JP3877073B2 - ２系統音声信号間の遅延差検出および補正装置 - Google Patents

Description

本発明は、２系統音声信号間の遅延差検出および補正装置に関し、特に、同一の音声信号を２系統の回線に分けて伝送し、受信側で障害のない回線を選択して音声信号を受信する２重化伝送における２系統音声信号間の遅延差検出および補正装置に関する。

従来、テレビ信号の高信頼性伝送を目的とした２重化伝送では、同一の映像／音声信号を２系統の回線に分けて伝送し、受信側ではいずれか一方の回線を選択して受信する。受信側では監視員がそれらの２系統の回線状態を監視し、受信中の回線で障害が発生した場合には、手動スイッチにより正常な回線を使用しての受信に切り替え、継続的に映像／音声が受信されるようにする。

本出願人は、２重化伝送において受信中の回線で障害が発生した場合の正常回線への切替えを自動化する技術を下記特許文献１で提案した。また、映像について遅延差検出および補正を行う技術を下記特許文献２で提案した。
特開２０００−３５０２３８号公報 特開２００２−１４２１３１号公報

監視員が手動によりスイッチを切り替えて正常な回線を選択し、継続的に映像／音声が受信されるようにするものでは、無瞬断での切替えが困難であるばかりでなく、２系統の音声信号間の遅延ずれに伴って切替時の音声信号が良好に継続されないという課題がある。

また、上記特許文献１の技術は、映像を対象とするものであり、また、装置に入力されてくる２系統の映像において画面の位置が既に合致し、映像間に遅延ずれがない状態になっていることを前提としている。しかしながら、２重化伝送においては、２系統が地理的に別の経路を通ってくることが多く、２系統の映像間に遅延差があるのが普通である。

２系統の映像間の遅延差は、上記特許文献２の技術により補正できるが、これは映像についての遅延差を検出・補正するものである。各系統に、例えばテレビ信号を圧縮符号化・復号する装置がそれぞれ含まれている場合、映像と音声とは別々に処理され、処理タイミングがわずかにずれる場合があるため、たとえ映像について遅延差が補正されても、音声についての遅延差は補正されず、わずかにずれている場合がある。したがって、系統の切替えにかかわらず音声信号が良好に継続して受信されるようにするには、両系統における音声信号間の遅延差も補正する必要がある。

本発明の目的は、音声信号の２重化伝送において、受信側での２系統音声信号間の遅延差の検出および補正を良好に行うことができる装置を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するために、２系統の回線により伝送された同一の音声信号間の遅延差検出および補正装置において、各系統に対応して設けられ、各系統それぞれの音声信号データが入力されるメモリと、前記メモリの出力を互いに比較する比較手段と、前記比較手段の出力に応じて前記メモリの読み出し位置を制御する制御手段と、前記比較手段での比較結果および前記メモリの読み出し位置に基づいて２系統の音声信号間の遅延差を検出する検出手段と、前記遅延差に従って２系統の音声信号間の遅延差を補正することにより両系統の音声信号の時間的ずれの影響を解消する補正手段とを備える点に第１の特徴がある。

また、本発明は、音声信号のサンプル値が音声信号データとして前記メモリに入力され、前記比較手段は、該サンプル値の系統間での差分を求めることにより前記メモリの出力を互いに比較する点に第２の特徴がある。

また、本発明は、前記メモリの前段にサブサンプル手段が設けられ、該サブサンプル手段により出力されるサブサンプル値が音声信号データとして前記メモリに入力される点に第３の特徴がある。

また、本発明は、前記メモリの入力側に、音声データを直接入力する経路とサブサンプルして入力する経路とを有し、２系統の音声信号間の遅延差は、サブサンプルされた音声データの前記メモリへの入力、続く直接の音声データの前記メモリへの入力の２段階を経て検出される点に第４の特徴がある。

また、本発明は、前記サブサンプル手段が、絶対値演算・最大値選択手段を有し、サブサンプル前のデータの絶対値を求め、さらにサブサンプル対象ブロック内の最大値を求めてサブサンプル値として出力する点に第５の特徴がある。

また、本発明は、前記サブサンプル手段が、自乗値演算・最大値選択手段を有し、サブサンプル前のデータの自乗値を求め、さらにサブサンプル対象ブロック内の最大値を求めてサブサンプル値として出力する点に第６の特徴がある。

さらに、本発明は、前記検出手段が、２系統の音声信号データの差分を最も小さくする遅延差を検出し、前記制御手段が、前記検出手段から出力される複数回の遅延差の多数決を取り、その結果に応じて前記メモリの読み出し位置を制御する点に第７の特徴がある。

本発明によれば、各系統にメモリを配し、該メモリの出力を互いに比較するので、２系統の音声信号の比較による両者間の遅延差（ずれ）の検出および補正を容易に行うことができる。この際、各系統の音声信号のサンプル値の差分を計算し、該差分が最も小さくなるときのメモリの読み出し位置を求める。この読み出し位置は２系統の音声信号が最も一致している位置であるので、２系統の音声信号間の遅延差は、この読み出し位置の差として検出できる。

また、データを各メモリに入れる前にサブサンプルし、限られた数のサンプル値だけをメモリに入れることにより、遅延差が大きい場合でも、限られたメモリ量で遅延差を検出できる。また、サブサンプルによる遅延差検出後、サブサンプルなしでの遅延差検出を行うことにより、メモリ量を増大させることなく正確に遅延差を検出できる。

また、サブサンプル値として、各データの絶対値の、サブサンプル対象ブロック内の最大値、もしくは各データの自乗値の、サブサンプル対象ブロック内の最大値を用いることにより、少ないサンプル数により元の音声信号の波形を十分に表現できる。したがって、それらを互いに比較することにより限られたメモリ量でも大きな遅延差を検出できる。

また、各メモリの出力を互いに比較して最も２系統の差を小さくする遅延差を検出し、その後、検出差された遅延差をそのまま補正に使うのではなく、複数回の検出遅延差の多数決を取り、その結果を最終的な遅延差量として補正に用いることにより、音声信号に圧縮符号化ノイズが重畳されて、検出された遅延差に揺らぎが含まれている場合などであってもその影響を受けることなく、安定して正確に遅延差を検出および補正できる。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図１は、本発明に係る２系統の音声信号の遅延差検出および補正装置の概略構成の例を示すブロック図である。２系統Ａ，Ｂの回線からの音声信号はそれぞれ、ＦＩＦＯメモリ１−Ａ，１−Ｂに入力される。同時に、これらの音声信号は遅延差検出部２にも入力される。

通常の運用時、例えば系統Ａが受信に使用されているとすると、切替スイッチ３は接点ａ側に接続され、系統Ａからの音声信号がＦＩＦＯメモリ１−Ａを介して出力音声信号として送出される。系統Ａに障害が発生した場合、切替スイッチ３は接点ｂ側に切り替えられ、今度は系統Ｂの音声信号が出力音声信号として送出される。この切り替えは、上記特許文献１と同様に、自動的に行うことができる。

この切替時、出力音声信号が良好に継続されるようにするため、遅延差検出部２は、両系統Ａ，Ｂの音声信号間の遅延差（ずれ）を検出し、この遅延差に従ってＦＩＦＯメモリ１−Ａ，１−Ｂの相対的な読み出し位置を制御して遅延補正する。

図２は、遅延差検出部２の構成例を示すブロック図である。同図において、両系統Ａ，Ｂの回線からの音声信号はそれぞれ、第１メモリ（ＦＩＦＯ）２１−Ａ，２１−Ｂに入力される。

第１メモリ２１−Ａ，２１−Ｂは、後述するＦＩＦＯ制御部２７によりその読み出し位置が制御されて音声信号の遅延量を変更することができる。第１メモリ２１−Ａ，２１−Ｂはそれぞれ、例えば３秒分のメモリ容量を有する。

切替スイッチ２３−Ａ，２３−Ｂが接点ａ側に切り替えられている場合、第１メモリ２１−Ａ，２１−Ｂから読み出された音声信号はそれぞれ、サブサンプル部２２−Ａ、２２−Ｂでサブサンプルされ、サブサンプルされた音声信号が音声号データとして第２メモリ（ＲＡＭ）２４−Ａ，２４−Ｂに入力される。また、切替スイッチ２３−Ａ，２３−Ｂが接点ｂ側に切り替えられている場合、音声信号はそのまま音声データとして第２メモリ２４−Ａ，２４−Ｂに直接入力される。

比較部２５は、第２メモリ２４−Ａ，２４−Ｂをランダムアクセスして、それらから音声データを読み出す。また、比較部２５は、第２メモリ２４−Ａ，２４−Ｂの読み出し位置を相対的に変えながら読み出した音声データを比較して両者間の差分を検出し、この差分が最小となる読み出し位置を求める。差分が最小となったときの読み出し位置の差は両系統Ａ，Ｂの音声信号間の遅延差に相当する。

検出された遅延差は、多数決処理部２６を介してＦＩＦＯ制御部２７に出力される。ＦＩＦＯ制御部２７は、入力された遅延差に従って第１メモリ２１−Ａ，２１−Ｂの読み出し位置を変化させる。

次に、上記構成の遅延差検出部２の動作について説明する。まず、切替スイッチ２３−Ａ，２３−Ｂは接点ａ側に切り替えられているものとする。このとき、両系統Ａ，Ｂの音声信号はそれぞれ、第１メモリ２１−Ａ，２１−Ｂに入力され、第１メモリ２１−Ａ，２１−Ｂから読み出された音声信号はそれぞれ、サブサンプル部２２−Ａ、２２−Ｂを介して音声データとして第２メモリ２４−Ａ，２４−Ｂに入力される。

比較部２５は、第２メモリ２４−Ａ，２４−Ｂから音声データを読み出し、両者の差分を検出する。この検出を第２メモリ２４−Ａ，２４−Ｂ読み出し位置を相対的に変えながら行い、検出される差分が最小となる読み出し位置の差を両系統Ａ，Ｂの音声信号間の遅延差とする。この遅延差は、多数決処理部２６を介してＦＩＦＯ制御部２７に出力される。多数決処理部５については後述する。

ＦＩＦＯ制御部２７は、検出された遅延差に従って第１メモリ２１−Ａ，２１−Ｂの読み出し位置を変化させる。この場合に検出される遅延差はサブサンプルされた音声データによる結果であるので、この遅延差にサブサンプル率をかけてサブサンプル前のサンプル数に換算する。例えば512サブサンプル（512サンプルに対し1サブサンプル）による遅延差が10サブサンプルであったとすれば、5120（＝512×10）サンプルとして、両系統Ａ，Ｂの第１メモリ２１−Ａ，２１−Ｂの読み出し位置を変化させる。例えば系統Ａの音声データの方が5120サンプル遅れているという結果が出た場合、系統Ｂの第１メモリ２１−Ｂからの読み出し位置を5120サンプル遅らせる。

次に、切替スイッチ２３−Ａ，２３−Ｂを接点ｂ側に切り替える。新たに第１メモリ２１−Ａ，２１−Ｂから読み出された音声信号は、今度はサブサンプルされることなしに第２メモリ２４−Ａ，２４−Ｂに直接読み込まれる。

ＦＩＦＯメモリ制御部２７は、上記と同様に、比較部２５で検出された両系統Ａ，Ｂの音声信号間の遅延差に従って第１メモリ２１−Ａ，２１−Ｂの読み出し位置を変化させる。この場合に第２メモリ２４−Ａ２４−Ｂに入力される音声データは、サブサンプル部２２−Ａ，２２−Ｂを介さないものであるので、検出された遅延差を第１メモリ２１−Ａ，２１−Ｂの読み出し位置の制御に直接反映させる。

検出される遅延差が０となったときの第１メモリ２１−Ａ、２１−Ｂの読み出し位置の差分が両系統Ａ，Ｂの音声信号間の遅延差となる。この遅延差に従って図１のＦＩＦＯメモリ１−Ａ，１−Ｂの相対的な読み出し位置を制御して両系統Ａ，Ｂの音声信号間の遅延差を補正するが、図示省略してある。

図３は、サブサンプル部２２（２２−Ａ，２２−Ｂ）の構成例を示すブロック図である。サブサンプル部２２は、絶対値演算部３１とサブサンプル対象ブロック内最大値選択処理部３２とからなる。

絶対値演算部３１は、次々と入力されてくる音声信号のサンプル値の絶対値を求める。サブサンプル対象ブロック内最大値選択処理部３２は、サブサンプル対象ブロックを、例えば512サンプルとすると、絶対値演算部３１で求められた絶対値の512サンプルごとにその中の最大値を選択して出力する。

このように、まず、サブサンプル対象ブロック内の音声信号のサンプル値の絶対値を求め、次にサブサンプル対象ブロック内での絶対値の最大値を求めてそのブロックを代表するサブサンプル値とすることにより、元の音声信号の波形を十分に代表するサブサンプル値を得ることができる。

図４は、比較部２５の構成例を示すブロック図である。読み出しアドレス発生部４１は、第２メモリ２４−Ａ，２４−Ｂ（図２）の読み出し位置を相対的に変えながらそれらから音声データを読み出す。減算器４２、絶対値演算部４３および累積加算部４４は、両系統Ａ，Ｂの第２メモリ２４−Ａ，２４−Ｂから、例えば256サブサンプル（あるいはサンプル）ずつ読み出し、両者間の差分絶対値和を検出する。

制御部４５は、この検出処理を第２メモリ２４−Ａ，２４−Ｂの読み出し位置を相対的に変えながら行い、差分絶対値和が最小となる読み出し位置を求める。読み出し位置の差分が両系統Ａ，Ｂの音声信号間の遅延差となる。この遅延差は後段のＦＩＦＯ制御部２７に渡される。

以上のようにして両系統Ａ，Ｂの音声信号間の遅延差が検出されるが、実際上では遅延差が一旦０と検出された後でも両系統Ａ，Ｂの音声信号に重畳される符号化ノイズの差異により遅延差が揺らぐ（小さい数値、例えば１とか２などの遅延差が検出される）場合がある。すなわち、各系統ごとに異なる符号化ノイズの影響により毎回の遅延差検出結果に揺らぎが若干存在する場合がある。

この遅延差の揺らぎは、２系統の音声信号が圧縮伝送されてくる場合、送信側で圧縮符号化が別個に行われ、受信側で別個に復号されて２系統の音声信号として受信される結果、一般的に２系統の音声信号に重畳される符号化ノイズが異なることに起因する。

多数決処理部２６は、検出される遅延差に対して多数決処理を加えてこの揺らぎの影響を弱め、正確な遅延差検出および補正を行うことを可能にする。多数決処理では、検出された複数回の遅延差のうち最も多い遅延差を出力するようにすればよい。

以上説明したように、本発明によれば、各系統にメモリを配したメモリの出力を互いに比較するので、２系統の音声信号の比較による両者間の遅延差（ずれ）の検出および補正が容易になる。

また、上記実施形態のように、サブサンプル（間引き）や値の変換、多数決処理を行えば、２重化伝送における２系統の音声信号のサンプル値の比較による遅延差の検出および補正を、遅延差が大きい場合であっても正確かつ容易に実施することができる。

例えば、２重化回線によるテレビ信号の中継伝送においては、片系統が衛星通信、片系統が海底光ケーブル通信などの場合特に、２系統間の伝送遅延差が大きい場合がある。時にはこの遅延差は数秒にも達する。

デジタル音声信号は、48kHzサンプリングであることが多く、例えば3秒間の遅延差をサンプル数差に換算すると、48000×3＝144000サンプルにも達する。1サンプル20bit表現とすると、これは2880000bitsつまり約3Mbitsに相当する。

２系統の音声信号間の遅延差を検出するには、一旦この音声信号をメモリに蓄え、そこから読み出し位置を変化させつつ２系統の音声信号間での差分が最も小さくなるような読み出し位置を求める必要がある。しかしながら、このような3Mbitsにも達するランダムアクセスメモリを用意し、さらに全ての読み出し位置を探索することは処理負担が極めて大きくなる。

メモリ容量を節約し、さらに処理負担を低減するためには、メモリに入力する前にサブサンプルを行うことが有効である。つまり、まず、サブサンプルされた音声データにより大まかな遅延差を求めた後、再度、サブサンプルしない音声データで、狭い探索範囲で以って1サンプル単位の遅延差検出を行うようにすることが有効である。しかし、メモリ量が十分であればサブサンプルの音声信号データを用いた遅延差検出の段階を省略することができる。

また、音声信号は画像信号と異なり、図５に示すように、通常、プラスマイナスに符号が頻繁に変わる波動信号である。したがって、サブサンプルの際、単純に何サンプルかに1サンプルをピックアップしていった場合、サブサンプル後の信号が元の波形を十分に代表するものとはならない恐れがある。

上記実施形態ではこの恐れをなくすために、サブサンプル対象ブロック内の信号の絶対値をまず求め、それらのブロック内でのその最大値をそのブロックを代表するサブサンプル値としている。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はその技術的思想の範囲内で種々に改変することができる。例えば、サブサンプル手段を、自乗値演算・最大値選択手段を有するものとし、サブサンプル前のデータの自乗値を求め、さらにサブサンプル対象ブロック内の最大値を求めてサブサンプル値として出力させるようにすることができる。

また、第１メモリは必ずしも必要なものではなく、第２メモリの読み出し位置に基づいて遅延差を検出することができる。また、検出遅延差に対して多数決処理を施すことにより遅延差の揺らぎの影響を弱め、安定かつ正確な遅延差検出および補正が可能になるが、検出される遅延差の揺らぎが少ない場合には、多数決処理部を省略することもできる。

本発明に係る２系統の音声信号の遅延差検出および補正装置の概略構成の例を示すブロック図である。 遅延差検出部の構成例を示すブロック図である。 サブサンプル部の構成例を示すブロック図である。 比較部の構成例を示すブロック図である。 音声信号の振動波形の様子を示す波形図である。

符号の説明

１−Ａ，１−Ｂ・・・メモリ、２・・・遅延差検出部、３，２３−Ａ，２３−Ｂ・・・切替スイッチ、２１−Ａ，２１−Ｂ・・・第１メモリ（ＦＩＦＯ）、２２−Ａ，２２−Ｂ・・・サブサンプル部、２４−Ａ，２４−Ｂ・・・第２メモリ（ＲＡＭ）、２５・・・比較部、２６・・・多数決処理部、２７・・・ＦＩＦＯ制御部、３１・・・絶対値演算部、３２・・・サブサンプル対象ブロック内最大値選択処理部、４１・・・読み出しアドレス発生部、４２・・・減算器、４３・・・絶対値演算部、４４・・・累積加算部、４５・・・制御部

Claims (7)

1. ２系統の回線により伝送された同一の音声信号間の遅延差検出および補正装置において、
   各系統に対応して設けられ、各系統それぞれの音声データが入力されるメモリと、
   前記メモリの出力を互いに比較する比較手段と、
   前記比較手段の出力に応じて前記メモリの読み出し位置を制御する制御手段と、
   前記比較手段での比較結果および前記メモリの読み出し位置に基づいて２系統の音声信号間の遅延差を検出する検出手段と、
   前記遅延差に従って２系統の音声信号間の遅延差を補正することにより両系統の音声信号の時間的ずれの影響を解消する補正手段とを備えることを特徴とする２系統音声信号間の遅延差検出および補正装置。
2. 音声信号のサンプル値が音声データとして前記メモリに入力され、前記比較手段は、該サンプル値の系統間での差分を求めることにより前記メモリの出力を互いに比較することを特徴とする請求項１に記載の２系統音声信号間の遅延差検出および補正装置。
3. 前記メモリの前段にサブサンプル手段が設けられ、該サブサンプル手段から出力されるサブサンプル値が音声データとして前記メモリに入力されることを特徴とする請求項１に記載の２系統音声信号間の遅延差検出および補正装置。
4. 前記メモリの入力側に、音声データを直接入力する経路とサブサンプルして入力する経路とを有し、２系統の音声信号間の遅延差は、サブサンプルされた音声データの前記メモリへの入力、続く直接の音声データの前記メモリへの入力の２段階を経て検出されることを特徴とする請求項１に記載の２系統音声信号間の遅延差検出および補正装置。
5. 前記サブサンプル手段は、絶対値演算・最大値選択手段を有し、サブサンプル前のデータの絶対値を求め、さらにサブサンプル対象ブロック内の最大値を求めてサブサンプル値として出力することを特徴とする請求項３または４に記載の２系統音声信号間の遅延差検出および補正装置。
6. 前記サブサンプル手段は、自乗値演算・最大値選択手段を有し、サブサンプル前のデータの自乗値を求め、さらにサブサンプル対象ブロック内の最大値を求めてサブサンプル値として出力することを特徴とする請求項３または４に記載の２系統音声信号間の遅延差検出および補正装置。
7. 前記検出手段は、２系統の音声データの差分を最も小さくする遅延差を検出し、前記制御手段は、前記検出手段で検出された複数回の遅延差の多数決を取り、その結果に応じて前記メモリの読み出し位置を制御することを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の２系統音声信号間の遅延差検出および補正装置。
   

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