号値を削除した信
号を、前記ノイズ信号の区間に挿入することにより、従
来は、２回にわたり行われている数学的モデルを用いて
行う信号推測演算処理を、１回の信号推測演算処理のみ
により済ませることが可能となり、これにより演算処理
時間が短縮されて、リアルタイムにおいてパルス性ノイ
ズ信号の除去を行うことができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施形態を示すブロック図である。

【図２】本実施形態における処理手順を示すフローチャ
ート概念図である。

【図３】従来例を示すブロック図である。

【図４】従来例における処理手順を示すフローチャート
概念図である。

【図５】入出力信号波形の１例を示す図である。

【符号の説明】

１ 入力信号遅延回路 ２ 高域通過フィルタ ３ 全波整流回路 ４ 低域通過フィルタ ５ 信号比率比較回路 ６ 信号推測演算回路 ７ 信号レベル比較回路 ８ 振幅抑圧回路 ９ 出力信号生成回路 １０ 信号再推測演算回路 １１ ノイズ検出回路 ２１ ステップ２１（Ａ，Ｂからの数学的モデルの発
生） ２２ ステップ２２（Ｇの予測） ２３ ステップ２３（サンプリングＧと予測値Ｇの比
較） ２４ ステップ２４（ＳＷ） ４１ ステップ４１（Ａ，Ｂからの数学的モデルの発
生） ４２ ステップ４２（Ｇの予測） ４３ ステップ４３（Ａ' の予測） ４４ ステップ４４（Ａ，Ａ' の比較） ４５ ステップ４５（Ｇの再計算） ４６ ステップ４６（＋） Ｔ1 信号入力端子 Ｔ2 信号出力端子 Ｓi 入力信号 Ｓo 出力信号 Ｓ1 〜Ｓ7 信号

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】パルス性のノイズ信号が部分的に混合され
   る入力信号の入力を受けて、当該入力信号を所定時間遅
   延させて出力する入力信号遅延手段と、 前記入力信号に混合されているバルス性のノイズ信号を
   検出して、当該ノイズ信号のサンプル値を出力するノイ
   ズ検出手段と、 前記入力信号遅延手段より出力される遅延入力信号の入
   力を受けて、前記ノイズ検出手段より出力されるノイズ
   信号のサンプル値を介して、当該遅延入力信号における
   当該ノイズ信号部分の前後の正常信号を参照して、前記
   ノイズ信号が混合されている部分に相応する原信号を推
   測演算処理し、所定の信号推測値を出力する信号推測演
   算手段と、 前記ノイズ検出手段より出力されるノイズ信号のサンプ
   ル値と、前記信号推測演算手段より出力される信号推測
   値とを比較照合して、当該比較照合値が所定のスレッシ
   ュ・ホールド値未満の値であるか、または当該スレッシ
   ュ・ホールド値以上の値であるかを判定し、所定のレベ
   ル判定信号を出力する信号レベル比較手段と、 前記レベル判定信号により制御されて、前記比較照合値
   が所定のスレッシュ・ホールド値以上の値である場合に
   は、前記遅延入力信号に存在するノイズ信号レベルを抑
   圧して出力する振幅抑圧手段と、 前記レベル判定信号により制御されて、前記比較照合値
   が所定のスレッシュ・ホールド値以上の値である場合に
   は、前記信号推定値を、前記振幅抑圧手段より出力され
   る信号のノイズ信号部分に置換挿入して生成される信号
   を所定の出力信号として出力し、前記比較照合値が所定
   のスレッシュ・ホールド値未満の値である場合には、前
   記遅延入力信号を所定の出力信号として出力する出力信
   号生成手段と、 を少なくとも備えて構成され、前記信号推測演算手段が
   唯一の信号推測演算手段として設けられていることを特
   徴とするノイズ除去装置。
2. 【請求項２】 パルス性のノイズ信号が部分的に混合さ
   れる入力信号より、当該ノイズ信号を除去するノイズ除
   去方法において、 前記入力信号を所定時間遅延させて遅延入力信号として
   出力するとともに、当該入力信号に混合されている前記
   ノイズ信号を検出して、当該ノイズ信号のサンプル値を
   生成する第１のステップと、 前記遅延入力信号をサンプリングし、前記ノイズ信号の
   存在する時間区間に相応する原信号の信号推測値を推測
   演算して生成する第２のステップと、 前記第１のステップにおいて得られたノイズ信号のサン
   プル値と、前記第２のステップにおいて得られた信号推
   測値とを比較照合して、相互間のレベル判定信号を生成
   する第３のステップと、 前記レべル判定信号を介して、前記比較照合値が所定の
   スレッシュ・ホールド値以上の値である場合には、前記
   遅延入力信号に存在するノイズ信号レベルが抑圧された
   信号に対して、前記信号推定値を当該信号のノイズ信号
   部分に置換挿入して生成される信号を所定の出力信号と
   して出力し、前記比較照合値が所定のスレッシュ・ホー
   ルド値未満の値である場合には、前記遅延入力信号を、
   そのまま所定の出力信号として出力する第４のステップ
   と、 を少なくとも有することを特徴とするノイズ除去方法。