JP5640393B2 - エコー除去装置、方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明はエコー除去装置、方法及びプログラムに関し、例えば、ソフトフォンにおける音響エコーを除去するために適用し得る。

近年、ＶｏＩＰ（Ｖｏｉｃｅ ｏｖｅｒ ＩＰ）を利用したＩＰ電話が普及している。これを、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）上のアプリケーションとして実現するものがあり、一般にソフトフォンと称されている。ソフトフォンにおいては、音声の入出力に際して、ＰＣに内蔵された汎用的なサウンドデバイス（Ａ／ＤやＤ／Ａ）、デバイスドライバが利用される。

ところが、このようなデバイスやドライバは、ＰＣ上で動作する他のソフトウェアと時分割で動作させているため、他のソフトウェアの処理によっては、音声の入出力に途切れや欠落が生じて不連続になる。このことは、エコー除去装置にとっては、エコー経路の特性（特に、遅延時間）が変化しているように見え、しかも、このようなエコー経路の特性変化は、他のソフトウェア処理との時分割処理の関係で突発的であり、マイクロフォンからの音声信号に含まれているエコー成分を除去するのは困難であった。

このようなエコー特性の変化に対応する方法として、特許文献１に記載の方法がある。特許文献１の記載技術は、エコー経路の開始点とエコーキャンセラを接続する参照信号線を、エコー経路中の受信側バッファと送信側バッファを経由して配線する方法である。

しかしながら、特許文献１の記載技術は、ＰＣの改修又は特殊な回路の追加が必要になり、汎用的なＰＣの機能、特性を阻害する恐れがあり、話者であるＰＣユーザにとっては、使い勝手の悪いものとなっていた。

このような課題を解決するために、特許文献２では、ハードウェアの変更を伴わないエコーキャンセラが提案されている。特許文献２に記載のエコーキャンセラは、送話信号を平滑化した平滑送話信号を算出する平滑送話信号計算手段と、受話信号を平滑化した平滑受話信号を算出する平滑受話信号計算手段と、平滑送話信号及び平滑受話信号の相関に基づき、エコー経路による遅延特性を反映させた遅延時間情報を得る遅延時間情報形成手段と、送話信号、受話信号及び遅延時間情報に基づき、適応フィルタのタップ係数の更新又は更新停止を指示する更新情報を得る更新情報形成手段とを備える。

特開２００４−４０５８９号公報 特開２００７−１８９５４３号公報

しかしながら、特許文献２に記載のエコーキャンセラは、エコー遅延時間の突発的変化に完全には追従できない場合があり、このときにはエコーを十分に除去できず、エコー残差が残っていた。

そのため、エコー遅延時間の突発的変化などが生じても、エコー成分を十分に除去することができるエコー除去装置、方法及びプログラムが望まれている。

第１の本発明のエコー除去装置は、（１）遠端信号に基づいて擬似エコー信号を生成し、近端信号に含まれているエコー成分を除去するエコーキャンセラ本体と、（２）上記遠端信号の周波数特性を分析し、周波数成分毎に、雑音成分に対する信号成分の評価値を算出する周波数成分評価手段と、（３）上記遠端信号の周波数成分毎の算出された評価値に応じ、上記エコーキャンセラ本体からの出力信号において、エコー成分の消し残りがあると推定できる周波数成分を操作する近端周波数特性操作手段とを有し、（４）上記周波数成分評価手段は、上記遠端信号の周波数成分毎に、無音時の平均パワーを算出し、無音時の平均パワーに対する現時点のパワーの比を上記評価値として算出することを特徴とする。

第２の本発明のエコー除去方法は、（１）エコーキャンセラ本体が、遠端信号に基づいて擬似エコー信号を生成し、近端信号に含まれているエコー成分を除去し、（２）周波数成分評価手段は、上記遠端信号の周波数成分毎に、無音時の平均パワーを算出し、無音時の平均パワーに対する現時点のパワーの比を、雑音成分に対する信号成分の評価値として算出し、（３）近端周波数特性操作手段が、上記遠端信号の周波数成分毎の算出された評価値に応じ、上記エコーキャンセラ本体からの出力信号において、エコー成分の消し残りがあると推定できる周波数成分を操作することを特徴とする。

第３の本発明のエコー除去プログラムは、コンピュータを、（１）遠端信号に基づいて擬似エコー信号を生成し、近端信号に含まれているエコー成分を除去するエコーキャンセラ本体と、（２）上記遠端信号の周波数成分毎に、無音時の平均パワーを算出し、無音時の平均パワーに対する現時点のパワーの比を、雑音成分に対する信号成分の評価値として算出する周波数成分評価手段と、（３）上記遠端信号の周波数成分毎の算出された評価値に応じ、上記エコーキャンセラ本体からの出力信号において、エコー成分の消し残りがあると推定できる周波数成分を操作する近端周波数特性操作手段として機能させることを特徴とする。

本発明によれば、遠端信号の周波数特性を分析し、これを基に、エコー除去後の近端信号の周波数特性を操作するようにしたので、エコー成分の消し残りを抑圧することができる。

実施形態のエコー除去装置の機能的構成を示すブロック図である。 実施形態における無音時平均パワーの算出方法の説明図である。 実施形態における周波数操作（減衰）させる周波数成分の決定方法の説明図である。

（Ａ）主たる実施形態
以下、本発明によるエコー除去装置、方法及びプログラムの一実施形態を、図面を参照しながら説明する。

（Ａ−１）実施形態の構成
図１は、実施形態のエコー除去装置の機能的構成を示すブロック図である。実施形態のエコーキャンセラは、例えば、専用ボードとして構築されたものであっても良く、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）へのエコー除去プログラムの書き込みによって実現されたものであっても良く、ＣＰＵと、ＣＰＵが実行するソフトウェア（エコー除去プログラム）によって実現されたものであっても良いが、機能的には、図１で表すことができる。但し、実施形態のエコー除去装置は、ＰＣ（ソフトフォン）に搭載されることを意図して開発されたものである。

図１おいて、実施形態のエコー除去装置１００は、エコーキャンセラ本体１０１、有音無音判定回路１０２、周波数特性分析回路１０３及び周波数特性操作回路１０４を有する。

実施形態のエコー除去装置１００は、図示しないマイクロフォン（マイク）が捕捉し、デジタル化されたデジタル送話信号（以下、近端信号と呼ぶ）ｓｉｎ（ｎ）に含まれている、遠方からのデジタル受話信号（以下、遠端信号と呼ぶ）ｒ（ｎ）の成分を除去するものである。この実施形態の場合、エコー除去装置１００から出力されたある時点の遠端信号ｒ（ｎ）が、エコー成分として、エコー除去装置１００へ入力される近端信号ｓｉｎ（ｎ）に含まれているようになる、エコー経路での遅延特性が一定でないことを前提としている。例えば、エコー除去装置１００よりスピーカ側で遠端信号を処理する構成や、エコー除去装置１００よりマイクロフォン側で近端信号を処理する構成が、ＣＰＵによる時分割処理によるソフトウェア処理構成である場合に、このような遅延特性の変化が生じる。

エコーキャンセラ本体１０１は、近端信号ｓｉｎ（ｎ）からエコー成分を除去したエコー除去信号ｓｏｕｔ（ｎ）を出力するものであり、既存のエコー除去装置の構成を適用できる。例えば、エコーキャンセラ本体１０１には、特許文献２に記載のエコーキャンセラの構成を適用することができる。この実施形態の場合、エコーキャンセラ本体１０１は、エコー遅延時間Ｔを周波数特性分析回路１０３に出力する。エコーキャンセラ本体１０１は、例えば、適応フィルタにおけるフィルタ係数が最も大きいタップに対応した時間をエコー遅延時間Ｔとして出力する。

有音無音判定回路１０２、周波数特性分析回路１０３及び周波数特性操作回路１０４は、エコー除去信号ｓｏｕｔ（ｎ）に残っているエコー残差成分を抑圧するものである。

有音無音判定回路１０２は、遠端信号ｒ（ｎ）が有音であるか無音であるかを判定し、その判定結果Ｖを周波数特性分析回路１０３に与えるものである。有音無音判定は、例えば、遠端信号ｒ（ｎ）の所定時間（フレーム）毎に行い、信号パワーを閾値と比較して、閾値を超える場合に有音、そうでない場合に無音と判定する方法を適用できる。但し、他の有音無音判定方法を適用しても良いことは勿論である。

周波数特性分析回路１０３は、遠端信号ｒ（ｎ）の周波数特性を分析し、周波数特性操作回路１０４が操作する周波数成分、言い換えると、エコー除去信号ｓｏｕｔ（ｎ）にエコー残差成分として残っていると推測できる周波数成分を決定するものである。周波数特性分析回路１０３は、無音区間における平均的なパワーを基準とし、この基準より、有音区間において十分に大きいパワーを有する周波数成分を、周波数特性操作回路１０４が操作する周波数成分に決定する。

以下、決定方法の一例を具体的に説明する。周波数特性分析回路１０３は、例えば、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）などを用いて遠端信号ｒ（ｎ）の周波数成分毎の大きさ（振幅特性；パワー）を得る。周波数特性分析回路１０３は、周波数成分毎に、過去の無音部分の一定期間分の平均値を計算する。例えば、図２に示すように、有音フレーム（ｖ）と無音フレーム（ｕ）とが出現する場合において、過去の一定期間を８フレーム（実際はこれより多い）とし、現在のフレームがフレームＦ３であれば、周波数成分毎に、フレームＦ３、Ｆ６、Ｆ８及びＦ１０のパワーを平均する。現在のフレームがフレームＦ２であれば、周波数成分毎に、フレームＦ２、Ｆ３、Ｆ６及びＦ８のパワーを平均する。現在のフレームがフレームＦ１であれば、周波数成分毎に、フレームＦ２、Ｆ３、Ｆ６及びＦ８のパワーを平均する。周波数特性分析回路１０３は、現時点（現フレーム）の有音、無音を問わず、周波数毎に、無音時平均パワーＰＭｉ（ｉは周波数成分を表す）に対する現時点のパワーＰｉの比（現パワー／無音時平均パワー＝Ｐｉ／ＰＭｉ）を計算し、このパワー比が、閾値ＴＨより大きくなっている周波数成分を検出し、その周波数成分情報Ｃを周波数特性操作回路１０４に出力する。例えば、図３の例であれば、周波数成分ｆ１、ｆ３及びｆ４が周波数成分情報Ｃに記述されることとなる。ここで、周波数特性分析回路１０３は、周波数成分情報Ｃをエコー遅延時間Ｔだけ遅延させてから出力する。なお、周波数特性分析回路１０３は、周波数成分情報Ｃを直ちに出力し、周波数特性操作回路１０４が、その周波数成分情報Ｃを、エコー遅延時間Ｔだけ後で利用するようにしても良い。

周波数特性操作回路１０４は、エコーキャンセラ本体１０１からの出力信号ｓｏｕｔ（ｎ）における、周波数成分情報Ｃで示される周波数成分に対して、ある一定量（例えば６ｄＢ）だけの減衰を施し、その減衰後の信号をエコー除去装置１００からの最終的な出力信号ｓ（ｎ）として出力する。周波数特性操作回路１０４は、例えば、ＦＦＴにより、信号ｓｏｕｔ（ｎ）を周波数軸上の信号に変換し、そして、必要な周波数成分に対して減衰を行い、減衰操作後の周波数軸上の信号を、逆ＦＦＴにより時間上の信号に変換することで、最終的な出力信号ｓ（ｎ）を得る。

（Ａ−２）実施形態の動作
次に、実施形態のエコー除去装置１００の動作（エコー除去方法）を説明する。

遠端信号ｒ（ｎ）がエコーパスを介して近端信号ｓｉｎ（ｎ）に回り込んだエコー成分は、エコーキャンセラ本体１０１によって除去され、その除去後の近端信号であるエコー除去信号ｓｏｕｔ（ｎ）が出力される。しかしながら、エコー除去信号ｓｏｕｔ（ｎ）にエコー成分が残っていることもあり得、そのようなエコー残差成分は、有音無音判定回路１０２、周波数特性分析回路１０３及び周波数特性操作回路１０４でなるエコー残差消去構成によって軽減若しくは消去される。

遠端信号ｒ（ｎ）は、有音無音判定回路１０２に与えられ、有音無音判定回路１０２によって、遠端信号ｒ（ｎ）が有音であるか無音であるかを判定し、その判定結果Ｖが周波数特性分析回路１０３に与えられる。

周波数特性分析回路１０３においては、無音区間における遠端信号ｒ（ｎ）の平均的なパワーが計算され、また、現時点（現フレーム）の有音、無音を問わず、周波数毎に、無音時平均パワーＰＭｉに対する現時点のパワーＰｉの比（現パワー／無音時平均パワー＝Ｐｉ／ＰＭｉ）が計算される。このパワー比Ｐｉ／ＰＭｉが閾値ＴＨより大きくなっている全ての周波数成分ｉが検出され、これら周波数成分ｉを特定している周波数成分情報Ｃが、エコー遅延時間Ｔだけ遅延されて、周波数特性分析回路１０３から周波数特性操作回路１０４に与えられる。

エコーキャンセラ本体１０１からの出力信号ｓｏｕｔ（ｎ）における、周波数成分情報Ｃで示される周波数成分は、周波数特性操作回路１０４によって、ある一定量（例えば６ｄＢ）だけ減衰され、その減衰後の信号が、当該エコー除去装置１００からの最終的な出力信号ｓ（ｎ）として出力される。

（Ａ−３）実施形態の効果
上記実施形態によれば、エコーキャンセラ本体からのエコー除去信号に含まれているエコー残差成分を軽減若しくは消去することができる。

エコー成分の消し残りは、遅延時間の推定が実際と異なる場合に発生する。音声信号の周波数特性は、数十ｍｓ程度は定常的とみなせるため、推定した遅延時間の誤差が数十ｍｓであれば、上記実施形態の周波数特性操作により、エコー成分の消し残りを減衰、消去させることができる。これにより、エコーキャンセラ本体での消し残りを抑圧してエコー除去量を向上させることができる。

（Ｂ）他の実施形態
上記実施形態では、周波数特性操作回路１０４における減衰量が一定のものを示したが、減衰量を変化させるようにしても良い。例えば、周波数特性分析回路１０３において、減衰させる周波数成分を検出するための閾値として、高低の２段階の閾値を用意し、高い方の閾値を超えた周波数成分の減衰量を、低い方の閾値だけを超えた周波数成分の減衰量より大きくするようにしても良い。また、減衰するか否かは閾値との比較で行うが、減衰量は、パワー比Ｐｉ／ＰＭｉに応じて増減するようにしても良い（例えば、パワー比Ｐｉ／ＰＭｉに対する単調増加関数を適用して減衰量を定める）。

上記実施形態では、周波数特性操作回路１０４による周波数特性の操作は信号の全区間で可能なものを示したが、周波数特性を操作する区間を特定するようにしても良い。例えば、遠端信号ｒ（ｎ）が有声音か無声音かを検出する回路を設け、その有声音区間の遠端信号がエコー残差として周波数特性操作回路１０４に到達する可能性がある期間だけ、周波数特性操作回路１０４による周波数特性の操作を実行するようにしても良い。

上記実施形態では、遠端信号ｒ（ｎ）の周波数成分毎の、雑音成分に対する信号成分の評価値として、パワー比Ｐｉ／ＰＭｉを適用したものを示したが、他の評価値を適用するようにしても良い。例えば、パワー差分Ｐｉ−ＰＭｉを評価値として適用するようにしても良く、また、パワー比Ｐｉ／ＰＭｉとパワー差分Ｐｉ−ＰＭｉとを併用するようにしても良い。

上記実施形態では、周波数特性分析回路１０３がエコー遅延時間Ｔだけ遅延させて周波数成分情報Ｃを周波数特性操作回路１０４に与えるものを示したが、音声信号の周波数特性は、数十ｍｓ程度は定常的とみなせるため、直ちに周波数成分情報Ｃを周波数特性操作回路１０４に与えるようにしても良く、異なる遅延時間の経過後に周波数成分情報Ｃを周波数特性操作回路１０４に与えるようにしても良い。後者の遅延時間の例としては、エコー遅延時間Ｔの長期間の平均時間を挙げることができ、また、固定時間を適用するようにしても良い。

本発明は、ＰＣ（ソフトフォン）に搭載されることを意図して開発されたものであるが、搭載装置はソフトフォンに限定されるものではない。また、音響エコーを除去するエコー除去装置に限定されず、回線エコーを除去するエコー除去装置に本発明を適用することができる。

１００…エコー除去装置、１０１…エコーキャンセラ本体、１０２…有音無音判定回路、１０３…周波数特性分析回路、１０４…周波数特性操作回路。

Claims (5)

1. 遠端信号に基づいて擬似エコー信号を生成し、近端信号に含まれているエコー成分を除去するエコーキャンセラ本体と、
   上記遠端信号の周波数特性を分析し、周波数成分毎に、雑音成分に対する信号成分の評価値を算出する周波数成分評価手段と、
   上記遠端信号の周波数成分毎の算出された評価値に応じ、上記エコーキャンセラ本体からの出力信号において、エコー成分の消し残りがあると推定できる周波数成分を操作する近端周波数特性操作手段とを有し、
   上記周波数成分評価手段は、上記遠端信号の周波数成分毎に、無音時の平均パワーを算出し、無音時の平均パワーに対する現時点のパワーの比を上記評価値として算出する
   ことを特徴とするエコー除去装置。
2. 上記近端周波数特性操作手段は、上記評価値を、上記エコーキャンセラ本体が得たエコーパスでの遅延時間だけ遅延させて利用することを特徴とする請求項１に記載のエコー除去装置。
3. エコーキャンセラ本体は、遠端信号に基づいて擬似エコー信号を生成し、近端信号に含まれているエコー成分を除去し、
   周波数成分評価手段は、上記遠端信号の周波数成分毎に、無音時の平均パワーを算出し、無音時の平均パワーに対する現時点のパワーの比を、雑音成分に対する信号成分の評価値として算出し、
   近端周波数特性操作手段は、上記遠端信号の周波数成分毎の算出された評価値に応じ、上記エコーキャンセラ本体からの出力信号において、エコー成分の消し残りがあると推定できる周波数成分を操作する
   ことを特徴とするエコー除去方法。
4. コンピュータを、
   遠端信号に基づいて擬似エコー信号を生成し、近端信号に含まれているエコー成分を除去するエコーキャンセラ本体と、
   上記遠端信号の周波数成分毎に、無音時の平均パワーを算出し、無音時の平均パワーに対する現時点のパワーの比を、雑音成分に対する信号成分の評価値として算出する周波数成分評価手段と、
   上記遠端信号の周波数成分毎の算出された評価値に応じ、上記エコーキャンセラ本体からの出力信号において、エコー成分の消し残りがあると推定できる周波数成分を操作する近端周波数特性操作手段と
   して機能させることを特徴とするエコー除去プログラム。
5. 上記近端周波数特性操作手段は、上記評価値を、上記エコーキャンセラ本体が得たエコーパスでの遅延時間だけ遅延させて利用することを特徴とする請求項４に記載のエコー除去プログラム。

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