JP3204892B2 - 背景雑音消去装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、音声入力装置、
特に電話機の送話部における雑音消去装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】通常、機械との意志の伝達は、ボタン、
マウス或いはキーボード等の入力手段と、ディスプレイ
を用いた文字、画像等の出力手段によって行われる。と
ころが、人にとっては音声による対話が手軽であり、自
然であることから、近年では電話機に限らず、機械との
音声による対話を進めるための音声認識技術に基づく音
声インタフェースの実用化の試みが行われている。

【０００３】このような背景における音声入力装置にと
って、特に問題になるのは、入力信号から雑音成分と音
声信号とを分離することである。従来から、例えば適応
的に雑音を推定して、音声信号のみを取り出す方法とし
て、スペクトルサブストラクション法などが開発されて
いる（谷口等「適応的に雑音を推定するスペクトルサブ
ストラクション法」 信学技報 "TECHNICAL REPORT OF I
ECE.SP94-116(1995-03)"）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記谷口等の論文によ
れば、音声区間の検知を行わなくても動作する適応的雑
音推定を行うことができるとされている。しかし、この
手法を直接に音声通信に用いると処理後の背景ノイズが
トーン性の性質をもち、かつ、時間変動が細かいため、
背景ノイズが耳障りであるという問題があった。また、
背景雑音の推定係数を小さくした場合、背景雑音推定の
平均効果は大きいが、推定速度が遅くなる。このため、
装置の初期立ち上がり特性が悪い。また背景ノイズが急
変した場合や、音声信号直後の場合、処理音が大きく劣
化してしまう等の問題点もあった。

【０００５】これらの問題点を回避すべく、チャンネル
分割器によって複数の帯域信号に分割してからノイズレ
ベルを検出する方法が、Ｒ．Ｊ．ビルマー等によって提
案されている（Ｒ．Ｊ．ビルマー（Richard J.Vi1mur）
等「雑音抑圧方式（NOISE SUPPRESSION SYSTEM）」（US
PAT.4,811,404））。この方法は、スペクトラルゲイン
変換法と言われ、音声メトリック計算によって分割され
たチャンネル毎のＳＮ比を切り換えるものである。

【０００６】しかし、この方法を採用した場合でも、例
えばブザー音又は長期間の母音のみからなる音声信号が
継続的に、例えば１secの間だけ入力されると、それを
雑音と見なして消去してしまうという問題があった。ま
た、音声信号の周波数特性がピーク特性を有する場合、
特に母音などのように周波数的な大きな広がりを持たな
い成分が連続する音声信号に対しては、これをノイズと
みなして強制的に消去してしまう。その結果、ノイズ抑
圧された音声信号の音質が劣化するといった問題点があ
った。

【０００７】この発明は、上述のような課題を解決する
ためになされたもので、狭帯域性の、かつ非定常な雑音
成分であっても確実に消去できる背景雑音消去装置を提
供することを目的とする。

【０００８】この発明の第２の目的は、装置の初期立ち
上がり応答が俊敏で、かつ、背景ノイズが急変しても、
処理音が安定して、劣化しない背景雑音消去装置を提供
することである。

【０００９】この発明の第３の目的は、音声が継続的に
入力されても消去されることがないため通話品質に優れ
た背景雑音消去装置を提供することである。

【００１０】この発明の第４の目的は、音声信号の周波
数特性が、周波数的な大きな広がりを持たなくても消去
されない背景雑音消去装置を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、音声
が雑音成分を含んで入力された入力信号から周波数領域
での減算によって雑音成分を除去する背景雑音消去装置
において、上記入力信号内の音声の有無を検出する音声
検出手段と、上記入力信号のパワーを計算する信号パワ
ー計算手段と、上記音声検出手段による音声検出が終了
してから所定の時間だけ背景雑音を推定し、その推定値
を保持する背景雑音推定保持手段と、上記信号パワー計
算手段で計算された信号パワーから背景雑音推定保持手
段の背景雑音パワーを減算して出力する演算手段とを備
えることを特徴とする。

【００１２】請求項２の発明は、上記演算手段から出力
される信号パワーを平滑化する平滑演算手段を備え、上
記背景雑音更新手段により、装置の初期立ち上がり、及
び、音声期間終了後の一定時間は上記平滑演算手段にお
ける平滑演算を急峻に行い、そのほかは緩やかに行うこ
とを特徴とする。

【００１３】請求項３の発明は、上記背景雑音推定保持
手段は、推定した背景雑音を保持する背景雑音保持器
と、上記音声検出器での検出結果により背景ノイズの更
新を止めるスイッチとを含むことを特徴とする。

【００１４】請求項４の発明は、上記背景雑音更新手段
は、音声期間、装置始動期間、雑音期間で、それぞれ上
記平滑演算手段の平滑演算係数を変更することを特徴と
する。

【００１５】請求項５の発明は、上記演算手段の出力を
予め定めた複数の帯域に分割する帯域分割器と、上記帯
域分割器で分割された各帯域毎の信号値を対数変換する
対数計算部と、上記対数計算部で計算された対数値に基
づいて各領域毎にｓ／ｎを計算するｓ／ｎ計算部と、計
算されたｓ／ｎに従って帯域別に各チャンネルのパワー
を減衰させるパワー減衰部と、上記パワー減衰部の出力
を平滑化する平滑演算器とを備え、上記平滑演算器の係
数を可変にすることを特徴とする。

【００１６】請求項６の発明は、上記平滑演算器の平滑
処理は、装置の初期立ち上がり、及び、音声期間終了後
一定時間は急峻に行い、そのほかは緩やかに行うことを
特徴とする。

【００１７】請求項７の発明は、狭帯域信号のピーク周
波数を割り出すピーク周波数探査部と、上記ピーク周波
数探査部の出力からピーク周波数の隣接周波数における
パワー計算を行う隣接周波数パワー監視部と、上記隣接
周波数パワー監視部から狭帯域ノイズを判定する狭帯域
ノイズ判定部とを備え、上記狭帯域ノイズ判定部の判定
結果に応じて、特定チャンネル、もしくは特定周波数の
成分を減衰させて狭帯域ノイズを除去することを特徴と
する。

【００１８】請求項８の発明は、上記ピーク周波数探査
部の探査結果に基づいて各ピーク周波数の倍数関係を計
算するピーク周波数倍数関係検索部と、上記隣接周波数
パワー監視部と上記ピーク周波数倍数関係検索部とか
ら、狭帯域ノイズを判定する狭帯域ノイズ判定部とを備
えることを特徴とする。

【００１９】請求項９の発明は、上記狭帯域ノイズ判定
部の判定結果に応じて、上記パワー減衰部で作成される
ゲインを用いて減少させることによって、上記特定周波
数を減衰することを特徴とする。

【００２０】請求項１０の発明は、上記狭帯域ノイズ判
定部の判定結果に応じて、上記帯域分割器の特定の周波
数成分を上記背景雑音保持器に加算し、さらに上記演算
手段によって入力信号から減算させることによって、上
記特定周波数を減衰することを特徴とする。

【００２１】請求項１１の発明は、上記入力信号をディ
ジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、上記ディジタル
信号を高速フーリエ変換処理によつて周波数領域の信号
に変換する高速フーリエ変換器と、周波数領域の信号を
時間領域の信号に再変換する高速逆フーリエ変換器と、
再変換されたディジタル信号をアナログ信号に変換する
Ｄ／Ａ変換器とを備えることを特徴とする。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、添付した図面を参照して、
この発明の実施の形態を詳細に説明する。

【００２３】実施の形態１ 図１は、本発明の第１の実施の形態を示すブロック図で
ある。

【００２４】図１において、１はアナログ／ディジタル
変換器（以下、Ａ／Ｄ変換器という）、２は窓関数演算
器、３は高速フーリエ変換器（以下、ＦＦＴという）、
４は信号位相計算器、５は高速逆フーリエ変換器（以
下、ＩＦＦＴという）、６は窓関数オーバラップ演算
部、７はディジタル／アナログ変換器（以下、Ｄ／Ａ変
換器という）である。

【００２５】Ａ／Ｄ変換器１には、入力信号が入力端子
ＩＮからアナログ音声として供給され、これをディジタ
ル信号に変換している。このＡ／Ｄ変換器１で変換され
たディジタル信号は、フレーム単位の信号に区切られ
て、窓関数演算器２及び音声検出器８に入力される。窓
関数演算器２では窓演算処理、例えばハミング（hammin
g）窓演算、あるいはハニング（hanning）窓演算等の公
知の窓関数演算処理が施される。窓関数演算器２の出力
はＦＦＴ３に出力され、ＦＦＴ３では入力信号を高速フ
ーリエ変換処理によつて周波数領域の信号成分に変換さ
れる。

【００２６】また、８は音声検出器であって、その設置
位置については、Ａ／Ｄ変換器１の後段の他にも、例え
ば窓関数演算器２の後段、或いは後述する加算器１５の
後段、帯域分割器１３の後段、帯域別パワー減衰部１８
の後段、平滑演算器１９の後段、或いはΙＦＦＴ５の後
段のいずれかであっても良く、また、これら複数箇所に
それぞれ配置することによって音声検出の精度を高める
ことも可能である。

【００２７】図１において、９は第１のカウンタ、１０
はスイッチ、１１は背景雑音更新部、１２は背景雑音保
持器、１３は周波数帯域分割器、１４は信号パワー計算
部、１５は加算器である。

【００２８】上記ＦＦＴ３で変換された信号は、信号位
相計算器４と信号パワー計算部１４に出力されている。
また、上記第１のカウンタ９は音声検出器８と接続さ
れ、音声検出動作の開始からの時間を計数し、背景雑音
更新部１１に対する更新許可条件を設定している。上記
スイッチ１０も音声検出器８と接続され、音声検出器８
の検出結果で制御されるものであって、音声検出器８の
検出結果が有音であるときにはスイッチ１０が開き、そ
れ以外の期間にはスイッチ１０を閉じるように動作す
る。背景雑音保持器１２は背景雑音更新部１１と互いに
接続されて、背景雑音更新保持手段を構成している。信
号パワー計算部１４は、スイッチ１０を介して背景雑音
更新部１１と接続されるとともに、加算器１５の＋入力
端子と接続される。加算器１５の−入力端子は背景雑音
保持器１２と接続され、さらに加算器１５の出力は、上
記周波数帯域分割器１３と後述するピーク周波数探査部
２１とに入力されている。

【００２９】また、図１において、１６は対数計算部、
１７は信号対ノイズ比（以下、ｓ／ｎという）計算部、
１８は帯域別パワー減衰部、１９は平滑演算器、２０は
第２のカウンタである。

【００３０】上記加算器１５での演算結果は周波数帯域
分割器１３に入力され、ここで加算器１５の出力は予め
定めた複数の帯域に分割される。また、背景雑音保持器
１２からの出力もこの帯域分割器１３に入力される。周
波数帯域分割器１３は、対数計算部１６及び帯域別パワ
ー減衰部１８と接続される。対数計算部１６は、更にｓ
／ｎ計算部１７を介して帯域別パワー減衰部１８と接続
される。帯域別パワー減衰部１８の出力は、平滑演算器
１９に入力される。平滑演算器１９には、この他に音声
検出器８からの検出出力と、第２のカウンタ２０からの
出力信号とが入力されている。また、第２のカウンタ２
０には音声検出器８の検出出力が入力されている。

【００３１】さらに、図１において、２１はピーク周波
数探査部、２２は隣接周波数パワー監視部、２３は狭帯
域ノイズ判定部、２４はピーク周波数倍数関係検索部で
ある。

【００３２】ピーク周波数探査部２１は、加算器１５の
出力信号から狭帯域信号のピーク周波数を割り出すもの
であって、割出されたピーク周波数は隣接周波数パワー
監視部２２及びピーク周波数倍数関係検索部２４に出力
される。また、狭帯域ノイズ判定部２３はピーク周波数
がノイズによって生成されたものか、音声信号によるも
のかを判定し、その結果によって減衰制御信号を帯域別
パワー減衰部１８に出力している。

【００３３】以下、上記実施の形態１のノイズ抑圧動作
について説明する。

【００３４】本発明が適用される背景雑音消去装置にお
いては、少なくとも装置始動の直後（これを「装置始動
期間」という）には、雑音のみで音声の無い期間（これ
を「雑音期間」という）が存在し、その後に、雑音が含
まれる音声を受信して、その雑音を消去する期間（これ
を「音声期間」という）が継続するものとする。勿論、
音声期間の途中に雑音期間は挿入され得る。また、背景
ノイズが狭帯域成分のノイズであるとき、これを「狭帯
域ノイズ期間」という。

【００３５】はじめに、雑音期間の信号が入力端子ＩＮ
からＡ／Ｄ変換器１に入力されるものとして、以下の説
明を行う。この実施の形態１では、入力信号のフレーム
の区切り方としては、ディジタル信号の２５６サンプル
で１フレームを構成するものとするが、適切に決めれ
ば、この値は２５６サンプルに限られない。

【００３６】Ａ／Ｄ変換器１の出力は、音声検出器８と
窓関数演算器２に入力される。音声検出器８における音
声検出の方法は、長時間、短時間の時間平均を用いる方
法など、音声の有無を区別する方法であればどのような
方法でも良い。

【００３７】音声検出器８で判定された検出結果は、第
２のカウンタ２０を介して、あるいは直接に平滑演算器
１９に入力され、その処理動作を制御する。この平滑演
算器１９における処理動作の詳細については、後述す
る。

【００３８】ＦＦＴ３では、窓関数演算器２の出力が高
速フーリエ変換処理によつて周波数領域の信号成分に変
換される。この際、ＦＦＴ３の周波数領域出力として虚
数成分と実数成分とが発生し、これらの信号成分をそれ
ぞれ信号位相計算器４と信号パワー計算部１４に出力さ
れる。信号位相計算器４では、得られた信号の位相に関
する値を計算して、保持している。なお、この位相に関
する値は、 余弦成分＝（実成分）²／（信号パワーＰ）² 正弦成分＝（虚成分）²／（信号パワーＰ）² 等のように、ＩＦＦＴ５で必要とされる形で保存するこ
とが好ましい。

【００３９】信号パワー計算部１４では、フーリエ変換
された周波数領域の信号成分から信号パワーＰ、例えば
自乗平均パワーが計算される。すなわち、以下の式
（１）によるパワーｐ（ｋ）が求めれらる。

【００４０】 ｐ（ｋ）＝｛実数成分（ｋ）²＋虚数成分（ｋ）²｝^1/2 （１） 装置始動時の初期状態ではスイッチ１０は閉じられてい
るから、信号パワー計算部１４での演算結果であるパワ
ーｐ（ｋ）は、このスイッチ１０を経由して背景雑音更
新部１１に出力される。前述したように、スイッチ１０
は音声検出器８での音声検出結果によって開閉制御され
るものであって、音声検出器８の検出結果が有音である
とき、即ち音声期間にはスイッチ１０を開く。また、音
声検出器８の検出結果が無音となる雑音期間にはスイッ
チ１０を閉じるように制御される。

【００４１】なお、信号パワー計算部１４では、（１）
式に示す平方根計算を実行しているが、平方根を計算せ
ずに、ｐ（ｋ）² を背景雑音更新部１１に入力しても良
い。

【００４２】図２は、背景雑音更新部１１の具体的な構
成を示すブロック図である。この図において、２０１、
２０３は乗算器、２０２は加算器、２０４は背景雑音保
持器１２を構成する遅延レジスタ（Ｄ）である。スイッ
チ１０を経由した信号ｐ（ｋ）は、背景雑音更新部１１
の乗算器２０１に入力される。また、この乗算器２０１
には、平均化の追従速度を決定する係数値αが入力さ
れ、乗算器２０３には係数値（１−α）が入力される。
その結果、加算器２０２の出力値として、以下の式
（２）で表わされる推定背景ノイズのパワーＮ′（ｋ）
が求められる。ここで、変数ｋは時間軸上のサンプル点
に相当し、Ｎ′（ｋ）は第ｋ回目の更新結果であること
を表している。

【００４３】 Ｎ′（ｋ）＝α（ｐ（ｋ））＋（１−α）Ｎ′（ｋ−１） （２） また、平均化の追従速度を決定する係数であるαは、装
置の初期立ち上がりの際、あるいは最後に音声検出結果
が有音であった時間からしばらくの時間は、大きな値α
１、たとえば1.0に設定されるが、その他の場合は小さ
な値α２、たとえばに0.1に設定される。この時間の監
視は第１のカウンタ９で行われ、以下の手順で係数設定
される。

【００４４】まず、第１のカウンタ９では、装置が初期
の動作開始からの時間ｔ、あるいは背景ノイズ状態変化
から一定期間の時間ｔを計数している。この第１のカウ
ンタ９で時間ｔを計数することによって、一般に予め設
定された閾値ｔ1 、例えば500msを越えていない期間に
は、上記係数αを、 α≦１．０ の範囲で大きく設定される。この実施形態では、時間閾
値ｔ1 を64msに設定し、この値以下のタイミングには、
α＝1.0に設定される。

【００４５】また、上記ｔ1 を超過した時間、即ち、 ｔ≧ｔ1 の場合には、上記説明したαよりも小さな値α１をαと
して設定する。このときα１＜αの関係が成り立ってい
る。この実施形態では、α１＝0.1としている。

【００４６】このようにαを設定することにより、装置
の初期立ち上がりの特性を迅速に向上させ、音声期間直
後に発生する背景ノイズ攪乱をなくして音質を向上する
ことができる。

【００４７】一方、背景雑音保持器１２の出力である
Ｎ′（ｋ）は、加算器１５の−入力端子に入力される。
この加算器１５の＋入力端子には、信号パワー計算部１
４からのパワーｐ（ｋ）が入力として供給され、加算器
１５ではこれら背景雑音保持器１２のＮ′（ｋ）と信号
パワー計算部１４のｐ（ｋ）との間で減算が行われる。
即ち、次の（３）式が実行される。

【００４８】 ｓ（ｋ）＝ｐ（ｋ）−Ｎ′（ｋ） （３） この（３）式で計算される減算結果ｓ（ｋ）は、Ｓ
（ｋ）を音声信号パワー、Ν（ｋ）を背景ノイズパワ
ー、ｅ（ｋ）を残差ノイズのパワーとすると、入力端子
ＩＮへの入力信号が音声信号とノイズとの混合信号であ
るときは、 ｓ（ｋ）＝Ｓ（ｋ）＋Ｎ（ｋ）−Ｎ′（ｋ） ＝Ｓ（ｋ）＋ｅ（ｋ） （４） となる。また、（３）式の減算結果ｓ（ｋ）は、入力信
号がノイズのみであるときは、 ｓ（ｋ）＝Ｎ（ｋ）−Ｎ′（ｋ） ＝ｅ（ｋ） （５） となる。そこで、推定背景ノイズのパワーＮ′（ｋ）が
十分に収束していれば、実際の背景ノイズパワーＮ
（ｋ）に等しくなるので、残差ノイズのパワーｅ（ｋ）
は０となる。また、入力端子ＩＮへの入力信号が音声信
号とノイズとの混合信号であれば、（３）式の減算結果
ｓ（ｋ）は入力信号からノイズ成分を除去した信号のパ
ワーに等しくなっている。

【００４９】つぎに、周波数帯域分割器１３の動作につ
いて説明する。

【００５０】（３）式の減算処理された信号ｓ（ｋ）
は、加算器１５から周波数帯域分割器１３に入力され、
帯域分割される。ここで帯域分割とは、信号処理を行お
うとする音声信号を、周波数軸上で表された、いくつか
の予め定められた小領域へと限定することを意味する。
したがって、従来のＲ．Ｊ．ビルマー等の「雑音抑圧方
式」のように、実際の入力信号の全周波数成分を分割帯
域（以下、チャンネルという）毎に分割した周波数信号
を個別に用意する必要はない。

【００５１】ここでは、処理の対象となる全周波数帯域
（全チャンネル）、たとえば２５０〜３５００ΗＺを２
５０ΗＺ毎に等分割しても良いし、扱う音声信号に含ま
れる周波数が集中する範囲を重点的に細分化し、残りの
周波数領域の範囲は大まかな分割数で分割してもよい。
要するに、この分割の方法は適用する系によって、適切
に定めればどのようなものであってもかまわない。

【００５２】この実施形態では、例えば図３に示すよう
に、２５０Ηｚ〜３５００ΗＺの帯域を２５０Ｈｚ毎に
１３分割の等分割を行っている。また、背景雑音保持器
１２からの出力も帯域分割器１３に入力される。この場
合に、背景ノイズの帯域分割方法も、加算器１５から出
力された信号を分割する分割方法と同一になる。

【００５３】帯域分割器１３で処理領域が定められた信
号は、対数計算部１６に入力される。対数計算部１６で
は、入力された残差信号ｅ（ｋ）、推定背景ノイズＮ′
（ｋ）が、各々分割されたチャンネル毎に対数変換され
る。この対数変換の方法は、公知のもの、例えば、あら
かじめ定めた変換表を用いる方法であっても良いし、線
形近似などで対数を求める方法を使用してもかまわな
い。対数変換を施された信号はｓ／ｎ計算部１７に入力
される。

【００５４】ｓ／ｎ計算部１７は各チャンネル毎の領域
ｓ／ｎ計算器によって構成され、対応するｓ／ｎ計算器
に入力された周波数信号に基づいて、各チャンネル毎の
ｓ／ｎ推定値が以下の様にして、Ｓ／Ν（ｍ）として計
算される。すなわち、第ｋ回目の更新結果による第ｍチ
ャンネルの信号パワーをＥ（ｋ，ｍ）とし、同じくその
背景ノイズパワーをΝ′（ｋ，ｍ）とすれば、 Ｅ（ｋ、ｍ）＝ΣＥ（ｋ、ｆ） （６） Ｎ′（ｋ、ｍ）＝ΣＮ′（ｋ、ｆ） （７） Ｓ／Ν（ｍ）＝ｌｏｇＥ（ｍ）−ｌｏｇＮ′（ｍ） （８） となる。これら（６）、（７）式において、Σはチャン
ネル開始周波数ｓｆとチャンネル終了周波数ｅｆとの範
囲の周波数領域についての加算を意味する。たとえば、
今、第１チャンネルを２５０Ηｚ〜５００Ｈｚに設定す
るならば、ｓｆ＝２５０、ｅｆ＝５００、ｍ＝１とな
る。

【００５５】なお、この実施の形態では、対数計算部１
６を用いてｓ／ｎの計算を対数領域での減算によって行
っているが、より簡易な方法でも支障が無い場合は、直
接に（６）、（７）式の結果を用いて、Ｅ（ｍ）／Ｎ′
（ｍ）の除算を実行してもかまわない。

【００５６】さて、先に説明したように有音時には、ｓ
（ｋ）≒Ｓ（Ｋ）であり、またＮ′（ｋ）＝Ｎ（ｋ）で
あることから、上記（８）式は、 Ｓ／Ν（ｍ）≒ｌｏｇＥ（ｍ）−ＩｏｇＮ（ｍ） （8′） となる。これは、 音声信号パワー／推定背景ノイズパワー≒音声信号パワ
ー／背景ノイズパワー を対数で表したものである。これまでに説明したことか
ら、背景ノイズが音声信号に混入した入力信号であって
も、ｓ／ｎ計算部１７においてチャンネル毎のｓ／ｎが
Ｓ／Ｎ（ｍ）として正しく求められることがわかる。

【００５７】つぎに、帯域別パワー減衰部１８の動作に
ついて説明する。

【００５８】ｓ／ｎ計算部１７で計算された各チャンネ
ルのｓ／ｎ推定値は、帯域別パワー減衰部１８に入力さ
れる。帯域別パワ一減衰部１８では、前述の帯域分割器
１３から出力された信号を、ｓ／ｎ計算部１７からの出
力、即ちチヤンネル毎のｓ／ｎ推定値に応じて、減衰量
を決めて減衰させている。この減衰量の決定には、公知
の参照表をチャンネル毎に用いても良いし、評価式を定
め、それによってｓ／ｎ推定値であるＳ／Ν（ｍ）に応
じて減衰を与える方法であっても良い。この実施形態１
では、ｓ／ｎを変数ｘとし、減衰量を関数値ｙとしたと
き、 ｙ＝−（２／３）ｘ＋２０ ：ｘ≦３０ （９） ｙ＝０ ：ｘ＞３０ （１０） の評価式により決定している。したがって、（４）、
（５）式で表される残差ノイズｅ（ｋ）は、各チャンネ
ルのｓ／ｎに応じて減衰を受ける。この結果、ｓ／ｎの
小さい雑音周波数チャンネルだけが更に減衰を受けて、
全体として音質が向上される。

【００５９】つぎに、平滑演算器１９の動作について説
明する。

【００６０】平滑演算器１９は、可変のフィルタ係数β
を有する複数の平滑フィルタ（図示せず）で構成され
る。この平滑演算器１９には、帯域別パワー減衰部１８
の出力が入力される。ここには、この他に、音声検出器
８からの検出出力と、第２のカウンタ２０からの出力信
号とが入力されている。また、第２のカウンタ２０には
音声検出器８の検出出力が入力されている。第２のカウ
ンタ２０は、装置の初期立ち上げ後に、または音声検出
器８が最後に有音と判定した後に、即ち音声が途絶えて
からの経過時間ｔ３を計数している。この第２のカウン
タ２０では、その計数結果ｔ３が予め設定された閾値ｎ
ｖ３よりも大きくなったとき、平滑演算器１９に係数制
御信号を出力して、平滑フィルタの係数βをβ１に変更
する。それ以外のタイミングでは、平滑フィルタの係数
βはβ≦1.0の範囲で、例えば以下のようなβ２に設定
している。また、音声検出器８の検出結果が音声期間で
あったときには、係数βは例えば以下のようなβ３に設
定される。なお、これら係数値β１及びβ２、β３の関
係は、次の（１１）式で規定される。

【００６１】 1.0≧β2≧β3≧β1≧0.0 （１１） この実施形態では、 ｎｖ３＝48ms、β２＝1.0、β３＝0.3、β１＝0.1 としている。しかし、これらβの値は、系を適用する構
成に最適なものを設定すればよく、実施の形態の数値に
限定するものではない。

【００６２】この平滑演算器１９では、以下の様に平滑
信号ｓth（ｋ）を作成して、ＩＦＦＴ５に出力してい
る。

【００６３】 ｓth（ｋ）＝β×ｅ（ｆ，ｋ）＋（１−β）×ｓth（ｋ−１） （１２） ここで、βは定数である。

【００６４】 β＝1.0 ：ｔ３≦ｎｖ３ （１３） β＝0.1 ：ｔ３＞ｎｖ３ （１４） β＝0.8 ：音声期間 このように、平滑演算器１９では各周波数で時間平均を
施された信号として平滑信号ｓth（ｋ）を出力する。こ
の平滑信号ｓth（ｋ）はＩＦＦＴ５に入力される。ＩＦ
ＦＴ５では、周波数領域の信号を時間領域の信号に変換
するが、時間領域の信号に変換した後、高速逆フーリエ
変換の出力を窓関数オーバラップ演算部６を介してＤ／
Ａ変換器７に出力している。なお、高速逆フーリエ変換
の出力をそのままＤ／Ａ変換器７に出力しても良いが、
hamming窓等の窓関数を用いて窓関数をオーバラップす
ることによって、出力信号のつながりを滑らかにするこ
とができる。この実施の形態では、公知のハミング窓関
数を用い、窓関数を５０％の重複する窓関数オーバラッ
プ演算部６を使用している。窓関数オーバラップ演算部
６からの出力は、Ｄ／Ａ変換器７に出力される。Ｄ／Ａ
変換器７ではディジタル信号をアナログ信号に変換し、
出力端子ＯＵＴへと出力する。

【００６５】つぎに、狭帯域ノイズの判定動作について
説明する。上記加算器１５の出力はピーク周波数探査部
２１に入力され、このピーク周波数探査部２１では、周
波数領域の信号に含まれるピークを示す周波数を割り出
している。そこで、このピーク周波数探査部２１におけ
る一つのピーク検出方法について説明する。

【００６６】図３は、ピークを有する周波数特性の一例
を示す図である。なお、横軸は周波数、縦軸は自乗平均
パワーである。

【００６７】まず、周波数全域にわたってパワーの平均
値ａｖｌ１を求める。その平均値ａｖｌ１を、各チャン
ネルのパワーＥ（ｍ）と比較する。そして、ピーク周波
数探査部２１に予め設定されたピーク検出閾値ｔｈpeek
と平均値ａｖｌ１を加算した値が以下の関係であればピ
ーク有りとして、そのチャンネルｍをピーク特性を含む
チャンネルであると判定する。

【００６８】Ｅ（ｍ）≧ａｖｌ１＋ｔｈpeek ピーク
有りチャンネル Ｅ（ｍ）＜ａｖｌ１＋ｔｈpeek ピークなしチャンネ
ル 図４は、ピーク周波数探査部２１でピーク特性を求める
第２の方法を示している。この第２の方法では、次の
（１５）式から全周波数の帯域にわたって所定の周波数
間隔でパワーｆの差分符号ｄｅｆ（ｋ）を求める。即
ち、 ｄｅｆ（ｋ）＝ｆ（ｋ＋１）−ｆ（ｋ） （１５） ここで、ｋは整数であり、｛（高速フーリエ変換時のサ
ンプル数）−１｝を最大とする整数である。図４から分
かるように、周波数の小さい方向から（１５）式による
演算を実施すると、パワーｆが増加する間は常に、 ｄｅｆ（ｋ）＞０ であり、パワーが減少する場合には、 ｄｅｆ（ｋ）＜０ となる。ただし、ｄｅｆ（ｋ）＝０の場合はパワーが増
加する場合と同様の取り扱いを行う。

【００６９】つぎに、ピークを計算するために、以下の
（１６−１）、（１６−２）式に基づいてピーク符号ｐ
ｅｅｋ（ｋ）を計算する。

【００７０】すなわち、ｄｅｆ（ｋ）≧０の時、 ｐｅｅｋ（ｋ）＝ｄｅｆ（ｋ）×ｄｅｆ（ｋ＋１） （１６−１） として、ｄｅｆ（ｋ）＜０の時、 ｐｅｅｋ（ｋ）＝ｃｏｎｓｔ：ｃｏｎｓｔ＝正の定数 （１６−２） とする。

【００７１】これら（１６−１）、（１６−２）式を演
算して、ｐｅｅｋ（ｋ）≧０であればピークは無しと判
定し、ｐｅｅｋ（Κ）＜０であればピークが存在し、そ
のピークの周波数はｆ（ｋ）であると判定する。以上の
判定動作は、ピーク周波数探査部２１の内部で行われ
る。図４では、ｆｌ及びｆ２にピーク成分が有る場合で
あって、それぞれ差分符号ｄｅｆ（ｋ）とピーク符号の
例を示している。この実施の形態では、第２の方法、即
ち（１６−１）、（１６−２）式に基づいた方法によっ
てピーク周波数探査を実行している。

【００７２】つぎに、このようなピーク周波数探査方法
の結果を用いて狭帯域ノイズの判定を行う方法について
説明する。

【００７３】上記ピーク周波数探査部２１では、ピーク
成分の有無、及びピーク周波数を分析し終えると、その
結果を隣接周波数パワー監視部２２に出力する。隣接周
波数パワー監視部２２では、ピーク周波数探査部２１で
検出された周波数を中心に、ピーク周波数以外の上下Δ
ｆの周波数、たとえば上下２０Ｈｚの周波数のパワーｐ
f3を計算する。この計算結果は、さらに狭帯域ノイズ判
定部２３に入力される。そして、狭帯域ノイズ判定部２
３ではこのパワーｐf3と予め設定した閾値ｔｈ２との関
係から、以下のようにして、検出したピーク性をもつ加
算器１５の出力信号ｓ（ｋ）に狭帯域雑音が含まれてい
るか否かを判定している。ここでは、音声信号と狭帯域
ノイズのパワー成分との間の次の様な相違を利用してい
る。すなわち、音声信号のピークであればそのピークは
緩やかであって、ピーク周辺にもある程度のパワー成分
が存在するが、狭帯域ノイズのパワー成分であればその
ピークが急峻であって、ピーク周波数の付近には、ピー
ク周波数でのパワーほど大きなパワーが存在しないこと
を利用したものである。

【００７４】 ｐf3≦ｔｈ２ 狭帯域ノイズ （１７） ｐf3＞ｔｈ２ 音声信号 （１８） ここでｔｈ２は、予め定めた狭帯域検出の定数であっ
て、この実施形態では、上下２０Ｈｚの周波数のパワー
ｐf3の計算値に応じて、ｔｈ２＝pf３／2.0に設定して
いる。しかし、このｔｈ２の値は発明を適用する信号や
回路構成に応じて適宜に定めることができ、この数値に
限定されるものではない。

【００７５】狭帯域ノイズ判定部２３では、（１７）式
の条件が検出されると、帯域別パワー減衰部１８に対し
て、ピークが含まれているチャンネルのパワーを減衰さ
せる様に制御信号を出力する。帯域別パワー減衰部１８
では、このピークが含まれるチャンネルのパワーを選択
的に減衰させる。したがって、帯域別パワー減衰部１８
の出力は狭帯域信号、特に隣接チャンネルにパワーの少
ない定常的な狭帯域雑音が除去された出力となる。

【００７６】また、ピーク周波数探査部２１の出力は、
ピーク周波数倍数関係検索部２４にも出力される。ピー
ク周波数倍数関係検索部２４ではピーク周波数探査部２
１で見つけたピーク周波数に対して、その倍数関係にな
い周波数成分にピークが存在しているかどうかを検出す
る。

【００７７】図５は、音声信号に非定常なピークを有す
る狭帯域雑音が混入した場合の入力信号の周波数特性を
示す図である。図５は、ピーク雑音と音声信号が入力さ
れた時の、加算器１５の出力信号ｓ（ｋ）の特性に相当
する。以下、ピーク周波数倍数関係検索部２４の動作に
ついて説明する。

【００７８】図５において、横軸は周波数である。ピー
ク周波数倍数関係検索部２４にはピーク周波数探査部２
１から、検出結果として周波数ｆｌ〜ｆ７のピーク特性
を持つことが入力されている。そこで、ピーク周波数倍
数関係検索部２４はそれぞれのピーク周波数ｆｌ〜ｆ７
に対して、そのピークが倍数関係の周波数として検出さ
れているかどうかの検索を行う。検索の方法には、検出
周波数どうしの剰余計算が実行される。これを図５の例
で説明すると、ｆ６以外の周波数では、互いに倍数関係
がある。たとえばｆ１とｆ２では、 ｍｏｄ（ｆ２，ｆ１）＝０ となる。ここでｍｏｄ（ａ，ｂ）とは、ａをｂで除算し
たときの剰余を表す。

【００７９】このように、ピーク周波数倍数関係検索部
２４では互いに倍数関係にない、独立した狭帯域信号が
検出される。狭帯域ノイズ判定部２３は、ピーク周波数
倍数関係検索部２４での検出結果として、ｍｏｄ（ａ，
ｂ）が０とならない周波数を狭帯域雑音と判定する。図
５の例では、ｆ６の周波数が狭帯域雑音と判定される。
判定結果は帯域別パワー減衰部１８に出力され、帯域別
パワー減衰部１８で、前述した判定結果の周波数ｆ６、
もしくはこの周波数ｆ６が含まれるチャンネルのパワー
を減衰する。このようにして、時間的に変動する狭帯域
性のノイズ成分を除去した音声信号を得ることができ
る。なお、この減衰された信号は平滑演算器１９に入力
され、その後の処理は先に説明した通りである。

【００８０】実施の形態２ 図６は、本発明の第２の実施の形態を示すブロック図で
ある。第１の実施の形態（図１）と対応するブロックに
は、同一の参照番号を付けて、それらの説明は省略す
る。

【００８１】この第２の実施の形態では、狭帯域ノイズ
判定部２３で狭帯域ノイズと判定した周波数を帯域分割
器１３へと出力し、更にこの帯域分割器１３では、判定
結果である狭帯域信号を背景雑音保持器１２に出力し
て、加算器１５で狭帯域ノイズ周波数のパワーを背景雑
音として減算する構成とした。すなわち、背景雑音保持
器１２は、出力された狭帯域信号を含めてノイズと見な
して、加算器１５に出力する。加算器１５では背景雑音
保持器１２から出力された狭帯域信号に基づいて更新さ
れた新しい背景ノイズ推定値が、信号パワーｓ（ｋ）か
ら減算される。このため加算器１５の出力は、狭帯域ノ
イズのパワー成分が削除された信号となる。なお、帯域
分割器１３から背景雑音保持器１２への出力は、狭帯域
ノイズ判定部２３からの出力があったときのみ出力され
る。

【００８２】ここでは本発明を電話機の送話部における
背景雑音消去装置として説明したが、電話機の他に、音
声入力装置、録音機等の音声の入力を伴う装置について
も適用可能である。

【００８３】

【発明の効果】この発明は、以上に説明したように構成
されているので、以下に示すような効果を奏する背景雑
音消去装置を提供できる。

【００８４】第１に、信号パワー計算部で計算したパワ
ーから、背景雑音保持器で推定され、保持されている背
景雑音のパワーを常に減算しているから、従来の技術で
問題となった時間変動が細かい背景ノイズを除去でき
る。

【００８５】第２に、平滑演算器のフィルタ係数を可変
にして、装置の初期立ち上がり応答を俊敏にしたので、
背景ノイズが急変しても、処理音を安定して取り出すこ
とができ、劣化することがない。

【００８６】第３に、各ピーク周波数の倍数関係を計算
することによって、音声が継続的に入力されても消去さ
れることがなく、そのため通話品質が優れている。

【００８７】第４に、ピーク信号の隣接パワーを監視す
るようにしたため、音声信号の周波数特性が、周波数的
な大きな広がりを持たない（母音など）成分の時でもこ
れをノイズとみなして強制的に消去してしまう事がな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１を示すブロック図で
ある。

【図２】 背景雑音更新部の具体的な構成を示すブロッ
ク図である。

【図３】 ピークを有する周波数特性の一例を示す図で
ある。

【図４】 ピーク周波数探査部でピーク特性を求める第
２の方法を示す図である。

【図５】 音声信号に非定常なピークを有する狭帯域雑
音が混入した場合の入力信号の周波数特性を示す図であ
る。

【図６】 この発明の実施の形態２を示すブロック図で
ある。

【符号の説明】

１ アナログ／ディジタル変換器、２ 窓関数演算器、
３ 高速フーリエ変換器、４ 信号位相計算器、５ 高
速逆フーリエ変換器、６ 窓関数オーバラップ演算部、
７ ディジタル／アナログ変換器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−230798（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−266899（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−20876（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−306695（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−340599（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−123599（ＪＰ，Ａ) 特表 昭63−500543（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G10L 21/02

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 音声が雑音成分を含んで入力された入力
   信号から周波数領域での減算によって雑音成分を除去す
   る背景雑音消去装置において、 上記入力信号内の音声の有無を検出する音声検出手段
   と、 上記入力信号のパワーを計算する信号パワー計算手段
   と、 上記音声検出手段による音声検出が終了してから所定の
   時間だけ背景雑音を推定し、その推定値を保持する背景
   雑音推定保持手段と、 上記信号パワー計算手段で計算された信号パワーから背
   景雑音推定保持手段の背景雑音パワーを減算して出力す
   る演算手段とを備えることを特徴とする背景雑音消去装
   置。
2. 【請求項２】 上記演算手段から出力される信号パワー
   を平滑化する平滑演算手段を備え、上記背景雑音更新手
   段により、装置の初期立ち上がり、及び、音声期間終了
   後の一定時間は上記平滑演算手段における平滑演算を急
   峻に行い、そのほかは緩やかに行うことを特徴とする請
   求項１に記載の背景雑音消去装置。
3. 【請求項３】 上記背景雑音推定保持手段は、 推定した背景雑音を保持する背景雑音保持器と、 上記音声検出器での検出結果により背景ノイズの更新を
   止めるスイッチとを含むことを特徴とする請求項１また
   は２に記載の背景雑音消去装置。
4. 【請求項４】 上記背景雑音更新手段は、音声期間、装
   置始動期間、雑音期間で、それぞれ上記平滑演算手段の
   平滑演算係数を変更することを特徴とする請求項２に記
   載の背景雑音消去装置。
5. 【請求項５】 上記演算手段の出力を予め定めた複数の
   帯域に分割する帯域分割器と、 上記帯域分割器で分割された各帯域毎の信号値を対数変
   換する対数計算部と、 上記対数計算部で計算された対数値に基づいて各領域毎
   にｓ／ｎを計算するｓ／ｎ計算部と、 計算されたｓ／ｎに従って帯域別に各チャンネルのパワ
   ーを減衰させるパワー減衰部と、 上記パワー減衰部の出力を平滑化する平滑演算器とを備
   え、上記平滑演算器の係数を可変にすることを特徴とす
   る請求項１乃至４のいずれかに記載の背景雑音消去装
   置。
6. 【請求項６】 上記平滑演算器の平滑処理は、装置の初
   期立ち上がり、及び、音声期間終了後一定時間は急峻に
   行い、そのほかは緩やかに行うことを特徴とする請求項
   ５に記載の背景雑音消去装置。
7. 【請求項７】 狭帯域信号のピーク周波数を割り出すピ
   ーク周波数探査部と、 上記ピーク周波数探査部の出力からピーク周波数の隣接
   周波数におけるパワー計算を行う隣接周波数パワー監視
   部と、 上記隣接周波数パワー監視部から狭帯域ノイズを判定す
   る狭帯域ノイズ判定部とを備え、 上記狭帯域ノイズ判定部の判定結果に応じて、特定チャ
   ンネル、もしくは特定周波数の成分を減衰させて狭帯域
   ノイズを除去することを特徴とする請求項１乃至６のい
   ずれかに記載の背景雑音消去装置。
8. 【請求項８】 上記ピーク周波数探査部の探査結果に基
   づいて各ピーク周波数の倍数関係を計算するピーク周波
   数倍数関係検索部と、 上記隣接周波数パワー監視部と上記ピーク周波数倍数関
   係検索部とから、狭帯域ノイズを判定する狭帯域ノイズ
   判定部とを備えることを特徴とする請求項７に記載の背
   景雑音消去装置。
9. 【請求項９】 上記狭帯域ノイズ判定部の判定結果に応
   じて、上記パワー減衰部で作成されるゲインを用いて減
   少させることによって、上記特定周波数を減衰すること
   を特徴とする請求項７または請求項８に記載の背景雑音
   消去装置。
10. 【請求項１０】 上記狭帯域ノイズ判定部の判定結果に
    応じて、上記帯域分割器の特定の周波数成分を上記背景
    雑音保持器に加算し、さらに上記演算手段によって入力
    信号から減算させることによって、上記特定周波数を減
    衰することを特徴とする請求項７または請求項８に記載
    の背景雑音消去装置。
11. 【請求項１１】 上記入力信号をディジタル信号に変換
    するＡ／Ｄ変換器と、 上記ディジタル信号を高速フーリエ変換処理によつて周
    波数領域の信号に変換する高速フーリエ変換器と、 周波数領域の信号を時間領域の信号に再変換する高速逆
    フーリエ変換器と、 再変換されたディジタル信号をアナログ信号に変換する
    Ｄ／Ａ変換器とを備えることを特徴とする請求項１乃至
    １０のいずれかに記載の背景雑音消去装置。