JP5056654B2 - 雑音抑制装置、及び雑音抑制方法 - Google Patents

Description

本発明は、雑音が混入した信号から雑音成分を抑制する技術に関する。

雑音が混入した信号から雑音成分を抑制する手法として、周波数領域でスペクトル操作を行うスペクトル・サブトラクション法がよく知られている。スペクトル・サブトラクション法は、音声の含まれない時間である雑音区間において雑音スペクトルを推定し、その雑音成分を入力信号から減算することを基本原理とする雑音抑制法である。

下記特許文献１には、図７に示すような、スペクトル・サブトラクション法を用いた雑音抑制装置が記載されている。

この雑音抑制装置は、雑音が混入した入力信号をＦＦＴ(Fast Fourier Transform)やＭＤＣＴ(Modified Discrete Cosine Transform)等によって周波数スペクトルに変換する周波数変換部１と、電界強度レベルに応じた雑音スペクトルのパターンを記憶し、入力される信号強度レベルに従って雑音スペクトルを推定する雑音推定部２を有している。

入力信号の周波数スペクトルと推定された雑音スペクトルは、抑圧関数算出部３に与えられ、雑音成分を抑圧するための雑音抑圧関数が算出されて抑圧関数補正部４に出力されるようになっている。雑音抑圧関数は、抑圧関数補正部４で入力信号スペクトルの信号成分と雑音成分毎に補正され、雑音抑制部５に与えられる。

雑音抑制部５は、周波数変換部１から与えられる入力信号の周波数スペクトルに、補正された雑音抑圧関数を乗算することによって雑音成分を抑制する。雑音成分が抑制された周波数スペクトルは、周波数逆変換部６によって時系列信号に逆変換され、出力信号が得られる。

ここで、抑圧関数補正部４は、図８に示すように、信号成分判定部４ａ、信号成分強調部４ｂ、及び振幅調整部４ｃで構成されている。信号成分判定部４ａは、雑音抑圧関数の値を信号成分判定閾値と比較して、信号成分であるか雑音成分であるかを判定する。信号成分強調部４ｂは、信号成分と判定された信号を、信号成分強調ゲインだけ強調する。そして、振幅調整部４ｃで、入力信号スペクトル全体のレベル調整を行う。

この雑音抑制装置では、このような抑圧関数補正部４を設けることで、入力信号中の信号成分が強調されると共に、背景雑音が相対的に抑圧され、雑音抑制ができるとされている。
特開２００７−２７８９７号公報

しかしながら、特許文献１の雑音抑制装置では、次のような問題点があった。
・入力信号の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）が悪い場合、目的信号と雑音の判別が難しく、この判別に誤りが多くなると、雑音低減効果が極端に低減する。

・信号成分レベルを持ち上げた後、全体のゲインを補正するという、抑圧関数補正部４で行っている方法では、入力信号スペクトルにおける「谷」の部分（スペクトル成分が極端に小さい部分）が考慮されていない。このため、スペクトル・サブトラクション等のスペクトル操作処理で雑音を取り去った後の信号に、ミュージカル・ノイズが発生するという問題がある。

ミュージカル・ノイズとは、「キュルキュル」というような楽音的な雑音である。ミュージカル・ノイズは、スペクトル操作処理によって引き去れなかったり、引き過ぎてしまったりした雑音スペクトル成分の影響で、スペクトル操作処理後の信号に孤立したトーンの「島」が発生することが原因となる。トーンの島の周波数が、処理フレーム単位で次々と切り替わることにより、「キュルキュル」という耳障りな音として知覚される。

・雑音レベルの推定を、音声等の信号成分も含む信号強度に基づいて行っているため、入力信号に含まれる信号成分の割合によって、雑音レベルの推定結果が異なる。このため、雑音抑圧効果や、ミュージカル・ノイズ抑制効果にばらつきが生じる。

本発明は、Ｓ／Ｎの悪い入力信号であっても、スペクトル・サブトラクション法を用いて、雑音成分とミュージカル・ノイズを安定して抑制することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係る雑音抑制装置は、入力信号を一定周期毎に周波数領域に変換した入力信号スペクトルから雑音信号パワースペクトルを推定する雑音パワースペクトル推定部と、前記入力信号スペクトル及び前記雑音信号パワースペクトルから音声信号パワースペクトルを推定する音声信号パワースペクトル推定部と、前記雑音信号パワースペクトルに基づいて圧縮雑音レベルを作成し、作成した前記圧縮雑音レベルと前記音声信号パワースペクトルの各周波数におけるスペクトルが音声信号のスペクトルか残留雑音のスペクトルかを判定するための信号成分判定閾値とを出力する圧縮閾値作成部と、前記音声信号パワースペクトルの各周波数におけるスペクトルのうちで、前記圧縮雑音レベルより低いレベルのスペクトルではレベル上昇させ、前記圧縮雑音レベルより高く、前記信号成分判定閾値より低いレベルのスペクトルではレベル低下させ、前記信号成分判定閾値以上のレベルのスペクトルではレベル変更せずに、圧縮音声信号パワースペクトルを生成するスペクトル圧縮部とを有するミュージカル・ノイズ抑制部と、前記圧縮音声信号パワースペクトルと前記雑音信号パワースペクトルとに基づいて雑音減衰係数を生成する雑音減衰係数作成部と、前記入力信号スペクトルに前記雑音減衰係数を乗算して出力信号スペクトルを生成する雑音抑制部と、前記出力信号スペクトルを時間領域の出力信号に変換する周波数逆変換部とを備えることを特徴とする。

また、前記雑音信号パワースペクトルの各周波数におけるスペクトルのレベルの平均値である平均雑音レベルを算出し、算出した前記平均雑音レベルを出力する雑音レベル算出部を備え、前記スペクトル圧縮部は、前記平均雑音レベルと前記信号成分判定閾値とに基づいて、前記レベル上昇または前記レベル低下の程度を調整することができる。

上記目的を達成するために、本発明の第２の観点に係る雑音抑制装置は、入力信号を一定周期毎に周波数領域に変換した入力信号スペクトルから雑音信号パワースペクトルを推定する雑音パワースペクトル推定部と、前記入力信号スペクトル及び前記雑音信号パワースペクトルから音声信号パワースペクトルを推定する音声信号パワースペクトル推定部と、前記音声信号パワースペクトルの各周波数におけるスペクトルのうちで、前記雑音信号パワースペクトルの各周波数におけるスペクトルのレベルの平均値である平均雑音レベル以下のスペクトルのレベル変動を一定幅以内に圧縮し、圧縮音声信号パワースペクトルを生成するミュージカル・ノイズ抑制部と、前記圧縮音声信号パワースペクトルと前記雑音信号パワースペクトルとに基づいて雑音減衰係数を生成する雑音減衰係数作成部と、前記入力信号スペクトルに前記雑音減衰係数を乗算して出力信号スペクトルを生成する雑音抑制部と、前記出力信号スペクトルを時間領域の出力信号に変換する周波数逆変換部とを、備え、前記ミュージカル・ノイズ抑制部は、前記平均雑音レベルを算出して、算出した平均雑音レベルを出力する雑音レベル算出部と、前記音声信号パワースペクトルの各周波数におけるスペクトルが音声信号のスペクトルか残留雑音のスペクトルかを判定するための信号成分判定閾値と、前記平均雑音レベルを予め設定された圧縮率で圧縮した圧縮雑音レベルを出力する圧縮閾値作成部と、前記平均雑音レベルと、前記信号成分判定閾値と、前記圧縮雑音レベルとに基づいて、前記音声信号パワースペクトルを圧縮して出力するためのスペクトル圧縮曲線を生成する圧縮曲線作成部と、前記スペクトル圧縮曲線に従って前記音声信号パワースペクトルを圧縮し、圧縮音声信号パワースペクトルを生成するスペクトル圧縮部とを、有することを特徴とする。

また、前記スペクトル圧縮曲線は、前記音声信号パワースペクトルのレベルに応じて、０〜圧縮雑音レベル、圧縮雑音レベル〜平均雑音レベル、平均雑音レベル〜信号成分判定閾値、及び信号成分判定閾値以上の、４つの区間に区分された折れ線または曲線で表すことができる。

また、前記スペクトル圧縮部は、前記音声信号パワースペクトルの各周波数におけるスペクトルのうちで、前記スペクトルのレベルが、０から前記圧縮雑音レベルまでの間にあるときは、該圧縮雑音レベルを最大値として該スペクトルのレベルを上昇させて出力し、前記スペクトルのレベルが、前記圧縮雑音レベルから前記平均雑音レベルまでの間にあるときは、該圧縮雑音レベルを最小値として該スペクトルのレベルを予め設定した雑音レベルの上限値まで低下させて出力し、前記スペクトルのレベルが、前記平均雑音レベルから前記信号成分判定閾値までの間にあるときは、該スペクトルのレベルが前記設定した雑音レベルから該信号成分判定閾値の間でスムーズに上昇するように変換して出力し、前記スペクトルのレベルが、前記信号成分判定閾値以上のときには、該スペクトルのレベルを変えずに出力するように構成することができる。
更に、前記雑音パワースペクトル推定部は、順次与えられる前記入力信号スペクトルのレベル差に応じた重み関数を用いて該入力信号スペクトルを平均化することによって、前記雑音信号パワースペクトルを算出することができる。

上記目的を達成するために、本発明の第３の観点に係る雑音抑制方法は、入力信号を一定周期毎に周波数領域に変換した入力信号スペクトルから雑音信号パワースペクトルを推定する雑音パワースペクトル推定処理と、前記入力信号スペクトル及び前記雑音信号パワースペクトルから音声信号パワースペクトルを推定する音声信号パワースペクトル推定処理と、前記雑音信号パワースペクトルに基づいて圧縮雑音レベルを作成し、作成した前記圧縮雑音レベルと前記音声信号パワースペクトルの各周波数におけるスペクトルが音声信号のスペクトルか残留雑音のスペクトルかを判定するための信号成分判定閾値とを出力する圧縮閾値作成処理と、前記音声信号パワースペクトルの各周波数におけるスペクトルのうちで、前記圧縮雑音レベルより低いレベルのスペクトルではレベル上昇させ、前記圧縮雑音レベルより高く、前記信号成分判定閾値より低いレベルのスペクトルではレベル低下させ、前記信号成分判定閾値以上のレベルのスペクトルではレベル変更せずに、圧縮音声信号パワースペクトルを生成するスペクトル圧縮処理とを順次行うミュージカル・ノイズ抑制処理と、前記圧縮音声信号パワースペクトルと前記雑音信号パワースペクトルとに基づいて雑音減衰係数を生成する雑音減衰係数作成処理と、前記入力信号スペクトルに前記雑音減衰係数を乗算して出力信号スペクトルを生成する雑音抑制処理と、前記出力信号スペクトルを時間領域の出力信号に変換する周波数逆変換処理とを、順次行うことを特徴とする。

上記目的を達成するために、本発明の第４の観点に係る雑音抑制方法は、入力信号を一定周期毎に周波数領域に変換した入力信号スペクトルから雑音信号パワースペクトルを推定する雑音パワースペクトル推定処理と、前記入力信号スペクトル及び前記雑音信号パワースペクトルから音声信号パワースペクトルを推定する音声信号パワースペクトル推定処理と、前記音声信号パワースペクトルの各周波数におけるスペクトルのうちで、前記雑音信号パワースペクトルの各周波数におけるスペクトルのレベルの平均値である平均雑音レベル以下のスペクトルのレベル変動を一定幅以内に圧縮し、圧縮音声信号パワースペクトルを生成するミュージカル・ノイズ抑制処理と、前記圧縮音声信号パワースペクトルと前記雑音信号パワースペクトルとに基づいて雑音減衰係数を生成する雑音減衰係数作成処理と、前記入力信号スペクトルに前記雑音減衰係数を乗算して出力信号スペクトルを生成する雑音抑制処理と、前記出力信号スペクトルを時間領域の出力信号に変換する周波数逆変換処理とを、順次行い、前記ミュージカル・ノイズ抑制処理では、前記平均雑音レベルを算出して、算出した平均雑音レベルを出力する雑音レベル算出処理と、前記音声信号パワースペクトルの各周波数におけるスペクトルが音声信号のスペクトルか残留雑音のスペクトルかを判定するための信号成分判定閾値と、前記平均雑音レベルを予め設定された圧縮率で圧縮した圧縮雑音レベルを出力する圧縮閾値作成処理と、前記平均雑音レベルと、前記信号成分判定閾値と、前記圧縮雑音レベルとに基づいて、前記音声信号パワースペクトルを圧縮して出力するためのスペクトル圧縮曲線を生成する圧縮曲線作成処理と、前記スペクトル圧縮曲線に従って前記音声信号パワースペクトルを圧縮し、圧縮音声信号パワースペクトルを生成するスペクトル圧縮処理とを、順次行うことを特徴とする。

本発明によれば、周波数領域に変換された入力信号スペクトルから推定された音声信号パワースペクトルと雑音信号パワースペクトルに基づいて、この音声信号パワースペクトルにおける平均雑音レベル以下のスペクトルのレベル変動を一定幅以内に圧縮し、圧縮音声信号パワースペクトルを生成する。更に、生成した圧縮音声信号パワースペクトルと雑音信号パワースペクトルに基づいて雑音減衰係数を生成し、入力信号スペクトルにこの雑音減衰係数を乗算して出力信号スペクトルを生成している。これにより、ミュージカル・ノイズの原因となる平均雑音レベル以下の入力信号スペクトルのレベル変動が圧縮され、雑音成分とミュージカル・ノイズを安定して抑制することができる。

以下、図面に基づき、本発明の実施形態について詳細に説明する。
本実施形態の雑音抑制装置は、図１に示すように、アナログの入力信号ＩＮを周期的にサンプリングし、ディジタル信号ｘ（ｎ）に変換して出力するアナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換部１１を有している。Ａ／Ｄ変換部１１の出力側には、周波数変換部１２が接続されている。

周波数変換部１２は、Ａ／Ｄ変換部１１から出力されるディジタル信号ｘ（ｎ）を一定期間毎にまとめてフレーム化し、各フレームに対して高速フーリエ変換等の周波数変換操作を実行するものである。これにより、ディジタル信号ｘ（ｎ）は、時間領域から周波数領域の入力信号スペクトルＸｎ（ω）に変換され、周波数変換部１２から出力されるようになっている。周波数変換部１２の出力側には、雑音パワースペクトル推定部１３と音声信号パワースペクトル推定部１４が接続されている。

雑音パワースペクトル推定部１３は、入力信号スペクトルＸｎ（ω）に基づいて、雑音信号のパワースペクトルを推定するものである。雑音信号パワースペクトル｜Wｎ（ω）｜^２は、入力信号スペクトルＸｎ（ω）から入力信号パワースペクトル｜Ｘｎ（ω）｜^２を算出し、これを時間方向に平均化することで得ることができる。

このとき、音声信号等を含まず、時間変動の少ない定常的な雑音成分のみのパワースペクトルを得るために、入力信号のパワースペクトルに対して重み関数を適用する必要がある。この重み関数は、連続して入力されるフレーム間の差分に基づいて求めることができる。

即ち、フレーム間の差分が大きいときは、音声信号等が存在する可能性が高いので、重み関数を小さくする。一方、フレーム間の差分が小さいときは、音声信号等が存在しない可能性が高いので、重み関数を大きくする。これにより、フレーム間の差分が大きなスペクトル成分は、音声信号等の重要な成分であると見なして、雑音信号パワースペクトルの推定値への影響を少なくすることができる。

音声信号パワースペクトル推定部１４は、入力信号パワースペクトル｜Ｘｎ（ω）｜^２と雑音信号パワースペクトル｜Wｎ（ω）｜^２から、音声信号パワースペクトルの推定値を算出するものである。音声信号パワースペクトル｜Ｓｎ（ω）｜^２は、次式によって求められる。
｜Ｓｎ（ω）｜^２＝｜Ｘｎ（ω）｜^２−｜Wｎ（ω）｜^２

但し、入力信号ＩＮには不規則性の雑音が含まれているので、音声信号スペクトルの推定値Ｓｎ（ω）は、純粋な音声信号のみを含むものではなく、少なからず残留雑音成分を含んでいる。残留雑音成分は、入力信号ＩＮのＳ／Ｎが悪化するにつれ、より多く含まれることになる。この残留雑音成分が、ミュージカル・ノイズの原因となる。

雑音パワースペクトル推定部１３と音声信号パワースペクトル推定部１４の出力側には、ミュージカル・ノイズ抑制部１５が接続されている。

ミュージカル・ノイズ抑制部１５は、音声信号パワースペクトルと雑音信号パワースペクトルの推定値に基づいて、ミュージカル・ノイズ発生の原因となるスペクトルの凹凸を抑制し、圧縮音声信号パワースペクトル｜ＳＳｎ（ω）｜^２を生成するものである。なお、ミュージカル・ノイズ抑制部１５の詳細は、後述する。ミュージカル・ノイズ抑制部１５の出力側には、雑音減衰係数作成部１６が接続されている。

雑音減衰係数作成部１６は、ミュージカル・ノイズ抑制部１５で生成された圧縮音声信号パワースペクトル｜ＳＳｎ（ω）｜^２と、雑音パワースペクトル推定部１３で推定された雑音信号パワースペクトル｜Wｎ（ω）｜^２に基づいて、雑音減衰係数Ｈｎ（ω）を生成するものである。この雑音減衰係数Ｈｎ（ω）は、次式で算出され、フィルタの伝達関数として、雑音抑圧部１７へ与えられるようになっている。
Ｈｎ（ω）＝｜ＳＳｎ（ω）｜^２／｛｜ＳＳｎ（ω）｜^２＋｜Wｎ（ω）｜^２｝

雑音抑圧部１７は、雑音減衰係数作成部１６から与えられる雑音減衰係数Ｈｎ（ω）を、周波数変換部１２から出力される入力信号スペクトルＸｎ（ω）に掛け合わせることにより、出力信号スペクトルＹｎ（ω）を生成するものである。出力信号スペクトルＹｎ（ω）は、次式で表される。
Ｙｎ（ω）＝Ｈｎ（ω）Ｘｎ（ω）

雑音抑圧部１７の出力側には、周波数逆変換部１８が接続されている。
周波数逆変換部１８は、周波数領域の信号である出力信号スペクトルＹｎ（ω）に逆フーリエ変換を施し、時間領域の出力サンプル信号ｙ（ｎ）を生成してディジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換部１９に出力するものである。

Ｄ／Ａ変換部１９は、ディジタル信号である出力サンプル信号ｙ（ｎ）をアナログの出力信号ＯＵＴに変換して出力するものである。

前述したミュージカル・ノイズ抑制部１５は、図２に示すように、雑音レベル算出部１５ａ、圧縮閾値作成部１５ｂ、圧縮曲線作成部１５ｃ、及びスペクトル圧縮部１５ｄで構成されている。

雑音レベル算出部１５ａは、雑音パワースペクトル推定部１３から与えられる雑音信号パワースペクトル｜Wｎ（ω）｜^２の１フレーム毎に、その平均値を算出し、平均雑音レベルとして出力するものである。

圧縮閾値作成部１５ｂは、音声信号パワースペクトル推定部１４から出力される音声信号パワースペクトル｜Ｓｎ（ω）｜^２が、純粋に音声信号と見なせるか、残留雑音と見なせるかを判定するための閾値を生成するものである。圧縮閾値作成部１５ｂでは、この値を雑音レベル算出部１５ａで算出された平均雑音レベルに乗算し、信号成分判定閾値として出力する。

更に、圧縮閾値作成部１５ｂでは、雑音レベル算出部１５ａで算出された平均雑音レベルを、予め設定された圧縮率に従って圧縮し、圧縮雑音レベルとして出力するようになっている。なお、圧縮率は、圧縮によって平均雑音レベルを何割低下させるかを指定するパラメータである。

圧縮曲線作成部１５ｃは、圧縮閾値作成部１５ｂで算出された平均雑音レベル、信号成分判定閾値、及び圧縮雑音レベルに基づいて、入出力のレベル変換を行うためのスペクトル圧縮曲線を作成するものである。スペクトル圧縮曲線は、音声信号パワースペクトル｜Ｓｎ（ω）｜^２の入力レベルに応じて、０〜圧縮雑音レベル、圧縮雑音レベル〜平均雑音レベル、平均雑音レベル〜信号成分判定閾値、及び信号成分判定閾値以上の、４区間に区分されている。

スペクトル圧縮部１５ｄは、圧縮曲線作成部１５ｃで作成されたスペクトル圧縮曲線を用いて音声信号パワースペクトル｜Ｓｎ（ω）｜^２を圧縮し、圧縮音声信号パワースペクトル｜ＳＳｎ（ω）｜^２を生成するものである。

次に、図１及び図２の雑音抑制装置の動作を説明する。
音声信号に雑音が重畳されたアナログの入力信号ＩＮが、Ａ／Ｄ変換部１１に入力されると、この入力信号ＩＮは、例えば１２ｋＨｚのクロック信号に従って一定周期でサンプリングされる。サンプリングされた入力信号ＩＮは、例えば１６ビットのディジタル信号ｘ（ｎ）に変換され、周波数変換部１２に与えられる。

周波数変換部１２において、ディジタル信号ｘ（ｎ）は一定期間（例えば、約２１ミリ秒）毎にフレーム化され、各フレームに対して高速フーリエ変換等の周波数変換操作が施される。これにより、ディジタル信号ｘ（ｎ）は、周波数領域の入力信号スペクトルＸｎ（ω）に変換され、雑音パワースペクトル推定部１３と音声信号パワースペクトル推定部１４に与えられる。

雑音パワースペクトル推定部１３において、入力信号スペクトルＸｎ（ω）から入力信号パワースペクトル｜Ｘｎ（ω）｜^２が算出され、これを時間方向に重み付けをして平均化することにより、雑音信号パワースペクトル｜Wｎ（ω）｜^２が算出される。この平均化に用いる重み関数は、連続して入力されるフレーム間の差分に基づいて決められる。

即ち、フレーム間の差分が大きいときは、音声信号等が存在する可能性が高いので、重み関数を小さくし、フレーム間の差分が小さいときは、音声信号等が存在しない可能性が高いので、重み関数を大きくする。これにより、音声信号等を含まず、時間変動の少ない定常的な雑音成分のみのパワースペクトルに近い値を得ることができる。

音声信号パワースペクトル推定部１４では、入力信号スペクトルＸｎ（ω）に基づいて算出した入力信号パワースペクトル｜Ｘｎ（ω）｜^２から、雑音パワースペクトル推定部１３から出力される雑音信号パワースペクトル｜Wｎ（ω）｜^２を差し引くことで、音声信号パワースペクトル｜Ｓｎ（ω）｜^２が算出される。

但し、入力信号ＩＮ、即ち入力信号スペクトルＸｎ（ω）には不規則性の雑音成分が含まれているので、音声信号パワースペクトル｜Ｓｎ（ω）｜^２は、ミュージカル・ノイズの原因となる残留雑音成分を含んでいる。音声信号パワースペクトル｜Ｓｎ（ω）｜^２は、ミュージカル・ノイズ抑制部１５に与えられる。

ミュージカル・ノイズ抑制部１５では、雑音レベル算出部１５ａにおいて、雑音パワースペクトル推定部１３から与えられる雑音信号パワースペクトル｜Wｎ（ω）｜^２の１フレーム毎に、平均雑音レベルが算出される。

圧縮閾値作成部１５ｂでは、音声信号パワースペクトル推定部１４から与えられる音声信号パワースペクトル｜Ｓｎ（ω）｜^２が、純粋に音声信号と見なせるか、残留雑音と見なせるかを判定するための閾値が生成され、この値に平均雑音レベルが乗算されて、信号成分判定閾値が出力される。更に、圧縮閾値作成部１５ｂから、平均雑音レベルを圧縮して出力するレベルを設定するための圧縮雑音レベルが出力される。

図３は、音声信号パワースペクトル推定部１４からミュージカル・ノイズ抑制部１５に与えられる音声信号パワースペクトルと、ミュージカル・ノイズ抑制部１５で算出された圧縮雑音レベルα、平均雑音レベルβ、及び信号成分判定閾値γの関係を示している。

この図３に示すように、ミュージカル・ノイズ抑制前の音声信号パワースペクトルにおいて、低周波領域と高周波領域に存在するスペクトル成分の凹凸の多くは、残留雑音成分である。これらの残留雑音成分は、雑音抑圧後の出力信号に孤立したトーンの「島」を形成し、耳障りなミュージカル・ノイズの原因となる。

圧縮曲線作成部１５ｃでは、圧縮雑音レベルα、平均雑音レベルβ、及び信号成分判定閾値γに基づいて、音声信号パワースペクトルの入出力のレベル変換を行うためのスペクトル圧縮曲線が作成される。
スペクトル圧縮曲線は、図４に一例を示すように、横軸に示す音声信号パワースペクトルの入力レベルに応じて、０〜圧縮雑音レベルα（区間Ａ）、圧縮雑音レベルα〜平均雑音レベルβ（区間Ｂ）、平均雑音レベルβ〜信号成分判定閾値γ（区間Ｃ）、及び信号成分判定閾値γ以上（区間Ｄ）の、４つの区間に区分される。

区間Ａは、残留雑音成分が多くを占めていると推定される区間である。入力レベルがこの区間にあるときには、圧縮雑音レベルαを最大値として音声信号パワースペクトルのレベルを持ち上げる。これにより、音声信号パワースペクトルの「谷」の部分を減少させることができる。

区間Ｂは、区間Ａと同様に、残留雑音成分が多くを占めていると推定される区間である。入力レベルがこの区間にあるときには、圧縮雑音レベルαを最小値として音声信号パワースペクトルのレベルを、予め設定した雑音レベルの上限値δまで抑圧する。これにより、音声信号パワースペクトルの「山」の部分を減少させることができる。

これらの区間Ａと区間Ｂの圧縮曲線（直線）により、音声信号パワースペクトルに含まれる残留雑音のレベルを一定の範囲内に押さえ込んで抑制することができる。これにより、ミュージカル・ノイズの大幅な抑制が可能となる。

区間Ｃは、音声信号成分と残留雑音成分の両方が同程度の割合で存在すると推定される区間である。この区間Ｃは、圧縮率が高い区間Ａ，Ｂと、スペクトルの圧縮を全く行わない区間Ｄとの間をスムーズにつなぎ、音声信号成分の歪みを抑えるようになっている。

即ち、音声信号パワースペクトルのレベルが、平均雑音レベルβから信号成分判定閾値γまでの間にあるときは、音声信号パワースペクトルのレベルが、予め設定した雑音レベルδから信号成分判定閾値γの間でスムーズに上昇するように変換して出力する。

区間Ｄは、音声信号成分が大多数を占める区間である。この区間ではスペクトルの圧縮を行わず、入力信号のレベルがそのまま出力信号のレベルとなる。区間Ａ，Ｂにおいて、残留雑音成分のレベルが圧縮されているので、雑音レベルが相対的に低下し、Ｓ／Ｎが向上する。

このように、圧縮曲線作成部１５ｃで生成されたスペクトル圧縮曲線が、スペクトル圧縮部１５ｄに与えられる。スペクトル圧縮部１５ｄでは、圧縮曲線作成部１５ｃから与えられたスペクトル圧縮曲線を用いて、音声信号パワースペクトル｜Ｓｎ（ω）｜^２の圧縮処理が行われ、図５に示すような、圧縮音声信号パワースペクトル｜ＳＳｎ（ω）｜^２が生成される。圧縮音声信号パワースペクトル｜ＳＳｎ（ω）｜^２は、雑音減衰係数作成部１６に与えられる。

雑音減衰係数作成部１６において、ミュージカル・ノイズ抑制部１５から与えられる圧縮音声信号パワースペクトル｜ＳＳｎ（ω）｜^２と、雑音パワースペクトル推定部１３から与えられる雑音信号パワースペクトル｜Wｎ（ω）｜^２に基づいて、雑音減衰係数Ｈｎ（ω）が生成される。雑音減衰係数Ｈｎ（ω）は、雑音抑圧部１７へ与えられる。

雑音抑圧部１７において、雑音減衰係数作成部１６から与えられる雑音減衰係数Ｈｎ（ω）は、周波数変換部１２から出力される入力信号スペクトルＸｎ（ω）に掛け合わされ、出力信号スペクトルＹｎ（ω）が生成される。

出力信号スペクトルＹｎ（ω）は、周波数逆変換部１８に与えられて逆フーリエ変換が施され、時間領域の出力サンプル信号ｙ（ｎ）が生成される。出力サンプル信号ｙ（ｎ）は、Ｄ／Ａ変換部１９によってアナログの出力信号ＯＵＴに変換されて出力される。

以上詳細に説明したように、本実施形態の雑音抑制装置は、次のような利点がある。
（１） ミュージカル・ノイズ抑制部１５の雑音レベル算出部１５ａにおいて、１フレーム毎に平均雑音レベルを算出し、ミュージカル・ノイズ抑制のための閾値作成に使用している。これにより、Ｓ／Ｎが悪化した状態で雑音が多くなっても、閾値が自動的に調整されるので、一定のミュージカル・ノイズ抑制効果を保つことができる。

（２） 圧縮閾値作成部１５ｂにおいて、音声信号か否かを判定する閾値に平均雑音レベルを乗じて信号成分判定閾値を生成している。これにより、ミュージカル・ノイズ抑制に必要な圧縮雑音レベルαや信号成分判定閾値γを、入力信号のレベルの変化に対応して自動的に制御することができる。

（３） 圧縮曲線作成部１５ｃにおいて、ミュージカル・ノイズ抑制後の雑音レベルを入力信号の雑音レベルを基準として設定するために、スペクトル圧縮曲線を生成している。これにより、雑音除去レベルの調整が容易である。

（４） スペクトル圧縮部１５ｄによる音声信号パワースペクトルの圧縮で、残留雑音成分のスペクトルの凹凸が極端に減少するので、大幅なミュージカル・ノイズ抑制効果が得られる。

（５） ミュージカル・ノイズ抑制部１５で生成された圧縮音声信号パワースペクトルにより、出力信号に含まれる雑音レベルを、ミュージカル・ノイズ圧縮後の雑音レベル付近に留めることができる。これにより、Ｓ／Ｎが劣化して音声信号と雑音の判定が困難になった場合でも、雑音除去とミュージカル・ノイズ抑制効果が得られる。

（６） 出力信号中の雑音レベルが一定の範囲内に抑え込まれるので、雑音の振幅変動が少なくなり、聴感上の不快さが低減される。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、次のような種々の変形が可能である。

（ａ） この雑音抑制装置では、ミュージカル・ノイズ抑制部１５において、音声信号パワースペクトル推定部１４から出力される音声信号パワースペクトルに対してスペクトル圧縮を行っているが、雑音スペクトルや入力信号スペクトル等に対しても、スペクトル圧縮を行うことができる。このような場合には、適用するスペクトルに対して専用の閾値を定義することにより、ミュージカル・ノイズの抑制効果を得ることができる。

（ｂ） 図４のスペクトル圧縮曲線は、４つの区間からなる折れ線で構成されているが、曲線であっても良い。例えば、区間Ｃで緩和曲線を使用することにより、出力信号における歪みを抑制することができる。

（ｃ） 図１において、周波数変換部１２から周波数逆変換部１８までの各部は、それぞれ独立したハードウエアによってそれぞれの動作を行っているように説明したが、共通のコンピュータを使用してプログラムによって各部の処理を行うように構成することができる。

（ｄ） サンプリングした信号をフレーム化し、周波数領域でスペクトル操作を行う場合には、ミュージカル・ノイズが発生するおそれがある。従って、本発明は、ミュージカル・ノイズを抑制するために、周波数領域でディジタル処理を行うエコーキャンセラや、ノッチフィルタ（ビートキャンセラ）等の適応型スペクトル操作に適用することができる。

図６は、本発明を任意の適応型スペクトル操作に適用した実施形態を示す図で、図１中の要素と共通の要素には、共通の符号が付されている。

この図６において、適応型スペクトル操作部２０は、エコーキャンセラやノッチフィルタ等の適応フィルタにおいて、サンプリングされた周波数領域の入力信号に対し、最適化アルゴリズムに従って伝達関数を自己適応させるための、適応型スペクトル操作を行うものである。この適応型スペクトル操作部２０は、図１中の雑音パワースペクトル推定部１３と音声信号パワースペクトル推定部１４に対応している。

また、ミュージカル・ノイズ抑制部２１は、スペクトル操作された入力信号からミュージカル・ノイズを抑制して圧縮スペクトルを生成するもので、その構成及び動作は、図１中のミュージカル・ノイズ抑制部１５と同じである。更に、フィルタ伝達関数作成部２２は、ミュージカル・ノイズが抑制された圧縮スペクトルに基づいてフィルタ伝達関数を作成するもので、図１中の雑音減衰係数作成部１６に対応している。

このように、適応型スペクトル操作部２０とフィルタ伝達関数作成部２２の間に、ミュージカル・ノイズ抑制部２１を挿入することで、入力信号からミュージカル・ノイズが抑制された圧縮スペクトルに基づいて、フィルタ伝達関数が生成される。従って、このフィルタ伝達関数を用いることで、出力信号中のミュージカル・ノイズの発生を抑制することができる。

（ｅ） 雑音パワースペクトル推定部１３、音声信号パワースペクトル推定部１４、ミュージカル・ノイズ抑制部１５、雑音減衰係数作成部１６等の処理内容は、実施形態で説明したものに限定されない。例えば、雑音信号パワースペクトルや音声信号パワースペクトルの推定値の算出や、雑音減衰係数の算出に、雑音や音声信号のレベルを２乗したパワーを用いているが、音声信号スペクトルや雑音スペクトル等のレベル自体を使用しても実質的には同一である。

本発明の実施形態を示す雑音抑制装置の構成図である。 図１中のミュージカル・ノイズ抑制部１５の構成図である。 音声信号パワースペクトルと、平均雑音レベル、信号成分判定閾値、及び圧縮雑音レベルの関係を示す図である。 スペクトル圧縮曲線の一例を示す図である。 スペクトル圧縮部１５ｄで圧縮された圧縮音声信号パワースペクトルを示す図である。 本発明の他の実施形態を示す雑音抑制装置の構成図である。 特許文献１に記載された雑音抑制装置の構成図である。 図７中の抑圧関数補正部４の構成図である。

符号の説明

１１ Ａ／Ｄ変換部
１２ 周波数変換部
１３ 雑音パワースペクトル推定部
１４ 音声信号パワースペクトル推定部
１５ ミュージカル・ノイズ抑制部
１５ａ 雑音レベル算出部
１５ｂ 圧縮閾値作成部
１５ｃ 圧縮曲線作成部
１５ｄ スペクトル圧縮部
１６ 雑音減衰係数作成部
１７ 雑音抑制部
１８ 周波数逆変換部
１９ Ｄ／Ａ変換部

Claims (8)

1. 入力信号を一定周期毎に周波数領域に変換した入力信号スペクトルから雑音信号パワースペクトルを推定する雑音パワースペクトル推定部と、
   前記入力信号スペクトル及び前記雑音信号パワースペクトルから音声信号パワースペクトルを推定する音声信号パワースペクトル推定部と、
   前記雑音信号パワースペクトルに基づいて圧縮雑音レベルを作成し、作成した前記圧縮雑音レベルと前記音声信号パワースペクトルの各周波数におけるスペクトルが音声信号のスペクトルか残留雑音のスペクトルかを判定するための信号成分判定閾値とを出力する圧縮閾値作成部と、前記音声信号パワースペクトルの各周波数におけるスペクトルのうちで、前記圧縮雑音レベルより低いレベルのスペクトルではレベル上昇させ、前記圧縮雑音レベルより高く、前記信号成分判定閾値より低いレベルのスペクトルではレベル低下させ、前記信号成分判定閾値以上のレベルのスペクトルではレベル変更せずに、圧縮音声信号パワースペクトルを生成するスペクトル圧縮部とを有するミュージカル・ノイズ抑制部と、
   前記圧縮音声信号パワースペクトルと前記雑音信号パワースペクトルとに基づいて雑音減衰係数を生成する雑音減衰係数作成部と、
   前記入力信号スペクトルに前記雑音減衰係数を乗算して出力信号スペクトルを生成する雑音抑制部と、
   前記出力信号スペクトルを時間領域の出力信号に変換する周波数逆変換部とを、備えることを特徴とする雑音抑制装置。
2. 前記雑音信号パワースペクトルの各周波数におけるスペクトルのレベルの平均値である平均雑音レベルを算出し、算出した前記平均雑音レベルを出力する雑音レベル算出部を備え、
   前記スペクトル圧縮部は、前記平均雑音レベルと前記信号成分判定閾値とに基づいて、前記レベル上昇または前記レベル低下の程度を調整する、ことを特徴とする請求項１記載の雑音抑制装置。
3. 入力信号を一定周期毎に周波数領域に変換した入力信号スペクトルから雑音信号パワースペクトルを推定する雑音パワースペクトル推定部と、
   前記入力信号スペクトル及び前記雑音信号パワースペクトルから音声信号パワースペクトルを推定する音声信号パワースペクトル推定部と、
   前記音声信号パワースペクトルの各周波数におけるスペクトルのうちで、前記雑音信号パワースペクトルの各周波数におけるスペクトルのレベルの平均値である平均雑音レベル以下のスペクトルのレベル変動を一定幅以内に圧縮し、圧縮音声信号パワースペクトルを生成するミュージカル・ノイズ抑制部と、
   前記圧縮音声信号パワースペクトルと前記雑音信号パワースペクトルとに基づいて雑音減衰係数を生成する雑音減衰係数作成部と、
   前記入力信号スペクトルに前記雑音減衰係数を乗算して出力信号スペクトルを生成する雑音抑制部と、
   前記出力信号スペクトルを時間領域の出力信号に変換する周波数逆変換部とを、備え、
   前記ミュージカル・ノイズ抑制部は、
   前記平均雑音レベルを算出して、算出した平均雑音レベルを出力する雑音レベル算出部と、
   前記音声信号パワースペクトルの各周波数におけるスペクトルが音声信号のスペクトルか残留雑音のスペクトルかを判定するための信号成分判定閾値と、前記平均雑音レベルを予め設定された圧縮率で圧縮した圧縮雑音レベルを出力する圧縮閾値作成部と、
   前記平均雑音レベルと、前記信号成分判定閾値と、前記圧縮雑音レベルとに基づいて、前記音声信号パワースペクトルを圧縮して出力するためのスペクトル圧縮曲線を生成する圧縮曲線作成部と、
   前記スペクトル圧縮曲線に従って前記音声信号パワースペクトルを圧縮し、圧縮音声信号パワースペクトルを生成するスペクトル圧縮部とを、有することを特徴とする雑音抑制装置。
4. 前記スペクトル圧縮曲線は、前記音声信号パワースペクトルのレベルに応じて、０〜圧縮雑音レベル、圧縮雑音レベル〜平均雑音レベル、平均雑音レベル〜信号成分判定閾値、及び信号成分判定閾値以上の、４つの区間に区分された折れ線または曲線で表されることを特徴とする請求項３記載の雑音抑制装置。
5. 前記スペクトル圧縮部は、
   前記音声信号パワースペクトルの各周波数におけるスペクトルのうちで、前記スペクトルのレベルが、０から前記圧縮雑音レベルまでの間にあるときは、該圧縮雑音レベルを最大値として該スペクトルのレベルを上昇させて出力し、
   前記スペクトルのレベルが、前記圧縮雑音レベルから前記平均雑音レベルまでの間にあるときは、該圧縮雑音レベルを最小値として該スペクトルのレベルを予め設定した雑音レベルの上限値まで低下させて出力し、
   前記スペクトルのレベルが、前記平均雑音レベルから前記信号成分判定閾値までの間にあるときは、該スペクトルのレベルが前記設定した雑音レベルから該信号成分判定閾値の間でスムーズに上昇するように変換して出力し、
   前記スペクトルのレベルが、前記信号成分判定閾値以上のときには、該スペクトルのレベルを変えずに出力する、ことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項記載の雑音抑制装置。
6. 前記雑音パワースペクトル推定部は、順次与えられる前記入力信号スペクトルのレベル差に応じた重み関数を用いて該入力信号スペクトルを平均化することによって、前記雑音信号パワースペクトルを算出することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項記載の雑音抑制装置。
7. 入力信号を一定周期毎に周波数領域に変換した入力信号スペクトルから雑音信号パワースペクトルを推定する雑音パワースペクトル推定処理と、
   前記入力信号スペクトル及び前記雑音信号パワースペクトルから音声信号パワースペクトルを推定する音声信号パワースペクトル推定処理と、
   前記雑音信号パワースペクトルに基づいて圧縮雑音レベルを作成し、作成した前記圧縮雑音レベルと前記音声信号パワースペクトルの各周波数におけるスペクトルが音声信号のスペクトルか残留雑音のスペクトルかを判定するための信号成分判定閾値とを出力する圧縮閾値作成処理と、前記音声信号パワースペクトルの各周波数におけるスペクトルのうちで、前記圧縮雑音レベルより低いレベルのスペクトルではレベル上昇させ、前記圧縮雑音レベルより高く、前記信号成分判定閾値より低いレベルのスペクトルではレベル低下させ、前記信号成分判定閾値以上のレベルのスペクトルではレベル変更せずに、圧縮音声信号パワースペクトルを生成するスペクトル圧縮処理とを順次行うミュージカル・ノイズ抑制処理と、
   前記圧縮音声信号パワースペクトルと前記雑音信号パワースペクトルとに基づいて雑音減衰係数を生成する雑音減衰係数作成処理と、
   前記入力信号スペクトルに前記雑音減衰係数を乗算して出力信号スペクトルを生成する雑音抑制処理と、
   前記出力信号スペクトルを時間領域の出力信号に変換する周波数逆変換処理とを、順次行うことを特徴とする雑音抑制方法。
8. 入力信号を一定周期毎に周波数領域に変換した入力信号スペクトルから雑音信号パワースペクトルを推定する雑音パワースペクトル推定処理と、
   前記入力信号スペクトル及び前記雑音信号パワースペクトルから音声信号パワースペクトルを推定する音声信号パワースペクトル推定処理と、
   前記音声信号パワースペクトルの各周波数におけるスペクトルのうちで、前記雑音信号パワースペクトルの各周波数におけるスペクトルのレベルの平均値である平均雑音レベル以下のスペクトルのレベル変動を一定幅以内に圧縮し、圧縮音声信号パワースペクトルを生成するミュージカル・ノイズ抑制処理と、
   前記圧縮音声信号パワースペクトルと前記雑音信号パワースペクトルとに基づいて雑音減衰係数を生成する雑音減衰係数作成処理と、
   前記入力信号スペクトルに前記雑音減衰係数を乗算して出力信号スペクトルを生成する雑音抑制処理と、
   前記出力信号スペクトルを時間領域の出力信号に変換する周波数逆変換処理とを、順次行い、
   前記ミュージカル・ノイズ抑制処理では、
   前記平均雑音レベルを算出して、算出した平均雑音レベルを出力する雑音レベル算出処理と、
   前記音声信号パワースペクトルの各周波数におけるスペクトルが音声信号のスペクトルか残留雑音のスペクトルかを判定するための信号成分判定閾値と、前記平均雑音レベルを予め設定された圧縮率で圧縮した圧縮雑音レベルを出力する圧縮閾値作成処理と、
   前記平均雑音レベルと、前記信号成分判定閾値と、前記圧縮雑音レベルとに基づいて、前記音声信号パワースペクトルを圧縮して出力するためのスペクトル圧縮曲線を生成する圧縮曲線作成処理と、
   前記スペクトル圧縮曲線に従って前記音声信号パワースペクトルを圧縮し、圧縮音声信号パワースペクトルを生成するスペクトル圧縮処理とを、順次行うことを特徴とする雑音抑制方法。

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