JP5140162B2

JP5140162B2 - 雑音抑圧方法及び装置

Info

Publication number: JP5140162B2
Application number: JP2010539356A
Authority: JP
Inventors: ペルオーグレン，; アンデシュエリクソン，
Original assignee: テレフオンアクチーボラゲットエルエムエリクソン（パブル）
Priority date: 2007-12-20
Filing date: 2007-12-20
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2027-12-20
Also published as: JP2011509008A; CN101904098A; WO2009082302A1; EP2232704A1; EP2232704A4; CN101904098B; US20110137646A1

Description

本発明は、デジタルフィルタ設計の分野に関する。特に、本発明は、音響記録を示す信号における雑音抑圧のためのデジタルフィルタの設計の分野に関する。

自然環境において雑音はいたる所に存在するため、実世界の音声記録は、一般に、種々の発信元からの雑音を含む。音声記録の音声品質を向上させるため、音声記録の雑音レベルを下げる種々の方法が開発されている。多くの場合、そのような方法において、時間領域雑音抑圧フィルタは、目標周波数応答から算出されて音声記録に適用される。スペクトルサブトラクションは、音響記録において雑音を抑圧するのに使用されることが多い方法である。"Low-distortion spectral subtraction for speech enhancement", Peter Handel, Conference Proceedings of Eurospeech, pp. 1549-1553, ISSN 1018-4074, 1995 には、雑音を抑圧するスペクトルサブトラクション方法の種々の態様が説明されている。

"Low-distortion spectral subtraction for speech enhancement", Peter Handel, Conference Proceedings of Eurospeech, pp. 1549-1553, ISSN 1018-4074, 1995

フィルタリングされる音声記録の品質は、使用される時間領域雑音抑圧フィルタを伸長することにより向上しうる。しかし、時間領域雑音抑圧フィルタが長いほど、より多くの計算が必要である。これは、電話等のリアルタイムアプリケーションにおいて特に問題である。リアルタイムアプリケーションにおいて、超高速でフィルタリングされる必要があるため、計算を必要とするフィルタは高度な処理能力を必要とする。高速なプロセッサほど高価であり、かつ一般にエネルギーを消費する。従って、計算能力に関する要求に影響を及ぼさないように音声記録において雑音抑圧の品質を向上させる必要がある。

本発明が関連する問題は、音響記録において低周波数での雑音減衰の時間に依存するばらつきの回避方法に関する問題である。

この問題は、音響記録を示す信号の雑音抑圧のためのデジタルフィルタ構成を設計する方法により解決される。この方法は、前記デジタルフィルタ構成の目標周波数応答を決定するステップを有する。この方法は、ハイパスフィルタと雑音抑圧フィルタとの組合せをフィルタ構成に含めるステップを更に有する。前記ハイパスフィルタと雑音抑圧フィルタとの組合せは、前記決定された目標周波数応答に基づいて選択される。

また、上記問題は、音響記録を示す信号の雑音抑圧のためのデジタルフィルタ構成を設計するデジタルフィルタ設計装置により解決される。デジタルフィルタ設計装置は、目標周波数応答に基づいて雑音抑圧フィルタを選択する雑音抑圧フィルタ設計装置と、雑音抑圧フィルタとカスケードに適用されるハイパスフィルタを選択するハイパスフィルタ設計装置とを含む。

さらに、上記問題は、デジタルフィルタ装置及びデジタルフィルタ装置を設計するコンピュータプログラムによっても解決される。

本発明によれば、制限された計算能力で低周波数雑音が効率的に抑圧されるため、低周波数での雑音抑圧のばらつきが回避されるか又は減少する。

本発明については、以下の添付の図面ならびに下記の説明を参照することにより、その更なる目的および利点とともに、最もよく理解されるであろう。

従来技術に係る雑音抑圧フィルタ設計装置を示す概略図である。音響記録を示す信号に音声が存在する時点の目標周波数応答及び従来の雑音抑圧フィルタを使用してこの時点に対して取得される実現された周波数応答を示すグラフである。音響記録を示す信号に音声が存在しない時点の目標周波数応答及び従来の雑音抑圧フィルタを使用してこの時点に対して取得される実現された周波数応答を示すグラフである。本発明におけるフィルタ装置を設計する方法を概略的に示すフローチャートである。フィルタ装置に含まれるハイパスフィルタを選択する方法を概略的に示すフローチャートである。本発明のフィルタ設計装置の一実施形態を概略的に示す図である。本発明のフィルタ設計装置の別の実施形態を概略的に示す図である。本発明のフィルタ設計装置の更に別の実施形態を概略的に示す図である。図２ａの例を示すグラフと、本発明に係るフィルタ装置の周波数応答のグラフである。本発明に係るデジタルフィルタ設計装置を内蔵するユーザ装置を示す概略図である。

雑音重畳音声信号y(t)は、所望の音声成分s(t)と雑音成分n(t)を有し、以下のように表される。

y(t)=s(t)+n(t) （１）

多くの場合、推定される音声成分^s(t)が音声成分s(t)に可能な限り類似するよう、雑音成分n(t)を抑圧し音声成分の推定値^s(t)を形成することが望まれる。これを実行する１つの方法は、なるべく多くの音声成分s(t)を保持しておき、なるべく多くの雑音成分n(t)を除去するように設計される時間領域雑音抑圧フィルタh(z)で雑音信号y(t)をフィルタリングすることである。

雑音抑圧フィルタh(z)は、通常、目標周波数応答H(ω)から算出される。ここで、H(ω)は、一般に、y(t)が雑音のみを含む周波数ωの場合にH(ω)はゼロに近接し、y(t)が音声のみを含む周波数ωの場合にH(ω)=1であり、かつy(t)が雑音重畳音声を含む周波数ωの場合に0＜H(ω)＜1であるように設計される実数値関数である。

雑音信号の音声成分を判定する際、線形変換F[・]が雑音信号のサンプルのフレームに適用されることが多い。以下の関係を仮定することにより、雑音抑圧フィルタh(z)は目標周波数応答H(ω)の逆線形変換F^-1[・]として取得される。

ただし、F[・]は高速フーリエ変換（ＦＦＴ）等の線形変換を示す。従って、音声成分推定値^s(t)は以下のように得られる。

従って、式（３）から音声成分推定値^s(t)を求めるために、目標周波数応答H(ω)が決定される必要がある。上述のように、y(t)が雑音重畳音声を含む周波数ωの場合、0＜H(ω)＜1である。そのような周波数の場合、特定の周波数においてH(ω)に対して選択される特定の値は、その周波数において雑音重畳音声信号y(t)の信号対雑音比（ＳＮＲ）に依存して選択されることが多い。

目標周波数応答H(ω)は種々の方法を使用して推定される。一般的な方法はスペクトルサブトラクションである（スペクトルサブトラクションによりH(ω)を取得する方法に関する説明は、例えば"Low-distortion spectral subtraction for speech enhancement", Peter Handel, Conference Proceedings of Eurospeech, pp. 1549-1553, ISSN 1018-4074, 1995 を参照されたい。特定の周波数における雑音重畳音声信号y(t)のＳＮＲは経時変動するため、目標周波数応答H(ω)は、一般にある期間にわたり更新される。すなわち、目標周波数応答H(ω)は、一般にデータのフレーム毎に更新される。従って、目標周波数応答H(ω)は、一般にフレーム間で変動するため、H(k_n, ω)≠(H(k_n+1, ω)である。ただし、k_nはフレーム番号nのフレームのタイミングを示す。あるいは、目標周波数応答H(ω)、及びその目標周波数応答から決定されるフィルタ構成は、異なる時間間隔で更新されてもよい。従って、目標周波数応答及びフィルタ構成は経時変動する。しかし、説明を簡略化するため、H(ω)とh(z)との時間依存関係は以下の式では明示的に示されない。

図１は、受信しサンプリングされた雑音重畳音声信号y(t)に基づいて適切な雑音抑圧フィルタh_NS(z)を生成するように構成され、従来技術に従って動作するフィルタ設計装置１００を示す。フィルタ設計装置１００は、サンプリングされた雑音重畳音声信号y(t)を受信しサンプリングされた雑音重畳音声信号y(t)の線形変換Y(ω)を生成するように構成される線形変換器１０５を含む。図１のフィルタ設計装置１００は、サンプリングされた信号y(t)の線形変換Y(ω)を受信し、線形変換Y(ω)に基づいて目標周波数応答H(ω)を決定するように構成される目標応答決定器１１０を更に含む。フィルタ設計装置１００は、目標周波数応答H(ω)を受信し、目標周波数応答H(ω)の逆線形変換を生成するように構成される逆線形変換器１１５を含む雑音抑圧フィルタ設計装置１１２を更に含む。一般に、逆線形変換器１１５の出力は、雑音抑圧フィルタh_NS(z)を取得するために、例えば米国特許第７，２５１，２７１号公報において説明されるように雑音抑圧フィルタ設計装置１１２において更に処理される。フィルタh_NS(z)の長さは、本明細書においては更に詳細に説明しないそのような更なる処理に依存して決定される。雑音抑圧フィルタ設計装置１１２の出力は、雑音抑圧フィルタh_NS(z)を示す信号である。

音声アプリケーションにおいて雑音を抑圧する場合、目標周波数応答H(ω)は、雑音のみが存在する低周波数と、音声が雑音と共に存在する周波数との間で急峻な遷移を含むことが多い。これを図２に示す。図２において、目標周波数応答H(ω)は２つの異なる時刻において実線で記される。図２ａは、音声が存在する時点k_mを示す。一方、図２ｂは、音声が存在せずかつ信号y(t)が雑音成分n(t)のみを含む時点ｋ_ｎを示す。示されるように、低周波数において非常に所望される抑圧と図２ａのより高くかつ音声を含む周波数においてあまり所望されない抑圧との間の遷移は、非常に急峻である。周波数応答におけるそのような急峻な遷移は、実現される雑音抑圧フィルタh_NS(z)に多くの係数を含むことにより取得される。

しかし、実現される雑音抑圧フィルタh_NS(z)に多くの係数を含むことにより、雑音抑圧フィルタを実現する際に必要な計算の数が増加する。多くのアプリケーションにおいて、これは計算能力が制限されるために実現不可能であり、例えばリアルタイムアプリケーションの場合に多く当てはまる。一般的な実現される雑音抑圧フィルタh_NS(z)の実現された周波数応答H^realised(ω)は、図２ａ及び図２ｂに点線で示される。音声及び雑音の双方が存在する時間k_mの場合、実現された周波数応答H^realised(ω)は、低周波数における目標周波数応答H(ω)の不適切な近似値である。その一方で、雑音のみが存在しかつ目標周波数応答H(ω)における遷移がそれほど極端ではない時間k_nの場合、実現された周波数応答H^realised(ω)は目標周波数応答H(ω)の適切な近似値を提供する。それぞれ図２ａ及び図２ｂの点線で示される時間k_mにおけるH^realised(ω)、H^realised(k_m, ω)と、時間k_nにおけるH^realised(ω)、H^realised(k_n, ω)とを比較することにより、従来技術の解決策における実現雑音抑圧フィルタh_NS(z)が十分な数の係数を含まない場合に低周波数における雑音レベルが時間と共にかなり変動することを示す。そのような雑音抑圧の時間に依存するばらつきは、一般に雑音ポンピングと呼ばれ、音声成分推定値^s(t)においてシャドウボイスと呼ばれる。

従って、リアルタイムアプリケーションの場合又は計算能力が制限される他のアプリケーションにおいて、雑音重畳音声信号y(t)の適切なフィルタリングを取得する別の方法を見つけるのが望ましい。

本発明によれば、目標周波数応答は、ハイパスフィルタと雑音抑圧フィルタとの組合せによって得られる。雑音抑圧フィルタh_NS(z)に加えてハイパスフィルタを、雑音重畳音声信号y(t)に適用することにより、雑音抑圧フィルタh_NS(z)の低周波数における雑音抑圧に対する要求はそれほど厳密ではなくなり、より少ない数の係数を含む雑音抑圧フィルタを、目標周波数応答H(ω)に十分に近接する周波数応答を取得するために使用することができる。

従って、本発明に係る総合時間領域フィルタ構成h_total(z)は以下のように取得される。

ただし、h_HP(z)はハイパスフィルタ、h_NS(z)は雑音抑圧フィルタである。

本発明に従って、ハイパスフィルタ及び雑音抑圧フィルタを含むフィルタ装置を設計する方法を示す概略的なフローチャートを、図３に示す。ステップ３００において、以下において目標総合周波数応答H_total(ω)と呼ばれるフィルタ構成の目標周波数応答H(ω)が決定される。ステップ３０５において、ハイパスフィルタ又は雑音抑圧フィルタのいずれか一方が決定される。ステップ３１０において、まだ決定されていないフィルタ、すなわちステップ３０５において決定されなかったハイパスフィルタ及び雑音抑圧フィルタのうちの一方に対して目標周波数応答が決定される。まだ決定されていないフィルタの目標周波数応答は、残留目標周波数応答、すなわちステップ３０５において決定されたフィルタにより取得されない目標総合周波数応答H_total(ω)の一部として決定されるのが有利であるため、ハイパスフィルタと雑音抑圧フィルタとの組合せから取得される実現された総合周波数応答は目標総合周波数応答H_total(ω)に可能な限り近接する。

H_NS(ω)H_HP(ω)=H_total(ω) （５）

次に、ステップ３１５に進み、まだ決定されていないフィルタが決定される。

ステップ３０５において、すなわち雑音抑圧フィルタh_NS(z)を決定する前にハイパスフィルタh_HP(z)が決定される場合、ハイパスフィルタは目標総合周波数応答H_total(ω)に基づいて選択されるのが有利である。しかし、本発明のいくつかの実施形態において、所定のハイパスフィルタは、目標総合周波数応答H_total(ω)に依存せずに使用されてもよい（そのような場合、ハイパスフィルタh_HP(z)はステップ３００の前に決定される。）。

上述のように、ハイパスフィルタh_HP(z)が最初に決定されかつ雑音抑圧フィルタがステップ３１５において決定される場合、選択されるハイパスフィルタの周波数応答H_HP(ω）は式（５）に基づいて考慮されるのが好ましい。しかし、本発明のいくつかの実現例においては、目標総合周波数応答を雑音抑圧フィルタの目標周波数応答として使用すること、すなわち、H_NS(ω)=H_total(ω)とすることで十分であろう。

雑音抑圧フィルタがステップ３１５において決定される場合、雑音抑圧フィルタh_NS(z)は逆線形変換F^-1[・]をH_NS(ω)に適用することにより決定される。雑音抑圧フィルタがステップ３０５において決定される場合、雑音フィルタh_NS(z)は逆線形変換F^-1[・]をH_total(ω)に適用することにより決定される。

ハイパスフィルタh_HP(z)及び雑音抑圧フィルタh_NS(z)が図３に示すフィルタ設計方法に基づいて決定された場合、ハイパスフィルタh_HP(z)及び雑音抑圧フィルタh_NS(z)は、カスケードに雑音重畳音声信号y(t)に適用される。最初にハイパスフィルタh_HP(z)が適用され、その後雑音抑圧フィルタh_NS(z)が適用されるか又はその逆の順番で適用される。

ハイパスフィルタh_HP(z)及び雑音抑圧フィルタh_NS(z)を含むフィルタ構成の決定は、一般に、フィルタ構成を雑音重畳音声信号y(t)の変動に合わせて調整するためにある期間にわたり更新される。フィルタ構成を更新する任意のパターンが使用されてもよいが、本発明の多くの実現例において、フィルタ構成は雑音重畳音声のフレームが信号を伝送する度に更新される。

ハイパスフィルタ及び雑音抑圧フィルタは、H_total(ω)に基づいて反復して決定される。例えば、フィルタのうちの１つの第１の近似値が仮定される場合、他のフィルタの第１の近似値は、第１のフィルタのこの第１の近似値に依存してステップ３０５において決定される。ステップ３１０において、第１のフィルタの目標周波数応答が決定される。ステップ３１５において、第１のフィルタの第２の近似値は、ステップ３１５において取得される目標周波数応答に基づいて決定される。更なるステップが図３に示すステップに追加されてもよい。更なるステップにおいて、第２のフィルタの目標周波数応答は第１のフィルタの第２の近似値に基づいて決定される。第２のフィルタの第２の近似値は、更なるステップ等において決定される目標周波数応答に基づいて決定されてもよい。反復数は、使用可能な計算能力及び音響記録の再生の時間要求に基づいて選択されてもよい。

ハイパスフィルタh_HP(z)を選択するステップの一実施形態を図４に更に示す。図４の方法は、ハイパスフィルタh_HP(z)が決定されるこれらのステップに依存して、ステップ３０５又は３１５の可能な実現例であると考えられる。説明を簡単にするために、図４に示す本発明の実施形態において、ハイパスフィルタh_HP(z)は、雑音抑圧フィルタh_NS(z)を決定する前に目標総合周波数応答H_total(ω)に依存して決定される。しかし、図３に関連して分かるように、雑音抑圧フィルタh_NS(z)はハイパスフィルタh_HP(z)の前に代わりに決定されてもよい。

ステップ４０５において、ハイパスフィルタh_HP(z)に対するカットオフ周波数f_cが選択される。カットオフ周波数f_cは、通常、H_total(ω)の高い値と低い値との間で遷移が起こる周波数として選択され、任意の適切な方法を使用して選択される。例えばカットオフ周波数f_cは、以下のように決定される。

ただし、周波数f_maxは、周波数間隔f_L≦f≦f_H内において目標総合周波数応答H_total(ω)が最大値をとる周波数である（周波数間隔f_L≦f≦f_Hは、一般に雑音重畳音声信号の周波数間隔である）。

ステップ４１０において、ハイパスフィルタh_HP(z)の目標阻止域ゲインA_HP ^desiredが決定される。ハイパスフィルタh_HP(z)の目標阻止域ゲインA_HP ^desiredは、例えば以下のように取得される。

ただし、f₁及びf₃は、音声が殆ど存在しない２つの適切な低周波数として選択されている。図７に示す例において（以下を参照）、f₁は６３Ｈｚに設定され、f₃は９４Ｈｚに設定された。この特定の例において、サンプリング周波数は１６ｋＨｚであり、長さ５１２のＦＦＴが使用された。従って、f₁=６３Ｈｚ及びf₃=９４Ｈｚは、それぞれ、第３の周波数ビン及び第４の周波数ビンに対応する。

H_total ^stopbandを規定する他の方法、例えばH_total ^stopband=H_total(f₀)等が使用されてもよい。式中、f₀は、完全な阻止域減衰が適用されるべき周波数として選択される。

目標周波数応答H(ω)に依存しない所定の値は、上記の式（７）において、雑音抑圧フィルタの阻止域応答H_NS ^stopbandの推定値として使用されてもよい。

しかし、雑音抑圧のより良い結果を取得するために、雑音抑圧フィルタにより提供される阻止域応答H_NS ^stopbandの値は、ハイパスフィルタh_HP(z)が選択される度に推定される。H_NS ^stopbandは、例えば異なるH_total(ω)に対して取得される種々の雑音抑圧フィルタh_NS(z)を分析することにより取得される。そのような分析は、ハイパスフィルタh_HP(z)を決定する前に実行されているのが好ましい。そのような分析の結果は、テーブルに格納されているか又は雑音抑圧フィルタ及びハイパスフィルタが決定されるのに従う周知のH_total(ω)からH_NS ^stopbandの推定値を推定する式として格納されているのが好ましい。従って、式（７）のためにH_NS ^stopbandの値を推定することは、テーブルをチェックすること又は所定の式を介して値を計算することを含む。

あるいは、雑音抑圧フィルタの阻止域応答の値、H_NS ^stopbandは、ステップ３０５〜３１５を少なくとも１回反復することにより推定されてもよい。最初にステップ３１５に進むと、H_NS ^stopbandの値は推定される値（例えば、所定の値）を与えられる。雑音抑圧フィルタがこのH_NS ^stopbandの推定値に基づいてステップ３１５において決定されていると、再びステップ３０５に進み、ステップ３１５において決定される雑音抑圧フィルタにより取得される阻止域応答は、ステップ３０５の雑音抑圧フィルタの阻止域応答H_NS ^stopbandの推定値として使用される。あるいは、ステップ３０５の前に図３のステップ３１０が実行されてもよいため、ステップ３０５に進む際にH_NS ^stopbandの値が既に取得されている。ハイパスフィルタの周波数応答を取るH_NS(ω)の値を考慮して、ステップ３０５が実行された後で再びステップ３１０に進んでもよい。ハイパスフィルタ及び雑音抑圧フィルタを決定する反復手順は、例えば、ハイパスフィルタがフレーム毎に更新される必要がない状況又は音響記録のフィルタリングが記録の再生の前に実行される状況において適切である。

ステップ４１５において、ハイパスフィルタh_HP(z)は、規定されたカットオフ周波数f_c及び目標阻止域ゲインA_HP ^desiredに依存して決定される。

無限インパルス応答（ＩＩＲ)フィルタに対して要求される係数の数が、一般に、同様の特徴の有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタに対して要求される係数の数よりも少ないため、採用されるハイパスフィルタはＩＩＲフィルタであるのが有利である。本発明において使用されるのが有利である従来技術のハイパスフィルタの種類の一例は、１次バタワースフィルタである。バタワースフィルタが通過帯域において平坦な周波数応答を有するように設計されることにより、通過帯域に存在する考えられる音声成分s(t)の歪みが最小となるため、これらのフィルタは本発明の目的のために有利である。１次バタワースフィルタは、通過帯域から阻止域への十分に急峻な遷移を提供し、容易に計算できる。しかし、他の種類のハイパスフィルタ、例えば高次のバタワースフィルタ又はチェビシェフフィルタ等を代わりに採用してもよい。２つ以上のハイパスフィルタの組合せを更に採用してもよい。

ステップ４１５において、採用されるハイパスフィルタの種類のフィルタ係数は、カットオフ周波数f_cの値に基づいて従来の方法で決定される。低周波数減衰が所望のハイパスフィルタh_HP(z)と比較して制限されないため、これらの係数により規定される時間領域フィルタは以下においてH_HP ^unlimitedと呼ばれる。

目標阻止域ゲインを示す時間領域フィルタを取得するために、ハイパスフィルタh_HP(z)は、h_HP(z)の阻止域ゲインが目標阻止域ゲインA_HP ^desiredに可能な限り近接するように、以下のように決定される。

αは値が０〜１の間の係数である。αの値は、例えば以下の式を最小にするαの値として与えられる。

ただし、｜H_HP(f₂)｜、は、周波数f₂において式（１０）に従うh_HP(z)の周波数応答H_HP(ω)の値である。f₂は、ハイパスフィルタh_HP(z)の阻止域への周波数として選択されるのが好ましい。例えばf₂は、先に示された周波数f₁及びf₃により規定される周波数間隔の中間にある周波数として選択される。

図４において説明する適切なハイパスフィルタを決定する方法は多種多様である。例えば、フィルタ構成を更新すると、ある瞬間において任意のハイパスフィルタh_HP(z)を使用せずに雑音抑圧フィルタh_NS(z)を利用して目標総合周波数応答H_total(ω)の近接近似値を取得するための計算がより容易である可能性があるため、フィルタ構成が更新される場合においてハイパスフィルタh_HP(z)を含むのが適切であるか否かに関するチェックが導入される。例えば、雑音重畳音声信号y(t)に音声成分s(t)が存在しない場合、ハイパスフィルタh_HP(z)及び雑音抑圧フィルタh_NS(z)の双方を適用するよりも雑音抑圧フィルタh_NS(z)のみを適用するほうが計算が容易であろう。そのようなチェックは、例えば目標総合周波数応答H_total(ω)において強く所望される減衰とあまり所望されない減衰との間の遷移の急峻さに基づいてもよい。すなわち、急峻な遷移が所望される場合、一般にハイパスフィルタh_HP(z)を適用するのが適切である。あるいは、そのような解析は、雑音重畳音声信号y(t)が音声成分s(t)を含むかをチェックすることを含む。例えば、特定の時点において音声成分が存在しない場合、任意のハイパスフィルタh_HP(z)を使用せずにこの時点に対するフィルタ構成を実現するのが有利である。

ハイパスフィルタを適用するのが有効かを決定する別の方法は、式（６）又は任意の他の方法により取得されるカットオフ周波数f_cが周波数間隔f_c ^min≦f≦f_c ^max内に有るかをチェックすることである。この周波数間隔はハイパスフィルタ周波数間隔と呼ばれる。ハイパスフィルタ周波数間隔は、カットオフ周波数がハイパスフィルタ周波数間隔内にある場合にハイパスフィルタh_HP(z)が雑音重畳音声信号y(t)に適用されるように選択される。

ハイパスフィルタが有効かを決定する更に別の方法は、ステップ４１０において取得される目標ハイパス阻止域ゲインA_HP ^desired又は係数αを解析することである。ハイパスフィルタの目標阻止域ゲインA_HP ^desired又はαの解析は、例えばA_HP ^desired(α)がA_HP ^desiredに対して−３ｄＢ及びαに対して０．５等の特定の閾値を上回る（あるいは、αが下回る）かに関してチェックすることを含む。阻止域の目標ゲインA_HP ^desiredが閾値を上回る場合（又はαがα閾値を下回る場合）、目標ゲインは雑音抑圧フィルタh_NS(z)により効率的に取得されるのに十分なほど低いと結論付けられるだろう。

ハイパスフィルタがフィルタ構成の特定の場合に含まれるべきかを解析する上述の方法は、任意の組合せで使用されるか、あるいは１つの方法のみが独自に実現される（又は方法は実現されない）。そのような解析においてハイパスフィルタがフィルタ構成に含まれるべきではないことが分かる場合、ハイパスフィルタは例えばh_HP(z)=1に設定されるか、あるいはフィルタ構成のハイパスフィルタ成分h_HP(z)は容易に省略される。

ハイパスフィルタを選択する図４に示す方法は、y(t)の全ての時間フレームに対して使用される一定のハイパスフィルタを決定するのに使用されるか、あるいは例えば新しい時間フレーム毎に時々繰り返される。

図５において、本発明に従って動作するフィルタ設計装置５００が概略的に示される。フィルタ設計装置５００は、フィルタリングされる雑音重畳音声信号y(t)を受信する入力部５０５、ハイパスフィルタh_HP(z)を示す信号を出力する出力部５１０及び雑音抑圧フィルタh_NS(z)を示す信号を出力する出力部５１５を有する。入力部５０５は、サンプル雑音重畳音声信号y(t)を受信しかつサンプル雑音重畳音声信号y(t)の線形変換Y(ω)を生成するように構成される線形変換器１０５に接続される。フィルタ設計装置５００は、サンプル信号y(t)の線形変換Y(ω)を示す信号を受信しかつ線形変換Y(ω)に基づいて目標総合周波数応答H_total(ω)を決定するように構成される目標応答決定器１１０を更に含む。

本発明のフィルタ設計装置５００は、ハイパスフィルタ設計装置５２０と、雑音抑圧フィルタ設計装置１１２（図１を参照）とを更に含む。ハイパスフィルタ設計装置５２０は、雑音成分n(t)の低周波数部分を抑圧するためにハイパスフィルタh_HP５(z)を設計するように構成される。図５のフィルタ設計装置５００は、互いに関係なくハイパスフィルタh_HP(z)及び雑音抑圧フィルタh_NS(z)を設計するように構成される。図６に対して分かるように、フィルタ設計装置５００により設計されるフィルタ装置は、ハイパスフィルタh_HP(z)を設計する際に雑音抑圧フィルタh_NS(z)に関する情報を使用することにより及び／又は雑音抑圧フィルタh_NS(z)を設計する際にハイパスフィルタh_HP(z)に関する情報を使用することにより、更に改善されうる。

ハイパスフィルタ設計装置５２０は、例えば図４のフローチャートにより示される方法に従って動作するように構成される。目標総合周波数応答は、ハイパスフィルタh_HP(z)を設計する際に考慮される。

フィルタ設計装置５２０及び１１２のうちの一方又は双方がフィルタ設計において考慮される他のフィルタ設計装置のフィルタ設計の結果を使用する本発明の実現例において、フィルタ設計装置５００は残留周波数応答決定装置を含むのが有利である。残留周波数応答決定装置は、フィルタ設計装置５２０又は１１２のうちの一方がフィルタを生成すると、まだ提供されていない目標総合フィルタ応答H_total(ω)の部分を決定するように構成される。図６ａ及び図６ｂにおいて、本発明の本態様の実施形態が示される。

図６ａはフィルタ設計装置５００の一実施形態を示す。図６ａにおいて、ハイパスフィルタ設計装置５２０は雑音抑圧フィルタ設計装置１１２を開始する前に開始される。本実施形態において、フィルタ設計装置５００は、雑音抑圧フィルタh_NS(z)により提供されるべき目標総合周波数応答H_total(ω)の部分を決定するように構成される残留周波数応答決定装置６００を更に含む。この部分は目標雑音抑圧周波数応答、H_NS(ω)と呼ばれる。図６ａの残留周波数応答決定装置６００は、目標応答決定器１１０及びハイパスフィルタ設計装置５２０から情報を受信するように構成される。残留周波数応答決定装置６００は、所望の雑音抑圧フィルタ周波数応答、H_NS(ω)を示す信号を雑音抑圧フィルタ設計装置１１２に搬送するように更に構成される。

図６ａのハイパスフィルタ設計装置５２０は、目標総合周波数応答H_total(ω)を示す信号を受信し、かつこのH_total(ω)信号に応答してハイパスフィルタh_HP(z)を生成するように構成される。しかし、ハイパスフィルタ設計装置５２０は、周波数応答部分信号６０５ａを残留周波数応答決定装置６００に搬送するように更に構成される。周波数応答部分信号６０５ａは、ハイパスフィルタh_HP(z)により提供される総合周波数応答H_total(ω)の一部分を示す。周波数応答部分信号６０５ａは、ハイパスフィルタh_HP(z)に関する情報又はハイパスフィルタの実現された周波数応答、A_HP ^realised(ω)に関する情報を含むのが有利である。

図６ｂに本発明の別の実施形態を示す。図６ｂにおいて、雑音抑圧フィルタ設計装置１１２はハイパスフィルタ設計装置５２０を開始する前に開始される。本実施形態において、残留周波数応答決定装置６００は、ハイパスフィルタh_HP(z)により提供されるべき目標総合周波数応答、H_total(ω)の部分を決定するように構成される。この部分は目標ハイパス周波数応答、H_HP(ω)と呼ばれる。図６bの残留周波数応答決定装置６００は、目標応答決定器１１０及び雑音抑圧フィルタ設計装置１１２から情報を受信するように構成される。図６ｂの残留周波数応答決定装置６００は、所望のハイパスフィルタ周波数応答、H_HP(ω)を示す信号をハイパスフィルタ設計装置５２０に搬送するように更に構成される。

図６ｂの実施形態において、雑音抑圧フィルタ設計装置１１２は、周波数応答部分信号６０５ｂを残留周波数応答決定装置６００に搬送するように構成される。周波数応答部分信号６０５ｂは、雑音抑圧フィルタh_NS(z)により提供される総合周波数応答H_total(ω)の部分を示す。周波数応答部分信号６０５ｂは、雑音抑圧フィルタ設計装置１１２により決定される雑音抑圧フィルタh_NS(z)に関する情報又は雑音抑圧フィルタの実現された周波数応答、H_NS ^realisedに関する情報を含むのが有利である。

図６ａ及び図６ｂの残留目標周波数応答装置６００は、目標総合周波数応答H_total(ω)及び周波数応答部分信号６０５ａ又は６０５ｂに基づいて残留目標周波数応答H_NS(ω)又はH_HP(ω)を決定するように構成される。周波数応答部分信号６０５が既に決定されたフィルタ（どちらのフィルタが既に決定されたかに依存して、ハイパスフィルタ又は雑音抑圧フィルタ）により取得される周波数応答に関する情報を搬送する場合、残留目標周波数応答H_NS(ω)又はH_HP(ω)は式（５）により取得される。周波数応答部分信号６０５ａ及び６０５ｂが既に決定された実際の時間領域フィルタ、h_HP(z)又はh_NS(z)に関する情報を搬送する本発明の本実施形態の実現例において、線形変換F[・]は、既に決定されたフィルタの周波数応答を取得するためにフィルタ応答部分信号６０５に適用されるのが好ましく、残留目標周波数応答は式（５）に従って決定される。

図５、図６ａに示すフィルタ設計装置５００の種々の実施形態において、ハイパスフィルタ設計装置５２０は、直接的に又は間接的に（例えば、選択される雑音抑圧フィルタの周波数応答を示す信号を介して）目標総合周波数応答H_total(ω)を示す信号を受信するように構成される。しかし、同一のハイパスフィルタh_HP(z)が雑音重畳音声信号y(t)の全ての場合に適用される本発明の実現例において、ハイパスフィルタ設計装置５２０は目標周波数応答H_total(ω)を示す任意の情報を必要とせず、目標応答決定器１１０とハイパスフィルタ設計装置５２０との間又はハイパスフィルタ設計装置５２０と雑音抑圧フィルタ設計装置１１２との間に接続は必要ない。

フィルタ応答部分信号６０５ａ又は６０５ｂが決定されるフィルタh_HP(z)又はh_HP(z)に関する情報を搬送する際、フィルタ応答部分信号６０５ａ又は６０５ｂは、それぞれハイパスフィルタ設計装置又は雑音抑圧フィルタ設計装置から出力されるフィルタ信号からタップされてもよい。あるいは、フィルタ応答部分信号６０５は別個の出力部から信号を伝送されてもよい。

ハイパスフィルタh_HP(z)及び雑音抑圧フィルタh_NP(z)がフィルタ設計装置５００により決定されている場合、フィルタは、それぞれ出力部５１０及び５１５を介して出力されてもよく、カスケードに雑音重畳音声信号y(t)に適用されてもよい。

図４に対して上述されたように、フィルタ設計装置５００は、ハイパスフィルタを適用するのが効果的かを判断するように構成されるハイパスフィルタ効果評価装置（不図示）を含んでもよい。フィルタ設計装置５００は、例えばバッファ等の他の成分を更に含んでもよい。

フィルタ設計装置５００は、適切なコンピュータソフトウェア及び／又はハードウェアにより実現されるのが有利である。フィルタ設計装置５００は、音声を伝送するユーザ装置、例えば移動電話、固定電話、携帯用無線電話機等で実現されるのが有利である。フィルタ設計装置は、音響信号が処理される他の種類のユーザ装置、例えばカムコーダ、ディクタフォン等で更に実現されてもよい。図８において、本発明に係るフィルタ設計装置を含むユーザ装置８００が示される。ユーザ装置８００は、音響信号を記録する際に、かつ／あるいは異なる時間において及び／又は異なるユーザ装置により記録された音響信号を再生する際に、本発明に従って雑音抑圧を実行するように構成される。フィルタ設計装置５００は、他のデバイス、例えば通信ネットワークのノードにおいて更に実現される。

本発明により、更に高い周波数において性能を維持したまま、低周波数において効率的に雑音を低減できる。人間の耳は低周波数に対して非常に敏感であるため、低周波数の雑音が効率的に抑圧される場合、行なわれた改良は有用である。本発明は、特に、雑音重畳音声記録に適用可能である。音声は最低周波数において周波数成分を殆ど含まないため、これらの低周波数における雑音は、所望の音声信号に外乱を与えることなく抑圧される。しかし、本発明は、他の種類の音響記録において雑音抑圧のために適用されるのが更に有利である。雑音が抑圧される信号y(t)は、上記においては雑音重畳音声信号と呼ばれるものであったが、任意の種類の雑音重畳音響記録であってもよい。

ハイパスフィルタh_HP(z)と雑音抑圧フィルタh_NS(z)とを結合して使用することにより、雑音抑圧フィルタh_NS(z)の周波数応答h_NS(ω)における急峻な遷移の必要性が従来の雑音抑圧フィルタと比較して大幅に減少する。そのため、数が非常に減少したフィルタ係数を有する雑音抑圧フィルタh_NS(z)は、より長い従来の雑音抑圧フィルタで取得されるのと同一の結果を取得する間使用される。ハイパスフィルタh_HP(z)は、同様の総合周波数応答が得られる従来の雑音抑圧フィルタと本発明の構成の雑音抑圧フィルタの係数との数の差よりはるかに少ないフィルタ係数を有するＩＩＲフィルタを利用して実現される。従って、同様の雑音抑圧の結果を取得するのに必要なフィルタ係数の総数が減少することにより、雑音抑圧を実現するために必要な計算能力は減少する。あるいは、同一の計算能力により取得される雑音抑圧は非常に向上する。これを図７に示す。図７において、本発明は図２ａに示す例に適用されている。目標周波数応答を実線の曲線で示し、従来の雑音抑圧フィルタにより実現される周波数応答を点線の曲線で示し、本発明に係るフィルタ装置を利用して実現される周波数応答を破線の曲線で示す。従来の雑音抑圧フィルタで使用されるフィルタ係数の数は、本発明に係るフィルタ装置の雑音抑圧フィルタh_NS(z)で使用されるフィルタ係数の数と同一である。図７のグラフから分かるように、本発明のフィルタ装置を用いて取得される雑音抑圧は、低周波数における従来の雑音抑圧フィルタの雑音抑圧よりずっと適切である。更に高い周波数において、本発明の構成の目標周波数応答のエミュレーションは、従来の雑音抑圧フィルタの構成のエミュレーションと比較して同等に適切であるか又はより適切である。

所望の雑音抑圧を実現するために必要な計算能力が本発明により大幅に減少するため、本発明は電話等のリアルタイム・アプリケーションにおいて特に有利である。しかし、本発明は、音響記録が格納され後で処理されるアプリケーションにも同様に適用可能である。

本発明は、説明のためだけに提示された添付の図面及び上述の詳細な説明において開示された実施形態に限定されるものではなく、多くの異なる方法で実現されることは当業者には理解されよう。本発明は、以下の特許請求の範囲によって規定される。

Claims

音響記録を示す信号（y(t)）の雑音抑圧のためのデジタルフィルタ構成を設計する方法であって、前記デジタルフィルタ構成は、ハイパスフィルタと雑音抑圧フィルタとを含み、前記方法は、
前記信号に基づいて、前記デジタルフィルタ構成の目標総合周波数応答（H_total(ω)）を決定するステップ(300)と、
前記目標総合周波数応答に基づいて、前記ハイパスフィルタ及び前記雑音抑圧フィルタのうちの一方のフィルタである第１のフィルタの設計仕様を決定するステップ(305)と、
前記決定された前記第１のフィルタの設計仕様により実現される周波数応答の前記目標総合周波数応答に対する差を表す残留目標周波数応答を、前記ハイパスフィルタ及び前記雑音抑圧フィルタのうちの他方のフィルタである第２のフィルタの目標周波数応答として決定するステップ(310)と、
前記残留目標周波数応答に基づいて、前記第２のフィルタの設計仕様を決定するステップ(315)と、
を有することを特徴とする方法。
前記第１のフィルタとして前記ハイパスフィルタが選択され、前記第２のフィルタとして前記雑音抑圧フィルタが選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記第１のフィルタとして前記雑音抑圧フィルタが選択され、前記第２のフィルタとして前記ハイパスフィルタが選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記ハイパスフィルタの設計仕様を決定するときに、前記ハイパスフィルタの阻止域における前記雑音抑圧フィルタの前記応答の推定が考慮されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
前記目標総合周波数応答及び前記デジタルフィルタ構成は、定期的に更新されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
前記目標総合周波数応答の特定の場合において、前記デジタルフィルタ構成に前記ハイパスフィルタを使用することが有効かどうかを検査するステップと、
前記ハイパスフィルタを使用することが有効でない場合、前記特定の場合についてはハイパスフィルタが含まれないように前記デジタルフィルタ構成を実現するステップと、
を更に有することを特徴とする請求項５に記載の方法。
音響記録を示す信号（y(t)）の雑音抑圧のためのデジタルフィルタ構成を設計するためのデジタルフィルタ設計装置(500)であって、
前記信号に基づいて、前記デジタルフィルタ構成の目標総合周波数応答（H _total (ω)）を決定する目標総合周波数応答決定装置(110)と、
前記目標総合周波数応答（H _total (ω)）に基づいて、ハイパスフィルタの設計仕様を決定するハイパスフィルタ設計装置(520)と、
前記決定された前記ハイパスフィルタの設計仕様により実現される周波数応答の前記目標総合周波数応答に対する差を表す残留目標周波数応答を決定する残留目標周波数応答決定装置(600)と、
前記残留目標周波数応答に基づいて、雑音抑圧フィルタの設計仕様を決定する雑音抑圧フィルタ設計装置(112)と、
を有することを特徴とするデジタルフィルタ設計装置。
音響記録を示す信号（y(t)）の雑音抑圧のためのデジタルフィルタ構成を設計するためのデジタルフィルタ設計装置(500)であって、
前記信号に基づいて、前記デジタルフィルタ構成の目標総合周波数応答（H _total (ω)）を決定する目標総合周波数応答決定装置(110)と、
前記目標総合周波数応答（H_total(ω)）に基づいて、雑音抑圧フィルタの設計仕様を決定する雑音抑圧フィルタ設計装置(112)と、
前記決定された前記雑音抑圧フィルタの設計仕様により実現される周波数応答の前記目標総合周波数応答に対する差を表す残留目標周波数応答を決定する残留目標周波数応答決定装置(600)と、
前記残留目標周波数応答に基づいて、ハイパスフィルタ（h_HP(z)）の設計仕様を決定するハイパスフィルタ設計装置(520)と、
を有することを特徴とするデジタルフィルタ設計装置。
請求項７又は８に記載のデジタルフィルタ設計装置を有するユーザ装置(800)。
音響記録を示す信号の雑音抑圧のためのデジタルフィルタ装置であって、
前記信号を受信する入力部と、
請求項７又は８に記載のデジタルフィルタ設計装置によって設計されたハイパスフィルタ及び雑音抑圧フィルタを、前記入力部を介して受信した前記信号にカスケードに適用することで前記信号をフィルタリングするフィルタ処理部と、
前記フィルタ処理部によりフィルタリングされた信号を出力する出力部と、
を有することを特徴とするデジタルフィルタ装置。
音響記録を示す信号（y(t)）の雑音抑圧のための、ハイパスフィルタと雑音抑圧フィルタとを含むデジタルフィルタ構成を設計するためのプログラムであって、コンピュータに、
受信した前記信号に基づいて、前記デジタルフィルタ構成の目標総合周波数応答(H_total(z, ω))を決定するステップ(300)、
前記目標総合周波数応答に基づいて、前記ハイパスフィルタ及び前記雑音抑圧フィルタのうちの一方のフィルタである第１のフィルタの設計仕様を決定するステップ(305)、
前記決定された前記第１のフィルタの設計仕様により実現される周波数応答の前記目標総合周波数応答に対する差を表す残留目標周波数応答を、前記ハイパスフィルタ及び前記雑音抑圧フィルタのうちの他方のフィルタである第２のフィルタの目標周波数応答として決定するステップ(310)、
前記残留目標周波数応答に基づいて、前記第２のフィルタの設計仕様を決定するステップ(315)、
を実行させるためのプログラム。