JP3040893B2 - 音再生装置のための適応形雑音減少回路 - Google Patents
音再生装置のための適応形雑音減少回路Info
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Description
音減少回路に関し、特に補聴器のための適応形雑音減少
回路に関する。
環境内では言葉を理解しえないことである。従来におい
ては、補聴器使用者が騒々しい環境内で聞くための方策
は、音量制御による全体的利得の調節、周波数応答の調
節、または補聴器の単なる取外し、に限られていた。さ
らに最近の補聴器は、例えば、雑音に応答しての低周波
利得の修正に基づく、雑音減少技術を用いている。しか
し、通常は、これらの方策および技術は、可聴領域の音
から雑音成分を所望されるように完全には除去しえな
い。
耳用補聴器の設計は、現在の商業補聴器の設計上課せら
れる、電力、寸法、およびマイクロホン設置に関する制
約に適応しなくてはならない。強力なディジタル信号処
理技術は利用可能ではあるが、それはかなりのスペース
と電力とを必要とするので、ほとんど補聴器に用いるの
には適さない。従って、ほどほどの計算上のリソースを
必要とし、単一のマイクロホン入力のみを使用し、さま
ざまな雑音入力に対する広い領域の応答を有し、特定の
使用者の選択に従って雑音減少を個別的に行ないうる、
雑音減少回路が必要とされている。
くつかあげると、入力信号内の雑音成分を評価してこれ
を減少させる雑音減少回路の提供、補聴器内に使用する
ため寸法が小さく、かつ必要とする電力が小さい、その
ような回路の提供、使用者の選択に従って調節可能な周
波数応答を有するそのような回路の提供、使用者の選択
に従って調節可能な利得を有するそのような回路の提
供、存在する雑音環境に応じて調節可能な利得を有する
そのような回路の提供、および雑音を減少せしめられた
出力信号を発生するそのような回路の提供、である。
において、雑音成分を含む音に応答して入力信号を発生
するマイクロホンを有する音再生装置のための雑音減少
回路を提供する。この回路は、前記入力信号に応答して
雑音評価信号を発生する可変フィルタを有し、さらに前
記入力信号と該雑音評価信号とに応答して合成信号を発
生する第1合成手段を有する、適応フィルタを含む。前
記可変フィルタのパラメータは、前記合成信号に応答し
て変動し、それによってその動作特性を変化せしめる。
この回路はさらに、前記雑音評価信号に応答して修正雑
音評価信号を発生する第2フィルタを含み、さらに前記
入力信号を遅延させて遅延信号を発生する手段をも含
む。この回路はさらに前記遅延信号と前記修正雑音評価
信号とに応答して雑音減少出力信号を発生する第2合成
手段をも含む。前記可変フィルタは、所定の時間間隔内
に前記入力信号を継続的にサンプリングして前記雑音評
価信号を発生する手段を含みうる。前記回路は、ディジ
タル入力信号に使用可能であり、整数のサンプル数Nだ
け入力信号を遅延させて前記遅延信号を発生する遅延手
段を含み、かつ2N+1サンプルのタップ長を有する対
称FIRフィルタから構成される第2フィルタを含みう
る。この回路はさらに、前記修正雑音評価信号の振幅を
調節する手段をも含みうる。
に応答して入力信号を発生するマイクロホンと、該入力
信号に応答して雑音評価信号を発生する可変フィルタ
と、を有する音再生装置である。この装置は、前記入力
信号と該雑音評価信号とに応答して合成信号を発生する
第1合成手段を有する。前記可変フィルタのパラメータ
は、該合成信号に応答して変動し、それによってその動
作特性を変化せしめる。この装置はさらに、前記雑音評
価信号に応答して修正雑音評価信号を発生する第2フィ
ルタを含み、さらに前記入力信号を遅延させて遅延信号
を発生する手段をも含む。この装置はさらに、該遅延信
号と前記修正雑音評価信号とに応答して雑音減少出力信
号を発生する第2合成手段を含み、また該雑音減少出力
信号の関数として、減少せしめられた雑音成分のレベル
を有する音を発生するトランスジューサをも含む。前記
可変フィルタは、所定の時間間隔内に前記入力信号を継
続的にサンプリングして前記雑音評価信号を発生する手
段を含みうる。前記装置は、ディジタル入力信号に使用
可能であり、整数のサンプル数Nだけ前記入力信号を遅
延させて前記遅延信号を発生する遅延手段を含み、かつ
2N+1サンプルのタップ長を有する対称FIRフィル
タから構成される第2フィルタを含みうる。この装置は
さらに、前記修正雑音評価信号の振幅を調節する手段を
も含みうる。
域内の入力信号内に存在する雑音成分を減少させる方法
であり、この方法は、該入力信号を可変フィルタによっ
てフィルタして雑音評価信号を発生せしめるステップ
と、前記入力信号と該雑音評価信号とを合成して合成信
号を発生せしめるステップと、を含む。この方法はさら
に、該合成信号に応答して前記可変フィルタのパラメー
タを変動せしめるステップと、所定のパラメータに従っ
て前記雑音評価信号をフィルタすることにより修正雑音
評価信号を発生せしめるステップと、を含む。この方法
はさらに、前記入力信号を遅延させて遅延信号を発生せ
しめるステップと、該遅延信号と前記修正雑音評価信号
とを合成して雑音減少出力信号を発生せしめるステップ
と、を含む。この方法は、前記入力信号を継続的にサン
プリングし、所定の時間間隔内に前記可変フィルタのパ
ラメータを変動せしめるステップから構成される、フィ
ルタパラメータ変動ステップを含みうる。この方法は、
ディジタル入力信号に使用可能であり、整数のサンプル
数Nだけ前記入力信号を遅延させて前記遅延信号を発生
せしめるステップから構成される遅延ステップを含み、
かつ2N+1サンプルのタップ長を有する対称FIRフ
ィルタにより前記雑音評価信号をフィルタするステップ
から構成される雑音評価信号フィルタリングステップを
含みうる。この方法はさらに、前記修正雑音評価信号の
振幅を選択的に調節するステップを含みうる。他の諸目
的および諸特徴は、以下において一部が明らかにされ、
また一部が指摘される。
明の雑音減少回路が、全体的に参照番号10によって示
されている。回路10は入力12を有するが、この入力
は、マイクロホン、信号プロセッサ、など、任意の通常
の入力信号源でありうる。入力12はまた、線14上へ
送られる信号をディジタル信号にするための、アナログ
入力に対するアナログディジタル変換器(図示されてい
ない)を含む。線14上の入力信号は、入力信号を整数
のサンプル数Nだけ遅延させるNサンプル遅延回路16
と、破線18内の適応フィルタと、遅延回路20と、信
号レベル調節器36と、により受取られる。
可変フィルタ24とを含む。遅延回路20は、線14か
ら入力信号を受け、線26上へ、所定サンプル数だけ遅
延している以外は入力信号と同様の信号を出力する。実
際には、遅延回路20によって導入される遅延の長さ
は、使用者の選択に従って、または予想される雑音環境
を見越してセットされうることがわかった。線26上の
遅延信号は、可変フィルタ24によって受けられる。可
変フィルタ24は、遅延せしめられた入力信号内のそれ
ぞれのデータビットを継続的にサンプリングして、線2
8上へ、線14上の入力信号内に存在する雑音成分の評
価である雑音評価信号を発生する。あるいは、回路10
の信号処理要求を減少させることが所望される場合に
は、可変フィルタ24は、遅延入力信号内のある百分率
のサンプルのみをサンプリングするようにもセットされ
うる。信号合成器22は、線14から入力信号を受け、
また線28から雑音評価信号を受ける。信号合成器22
は、これらの2信号を合成して、線30によって搬送さ
れる誤差信号を発生する。信号合成器22は、好ましく
は2信号間の差を取る。
を受ける。可変フィルタ24は、誤差信号に応答して、
あるアルゴリズムによりフィルタパラメータを変動せし
める。もし誤差と遅延サンプルとの積が正ならば、遅延
サンプルに対応するフィルタパラメータは増加せしめら
れる。もしこの積が負ならば、フィルタパラメータは減
少せしめられる。これは、それぞれのパラメータに対し
て行なわれる。可変フィルタ24は好ましくは、誤差信
号に応答してのフィルタパラメータの調節のために、L
MSフィルタアルゴリズムのバージョンを用いる。LM
Sフィルタアルゴリズムは、本技術分野に習熟した者が
通常理解しているものであって、Proceeding
s of the IEEE、63(12)、1692
−1716(1975)に所載のWiduow,Glo
ver,McCool,Kaunitz,Willia
ms,Hearn,Ziedler,Dong,および
Goodlin 著「Adaptive Noise Canc
elling:Principles and App
lications」に詳述されており、これはここで
参照されて、その内容が本願に取込まれる。本技術分野
に習熟している者ならば認識しうるように、本発明の範
囲内において他の適応フィルタおよびアルゴリズムを用
いることもできる。本発明は、好ましくはLMSアルゴ
リズムの2進バージョンを用いる。この2進バージョン
は、フィルタパラメータを更新するのに誤差信号の値の
代わりに誤差信号の符号を用いている点を除外すれば、
伝統的なLMSアルゴリズムと同様のものである。動作
において、可変フィルタ24は、好ましくは数秒程度の
適応時定数を有する。この時定数は、可変フィルタ24
の出力を、線14上の入力信号内に存在する持続的な、
すなわち定常的な雑音成分の評価とするために用いられ
る。この時定数は、装置が、1時定数の期間内に多数回
変化する入来過渡信号および音声エネルギーを適応させ
て相殺しないようにする。この時定数は、パラメータの
更新速度およびパラメータの更新値によって決定され
る。
雑音評価信号を受け、修正雑音評価信号を発生する。フ
ィルタ32は、使用者の聴力障害の関数として、または
予想される雑音環境の関数としてセットされうる、あら
かじめ選択されたフィルタパラメータを有する。フィル
タ32は、回路10が雑音減少動作を行なう周波数範囲
を選択するために使用される。例えば、もし上方へ広が
るマスキングによって損われている聴力に対して低周波
が障害を与えているものとすれば、フィルタ32は、雑
音評価信号の低周波成分のみを通過せしめる。これによ
り、回路10は、信号合成器42によって低周波の雑音
成分を除去しうるようになる。同様にして、もし使用者
が高周波による障害を受けていれば、フィルタ32は、
雑音評価信号の高周波成分のみを通過せしめ、これは、
信号合成器42によってその出力を減少せしめる。実際
には、絶対的規則はわずかしか存在しないこと、および
フィルタ32におけるパラメータの最終的セッティング
は使用者の選択に基づいて決定されるべきであること、
がわかった。
ィルタ32のパラメータは、その補聴器の調整作業中
に、使用者の選択に従って決定される。補聴器は、好ま
しくは、調整作業中にフィルタ32のパラメータをセッ
トするための、米国特許第4,548,082号の図2
に示されているような、コネクタおよびデータリンクを
含む。調整作業は、好ましくは米国特許第4,548,
082号に詳述されているようにして行なわれる。この
特許は、ここで参照されてその開示が本願に取込まれ
る。
信号を出力し、これは信号レベル調節器36によって受
けられる。信号レベル調節器36は、修正雑音評価信号
の振幅を調節して、振幅調節済み信号を線38上へ発生
する。もし調節器36が手動操作される場合は、使用者
は、回路10の必要度が低い静かな時には、修正雑音評
価信号の振幅を減少させることができる。同様にして、
騒々しい時には、使用者は、全修正雑音評価信号を通過
せしめうる。信号レベル調節器36の自動制御を行なう
こともまた、本発明の範囲内にある。これは、信号レベ
ル調節器36が、線14を経て入力12から受ける信号
の最小スレショルドレベルを感知するようにして行なわ
れる。最小スレショルドレベルが大きい時は、それは、
修正雑音評価信号の全出力を示唆する騒々しい環境を示
す。最小スレショルドレベルが小さい時は、それは、修
正雑音評価信号が減少せしめられるべきことを示唆する
静かな環境を示す。中間的な状態においては、信号レベ
ル調節器36に対し、中間的調節がセットされる。
入力信号を受け、線40上へNサンプルだけ遅延した信
号を出力する。信号合成器42は、線40上の遅延信号
を、線38上の振幅調節済み信号と合成して、雑音減少
出力信号を線43を経て出力44に発生する。信号合成
器42は、好ましくは2信号間の差を取る。信号合成器
42のこの動作は、Nサンプル遅延信号と、線38上の
フィルタされた信号との双方内に存在する信号成分を相
殺する。Nサンプル遅延回路16におけるNの数値は、
Nサンプルの遅延を有する対称FIRフィルタであるフ
ィルタ32のタップ長によって決定される。与えられた
タップ長Lに対して、L=2N+1となる。この方程式
を用いれば、Nサンプル遅延回路16の出力と、フィル
タ32の出力との間に、適正なタイミングが保証され
る。
0は、通常見受けられるフィルタ、増幅器、および信号
プロセッサと直列に接続されうる。図2は、図1の回路
10を、補聴器100内の第1信号処理段として用いる
ためのブロック図を示している。これらの図において
は、適切である場合には共通の参照番号が用いられてい
る。図2には、補聴器100に対して外部的な音に応答
して通常の手段により入力信号を発生するために配置さ
れたマイクロホン50が示されている。アナログディジ
タル変換器52は、入力信号を受けてそれをディジタル
信号に変換する。雑音減少回路10は、このディジタル
信号を受け、その中の雑音成分を、図1および関連する
本文中に詳述されているようにして減少せしめる。信号
プロセッサ54は、回路10から雑音減少出力信号を受
ける。信号プロセッサ54は、補聴器内においてディジ
タル信号を処理しうる、任意の1つまたはそれ以上の通
常入手しうる信号処理回路でありうる。例えば、信号プ
ロセッサ54は、米国特許第4,548,082号に開
示されているフィルタ−リミット−フィルタ構造を含み
うる。信号プロセッサ54はまた、補聴器内に使用しう
る他の通常見受けられる増幅器またはフィルタ段の任意
の組合せをも含みうる。ディジタル信号が信号処理の最
終段を通過した後、ディジタルアナログ変換器56はこ
の信号を、音を雑音減少信号の関数として発生せしめる
際にトランスジューサー58によって用いられるアナロ
グ信号に変換する。
明は、信号から定常的な雑音成分を除去しなくてはなら
ない他の応用にも用いられうる。例えば、工場内の作業
環境は、ファンまたはモータの騒音のようなバックグラ
ウンド雑音を含む。図3は、ファンまたはモータの騒音
を減少させるために作業者の耳の上に、または作業者の
ヘルメット内に、着用されるべきヘッドセット110内
に設置される図1の回路10を示す。ヘッドセット11
0は、作業場内の音を検出するためのマイクロホン50
を含む。マイクロホン50は、導線(図示されていな
い)により回路112に接続されている。回路112
は、図2のアナログディジタル変換器52、雑音減少回
路10、およびディジタルアナログ変換器56を含む。
回路112はそれによって、マイクロホン50が発生し
た信号内に存在する雑音成分を減少せしめる。本技術分
野に習熟した者ならば、回路112がさらに、図2の信
号プロセッサ54内で行なわれるような他の信号処理を
も含みうることを認識できるはずである。ヘッドセット
110はさらに、回路112が発生した雑音減少信号の
関数として音を発生するためのトランスジューサー58
を含む。
ドウェア120を示し、特にそれは、図2のブロック図
の具体化を示しているが、信号プロセッサ54の省略に
より利得1の機能へ簡単化されている。ハードウェア1
20は、TMS32040の14ビットアナログディジ
タルおよびディジタルアナログ変換器126と、TMS
32010のディジタル信号プロセッサ128と、EP
ROMおよびRAMメモリ130と、から構成され、1
2.5kHz のサンプリング速度でリアルタイムで動作す
るディジタル信号処理ボード122を含む。成分126
は図2の変換器52および56の機能を兼ね備えてお
り、一方128はEPROMプログラムメモリ130内
のプログラムを実行して雑音減少回路10の雑音減少機
能を実現するディジタル信号プロセッサである。ハード
ウェア120は、音響信号を入力および出力するための
イアモジュール123を含む。イアモジュール123
は、好ましくは、典型的な耳の後部用の補聴器ケース内
に収容された、KnowlesEK 3024のマイク
ロホンおよびプリアンプ124と、KnowlesED
1932の受話器134と、を含む。このようにし
て、マイクロホンおよびプリアンプ124と受話器13
4とは、図2のマイクロホン50とトランスジューサー
58との機能を与える。
ここで参照されてその内容が取込まれるコンピュータプ
ログラム「NRDEF.320」により、図1の雑音減
少回路10を実現するためのEPROMプログラムメモ
リを含む。NRDEF.320プログラムは、好ましく
は、入力信号の処理において線形演算および線形適応係
数量子化を用いる。処理の制御は、プログラム内に備え
られている直列ポート通信ルーチンを用いて行なわれ
る。
ラムが、図1の雑音減少回路10をソフトウェア内に実
現する。図1のブロックを、そのブロックを実現するN
RDEF.320プログラム内の対応するソフトウェア
ルーチンと相関させるために、図1内に用いられている
参照符号は、以下の図4の説明においても繰返して用い
られる。従って、NRDEF.320プログラムは、6
タップ可変フィルタ24を、この可変フィルタの径路内
の単一遅延回路20と共に実現する。可変フィルタ24
は、入力信号からこの可変フィルタの出力を減算するこ
とにより発生せしめられた誤差信号によって駆動され
る。この誤差信号と、対応するデータ値との符号に基づ
いて、更新されるべき可変フィルタ24の係数は、単一
の最下位ビットだけ増加または減少せしめられる。誤差
信号は、可変フィルタ24の係数の更新のためにのみ用
いられ、他の処理においては用いられない。可変フィル
タ24からの雑音評価出力は、11タップ線形位相フィ
ルタ32によって低域フィルタされる。この低域フィル
タされた雑音評価信号は、次に乗算器(デフォルト=
1)によってスケーリングされ、5サンプル遅延せしめ
られた入力信号から減算されて、雑音減少出力信号を発
生する。
明の適用を示す。図5は、アナログディジタル変換器5
2と、音響雑音減少回路10と、ディジタルアナログ変
換器56と、を含むが、これらは全て上述されている。
回路10と、変換器52および56とは、好ましくは、
補聴器内においてマイクロホン50と増幅器57との間
に接続されるように、通常の手段によって集積回路チッ
プセット内に取付けられる。
的は達成され、他の有利な結果も得られていることがわ
かる。上述の構成に対しては、本発明の範囲から逸脱す
ることなく、さまざまな変更を行なうことができるの
で、以上の説明に含まれる、または添付図面に示されて
いる全ての事項は、例示的なものであって、限定的な意
味のものではない。
stitute for theDeafが所有する。
この特許文書の一部は、著作権保護を受ける内容を含
む。著作権の所有者は、Patent and Tra
demark Officeの特許ファイルまたは記録
内に見出される特許文書または特許開示の何人によるフ
ァクシミリ再生に対しても異議は唱えないが、その他に
関しては何であれ全ての著作権の権利を保持する。
示す。
図。
Claims (10)
- 【請求項1】 雑音成分を含む音に応答して入力信号を
発生するマイクロホンを有する音再生装置のための雑音
減少回路であって、該回路が、 前記入力信号に応答して雑音評価信号を発生する可変フ
ィルタを有し、さらに前記入力信号と前記雑音評価信号
とに応答して合成信号を発生する第1合成手段を有す
る、適応フィルタを含み、 前記可変フィルタのパラメータが前記合成信号に応答し
て変動し、それによってその動作特性を変化せしめるよ
うになっており、 前記回路がさらに、前記雑音評価信号に応答して修正雑
音評価信号を発生する第2フィルタと、 前記入力信号を遅延させて遅延信号を発生する手段と、 前記遅延信号と前記修正雑音評価信号とに応答して雑音
減少出力信号を発生する第2合成手段と、 を含む、音再生装置のための雑音減少回路。 - 【請求項2】 前記可変フィルタが、所定の時間間隔内
に前記入力信号を継続的にサンプリングして該時間間隔
内の前記雑音成分の関数である前記雑音評価信号を発生
する手段を含む、請求項1記載の回路。 - 【請求項3】 前記入力信号がディジタル信号であり、
前記遅延手段が前記入力信号を整数のサンプル数Nだけ
遅延させて前記遅延信号を発生する手段を含み、前記第
2フィルタが2N+1サンプルのタップ長を有する対称
FIRフィルタから構成される、請求項1または請求項
2記載の回路。 - 【請求項4】 前記修正雑音評価信号の振幅を調節して
振幅調節済み信号を発生する手段をさらに含み、前記第
2合成手段が前記遅延せしめられた入力信号と該振幅調
節済み信号とに応答する、請求項1または請求項2記載
の回路。 - 【請求項5】 前記入力信号がディジタル信号であり、
前記回路がさらに該入力信号を所定のサンプル数だけ遅
延させて所定遅延信号を発生する手段を含み、前記可変
フィルタが該所定遅延信号に応答して前記雑音評価信号
を発生する、請求項4記載の回路。 - 【請求項6】 前記第2フィルタのフィルタパラメータ
が、聴力障害者によって使用されて該使用者の聴力障害
の関数として選択されるか、または予想される雑音環境
の関数として選択される、請求項1または請求項2記載
の回路。 - 【請求項7】 可聴周波数領域内の入力信号内に存在す
る雑音成分を減少させる方法であって、 該入力信号を可変フィルタによってフィルタして雑音評
価信号を発生せしめるステップと、 前記入力信号と該雑音評価信号とを合成して合成信号を
発生せしめるステップと、 該合成信号に応答して前記可変フィルタのパラメータを
変動せしめるステップと、 所定のフィルタパラメータに従って前記雑音評価信号を
フィルタすることにより修正雑音評価信号を発生せしめ
るステップと、 前記入力信号を遅延させて遅延信号を発生せしめるステ
ップと、 該遅延信号と前記修正雑音評価信号とを合成して雑音減
少出力信号を発生せしめるステップと、 を含む、入力信号内に存在する雑音成分を減少させる方
法。 - 【請求項8】 前記入力信号のスレショルドレベルに応
答して前記修正雑音評価信号の振幅を選択的に調節して
振幅調節済み信号を発生せしめるステップをさらに含
み、かつ請求項7の2度目に述べた合成ステップが前記
遅延信号と該振幅調節済み信号とを合成するステップを
含む、請求項7記載の方法。 - 【請求項9】 雑音成分を含む音に応答して入力信号を
発生するマイクロホンと、 該入力信号に応答して雑音評価信号を発生する可変フィ
ルタと、 前記入力信号と該雑音評価信号とに応答して合成信号を
発生する第1合成手段と、を含み、 前記可変フィルタのパラメータが該合成信号に応答して
変動することにより、該可変フィルタの動作特性を変化
せしめるようになっており、さらに、 前記雑音評価信号に応答して修正雑音評価信号を発生す
る第2フィルタと、 前記入力信号を遅延させて遅延信号を発生する手段と、 該遅延信号と前記修正雑音評価信号とに応答して雑音減
少出力信号を発生する第2合成手段と、 該雑音減少出力信号の関数として減少せしめられた雑音
成分のレベルを有する音を発生するトランスジューサ
と、 を含む、補聴器。 - 【請求項10】 前記可変フィルタが、所定の時間間隔
内に前記入力信号を継続的にサンプリングして該時間間
隔内の前記雑音成分の関数である前記雑音評価信号を発
生する手段を含む、請求項9記載の補聴器。
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