JP4232862B2

JP4232862B2 - 雑音除去方法及び雑音除去装置

Info

Publication number: JP4232862B2
Application number: JP2001343667A
Authority: JP
Inventors: ビルトゥハーゲン、イエンス
Original assignee: ソニーインターナショナル（ヨーロッパ）ゲゼルシャフトミットベシュレンクテルハフツング
Priority date: 2000-11-08
Filing date: 2001-11-08
Publication date: 2009-03-04
Anticipated expiration: 2021-11-08
Also published as: EP1206043B1; US7110549B2; US20020054683A1; US20060280310A1; JP2002171182A; US7715567B2; DE60043585D1; EP1206043A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステレオ信号の雑音を除去する雑音除去方法及びこの雑音除去方法に基づいて動作する雑音除去装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周波数変調（frequency modulation：以下、ＦＭという。）放送は、現在、世界で最も重要な放送方式である。長年に亘るアナログ放送受信機の開発の結果、現在は非常に高性能な受信機が市販されている。新たな技術により、ＦＭ放送信号の受信のための新たなアルゴリズムを使用することができるようになっている。特に、デジタルシグナルプロセッサ（digital signal processor：以下、ＤＳＰという。）の処理能力が高まり、製造コストが低下したため、ＦＭ及び振幅変調（amplitude modulation：以下、ＡＭという。）等のアナログ放送信号をデジタル的に処理できるようになっている。アナログ放送方式においてデジタル信号処理を導入することには、様々な利点がある。例えば、各機能を１つの集積回路（integrated circuit：以下、ＩＣという。）に集積することにより、受信機のサイズを縮小することができ、また、デジタルラジオモンデアル（Digital Radio Mondiale：ＤＲＭ）やデジタルオーディオ放送（Digital Audio Broadcasting：ＤＡＢ）等のデジタル放送方式を同じ大規模集積回路（large scale integrationcircuit：以下、ＬＳＩという。）に集積することもできるようになっている。
【０００３】
ＦＭ放送においては、多重信号（multiplex signal）が周波数変調される。多重信号のスペクトルを図４に示す。多重信号は、和信号（sum signal）と、振幅変調され、搬送波が抑圧された差信号（difference signal）からなる。和信号は、左＋右（Ｌ＋Ｒ）のオーディオ信号情報を含み、差信号は、左−右（Ｌ−Ｒ）のオーディオ信号情報を含んでいる。振幅変調差信号を復調するために、多重信号にはパイロット搬送波が重畳されている。
【０００４】
携帯型ＦＭ受信機では、受信状態が頻繁に悪化する。現在のＦＭ受信機は、電界強度（field strength）及びマルチパス検出に基づき、約１９ｄＢの信号対雑音比（signal to noise ratio：以下、ＳＮ比という。）を得るために、ステレオ受信からモノラル受信に切り換える機能を有している。このような雑音除去法は、周波数復調器の出力雑音パワースペクトル密度（frequency demodulator output noise power spectral density）が周波数の２乗に比例して高くなり、すなわち、モノラル信号はステレオ和信号に等しい周波数帯域で伝送されるが、ステレオ差信号はより高い周波数帯域で伝送され、モノラル信号に含まれる雑音は、ステレオ差信号の雑音よりも少ないという事実に基づいている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ステレオ信号からモノラル信号への切換は、ユーザに違和感を与えるため、多くの携帯型ＦＭ受信機は、ステレオからモノラルへの移行をスライド方式で切り換える機能を有している。このようなステレオからモノラルへのスライド方式の切換は、例えば、ドイツ特許公報ＤＥ４４００８６５Ｃ２号に開示されている。この文献に基づく技術では、ステレオのチャンネルセパレーション（channel separation）は、番組の種類に関する情報及び信号内の雑音レベル及び／又は周波数変調ＲＦ信号の電界強度に応じて、連続的に低下する。さらに、米国特許公報ＵＳ５２５３２９９号及び欧州特許公開公報０９５５７３２Ａ１号には、ステレオ差信号を幾つかのサブバンドに分割し、各サブバンド毎に独立して、ステレオ信号とモノラル信号の混合、すなわちステレオ差信号の相対的な低減が行われることが記載されている。このように周波数を選択してステレオ信号とモノラル信号を混合することにより、特にＲＦ信号が振幅が小さく受信された場合に、ＦＭ受信機のＳＮ比及びチャンネルセパレーションが向上する。しかしながら、上述の方式は、いずれも主に受信状態に応じてステレオ信号とモノラル信号を混合することにより雑音を低減するものであり、この結果、多くの場合、チャンネルセパレーションが不必要に低下してしまう。
【０００６】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、チャンネルセパレーションを不必要に低下させることなく、雑音を低減することのできる雑音除去方法及び雑音除去装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明に係る雑音除去方法は、ステレオ和信号及びステレオ差信号を有するステレオ信号の雑音を除去する雑音除去方法において、人間の聴覚系のマスキング効果に基づいて、周波数選択的にステレオ信号とモノラル信号の混合を行う混合ステップを有する。そして、この混合の際に、パラメータとして、ステレオ信号に含まれる雑音成分をプローブ信号として使用し、ステレオ信号の信号成分をマスク信号として使用し、ステレオ差信号を、所定の帯域幅によって複数のサブバンドに分割し、ステレオ差信号のサブバンドの信号成分のマスキング閾値以上の雑音成分を有するステレオ差信号のサブバンドのみを減衰して、ステレオ差信号のサブバンドの雑音成分がそれぞれのマスキングの閾値未満となるようにする。
【０００８】
また、上述の目的を達成するために、本発明に係る雑音除去装置は、ステレオ和信号及びステレオ差信号を有するステレオ信号の雑音を除去する雑音除去装置において、ステレオ差信号を複数のサブバンドに分割する第１のフィルタバンクと、ステレオ差信号のサブバンドの信号成分のマスキング閾値以上の雑音成分を有するステレオ差信号のサブバンドのみを減衰して、ステレオ差信号のサブバンドの雑音成分がそれぞれのマスキングの閾値未満となるようにする複数の減衰器と、人間の聴覚系のマスキング効果に基づいて、周波数選択的にステレオ信号とモノラル信号の混合を行う雑音低減器とを備える。そして、雑音低減器は、混合の際、パラメータとして、ステレオ信号に含まれる雑音成分をプローブ信号として使用し、ステレオ信号の信号成分をマスク信号として使用する。
【０００９】
本発明によれば、オーディオ信号における雑音が人間に聞こえない程度に抑制される。すなわち、本発明は、ステレオ信号の雑音除去において音響心理的モデルを利用する。本発明では、人間の聴覚系のマスクキング効果を利用し、可聴雑音を低減するとともに、所定の電界強度における左右のチャンネルセパレーションを高める。本発明が利用するマスキング効果とは、絶対的な静寂な環境では聞こえるプローブ信号が、他の信号、すなわちマスキング音（masker）の存在により聞こえなくなる現象である。マスキング音は、より弱い他の（プローブ）信号をマスキングし、この信号は、マスキング閾値を下回る限り聞こえることはないため、本発明では、このマスキング音を周波数選択的なステレオ及びモノラル信号の混合処理におけるパラメータとして用いる。
【００１０】
図３は、４０ｄＢ、６０ｄＢ、８０ｄＢの音圧レベル（sound pressure level：ＳＰＬ）を有する２５０Ｈｚ、１ｋＨｚ、４ｋＨｚの狭帯域雑音マスキング音（narrow band noise maskers）用のマスキング閾値を示すグラフである。破線は、８０ｄＢのＳＰＬを有するマスキング音のマスキングの絶対閾値を示している。
【００１１】
本発明では、例えば、ステレオ信号に含まれる雑音をプローブ信号として使用し、ステレオ信号のオーディオ成分をマスク信号又はマスキング音として使用する。
【００１２】
さらに、本発明では、周波数選択性は、例えば、オーディオ信号を複数のサブバンドに分割することにより実現される。サブバンドの数及び帯域幅は、例えば人間の聴覚系の特性に基づいて決定してもよい。
【００１３】
このように、本発明は、人間の耳が所謂臨界帯域（critical bandwidth）と呼ばれる所定の帯域の音を１つの音の強さとして捉えるという特性を利用する。臨界帯域外の音は、臨界帯域のマスキング閾値に貢献しない。可聴音の範囲は、少なくとも２４個の臨界帯域に分割することができる。したがって、本発明では、ステレオ差信号を少なくとも２４のサブバンド信号に分割してステレオ差信号の雑音除去を行うことが望ましい。
【００１４】
さらに、本発明では、雑音成分がステレオ差信号における対応するオーディオ信号のサブバンドのマスキング閾値より大きいステレオ差信号のサブバンドのみを減衰して、ステレオ差信号のサブバンドの雑音成分が各マスキングの閾値未満としてもよい。ステレオ差信号は、両側波帯変調され、この結果、同相成分は理想的には信号＋雑音を含み、直交成分は雑音のみを含む。実際の実施例では、変調差信号の同相成分から差信号の直交成分へのクロストーク（crosstalk）が最も可能性が高い。換言すれば、同相成分は、信号＋雑音を含み、直交成分は、雑音＋僅かな信号を含んでいる。しかしながら、変調差信号の同相成分及び直交成分は、ステレオ差信号において、信号及び雑音パワーを正しく表している。したがって、人間の聴覚系のマスキング効果に基づく周波数選択的なステレオ及びモノラル混合処理は、音響心理的モデル及びオーディオ信号における信号及び雑音パワーの情報に基づくステレオ及びモノラル混合処理と言い換えることもできる。上述のように、本発明に基づくステレオ及びモノラル混合処理は、ステレオ差信号がステレオ和信号に対して加算又は減算される前に、ステレオ差信号の雑音を除去することにより実現される。
【００１５】
本発明によれば、各サブバンドの減衰係数は、ステレオ差信号のサブバンドに対応するオーディオ信号のサブバンドの信号成分をステレオ差信号の雑音成分により除算することにより決定してもよい。
【００１６】
また、本発明では、ステレオ差信号の各サブバンドの雑音パワーを算出し、オーディオ信号の各サブバンドの信号パワーと比較してもよい。マスキングの絶対閾値より大きい雑音パワーを有するステレオ差信号のサブバンドは、減衰される。減衰器は、雑音パワーをマスキングの絶対閾値と略同レベルに減衰する。
【００１７】
さらに、各サブバンドの減衰係数からそれぞれ影響係数を減算し、減衰の演算に対するオーディオ信号内の雑音の影響を低減してもよい。減衰係数の値は、０と１の間の値に制限してもよい。受信状態が非常に悪い場合、減衰係数の値を１より小さく制限することにより、ステレオ効果の変調の効果が低下される。すなわち、この制限は、受信状態及び／又は減衰係数の変化の速度に応じて決定される。
【００１８】
また、差信号のサブバンドの雑音成分は、その二乗平均平方根（root mean square：ｒｍｓ）雑音パワーに基づいて決定してもよい。さらに、ステレオ差信号のサブバンドの雑音成分は、それぞれに対応するマスキングの絶対閾値、又は、例えば受信周波数変調信号の電界強度、出力音量、背景雑音レベル、オーディオ信号の信号振幅パワー、ステレオ信号が再生されている乗り物の速度及び／又は対応するサブバンドの差信号の信号対雑音比等の受信状態に基づいて重み付けすることにより決定してもよい。音声プログラム（spoken programs）における歪みは、ステレオ差信号における信号パワーと雑音パワー（変調差信号の同相成分及び直交成分）の比に基づいてサブバンドの雑音パワーを重み付けすることにより低減することができる。
【００１９】
ステレオ差信号のサブバンドに対応するオーディオ成分は、ステレオ差信号の同相成分の各サブバンド信号の二乗及びステレオ和信号の各サブバンド信号の二乗の総和の平均の平方根を抽出して決定されたオーディオ信号パワーに基づいて決定してもよい。また、ステレオ差信号の同相成分のサブバンド信号の二乗は、例えば以下に説明するように、受信状態に基づく重み係数により重み付けしてもよい。
【００２０】
例えば０から１の範囲の値をとる重み係数による重み付けは、ＳＮ比が低いオーディオ信号のｒｍｓの算出における誤差を回避するために実行される。上述のように、ステレオ和信号においては、ステレオ差信号に比べて、雑音パワーが非常に低い。さらに、通常、ステレオ和信号の信号パワーは、ステレオ差信号における信号パワーよりも大きい。オーディオ信号パワーは、以下のように算出することができる。
ステレオ和信号：（ｌ＋ｒ）ステレオ差信号：（ｌ−ｒ）各サブバンドについて、以下の式が成り立つ。
（ｌ＋ｒ）^２＋（ｌ−ｒ）^２＝２（ｌ^２＋ｒ^２）
ステレオ差信号を１より小さい重み係数で重み付けすることにより、算出される信号パワーに対するステレオ差信号の雑音歪みの影響を低減することができる。しかしながら、このような重み係数により、信号パワーの算出に誤差が生じる。そこで、差信号からの雑音パワーの影響と、差信号の信号パワーとの妥協点を見出す必要がある。可能な解決策としては、受信周波数変調信号の電界強度、マルチパス、和／差信号の信号振幅パワー、オーディオ信号の信号振幅パワー、ステレオ信号が再生されている乗り物の速度、及び／又は背景雑音レベル等の単独の要素又はこれらの組合せに応じて変化する可変重み係数を使用する手法がある。
【００２１】
ｒｍｓフィルタリングされた制御信号により、より良好なオーディオ信号が得られるため、信号及び雑音のｒｍｓ信号をそれぞれ算出してもよい。また、人間の聴覚は音量を対数的に認識するため、コンパンダとしては、ｒｍｓ検出器が最適である。
【００２２】
また、本発明では、コンピュータ又はデジタル信号処理装置により実行されて、上述の雑音除去方法の各ステップを実行するコンピュータプログラムを提供してもよい。
【００２３】
また、上述の目的を達成するために、本発明に係る雑音除去装置は、本発明に基づく雑音除去方法を実現する回路を備える。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る雑音除去方法及び雑音除去装置について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２５】
本発明に基づいて、音響心理的誘因（psychoacoustically motivated）によりステレオ信号とモノラル信号の混合を行うＦＭ放送用デジタル受信機の構成を図１に示す。このデジタル受信機は、図１に示すように、受信ＲＦ信号を中間周波数信号やベースバンド信号にダウンコンバートするフロントエンド回路１４と、ダウンコンバートされたステレオ放送信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル（analogue to digital：以下、Ａ／Ｄという。）変換及びＩＱ生成器１５と、ステレオ放送信号を復調するＦＭ復調器１６とを備える。
【００２６】
そして、受信されたステレオ放送信号は、フロントエンド回路１４で増幅及びダウンコンバートされ、Ａ／Ｄ変換及びＩＱ生成器１５でデジタル信号に変換された後、ＦＭ復調器１６に供給される。ＦＭ復調器１６は、図４に示すようなスペクトルを有するステレオ多重信号を出力する。このステレオ多重信号は、ローパスフィルタ（以下、ＬＰＦという。）２０に供給され、ＬＰＦ２０は、ステレオ和信号、すなわち信号ｌ＋ｒをマトリクス回路２１に供給する。マトリクス回路２１には、フィルタリングされたステレオ差信号ｄｉｆｆも供給されており、マトリクス回路２１は、左チャンネルの信号ｌ及び右チャンネルの信号ｒを出力する。
【００２７】
ＦＭ復調器１６から出力されたステレオ多重信号は、デジタル位相ロックループ（digital phase locked loop circuit：以下、ＤＰＬＬという。）１７にも供給され、ＤＰＬＬ１７は、３８ｋＨｚのサブキャリアと同相のＩ信号を第２のミキサ１８に供給する。第２のミキサ１８には、ステレオ多重信号も供給されており、第２のミキサ１８は、振幅変調されたステレオ多重信号を復調し、復調された信号は、第２のＬＰＦ１９によりフィルタリングされ、これにより、ステレオ差信号ｌ−ｒが得られる。
【００２８】
ＤＰＬＬ１７は、さらに３８ｋＨｚのサブキャリアに直交したＱ信号を第１のミキサ６に供給する。第１のミキサ６には、ステレオ多重信号も供給されており、第１のミキサ６から出力信号は、第１のＬＰＦ７でフィルタリングされ、これにより、ステレオ差信号の直交成分が得られる。
【００２９】
ステレオ和信号ｌ＋ｒ、ステレオ差信号ｌ−ｒ及びステレオ差信号の直交成分は、信号及び雑音パワーの算出のためにサブバンドフィルタリングされる。人間の聴覚の臨界帯域（critical bandwidth）に等しい帯域を有する複数のフィルタを用いたサブバンドフィルタリングについては、図２を用いて、後に詳細に説明する。もちろん、フィルタバンクをこの他の構成により実現してもよい。
【００３０】
人間の聴覚系に基づいてステレオ差信号ｌ−ｒをフィルタリングする第１のフィルタバンク１のＮ＋１個の出力信号は、それぞれＮ＋１個の第１の乗算器２_０〜２_Ｎに供給される。第１の乗算器２_０〜２_Ｎは、ステレオ差信号１−ｒの各サブバンド信号を、対応する制御信号Ｃ_０〜Ｃ_Ｎにより重み付けする。重み付けされた各サブバンド信号は、第１の加算器３に供給され、第１の加算器３は、このステレオ差信号の重み付けされたサブバンド信号を全て加算し、周波数選択重み付けステレオ差信号（frequency selective weighted stereo difference signal）ｄｉｆｆを生成し、このステレオ差信号ｄｉｆｆをマトリクス回路２１に供給する。
【００３１】
以下、制御信号Ｃ_０〜Ｃ_Ｎについて、Ｎ＋１個のサブバンド信号のうち、インデックス０が付された第１のサブバンド信号をフィルタリングするために使用される制御信号Ｃ_０を例として説明する。
【００３２】
まず、オーディオ信号及び雑音のサブバンド信号のそれぞれの二乗平均値の平方根（root-mean-square：以下、ｒｍｓという。）を算出する。各ｒｍｓ信号を算出するためのフィルタは、例えばアタック、ホールド及びリリースの時定数が可変の非線形フィルタであり、基本的には、二乗ユニット（squaring unit）と、その後段に設けられたＬＰＦと、ＬＰＦによりフィルタリングされた信号の平方根を算出するユニットとから構成される。
【００３３】
サブバンド雑音のｒｍｓ信号は、第１のｒｍｓフィルタ９_０において、ステレオ差信号の直交成分を、すなわち第１のフィルタバンク１に対応するサブバンドに分割する、第１のフィルタバンク１により生成されるサブバンドに対応する第２のフィルタバンク８の出力信号をｒｍｓフィルタリングすることにより得られる。各サブバンドの絶対閾値（absolute threshold）を考慮するために、サブバンド雑音のｒｍｓ信号は、それぞれの第２の乗算器１０_０において、変数Ｍ_０が乗算される。上述のように、この変数Ｍ_ｎは、それぞれの受信状態及び／又は上述したステレオ差信号の信号及び雑音パワーに基づいて決定することができる。
【００３４】
対応するオーディオサブバンド信号のｒｍｓは、それぞれの第２のフィルタ１２_０において、第１のフィルタバンク１の対応する出力信号、すなわちインデックス０を有するサブバンドに対応するオーディオ信号を二乗し、ステレオ差信号ｌ−ｒを分割する第１のフィルタバンク１と同様の手法でステレオ和信号ｌ＋ｒを分割する第３のフィルタバンク１１の対応する出力信号を二乗し、これらの第１及び第３のフィルタバンク１，１１の対応する出力信号を加算し、加算により得られた信号をＬＰＦによりフィルタリングし、ローパスフィルタリングされた信号の平方根を求めることにより得られる。ＳＮ比が低いオーディオサブバンド信号のｒｍｓを算出する演算における誤差を回避するために、サブバンド差信号のｒｍｓは、上述のように受信状態に応じて決定される変数０≦Ｗ_ｎ≦１が、この場合、変数０≦Ｗ_０≦１を有するそれぞれの乗算器１３_０により乗算される。
【００３５】
オーディオ信号の各ｒｍｓは、それぞれの除算器４_０において、それぞれに対応する雑音のｒｍｓにより除算され、この結果から補正係数（correction factor、影響係数ともいう。）Ｋ_０を減算することにより対応するサブバンド差信号の減衰（減衰係数、制御信号ともいう。）Ｃ_０が算出される。減衰Ｃ_０は、信号パワーにおける雑音の影響を低減する制御信号として使用される。上述のように、制御信号Ｃ_０の値は、０から１の範囲をとる。受信状態が劣悪な場合、１より小さい制御信号による制限により、ステレオ効果の変調の効果が低下される。したがって、この制限は、上述のように、受信状態及び／又はステレオ差信号における雑音のパワーに応じて行う必要がある。
【００３６】
なお、図面を明瞭にするため、図１には、フィルタグループの遅延を等価にするための遅延素子を示していない。
【００３７】
あるサブバンドから隣接するサブバンドへの遷移領域に存在する極めて狭い帯域のオーディオ信号に対する誤動作を回避するために、第３のフィルタバンク１１のサブバンド帯域幅は、第１及び第２のフィルタバンク１，８のサブバンド帯域幅より若干広くするとよい。
【００３８】
図２は、第１のフィルタバンク１、第２のフィルタバンク８及び／又は第３のフィルタバンク１１のいずれかを実現するハイブリッドフィルタバンクの具体的に構成を示すブロック図である。
【００３９】
ステレオ差信号ｌ−ｒの帯域分割のための不均等なフィルタバンク（non-uniform filter bank）は、線形位相（linear phase）及び完全再構築（perfect reconstructing）フィルタバンクである必要がある。演算負荷を低減するために、フィルタバンクは、サンプリングレートが落とされたサブバンドフィルタ信号により、分析及び合成フィルタバンクに分割する必要がある。サブバンド信号の減衰によりエリアジングが生じることを防止するために、サブバンド信号は、限界点以上でサンプリングされる。
【００４０】
完全再構築及び線形位相フィルタバンクは、例えば１９９５年ウィリー・アンド・サンズ（Whiley & Sons）発行、エヌ・ジェイ・フリッジ（N.J.Fliege）著「マルチレートデジタル信号処理（Multirate Digital Signal Processing）」に開示されている。しかしながら、ここで提案されている多重相補フィルタバンク（multicomplementary filter bank）の周波数分解能は低く、人間の聴覚系の要求を満たすことができない。
【００４１】
図２は、１９８３年、プレンティス−ホール（Prentice-Hall）発行、アール・イー・クロチエール（R.E.Crochiere）及びエル・アール・ラビナ（L.R.Rabiner）著、「マルチレートデジタル信号処理（Multirate Digital Signal Procesing）」に開示されているような２つの補間ＤＦＴフィルタバンク（interpolatedDFT filter banks）を有する相補フィルタの組合せにより２５チャンネルのハイブリッドフィルタバンクを構成した具体例を示す図である。このフィルタバンクは、人間の聴覚系の音響心理的モデルに良好に適合する。もちろん、上述のように、上述の要求を満たすこの他のフィルタバンクを用いてもよい。
【００４２】
以上のように、本発明によれば、音響心理的モデルに基づいて最適化されたステレオ信号とモノラル信号の混合を実現できる雑音除去方法及び雑音除去装置が提供される。この技術は、特に携帯型受信機の能力の向上に貢献する。
【００４３】
この雑音除去方法及び雑音除去装置は、受信状態から独立して、高い信頼度で動作する。フェージング及びマルチパスにより生じる歪みも確実に検出される。この雑音除去方法及び雑音除去装置は、低い伝送品質及び／又は狭い中間周波数フィルタリングにより生じる３８ｋＨｚサブキャリアの同相成分と直交成分のクロストーク（crosstalk）の影響を受けない。
【００４４】
以上の説明でも明らかなように、本発明では、オーディオ信号における雑音が人間に聞こえない程度に抑制される。すなわち、本発明は、ステレオ信号の雑音除去において音響心理的モデルを利用する。本発明では、人間の聴覚系のマスクキング効果を利用し、可聴雑音を低減するとともに、所定の電界強度における左右のチャンネルセパレーションを高める。本発明が利用するマスキング効果とは、絶対的な静寂な環境では聞こえるプローブ信号が、他の信号、すなわちマスキング音（masker）の存在により聞こえなくなる現象である。マスキング音は、より弱い他の（プローブ）信号をマスキングし、この信号は、マスキング閾値を下回る限り聞こえることはないため、本発明では、このマスキング音を周波数選択的なステレオ及びモノラル信号の混合処理におけるパラメータとして用いる。
【００４５】
図３は、４０ｄＢ、６０ｄＢ、８０ｄＢの音圧レベル（sound pressure level：ＳＰＬ）に対する２５０Ｈｚ、１ｋＨｚ、４ｋＨｚの狭帯域雑音マスキング音（narrow band noise maskers）用のマスキング閾値を示すグラフである。破線は、８０ｄＢのＳＰＬを有するマスキング音のマスキングの絶対閾値を示している。本発明では、例えば、ステレオ信号に含まれる雑音をプローブ信号として使用し、ステレオ信号のオーディオ成分をマスク信号又はマスキング音として使用する。さらに、本発明では、周波数選択性は、例えば、オーディオ信号を複数のサブバンドに分割することにより実現する。サブバンドの数及び帯域幅は、例えば人間の聴覚系の特性に基づいて決定してもよい。
【００４６】
このように、本発明は、人間の耳が所謂臨界帯域（critical bandwidth）と呼ばれる所定の帯域の音を１つの音の強さとして捉えるという特性を利用する。臨界帯域外の音は、臨界帯域のマスキング閾値に貢献しない。可聴音の範囲は、少なくとも２４個の臨界帯域に分割できる。したがって、本発明では、差信号を少なくとも２４のサブバンド信号に分割して差信号の雑音除去を行うことが望ましい。
【００４７】
さらに、本発明では、雑音成分がステレオ差信号における対応するオーディオ信号のサブバンドのマスキング閾値より大きいステレオ差信号の全てのサブバンドを減衰して、ステレオ差信号のサブバンドの雑音成分が各マスキングの閾値未満としてもよい。ステレオ差信号は、両側波帯変調され、この結果、同相成分は理想的には信号＋雑音を含み、直交成分は雑音のみを含む。実際の実施では、変調差信号の同相成分から差信号の直交成分へのクロストーク（crosstalk）が最も可能性が高い。換言すれば、同相成分は、信号＋雑音を含み、直交成分は、雑音＋僅かな信号を含んでいる。しかしながら、変調差信号の同相成分及び直交成分は、ステレオ差信号において、信号及び雑音パワーを正しく表している。したがって、人間の聴覚系のマスキング効果に基づく周波数選択的なステレオ及びモノラル混合処理は、音響心理的モデル及びオーディオ信号における信号及び雑音パワーの情報に基づくステレオ及びモノラル混合処理と言い換えることもできる。上述のように、本発明に基づく、ステレオ及びモノラル混合処理は、ステレオ差信号がステレオ和信号に対して加算又は減算する前に、ステレオ差信号の雑音を除去することにより実現される。
【００４８】
また、本発明では、差信号の各サブバンドの雑音パワーを算出し、オーディオ信号の各サブバンドの信号パワーと比較してもよい。マスキングの絶対閾値より大きい雑音パワーを有する差信号のサブバンドは、減衰される。減衰器は、雑音パワーをマスキングの絶対閾値と略同レベルに減衰する。
【００４９】
さらに、各サブバンドの減衰係数からそれぞれ影響係数を減算し、減衰の演算に対するオーディオ信号内の雑音の影響を低減してもよい。減衰係数の値は、０と１の間の値に制限してもよい。受信状態が非常に悪い場合、減衰係数の値を１より小さく制限することにより、ステレオ効果の変調の効果が低下される。すなわち、この制限は、受信状態及び／又は減衰係数の変化の速度に応じて決定する。
【００５０】
また、差信号のサブバンドの雑音成分は、その二乗平均平方根（root mean square：ｒｍｓ）雑音パワーに基づいて決定してもよい。さらに、ステレオ差信号のサブバンドの雑音成分は、それぞれに対応するマスキングの絶対閾値、又は、例えば受信周波数変調信号の電界強度、出力音量、背景雑音レベル、オーディオ信号の信号振幅パワー、ステレオ信号が再生されている乗り物の速度及び／又は対応するサブバンドの差信号の信号対雑音比等の受信状態に基づいて重み付けすることにより決定してもよい。音声プログラム（spoken programs）における歪みは、差信号における信号パワーと雑音パワー（変調差信号の同相成分及び直交成分）の比に基づいてサブバンドの雑音パワーを重み付けすることにより低減することができる。
【００５１】
ステレオ差信号のサブバンドに対応するオーディオ成分は、ステレオ差信号の同相成分の各サブバンド信号の二乗及びステレオ和信号の各サブバンド信号の二乗の総和の平均の平方根を抽出して決定されたオーディオ信号パワーに基づいて決定してもよい。また、ステレオ差信号の同相成分のサブバンド信号の二乗は、例えば以下に説明するように、受信状態に基づく重み係数により重み付けしてもよい。例えば、重み係数を０から１の範囲の値をとし、ＳＮ比が低いオーディオ信号のｒｍｓの算出における誤差を回避するために、重み付けを行う。上述のように、ステレオ和信号においては、ステレオ差信号に比べて、雑音パワーが非常に低い。さらに、通常、ステレオ和信号の信号パワーは、ステレオ差信号における信号パワーよりも大きい。オーディオ信号パワーは、以下のように算出することができる。
ステレオ和信号：ｌ＋ｒステレオ差信号：ｌ−ｒ各サブバンドについて、以下の式が成り立つ。
（ｌ＋ｒ）^２＋（ｌ−ｒ）^２＝２（ｌ^２＋ｒ^２）
ステレオ差信号を１より小さい重み係数で重み付けすることにより、算出される信号パワーに対するステレオ差信号の雑音歪みの影響を低減することができる。しかしながら、このような重み係数により、信号パワーの算出に誤差が生じる。そこで、差信号からの雑音パワーの影響と、差信号の信号パワーとの妥協点を見出す必要がある。可能な解決策としては、受信周波数変調信号の電界強度、マルチパス、和／差信号の信号振幅パワー、オーディオ信号の信号振幅パワー、ステレオ信号が再生されている乗り物の速度、及び／又は背景雑音レベル等の単独の要素又はこれらの組合せに応じて変化する可変重み係数を使用する手法がある。
【００５２】
ｒｍｓフィルタリングされた制御信号により、より良好なオーディオ信号が得られるため、信号及び雑音のｒｍｓ信号をそれぞれ算出してもよい。また、人間の聴覚は音量を対数的に認識するため、コンパンダとしては、ｒｍｓ検出器が最適である。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る雑音除去方法は、ステレオ和信号及びステレオ差信号を有するステレオ信号の雑音を除去する雑音除去方法において、人間の聴覚系のマスキング効果に基づいて、周波数選択的にステレオ信号とモノラル信号の混合を行う混合ステップを有する。そして、この混合の際に、パラメータとして、ステレオ信号に含まれる雑音成分をプローブ信号として使用し、ステレオ信号の信号成分をマスク信号として使用し、ステレオ差信号を、所定の帯域幅によって複数のサブバンドに分割し、ステレオ差信号のサブバンドの信号成分のマスキング閾値以上の雑音成分を有するステレオ差信号のサブバンドのみを減衰して、ステレオ差信号のサブバンドの雑音成分がそれぞれのマスキングの閾値未満となるようにする。これにより、チャンネルセパレーションを不必要に低下させることなく、雑音を低減することができる。
【００５４】
また、本発明に係る雑音除去装置は、ステレオ和信号及びステレオ差信号を有するステレオ信号の雑音を除去する雑音除去装置において、ステレオ差信号を複数のサブバンドに分割する第１のフィルタバンクと、ステレオ差信号のサブバンドの信号成分のマスキング閾値以上の雑音成分を有するステレオ差信号のサブバンドのみを減衰して、ステレオ差信号のサブバンドの雑音成分がそれぞれのマスキングの閾値未満となるようにする複数の減衰器と、人間の聴覚系のマスキング効果に基づいて、周波数選択的にステレオ信号とモノラル信号の混合を行う雑音低減器とを備える。そして、雑音低減器は、混合の際、パラメータとして、ステレオ信号に含まれる雑音成分をプローブ信号として使用し、ステレオ信号の信号成分をマスク信号として使用する。これにより、チャンネルセパレーションを不必要に低下させることなく、雑音を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したＦＭ放送受信用のデジタル受信機の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示すデジタル受信機において使用されるハイブリッドフィルタバンクの構成を示す図である。
【図３】人間の聴覚系における同時マスキングを説明する図である。
【図４】ステレオ多重信号のスペクトルを示す図である。
【符号の説明】
１第１のフィルタバンク、２第１の乗算器、３第１の加算器、４除算器、５加算器、６第１のミキサ、７第１のＬＰＦ、８第２のフィルタバンク、１０第２の乗算器、１１第３のフィルタバンク、１２第２のフィルタ、１３乗算器、１４フロントエンド回路、１５Ａ／Ｄ変換及びＩＱ生成器、１６ＦＭ復調器、１７デジタルＰＬＬ回路、１８第２のミキサ、１９第２のＬＰＦ、２０ＬＰＦ、２１マトリクス回路

Claims

ステレオ和信号及びステレオ差信号を有するステレオ信号の雑音を除去する雑音除去方法において、
人間の聴覚系のマスキング効果に基づいて、周波数選択的にステレオ信号とモノラル信号の混合を行う混合ステップを有し、
上記混合の際、パラメータとして、上記ステレオ信号に含まれる雑音成分をプローブ信号として使用し、該ステレオ信号の信号成分をマスク信号として使用し、
上記ステレオ差信号を、所定の帯域幅によって複数のサブバンドに分割し、
上記ステレオ差信号のサブバンドの信号成分のマスキング閾値以上の雑音成分を有する該ステレオ差信号のサブバンドのみを減衰して、該ステレオ差信号のサブバンドの雑音成分がそれぞれのマスキングの閾値未満となるようにすることを特徴とする雑音除去方法。
上記サブバンドの数を、上記人間の聴覚系の特性に基づいて決定するステップを更に有する請求項１記載の雑音除去方法。
上記複数のサブバンドの帯域幅を、上記人間の聴覚系の特性に基づいて決定するステップを更に有する請求項１記載の雑音除去方法。
上記複数のサブバンドの減衰係数を、上記ステレオ差信号のサブバンドに対応する信号成分を該ステレオ差信号の雑音成分によって除算することにより、決定するステップを更に有する請求項１記載の雑音除去方法。
上記複数のサブバンドの減衰係数を０と１の間の値に制限するステップを更に有する請求項４記載の雑音除去方法。
上記複数のサブバンドの減衰係数からそれぞれの影響係数を減算して、信号成分における雑音が減衰信号に与える影響を低減するステップを更に有する請求項４記載の雑音除去方法。
上記ステレオ差信号の直交成分を上記複数のサブバンドにフィルタリングし、該サブバンドを二乗平均平方根フィルタリングすることにより算出される雑音パワーに基づいて、該ステレオ差信号の各サブバンドの雑音成分を決定するステップを更に有する請求項１記載の雑音除去方法。
上記ステレオ差信号の各雑音パワーを、それぞれに対応するマスキングの閾値、受信周波数変調信号の電界強度、出力音量、背景雑音レベル、オーディオ信号の信号振幅パワー、ステレオ信号が再生されている乗り物の速度及び／又は対応するサブバンドの差信号の信号対雑音比に基づいて重み付けることにより、該ステレオ差信号のサブバンドの雑音成分を決定するステップを更に有する請求項７記載の雑音除去方法。
上記ステレオ差信号のサブバンドに対応する信号成分を、受信周波数変調信号の電界強度、出力音量、背景雑音レベル、オーディオ信号の信号振幅パワー、ステレオ信号が再生されている乗り物の速度及び／又は対応するサブバンドの差信号の信号対雑音比に基づいて決定するステップを更に有する請求項１記載の雑音除去方法。
上記ステレオ差信号の同相成分の二乗されたサブバンド信号を、上記受信周波数変調信号の電波の強さ、出力音量、背景雑音レベル、オーディオ信号の信号振幅パワー、ステレオ信号が再生されている乗り物の速度及び／又は対応するサブバンドの差信号の信号対雑音比に基づく重み係数により重み付けするステップを更に有する請求項９記載の雑音除去方法。
上記ステレオ差信号を上記複数のサブバンドに分割することにより、周波数選択性を決定するステップを更に有する請求項１記載の雑音除去方法。
ステレオ和信号及びステレオ差信号を有するステレオ信号の雑音を除去する雑音除去装置において、
上記ステレオ差信号を複数のサブバンドに分割する第１のフィルタバンクと、
上記ステレオ差信号のサブバンドの信号成分のマスキング閾値以上の雑音成分を有する該ステレオ差信号のサブバンドのみを減衰して、該ステレオ差信号のサブバンドの雑音成分がそれぞれのマスキングの閾値未満となるようにする複数の減衰器と、
人間の聴覚系のマスキング効果に基づいて、周波数選択的にステレオ信号とモノラル信号の混合を行う雑音低減器とを備え、
上記雑音低減器は、上記混合の際、パラメータとして、上記ステレオ信号に含まれる雑音成分をプローブ信号として使用し、該ステレオ信号の信号成分をマスク信号として使用することを特徴とする雑音除去装置。
上記ステレオ差信号の各サブバンドをそれぞれに対応する制御信号により重み付けする複数の第１の乗算器と、
上記ステレオ差信号の重み付けされたサブバンドの全てを加算して、周波数選択重み付けステレオ差信号を生成する第１の加算器と、
上記人間の聴覚系のマスキング効果に基づいて、上記制御信号を周波数選択的に決定する重み係数決定器を更に備え、
上記重み係数決定器は、上記第１のフィルタバンクを選択することによって得られるサブバンドの数及び帯域幅を、上記人間の聴覚系の特性に基づいて得ることを特徴とする請求項１２記載の雑音除去装置。
上記重み係数決定器は、上記ステレオ差信号の各サブバンドの信号成分と、該ステレオ差信号の各サブバンドの雑音成分との比を算出する除算器を備えることを特徴とする請求項１３記載の雑音除去装置。
上記重み係数決定器は、上記除算器の出力信号からそれぞれの影響係数を減算して上記制御信号を算出することにより、上記信号成分内の雑音が上記制御信号に与える影響を低減させる複数の第２の加算器を備えることを特徴とする請求項１４記載の雑音除去装置。
上記重み係数決定器は、
上記ステレオ差信号からその直交成分を抽出して、該ステレオ差信号の雑音成分を決定するミキサ及び第１のローパスフィルタと、
上記第１のフィルタバンクと同じ特性を有し、上記ステレオ差信号の各サブバンドの雑音成分を決定する第２のフィルタバンクとを備えることを特徴とする請求項１３記載の雑音除去装置。
上記重み係数決定器は、上記第２のフィルタバンクからの各出力信号が供給され、上記ステレオ差信号の各サブバンドの雑音成分に対応する各雑音パワーを決定する二乗平均平方根値決定器を備えることを特徴とする請求項１６記載の雑音除去装置。
上記重み係数決定器は、上記ステレオ差信号の各雑音パワーを、それぞれに対応するマスキングの閾値、受信周波数変調信号の電界強度、出力音量、背景雑音レベル、オーディオ信号の信号振幅パワー、ステレオ信号が再生されている乗り物の速度及び／又は対応するサブバンドの差信号の信号対雑音比に基づいて重み付けすることにより、上記ステレオ差信号のサブバンドの雑音成分を決定する複数の第２の乗算器を備えることを特徴とする請求項１７記載の雑音除去装置。
上記重み係数決定器は、上記第１のフィルタバンクと基本的に同じ特性を有し、上記ステレオ差信号の各サブバンドに対応する上記ステレオ和信号の各サブバンドの信号成分を決定する第３のフィルタバンクを備えることを特徴とする請求項１４記載の雑音除去装置。
上記重み係数決定器は、上記第１のフィルタバンク、第３のフィルタバンク、又は第１及び第３のフィルタバンクからの各出力信号が供給され、上記ステレオ信号の各サブバンドの信号成分に対応する信号パワーを決定する複数の第２の二乗平方根決定器を備えることを特徴とする請求項１６記載の雑音除去装置。
上記重み係数決定器は、上記第１のフィルタバンクの各出力信号を、受信周波数変調信号の電界強度、出力音量、背景雑音レベル、オーディオ信号の信号振幅パワー、ステレオ信号が再生されている乗り物の速度及び／又は対応するサブバンドの差信号の信号対雑音比に基づく重み係数により重み付けすることにより、上記ステレオ差信号のサブバンドに対応する信号成分を決定する複数の第３の乗算器を備えることを特徴とする請求項２０記載の雑音除去装置。