JP4833343B2 - エコー及びノイズキャンセレーション - Google Patents
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Description
本出願は、本出願と譲受人が共通であって本出願と同時に係属する特許文献1の恩恵を主張し、その開示内容全体をここに援用する。本出願は、本出願と譲受人が共通であって本出願と同時に係属する特許文献2の恩恵を主張し、その開示内容全体をここに援用する。本出願はまた、本出願と譲受人が共通であって本出願と同時に係属する特許文献3の恩恵を主張し、その開示内容全体をここに援用する。本出願はまた、本出願と譲受人が共通であって本出願と同時に係属する特許文献4の恩恵を主張し、その開示内容全体をここに援用する。本出願はまた、本出願と譲受人が共通であって本出願と同時に係属する特許文献5の恩恵を主張し、その開示内容全体をここに援用する。本出願はまた、本出願と譲受人が共通であって本出願と同時に係属する特許文献6の恩恵を主張し、その開示内容全体をここに援用する。本出願はまた、本出願と譲受人が共通であって本出願と同時に係属する特許文献7の恩恵を主張し、その開示内容全体をここに援用する。本出願はまた、本出願と譲受人が共通であって本出願と同時に係属する特許文献8の恩恵を主張し、その開示内容全体をここに援用する。本出願はまた、本出願と譲受人が共通であって本出願と同時に係属する特許文献9の恩恵を主張し、その開示内容全体をここに援用する。本出願はまた、本出願と譲受人が共通であって本出願と同時に係属する特許文献10の恩恵を主張し、その開示内容全体をここに援用する。
本発明は、音響信号処理に関し、とくに、音響信号処理におけるエコーおよびキャンセリングに関する。
前述の不利な点を克服するため、本発明の実施形態は、スピーカとマイクロフォンを有するシステムにおけるエコーキャンセレーション方法および装置に照準を合わせる。スピーカはスピーカ信号x(t)を受信する。マイクロフォンは、ローカル信号s(t)とエコー信号x1(t)を含むマイクロフォン信号d(t)を受け取る。エコー信号x1(t)は、スピーカ信号x(t)に依存する。マイクロフォン信号d(t)は、互いに相補的なエコーキャンセレーション特性を有する第1適応フィルタ、および第2適応フィルタによって、パラレルにフィルタリング処理される。最小エコー出力e3(t)は、第1適応フィルタからの出力e1(t)と、第2適応フィルタからの出力e2(t)か決定される。最小エコー出力のエネルギはより小さく、最小エコー出力とスピーカ信号x(t)との間の相関はより小さい。そして、マイクロフォン出力が、最小エコー出力e3(t)を用いて生成される。オプションとして、残差エコーキャンセレーション、かつ/または、ノイズキャンセレーションが、最小エコー出力に適用されてもよい。
以下の詳細な説明は、説明の目的のため、具体的な細部を含むが、本発明の範囲内において、後述の細部について多くの変形や変更が可能であることは、当該技術分野において通常の知識を有する者に理解されるところである。したがって、以下に記述される本発明の実施例の説明により、特許請求の範囲に記載されている発明が一般性を失うことなく、また、以下の説明は、特許請求の範囲に記載されている発明について制限を課すものではない。
y(t)=x(t)*h(n)
d(t)=y0(t)+s(t)
e(t)=d(t)−y(t)
ここで、y(t)は、エコーキャンセラフィルタによって合成されたエコーである。
x(t)は、ラウドスピーカにおいてプレイするエコーである。
h(n)は、エコーキャンセラフィルタの適応フィルタ関数である。
d(t)は、マイクロフォンが受けた雑音の多い信号である。
y0(t)は、マイクロフォンにおいて現れる、真のエコーである。
s(t)は、ローカル音声である。
そして、e(t)は、エコーキャンセラフィルタによって生成されたエコーキャンセル済み残差信号である。
(式1)
ここで”E”は、統計的期待値である。
式2に示す演算子は、相互相関演算を表す。
(式2)
離散的な関数fiとgiについて、相互相関は式3で定義される。
(式3)
ここで、和は適切な値の整数jについてとられており、アスタリスクは、複数共役を表す。連続関数f(x)とg(x)について、相互相関は式4で定義される。
(式4)
ここで積分は適切なtの値についてとられる。
(1)フィルタh(n)が安定であり、収束し、過大予測でも過小予測でもない場合には、0<=α<=0.1
(2)フィルタh(n)が安定ではあるが、過小予測されているときには(まだ収束していない)α>0.2
(3)フィルタh(n)が過大予測されているときは、α<−0.1
(4)フィルタh(n)が発散するときには、α<−0.25
これらの異なる状態について、異なるαの値の範囲が決定されうることは当業者には理解されるであろう。
E(k)=fft(e(t))
X(k)=fft(x(t))
H(k)=fft(h(n))
H(k)=H(k)+(μ*conj(X(k)).*E(k))/(Δ+X(k)*conj(X(k))
ここで、μはフィルタ適応ステップサイズであり、動的である。
conj(a)は、複素数aの複素共役を示す。
*は、複素乗算(complex multiplication)を示す。
そして、Δは、分母が数量的に不安定になるのを防ぐレギュレータ(regulator)である。
(式5)
(式6)
ここで、式7の演算子
(式7)
は、例えば、上で定義されたように演算子の両側の量について、その間の相互相関をとる演算を表現する。最小エコー出力e3(t)は、マイクロフォン104のフィルタリング処理された出力として用いられてもよい。
(式8)
典型的には、式9が成り立つ。
(式9)
しかしながら、式10が、ある閾値(例えば約0.2)未満であるときには、EC(2)が過度にフィルタリング処理することにより、ローカル信号s(t)が除去されている。
(式10)
このような状況において、インテグレータ106は、e1(t)を最小エコー出力e3(t)として選択してもよい。適応フィルタリング処理を安定させるために、ステップ212において、EC(2)のフィルタ係数wt2が、EC(1)のフィルタ係数wt1として設定されてもよい。そしてステップ215において、EC(2)は、0、または、以前のうまく適応したことが知られている状態に、再初期化されてもよい。例えば、フィルタ係数は、規則的な間隔で(例えば約10秒から20秒ごとに)保存されて、EC(2)が発散したときにこれを再初期化するために用いられてもよい。
(式11)
ここで、式11の値は、e3(t)が式12の相互相関の期待値を最小化するときに、真である。
(式12)
この最小化問題は、本質的に、適応により実現されるであろう。例えば、エコー残差予測部ER(1)が、初期状態においては単位フィルタ(すべて値”1”)であると仮定されたい。すべてのフレームにおいて、サーチサーフェス(search surphace)の接線方向(tangent direction)に向かうにつれて、第1残差エコー予測ER1(t)は、増加するかもしれない。これは、ニュートンソルバ(Newton solver)アルゴリズムによって実現されてもよい。第2残差エコー予測部ER(2)は、最小エコー出力e3(t)とスピーカ信号x(t)との間のエコー距離ミスマッチ(echo−distance mismatch)を含む第2残差エコー予測ER2(t)を決定するように構成されてもよい。図2Bのステップ224に示されるように、最小エコー出力e3(t)とスピーカ信号x(t)との間のエコー距離ミスマッチから、例えば、argmin(E{(e3(t))2/(x(t))2})を決定することにより、第2残差エコー予測ER2(t)が決定されてもよい。ここで、e3(t)が商(e3(t))2/(x(t))2の期待値を最小化するとき、argmin(E{(e3(t))2/(x(t))2})は真である。ここでも再び、最小化は、ニュートンソルバアルゴリズムを用いて実現されてもよい。
N(1)=‖ER(1)‖
N(2)=‖ER(2)‖
Claims (32)
- スピーカ信号x(t)を受け取るスピーカと、ローカル信号s(t)とエコー信号x1(t)とを含むマイクロフォン信号d(t)を受け取るマイクロフォンとを有するシステムにおけるエコーキャンセレーション方法であって、エコー信号x1(t)は、スピーカ信号x(t)に依存しており、
前記マイクロフォン信号d(t)を、第2適応フィルタに対して相補的なキャンセレーション特性を有する第1適応フィルタと、前記第2適応フィルタとで並行にフィルタリング処理するステップとを備え、
前記第1適応フィルタは、有限インパルス応答フィルタを含み、
前記第2適応フィルタは、可変フィルタを含み、
前記第1適応フィルタおよび前記第2適応フィルタは、係数を更新するための周波数領域正規化最小2乗適応フィルタを含み、
前記第1および第2適応フィルタのフィルタリング特性は、該第1および第2適応フィルタのうちの一方がその入力にうまく適応していないときに、他方はその入力にうまく適応するような特性であり、
前記第1および第2適応フィルタのうちの一方がうまく適応するのは、そのフィルタ関数h(n)が安定しており、真のエコーパスフィルタに収束し、過大予測も過小予測もされていないときであり、
本方法はさらに、
前記第1適応フィルタからの出力e1(t)と、前記第2適応フィルタからの出力e2(t)とから、前記スピーカ信号x(t)との相関がより小さい最小エコー出力e3(t)を決定するステップと、
前記最小エコー出力e3(t)を用いてマイクロフォン出力を生成するステップと、
を備える方法。 - 前記マイクロフォン信号d(t)を前記第1適応フィルタと前記第2適応フィルタとで並行にフィルタリング処理するステップは、
x(t)の強度が閾値を超えた場合に、前記第1適応フィルタのフィルタ係数の組を適応させるステップと、
前記第2適応フィルタで、e2(t)とx(t)の相互相関を解析するステップを含む請求項1に記載の方法。 - 前記最小エコー出力e3(t)を決定するステップは、前記第2適応フィルタが前記ローカル信号s(t)をフィルタリング処理により過度に除去していないか決定するステップと、
前記第2適応フィルタが前記ローカル信号s(t)をフィルタリング処理により過度に除去している場合に、前記第1適応フィルタの出力を前記最小エコー出力として用いるステップとを含む請求項2に記載の方法。 - 前記第2適応フィルタが前記ローカル信号s(t)をフィルタリング処理により過度に除去していないか決定するステップは、
前記第2適応フィルタの出力e2(t)と、前記スピーカ信号x(t)との間の相互相関をとるステップと、
前記第2適応フィルタの出力e2(t)と前記スピーカ信号x(t)との間の相互相関の期待値が所定の閾値未満であるか判定するステップと、
前記相互相関の期待値が前記閾値未満である場合に、前記第2適応フィルタが前記ローカル信号s(t)をフィルタリング処理により過度に除去していることを決定するステップとを含む請求項3に記載の方法。 - 前記第2適応フィルタが前記ローカル信号s(t)をフィルタリング処理により過度に除去している場合に、前記第2適応フィルタのフィルタ係数の組を前記第1エコーキャンセレーションフィルタのフィルタ係数の組で置き換えるステップをさらに含む請求項3に記載の方法。
- 前記最小エコー出力e3(t)を用いて前記マイクロフォン出力を生成するステップは、前記最小エコー出力e3(t)と前記スピーカ信号x(t)との間の相互相関の解析を含む第1残差予測ER1(t)を並行に決定するステップと、前記最小エコー出力e3(t)と前記スピーカ信号x(t)との間のエコー距離ミスマッチを含む第2残差予測ER2(t)を決定するステップとを含む請求項1に記載の方法。
- 前記相互相関解析は、e3(t)とx(t)との間の相互相関の期待値を計算するステップを含む請求項6に記載の方法。
- 前記エコー距離ミスマッチは、{e3 2(t)/x2(t)}の期待値を計算するステップを含む請求項6に記載の方法。
- 前記第1残差予測ER1(t)を決定するステップは、第1残差予測部ER(1)の2次ノルムN(1)を計算するステップを含み、
前記第2残差予測ER2(t)を決定するステップは、第2残差予測部ER(2)の2次ノルムN(2)を計算するステップを含み、
本方法はさらに、ダブルトークの間、e3(t)に、対応するノルムN(1)またはN(2)がより小さい前記エコー残差予測部ER(1)またはER(2)を適用するステップを含む請求項6に記載の方法。 - 前記第1残差予測ER1(t)を決定するステップは、第1残差予測部ER(1)の2次ノルムN(1)を計算するステップを含み、
前記第2残差予測ER2(t)を決定するステップは、第2残差予測部ER(2)の2次ノルムN(2)を計算するステップを含み、
本方法はさらに、シングルトークの間、e3(t)に、対応するノルムN(1)またはN(2)がより大きい前記エコー残差予測部ER(1)またはER(2)を適用するステップを含む請求項6に記載の方法。 - 前記最小エコー出力e3(t)を用いてマイクロフォン出力を生成するステップはさらに、最小残差エコー予測ER3(t)を決定するステップを含み、
前記最小残差エコー予測ER3(t)は、ER1(t)とER2(t)のうちの一で、エネルギが最小でありx(t)との相関が最小である請求項6に記載の方法。 - 前記最小エコー出力e3(t)からER3(t)を選択的に除去するステップをさらに含む請求項11に記載の方法。
- 前記マイクロフォン出力からER3(t)を選択的に除去するステップは、遠端通話のみの期間に、前記マイクロフォン出力からER3(t)を最大限に除去するステップを含む請求項12に記載の方法。
- 前記マイクロフォン出力からER3(t)を選択的に除去するステップは、前記ローカル信号s(t)の強度が0でないときに、前記マイクロフォン出力からER3(t)を最小限に除去するステップを含む請求項12に記載の方法。
- 前記マイクロフォン信号d(t)から予測ノイズ信号n’(t)を計算するステップと、
前記予測ノイズ信号n’(t)のレベルを低減させて、低減ノイズ信号n”(t)を形成するステップと、
前記マイクロフォン出力信号に、前記低減ノイズ信号n”(t)を組み込むステップとをさらに含む請求項1に記載の方法。 - スピーカとマイクロフォンを有するシステムにおいて用いられるエコーキャンセレーション装置であって、スピーカは、スピーカ信号x(t)を受けるように適合され、マイクロフォンは、ローカル信号s(t)とエコー信号x1(t)とを含むマイクロフォン信号d(t)を受け取るように適合され、エコー信号x1(t)は、スピーカ信号x(t)に依存しており、
本装置は、
前記スピーカと前記マイクロフォンに接続され、有限インパルス応答フィルタを含む第1適応フィルタと、
前記第1適応フィルタと並行に前記スピーカと前記マイクロフォンに接続され、可変フィルタを含む第2適応フィルタとを備え、
前記第1適応フィルタおよび前記第2適応フィルタは、係数を更新するための周波数領域正規化最小2乗適応フィルタを含み、
前記第2適応フィルタは、前記第1適応フィルタに対して相補的なエコーキャンセレーション特性を有し、
前記第1および第2適応フィルタのフィルタリング特性は、該第1および第2適応フィルタのうちの一方がその入力にうまく適応していないときに、他方はうまく適応するような特性であり、
前記第1および第2適応フィルタのうちの一方がうまく適応するのは、そのフィルタ関数h(n)が安定しており、真のエコーパスフィルタに収束し、過大予測も過小予測もされていないときであり、
本装置はさらに、
前記第1適応フィルタと前記第2適応フィルタに接続されたインテグレータとを備え、
前記インテグレータは、前記第1適応フィルタからの出力e1(t)と、前記第2適応フィルタからの出力e2(t)から、最小エコー出力e3(t)を決定するように構成されており、
前記最小エコー出力e3(t)と前記スピーカ信号x(t)との相関はより小さい装置。 - 前記インテグレータは、前記第2エコーキャンセレーションフィルタが前記ローカル信号s(t)をフィルタリング処理により過度に除去していないか決定するように構成され、前記第2適応フィルタが前記ローカル信号s(t)をフィルタリング処理により過度に除去している場合に、インテグレータは、最小エコー出力e3(t)として前記出力e1(t)を選択する請求項16に記載の装置。
- 前記第1適応フィルタは、音声アクティビティ検出フィルタである請求項16に記載の装置。
- 前記第2適応フィルタは、相互相関解析フィルタである請求項16に記載の装置。
- 前記インテグレータに接続された第1エコー残差予測部ER(1)と、
前記インテグレータに接続された第2エコー残差予測部ER(2)とをさらに備える請求項16に記載の装置。 - 前記第1エコー残差予測部ER(1)は、前記最小エコー出力e3(t)と前記スピーカ信号x(t)との相互相関の解析を含む第1残差予測ER1(t)を生成するように構成され、
前記第2エコー残差予測部ER(2)は、前記最小エコー出力e3(t)と前記スピーカ信号x(t)との間のエコー距離ミスマッチを含む第2残差予測ER2(t)を決定するように構成されている請求項20に記載の装置。 - 前記相互相関解析は、e3(t)とx(t)との相互相関の期待値の計算を含む請求項21に記載の装置。
- 前記エコー距離ミスマッチは、{e3 2(t)/x2(t)}の期待値の計算を含む請求項21に記載の装置。
- 前記第1および第2エコー残差予測部に接続された残差エコーキャンセレーションモジュールをさらに備える装置であって、
前記残差エコーキャンセレーションモジュールは、
第1残差予測部ER(1)の2次ノルムN(1)を計算し、第2残差予測ER(2)の2次ノルムN(2)を計算するように構成され、
前記残差エコーキャンセレーションモジュールは、ダブルトークの間、対応するノルムN(1)またはN(2)がより小さい前記エコー残差予測部ER(1)またはER(2)を、e3(t)に適用するように構成されている請求項21に記載の装置。 - 前記第1および第2エコー残差予測部に接続された残差エコーキャンセレーションモジュールをさらに備える装置であって、
前記残差エコーキャンセレーションモジュールは、
第1残差予測部ER(1)の2次ノルムN(1)を計算し、第2残差予測ER(2)の2次ノルムN(2)を計算するように構成され、
前記残差エコーキャンセレーションモジュールは、シングルトークの間、対応するノルムN(1)またはN(2)がより大きい前記エコー残差予測部ER(1)またはER(2)を、e3(t)に適用するように構成されている請求項21に記載の装置。 - 前記第1および第2エコー残差予測部に接続された残差エコーキャンセレーションモジュールをさらに備える装置であって、
前記残差エコーキャンセレーションモジュールは、最小残差エコー予測ER3(t)を決定するように構成されており、
前記最小残差エコー予測ER3(t)は、ER1(t)とER2(t)のうちの一で、エネルギが最小でありx(t)との相関が最小である請求項21に記載の装置。 - 前記残差エコーキャンセレーションモジュールは、前記最小エコー出力e3(t)からER3(t)を選択的に除去するように構成されている請求項26に記載の装置。
- 前記残差エコーキャンセレーションモジュールは、遠端通話のみの期間に、前記マイクロフォン出力からER3(t)を最大限に除去するように構成されている請求項27に記載の装置。
- 前記残差エコーキャンセレーションモジュールは、前記ローカル信号s(t)の強度が0でない場合に、前記マイクロフォン出力からER3(t)を最小限に除去するように構成されている請求項27に記載の装置。
- 前記マイクロフォンに接続されたノイズキャンセレーションモジュールをさらに備え、 前記ノイズキャンセレーションモジュールは、
マイクロフォン信号d(t)から予測ノイズ信号n’(t)を計算し、
予測ノイズ信号n’(t)レベルを減少させて、低減ノイズ信号n”(t)を形成し、
マイクロフォン出力信号に、その低減ノイズ信号n”(t)を取り入れるように構成されている請求項16に記載の装置。 - マイクロフォンと、
スピーカと、
前記マイクロフォンとスピーカとに接続されているプロセッサと、
前記プロセッサに接続されているメモリとを備える音響信号処理システムであって、
前記メモリは、
スピーカ信号x(t)を受け取るスピーカと、
ローカル信号s(t)と、前記スピーカ信号x(t)に依存するエコー信号x1(t)とを含むマイクロフォン信号d(t)を受け取るマイクロフォンを有するシステムにおけるエコーキャンセレーション方法を実装するためのプロセッサ可読命令の組を格納し、
前記プロセッサ可読命令は、
前記マイクロフォン信号d(t)を、第2適応フィルタに対して相補的なキャンセレーション特性を有する第1適応フィルタと、前記第2適応フィルタとで並行にフィルタリング処理するための命令を含み、
前記第1適応フィルタは、有限インパルス応答フィルタを含み、
前記第2適応フィルタは、可変フィルタを含み、
前記第1適応フィルタおよび前記第2適応フィルタは、係数を更新するための周波数領域正規化最小2乗適応フィルタを含み、
前記第1および第2適応フィルタのフィルタリング特性は、該第1および第2適応フィルタのうちの一方がその入力にうまく適応していないときに、他方はうまく適応するような特性であり、
前記第1および第2適応フィルタのうちの一方がうまく適応するのは、そのフィルタ関数h(n)が安定しており、真のエコーパスフィルタに収束し、過大予測も過小予測もされていないときであり、
前記プロセッサ可読命令はさらに、
前記第1適応フィルタからの出力e1(t)と前記第2適応フィルタからの出力e2(t)から、スピーカ信号x(t)との相関がより少ない最小エコー出力e3(t)を決定するための命令と、
前記最小エコー出力e3(t)を用いて、マイクロフォン出力を生成するための命令と、
を含む音響信号処理システム。 - プロセッサに接続されているメモリを備えるプロセッサ可読媒体であって、
前記メモリは、
スピーカ信号x(t)を受け取るスピーカと、
ローカル信号s(t)と、スピーカ信号x(t)に依存するエコー信号x1(t)とを含むマイクロフォン信号d(t)を受け取るマイクロフォンを有するシステムにおけるエコーキャンセレーション方法を実装するためのプロセッサ可読命令の組を格納し、
前記プロセッサ可読命令は、
前記マイクロフォン信号d(t)を、第2適応フィルタに対して相補的なキャンセレーション特性を有する第1適応フィルタと、前記第2適応フィルタとで並行にフィルタリング処理するための命令を含み、
前記第1適応フィルタは、有限インパルス応答フィルタを含み、
前記第2適応フィルタは、可変フィルタを含み、
前記第1適応フィルタおよび前記第2適応フィルタは、係数を更新するための周波数領域正規化最小2乗適応フィルタを含み、
前記第1および第2適応フィルタのフィルタリング特性は、該第1および第2適応フィルタのうちの一方がその入力にうまく適応していないときに、他方はうまく適応するような特性であり、
前記第1および第2適応フィルタのうちの一方がうまく適応するのは、そのフィルタ関数h(n)が安定しており、真のエコーパスフィルタに収束し、過大予測も過小予測もされていないときであり、
前記プロセッサ可読命令はさらに、
前記第1適応フィルタからの出力e1(t)と前記第2適応フィルタからの出力e2(t)から、スピーカ信号x(t)との相関がより小さい最小エコー出力e3(t)を決定するための命令と、
前記最小エコー出力e3(t)を用いてマイクロフォン出力を生成するための命令と、
を含む媒体。
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