JP4580508B2 - 信号処理装置及び通信装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ディジタル自動車・携帯電話装置やディジタルコードレス電話機、ディジタル有線電話装置等のように音声信号を符号化して伝送する通信装置に設けられるノイズキャンセラおよびこのノイズキャンセラを備えた通信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディジタル携帯電話装置では、一般にＣＥＬＰ（Code Excited Linear Prediction）方式等の低ビットレートの音声符号化方式が使用されている。この種の符号化方式を使用すると、背景雑音が比較的大きい環境下でも良好な音声通話を行なうことが可能である。なお、ＣＥＬＰ方式の詳細については、M.R.Schroeder 氏とB.S.Atal氏の“Code-Excited Linear Prediction(ＣＥＬＰ):High-Quality Speech At Very Low Bit Rates”in Proc.ICASSP,1985.pp.937-939に述べられている。
【０００３】
しかし、鉄道のホームや幹線道路等のような高雑音環境下では、背景雑音は音声の明瞭感を著しく低下させる。このため、雑音を除去して音声のみを符号化に供するノイズキャンセラの研究が種々なされている。その一例として、米国で規格化された可変レート音声符号化方式である”Enhanced Variable Rate Codec, Speech Service Option 3 for Wideband Spread Spectrum Digital Systems”（TIA IS127）にオプションとして規定されたノイズキャンセラがある。
【０００４】
図９は、このTIA IS127において規定されたノイズキャンセラの機能ブロック図である。同図において、５１は高速フーリエ変換部（ＦＦＴ:fast Fourier transform ）であり、このＦＦＴ５１にはフレーム化された送話信号が入力される。なお、フレーム化送話信号は、Ａ／Ｄ変換された送話信号を例えば８０サンプルのフレームに分割したのち、オーバーラップ分を含め１２８サンプルに整えることにより生成される。ＦＦＴ５１は、上記フレーム化送話信号に対し高速フーリエ変換処理を行い、これにより例えば１６帯域に周波数分割された変換係数が得られる。
【０００５】
ＦＦＴ５１により得られた１６帯域の変換係数は、帯域エネルギ推定部５２に入力される。帯域エネルギ推定部５２は、上記１６帯域の変換係数のエネルギを計算して、この帯域別エネルギの算出値を帯域ＳＮＲ推定部５３及び雑音推定部５４に入力する。雑音推定部５４は、上記帯域別エネルギの推定値をもとに雑音部分の帯域別エネルギを推定し、この推定した帯域別雑音エネルギを帯域ＳＮＲ推定部５３に与える。帯域ＳＮＲ推定部５３は、上記帯域別エネルギの算出値と上記帯域別雑音エネルギの推定値とをもとに、帯域別の信号エネルギと雑音エネルギとの対数値（ＳＮＲ）を計算する。そして、この帯域別ＳＮＲをボイスメトリック計算部５５に与える。ボイスメトリック計算部５５は、上記帯域別ＳＮＲにその大きさに応じた重み係数を掛けたのちその総和を求めるもので、その算出結果がボイスメトリック（Voice metric）である。
【０００６】
帯域ＳＮＲ修正部５６は、上記ボイスメトリックがしきい値より小さい場合には音声が含まれないと判断して帯域ＳＮＲを小さい値に修正し、帯域ゲイン計算部５７に与える。帯域ゲイン計算部５７は、上記修正されたＳＮＲをもとに各帯域の雑音抑圧量を決定し、乗算部６１に与える。この結果乗算部６１では、前記ＦＦＴ５１から出力された１６帯域の変換係数と上記帯域別の雑音抑圧量とが帯域別に乗算され、これにより帯域別に雑音抑圧された信号が出力される。そして、この帯域別に雑音抑圧された変換係数は、逆高速フーリエ変換部（ＩＦＦＴ）５８において逆高速フーリエ変換され、これにより時間領域の信号に戻されて出力される。
【０００７】
なお、上記雑音エネルギの更新は、スペクトル偏差推定部５９及び雑音更新判定部６０において更新の可否が判定された上で行われる。
【０００８】
すなわち、上記ノイズキセャンセラでは、帯域別ノイズ抑圧量を送話信号のＳＮＲ、つまり信号のエネルギと雑音エネルギとの比をもとに決定している。また、音声が含まれるかどうかを判断するために、各帯域別ＳＮＲを重み付け加算して求めた値であるボイスメトリックを用いている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、雑音（Background Noise）は一般に定常と仮定されるが、屋外では変動する場合がある。特に、自動車が通り過ぎるときに発生する雑音のエネルギは自動車の接近とともに大きくなる。この状態で送話音声が入力されると、音声と雑音とのエネルギ差が小さいため、抑圧後の音声を歪ませることがある。また、雑音のスペクトル形状と音声のスペクトル形状が似ている場合も、雑音エネルギをもとに抑圧を行うと音声のスペクトルに干渉しやすくなるため、抑圧後の音声に歪みが発生する。
【００１０】
音声の検出に用いるボイスメトリックは、ＳＮＲに重み係数を掛けてその総和をとったものであるため、突発的な雑音が混入した場合には音声と見なされやすい。
【００１１】
この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的は、突発的な雑音を音声として誤検出しないようにして音声／雑音区間の判定精度を高め、これにより例えば雑音を抑圧する場合に効果的な抑圧を可能にした信号処理装置及び通信装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためにこの発明は、周波数帯域ごとに信号のパワーを求め、この帯域パワーをもとに帯域別の雑音パワーを推定する雑音パワー推定手段と、上記周波数帯域ごとにその帯域パワーと上記雑音パワー推定手段により推定された帯域別雑音パワーとの差を求め、これらの帯域別差を所定のしきい値と比較する比較手段と、この比較手段により、周波数順に配列された前記各帯域別差のうち隣接する複数の帯域の帯域別差がしきい値を超えると判定された場合にのみ、これらの帯域別差を加算する加算手段と、この加算手段により得られた帯域別差の加算値に基づいて、上記入力信号について音声区間か雑音区間かの判定を行う判定手段とを具備したものである。
【００１４】
具体的には、上記加算手段は、各帯域別差に対し周波数が高くなるに従い重みが小さくなるような重み付けを行う。
【００１５】
また、上記判定手段では、加算手段により得られた帯域別差の加算値に基づいて、入力信号について音声区間か、雑音区間か或いは両区間の中間領域である過渡区間かを判定することも可能である。
【００１６】
したがってこの発明によれば、帯域の連続性を考慮して音声／雑音判定が行われるので、突発的な雑音を音声として誤検出しないようになり、これにより正確な音声／雑音判定を行うことが可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係わるノイズキャンセラを備えたディジタル携帯電話装置の一実施形態を示す回路ブロック図である。
【００２４】
同図において、図示しない基地局から無線チャネルを介して送られた無線搬送波信号は、アンテナ１で受信されたのちアンテナ共用器（ＤＵＰ）２を介して受信回路（ＲＸ）３に入力され、ここで周波数シンセサイザ（ＳＹＮ）４から出力された受信局部発振信号とミキシングされて中間周波信号に周波数変換される。
そしてこの受信中間周波信号は、図示しないＡ／Ｄ変換器においてサンプリングされたのちディジタル復調器（ＤＥＭ）６に入力される。
【００２５】
ディジタル復調器６は、上記ディジタル受信中間周波信号に対するフレーム同期およびビット同期を確立したうえで、ディジタル復調処理を行なう。この復調処理により得られたベースバンドのディジタル復調信号は、時分割多元接続回路（ＴＤＭＡ）８に入力され、ここで各伝送フレームごとに自己宛てのタイムスロットが分離抽出される。なお、上記ディジタル復調器６において得られたフレーム同期及びビット同期に関する情報は制御回路１８に入力される。
【００２６】
上記ＴＤＭＡ回路８から出力されたディジタル復調信号は、続いて誤り訂正符号復号回路（ＣＨ−ＣＯＤ）９に入力され、ここで誤り訂正復号処理される。そして、この誤り訂正復号されたディジタル復調信号は、音声復号回路（ＤＥＣ）１０に入力されて音声復号処理され、これによりディジタル受話信号が再生される。このディジタル受話信号は、Ｄ／Ａ変換器１１でアナログ受話信号に戻されたのち図示しない音声増幅器を介してスピーカ１２に供給され、このスピーカ１２から拡声出力される。
【００２７】
一方、話者の送話音声は、マイクロホン１３で集音されて電気信号に変換されたのちＡ／Ｄ変換器１４に入力され、このＡ／Ｄ変換器１４で所定のサンプリング周期でサンプリングされてディジタル送話信号に変換される。このディジタル送話信号は、後述するノイズキャンセラ１７に通されたのち音声符号化回路（ＣＯＤ）１６に入力されて音声符号化される。
【００２８】
この音声符号化回路１６から出力された符号化音声データは、制御回路１８から出力された制御信号とともに誤り訂正符号復号回路（ＣＨ−ＣＯＤ）９に入力され、ここで誤り訂正符号化される。そして、この誤り訂正符号化されたディジタル送信信号はＴＤＭＡ回路８に入力される。このＴＤＭＡ回路８では、時分割多元接続（ＴＤＭＡ）方式に対応した伝送フレームが生成され、この伝送フレーム中の自装置に割り当てられたタイムスロットに上記ディジタル送信信号を挿入するための処理が行なわれる。このＴＤＭＡ回路８から出力されたディジタル送信信号は、続いてディジタル変調器（ＭＯＤ）７に入力される。
【００２９】
ディジタル変調器７では、上記ディジタル送信信号によりディジタル変調された送信中間周波信号が発生され、この送信中間周波信号は図示しないＤ／Ａ変換器によりアナログ信号に変換されたのち送信回路（ＴＸ）５に入力される。なお、ディジタル変調方式としては、例えばπ／４シフトＱＰＳＫ（π／４ shifted quadrature phase shift keying）方式が使用される。
【００３０】
送信回路５では、上記変調された送信中間周波信号がまず周波数シンセサイザ４から出力された送信局部発振信号とミキシングされ、これにより通話チャネルに対応する無線搬送波周波数に変換される。そして、この無線変調波信号は、送信電力増幅器において制御回路１８から制御信号ＴＣＳにより指示された所定の送信電力レベルに制御されたのち、アンテナ共用器２を介してアンテナ１から図示しない基地局へ向けて送信される。
【００３１】
なお、１９は操作パネル部であり、この操作パネル部１９には発信キー、終了キー、ダイヤルキー、および各種機能キーを有するキー入力部と、液晶表示器 （ＬＣＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）を有する表示部とが配設されている。
【００３２】
ところで、ノイズキャンセラ１７は例えばＤＳＰ（Digital Signal Processor）により実現されるもので、その処理プログラムはノイズキャンセラ内のメモリ又は制御回路１８に付属するメモリに格納されている。図２はこの処理プログラムにより実現される機能の構成を示すブロック図である。
【００３３】
Ａ／Ｄ変換器１４から出力されたディジタル送話信号は、先ずフレーム分割部２１に入力される。フレーム分割部２１は、上記ディジタル送話信号を例えば８０サンプルのフレームに分割したのち、ウィンドウがけを行うことによりフレーム端をオーバラップさせ、これによりオーバーラップ分を含め１２８サンプルに整えられたフレームを出力する。そして、このディジタル送話信号フレームを高速フーリエ変換部（ＦＦＴ）２２に入力する。
【００３４】
ＦＦＴ２２は、入力されたディジタル送話信号フレームに対し高速フーリエ変換処理を行い、これにより例えば低域から高域まで順に１６帯域に周波数分割された変換係数を得る。なお、各帯域ごとの変換係数の数は同一でなくてもよい。
そして、この帯域分割された変換係数を、雑音抑圧処理用の乗算器２３に入力すると共に帯域パワー計算部２６に入力する。
【００３５】
帯域パワー計算部２６は、各帯域ごとにエネルギ（変換変数の二乗平均値）を求めて対数をとり、帯域パワーchannel_power(m,k)を出力する。ただし、ｍはフレーム番号、ｋは帯域番号（k=0,…,15）である。そして、この帯域パワーを、後述する雑音リーク積分値更新部３２及び帯域別ゲイン決定部３３にそれぞれ入力すると共に、有意値計算部２７に入力する。
【００３６】
有意値計算部２７は、各帯域ごとに、後述する雑音リーク積分値更新部３２から出力される雑音リーク積分値noise_power(m,k)と、上記帯域パワーchannel_power(m,k)との差tmp を求め、これらの帯域別の差tmp を所定のしきい値と比較する。そして、周波数順に配列された上記各帯域別の差tmp のうち隣接する複数の帯域の帯域別差tmp がしきい値を超えると判定された場合に、これらの帯域別差tmp に所定の重み付けを行った上で相互に加算する。そして、この重み付け後の値suby(m,k)と、このsubyの条件付総和を有意値ｙとして出力する。
【００３７】
図３は、この有意値計算部２７の処理手順とその内容を示すフローチャートである。
同図において、有意値計算部２７は、先ずステップ３ａでフレーム番号ｍを０にリセットしたのち、ステップ３ｂでグループ番号ｍをインクリメントすると共に、有意値y 、帯域番号k 、及びしきい値を越える帯域別差tmp の連続数flagをそれぞれ０に初期設定する。
【００３８】
次に有意値計算部２７は、ステップ３ｃで帯域k=0 について、その帯域パワーと雑音リーク積分値との差tmp と、この帯域別差tmp に対し重み付けを行った値suby(m,k)とをそれぞれ以下のように計算する。
tmp ＝channel_power(m,k)−noise_power(m,k)
suby(m,k)＝{200-(k-1)2 }／100*(tmp-1)
ただし、{200-(k-1)2 }は重み係数である。
【００３９】
そして、帯域k=0 における上記帯域別差tmp が算出されると、有意値計算部２７はステップ３ｄでこの帯域別差tmp をしきい値「１」と比較し、帯域別差tmp がしきい値「１」を越えていると、音声である可能性があると判断してステップ３ｅ及びステップ３ｇを経てステップ３ｉに移行し、ここで連続数flag＝１に設定する。そして、ステップ３ｋで帯域番号k をインクリメントしてk=1 としたのち、ステップ３ｃに戻って今度は帯域k=1 について同様の処理を実行する。
【００４０】
さて、この帯域k=1 においても、前記帯域k=0 に続き帯域別差tmp がしきい値「１」を越えたとする。そうすると有意値計算部２７は、既にflag＝１であるためステップ３ｅからステップ３ｆに移行して、ここで
y ＝y ＋suby(m,k-1)
なる演算を行う。すなわち、前記帯域k=0 におけるsuby(m,k-1)を有意値y とする。そして、連続数flag＝２としたのち、ステップ３ｇを経てステップ３ｈに移行し、ここで
y ＝y ＋suby(m,k)
なる演算を行い、これにより前記帯域k=0 におけるsuby(m,k-1)に、今回の帯域k=1 で求めたsuby(m,k)を加算する。そして、ステップ３ｋで帯域番号k をさらにインクリメントしてk=2 としたのち、ステップ３ｃに戻って帯域k=2 についての処理を実行する。
【００４１】
以後同様に、隣接する帯域k=2 ，k=3，k=4 ，…の帯域別差tmp がしきい値「１」を越えるごとに、その帯域のsuby(m,k)が一つ前の帯域までに得られた有意値y に順次加算され、これにより帯域別差tmp の重み付け加算値y が求められる。
【００４２】
なお、いずれかの帯域k=i において、帯域別差tmp がしきい値「１」以下になると、有意値計算部２７はステップ３ｄからステップ３ｊに移行してここでflagを０にリセットする。
【００４３】
そうして、１フレームを構成する１６個すべての帯域k=0〜k=15についての処理が終了すると、有意値計算部２７はステップ３ｍからステップ３ｎに移行して、ここで上記有意値y と、各帯域ごとに算出した重み付け後の帯域別差suby(m,k)(k=0,1,…,15)をそれぞれ出力する。
【００４４】
かくして、各フレームごとに、しきい値が「１」を越える連続する複数の帯域の帯域別差tmp の重み付け加算値y が求められ、この重み付け加算値y が後述する音声重み計算部２８における音声重みの計算、つまりそのフレームが音声フレームであるか雑音フレームであるか、さらにはその中間の過渡域フレームであるかの判定に供される。すなわち、ただ１つの帯域のみで帯域別差tmp がしきい値「１」を越えた場合には、これは雑音と見なされて排除され、上記音声重み計算部２８における音声／雑音／過渡域の判定には供されない。
【００４５】
上記有意値計算部２７から重み付け加算値y が供給されると、音声重み計算部２８では雑音抑圧ゲインの決定に用いる音声重みspの計算が行われる。音声重みspは、１フレーム中に音声が含まれる度合いを０≦sp≦６の範囲で表す数値であり、前記重み付け加算値y から計算される。なお、sp＝０は雑音区間、sp＝６は音声区間を表す。
【００４６】
図４は、この音声重み計算部２８における音声重みspの計算手順とその処理内容を示すフローチャートである。
音声重み計算部２８は、先ずステップ４ａでフレーム番号ｍを０にリセットしたのち、ステップ４ｂでグループ番号ｍをインクリメントする。次に、ステップ４ｃで上記重み付け加算値y を任意のしきい値「１３」と比較し、y ＜１３であれば雑音フレームと判断してステップ４ｄに移行し、ここで音声重みspを
sp(m)＝sp(m-1)−0.5
に設定する。一方、y ≧１３だった場合には、ステップ４ｅに移行してここで
z ＝(y−13)*1.5+1
を計算する。すなわち、y をもとに音声重みz を１〜６の範囲で仮に設定する。
【００４７】
続いて音声重み計算部２８は、ステップ４ｆにおいてsp(m-1)≦0.5を判定する。すなわち、１フレーム前の音声重みsp(m-1)が雑音フレームだったかどうかを判定する。そして、雑音フレームだった場合にはステップ４ｇに移行し、ここで現フレームの音声重みsp(m) を上記z に設定する。これに対し、１フレーム前の音声重みsp(m-1)が雑音フレームではなかった場合には、ステップ４ｈに移行してここでz ＞sp(m-1)＋0.5を判定し、z ＞sp(m-1)＋0.5であればステップ４ｉで現フレームの音声重みsp(m) をsp(m-1)＋0.5に設定する。一方、z ＞sp(m-1)＋0.5でなければ、ステップ４ｊに移行してここでz ＞sp(m-1)−0.5を判定し、z ＞sp(m-1)−0.5であればステップ４ｋで現フレームの音声重みsp(m) をsp(m-1)−0.5に設定する。また、z ＞sp(m-1)−0.5でもない場合には、ステップ４ｍに移行してここで現フレームの音声重みをsp(m) ＝MIN(sp(m),6)又はsp(m) ＝MAX(sp(m),0)に設定する。
【００４８】
すなわち、上記ステップ４ｆからステップ４ｍにおいて、現フレームで算出した仮の音声重みz が、１つ前のフレームで設定した音声重みsp(m-1) を考慮して補正される。したがって、このように求めた音声重みsp(m) を使用することで、フレーム間の連続性を考慮した音声／雑音／過渡域の判定が可能となる。
【００４９】
上記音声重み計算部２８により求められた音声重みsp(m) は、ステップ４ｎにおいて出力され、雑音最小値推定部２９及び帯域別ゲイン決定部３３に入力される。
【００５０】
雑音最小値推定部２９は、上記音声重みがsp＝０となる１００フレームの期間ごとに、各帯域における雑音のリーク積分値noise_power(m,k)の最小値を調べる。そして、この最小値を次の１００フレームの期間において、雑音最小値noise_min(m,k)として使用する。またそれと共に、各帯域の雑音最小値の帯域間平均値min_allを求める。
【００５１】
図５及び図６は、この雑音最小値推定部２９において実行される最小値推定処理の手順と内容を示すフローチャートである。
同図において、雑音最小値推定部２９は先ずステップ５ａで、フレーム番号ｍをｍ＝０にリセットすると共に、フレームカウンタの値をｆc ＝９６に、雑音最小値をnoise_min(k)＝３６に、帯域をk ＝0,…,15にそれぞれ初期設定し、さらにnoise_min(k)_h(k)＝MAX(noise_power(m,2k)，noise_power(m,2k+1))，k=0,…,7に、雑音最小値の帯域間平均min_allを
にそれぞれ初期設定する。
【００５２】
次に雑音最小値推定部２９は、ステップ５ｂでフレーム番号ｍをインクリメントしたのち、ステップ５ｃで上記音声重みがsp＝０であるか否か、つまり雑音フレームであるか否かを判定する。そして、雑音フレームであれば、ステップ５ｂに戻ってフレーム番号ｍをインクリメントし、上記ステップ５ｃによる雑音フレームの判定を行う。すなわち、上記ステップ５ｂ及びステップ５ｃにより音声フレーム又は過渡域フレームの検出が行われる。
【００５３】
さて、音声フレーム又は過渡域フレームが検出されると、雑音最小値推定部２９はステップ５ｄに移行してここでフレームカウンタｆc をインクリメントすると共に、帯域k=0を選択する。そして、ステップ５ｅで
x ＝MAX(noise_power(m,2k)，noise_power(m,2k+1))
に設定したのち、ステップ５ｆに移行してnoise_min(k)_h(k)＞x であるか否か判定し、noise_min(k)_h(k)＞x であればステップ５ｇに移行してここで雑音最小値をnoise_min(k)_h(k)＝x に設定する。そして、ステップ５ｈに移行する。
【００５４】
これに対しnoise_min(k)_h(k)＞x でなければ、そのままステップ５ｈに移行して次の帯域k=1を選択し、帯域k=8に達するまでは上記ステップ５ｅ〜ステップ５ｇによる雑音最小値noise_min(k)_h(k)の設定処理を繰り返す。
【００５５】
そして、帯域k=8に達すると、雑音最小値推定部２９はステップ５ｊでフレームカウンタｆc が１００に達したか否かを判定する。そして、１００フレームに達するまではステップ５ｂに戻って次のフレームを選択し、この選択したフレームについて上記ステップ５ｃ〜ステップ５ｉによる処理を繰り返す。
【００５６】
一方、上記１００フレームに対する処理を終了すると、雑音最小値推定部２９は図６に示すステップ６ａに移行し、ここで雑音最小値の帯域間平均min_allを
により求める。
【００５７】
またそれと共に、noise_min(0)及びnoise_min(1)をそれぞれ
noise_min(0)＝noise_min_h(0)
noise_min(1)＝0.75 noise_min_h(0)＋0.25 noise_min_h(1)
とすると共に、帯域をk=1とする。
【００５８】
さらに雑音最小値推定部２９は、ステップ６ｂに移行してここで、先に帯域k=0〜k=7について求めた８個の雑音最小値をもとに、残りの帯域k=8〜k=15について雑音最小値を
noise_min(2k)＝0.75 noise_min_h(k)＋0.25 noise_min_h(k-1)
noise_min(2k+1)＝0.75 noise_min_h(k)＋0.25 noise_min_h(k+1)
のように算出する。
【００５９】
そして、以上の演算が終了すると、雑音最小値推定部２９はステップ６ｄからステップ６ｅに移行し、ここで
noise_min(14)＝0.75 noise_min_h(7)＋0.25 noise_min_h(6)
noise_min(15)＝noise_min_h(7)
を算出する。
【００６０】
すなわち、雑音最小値推定部２９は、上記ステップ６ａ〜ステップ６ｅにおいて８個のmin_allをもとに16個のmin_allを補間している。
【００６１】
そうして16個のmin_allを算出すると、雑音最小値推定部２９はステップ６ｆにおいて、フレームカウンタｆc を０にリセットすると共に、雑音最小値をnoise_min_h(k)=36に、また帯域をk=0,…,7に設定し直す。そして、ステップ６ｇにおいて、先に算出した雑音最小値の帯域間平均値min_all、及び雑音最小値noise_min(m,k),k=0,…,15を出力したのち、ステップ５ｂに戻って次のフレームm=m+1について同様の雑音最小値及びその帯域間平均値の算出処理を繰り返す。
【００６２】
また、更新判定部３１および雑音リーク積分値更新部３２では、雑音のリーク積分値noise_power(m,k)の更新処理が行われる。すなわち、更新判定部３１は、y ＜１５のときに更新可、それ以外のときには更新不可とする。更新可のとき雑音リーク積分値更新部３２は、雑音パワーnoise_powerを例えば、
noise_power(m+1,k)＝noise_power(m,k)*0.9＋channel_power(m,k)*0.1, k=0,…,15
のように更新する。
【００６３】
帯域別ゲイン決定部３３は、前記帯域パワー計算部２６から出力された帯域パワーchannel_power(m,k)、雑音リーク積分値更新部３２から出力された雑音パワーnoise_power(m,k)、音声重み計算部２８から出力された音声重みsp(m,k)、及び雑音最小値推定部２９から出力された雑音最小値noise_min(m,k)をもとに、帯域別ゲインgain(m,k)を決定する。
【００６４】
先ず雑音リーク積分値noise_power(m,k)の帯域平均値noise_allを、
により求める。
【００６５】
続いて、帯域パワーchannel_power(m,k)の帯域最低値min_band、及び雑音最小値noise_min(m,k)の帯域最大値max_bandをそれぞれ、
min_band=MIN (channel_power(m,k),k=2,…,11
max_band=MAX(noise_power(m,k),k=0,…,15)
により求める。
【００６６】
次に、帯域共通の調整値mdを
md=(noise_all−min_all)*(1−sp/6)＋(min_band−max_band)*sp/6
により決定する。この式によると、
sp=0すなわち雑音区間のとき、md=noise_all−min_all
sp=6すなわち音声区間のとき、md=min_band−max_band
となり、過渡域はこれらの中間の値をとることがわかる。
【００６７】
雑音フレームの場合、及び音声フレームの場合の周波数対パワー特性の一例を、それぞれ図７及び図８に示す。
雑音フレームでは、図７に示すように、帯域パワーは雑音最小値に近くなる。
雑音最小値に調整値を加えた値は、雑音最小値のスペクトル特性はそのままで平均値が雑音パワーの平均値noise_allに変更されたものとなる。
【００６８】
これに対し音声フレームの場合には、図８に示すように、雑音最小値に調整値を加えた値は、最小値のスペクトル特性はそのままで帯域の最大値が帯域パワーの最低値と一致するよう調整されることになる。
【００６９】
帯域別ゲインgain(m,k)は、帯域パワーchannel_power(m,k)と、雑音最小値noise_min(m,k)と、調整値とから次のように決定される。すなわち、帯域k において、
tmp=channel_power(m,k)−noise_min(m,k)−md−1.625
gain(m,k)={sqrt(1.4+0.49*tmp2)＋0.7*tmp−9.5}*2
をk=0,…,15についてそれぞれ独立に求める。
なお、Sp=0のときは雑音であるので、上記の計算式に依らずすべての帯域でゲインを定数に、例えばgain(m,k)=−20に設定してもよい。
【００７０】
そして、以上のように求められた帯域別ゲインgain(m,k)は、乗算器２３において帯域ごとに変換係数に乗算され、これによりノイズキャンセルがなされる。
そして、このノイズキャンセルされた各帯域ごとの変換係数は、ＩＦＦＴ２４において逆高速フーリエ変換されて時間軸上の信号フレームに戻されたのち、フレーム合成部２５においてフレーム合成されて音声符号化回路１６に供給される。
【００７１】
以上述べたようにこの実施形態によれば、雑音最小値推定回路２９において各帯域の雑音パワーの最小値を求め、この雑音最小値のスペクトル形状を帯域別ゲイン決定部３３による帯域別ゲインの決定に用いるようにしているため、例えば自動車の通過時のような雑音スペクトルの短期的な変化に影響されず、音声スペクトルを歪ませにくいノイズキャンセル処理を実現することができる。
【００７２】
またこの実施形態によれば、有意値計算部２７において、しきい値が「１」を越える連続する複数の帯域の帯域別差の重み付け加算値を求め、この重み付け加算値を音声重み計算部２８における音声重みの計算、つまりそのフレームが音声フレームであるか雑音フレームであるか、さらにはその中間の過渡域フレームであるかの判定に供している。このため、ただ１つの帯域のみで帯域別差がしきい値「１」を越えた場合には、これは雑音と見なして排除することができ、これにより音声／雑音／過渡域の判定を正確に行って、ノイズキャンセル性能を高めることができる。
【００７３】
なお、この発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、前記実施形態ではＴＤＭＡ方式を採用したディジタル携帯電話装置を例にとって説明したが、ＣＤＭＡ方式を採用したディジタル携帯電話装置にもこの発明は適用可能である。
【００７４】
その他、ノイズキャンセラ内の各機能部の処理手順と処理内容、及びこの処理を実現するための回路構成又は処理プログラム等についても、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。
【００７５】
【発明の効果】
以上詳述したようにこの発明によれば、周波数帯域ごとにその帯域パワーと上記雑音パワー推定手段により推定された帯域別雑音パワーとの差を求めて、これらの帯域別差を所定のしきい値と比較し、周波数順に配列された各帯域別差のうち隣接する複数の帯域の帯域別差がしきい値を超えると判定された場合にのみこれらの帯域別差の総和を求め、この帯域別差の重み付け加算値に基づいて音声区間か雑音区間かを判定するようにしたことによって、突発的な雑音を音声として誤検出しないようにして音声／雑音区間の判定精度を高め、これにより例えば雑音を抑圧する場合に効果的な抑圧を可能にした信号処理装置及び通信装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係わるノイズキャンセラを備えたディジタル携帯電話装置の一実施形態を示す回路ブロック図。
【図２】この発明に係わるノイズキャンセラの一実施形態を示す機能ブロック図。
【図３】図２に示したノイズキャンセラの有意値計算部における処理手順とその内容を示すフローチャート。
【図４】図２に示したノイズキャンセラの音声重み計算部における処理手順とその内容を示すフローチャート。
【図５】図２に示したノイズキャンセラの雑音最小値推定部における処理手順とその内容の前半部分を示すフローチャート。
【図６】図２に示したノイズキャンセラの雑音最小値推定部における処理手順とその内容の後半部分を示すフローチャート。
【図７】雑音区間における帯域パワーと雑音最小値及び調整後の雑音最小値との関係を示す図。
【図８】音声区間における帯域パワーと雑音最小値及び調整後の雑音最小値との関係を示す図。
【図９】従来のノイズキャンセラの構成の一例を示す図。
【符号の説明】
１…アンテナ
２…アンテナ共用器（ＤＵＰ）
３…受信回路（ＲＸ）
４…周波数シンセサイザ（ＳＹＮ）
５…送信回路（ＴＸ）
６…ディジタル復調器（ＤＥＭ）
７…ディジタル変調器（ＭＯＤ）
８…時分割多元接続回路（ＴＤＭＡ）
９…誤り訂正符号復号回路（ＣＨ−ＣＯＤ）
１０…音声復号回路（ＤＥＣ）
１１…Ｄ／Ａ変換器
１２…スピーカ
１３…マイクロホン
１４…Ａ／Ｄ変換器
１６…音声符号化回路（ＣＯＤ）
１７…ノイズキャンセラ
１８…制御回路
１９…操作パネル部
２１…フレーム分割部
２２…高速フーリエ変換部（ＦＦＴ）
２３…乗算部
２４…逆高速フーリエ変換部（ＩＦＦＴ）
２５…フレーム合成部
２６…帯域パワー計算部
２７…有意値計算部
２８…音声重み計算部
２９…雑音最小値推定部
３１…更新判定部
３２…雑音リーク積分値更新部
３３…帯域別ゲイン決定部
【発明の属する技術分野】
この発明は、ディジタル自動車・携帯電話装置やディジタルコードレス電話機、ディジタル有線電話装置等のように音声信号を符号化して伝送する通信装置に設けられるノイズキャンセラおよびこのノイズキャンセラを備えた通信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディジタル携帯電話装置では、一般にＣＥＬＰ（Code Excited Linear Prediction）方式等の低ビットレートの音声符号化方式が使用されている。この種の符号化方式を使用すると、背景雑音が比較的大きい環境下でも良好な音声通話を行なうことが可能である。なお、ＣＥＬＰ方式の詳細については、M.R.Schroeder 氏とB.S.Atal氏の“Code-Excited Linear Prediction(ＣＥＬＰ):High-Quality Speech At Very Low Bit Rates”in Proc.ICASSP,1985.pp.937-939に述べられている。
【０００３】
しかし、鉄道のホームや幹線道路等のような高雑音環境下では、背景雑音は音声の明瞭感を著しく低下させる。このため、雑音を除去して音声のみを符号化に供するノイズキャンセラの研究が種々なされている。その一例として、米国で規格化された可変レート音声符号化方式である”Enhanced Variable Rate Codec, Speech Service Option 3 for Wideband Spread Spectrum Digital Systems”（TIA IS127）にオプションとして規定されたノイズキャンセラがある。
【０００４】
図９は、このTIA IS127において規定されたノイズキャンセラの機能ブロック図である。同図において、５１は高速フーリエ変換部（ＦＦＴ:fast Fourier transform ）であり、このＦＦＴ５１にはフレーム化された送話信号が入力される。なお、フレーム化送話信号は、Ａ／Ｄ変換された送話信号を例えば８０サンプルのフレームに分割したのち、オーバーラップ分を含め１２８サンプルに整えることにより生成される。ＦＦＴ５１は、上記フレーム化送話信号に対し高速フーリエ変換処理を行い、これにより例えば１６帯域に周波数分割された変換係数が得られる。
【０００５】
ＦＦＴ５１により得られた１６帯域の変換係数は、帯域エネルギ推定部５２に入力される。帯域エネルギ推定部５２は、上記１６帯域の変換係数のエネルギを計算して、この帯域別エネルギの算出値を帯域ＳＮＲ推定部５３及び雑音推定部５４に入力する。雑音推定部５４は、上記帯域別エネルギの推定値をもとに雑音部分の帯域別エネルギを推定し、この推定した帯域別雑音エネルギを帯域ＳＮＲ推定部５３に与える。帯域ＳＮＲ推定部５３は、上記帯域別エネルギの算出値と上記帯域別雑音エネルギの推定値とをもとに、帯域別の信号エネルギと雑音エネルギとの対数値（ＳＮＲ）を計算する。そして、この帯域別ＳＮＲをボイスメトリック計算部５５に与える。ボイスメトリック計算部５５は、上記帯域別ＳＮＲにその大きさに応じた重み係数を掛けたのちその総和を求めるもので、その算出結果がボイスメトリック（Voice metric）である。
【０００６】
帯域ＳＮＲ修正部５６は、上記ボイスメトリックがしきい値より小さい場合には音声が含まれないと判断して帯域ＳＮＲを小さい値に修正し、帯域ゲイン計算部５７に与える。帯域ゲイン計算部５７は、上記修正されたＳＮＲをもとに各帯域の雑音抑圧量を決定し、乗算部６１に与える。この結果乗算部６１では、前記ＦＦＴ５１から出力された１６帯域の変換係数と上記帯域別の雑音抑圧量とが帯域別に乗算され、これにより帯域別に雑音抑圧された信号が出力される。そして、この帯域別に雑音抑圧された変換係数は、逆高速フーリエ変換部（ＩＦＦＴ）５８において逆高速フーリエ変換され、これにより時間領域の信号に戻されて出力される。
【０００７】
なお、上記雑音エネルギの更新は、スペクトル偏差推定部５９及び雑音更新判定部６０において更新の可否が判定された上で行われる。
【０００８】
すなわち、上記ノイズキセャンセラでは、帯域別ノイズ抑圧量を送話信号のＳＮＲ、つまり信号のエネルギと雑音エネルギとの比をもとに決定している。また、音声が含まれるかどうかを判断するために、各帯域別ＳＮＲを重み付け加算して求めた値であるボイスメトリックを用いている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、雑音（Background Noise）は一般に定常と仮定されるが、屋外では変動する場合がある。特に、自動車が通り過ぎるときに発生する雑音のエネルギは自動車の接近とともに大きくなる。この状態で送話音声が入力されると、音声と雑音とのエネルギ差が小さいため、抑圧後の音声を歪ませることがある。また、雑音のスペクトル形状と音声のスペクトル形状が似ている場合も、雑音エネルギをもとに抑圧を行うと音声のスペクトルに干渉しやすくなるため、抑圧後の音声に歪みが発生する。
【００１０】
音声の検出に用いるボイスメトリックは、ＳＮＲに重み係数を掛けてその総和をとったものであるため、突発的な雑音が混入した場合には音声と見なされやすい。
【００１１】
この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的は、突発的な雑音を音声として誤検出しないようにして音声／雑音区間の判定精度を高め、これにより例えば雑音を抑圧する場合に効果的な抑圧を可能にした信号処理装置及び通信装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためにこの発明は、周波数帯域ごとに信号のパワーを求め、この帯域パワーをもとに帯域別の雑音パワーを推定する雑音パワー推定手段と、上記周波数帯域ごとにその帯域パワーと上記雑音パワー推定手段により推定された帯域別雑音パワーとの差を求め、これらの帯域別差を所定のしきい値と比較する比較手段と、この比較手段により、周波数順に配列された前記各帯域別差のうち隣接する複数の帯域の帯域別差がしきい値を超えると判定された場合にのみ、これらの帯域別差を加算する加算手段と、この加算手段により得られた帯域別差の加算値に基づいて、上記入力信号について音声区間か雑音区間かの判定を行う判定手段とを具備したものである。
【００１４】
具体的には、上記加算手段は、各帯域別差に対し周波数が高くなるに従い重みが小さくなるような重み付けを行う。
【００１５】
また、上記判定手段では、加算手段により得られた帯域別差の加算値に基づいて、入力信号について音声区間か、雑音区間か或いは両区間の中間領域である過渡区間かを判定することも可能である。
【００１６】
したがってこの発明によれば、帯域の連続性を考慮して音声／雑音判定が行われるので、突発的な雑音を音声として誤検出しないようになり、これにより正確な音声／雑音判定を行うことが可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係わるノイズキャンセラを備えたディジタル携帯電話装置の一実施形態を示す回路ブロック図である。
【００２４】
同図において、図示しない基地局から無線チャネルを介して送られた無線搬送波信号は、アンテナ１で受信されたのちアンテナ共用器（ＤＵＰ）２を介して受信回路（ＲＸ）３に入力され、ここで周波数シンセサイザ（ＳＹＮ）４から出力された受信局部発振信号とミキシングされて中間周波信号に周波数変換される。
そしてこの受信中間周波信号は、図示しないＡ／Ｄ変換器においてサンプリングされたのちディジタル復調器（ＤＥＭ）６に入力される。
【００２５】
ディジタル復調器６は、上記ディジタル受信中間周波信号に対するフレーム同期およびビット同期を確立したうえで、ディジタル復調処理を行なう。この復調処理により得られたベースバンドのディジタル復調信号は、時分割多元接続回路（ＴＤＭＡ）８に入力され、ここで各伝送フレームごとに自己宛てのタイムスロットが分離抽出される。なお、上記ディジタル復調器６において得られたフレーム同期及びビット同期に関する情報は制御回路１８に入力される。
【００２６】
上記ＴＤＭＡ回路８から出力されたディジタル復調信号は、続いて誤り訂正符号復号回路（ＣＨ−ＣＯＤ）９に入力され、ここで誤り訂正復号処理される。そして、この誤り訂正復号されたディジタル復調信号は、音声復号回路（ＤＥＣ）１０に入力されて音声復号処理され、これによりディジタル受話信号が再生される。このディジタル受話信号は、Ｄ／Ａ変換器１１でアナログ受話信号に戻されたのち図示しない音声増幅器を介してスピーカ１２に供給され、このスピーカ１２から拡声出力される。
【００２７】
一方、話者の送話音声は、マイクロホン１３で集音されて電気信号に変換されたのちＡ／Ｄ変換器１４に入力され、このＡ／Ｄ変換器１４で所定のサンプリング周期でサンプリングされてディジタル送話信号に変換される。このディジタル送話信号は、後述するノイズキャンセラ１７に通されたのち音声符号化回路（ＣＯＤ）１６に入力されて音声符号化される。
【００２８】
この音声符号化回路１６から出力された符号化音声データは、制御回路１８から出力された制御信号とともに誤り訂正符号復号回路（ＣＨ−ＣＯＤ）９に入力され、ここで誤り訂正符号化される。そして、この誤り訂正符号化されたディジタル送信信号はＴＤＭＡ回路８に入力される。このＴＤＭＡ回路８では、時分割多元接続（ＴＤＭＡ）方式に対応した伝送フレームが生成され、この伝送フレーム中の自装置に割り当てられたタイムスロットに上記ディジタル送信信号を挿入するための処理が行なわれる。このＴＤＭＡ回路８から出力されたディジタル送信信号は、続いてディジタル変調器（ＭＯＤ）７に入力される。
【００２９】
ディジタル変調器７では、上記ディジタル送信信号によりディジタル変調された送信中間周波信号が発生され、この送信中間周波信号は図示しないＤ／Ａ変換器によりアナログ信号に変換されたのち送信回路（ＴＸ）５に入力される。なお、ディジタル変調方式としては、例えばπ／４シフトＱＰＳＫ（π／４ shifted quadrature phase shift keying）方式が使用される。
【００３０】
送信回路５では、上記変調された送信中間周波信号がまず周波数シンセサイザ４から出力された送信局部発振信号とミキシングされ、これにより通話チャネルに対応する無線搬送波周波数に変換される。そして、この無線変調波信号は、送信電力増幅器において制御回路１８から制御信号ＴＣＳにより指示された所定の送信電力レベルに制御されたのち、アンテナ共用器２を介してアンテナ１から図示しない基地局へ向けて送信される。
【００３１】
なお、１９は操作パネル部であり、この操作パネル部１９には発信キー、終了キー、ダイヤルキー、および各種機能キーを有するキー入力部と、液晶表示器 （ＬＣＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）を有する表示部とが配設されている。
【００３２】
ところで、ノイズキャンセラ１７は例えばＤＳＰ（Digital Signal Processor）により実現されるもので、その処理プログラムはノイズキャンセラ内のメモリ又は制御回路１８に付属するメモリに格納されている。図２はこの処理プログラムにより実現される機能の構成を示すブロック図である。
【００３３】
Ａ／Ｄ変換器１４から出力されたディジタル送話信号は、先ずフレーム分割部２１に入力される。フレーム分割部２１は、上記ディジタル送話信号を例えば８０サンプルのフレームに分割したのち、ウィンドウがけを行うことによりフレーム端をオーバラップさせ、これによりオーバーラップ分を含め１２８サンプルに整えられたフレームを出力する。そして、このディジタル送話信号フレームを高速フーリエ変換部（ＦＦＴ）２２に入力する。
【００３４】
ＦＦＴ２２は、入力されたディジタル送話信号フレームに対し高速フーリエ変換処理を行い、これにより例えば低域から高域まで順に１６帯域に周波数分割された変換係数を得る。なお、各帯域ごとの変換係数の数は同一でなくてもよい。
そして、この帯域分割された変換係数を、雑音抑圧処理用の乗算器２３に入力すると共に帯域パワー計算部２６に入力する。
【００３５】
帯域パワー計算部２６は、各帯域ごとにエネルギ（変換変数の二乗平均値）を求めて対数をとり、帯域パワーchannel_power(m,k)を出力する。ただし、ｍはフレーム番号、ｋは帯域番号（k=0,…,15）である。そして、この帯域パワーを、後述する雑音リーク積分値更新部３２及び帯域別ゲイン決定部３３にそれぞれ入力すると共に、有意値計算部２７に入力する。
【００３６】
有意値計算部２７は、各帯域ごとに、後述する雑音リーク積分値更新部３２から出力される雑音リーク積分値noise_power(m,k)と、上記帯域パワーchannel_power(m,k)との差tmp を求め、これらの帯域別の差tmp を所定のしきい値と比較する。そして、周波数順に配列された上記各帯域別の差tmp のうち隣接する複数の帯域の帯域別差tmp がしきい値を超えると判定された場合に、これらの帯域別差tmp に所定の重み付けを行った上で相互に加算する。そして、この重み付け後の値suby(m,k)と、このsubyの条件付総和を有意値ｙとして出力する。
【００３７】
図３は、この有意値計算部２７の処理手順とその内容を示すフローチャートである。
同図において、有意値計算部２７は、先ずステップ３ａでフレーム番号ｍを０にリセットしたのち、ステップ３ｂでグループ番号ｍをインクリメントすると共に、有意値y 、帯域番号k 、及びしきい値を越える帯域別差tmp の連続数flagをそれぞれ０に初期設定する。
【００３８】
次に有意値計算部２７は、ステップ３ｃで帯域k=0 について、その帯域パワーと雑音リーク積分値との差tmp と、この帯域別差tmp に対し重み付けを行った値suby(m,k)とをそれぞれ以下のように計算する。
tmp ＝channel_power(m,k)−noise_power(m,k)
suby(m,k)＝{200-(k-1)2 }／100*(tmp-1)
ただし、{200-(k-1)2 }は重み係数である。
【００３９】
そして、帯域k=0 における上記帯域別差tmp が算出されると、有意値計算部２７はステップ３ｄでこの帯域別差tmp をしきい値「１」と比較し、帯域別差tmp がしきい値「１」を越えていると、音声である可能性があると判断してステップ３ｅ及びステップ３ｇを経てステップ３ｉに移行し、ここで連続数flag＝１に設定する。そして、ステップ３ｋで帯域番号k をインクリメントしてk=1 としたのち、ステップ３ｃに戻って今度は帯域k=1 について同様の処理を実行する。
【００４０】
さて、この帯域k=1 においても、前記帯域k=0 に続き帯域別差tmp がしきい値「１」を越えたとする。そうすると有意値計算部２７は、既にflag＝１であるためステップ３ｅからステップ３ｆに移行して、ここで
y ＝y ＋suby(m,k-1)
なる演算を行う。すなわち、前記帯域k=0 におけるsuby(m,k-1)を有意値y とする。そして、連続数flag＝２としたのち、ステップ３ｇを経てステップ３ｈに移行し、ここで
y ＝y ＋suby(m,k)
なる演算を行い、これにより前記帯域k=0 におけるsuby(m,k-1)に、今回の帯域k=1 で求めたsuby(m,k)を加算する。そして、ステップ３ｋで帯域番号k をさらにインクリメントしてk=2 としたのち、ステップ３ｃに戻って帯域k=2 についての処理を実行する。
【００４１】
以後同様に、隣接する帯域k=2 ，k=3，k=4 ，…の帯域別差tmp がしきい値「１」を越えるごとに、その帯域のsuby(m,k)が一つ前の帯域までに得られた有意値y に順次加算され、これにより帯域別差tmp の重み付け加算値y が求められる。
【００４２】
なお、いずれかの帯域k=i において、帯域別差tmp がしきい値「１」以下になると、有意値計算部２７はステップ３ｄからステップ３ｊに移行してここでflagを０にリセットする。
【００４３】
そうして、１フレームを構成する１６個すべての帯域k=0〜k=15についての処理が終了すると、有意値計算部２７はステップ３ｍからステップ３ｎに移行して、ここで上記有意値y と、各帯域ごとに算出した重み付け後の帯域別差suby(m,k)(k=0,1,…,15)をそれぞれ出力する。
【００４４】
かくして、各フレームごとに、しきい値が「１」を越える連続する複数の帯域の帯域別差tmp の重み付け加算値y が求められ、この重み付け加算値y が後述する音声重み計算部２８における音声重みの計算、つまりそのフレームが音声フレームであるか雑音フレームであるか、さらにはその中間の過渡域フレームであるかの判定に供される。すなわち、ただ１つの帯域のみで帯域別差tmp がしきい値「１」を越えた場合には、これは雑音と見なされて排除され、上記音声重み計算部２８における音声／雑音／過渡域の判定には供されない。
【００４５】
上記有意値計算部２７から重み付け加算値y が供給されると、音声重み計算部２８では雑音抑圧ゲインの決定に用いる音声重みspの計算が行われる。音声重みspは、１フレーム中に音声が含まれる度合いを０≦sp≦６の範囲で表す数値であり、前記重み付け加算値y から計算される。なお、sp＝０は雑音区間、sp＝６は音声区間を表す。
【００４６】
図４は、この音声重み計算部２８における音声重みspの計算手順とその処理内容を示すフローチャートである。
音声重み計算部２８は、先ずステップ４ａでフレーム番号ｍを０にリセットしたのち、ステップ４ｂでグループ番号ｍをインクリメントする。次に、ステップ４ｃで上記重み付け加算値y を任意のしきい値「１３」と比較し、y ＜１３であれば雑音フレームと判断してステップ４ｄに移行し、ここで音声重みspを
sp(m)＝sp(m-1)−0.5
に設定する。一方、y ≧１３だった場合には、ステップ４ｅに移行してここで
z ＝(y−13)*1.5+1
を計算する。すなわち、y をもとに音声重みz を１〜６の範囲で仮に設定する。
【００４７】
続いて音声重み計算部２８は、ステップ４ｆにおいてsp(m-1)≦0.5を判定する。すなわち、１フレーム前の音声重みsp(m-1)が雑音フレームだったかどうかを判定する。そして、雑音フレームだった場合にはステップ４ｇに移行し、ここで現フレームの音声重みsp(m) を上記z に設定する。これに対し、１フレーム前の音声重みsp(m-1)が雑音フレームではなかった場合には、ステップ４ｈに移行してここでz ＞sp(m-1)＋0.5を判定し、z ＞sp(m-1)＋0.5であればステップ４ｉで現フレームの音声重みsp(m) をsp(m-1)＋0.5に設定する。一方、z ＞sp(m-1)＋0.5でなければ、ステップ４ｊに移行してここでz ＞sp(m-1)−0.5を判定し、z ＞sp(m-1)−0.5であればステップ４ｋで現フレームの音声重みsp(m) をsp(m-1)−0.5に設定する。また、z ＞sp(m-1)−0.5でもない場合には、ステップ４ｍに移行してここで現フレームの音声重みをsp(m) ＝MIN(sp(m),6)又はsp(m) ＝MAX(sp(m),0)に設定する。
【００４８】
すなわち、上記ステップ４ｆからステップ４ｍにおいて、現フレームで算出した仮の音声重みz が、１つ前のフレームで設定した音声重みsp(m-1) を考慮して補正される。したがって、このように求めた音声重みsp(m) を使用することで、フレーム間の連続性を考慮した音声／雑音／過渡域の判定が可能となる。
【００４９】
上記音声重み計算部２８により求められた音声重みsp(m) は、ステップ４ｎにおいて出力され、雑音最小値推定部２９及び帯域別ゲイン決定部３３に入力される。
【００５０】
雑音最小値推定部２９は、上記音声重みがsp＝０となる１００フレームの期間ごとに、各帯域における雑音のリーク積分値noise_power(m,k)の最小値を調べる。そして、この最小値を次の１００フレームの期間において、雑音最小値noise_min(m,k)として使用する。またそれと共に、各帯域の雑音最小値の帯域間平均値min_allを求める。
【００５１】
図５及び図６は、この雑音最小値推定部２９において実行される最小値推定処理の手順と内容を示すフローチャートである。
同図において、雑音最小値推定部２９は先ずステップ５ａで、フレーム番号ｍをｍ＝０にリセットすると共に、フレームカウンタの値をｆc ＝９６に、雑音最小値をnoise_min(k)＝３６に、帯域をk ＝0,…,15にそれぞれ初期設定し、さらにnoise_min(k)_h(k)＝MAX(noise_power(m,2k)，noise_power(m,2k+1))，k=0,…,7に、雑音最小値の帯域間平均min_allを
【００５２】
次に雑音最小値推定部２９は、ステップ５ｂでフレーム番号ｍをインクリメントしたのち、ステップ５ｃで上記音声重みがsp＝０であるか否か、つまり雑音フレームであるか否かを判定する。そして、雑音フレームであれば、ステップ５ｂに戻ってフレーム番号ｍをインクリメントし、上記ステップ５ｃによる雑音フレームの判定を行う。すなわち、上記ステップ５ｂ及びステップ５ｃにより音声フレーム又は過渡域フレームの検出が行われる。
【００５３】
さて、音声フレーム又は過渡域フレームが検出されると、雑音最小値推定部２９はステップ５ｄに移行してここでフレームカウンタｆc をインクリメントすると共に、帯域k=0を選択する。そして、ステップ５ｅで
x ＝MAX(noise_power(m,2k)，noise_power(m,2k+1))
に設定したのち、ステップ５ｆに移行してnoise_min(k)_h(k)＞x であるか否か判定し、noise_min(k)_h(k)＞x であればステップ５ｇに移行してここで雑音最小値をnoise_min(k)_h(k)＝x に設定する。そして、ステップ５ｈに移行する。
【００５４】
これに対しnoise_min(k)_h(k)＞x でなければ、そのままステップ５ｈに移行して次の帯域k=1を選択し、帯域k=8に達するまでは上記ステップ５ｅ〜ステップ５ｇによる雑音最小値noise_min(k)_h(k)の設定処理を繰り返す。
【００５５】
そして、帯域k=8に達すると、雑音最小値推定部２９はステップ５ｊでフレームカウンタｆc が１００に達したか否かを判定する。そして、１００フレームに達するまではステップ５ｂに戻って次のフレームを選択し、この選択したフレームについて上記ステップ５ｃ〜ステップ５ｉによる処理を繰り返す。
【００５６】
一方、上記１００フレームに対する処理を終了すると、雑音最小値推定部２９は図６に示すステップ６ａに移行し、ここで雑音最小値の帯域間平均min_allを
【００５７】
またそれと共に、noise_min(0)及びnoise_min(1)をそれぞれ
noise_min(0)＝noise_min_h(0)
noise_min(1)＝0.75 noise_min_h(0)＋0.25 noise_min_h(1)
とすると共に、帯域をk=1とする。
【００５８】
さらに雑音最小値推定部２９は、ステップ６ｂに移行してここで、先に帯域k=0〜k=7について求めた８個の雑音最小値をもとに、残りの帯域k=8〜k=15について雑音最小値を
noise_min(2k)＝0.75 noise_min_h(k)＋0.25 noise_min_h(k-1)
noise_min(2k+1)＝0.75 noise_min_h(k)＋0.25 noise_min_h(k+1)
のように算出する。
【００５９】
そして、以上の演算が終了すると、雑音最小値推定部２９はステップ６ｄからステップ６ｅに移行し、ここで
noise_min(14)＝0.75 noise_min_h(7)＋0.25 noise_min_h(6)
noise_min(15)＝noise_min_h(7)
を算出する。
【００６０】
すなわち、雑音最小値推定部２９は、上記ステップ６ａ〜ステップ６ｅにおいて８個のmin_allをもとに16個のmin_allを補間している。
【００６１】
そうして16個のmin_allを算出すると、雑音最小値推定部２９はステップ６ｆにおいて、フレームカウンタｆc を０にリセットすると共に、雑音最小値をnoise_min_h(k)=36に、また帯域をk=0,…,7に設定し直す。そして、ステップ６ｇにおいて、先に算出した雑音最小値の帯域間平均値min_all、及び雑音最小値noise_min(m,k),k=0,…,15を出力したのち、ステップ５ｂに戻って次のフレームm=m+1について同様の雑音最小値及びその帯域間平均値の算出処理を繰り返す。
【００６２】
また、更新判定部３１および雑音リーク積分値更新部３２では、雑音のリーク積分値noise_power(m,k)の更新処理が行われる。すなわち、更新判定部３１は、y ＜１５のときに更新可、それ以外のときには更新不可とする。更新可のとき雑音リーク積分値更新部３２は、雑音パワーnoise_powerを例えば、
noise_power(m+1,k)＝noise_power(m,k)*0.9＋channel_power(m,k)*0.1, k=0,…,15
のように更新する。
【００６３】
帯域別ゲイン決定部３３は、前記帯域パワー計算部２６から出力された帯域パワーchannel_power(m,k)、雑音リーク積分値更新部３２から出力された雑音パワーnoise_power(m,k)、音声重み計算部２８から出力された音声重みsp(m,k)、及び雑音最小値推定部２９から出力された雑音最小値noise_min(m,k)をもとに、帯域別ゲインgain(m,k)を決定する。
【００６４】
先ず雑音リーク積分値noise_power(m,k)の帯域平均値noise_allを、
【００６５】
続いて、帯域パワーchannel_power(m,k)の帯域最低値min_band、及び雑音最小値noise_min(m,k)の帯域最大値max_bandをそれぞれ、
min_band=MIN (channel_power(m,k),k=2,…,11
max_band=MAX(noise_power(m,k),k=0,…,15)
により求める。
【００６６】
次に、帯域共通の調整値mdを
md=(noise_all−min_all)*(1−sp/6)＋(min_band−max_band)*sp/6
により決定する。この式によると、
sp=0すなわち雑音区間のとき、md=noise_all−min_all
sp=6すなわち音声区間のとき、md=min_band−max_band
となり、過渡域はこれらの中間の値をとることがわかる。
【００６７】
雑音フレームの場合、及び音声フレームの場合の周波数対パワー特性の一例を、それぞれ図７及び図８に示す。
雑音フレームでは、図７に示すように、帯域パワーは雑音最小値に近くなる。
雑音最小値に調整値を加えた値は、雑音最小値のスペクトル特性はそのままで平均値が雑音パワーの平均値noise_allに変更されたものとなる。
【００６８】
これに対し音声フレームの場合には、図８に示すように、雑音最小値に調整値を加えた値は、最小値のスペクトル特性はそのままで帯域の最大値が帯域パワーの最低値と一致するよう調整されることになる。
【００６９】
帯域別ゲインgain(m,k)は、帯域パワーchannel_power(m,k)と、雑音最小値noise_min(m,k)と、調整値とから次のように決定される。すなわち、帯域k において、
tmp=channel_power(m,k)−noise_min(m,k)−md−1.625
gain(m,k)={sqrt(1.4+0.49*tmp2)＋0.7*tmp−9.5}*2
をk=0,…,15についてそれぞれ独立に求める。
なお、Sp=0のときは雑音であるので、上記の計算式に依らずすべての帯域でゲインを定数に、例えばgain(m,k)=−20に設定してもよい。
【００７０】
そして、以上のように求められた帯域別ゲインgain(m,k)は、乗算器２３において帯域ごとに変換係数に乗算され、これによりノイズキャンセルがなされる。
そして、このノイズキャンセルされた各帯域ごとの変換係数は、ＩＦＦＴ２４において逆高速フーリエ変換されて時間軸上の信号フレームに戻されたのち、フレーム合成部２５においてフレーム合成されて音声符号化回路１６に供給される。
【００７１】
以上述べたようにこの実施形態によれば、雑音最小値推定回路２９において各帯域の雑音パワーの最小値を求め、この雑音最小値のスペクトル形状を帯域別ゲイン決定部３３による帯域別ゲインの決定に用いるようにしているため、例えば自動車の通過時のような雑音スペクトルの短期的な変化に影響されず、音声スペクトルを歪ませにくいノイズキャンセル処理を実現することができる。
【００７２】
またこの実施形態によれば、有意値計算部２７において、しきい値が「１」を越える連続する複数の帯域の帯域別差の重み付け加算値を求め、この重み付け加算値を音声重み計算部２８における音声重みの計算、つまりそのフレームが音声フレームであるか雑音フレームであるか、さらにはその中間の過渡域フレームであるかの判定に供している。このため、ただ１つの帯域のみで帯域別差がしきい値「１」を越えた場合には、これは雑音と見なして排除することができ、これにより音声／雑音／過渡域の判定を正確に行って、ノイズキャンセル性能を高めることができる。
【００７３】
なお、この発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、前記実施形態ではＴＤＭＡ方式を採用したディジタル携帯電話装置を例にとって説明したが、ＣＤＭＡ方式を採用したディジタル携帯電話装置にもこの発明は適用可能である。
【００７４】
その他、ノイズキャンセラ内の各機能部の処理手順と処理内容、及びこの処理を実現するための回路構成又は処理プログラム等についても、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。
【００７５】
【発明の効果】
以上詳述したようにこの発明によれば、周波数帯域ごとにその帯域パワーと上記雑音パワー推定手段により推定された帯域別雑音パワーとの差を求めて、これらの帯域別差を所定のしきい値と比較し、周波数順に配列された各帯域別差のうち隣接する複数の帯域の帯域別差がしきい値を超えると判定された場合にのみこれらの帯域別差の総和を求め、この帯域別差の重み付け加算値に基づいて音声区間か雑音区間かを判定するようにしたことによって、突発的な雑音を音声として誤検出しないようにして音声／雑音区間の判定精度を高め、これにより例えば雑音を抑圧する場合に効果的な抑圧を可能にした信号処理装置及び通信装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係わるノイズキャンセラを備えたディジタル携帯電話装置の一実施形態を示す回路ブロック図。
【図２】この発明に係わるノイズキャンセラの一実施形態を示す機能ブロック図。
【図３】図２に示したノイズキャンセラの有意値計算部における処理手順とその内容を示すフローチャート。
【図４】図２に示したノイズキャンセラの音声重み計算部における処理手順とその内容を示すフローチャート。
【図５】図２に示したノイズキャンセラの雑音最小値推定部における処理手順とその内容の前半部分を示すフローチャート。
【図６】図２に示したノイズキャンセラの雑音最小値推定部における処理手順とその内容の後半部分を示すフローチャート。
【図７】雑音区間における帯域パワーと雑音最小値及び調整後の雑音最小値との関係を示す図。
【図８】音声区間における帯域パワーと雑音最小値及び調整後の雑音最小値との関係を示す図。
【図９】従来のノイズキャンセラの構成の一例を示す図。
【符号の説明】
１…アンテナ
２…アンテナ共用器（ＤＵＰ）
３…受信回路（ＲＸ）
４…周波数シンセサイザ（ＳＹＮ）
５…送信回路（ＴＸ）
６…ディジタル復調器（ＤＥＭ）
７…ディジタル変調器（ＭＯＤ）
８…時分割多元接続回路（ＴＤＭＡ）
９…誤り訂正符号復号回路（ＣＨ−ＣＯＤ）
１０…音声復号回路（ＤＥＣ）
１１…Ｄ／Ａ変換器
１２…スピーカ
１３…マイクロホン
１４…Ａ／Ｄ変換器
１６…音声符号化回路（ＣＯＤ）
１７…ノイズキャンセラ
１８…制御回路
１９…操作パネル部
２１…フレーム分割部
２２…高速フーリエ変換部（ＦＦＴ）
２３…乗算部
２４…逆高速フーリエ変換部（ＩＦＦＴ）
２５…フレーム合成部
２６…帯域パワー計算部
２７…有意値計算部
２８…音声重み計算部
２９…雑音最小値推定部
３１…更新判定部
３２…雑音リーク積分値更新部
３３…帯域別ゲイン決定部
Claims (6)
- 一定時間長のフレームに分割されさらにこれらのフレームごとに複数の周波数帯域に分けられた信号を取り込み、当該周波数帯域ごとの信号のパワーを求め、この帯域パワーをもとに帯域別の雑音パワーを推定する雑音パワー推定手段と、
前記周波数帯域ごとにその帯域パワーと前記雑音パワー推定手段により推定された帯域別雑音パワーとの差を求め、これらの帯域別差を所定のしきい値と比較する比較手段と、
この比較手段により、周波数順に配列された前記各帯域別差のうち隣接する複数の帯域の帯域別差がしきい値を超えると判定された場合に、これらの帯域別差を所定の重み付けを行った上で加算する加算手段と、
この加算手段により得られた帯域別差の加算値に基づいて、前記入力信号について音声区間であるか雑音区間であるかを判定する判定手段と
を具備したことを特徴とする信号処理装置。 - 一定時間長のフレームに分割されさらにこれらのフレームごとに複数の周波数帯域に分けられた信号を取り込み、当該周波数帯域ごとの信号のパワーを求め、この帯域パワーをもとに帯域別の雑音パワーを推定する雑音パワー推定手段と、
前記周波数帯域ごとにその帯域パワーと前記雑音パワー推定手段により推定された帯域別雑音パワーとの差を求め、これらの帯域別差を所定のしきい値と比較する比較手段と、
この比較手段により、周波数順に配列された前記各帯域別差のうち隣接する複数の帯域の帯域別差がしきい値を超えると判定された場合に、これらの帯域別差を加算する加算手段と、
この加算手段により得られた帯域別差の加算値に基づいて、前記入力信号について音声区間であるか雑音区間であるかを判定する判定手段と
を具備したことを特徴とする信号処理装置。 - 前記加算手段は、各帯域別差に対し、周波数が高くなるに従い重みが小さくなるような重み付けを行うことを特徴とする請求項１記載の信号処理装置。
- 前記判定手段は、前記加算手段により得られた帯域別差の加算値に基づいて、前記入力信号について音声区間か、雑音区間か或いは両区間の中間領域である過渡区間かを判定することを特徴とする請求項１又は２記載の信号処理装置。
- 送話入力信号を音声符号化部で符号化して送信する通信装置において、
前記送話入力信号を一定時間長のフレームに分割すると共に、これらのフレームの信号をそれぞれ複数の周波数帯域に分け、これらの周波数帯域ごとに雑音の抑圧処理を行うノイズキャンセラを具備し、
前記ノイズキャンセラは、
前記周波数帯域ごとに信号のパワーを求め、この帯域パワーをもとに帯域別の雑音パワーを推定する雑音パワー推定手段と、
前記周波数帯域ごとにその帯域パワーと前記雑音パワー推定手段により推定された帯域別雑音パワーとの差を求め、これらの帯域別差を所定のしきい値と比較する比較手段と、
この比較手段により、周波数順に配列された前記各帯域別差のうち隣接する複数の帯域の帯域別差がしきい値を超えると判定された場合に、これらの帯域別差を所定の重み付けを行ったのち加算する加算手段と、
この加算手段により得られた帯域別差の加算値に基づいて、前記入力信号について音声区間か雑音区間かの判定を行う判定手段と
を備えたことを特徴とする通信装置。 - 送話入力信号を音声符号化部で符号化して送信する通信装置において、
前記送話入力信号を一定時間長のフレームに分割すると共に、これらのフレームの信号をそれぞれ複数の周波数帯域に分け、これらの周波数帯域ごとに雑音の抑圧処理を行うノイズキャンセラを具備し、
前記ノイズキャンセラは、
前記周波数帯域ごとに信号のパワーを求め、この帯域パワーをもとに帯域別の雑音パワーを推定する雑音パワー推定手段と、
前記周波数帯域ごとにその帯域パワーと前記雑音パワー推定手段により推定された帯域別雑音パワーとの差を求め、これらの帯域別差を所定のしきい値と比較する比較手段と、
この比較手段により、周波数順に配列された前記各帯域別差のうち隣接する複数の帯域の帯域別差がしきい値を超えると判定された場合に、これらの帯域別差を加算する加算手段と、
この加算手段により得られた帯域別差の加算値に基づいて、前記入力信号について音声区間か雑音区間かの判定を行う判定手段と
を備えたことを特徴とする通信装置。
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