JP5510288B2 - 適応フィルタ次数制御装置及びプログラム、並びに、エコーキャンセラ - Google Patents
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Description
従来方法1は、エコー経路のインパルス応答時間の最大値を前もって想定しておき、エコーキャンセラの適応フィルタ次数もこの最大値に設定しておく方法である。従来方法1では、上述した最大値に設定された適応フィルタ次数をその後に変更することはない。
従来方法2は、エコー経路のインパルス応答時間の最大値を前もって想定しておき、適応フィルタが収束するまで待ち、適応フィルタ収束後に、適応フィルタの係数の分布を解析し、適応制御区間を定める方法である(特許文献1、2参照)。具体的に説明すると、例えば、反射が2回発生するエコー経路を考えてみると、エコーキャンセラの適応フィルタ収束後には、適応フィルタの係数は、ほぼ反射が2回発生するエコー経路のインパルス応答と同様の分布を示すことになる。よって、適応フィルタの全長は、各回の反射によるエコー経路のインパルス応答区間を共に含む区間に相当する値に設定し直し、適応制御区間は、1回目の反射によるエコー経路のインパルス応答区間と2回目の反射によるエコー経路のインパルス応答区間の長い区間に相当する区間に限定すれば、最小のリソースで最大の効果を得ることが可能となる。
従来方法3では、まず、エコーキャンセラの適応フィルタの次数を適当な値に設定しておき、そして、エコーリターンロス改善量(ERLE:Echo Return Loss Enhancement)が前もって定めた閾値を下回るときは、適応フィルタ次数が足りないと判断し、適宜、適応フィルタの次数を増加させ、ERLEが閾値以上となるまでこの処理を繰り返す(特許文献3、4参照)。ERLEは、エコー信号が含まれている送信信号の2乗を、エコー成分を除去した後のエコー除去後信号の2乗で割り、このような除算結果の統計的平均として定義される値である。
本発明による適応フィルタ次数制御装置及びプログラム、並びに、エコーキャンセラの各実施形態を説明する前に、各実施形態に共通する前提を説明する。
各実施形態は、連続値系であるアナログ信号のエコーという物理現象に係るものではあるが、今日ではアナログ信号処理よりもコスト/パフォーマンスに圧倒的に優れるデジタル信号処理が普及しており、各実施形態もデジタル信号処理による実現を想定している。以下の説明では、アナログ信号の現象や処理であったとしても、離散値系で説明していることを前もって断っておく。
各実施形態の技術思想は、回線エコーキャンセラにも音響エコーキャンセラにも適用し得るものである。以下では、各実施形態が適用可能な回線エコーキャンセラと音響エコーキャンセラを順に確認しておく。
音響エコーキャンセラは、スピーカとマイクを使用するハンズフリーホンや会議装置において、通信相手(遠端話者)から受信した音声信号がスピーカから音波として放射され、当該音波がマイクに回り込むエコー信号(音響エコー)となって遠端話者に戻り、通話品質が劣化することを抑制する装置である。
各実施形態が前提としている、エコーを生成するエコー経路の数学的な表現は、以下の通りである。
図3は、エコーキャンセラ周辺の一般的な構成を模式的に示すブロック図である。
(3)式で現れる適応フィルタの次数Nは、実際のエコー経路をFIRフィルタで表現したときの当該FIRフィルタ次数をMとすると、M以上でしかも極力Mに近い値であることが、エコーキャンセラのエコー消去量と追従速度の観点から、また、処理量、装置実装規模、コスト、消費電力などの観点から望ましい。
適応フィルタの次数が充足しているか、それとも不足しているかを判断するには、シングルトーク中(遠端話者:話中状態、近端話者:受聴状態)に、遠端話者から受信した信号レベルと、当該受信信号が近端話者側に存在するエコー経路を介して遠端話者に戻るエコー信号レベルを測定し、これらから、エコーリターンロス(=エコー信号レベル/受信信号レベル)を算出し、当該ロスが規定値以上のときは適応フィルタの次数は充足していると判断でき、逆に、規定値未満のときは適応フィルタの次数は不足していると判断できる。
以下、本発明による適応フィルタ次数制御装置及びプログラム、並びに、エコーキャンセラの第1の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図4は、第1の実施形態に係るエコーキャンセラの構成を示すブロック図である。第1の実施形態に係るエコーキャンセラは、ハードウェアで構成することも、プログラムとそれを実行するCPUとによってソフトウェア的に構成することも可能であるが、いずれの場合にせよ、図4の機能ブロック図で表すことができる。
(R2)近端話者側に配置されているエコー経路のインパルス応答を推定可能であること
(R3)推定したエコー経路のインパル応答と、遠端からの受信信号とから、近端話者側からの送信信号に含まれているエコー信号を推定可能であること((3)式参照)
(R4)適応フィルタの次数は、通信中に指定された値に変更可能であること((3)式参照)
(R5)遠端話者が話中かつ近端話者が受聴となっているシングルトーク状態であることを外部から通知されたときにのみ、適応フィルタ係数の更新を実施すること((5)式参照)
(R6)以上の機能を使用して、近端話者からの送信信号に含まれている遠端話者信号のエコー信号を除去することが可能であること((4)式参照)
ここで、要求条件R4は、上述した(3)式における総和Σの範囲を変更することで容易に応じられる。要求条件R5は、上述した(5)式における時刻nから時刻n+1への移行を、シングルトーク状態中に限り実施させることで容易に応じられる。
次に、第1の実施形態のエコーキャンセラ4の動作を、適応フィルタ次数制御装置4−2の動作を中心に説明する。
0.5・xs>ds …(7)
α・xs・dl>ds・xl
但し、αはα>1を満たす定数である …(8)
(6)式の条件は、受信信号x(n)の短時間平均値xsが、前もって規定した閾値xs_thを超過するときに条件が成立する。閾値xs_thは、(6)式の条件が成立したときに遠端話者が話中であると判断できる値に選定されている。
(9)式は、ITU−T勧告G.168で規定されているエコーキャンセラの外的動作条件になっており、この外的動作条件は、エコー経路の減衰率が0.5未満であることを要求している。一般に、電話回線のエコー経路の減衰率は0.5よりも低く設定されている。なお、エコー経路の減衰率が0.5未満の場合でも、近端話者が話中状態のときは、送信信号d(n)の短時間平均値dsに近端話者の音声が重量されて(9)式が成立しなくなる可能性があるが、その際は、シングルトーク状態ではないと判断され、適応フィルタ4−3の係数更新が停止され、フィルタ係数の発散が防止される。(7)式の条件は、一面で(条件不成立)、近端話者の話中状態を検出する条件と見なすこともできる。しかしながら、近端話者の話中検出は、(8)式の条件の方がより感度に優れている。
(10)式において、dl/xlとds/xsは共に、エコー経路の減衰率を表しているが、dl/xlは、長時間平均で、しかも、シングルトーク状態中にのみ観測した値になっているのに対して、ds/xsは、短時間平均で常時測定した値になっている。従って、エコー経路の長時間減衰率dl/xlはエコー経路の正確な減衰率を示している。これに対して、エコー経路の短時間減衰率ds/xsは、近端話者が喋りだすと長時間減衰率dl/xlよりも大きくなると共に、短時間平均なのでエコー経路の減衰率変動に対する追従速度が速いものである。(8)式の条件の長所は、信号レベルを絶対レベルと判定するのではなく、dl/xlとds/xsとを相対比較していることである。これは、受信信号x(n)の信号レベルのダイナミックレンジが広いときでも正確にシングルトーク状態を判定できることを意味している。但し、受信信号x(n)の信号レベルが小さくなるほど、(8)式の条件を単体で見るとその信頼性は劣化するが、(6)式の条件により受信信号x(n)に一定以上のレベルがあることが保証されているので、(8)式の条件の信頼性は十分である。
>20log10(ds/xs) …(11)
20log10xs+20log10α+20log10(dl/xl)
>20log10ds …(12)
ここで、(11)式において、短時間平均であるds/xsの観点からは、dl/xlは定数と見なすことが可能である。(6)式、(7)式、(12)式を図6のように図示することで、シングルトークの動作領域が明確化される。図6は両対数グラフである。縦軸は20log10dsであり、すなわち、送信信号d(n)の短時間平均値dsのdBm表示である。横軸は20log10xsであり、すなわち、受信信号x(n)の短時間平均値xsのdBm表示である。
上記第1の実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
一般的には、エコーキャンセラ4の適応フィルタ4−3の次数をNとし、エコー経路を仮想的にFIRフィルタで表現したときの次数をMとすると、適応フィルタ次数Nが固定の場合、エコーキャンセラ4はM≦Nなるエコー経路のエコーしか消去することができない。第1の実施形態では、適応フィルタ次数Nを動的に増加させることができるので、適応フィルタ次数Nが取り得る最大値までのMに対応させることができる。
エコーキャンセラ4の適応フィルタ次数Nと、エコー経路を仮想的にFIRフィルタで表現したときの次数Mとが一致するときに、エコーキャンセラ4はエコー経路の各種特性の時間的変動に最も適切に追従することが知られている。第1の実施形態では、適応フィルタ次数Nを動的に増加させることができるので、次数Mが未知であっても適応フィルタ次数NをM以上の極力Mに近い値にすることが可能であり、良好な追従性を実現することができる。
通信中の転送サービスにより、エコー経路のインパルス応答長が突如増大しても、第1の実施形態では対処可能である。
次に、本発明による適応フィルタ次数制御装置及びプログラム、並びに、エコーキャンセラの第2の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図8は、第2の実施形態に係るエコーキャンセラの構成を示すブロック図であり、第1の実施形態に係る図4との同一、対応部分には同一、対応符号を付して示している。
第2の実施形態に関しては、適応フィルタ次数決定部5−11が実行する適応フィルタ次数Nの決定動作を説明する。
区間Lを増加単位ΔLずつ徐々に増加させながら、(15)式を満足するか否かを確認し、(15)式を満足するようになったとき、そのときの区間Lより増加単位ΔLだけ短い区間L−ΔLが切り詰めてよい区間であり、(16)式に示すように、適応フィルタ次数Nを、今までの値から切り詰めて良い区間L−ΔLだけ小さく更新させる。
図9は、第2の実施形態の適応フィルタ次数決定部5−11の処理を示すフローチャートであり、第1の実施形態に係る図7との同一ステップには同一符号を付している。図9は、上述したような第2の実施形態に特有な処理を含むものである。
第2の実施形態によっても、上述した第1の実施形態と同様な効果を奏することができる。第2の実施形態によれば、さらに、以下の効果を奏することができる。適応フィルタ次数Nを、その次数で定まる適応フィルタのフィルタ係数の電力に対する、最後尾側の電力を確認しつつ、インパルス応答の振動がないと捉えられる最後尾側の区間に相当する分だけ、適応フィルタ次数Nを切り詰めるようにしたので、エコー経路の次数Mが通信中に大幅に減少することが多い通信環境の場合や、エコーキャンセラで消費するリソースを僅かでも経済化したい要求がある場合に有効である。
上記各実施形態では、(6)式〜(8)式の条件を適用してシングルトーク状態を検出するシングルトーク検出器5−10の検出結果を、適応フィルタ次数決定部5−11が利用するものを示したが、エコーキャンセラ本体に設けられているダブルトーク検出器のシングルトーク状態という検出結果を利用するようにしても良い。
Claims (4)
- 次数を変更可能な適応フィルタによって推定エコー信号を形成するエコーキャンセラ本体に対し、上記適応フィルタの次数を指示する適応フィルタ次数制御装置において、
遠端話者が話中状態、近端話者が受聴状態にあるシングルトーク状態のシングルトーク検出手段と、
シングルトーク状態中に、遠端話者からの受信信号の信号レベルと、当該受信信号が近端話者側に存在するエコー経路を介して遠端話者に戻るエコー信号の信号レベルを測定し、エコーリターンロスを検出するエコーリターンロス検出手段と、
上記エコーリターンロスが既定値に到達するまで、上記適応フィルタの次数を初期値から徐々に大きくしていって、上記適応フィルタの次数を定める適応フィルタ次数探索手段と
を有することを特徴とする適応フィルタ次数制御装置。 - エコーリターンロスが既定値に到達後に、上記適応フィルタの収束したフィルタ係数の分布から、切り詰め可能な係数の最後尾側の区間を決定し、その区間に相当する分だけ上記適応フィルタの次数を減少させる適応フィルタ次数減少手段をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の適応フィルタ次数制御装置。
- 次数を変更可能な適応フィルタによって推定エコー信号を形成するエコーキャンセラ本体に対し、上記適応フィルタの次数を指示する適応フィルタ次数制御プログラムであって、
コンピュータを、
遠端話者が話中状態、近端話者が受聴状態にあるシングルトーク状態のシングルトーク検出手段と、
シングルトーク状態中に、遠端話者からの受信信号の信号レベルと、当該受信信号が近端話者側に存在するエコー経路を介して遠端話者に戻るエコー信号の信号レベルを測定し、エコーリターンロスを検出するエコーリターンロス検出手段と、
上記エコーリターンロスが既定値に到達するまで、上記適応フィルタの次数を初期値から徐々に大きくしていって、上記適応フィルタの次数を定める適応フィルタ次数探索手段と
して機能させることを特徴とする適応フィルタ次数制御プログラム。 - 次数を変更可能な適応フィルタによって推定エコー信号を形成するエコーキャンセラ本体と、
上記エコーキャンセラ本体に対し、上記適応フィルタの次数を指示する請求項1又は2に記載の適応フィルタ次数制御装置と
を有することを特徴とするエコーキャンセラ。
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