JP3957211B2 - ２重化音声信号の障害検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、２重化音声信号の障害検出装置に関し、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音声信号を選択的に受信する場合に好適な２重化音声信号の障害検出装置に関する。

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。

図６は、従来の２重化伝送装置を示すブロック図である。なお、同図では音声信号についてのみ示している。図示の上側を現用系とし、下側を予備系とすると、正常時には、受信側の手動切替スイッチ３を現用系を選択するように接続する。この時、入力音声信号は符号化器１−１、現用伝送路４−１、復号器２−１、手動切替スイッチ３を通して伝送されて出力音声信号となる。

監視員は受信側で２系統の回線状態を監視し、現用系で障害が発生したと検知すると、手動切替スイッチ３を予備系側に切り替える。入力音声信号は符号化器１−２、予備伝送路４−２、復号器２−２、手動切替スイッチ３を通して伝送され、正常な回線を介して継続的に音声信号が受信される。

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に正常回線への切替えを自動化し、出力信号の障害時間をなるべく短くする技術を下記特許文献１で提案した。
特開２０００−３５０２３８号公報

監視員が手動によりスイッチを切り替えて回線を選択し、正常な音声信号が受信されるようにするものでは、正常な音声信号を受信し得る回線への切替完了までに時間がかかり、出力音声信号の障害時間を短くすることが困難であるという課題がある。

また、上記特許文献１の技術は、映像を対象としており、映像に障害があったことを検知して正常な回線への切替を行うものである。しかしながら、映像が正常でも音声のみに障害が発生している場合があり、上記特許文献１の技術ではこのような場合に正常な回線への切替が行われず、音声が障害になったままとなるという課題がある。

本発明は、音声信号の２重化伝送において、一方の系統の音声信号のみに障害が発生した場合に、その障害を実時間で検出できるようにすることを目的とし、請求項２に係る発明は、さらに、障害が発生した系統から正常な回線へ切替を瞬時に行って、継続的に正常な音声が受信されるようにすることも可能にする。

上記課題を解決するために、本発明は、２系統の回線により伝送された２重化音声信号の障害検出装置において、各系統に対応して設けられ、各系統それぞれの音声信号の小領域ごとの特徴量を抽出する特徴量抽出手段と、前記特徴量抽出手段により抽出された特徴量を系統間で比較する特徴量比較手段と、前記特徴量比較手段の比較結果に基づいていずれかの系統で障害が発生したことを判定する判定手段と、入力される音声信号に対して、符号を保存し、絶対値が比較的小さい部分の変換特性の傾きを１より大きくし、絶対値が比較的大きい部分の変換特性の傾きを１より小さくする単調増加の変換特性、あるいは、入力される音声信号に対して、符号を反転し、絶対値が比較的小さい部分の変換特性の傾きを−１より小さくし、絶対値が比較的大きい部分の変換特性の傾きを−１より大きくする単調減少の変換特性で変換を施す変換手段とを備える点に第１の特徴がある。

また、本発明は、さらに、前記判定手段がいずれかの系統に障害が発生したことを判定した場合に、各系統における音声信号の障害領域の特徴量と正常領域の特徴量との差分を演算する演算手段と、前記演算手段で演算された差分が大きい方の系統に障害が発生していると判定する障害系統判定手段とを備える点に第２の特徴がある。

また、本発明は、前記障害系統判定手段が、前記演算手段で演算された差分に基づく判定結果を複数用い、それらの多数決処理を行って最終的な判定を行い、その際、前記演算手段で演算された差分が所定値以下の場合の判定結果を非有意にする点に第３の特徴がある。

また、本発明は、さらに、小領域内の音声信号が無音状態であるか否かを検出するとともに２系統における音声信号を比較して無音状態が障害によるものであるか否かを検出する無音・ミュート検出手段を備える点に第４の特徴がある

また、本発明は、さらに、前記特徴量抽出手段で抽出された特徴量が異常値を示すか否かを検出する異常値検出手段を備える点に第５の特徴がある。

本発明によれば、各系統それぞれの音声信号の小領域ごとの特徴量を使用して、２系統のいずれかで障害が発生したことを判定するので、音声サンプル同士を直接比較する方法などに比べて符号化ノイズなどに影響されにくい安定した障害検出が可能になる。
また、符号を保存し、絶対値が比較的小さい部分の変換特性の傾きを１より大きくし、絶対値が比較的大きい部分の変換特性の傾きを１より小さくする単調増加の変換特性、あるいは、入力される音声信号に対して、符号を反転し、絶対値が比較的小さい部分の変換特性の傾きを−１より小さくし、絶対値が比較的大きい部分の変換特性の傾きを−１より大きくする単調減少の変換特性で音声信号を変換し、変換した音声信号に対して障害検出処理を実行することにより、小さい音声信号でも正確な障害検出が可能になる。

また、各系統それぞれの音声信号の小領域ごとの特徴量の差分に基づいて障害が発生した系統を判定するので、特徴量そのものの値を比較する方法などに比べて伝送エラーの多少によらず安定した判定が可能になる。

また、各系統それぞれの音声信号の小領域ごとの特徴量の差分に基づく判定結果を複数用い、それらの多数決処理を行って最終的に障害が発生した系統を判定し、その際、特徴量の差分が所定値以下の差分に基づく判定結果を非有意にすることにより、判定の信頼性を高めることができる。

また、小領域内の音声信号が無音状態であるか否かを検出するとともに２系統における音声信号を比較して無音状態が障害によるものであるか否かを検出することにより、ミュート障害による無音とそれ以外の無音との誤認を防ぐことが可能になる。

また、音声信号の特徴量が明らかに異常値を示す場合、それを区別して検出することにより、特徴量同士の比較演算などをすることなく、迅速にその状態を判定できる。

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重化音声信号の障害検出装置の一実施形態を示すブロック図である。まず、音声信号を分配器（図示せず）により２経路（系統）に分配する。音声信号をデジタル圧縮符号化して伝送する場合、各系統には符号化器（エンコーダ）１−１，１−２と復号器（デコーダ）２−１，２−２が配置される。

ここで、図示の上側を現用系（系統Ａ）とし、下側を予備系（系統Ｂ）とすると、正常時には、受信側の切替スイッチ３は現用系を選択するように接続される。この時、音声信号は符号化器１−１、現用伝送路４−１、復号器２−１、切替スイッチ３を通して伝送されて出力音声信号となる。

現用系に障害が発生した時、後述する障害検出に基づいて切替スイッチ３は予備系を選択するように切り替えられる。今度は、音声信号は符号化器１−２、予備伝送路４−２、復号器２−２、切替スイッチ３を通して伝送される。

以下に、音声信号の障害検出について説明する。まず、受信側で受信した２系統Ａ，Ｂの音声信号をそれぞれ、信号対数変換処理部５−１，５−２に入力する。信号対数変換処理部５−１，５−２は、入力される音声信号をその符号を保存したまま対数変換する。

人間の耳の特性は信号のレベルが小さくても鋭敏に聞き分けることができるという非線形特性を持つため、信号処理もそれに従ったものとすることが望ましい。信号対数変換処理部５−１，５−２は、これを満たすような変換特性を持ち、この変換により音声信号における微小部分での信号変化をより大きな変化にすることができ、小さな音声に対する障害検出特性を改善することができる。

図２は、信号対数変換処理部５−１，５−２の変換特性の一例を示す。この変換特性における入力信号ｓと出力信号ｔの関係は、下記（１）式で表される。

図２の例は、符号を保存したまま対数変換する単調増加（右上がり）の変換特性であるが、符号を反転して単調減少（右下がり）の変換特性を用いることもできる。要するに、入力される音声信号に対して、符号を保存(あるいは反転)し、絶対値が比較的小さい部分の変換特性の傾きを１より大きく(あるいは−１より小さく)し、絶対値が比較的大きい部分の変換特性の傾きを１より小さく(あるいは−１より大きく)する単調増加(あるいは単調減少)の変換特性であればよい。

信号対数変換処理部５−１，５−２で対数変換された音声信号を信号特徴量演算部６−１，６−２に入力する。信号特徴量演算部６−１，６−２は、音声信号の小領域ごとの特徴量を計算して抽出する。この特徴量としては、音声信号の平均値や標準偏差などを使用でき、複数種類を抽出してもよい。

次に、抽出された特徴量を特徴量比較部７に入力し、特徴量を２系統Ａ，Ｂ間で各小領域ごとに比較する。２系統Ａ，Ｂ間での特徴量の差が所定閾値以下の場合、その領域ではいずれの系統にも障害が発生していないと判定できる。一方、２系統Ａ，Ｂ間での特徴量の差が所定閾値を超える場合、その領域ではいずれかの系統に障害が発生していると見なすことができる。この比較結果に基づいて正常領域か障害領域かを判定し、正常・破綻情報として正常・破綻情報記録部８に記録する。この正常・破綻情報は、後述する障害系統判定で使用される。

図３は、信号特徴量演算部６−１，６−２および特徴量比較部７の動作を説明するための波形図である。まず、音声信号をブロック（小領域）単位、例えば１ブロック＝１２８サンプルに分ける。次に、各系統Ａ，Ｂでブロック内の特徴量を計算して抽出する。各系統Ａ，Ｂのブロック内の特徴量は、ブロック位置をｐで表すと、｛ｆ_Ａｉ（ｐ）｝，｛ｆ_Ｂｉ（ｐ）｝（ｉ＝１，２，・・・，Ｎ）でそれぞれ表される。ここで、Ｎは、抽出する特徴量数（種類）を表す。特徴量としては、上述のように、音声信号の平均値や標準偏差など、さまざまなものを使用できる。

２系統Ａ，Ｂ間での特徴量｛ｆ_Ａｉ（ｐ）｝、｛ｆ_Ｂｉ（ｐ）｝の差が所定閾値Ｔｈ_ｉ以下（すなわち、^∀ｉ→｜ｆ_Ａｉ（ｐ）−ｆ_Ｂｉ（ｐ）｜≦Ｔｈ_ｉ）の場合、その区間ではいずれの系統にも障害が発生していないと判定し、その差が所定閾値Ｔｈ_ｉを超える（すなわち、∋ｉ→｜ｆ_Ａｉ（ｐ）−ｆ_Ｂｉ（ｐ）｜＞Ｔｈ_ｉ）場合には、その領域でいずれかの系統に障害が発生していると判定する。この判定結果を正常・破綻情報としてブロックごとに正常・破綻情報記録部８に記録する。

このように、信号特徴量演算部６−１，６−２および特徴量比較部７では、小領域ごとの特徴量を利用し、系統間の特徴量の差分値の大小を障害検出の規範としている。したがって、符号化器が２系統に挿入されている場合、一般的に符号化ノイズが２系統で異なり、２系統信号間の単純比較による障害検出では、このノイズの差異が問題になるが、本実施形態では、小領域ごとの特徴量を利用して符号化ノイズなどの影響を受けにくくしているので、この符号化ノイズの差異を障害と誤検出することが少なくなり、破綻部が存在する伝送エラー特有の音質劣化を正確に検出することができる。

次に、特徴量差算出部９−１，９−２より後段の構成について説明する。この構成は、障害系統判定、すなわち系統Ａ，Ｂのどちらで障害が発生したかを検出するためのものである。なお、各系統での特徴量が明らかな異常値を示す場合には、後述する閾値比較部１４−１，１４−２および無音・ミュート検出部１５により障害発生の系統を判定できる。

特徴量差算出部９−１，９−２は、信号特徴量演算部６−１，６−２で抽出された特徴量を入力とし、正常・破綻情報記録部８に記録された正常・破綻情報を参照して、特徴量が系統Ａ，Ｂ間で一致した一致領域と不一致の不一致領域の間での特徴量の差Ｄを、各系統ごとに算出する。

‖Ｄ‖比較部１０は、系統Ａの特徴量の差Ｄと系統Ｂの特徴量の差Ｄを比較する。障害系統判定部１１は、‖Ｄ‖比較部１０の比較結果に基づいて障害発生の系統を判定する。特徴量の差Ｄが大きいことは、一致領域と不一致領域とで音声信号が大きく変化していることを意味するため、障害が発生している可能性が大きい。さらに、その差がどのくらい大きいかで、その判定が有意か非有意かの度合いが決まる。障害系統判定部１１は、以上を総合的に勘案した上で判定を行う。

図４は障害系統判定部１１の動作を説明するための波形図である。障害発生の系統の判定は、音声信号のブロックを複数個、例えば４個まとめた単位（以下、これをフレームと呼ぶ。）で行う。正常・破綻情報記録８に記録された正常・破綻情報を参照して、特徴量が系統Ａ，Ｂ間で一致した一致領域と不一致の不一致領域の間での特徴量の差Ｄ＝｛Ｄ_ｉ｝（ｉ＝１，２，・・・，Ｎ）を、各系統ごとに算出し、その値Ｄが大きい方の系統を障害発生の系統と判定する。この判定結果はフレームごとに出力される。

このように、障害系統判定部１１では、伝送障害での破綻領域は局在化するという一般的性質（特にデジタル伝送障害ではこの傾向が強い）を積極的に利用し、いずれかの系統に障害が発生しており、２重化音声信号における障害部分が明らかな場合に、各系統における正常領域の特徴量と破綻領域の特徴量の差分値の大小を規範とし、その差分値が大きい方を障害系統と判定する。この場合、正常領域／破綻領域間の特徴量の差分にのみ注目して障害発生の系統を判定するので、系統のエラー率によらず安定した判定を行うことができる。

具体的には、まず、各特徴量について正常／破綻領域の境界部分での差分絶対値和を求める。フレーム中のブロック同士の境界をｂ_ｊ（ｊ＝１，２，・・・，ｎ）、境界ｂ_ｊをはさむ２ブロックの位置を表す関数をｇ_１（ｂ_ｊ），ｇ_２（ｂ_ｊ）、正常／破綻領域の境界の全体をＣとすると、系統Ａでのｉ番目の特徴量の系統内差分Ｄ_Ａｉは、下記（２）式で算出することができる。ここで、ｎはブロック同士の境界の数であり、図４のように１フレーム当たり４ブロックとすると、境界の数は３となる。系統Ｂについても同様である。

以上のようにして算出された特徴量の系統内差分Ｄ_ｉを基に、例えば下記（３）式により‖Ｄ‖を算出し、‖Ｄ‖の値が大きい方の系統を障害発生の系統と判定する。

ここで、ｗ_ｉ（ｉ＝１，２，・・・、Ｎ）は、各特徴量ｉごとの重み係数であり、例えば、次のようにして決定できる。すなわち、無障害信号を用いた予備実験を行って、各特徴量ｉにつき隣接ブロック間での差分値の分布を求め、その標準偏差の逆数を特徴量ｉに対する重みｗ_ｉとする。

障害系統判定部１１の判定結果を制御信号として用い、それが現用系障害を示したときに切替スイッチ３を予備系側に切り替えることができる。その場合、特徴量の種類や数を最適化すれば障害系統判定の正当率を上げて予備系への切り替えを行うことができるが、それでも誤判定があり得る。そこで本実施形態では、さらに多数決処理部１２でフレームごとの判定結果を複数回取得し、その多数決を取って最終的な判定結果とすることにより、判定の信頼性を高めている。

さらに有意度判定部１３を設け、多数決処理部１２で多数決に使用する判定結果を、例えば下記（４）式によって有意とされる判定結果のみとすることにより、多数決処理の有効性を向上させることができる。

上記（４）式による有意度判定に従って多数決処理すれば、系統Ａの特徴量差分と系統Ｂの特徴量差分の差が小さいときの判定結果は、信頼度が小さい（非有意）として多数決に寄与しないようにすることができる。

また、本実施形態では、閾値比較部１４−１，１４−２および無音・ミュート検出部１５を設けて、信号特徴量演算部６−１，６−２で算出された特徴量や音声信号が予め定めた条件に合致していないかをチェックし、このチェック結果を障害系統判定や有意度判定で使用している。

信号特徴量演算部６−１，６−２で算出された特徴量が明らかに異常値を示す場合、異常値を示す系統に障害が発生したと判定できる。明らかな異常値は、例えば、通常ではあり得ないような大きなレベルの音声信号、あるいは逆に０レベルの信号が続く場合に生じる。各系統Ａ，Ｂそれぞれに対して設けられた閾値比較部１４−１，１４−２は、各系統Ａ，Ｂの特徴量が異常値であることを検出する。また、無音・ミュート検出部１５は、音声信号レベルの異常が一方の系統のみで生じているかを検出する。ここで、一方の系統のみの信号レベルがずっと０である場合、その系統の前段の符号化器、復号器などがミュート障害を起こしている可能性が高い。

障害系統判定部１１は、一方の系統の特徴量や信号レベルが異常値を示すとき、その系統に障害が発生したと判定する。また、特徴量や信号レベルが異常値を示す時の障害系統判定部１１の判定結果は信頼度が高いと考えられるので、有意度判定部１３は、その時の有意度を大きくする。

図５は、障害によ破綻領域を含む音声信号の例を示す波形図である。ここでは、障害により信号レベルが極端に大きくなった破綻領域とミュート障害による破綻領域を含む音声信号波形を示している。前述のように、伝送障害による破綻領域は局在化する。

なお、ミュート障害とは、障害検出処理の前段に設置される符号化器や復号器などが伝送路障害を検知した結果、音声信号として無音信号（０レベルの信号）を出力するような状態を意味する。このような場合、一方の系統だけに注目したのでは現在の音声信号がもともと無音状態なのか、ミュート障害なのか区別できない。

しかし、本実施形態では、無音・ミュート検出部１５で両系統の音声信号を受信し、両系統とも無音状態の時は障害と判定せず、一方の系統のみが無音状態のときにのみミュート障害と判定するので、障害検出の信頼性が高い。

上記実施形態では、各系統に符号化器と復号器を配置して音声信号をデジタル圧縮符号化して伝送しているが、伝送の際の圧縮符号化は必ずしも必要なものではなく、本発明は音声信号を非圧縮で伝送する場合にも適用できる。

以上説明したように、本発明によれば、２重化伝送された音声信号を用いて実時間で自動的に、また高い信頼性で障害検出／障害系統を検出することができ、２重化伝送音声の無中断化、すなわち信頼性の向上に貢献できる。

本発明に係る２重化音声信号の障害検出装置の一実施形態を示すブロック図である。 信号対数変換処理部の変換特性の一例を示す図である。 信号特徴量演算部および特徴量比較部の動作を説明するための波形図である。 障害系統判定部の動作を説明するための波形図である。 障害によ破綻領域を含む音声信号の例を示す波形図である。 従来の２重化伝送装置を示すブロック図である。

符号の説明

１−１，１−２・・・符号化器、２−１，２−２・・・復号器、３・・・切替スイッチ、４−１，４−２・・・伝送路、５−１，５−２・・・信号対数変換処理部、６−１，６−２・・・信号特徴量演算部、７・・・特徴量比較部、８・・・破綻・正常情報記録部、９−１，９−２・・・特徴量差算出部、１０・・・‖Ｄ‖比較部、１１・・・障害系統判定部、１２・・・多数決処理部、１３・・・有意度判定部、１４−１，１４−２・・・閾値比較部、１５・・・無音・ミュート検出部

Claims (5)

1. ２系統の回線により伝送された２重化音声信号の障害検出装置において、
   各系統に対応して設けられ、各系統それぞれの音声信号の小領域ごとの特徴量を抽出する特徴量抽出手段と、
   前記特徴量抽出手段により抽出された特徴量を系統間で比較する特徴量比較手段と、
   前記特徴量比較手段の比較結果に基づいていずれかの系統で障害が発生したことを判定する判定手段と、
   入力される音声信号に対して、符号を保存し、絶対値が比較的小さい部分の変換特性の傾きを１より大きくし、絶対値が比較的大きい部分の変換特性の傾きを１より小さくする単調増加の変換特性、あるいは、入力される音声信号に対して、符号を反転し、絶対値が比較的小さい部分の変換特性の傾きを−１より小さくし、絶対値が比較的大きい部分の変換特性の傾きを−１より大きくする単調減少の変換特性で変換を施す変換手段とを備えることを特徴とする２重化音声信号の障害検出装置。
2. さらに、前記判定手段がいずれかの系統に障害が発生したことを判定した場合に、各系統における音声信号の障害領域の特徴量と正常領域の特徴量との差分を演算する演算手段と、
   前記演算手段で演算された差分が大きい方の系統に障害が発生していると判定する障害系統判定手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の２重化音声信号の障害検出装置。
3. 前記障害系統判定手段は、前記演算手段で演算された差分に基づく判定結果を複数用い、それらの多数決処理を行って最終的な判定を行い、その際、前記演算手段で演算された差分が所定値以下の場合の判定結果を非有意にすることを特徴とする請求項２に記載の２重化音声信号の障害検出装置。
4. さらに、小領域内の音声信号が無音状態であるか否かを検出するとともに２系統における音声信号を比較して無音状態が障害によるものであるか否かを検出する無音・ミュート検出手段を備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の２重化音声信号の障害検出装置。
5. さらに、前記特徴量抽出手段で抽出された特徴量が異常値を示すか否かを検出する異常値検出手段を備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の２重化音声信号の障害検出装置。

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