JP4437112B2 - 音声信号処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、音声信号処理装置、特にレベル圧伸回路（コンパンダという）を用いた音声信号処理に関する。

図６は、コンパンダを用いた音声信号処理の従来の基本的な構成を示すブロック図である（例えば、特許文献１参照）。図６に示すように、従来のコンパンダ3-1はレベル算出器31-1と増幅器32-1により構成される。Ｓ１は入力信号を示し、Ｓ２は出力信号を示す。

レベル算出器31-1は、音声および背景ノイズを含む入力信号Ｓ１の信号パワーを算出し、入力信号Ｓ１のレベル値に応じて、図３に示すコンパンダ3-1の入出力特性に基づき増幅器32-1の増幅率を変化させる。すなわち、背景ノイズに比べて比較的レベルの大きい音声は図３の領域２に示される領域に存在するので増幅器32-1により増幅される。一方、音声に比べて比較的レベルの小さい背景ノイズは図３の領域１に示される領域に存在するので増幅器32-1により減衰され、出力信号Ｓ２として出力される。このように、レベルの大きい音声は増幅され、レベルの小さい背景ノイズは減衰されることで出力信号Ｓ２の音声の明瞭度が増える。

また、増幅された音響信号を風雑音を主に含む周波数帯域と人間の音声を主に含む周波数帯域とに分割し、風雑音を主に含む周波数帯域の増幅器の出力信号を風雑音がある場合に電子的に一定量減衰させるようにしたマイクロフォン増幅装置が知られている(例えば、特許文献２参照)。

特開昭５８−１４８５３２号公報（第２頁、図１、図２） 特開平６−２９７６４号公報（第２頁、図１）

上述した特許文献１記載の技術では、背景ノイズが無声時に減衰され有声時に音声と共に増幅されるとしても、背景ノイズのレベルが小さい場合には、有声時と無声時における背景ノイズの出力レベル差は僅かである。しかし、背景ノイズのレベルが大きい場合は、有声時と無声時とで背景ノイズの出力レベル差が顕著になり受話者が違和感を受けるという問題がある。

また、上述した特許文献２記載の技術では、風雑音成分の周波数帯域を20Hz〜約150Hzとして、この範囲で増幅器の出力信号を減衰させているため、20Hz〜約150Hz 外の背景ノイズに対しては効力がないという問題がある。

そこで、本発明の第１の目的は、背景ノイズのレベルが大きい場合においても、音声に対し背景ノイズが重畳するのを低減し、有声時と無声時の背景ノイズのレベルの差を少なくして受話者の違和感を抑えた音声信号処理装置を提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、離散した周波数帯域に存在する背景ノイズに対しても上記の目的を達成することができる音声信号処理装置を提供することにある。

本発明の音声信号処理装置は、コンパンダを用いた音声信号処理装置において、入力信号（図１のS1）を複数の周波数帯域に分割し周波数帯域ごとの帯域出力信号に切り出す帯域分割器（図１の１）と、帯域出力信号それぞれの値を周波数分割帯域幅について積分して周波数帯域ごとのレベル値を算出するレベル算出器（図１の31）と、算出された各帯域のレベル値に対し、近接する帯域と相関を持つように各帯域のレベル値を補正し補正後の各帯域のレベル値を出力するレベル制御器（図１の33）と、レベル制御器から出力される各帯域のレベル値を元に増幅率を決定し、帯域出力信号を決定した増幅率で増幅・減衰させて、分割した各帯域のコンパンダ出力信号として出力する増幅器（図１の32）と、コンパンダ出力信号を合成し出力信号（図１のS2）を出力する帯域合成部（図１の２）を有することを特徴とする。

具体的には、レベル制御器は、レベル制御対象の帯域と隣接する帯域に対しては重み付けを大きく、離れた帯域ほど重み付けを小さくし、レベル制御を行う帯域からの周波数軸上の距離に応じて値を減衰させた重み付け係数をレベル値に乗算することにより補正を行うことを特徴とする。

また、増幅器は、レベル制御器から出力される各帯域のレベル値が大きい信号を増幅し、レベル値の小さい信号を減衰させることを特徴とする。

本発明では、入力信号を周波数帯域ごとに分割し、分割した帯域ごとの信号レベルを算出し、帯域ごとの信号レベルを元に、各帯域の信号に対しコンパンダにより信号レベルの大きい信号を増幅し信号レベルの小さい信号を減衰する。これにより、従来方式のような全周波数帯域の信号レベルを元に増幅・減衰をすることによる音声と同時に背景ノイズを増幅させるような誤りを防ぐことが可能になり、音声の帯域以外に存在する離散した複数の背景ノイズであっても減衰させ、音声帯域のみを効果的に増幅させることができる。

また、分割した各帯域の信号レベル値を制御し、近接する帯域同士の信号レベル値に重み付け係数を乗算し信号レベル値に相関をもたせる手段を更に備えることを特徴とする。これにより、分割した帯域ごとの信号レベルを元にコンパンダによる信号の増幅・減衰を行うことに伴う入力信号と出力信号の著しい周波数特性の変化を抑えることができる。

本発明の第１の効果は、音声に背景ノイズが重畳するのを低減し、有声時と無声時の背景ノイズのレベルの変化を抑えることができ、受話者に違和感を抱かせないということである。その理由は、入力信号を周波数帯域で分割し、帯域ごとにコンパンダにより信号の増幅・減衰させることにより、有声時においても音声以外の帯域上に存在する背景ノイズを減衰させ、有声・無声時における背景ノイズのレベルを一定に近づけることができるからである。

本発明の第２の効果は、各帯域のレベル値に対し相関をもたせるような重み付けをし、各帯域のレベル値を補正し、バンドごとの増幅器の増幅率を制御することにより、周波数帯域で分割したことによる入力信号と出力信号の周波数特性の著しい変化を抑えることができ、これによっても受話者に違和感を抱かせないということである。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の音声信号処理装置の構成を示すブロック図であり、この音声信号処理装置は、音声および背景雑音を含む入力信号S1 に対して音声信号処理を施して、有声時と無声時の背景ノイズのレベルの差を少なくして受話者の違和感を抑えた出力信号S2 を出力する。このための手段として、この音声信号処理装置は、帯域分割部１，帯域合成部２およびコンパンダ３を備え、更に、コンパンダ３はレベル算出器31，レベル制御器32および増幅器33から成る。

帯域分割部１は、入力信号S1を16個の周波数帯域に分割し、入力信号S1を周波数帯域ごとの帯域出力信号A0〜A15に切り出す。具体的には、帯域分割部１は、帯域出力信号A0〜A15と１対１対応のバンドパスフィルタを備え、0Hz〜8000Hzを500Hz間隔のバンド0〜15に区切る。図２は、バンド0〜15についてのゲインの周波数特性を示している。

コンパンダ３のレベル算出器31は、帯域出力信号A0〜A15 それぞれの値を周波数分割帯域幅500Hzについて積分して、周波数帯域ごとのレベル値（信号パワー）B0〜B15 を算出する。

レベル制御器33は、レベル算出器31により算出された各帯域のレベル値B0〜B15 に対し、近接する帯域と相関を持つように、各帯域のレベル値を補正し、補正後の各帯域のレベル値C0〜C15を出力する。帯域ｉ(ｉ＝0〜15)の補正後のレベル値は、式（１）により、補正後のレベル値L(i)として求められる。

式（１）において、ｃは重み付けの割合であって値は０から１の間をとり、ｃの値が大きいほど相関が強く、ｃの値が小さい程相関が弱くなる。ｂは帯域番号、L(b)は各帯域ｂ（＝0〜15）のレベル値である。ｃに対する(i-b)の絶対値を累乗数とする累乗値（（式２）に示す）はレベル値L(i)に対し乗算する重み付け係数である。この係数はｉ＝ｂでは、如何なるｉに対しても１となる。

図３は、c=0.1とした場合のバンドb=0〜15に対し乗算する重み付け係数の値をi=6とi=7 の各場合について示すグラフである。このグラフは、式（２）から左右対称形となることが分かる。ｉの値如何に関わらず、i=bでは係数は１となり、i=b±1では0.1となる。

増幅器32は、レベル制御器33から出力される各帯域のレベル値C0〜C15を元に、図４に示す入出力特性により増幅率を決定する。そして、帯域分割部１からの帯域出力信号A0〜A15 を決定した増幅率で増幅・減衰させ、分割した各帯域のコンパンダ出力信号D0〜D15 として出力する。

図４において、実線がコンパンダの特性、点線が増幅率１を示す。入力信号レベルが0〜-46dBの領域２では増幅率が１以上となっており、領域２の両サイドの領域１および領域３では増幅率が１以下となっている。図４の実線の横軸は帯域出力信号A0〜A15、縦軸はコンパンダ出力信号D0〜D15を示している。

帯域合成部２は、分割した各帯域のコンパンダ出力信号D0〜D15 を合成し、出力信号Ｓ2 を出力する。

次に、本発明の実施形態の動作を説明する。入力信号S1は、帯域分割部１により、図２に示した周波数特性にしたがって、0Hz〜8000Hzを500Hz間隔のバンド0〜15に区切られ、その帯域出力信号A0〜A15はレベル算出器31と増幅器33へ出力される。レベル算出器31に入力した帯域出力信号A0〜A15は、周波数分割帯域幅500Hzについて積分され、各周波数帯域ごとのレベル値B0〜B15 が算出される。つまり、帯域出力信号A0とレベル値B0 が0Hz〜500Hzのバンドに対応するとすると、レベル値B0 は帯域出力信号A0のレベル値を0Hz〜500Hzに亘って積分したものである。

増幅器32は帯域分割部１からの帯域出力信号A0〜A15を増幅し、図４に示したコンパンダの特性にしたがってコンパンダ出力信号D0〜D15を出力する。このときの増幅率はレベル制御器33からのレベル値C0〜C15により、図４における実線と点線の差分を入力信号レベルで除算したものである。図４では、-20Db付近に増幅率のピークがある。

上記の算出されたレベル値B0〜B15 は、帯域ごとに独立しており、近接する帯域間の信号レベルの相関が無視されている。そこで、レベル制御器33 は近接する帯域のレベル値を考慮し、式（２）と図３に示した重み係数により、レベル値B0〜B15 に重み付けをしたレベル値C0〜C15を出力する。重み係数は、レベル値B0〜B15 の制御対象となる帯域ｉからの周波数軸上の距離である（i-b）の絶対値に応じて重み付けを変化させる。c=1の場合であれば、近接する帯域はレベル値の10％弱、離れた帯域はレベル値の1％程度をレベル値の制御対象となる帯域のレベル値に加算した補正をかけることになる。

このような補正後のレベル値C0〜C15 によって、増幅器32 は図４の入出力特性により、バンドごとの増幅率を決め、対応する増幅率で帯域出力信号A0〜A15のそれぞれを増幅する。音声は図４の領域２に示される領域に存在するので増幅器32により増幅され、一般的には、背景ノイズは図４の領域１に示される領域に存在するので増幅器32により減衰される。各帯域のコンパンダ出力信号D0〜D15 は帯域合成部２に入力し帯域合成後に出力信号Ss2 が得られる。

本実施例における入力信号と出力信号の周波数特性を図５に示す。図５におけるＢ点のように、音声部分、すなわち入力信号とノイズのレベル差が顕著な部分では、出力信号と入力信号のレベル差が顕著であり、増幅されていることが分かる。一方、Ａ，Ｃ，Ｄ点のように、背景ノイズ部分、すなわち入力信号とノイズのレベルが近いレベルの入力信号は増幅されていないことが分かる。また、周波数帯域分割による著しい周波数特性の変化も見られない。

本発明の音声信号処理装置の一実施例を示すブロック図 分割した周波数帯域のゲインを示す図 レベル制御に用いる重み係数のバンド特性を例示する図 コンパンダの入出力特性を示す図 本発明における入力信号と出力信号の周波数特性を示す図 従来技術の構成を示すブロック図

符号の説明

１ 帯域分割部
２ 帯域合成部
３ コンパンダ
31 レベル算出器
32 増幅器
33 レベル制御器
S1 入力信号
S2 出力信号

Claims (3)

1. コンパンダを用いた音声信号処理装置において、
   入力信号を複数の周波数帯域に分割し周波数帯域ごとの帯域出力信号に切り出す帯域分割器と、
   前記帯域出力信号それぞれの値を周波数分割帯域幅について積分して周波数帯域ごとのレベル値を算出するレベル算出器と、
   前記算出された各帯域のレベル値に対し、近接する帯域と相関を持つように各帯域のレベル値を補正し補正後の各帯域のレベル値を出力するレベル制御器と、
   前記レベル制御器から出力される各帯域のレベル値を元に増幅率を決定し、前記帯域出力信号を決定した増幅率で増幅・減衰させて、分割した各帯域のコンパンダ出力信号として出力する増幅器と、
   前記コンパンダ出力信号を合成し出力信号を出力する帯域合成部を有することを特徴とする音声信号処理装置。
2. 前記レベル制御器は、レベル制御対象の帯域と隣接する帯域に対しては重み付けを大きく、離れた帯域ほど重み付けを小さくし、レベル制御を行う帯域からの周波数軸上の距離に応じて値を減衰させた重み付け係数を前記レベル値に乗算することにより前記補正を行うことを特徴とする請求項１記載の音声信号処理装置。
3. 前記増幅器は、前記レベル制御器から出力される各帯域のレベル値が大きい信号を増幅し、レベル値の小さい信号を減衰させることを特徴とする請求項１または請求項２記載の音声信号処理装置。
   

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