JP2897230B2 - 雑音消去装置 - Google Patents

雑音消去装置

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JP2897230B2 JP63318676A JP31867688A JP2897230B2 JP 2897230 B2 JP2897230 B2 JP 2897230B2 JP 63318676 A JP63318676 A JP 63318676A JP 31867688 A JP31867688 A JP 31867688A JP 2897230 B2 JP2897230 B2 JP 2897230B2
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Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明は一般に雑音で劣化した音声から雑音を消去す
る方法及びシステム、具体的には高い雑音の環境中、特
にその雑音が分布している時に音声を認識するための方
法及びシステムに関する。
B.従来技術 今日の民間航空機のコツクピツトを一見すると、手と
目のいそがしい環境があることがわかるであろう。この
いそがしさは今日の軍用機について一層当てはまること
である。軍当局は戦闘機のコツクピツト中に存在する多
くの活動のために音声活性化制御装置を使用することに
よつて若干これ等の問題を解決したが、この活動は音声
認識システムの使用によつて達成されている。
戦闘機のコツクピツト中は比較的雑音が高いので何等
かの形の雑音消去手段が必要なことが前から認識されて
いるが、この必要から適応性フイルタ雑音消去技術が開
発され、工業界の標準となつた。より最近になつて、こ
の技術が軍用ヘリコプタ中で試みられたが、無効である
ことが見出された。
可聴信号中に高レベルの雑音が存在すると、音声の弁
別力がかなり減少することは理解できるが、最も進歩し
た音声認識装置でも、今日の戦術戦闘機のコツクピツト
中で遭遇する高雑音レベル中では最も簡単な単語の認識
も著しく困難である。適応性雑音消去法（ANC）として
知られているバーナード・ウイドロー（Bernard Widro
w）等が1975年に提案した技術がマサチユーセツツ技術
研究所のエレクトロニクス研究実験室において熱心にテ
ストされている。
ウイドローの技術は1975年12月刊プロシーデイングス
・オブ・ジ・IEEE（Proc.IEEE）第63巻、第12号の論文
“適応性雑音消去：原理及び応用（Adaptive Noise Can
celling:Principles and Applications）”に説明され
ている。
このM.I.T.のテスト中、ウイドローの技術に、一部の
改良がなされた。この改良はパイロツトの酸素マスク内
に第１のマイクロフオンをマスクの外部に第２のマイク
ロフオンを置くといつたように２つのマイクロフオンを
戦闘機のコツクピツト環境中に設置するものである。主
マイクロフオンと呼ばれる１つのマイクロフオンはパイ
ロツトの音声と雑音を感知、即ち検出するために位置付
けられている。
第２の、即ち参照マイクロフオンは主に雑音を感知、
即ち検出するために位置付けられている。参照マイクロ
フオンは酸素マスクの外部に存在するので、パイロツト
の音声はほとんどピツク・アツプされない。
M.I.T.のエンジニアは又主マイクロフオンの信号−雑
音比は参照マイクロフオンの信号−雑音比と比較して大
きく、適応性フイルタは出来るだけ小さくできることが
良いとも学んだ。適応性フイルタが大きいと、適応性フ
イルタは主信号と参照信号間の遅延を推定するか、長い
インパルス応答を有するかして主信号から雑音をうまく
消去しなければならない。
M.I.T.のエンジニアの報告は1984年刊IEEE第18A.4.1
乃至18A.4.4頁のハリソン、リム及びシンガ（Harriso
n、Lim and Singer）著の論文“戦闘機のコツクピツト
環境中の適応性雑音消去（Adaptive Noise Cancellatio
n in a Fighter Cockpit Environment）”に与えられて
いる。
これ等M.I.T.のエンジニアのすべての専門的意見によ
れば、ウイドローの適応性雑音消去技術は局在雑音源を
有する環境では効果があるが、２以上の雑音源が存在す
るか、雑音源がある区域に分布している時にはパフオー
マンスが劣化すると結果されている。この分野の専門家
は分布雑音環境での追加の参照マイクロフオンの使用の
研究の方に離れたので、本発明はこの複雑な問題に対す
る独自の解決法の開発から生じた。
従来の特許技術を検討してみると、本発明によつて与
えられるような解決法の開発にほとんど助けにならない
ことがわかる。たとえば、米国特許第4625083号は音声
と雑音を区別する音声操作スイツチに関する。１つのマ
イクロフオンを主に音声に、一つのマイクロフオンを主
に周囲の雑音信号に使用すると、これ等の信号群の各々
はある音圧のレベルを有するが、音声の音圧レベルは常
に雑音の音圧レベルを越えることが望まれるので、この
区別は２つの方法で行われている。１つの方法は２つの
マイクロフオンを予定の位置に置いて音圧レベルの区別
を与えるものであり、他の方法は通常電話の受信器で使
用されているように、周波数の幅を制限するものであ
る。代表的な周波数の範囲は100ヘルツ乃至4Kヘルツで
あるが、250ヘルツ乃至3.5キロヘルツの狭い周波数範囲
も満足できる。両信号を差動増幅器に接続することによ
つて、音声がある時は出力が発生し、音声が存在しない
時は出力が発生されないようになつている。
米国特許第4649505号は上述のウイドロー氏の基本的
な適応性フイルタを改良した他の方法の例を示してい
る。この改良は音声と雑音信号間のクロストークを除去
するためのものである。この装置は音声入力、雑音入力
及び参照入力を有し、参照雑音部分及びクロストーク音
声部分がデイジタル信号処理マイクロコントローラ、読
取り専用メモリ及びランダム・アクセス・メモリに印加
されて、これ等の信号がデイジタルに処理されている。
入力は先ずアナログ信号からデイジタル信号に変換され
た後に、デイジタル直列信号からデイジタル並列信号に
変換されて処理されている。本発明にかかわる問題につ
いては何等言及されていない。
米国特許第4658426号は入力の信号−雑音比が貧弱
で、ここで適応性フイルタの特性が入力信号の変動に対
して自動的に調整される場合に使用される雑音抑制装置
のいくつかの異なる型を開示している。適応性フイルタ
の調節を行うために時間及び周波数領域を使用して雑音
をフイルタしているが、このような前提を利用するため
に構成される装置の数学的説明がかなり詳細に与えられ
ている。このような装置の使用は機械の通常の動作音を
雑音としてフイルタして、機械の疲労もしくは故障部分
の異常音を検出するために向けられている。しかしなが
ら、これ等の雑音は上述のMITの文献に従う適応性フイ
ルタのタイプの装置が極めて適切に機能できる局在雑音
の例である。
米国特許第4672674号は良好な近接場応答及び貧弱な
遠隔場応答を有する２つの特別に構成された２つのマイ
クロフオンを使用して、高い相関を有する雑音の成分を
有する信号を発生するシステムを開示している。上述の
米国特許第4625083号と同じように、マイクロフオンの
出力はフイルタに接続され、300Hzから５乃至8KHzの間
の範囲の外側にある周波数を除去している。次に信号は
アナログ−デイジタル変換器、遅延及び他の能力を有す
るマイクロ・プロセツサ回路に送られ、さらに処理のた
めの重み付け因子サンプルが得られている。この従来の
特許は２つのマイクロフオンの使用を開示しているが、
この使用方法の論理的な拡張として、３個以上のマイク
ロフオンを使用すること、即ち１つを音声に、他のマイ
クロフオンの出力を１つのマイクロフオンからの信号中
の雑音を消去するのに使用することも提案されている。
他方、本発明は音声信号から分布雑音を消去する問題
への解決を与えるのに異なる手段を用いる。それは従来
技術の適応性消去技術が雑音がある領域中に分布してい
る時にはパフオーマンスが劣化することがわかつたため
である。
C.発明が解決しようとする問題点 本発明の主目的は分布した雑音で劣化した音声を含む
信号から雑音を消去するシステムを与えることにある。
本発明の他の目的は、音声信号から分布した雑音を消
去する方法を与えることにある。
本発明の他の目的は、高い、分布雑音の環境で効果的
な雑音消去方法及びシステムを与えることにある。
本発明の他の目的は、音声認識システムとともに使用
できる有効な雑音消去方法及びシステムを与えることに
ある。
本発明の他の目的は、標準音声の感知ピツクアツプと
ともに有効に機能する雑音消去方法及びシステムを与え
ることにある。
本発明の他の目的は、ヘリコプタの環境中で標準の音
声認識システムとともに有効に機能する雑音消去方法及
びシステムを与えることにある。
D.問題点を解決するための手段 本発明に従つて構成され、配列される方法及びシステ
ムは、第１のセンサが音声と雑音の両方を検出し、第２
のセンサが主に雑音のみを検出するように位置付けられ
た２つのセンサ、即ちマイクロフオンを含む。第２のセ
ンサでピツク・アツプされる音声は無視され、両センサ
でピツク・アツプされる雑音には相関関係がある。各セ
ンサからの信号出力は、各信号出力を予定数の周波数帯
域分割する装置に接続される。次に両信号出力が回路に
接続され、音声及び雑音を有する信号出力からの雑音成
分が効果的に消去される。
E,実施例 第２図を参照すると、1975年に最初にバーナード・ウ
イドロー（Bernard Widrow）等によつて導入された形式
の通常の、即ち標準雑音消去技術が、総括的に参照番号
10で示されている。この技術は通常音声認識システムの
ための入力として考慮されている。雑音消去は減算回路
11中で、第１のマイクロフオン12から直接受取つた１つ
の信号と、適応性フイルタ14を通つた後の第２のマイク
ロフオン13からの出力間で行われる。減算回路11からの
出力は、音声認識システム15に直接接続されている。
２つのマイクロフオン12及び13からの出力は全可聴音
声周波数範囲、たとえば100乃至3200Hzを占めている。
この単一の適応性フイルタは、従つてこの全可聴音声周
波数範囲について効果的に動作できなければならない。
この通常の技術の適応性フイルタ14は音声周波数範囲
の一端から他の端に向つて大きく変化する補償振幅及び
位相能力を与えなければならない。さらにこのような適
応性フイルタ14は多数の調整可能な素子、たとえば100
個の係数調整タツプを必要とし、そのすべてが次のよう
な問題を生ずる。
（１） 多数の制御素子の調整（通常の勾配方法等を使
用）は極めて緩慢なプロセスとして行われる。
（２） 多数の制御素子の動作の関連するプロセスを加
速するための努力は、切捨て誤差、丸め誤差、統計的平
均誤差等による数値的な不安定性のような他の問題を生
ずる。
単一の局在源から発生してマイクロフオン12及び13に
よつて検出される雑音は各マイクロフオンで同じ雑音で
ある。即ち雑音は同じ一つもしくは複数の周波数を有す
るが、その伝搬しなければならない経路長の差によつて
時間に差がある。このことが２つの雑音の周波数に適用
される用語“相関関係のある”という意味である。
２つの雑音周波数間の時間の差を補償するのは適応性
フイルタ14の重要な機能である。２つの信号が減算回路
11中で組合される時に有効な消去が生ずるのはこの２つ
の信号間のこの補償のためである。
従つて第２図に示された回路をある領域に分布してい
る雑音について試験してみると、そのパホーマンスは単
一の局在雑音源の場合のパホーマンスに関連して著しく
劣化することが直ちにわかつた。近年この問題を解決す
るのにより多くの努力がなされて来たが、本発明以前は
どれも効を奏していない。
第１図は、音声認識システムが信頼性をもつて使用で
きる程十分に、音声もしくは類似の情報信号から雑音を
効果的に消去する問題を解決する本発明の回路を示す。
本発明に従う雑音消去システムは、たとえば工場、製造
フロア、大きなオフイスのフロア、空港等、雑音で劣化
した音声が、音声認識システムを無効にするような各良
く知られている環境で十分効果的に使用される。
第１図で本発明の原理に従つて構成されるシステムは
参照番号16によつて示されている。容易に入手できる市
販の、たとえばマイクロフオンのような２つの標準のセ
ンサ17及び18中、センサ17が音声及び雑音を検出するよ
うに位置付けられている。センサ17は信号がたとえ雑音
で劣化されていても、できるだけ多くの音声を検出する
ように配慮されて位置付けられている。
しかしながら、センサ18は主に雑音を検出して音声は
ほとんど検出しないように位置付けられる。パイロツト
の環境で使用する時は、センサ17はパイロツトの酸素マ
スクの内部に置かれ、センサ18は酸素マスクの外部に置
かれる。ヘツドフオンを使用する他の環境では、センサ
17は話手の口の近くに置かれ、センサ18は同じくヘツド
フオン上に位置付けられるが、できるだけ話手の口から
離して主に雑音を検出するように指向される。しかしな
がら、２つのセンサ17及び18間の距離は極めて小さく、
10cm程度であつて、２つのセンサは同じ雑音を、ただし
互に小さな距離だけずれたものを効果的にピツク・アツ
プするようになつていることに注意されたい。
センサ17及び18の各々によつて検出された信号はこれ
等を多くの周波数の帯域に分割する適切な装置に接続さ
れている。たとえば各信号は制限された帯域幅を有する
予定数の、第１図では15の周波数信号に分割される。
第１図でセンサ17及び18の各々からの信号出力は夫々
15の狭帯域フイルタに接続されている。一方のセンサに
使用されるフイルタと同数のものが他方にも使用される
ことが重要である。センサ17からの信号出力を受取るよ
うに接続されてる狭帯域フイルタは一般に参照番号19に
よつて識別される群をなし、センサ18から信号出力を受
取るように接続された狭帯域フイルタは一般に参照番号
20によつて識別される群をなしている。
音声信号の通常の周波数領域の幅は略3KHz（即ち3000
ヘルツ）であるから、この範囲を15の異なる帯域幅に分
割することによつて、２つの群19及び20中の狭帯域フイ
ルタの各１つはこの例では略200ヘルツの幅となる。こ
の技術についてなされたテストでは、音声周波数は25も
の多くの異なる狭帯域周波数に分割されて優れた結果を
与えた。狭帯域フイルタの数にとつての良好な範囲は約
10乃至約25である。この範囲はその用途の最も多くの場
合をカバーする。
特定の数の狭帯域フイルタ19及び20が使用でき、より
正確には、各センサ17及び18からの信号出力は任意の数
の信号に分割できる。しかしながら、分割の数は２つの
センサ17及び18からの信号について等しいことが重要で
ある。それは分割された信号のこれ等の群の一方が他方
から減算されて、実質的に雑音のない音声信号が与えら
れるからである。
群20中の狭帯域フイルタの各々は参照番号21によって
示された群中の適応性フイルタに接続されている。群21
中の適応性フイルタの各々はセンサ18によつて検出され
た信号中の振幅及び位相の差を補償するように機能す
る。このようにして、分割された信号の各々が参照番号
22によつて識別された群中の各々の回路中で組合される
時、センサ18からの雑音信号がセンサ17からの音声プラ
ス雑音信号から減算されて実質的に雑音のない音声信号
が与えられる。
群22中の各回路は減算回路として示されているが、こ
の分野の専門家にとつては、適応性フイルタ21からの信
号を容易に反転して、次に狭帯域フイルタ19からの音声
プラス雑音信号に加えて、差動作を得るための他の手段
が利用可能なことは明らかであろう。差動作を得るのに
他の手段を使用しても同じ結果が与えられる。
第１図に示したとおり、群22中の個々の減算回路の各
々からの出力は音声認識システム23に接続されている。
本発明に従うシステム16を使用すると、音声認識システ
ム23は雑音の多い環境中で、広い領域に分布している雑
音があつても、話されたコマンドに容易に応答できる。
第３図は上述のセンサ17もしくは18からの信号を個々
の成分周波数に分割したところを示す波形である。たと
えば第３図の全曲線はセンサ17もしくは18の１つからの
出力信号である。番号１の波形は群19もしくは20中の狭
帯域フイルタによつて分割される信号を示す。同じく第
３図の番号２の波形は第１図の群19もしくは20中の狭帯
域フイルタ２に関連し、番号15は第１図の群19もしくは
20中の狭帯域フイルタ15に関連する。従つて本発明に従
い第１図の雑音消去システム16はセンサ17及び18の各々
によつて検査された全信号を各々が全信号の周波数の小
部分を占める、複数の狭帯域周波数に分割する。
勿論、この全信号の複数のより小さな周波数範囲への
分割は種々のハードウエア部品によつて達成できる。た
とえば複数の個々の狭帯域フイルタを使用することは常
に可能である。しかしながらこの分割を達成するのに今
日好ましいとされている方法はコンピユータによるもの
である。それはコンピユータによると分割される周波数
の帯域の数が容易に急速に変更できるからである。
本発明に基づいて遂行されたテストは、消去を行う前
に全信号を予定数の個々の周波数帯域に分割することに
よつて略雑音のない信号を得ることが可能なことを示し
た。雑音信号を複数の狭帯域に分割すると、各々の狭帯
域中の雑音が減少する。ここでこの分割技術を使用する
と、雑音の消去がはるかに容易になることが発見され
た。
本発明に従うシステムは次のような独自の利点を有す
る。第１図の群21中の個々の適応性フイルタはそれ自身
の狭帯域中の周波数のみを補償すればよいので、本発明
の群21の適応性フイルタの各々は、たとえば４係数タツ
プのような少数の調整可能な素子だけで十分である。従
つて本発明のシステム中に必要な適応性フイルタは容
易、急速及びはるかに正確に調節できることが明らかで
ある。
従つて本発明のシステムは従来技術的に不可能な問題
への解決を与える。
F.発明の効果 本発明に従えば、分布した雑音で劣化した音声を含む
信号から雑音を消去するシステムが与えられる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に従う雑音消去システムのブロック図で
ある。 第２図は従来の通常の雑音消去回路のブロック図であ
る。 第３図は本発明のシステムの動作を説明する周波数対振
幅の曲線図である。 10……従来の雑音消去技術、16……本発明の雑音消去シ
ステム、17、18……センサ、19、20……狭帯域フイルタ
群、21……適応性フイルタ、22……減算回路群、23……
音声認識システム。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−196599（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−72994（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−142400（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−160996（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−194098（ＪＰ，Ａ) Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆ ｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ａｃｏｕｓｔｉｃ ｓ Ｓｐｅｅｃｈ ａｎｄ Ｓｉｇｎａ ｌ Ｐｒａｃｅｓｓｉｎｇ 49．12 １ 〜４ 第2141〜2144頁 1987 「ディジタル信号処理の理論３ 推 定・適応信号処理」谷萩隆嗣著 コロナ 社 昭和61年発行 190〜192頁

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】雑音が分布している環境において音声認識
    を行うための雑音消去装置であって、 音声及び雑音の周波数を検出するように位置づけられて
    いる第１のセンサと、 主に雑音の周波数を検出するように位置づけられている
    第２のセンサと、 前記第１のセンサの出力を複数の周波数帯域に分割する
    第１群の狭帯域フィルタと、 前記第２のセンサの出力を複数の周波数帯域に分割する
    第２群の狭帯域フィルタと、 それぞれが前記第２群の各狭帯域フィルタの出力を受信
    して、帯域毎に振幅及び位相の差を補償する複数の適応
    性フィルタと、 前記複数の適応性フィルタ及び前記第１群の狭帯域フィ
    ルタの対応する出力を組み合わせるように接続された減
    算回路手段と、 前記減算回路手段からの組み合わされた出力を受信する
    音声認識手段と、 を具備する雑音消去装置。
JP63318676A 1988-03-14 1988-12-19 雑音消去装置 Expired - Lifetime JP2897230B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US167619 1988-03-14
US07/167,619 US4912767A (en) 1988-03-14 1988-03-14 Distributed noise cancellation system

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JPH01239596A JPH01239596A (ja) 1989-09-25
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EP (1) EP0332890B1 (ja)
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