JP2948304B2 - Sound receiving method - Google Patents

Sound receiving method

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JP2948304B2
JP2948304B2 JP30686590A JP30686590A JP2948304B2 JP 2948304 B2 JP2948304 B2 JP 2948304B2 JP 30686590 A JP30686590 A JP 30686590A JP 30686590 A JP30686590 A JP 30686590A JP 2948304 B2 JP2948304 B2 JP 2948304B2
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【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、雑音と受音したい音響信号とが混在する
音場において、SN比の良い音響信号を受音する受音方式
に関するものである。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sound receiving method for receiving a sound signal having a good SN ratio in a sound field in which noise and a sound signal to be received are mixed. .

「従来の技術」 近年、通信会議などの拡声通話系や音声認識装置の開
発はめざましいものがある。これらの系においては、所
望の音(音声や音楽など。以下、目的信号と称する)
は、音源(例えば発声者の口元)より少し離れた位置に
設置されたマイクロホンにより受音される。しかし、こ
の時、周囲に雑音(機械騒音、妨害音声など、不要な音
の総称)が存在すると、目的信号と同時に雑音も受音さ
れ、通話品質の低下や音声の誤認識などを生じ、大きな
問題となっている。
"Conventional technology" In recent years, there has been remarkable development of a voice communication system such as a teleconference and a speech recognition device. In these systems, desired sound (voice, music, etc .; hereinafter, referred to as a target signal)
Is received by a microphone installed at a position slightly away from the sound source (for example, the mouth of the speaker). However, at this time, if there is noise (general term of unnecessary sounds such as mechanical noise and disturbing sound) in the surroundings, the noise is also received at the same time as the target signal. It is a problem.

このような周囲雑音の混入を防ぐための従来の受音装
置を、第5図を参照して説明する。第5図において、曲
線1は各種マイクロホンの感度指向特性(以下、単に指
向特性と称する)と表わしており、円2の中心にマイク
ロホンを位置させた時に、その円2の中心から曲線1ま
での距離が各方向に対する感度の大きさを表わしてい
る。その最大感度方向が目的信号の方向3とし、この方
向と異なる方向に雑音の方向4がある場合を示してい
る。
A conventional sound receiving device for preventing such ambient noise from being mixed will be described with reference to FIG. In FIG. 5, a curve 1 represents sensitivity directional characteristics of various microphones (hereinafter, simply referred to as directional characteristics). When the microphone is located at the center of the circle 2, the curve 1 extends from the center of the circle 2 to the curve 1. The distance indicates the magnitude of the sensitivity in each direction. The case where the direction of maximum sensitivity is the direction 3 of the target signal and the direction 4 of the noise is in a direction different from this direction is shown.

第5図Aは従来主として用いられてきた音圧一時傾度
形単一指向性マイクロホン(以下、単一指向性マイクロ
ホンと略称する)の指向特性を示す。この第5図Aよ
り、単一指向性マイクロホンは目的信号方向3に向かっ
て±90゜方向の感度が高いため、この目的信号方向3に
対し±90゜以内の方向4から雑音が到来する場合はその
雑音はほとんど抑圧されることなく受音されてしまう。
その結果、従来の単一指向性マイクロホンでは満足でき
るSN比改善効果は得られなかった。
FIG. 5A shows the directivity characteristics of a sound pressure temporary gradient type unidirectional microphone (hereinafter abbreviated as a unidirectional microphone) mainly used in the related art. As shown in FIG. 5A, since the unidirectional microphone has high sensitivity in the ± 90 ° direction toward the target signal direction 3, when the noise comes from the direction 4 within ± 90 ° with respect to the target signal direction 3. Is received with almost no suppression of the noise.
As a result, a satisfactory S / N ratio improvement effect was not obtained with the conventional unidirectional microphone.

高いSN比改善効果を得る第一の方法として、位相合成
形マイクロホンが知られている。位相合成形マイクロホ
ンは、第5図Bに示すように、目的方向3に対する指向
特性を鋭くすることにより、雑音方向4に対する感度を
低下させてSN比の改善を行うものである。
As a first method for obtaining a high SN ratio improving effect, a phase synthesis type microphone is known. As shown in FIG. 5B, the phase-combining microphone sharpens the directional characteristics in the target direction 3, thereby lowering the sensitivity in the noise direction 4 and improving the SN ratio.

位相合成形マイクロホンの従来例として、マイクロホ
ンアレー(複数のマイクロホン素子より構成される受音
器)を用いた構成を第6図に示す。第6図において、M
個のマイクロホン素子111〜11Mが直線的に配列され、こ
の例では垂直に配列されてマイクロホンアレー12を構成
しており、これらマイクロホン素子111〜11Mの各受音出
力は加算器13で加算されて出力される。マイクロホン素
子111〜11Mの配列と直角方向、この例では水平方向から
目的信号(音波)14が到来し、雑音(音波)15はマイク
ロホン素子111〜11Mの配列方向に対し斜めに到来する。
従って水平方向から到来する目的信号14は同相で加算さ
れるので強調されるが、斜め方向から到来する雑音15は
各マイクロホン素子111〜11Mで時間差(位相差)をもっ
て受音された後加算されるので抑圧される。
FIG. 6 shows a configuration using a microphone array (a sound receiver composed of a plurality of microphone elements) as a conventional example of a phase synthesis type microphone. In FIG. 6, M
The number of microphone element 11 1 to 11 M are linearly arranged, in this example are arranged vertically constitute a microphone array 12, the sound receiving the output of the microphone element 11 1 to 11 M adder 13 Is added and output. Microphone element 11 1 to 11 M of SEQ perpendicular direction, a target signal (sound waves) 14 arriving from the horizontal direction in this example, the noise (sound waves) 15 arrives obliquely with respect to the arranging direction of the microphone element 11 1 to 11 M I do.
Thus, while the target signal 14 arriving from the horizontal direction is emphasized because it is summed in phase noise 15 coming from an oblique direction is added after being received sound with a time difference (phase difference) in each microphone element 11 1 to 11 M Be suppressed.

このように目的信号に対しては同相となるように、ま
た、それ以外の方向から到来する音に対しては位相差を
もたせるようにして複数の音響信号を加算する、という
位相合成を行う結果、第5図Bに示した鋭い指向特性が
実現できる。このような鋭い指向特性は超指向性と呼ば
れる場合が多く、そのことから、このような受音方式を
用いたマイクロホンは超指向性マイクロホンと呼ばれる
ことも多い。しかし、以下、この明細書においては、こ
の方式を位相合成形受音方式と呼び、この方式に基づい
た受音装置を位相合成形マイクロホンと呼ぶこととす
る。
As described above, the result of phase synthesis is to add a plurality of audio signals so that the target signal has the same phase, and a sound arriving from other directions has a phase difference. , The sharp directional characteristics shown in FIG. 5B can be realized. Such a sharp directional characteristic is often called super-directivity, and a microphone using such a sound receiving method is often called a super-directional microphone. However, hereinafter, in this specification, this system is called a phase synthesis type sound receiving system, and a sound receiving device based on this system is called a phase synthesis type microphone.

位相合成形マイクロホンを構成する他の手段として
は、パラボラ形反射板を用いる方法、音響管を用いる方
法、などが知られている(例えば、中島 編著:“音響
工学講座2:応用電気音響”昭和54年、コロナ社)。
As other means for constructing the phase synthesis type microphone, a method using a parabolic reflector, a method using an acoustic tube, and the like are known (for example, edited by Nakajima: “Acoustic Engineering Course 2: Applied Electroacoustics”, Showa) 54, Corona).

さて、位相合成形マイクロホンは良好なSN比改善効果
を有する。しかし、その指向特性を鋭くするためには、
対象とする周波数の空間波長の数倍もの受音器規模、つ
まりマイクロホンアレー12の長さL(第6図)が必要と
なる。例えば、音声の最低周波数付近である170Hzで
は、音波の空間波長は2mであり、この周波数帯域で鋭い
指向特性を実現しようとすると、その数倍もの大きさ
(長さ)のマイクロホンアレー12や反射板が必要となる
という問題点があった。この問題を換言すると、位相合
成マイクロホンの指向特性は周波数依存性が強く、低い
周波数ではsn比改善効果は小さいという問題となる。例
えば、第6図において受音器規模Lが50cmである時の34
0Hz,680Hz,1360Hzにおける指向特性を第7図A,B,Cにそ
れぞれ示す。第5図と同様に、曲線1は指向特性、矢印
3は目的信号方向を表わしている。この図より、680Hz
以下では大きなSN比改善効果が期待できないことがわか
る。なお、直線状のマイクロホンアレーを使用している
ため、指向特性は上下対称となっている。
Now, the phase synthesis type microphone has a good SN ratio improving effect. However, in order to sharpen its directional characteristics,
A sound receiver scale several times the spatial wavelength of the target frequency, that is, the length L of the microphone array 12 (FIG. 6) is required. For example, at 170 Hz, which is near the lowest frequency of sound, the spatial wavelength of the sound wave is 2 m. To achieve sharp directional characteristics in this frequency band, the microphone array 12 and the reflection There was a problem that a board was required. In other words, the directivity characteristic of the phase synthesis microphone has a strong frequency dependence, and the effect of improving the sn ratio is small at low frequencies. For example, in FIG. 6, when the sound receiver scale L is 50 cm,
The directional characteristics at 0 Hz, 680 Hz, and 1360 Hz are shown in FIGS. 7A, 7B, and 7C, respectively. As in FIG. 5, curve 1 represents the directivity characteristic, and arrow 3 represents the direction of the target signal. From this figure, 680Hz
In the following, it can be seen that a large SN ratio improvement effect cannot be expected. Since a linear microphone array is used, the directional characteristics are vertically symmetric.

高いSN比改善効果を得る第二の方法として、適応形マ
イクロホンアレー(以下、適応形アレーと略称する)が
知られている。適応形アレーは、第5図Cに示すよう
に、雑音の方向4を検出して、その方向の感度を自動的
に低下させることによりSN比の改善を行うものである
(例えば、Monzingo and Miller,“Introduction to Ad
aptive Arrays,"John Wiley & Sons,1980)。
As a second method for obtaining a high SN ratio improving effect, an adaptive microphone array (hereinafter, abbreviated as an adaptive array) is known. As shown in FIG. 5C, the adaptive array detects the direction 4 of noise and automatically lowers the sensitivity in that direction to improve the S / N ratio (for example, Monzingo and Miller). , “Introduction to Ad
aptive Arrays, "John Wiley & Sons, 1980).

第8図に適応形アレーの構成例を示す。第8図におい
て、M個のマイクロホン素子211〜21Mによりマイクロホ
ンアレー22が構成され、マイクロホン素子211〜21Mの出
力はそれぞれフィルタ231〜23Mを通じて加算器24で加算
されて出力される。フィルタ231〜23Mの各フィルタ係数
はフィルタ制御部25で制御される。
FIG. 8 shows a configuration example of an adaptive array. In Figure 8, the microphone array 22 is constituted by M microphones elements 21 1 through 21 M, the output of the microphone element 21 1 through 21 M are output are added in the adder 24 through the filter 23 1 ~ 23 M, respectively You. Each filter coefficient of the filter 23 1 ~ 23 M are controlled by the filter control unit 25.

この構成において、フィルタ制御部25は、加算器24の
出力信号26に含まれる雑音パワーPNが最小になるように
フィルタ231〜23Mを制御する。但し、その際、単純に雑
音パワーPNの最小化を行うとフィルタ係数が全て零とな
り、雑音パワーPNは零となるが目的信号も出力されな
い、という意味の無い結果となってしまう。そこで、通
常はフィルタ係数にある拘束条件を与えて雑音パワーPN
の最小化を行う。
In this configuration, the filter control unit 25, noise power PN included in the output signal 26 of the adder 24 controls the filter 23 1 ~ 23 M to minimize. However, in this case, if the noise power PN is simply minimized, the filter coefficients become all zero, and the noise power PN becomes zero, but there is no meaning that the target signal is not output. Therefore, usually, a certain constraint condition is given to the filter coefficient, and the noise power PN
Is minimized.

この拘束条件の例としては、無歪拘束条件(目的信
号を全く歪ませないという条件)、2次拘束条件(目
的信号にある許容範囲以上の歪を生じさせないという条
件)などが知られている。このような拘束条件のもとで
雑音を最小化するということは、即ち、目的信号方向の
感度を保ちながら雑音方向の感度を低下させることと等
価であり、第5図Cに示た指向特性が実現される。具体
的なフィルタ係数算出手段については、例えば特願昭58
−149500号明細書などに述べられている。
Examples of the constraint conditions include a non-distortion constraint condition (a condition that the target signal is not distorted at all), a secondary constraint condition (a condition that the target signal is not distorted beyond a certain allowable range), and the like. . Minimizing noise under such a constraint is equivalent to reducing sensitivity in the noise direction while maintaining sensitivity in the direction of the target signal, and the directional characteristic shown in FIG. Is realized. For specific filter coefficient calculation means, see, for example, Japanese Patent Application
No. 149500.

適応形アレーによるSN比改善効果は、位相合成形マイ
クロホンに比べると小さいが、鋭い指向特性を実現しな
くとも雑音の低減が可能となるため、小規模なマイクロ
ホンアレーでSN比改善が行えるという特長がある。ま
た、SN比改善における周波数依存性も位相合成形マイク
ロホンに比べて小さく、広い周波数帯域にわたりSN比改
善が行えることが特長である。
The SNR improvement effect of the adaptive array is smaller than that of the phase-combined microphone, but the noise can be reduced without realizing sharp directional characteristics, so the SNR can be improved with a small microphone array. There is. Also, the frequency dependency of the SN ratio improvement is smaller than that of the phase synthesis type microphone, and the SN ratio can be improved over a wide frequency band.

しかし、従来の実験結果より、数百Hz以下の低周波域
(以下、この周波数帯域をこの明細書では極低周波数域
と呼ぶ)では適応形アレーにおいても良好な特性は得ら
れない事が知られている。例えば、無歪拘束条件を用い
た場合にはその様な低周波域でのSN比改善効果は得られ
ず、2次拘束条件を用いた場合にはその様な低周波域に
おいて目的信号の歪が大きくなり、高品質な音声・音楽
受音装置としては問題点となるということが知られてい
た。
However, according to the conventional experimental results, it is known that good characteristics cannot be obtained even in an adaptive array in a low frequency range of several hundred Hz or less (hereinafter, this frequency band is referred to as an extremely low frequency range in this specification). Have been. For example, when the non-distortion constraint condition is used, the effect of improving the S / N ratio in such a low frequency range cannot be obtained, and when the secondary constraint condition is used, the distortion of the target signal in such a low frequency range is not obtained. Has been known to be a problem as a high-quality sound / music sound receiving device.

また、適応形アレーは、上記フィルタの制御に伴う適
応信号処理が必要であるために、ハードウェア規模が大
きくなるという問題点も有していた。
Further, the adaptive array has a problem that the hardware scale becomes large because the adaptive signal processing accompanying the control of the filter is required.

この発明の目的は、上記したような、従来の受音方式
の問題を解決した高SN比の受音方式を提供することにあ
る。
An object of the present invention is to provide a sound receiving system with a high S / N ratio that solves the problems of the conventional sound receiving system as described above.

「課題を解決するための手段」 この発明は、受音したい音響信号の周波数帯域を2分
割し、例えば要求される受音器規模に基づいて定められ
る周波数fcを境として、受信した信号を2つの周波数帯
域(以下、これらを高周波域および低周波域と称する)
に分け、この高周波域を位相合成形受音方式で受音し、
低周波域を適応形アレー方式で受音することを特徴とす
る。
[Means for Solving the Problems] The present invention divides a frequency band of an acoustic signal to be received into two and, for example, divides a received signal by two at a frequency fc determined based on a required sound receiver scale. One frequency band (these are referred to as a high frequency band and a low frequency band)
This high frequency range is received by the phase synthesis type sound receiving method,
It is characterized in that the low frequency range is received by an adaptive array system.

この発明においては、受音器の規模が与えられた時、
位相合成形受音方式によって鋭い指向特性(使用目的に
応じて必要とされる鋭さをもった指向特性)が形成可能
な周波数帯域を高周波域、それ以下の帯域を低周波域と
みなす。その結果、高周波域においては位相合成形受音
方式により所望のSN比改善効果が得られる。一方、低周
波域を適応形アレー方式で受音することにより、極低周
波域を除いて良好なSN比の改善が得られる。
In the present invention, given the size of the sound receiver,
A frequency band in which a sharp directional characteristic (a directional characteristic having a sharpness required according to the purpose of use) can be formed by the phase synthesis type sound receiving method is regarded as a high frequency region, and a band lower than that is a low frequency region. As a result, in the high frequency range, a desired SN ratio improving effect can be obtained by the phase synthesis type sound receiving system. On the other hand, by receiving sound in the low frequency range by the adaptive array method, a good improvement in the SN ratio can be obtained except for the extremely low frequency range.

また、適応形アレー方式の適用周波数帯域幅を低周波
域と限定すれば、サンプリング周波数を低下することが
でき、その結果、適応形アレー方式における信号処理量
は低下するという利点がある。このことを以下に説明す
る。
Further, if the applicable frequency bandwidth of the adaptive array system is limited to a low frequency band, the sampling frequency can be reduced, and as a result, there is an advantage that the signal processing amount in the adaptive array system is reduced. This will be described below.

第8図の構成例に示したフィルタ231〜23Mをデジタル
FIRフィルタで実現する場合を考える。ここで、例え
ば、2素子のマイクロホンアレーを持つ適応形アレーを
考えると、各フィルタにおいて最低限d/c(d:マイクロ
ホン素子間距離、c:音速)の遅延時間を実現することが
必要であることが知られている。ある遅延時間をFIRフ
ィルタで実現するために必要なタップ数は、サンプリン
グ周波数に比例する。さらに、適応形アレー方式の処理
量は、そのフィルタのタップ数に比例することにより、
サンプリング周波数を低減することは、演算処理量の低
減に結び付くのである。
The filter 23 1 ~ 23 M shown in the configuration example of FIG. 8 digital
Consider the case of realizing with an FIR filter. Here, for example, considering an adaptive array having a two-element microphone array, it is necessary to realize at least a delay time of d / c (d: distance between microphone elements, c: sound speed) in each filter. It is known. The number of taps required to realize a certain delay time with the FIR filter is proportional to the sampling frequency. Furthermore, the processing amount of the adaptive array method is proportional to the number of taps of the filter,
Reducing the sampling frequency leads to a reduction in the amount of arithmetic processing.

次に、適応形アレー方式の適用周波数帯域幅を限定す
ることにより、極低周波域におけるSN比改善効果が向上
するという大きな利点が生じることを以下に述べる。
Next, it will be described that limiting the applicable frequency bandwidth of the adaptive array system has a great advantage in that the SN ratio improvement effect in an extremely low frequency range is improved.

まず、極低周波域におけるSN比改善効果の劣化の要因
を調べるために行ったシミュレーション結果について述
べる。シミュレーションは、2素子のマイクロホンより
なるアレーを用いて、2つのマイクロホン素子を結ぶ直
線方向から目的信号が到来し、この直線に直角方向から
雑音が到来しているものと仮定した。マイクロホン素子
間隔dは4.25cmとした。また、サンプリング周波数は8k
Hz(適用周波数帯域4kHz)とし、第8図の構成例に示し
たフィルタ231〜23Mは16タップのFIRディジタルフィル
タを用いた。フィルタ係数は、無歪拘束条件を用いて計
算した。
First, the results of a simulation performed to investigate the cause of deterioration of the SN ratio improvement effect in an extremely low frequency range will be described. In the simulation, it was assumed that the target signal arrived from a linear direction connecting the two microphone elements using a two-element microphone array, and that noise came from a direction perpendicular to the straight line. The microphone element spacing d was 4.25 cm. The sampling frequency is 8k
And Hz (application frequency band 4 kHz), the filter 23 1 ~ 23 M shown in the configuration example of FIG. 8 with the 16-tap FIR digital filter. The filter coefficients were calculated using a distortion-free constraint.

実験結果を第9図に示す。第9図において、曲線27は
適応形アレーの目的信号に対する周波数応答、曲線28は
適応形アレーの雑音に対する周波数応答を表わしてい
る。この図より、500Hz以上の周波数帯域においては、
目的信号に対する応答と雑音に対する応答との大きさに
は約20dB以上の差があり、SN比は20dB以上改善されるこ
とがわかる。しかし、500Hz以下の極低周波域ではSN比
の改善効果は小さくなっていることがわかる。
The experimental results are shown in FIG. In FIG. 9, curve 27 represents the frequency response of the adaptive array to the target signal, and curve 28 represents the frequency response of the adaptive array to noise. From this figure, in the frequency band of 500Hz or more,
It can be seen that there is a difference of about 20 dB or more between the response to the target signal and the response to noise, and the SN ratio is improved by 20 dB or more. However, it can be seen that the effect of improving the S / N ratio is small in the extremely low frequency range of 500 Hz or less.

また、第9図より、以下の考察が行える。 The following considerations can be made from FIG.

a.直流成分に対しては原理的に指向特性は無指向になる
ので、周波数が零の点では、目的信号に対する応答と雑
音に対する応答の値は一致する。
a. Since the directivity characteristic becomes omnidirectional in principle for the DC component, the value of the response to the target signal and the value of the response to the noise coincide at the point where the frequency is zero.

b.極低周波域の性能劣化は雑音に対する応答28のうち、
周波数零から始まる山の影響によるものが大きく、この
山の幅を小さくすれば、極低周波域低減の性能は改善さ
れる。
b. Deterioration of performance in extremely low frequency range
This is largely due to the influence of the peak starting from the frequency of zero. If the width of this peak is reduced, the performance of reducing the extremely low frequency range is improved.

c.雑音に対する応答28の山の数は8であり、一入力一出
力系におけるFIRフィルタの周波数分解能、即ち、フィ
ルタタップ数の1/2と一致している。
c. The number of peaks in the response 28 to noise is eight, which is equal to the frequency resolution of the FIR filter in the one-input one-output system, that is, 1/2 of the number of filter taps.

以上の考察より、FIRフィルタのタップ数を増加させ
て周波数分解能を向上させれば、雑音に対する応答28の
山の数が増加し、それに伴って山の幅も小さくなり、低
域特性が改善できることが予想される。そこで、フィル
タのタップ数を2倍(32)として、シミュレーションを
行った。結果を第10図に示す。この図より、SN比改善効
果が劣化している周波数帯域幅はほぼ1/2になってお
り、フィルタのタップ数の増加にほぼ逆比例しているこ
とが明らかになった。
From the above considerations, if the frequency resolution is improved by increasing the number of taps in the FIR filter, the number of peaks in the response 28 to noise increases, and the width of the peaks decreases accordingly, and the low-frequency characteristics can be improved. Is expected. Therefore, the simulation was performed with the number of taps of the filter being doubled (32). The results are shown in FIG. From this figure, it is clear that the frequency bandwidth in which the SN ratio improvement effect is degraded is almost halved, and is almost inversely proportional to the increase in the number of taps of the filter.

従って、適応系アレーの低域特性を改善するために
は、FIRフィルタのタップ数を増加させれば良いという
ことがわかったが、タップ数に比例して演算処理量は増
加し、演算精度も低下するため、実用上は困難な場合も
多い。
Therefore, it was found that the number of taps of the FIR filter should be increased in order to improve the low-frequency characteristics of the adaptive array, but the amount of computation increases in proportion to the number of taps, and the computation accuracy also increases. In many cases, this is difficult in practice.

しかし、フィルタの周波数分解能は、(適用周波数帯
域×2)÷(フィルタのタップ数)の関係があることに
より、タップ数を増加しなくとも、この発明のように適
応形アレーの適用周波数帯域を低減すれば、、周波数分
解能は向上し、極低周波域の性能向上が予想される。
However, since the frequency resolution of the filter has a relationship of (applied frequency band × 2) ÷ (the number of taps of the filter), the applied frequency band of the adaptive array can be increased without increasing the number of taps as in the present invention. If it is reduced, the frequency resolution is improved, and the performance in the extremely low frequency range is expected to be improved.

このことを確認するために、サンプリング周波数を1.
6kHz(適用周波数帯域800Hz)、タップ数を16として、
前記と同様のシミュレーションを行った。その結果を第
11図に示す。この図より、適用周波数帯域を4kHz(第9
図の場合)から800Hzに減少させることにより、SN比改
善効果が劣化する帯域が約500Hz以下の帯域から約100Hz
以下の帯域に減少していることがわかる。
To confirm this, set the sampling frequency to 1.
Assuming 6kHz (applicable frequency band 800Hz) and 16 taps
The same simulation as above was performed. The result is
Figure 11 shows. From this figure, the applicable frequency band is 4 kHz (9th
In the case of the figure), the band where the S / N ratio improvement effect is degraded is reduced to 800 Hz from the band of about 500 Hz or less to about 100 Hz.
It can be seen that it has decreased to the following band.

以上述べたことにより、この発明では、適用形アレー
の極低周波域での性能低下に対して、大きな改善効果が
あることが、明らかとなった。
From the above description, it has been clarified that the present invention has a great improvement effect on the performance deterioration in the extremely low frequency range of the adaptive array.

「実施例」 第1図にこの発明の第一の実施例を示す。位相整合形
受音器41と適応形アレー受音器42とが設けられ、位相整
合形受音器41の出力は高域通過フィルタ43へ供給され、
適応形アレー受音器42の出力は低減通過フィルタ44へ供
給され、高域通過フィルタ43の出力及び低域通過フィル
タ44の出力は加算器45で加算されて出力信号46として出
力される。
"Embodiment" FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention. A phase matching sound receiver 41 and an adaptive array sound receiver 42 are provided, and the output of the phase matching sound receiver 41 is supplied to a high-pass filter 43,
The output of the adaptive array receiver 42 is supplied to a reduction pass filter 44, and the output of the high pass filter 43 and the output of the low pass filter 44 are added by an adder 45 and output as an output signal 46.

高域通過フィルタ43および低域通過フィルタ44はほぼ
同一の遮断周波数fcを持っている。その結果、出力信号
46の高周波域は位相整合形受音器41の出力、低周波域は
適応形アレー受音器42の出力より合成される。この実施
例において各フィルタ43,44は、各受音装置41,42の各一
部としてその内部にそれぞれ組み込むことも可能であ
る。このようにして高周波数成分は位相合成形受音方式
で受音され、低周波成分は適応形アレー方式で受音され
る。
The high-pass filter 43 and the low-pass filter 44 have substantially the same cutoff frequency fc. As a result, the output signal
The high frequency range of 46 is synthesized from the output of the phase matching sound receiver 41 and the low frequency range is synthesized from the output of the adaptive array sound receiver 42. In this embodiment, each of the filters 43 and 44 can be incorporated in each of the sound receiving devices 41 and 42 as a part thereof. Thus, the high frequency component is received by the phase synthesis type sound receiving method, and the low frequency component is received by the adaptive array method.

第2図にこの発明の第二の実施例を示す。受音器51の
出力は高域通過フィルタ52及び低域通過フィルタ53へ供
給され、高域通過フィルタ52の出力は位相合成受音を実
現するための処理回路54へ供給され、低域通過フィルタ
53の出力は適応形アレー受音を実現するための処理回路
55へ供給され、処理回路54,55の両出力は加算器56で加
算されて出力信号57として出力される。
FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention. The output of the sound receiver 51 is supplied to a high-pass filter 52 and a low-pass filter 53, and the output of the high-pass filter 52 is supplied to a processing circuit 54 for implementing phase synthesis sound reception.
53 outputs are processing circuits to realize adaptive array sound reception
The output of the processing circuit 54 and the output of the processing circuit 55 are added by an adder 56 and output as an output signal 57.

この実施例においては、まず、音響信号は一つの受信
器51、例えばマイクロホンアレーで受音される。次に、
受音された信号はほぼ同一の遮断周波数fcを持つ高域通
過フィルタ52および低域通過フィルタ53によって2つの
周波数帯域に分けられる。その後、高周波域に対しては
位相合成受音を行う信号処理を、処理回路54において行
い、また、低周波域に対しては適応形アレー受音を行う
信号処理を、処理回路55において行う。最後に処理回路
54および55の出力は加算器56により加算されて出力57を
合成する。
In this embodiment, first, an acoustic signal is received by one receiver 51, for example, a microphone array. next,
The received signal is divided into two frequency bands by a high-pass filter 52 and a low-pass filter 53 having substantially the same cutoff frequency fc. After that, the processing circuit 54 performs signal processing for performing phase-synthesized sound reception for the high-frequency band, and performs signal processing for performing adaptive array sound reception for the low-frequency band in the processing circuit 55. Finally the processing circuit
The outputs of 54 and 55 are added by adder 56 to synthesize output 57.

さて、受音器規模Lが与えられた時、低周波域と高周
波域とを分ける周波数fcは、cを音速とした時、下記の
条件式を満たすように定める。
Now, given the scale L of the sound receiver, the frequency fc that separates the low frequency region and the high frequency region is determined so as to satisfy the following conditional expression when c is the sound speed.

fc>c/L (1) この条件を満たす最小の周波数fc0は、例えば、受音
器規模を50cmとすると、680Hzとなり、位相合成形受音
を行った場合には第7図Bに示す指向特性をもつものと
なる。
fc> c / L (1) The minimum frequency fc0 that satisfies this condition is, for example, 680 Hz when the size of the sound receiver is 50 cm, and the directivity shown in FIG. It has characteristics.

fcの値がc/Lより小さくなると、位相合成受音におけ
る指向特性は無指向性に近いものとなり、SN比の改善は
期待できない。一方、fcの値を十分に大きく取れば、位
相合成受音における指向特性は鋭くなるが、適応形アレ
ー受音を行う低周波域の帯域幅が増加して信号処理量が
増加し、極低周波域の性能も劣化するという欠点も生じ
る。従って、実用に際しては、必要とされる指向特性の
鋭さ、許容できる信号処理量などを勘案し、少なくとも
(1)式の条件を満たす範囲の中からfcの値が選ばれ
る。
If the value of fc is smaller than c / L, the directional characteristics of the phase-synthesized sound reception will be close to non-directionality, and improvement of the SN ratio cannot be expected. On the other hand, if the value of fc is set to a sufficiently large value, the directional characteristics of the phase-synthesized sound reception become sharp, but the bandwidth of the low-frequency band for performing the adaptive array sound reception increases, and the signal processing amount increases. There is a disadvantage that the performance in the frequency range is also deteriorated. Therefore, in practical use, the value of fc is selected from a range that satisfies at least the condition of the expression (1) in consideration of the required sharpness of the directional characteristics, the allowable signal processing amount, and the like.

次に、位相合成受音を実現するための処理回路54およ
び適応形アレー受音を実現するための処理回路55につい
て説明する。
Next, a processing circuit 54 for realizing phase-synthesized sound reception and a processing circuit 55 for realizing adaptive array sound reception will be described.

受音器51としては、第6図に示したマイクロホンアレ
ー12と同様に直線上にマイクロホン素子を配置したマイ
クロホンアレーを用いるものとし、目的信号方向は第6
図の場合と同様にマイクロホン素子を並べた直線に対し
て垂直方向であるとする。受音器51からは複数のマイク
ロホン素子で受音された複数の信号が出力され、高域通
過フィルタ52および低域通過フィルタ53を通して、それ
ぞれ処理回路54および55に供給される。
As the sound receiver 51, a microphone array in which microphone elements are arranged on a straight line similarly to the microphone array 12 shown in FIG.
As in the case of the drawing, it is assumed that the direction is perpendicular to the straight line in which the microphone elements are arranged. A plurality of signals received by the plurality of microphone elements are output from the sound receiver 51, and supplied to the processing circuits 54 and 55 through a high-pass filter 52 and a low-pass filter 53, respectively.

第3図は位相合成受音を実現する処理回路54の構成例
を示す。高域通過フィルタ52より供給されるM個のマイ
クロホン素子の各受音出力に対応する信号、611〜61M
それぞれ処理フィルタ621〜62Mを通じて加算器63で加算
されて出力信号64として出力される。この処理回路54
は、処理フィルタ621〜62Mの特性が全て1(フィルタを
通さない場合と同一特性)の場合には第6図に示した構
成と同一のものとなり、超指向特性が実現される。ま
た、処理フィルタ621〜62Mに適切な特性を与えると、個
々のマイクロホン素子の持つ特性のバラツキを補正した
り、周波数に依存した指向特性ビーム幅の変動を軽減し
たりすることができる。さらに適切な遅延特性を処理フ
ィルタ621〜62Mに与えれば目的方向(指向特性ビームの
方向)の制御も行うことができる。
FIG. 3 shows an example of the configuration of a processing circuit 54 for realizing phase synthesis sound reception. Signals corresponding to the respective sound receiving outputs of the M microphone elements supplied from the high-pass filter 52, 61 1 to 61 M are added by the adder 63 through the processing filters 62 1 to 62 M, respectively, and output as an output signal 64. Is output. This processing circuit 54
When the characteristics of the processing filters 62 1 to 62 M are all 1 (the same characteristic as when no filter is passed), the configuration is the same as the configuration shown in FIG. 6, and the super directional characteristic is realized. When appropriate characteristics are given to the processing filters 62 1 to 62 M , variations in characteristics of individual microphone elements can be corrected, and fluctuations in the directional characteristic beam width depending on the frequency can be reduced. Further, if an appropriate delay characteristic is given to the processing filters 62 1 to 62 M , it is possible to control the target direction (direction of the directional characteristic beam).

第4図は適応形アレー受音を実現する処理回路55の構
成例を示す。低域通過フィルタ53より供給されるM個の
マイクロホン素子の各受音出力に対応する信号u1〜uM
その各隣接のものがそれぞれ減算器721〜72M-1で互いに
減算され、これら減算器出力v1〜vM-1は適応フィルタ74
1〜74M-1を通じて減算器75へ供給されて信号u1との差が
出力信号76として出力される。
FIG. 4 shows a configuration example of a processing circuit 55 for realizing an adaptive array sound reception. The signals u 1 to u M corresponding to the respective sound receiving outputs of the M microphone elements supplied from the low-pass filter 53 are subtracted from their adjacent signals by subtractors 72 1 to 72 M-1 , respectively. These subtractor outputs v 1 to v M−1 are output from the adaptive filter 74.
The difference from the signal u 1 is supplied to the subtractor 75 through 1 to 74 M−1 and output as the output signal 76.

この構成例では、まず、M−1個の減算器721〜72M-1
を用いてM個の信号u1〜uMに含まれている同相成分を除
去したM−1個の信号v1〜vM-1を合成する。受音条件よ
り、M個の信号u1〜uMに含まれている目的信号成分は同
相であり、雑音成分は位相差を持つ。従って、信号v1
vM-1は目的信号を含まず、雑音のみを含んだ信号であ
る。これら信号v1〜vM-1はそれぞれ適応フィルタ741〜7
4M-1に入力される。適応フィルタ741〜74M-1の出力は減
算器75に入力され、信号u1から引算される。適応フィル
タ741〜74M-1には減算器75の出力76がフィードバックさ
れ、この出力76の自乗平均値を最小とするようにフィル
タ係数の修正を行う。修正のアルゴリズムとしては学習
同定法やLMS法などの適応アルゴリズムを用いる。
In this configuration example, first, M-1 one subtractors 72 1 ~72 M-1
Synthesizing M signals u 1 ~u M-1 pieces of signal to remove the phase component contained in the M v 1 to v M-1 used. According to the sound receiving condition, the target signal components included in the M signals u 1 to u M have the same phase, and the noise components have a phase difference. Therefore, signals v 1 to
v M-1 is a signal that does not include the target signal but includes only noise. These signals v 1 to v M-1 are adaptive filters 74 1 to 7 respectively.
4 Input to M-1 . Outputs of the adaptive filters 74 1 to 74 M−1 are input to a subtractor 75 and subtracted from the signal u 1 . The output 76 of the subtractor 75 is fed back to the adaptive filters 74 1 to 74 M−1 , and the filter coefficients are corrected so that the root mean square value of the output 76 is minimized. As a correction algorithm, an adaptive algorithm such as a learning identification method or an LMS method is used.

この適応フィルタ動作において、出力76を最小化する
ということは出力76に含まれている雑音成分を最小化し
ていることに相当する。また、信号v1〜vM-1には雑音の
みが含まれているので、信号u1に含まれる目的信号成分
は信号v1〜vM-1を引算することによって影響を受けな
い。従って、第4図の構成例は、目的信号を全く歪ませ
ないという拘束条件下で、雑音の最小化を行う適応形ア
レーの一構成例となっている。
In this adaptive filter operation, minimizing the output 76 corresponds to minimizing the noise component contained in the output 76. Also, because it contains only noise in the signal v 1 ~v M-1, the target signal component contained in the signal u 1 is not affected by subtracting the signal v 1 ~v M-1. Therefore, the configuration example of FIG. 4 is an example of a configuration of an adaptive array that minimizes noise under the constraint that the target signal is not distorted at all.

以上、第4図を用いて適応形アレー受音を実現する処
理回路55の構成例を示したが、他の適応形アレー受音方
式を利用することも可能である。例えば、目的信号にあ
る範囲の歪を許容しながら雑音を最小化する方式(金
田:“AMNOR(適応形雑音抑圧マイクロホンアレー)”
電子通信学会技術報告,EA85−36,1985)は、目的信号の
歪を許さないという拘束条件に基づく第4図の方式と比
べて、演算量は増加するが、SN比改善効果の大きい方式
として有効な方式である。
The configuration example of the processing circuit 55 for realizing the adaptive array sound reception has been described above with reference to FIG. 4, but it is also possible to use another adaptive array sound reception method. For example, a method that minimizes noise while allowing a certain range of distortion in the target signal (Kanada: "AMNOR (Adaptive Noise Suppression Microphone Array)")
The IEICE Technical Report, EA85-36, 1985) states that although the amount of computation increases compared to the method of FIG. 4 based on the constraint that the distortion of the target signal is not allowed, the method has a large SN ratio improvement effect. This is an effective method.

「発明の効果」 以上説明したように、この発明は受音信号を2つの周
波数帯域に分けて、高周波域を位相合成形受音方式で受
音し、低周波域を適応形アレー方式で受音することを特
徴とする。この発明によれば、従来の位相合成形受音方
式の欠点であった低周波域での性能劣化、また、適応形
アレー方式の欠点であった極低周波域での性能劣化の問
題は改善される。その結果、例えば、数十Hzから十数kH
zなどの広帯域にわたった高SN比受音も実現可能とな
る。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, a received signal is divided into two frequency bands, a high frequency region is received by a phase synthesis type sound receiving system, and a low frequency region is received by an adaptive array system. It is characterized by sound. According to the present invention, the performance degradation in the low frequency range, which is a disadvantage of the conventional phase synthesis type sound receiving system, and the performance degradation in the extremely low frequency range, which is a disadvantage of the adaptive array system, are improved. Is done. As a result, for example, from several tens of Hz to
High SNR reception over a wide band such as z can be realized.

また、低周波域のみに適応形アレー方式を適用するこ
とによりサンプリング周波数を低下させることができる
ので、全周波数帯域を対象とした従来の適応形アレーに
比べて、演算量の大幅な低減効果をもつ。更に従来の位
相合成形受音方式より受音器の規模を小さくすることが
できる。
In addition, since the sampling frequency can be reduced by applying the adaptive array method only to the low-frequency range, a significant reduction in the amount of computation can be achieved compared to the conventional adaptive array that covers the entire frequency band. Have. Further, the size of the sound receiver can be reduced as compared with the conventional phase synthesis type sound receiving method.

従って、この発明は高品質拡声通話系や音声認識系な
どの適用を始めとして大変利用の広い受音方式を提供す
ることができる。
Therefore, the present invention can provide a sound receiving system that is very widely used, including application to a high-quality loudspeaker system and a voice recognition system.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図はこの発明の第一の実施例を示すブロック図、第
2図はこの発明の第二の実施例を示すブロック図、第3
図は第2図中の位相合成受音を実現する処理回路54の構
成例を示すブロック図、第4図は第2図中の適応形アレ
ー受音を実現する処理回路53の構成例を示すブロック
図、第5図は従来の受音方式を説明するための指向特性
の図、第6図は位相合成形マイクロホンの構成例を示す
図、第7図は直線配列マイクロホンアレーを用いた位相
合成形マイクロホンの指向特性の構成例を示す図、第8
図は適応形マイクロホンアレーの構成例を示すブロック
図、第9図は適応形マイクロホンアレーの目的信号と雑
音に対する周波数応答特性の例(16タップ、帯域4kHz)
を示す図、第10図は適応形マイクロホンアレーの目的信
号と雑音に対する周波数応答特性の例(32タップ、帯域
4kHz)を示す図、第11図は適応形マイクロホンアレーの
目的信号と雑音に対する周波数応答特性の例(16タッ
プ、帯域0.8kHz)を示す図である。
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a block diagram showing a second embodiment of the present invention, and FIG.
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration example of a processing circuit 54 for realizing a phase-synthesized sound reception in FIG. 2, and FIG. 4 shows a configuration example of a processing circuit 53 for realizing an adaptive array sound reception in FIG. FIG. 5 is a block diagram, FIG. 5 is a diagram of directional characteristics for explaining a conventional sound receiving system, FIG. 6 is a diagram showing a configuration example of a phase synthesis type microphone, and FIG. 7 is phase synthesis using a linear array microphone array. FIG. 8 is a diagram showing a configuration example of the directional characteristics of a rectangular microphone, and FIG.
The figure is a block diagram showing an example of the configuration of an adaptive microphone array. Fig. 9 is an example of the frequency response characteristics of the adaptive microphone array for the target signal and noise (16 taps, 4 kHz bandwidth).
Figure 10 shows an example of the frequency response characteristics of the adaptive microphone array for the target signal and noise (32 taps, band
FIG. 11 is a diagram showing an example (16 taps, band 0.8 kHz) of a frequency response characteristic of the adaptive microphone array to a target signal and noise.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 印牧 直文 東京都千代田区内幸町1丁目1番6号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 昭58−151796(JP,A) 特開 昭59−149494(JP,A) 特開 平2−205200(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H04R 3/00 320 H04R 1/40 320 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Inventor Naofumi Inmaki Nippon Telegraph and Telephone Corporation, 1-6-1, Uchisaiwaicho, Chiyoda-ku, Tokyo (56) Reference JP-A-58-151796 (JP, A) JP-A Sho 59-149494 (JP, A) JP-A-2-205200 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) H04R 3/00 320 H04R 1/40 320

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】受音したい音響信号を2つの周波数帯域に
分割し、 その2つの周波数帯域のうち、高周波数成分に対して
は、目的とする音波は同相で受音し、かつ不要な音波は
位相差をもって受音する位相合成形受音方式によって受
音し、 上記2つの周波数帯域のうち、低周波数成分に対して
は、目的とする音に対する感度を維持しながら、不要な
音の出力を最小化する、適応形アレー方式によって受音
することを特徴とする受音方式。
1. An audio signal to be received is divided into two frequency bands. Of the two frequency bands, a target sound wave is received in phase with respect to a high frequency component, and an unnecessary sound wave is received. Is a phase-synthesizing sound receiving system that receives a sound with a phase difference. Out of the above two frequency bands, output of unnecessary sound is maintained while maintaining sensitivity to a target sound. A sound receiving method characterized in that sound is received by an adaptive array method that minimizes noise.
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