JP6109450B2 - エコーキャンセラ装置およびエコーキャンセル方法 - Google Patents

Description

この発明は、マイクに入力された信号に混入した受話信号のエコーを消去する技術に関するものである。

エコーキャンセラ装置は、拡声通話装置などにおいて、マイクに入力された信号（以下、入力信号と称する）に混入した受話信号のエコーを、入力信号から消去する目的で用いられる。この目的で用いられるエコーキャンセラ装置の多くは、非特許文献１に示すように、適応フィルタ部と残留エコー抑圧部により構成されている。当該構成を有するエコーキャンセラ装置の概略図を図５に示す。

ただし、適応フィルタ部３００で消去できるエコーはおよそ３０ｄＢほどであり、エコー信号すべてを消去することができない。そこで、残留エコーを抑圧するために残留エコー抑圧部４００を備えることが多い。

しかし、残留エコー抑圧処理は送話信号、例えばマイクに向かって話しかけた声の信号も同時に抑圧するため、抑圧量が大きいことで、近端話者と遠端話者による双方向同時通話（ダブルトーク）品質に対して悪影響を与える可能性がある。ダブルトーク性能を高めるのであれば、適応フィルタでのエコー消去量を高め、残留エコー抑圧の抑圧量をできる限り小さくするのが効果的である。

一方、ハンズフリー通話では、低域のエコー信号のパワーが強いことが多い。これは、音声信号の低域がパワーを強く有していることや、車室内のスピーカ設計、反響特性によるものである。このような特徴を有するエコーを適応フィルタでエコー消去した後の残差信号である残留エコー信号は、低域の信号が残りやすい。車室内で収録した入力信号の一例を図６に示す。図６で示した入力信号はすべてエコー信号であるものとする。図６で示したエコー信号（入力信号）と、図６で示したエコー信号を適応フィルタで消去した後の残差信号、すなわち残留エコー信号の各周波数の平均パワーを図７に示す。

図７で示すように、送話信号が５００Ｈｚ付近でパワーのピークを有しており、残留エコー信号も同様に５００Ｈｚ付近に大きなパワーを有していることが分かる。この車室内でダブルトークが発生した場合、残留エコー信号をユーザが聴こえないレベルまで低減するためには、５００Ｈｚ付近に強い残留エコー抑圧をかける必要があるが、当該残留エコー抑圧をかけた場合、送話信号に対しても５００Ｈｚ付近に強い抑圧をかけることとなり、ダブルトーク品質の劣化につながる。

送話信号において、パワーが小さい高域に関しては、適応フィルタで大きなエコー低減をせずに、その後の残留エコー抑圧によってエコーの低減を行えば送話音声に悪影響を与えることは少ない。ただし、送話信号の低域に関しては、適応フィルタによりより多くのエコーを低減することにより、ダブルトークの品質を向上させることが可能となる。

そこで、特許文献１に開示された音響エコーキャンセラでは、受話信号および送話信号を複数の帯域に分割し、それぞれの帯域におけるエコーの影響を推定し、優先順位を決定する。それぞれの帯域において、適応フィルタは優先順位に基づいて処理を決定する。エコーの影響の推定では聴感上最もエコー感を感ずると考えられる帯域ほど優先順位が高くなるように行われる。優先順位の高い帯域の適応フィルタは、複雑でエコー抑制効果の大きい処理が行われ、優先順位の低い帯域の適応フィルタは、単純な処理が行われる。上記のように帯域に応じて優先順位を決定することにより、聴覚上の特性を考慮したエコー低減処理を行い、良好な通話品質を提供している。

特開平１０−４１８５９号公報

Emanuel A. P. Habets, Sharon Gannot, Israel Cohen and Piet C. W. Sommen，"Joint Dereverberation and Residual Echo Suppression of Speech Signals in Noisy Environments，"IEEE Trans. Audio，Speech Lang. Process.，vol.16，no.8，pp.1433-1451，Nov 2008.

しかしながら、上述した特許文献１に開示された技術では、入力信号をフィルタバンクにより分割して帯域制限を行い、分割された各帯域の信号を合成フィルタバンクにより合成して送信音声として出力するため、送信音声についてもフィルタリングが行われ、送信音声の音声品質が保たれない場合があるという課題があった。また、フィルタバンクおよび合成フィルタバンクにより遅延が発生するという課題があった。さらに、優先順位に応じて複数の適応フィルタを用いるため、演算量が増加するという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、入力信号の帯域分割を行うことなく、演算量を抑制し、適応フィルタにおける特定周波数帯域のエコー信号の消去量を向上させることを目的とする。

この発明に係るエコーキャンセラ装置は、入力信号の特定周波数帯域の信号にゲインを与えて帯域調整を行うフィルタを備える帯域調整部と、受話信号を入力し、フィルタ係数を更新し、更新したフィルタ係数を用いて疑似エコー信号を生成する適応フィルタと、帯域調整部が帯域調整を行った入力信号から適応フィルタにより生成された疑似エコー信号を減算して得られた信号の周波数特性を、帯域調整部が帯域調整を行う前の入力信号の周波数特性に修正するフィルタを備える帯域修正部と、帯域修正部が周波数特性を修正した信号に残留したエコー成分を、帯域調整部のフィルタ情報に基づいて設定した抑圧量で抑圧する残留エコー抑圧部とを備え、残留エコー抑圧部は、帯域調整部が帯域調整を行った特定周波数帯域の信号に対する抑圧量を、その他の周波数帯域の信号に対する抑圧量よりも低減させて設定するものである。

この発明によれば、入力信号の帯域分割を行うことなく、演算量を抑制し、適応フィルタにおける特定周波数帯域のエコー信号の消費量を向上させることができる。

実施の形態１に係るエコーキャンセラ装置の構成を示すブロック図である。 ダブルトークの音声信号波形を示す図である。 実施の形態１に係るエコーキャンセラ装置の帯域調整部の効果を示す図である。 実施の形態２に係るエコーキャンセラ装置の構成を示すブロック図である。 従来のエコーキャンセラ装置の概略図である。 エコー信号の一例を示す図である。 エコー信号と残留エコー信号の各周波数における平均パワーを示す図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るエコーキャンセラ装置１００の構成を示すブロック図である。
エコーキャンセラ装置１００は、適応フィルタ１０１、帯域調整部１０２、減算器１０３、帯域修正部１０４および残留エコー抑圧部１０５で構成されている。受話信号は、遠端話者の音声が伝送路（不図示）を経由して近接話者側に送られてくる信号である。送話信号は近端話者の発話音声である。入力信号は、当該近端話者の発話音声に、送話信号の出力端子（例えば、マイク等）から近接話者側のエコーパスを通って発生したエコー成分が重畳した信号である。

周波数領域適応フィルタは、FLMS(Fast Least Mean Square)アルゴリズムを用いて説明を行うが、この実施の形態１にかかる発明は適応フィルタアルゴリズムに制限はなく、すべての適応フィルタに対して適用可能である。
ＦＬＭＳアルゴリズムの係数更新式は、以下の式（１）から式（８）で示す一連の式によって実現可能である。なお、Ｍ個の入力サンプルによる新しいブロックごとに以下の式（１）から式（８）の計算を行う。

上述した式（１）から式（８）においてＦＦＴは高速フーリエ変換、ＩＦＦＴは高速フーリエ逆変換、ｋはブロックのインデックス、ｘ（ｎ）は受話信号、ｙ（ｎ）は入力信号（ここではエコー信号）を表す。

また、太字で示した小文字は長さＭのベクトルであり、信号列を表す。

また、太字で示した大文字はベクトルもしくは行列を表し、文字の右下にサイズを表記することとする。diagは対角行列を表す。

式（１）におけるＸ（ｋ）は、ＦＦＴの結果を対角成分に並べた対角行列である。式（２）および式（３）はそれぞれ適応フィルタ１０１により生成された疑似エコーおよび残差信号を表している。式（４）は残差信号の周波数変換を表し、その目的は線形畳み込みである。式（５）は受話信号の平均パワーの算出であり、移動平均を用いて算出している。式（６）は、式（５）で求めた平均パワー値の逆数を体格上に配置する。式（７）は係数更新量を算出するものであり、右辺は線形相関処理を周波数変換で行っている。式（８）は係数の更新を行っている。

実施の形態１に係る発明の特徴は、帯域調整部１０２および帯域修正部１０４を備えている点にある。帯域調整部１０２は適応フィルタ１０１において特定の帯域のエコー消去性能を向上させるために、入力信号の周波数特性を調整するブロックである。帯域調整部１０２では、例えばＩＩＲフィルタを用いて低域信号にゲインを与えるバンドパスフィルタを形成し、入力信号の低域パワーを増加させる調整を行う。これにより、適応フィルタ１０１におけるエコー消去の特性が変わり、低域のエコー信号に対する学習速度が向上する。

帯域調整部１０２において入力信号の低域のパワーを増加させる、すなわちゲインを与えるということは、式（３）においてｙ（ｋ）の低域のパワーが増加することを意味する。式（４）のＥ_２Ｍ（ｋ）、および式（７）のＪ_２Ｍ（ｋ）についても同様に、低域のパワーが増加する。これに伴い、式（８）により適応フィルタ１０１のフィルタ係数の低域成分のパワーが強くなることが分かる。このフィルタ係数を用いることにより低域パワーがより大きい疑似エコーを生成することが可能となる。以上により、帯域調整部１０２が適応フィルタ１０１の特性を変更することが可能になる。

続いて、図２および図３を参照しながら、帯域調整部１０２の帯域調整による適応フィルタ１０１の性能特性の変化について説明する。
図２は、ダブルトーク発生時の音声信号波形の一例を示す図である。図２で示すデータは、例えば車両内においてハンズフリーにより通話を行っている場合の入力信号の音声信号波形であり、遠端話者の音声がスピーカから出力され、近端話者の音声とともに車室内のマイクで観測された場合を示している。図２で示す音声信号波形を有する入力信号に対して帯域調整部１０２の帯域調整が行われるか否かによる適応フィルタ１０１の性能特性の変化について説明する。図２では、エコー信号と送話信号が混在しているが、ここでは領域Ｘで示したエコー信号に注目して説明を行う。

図３は、帯域調整部１０２による帯域調整を行わずに適応フィルタ１０１による処理を行った後の残留エコーパワーと、帯域調整部１０２による帯域調整を行って適応フィルタ１０１による処理を行った後の残留エコーパワーとを示している。帯域調整部１０２としては、共振周波数７５０Ｈｚ、ゲイン９．０ｄＢ、Ｑ値０．７のバンドパスフィルタを用いている。図３から分かるように、帯域調整部１０２による帯域調整を適用することにより、１０００Ｈｚまでの残留エコーパワーが最大で６ｄＢ程度小さくなっており、帯域調整の効果が分かる。

減算器１０３は、帯域調整部１０２が帯域調整を行った信号から適応フィルタ１０１が生成した疑似エコー信号を減算する。帯域修正部１０４は、減算器１０３により疑似エコー信号が減算された信号の周波数特性を、帯域調整部１０２が帯域調整を行う前の入力信号の周波数特性に戻すフィルタ処理を行う。帯域調整部１０２はエコー信号のみならず、送話音声信号、騒音信号に対しても周波数特性を変化させるため、適応フィルタ１０１によるフィルタ処理を行った後に、帯域修正部１０４により帯域調整部１０２で帯域調整を行う前の入力信号の周波数特性を元に戻す処理を行う。図３で示した例では、帯域修正部１０４は、共振周波数７５０Ｈｚ、ゲイン−９．０ｄＢ、Ｑ値０．７のバンドパスフィルタを使用することとなる。

残留エコー抑圧部１０５は、帯域修正部１０４により周波数特性が修正された信号に対して残留エコー抑圧を行う。残留エコー抑圧部１０５は、帯域調整部１０２で生成したフィルタの情報である共振周波数、ゲイン、Ｑ値に基づいて抑圧量を決定する。帯域調整部１０２で生成したフィルタの特性の逆特性を残留エコー抑圧量に反映させることや、簡単には帯域調整部１０２での共振周波数付近の周波数の抑圧量を下げる、などの方法を適用可能である。これにより、送話音声の抑圧量を低減し、音声品質を保つことができる。

以上のように、この実施の形態１によれば、受話信号と減算器１０３からの信号を入力としてフィルタ係数を更新し、更新したフィルタ係数を用いて疑似エコー信号を生成する適応フィルタ１０１と、入力信号の低域パワーが強くなる方向にゲインを調整する帯域調整部１０２と、帯域調整が行われた信号から疑似エコー成分を減算した信号の周波数特性を帯域調整前の入力信号の周波数特性に戻す帯域修正部１０４と、帯域調整部１０２で生成したフィルタの特性に基づいて残留エコーの抑圧を行う残留エコー抑圧部１０５とを備えるように構成したので、入力信号の帯域分割を行うことなく、適応フィルタ１０１における低域のエコー信号の消費量を向上させることができる。また、適応フィルタ１０１のエコー消去性能を落とすことなく、高いダブルトーク性能を持つエコーキャンセラ装置１００を得ることができる。また、上述のように、帯域調整部１０２および帯域修正部１０４にＩＩＲフィルタを適用し場合、当該エコーキャンセラ装置１００の演算量を低減させることができる。

なお、上述した実施の形態１では、低域のパワーを増加させる帯域調整部１０２に示したが、低域に限定されることなく特定帯域のパワーを増加させるように構成することが可能である。

実施の形態２．
ハンズフリー通話においては、通信網によって受話信号の信号帯域が異なる。欧州ではすでに広帯域通話（５０〜７０００Ｈｚ）のサービスが開始されているが、地域によっては狭帯域通話（３００〜３４００Ｈｚ）のみの運用の場合もあり、それぞれの通信状況に合わせて通話音質を確保する必要がある。そこで、この実施の形態２では受話信号の音声帯域が変化する状況においても、十分なエコー消去性能および高いダブルトーク性能を実現するエコーキャンセラ装置の構成を示す。

図４は、実施の形態２に係るエコーキャンセラ装置２００の構成を示すブロック図である。
実施の形態２に係るエコーキャンセラ装置２００は、実施の形態１で示したエコーキャンセラ装置１００に信号解析部２０１を追加して設けている。また、帯域調整部１０２および帯域修正部１０４に替えて、帯域調整部２０２および帯域修正部２０４を設けて構成している。
以下では、実施の形態１に係るエコーキャンセラ装置１００の構成要素と同一または相当する部分には、実施の形態１で使用した符号と同一の符号を付して説明を省略または簡略化する。

信号解析部２０１は、受話信号の音声帯域を解析し、狭帯域通話であるか、広帯域通話であるか解析を行う。通信帯域の解析方法は種々適用可能であるが、例えば受話信号に４ｋＨｚ以上の信号を抽出可能なハイパスフィルタを通し、高域信号のパワーが設定された閾値を下回れば狭帯域通話であるとし、閾値を上回れば広帯域通話であるとする。

帯域調整部２０２は、信号解析部２０１の解析結果に基づいて帯域調整に用いるフィルタを設定する。解析結果が狭帯域通話の場合、例えば共振周波数を５００Ｈｚ〜１０００Ｈｚに設定する。広帯域通話の場合には、例えば、共振周波数を２００〜３００Ｈｚに設定する。このように音声帯域に応じて共振周波数を設定することにより、広帯域通話時にはパワーが強い５０〜３００Ｈｚのエコー信号に対する適応フィルタのエコー消去性能を高めることが可能である。

帯域修正部２０４も同様に、信号解析部２０１の解析結果に基づいて帯域調整部２０２が用いたフィルタに対応したフィルタを用いる。残留エコー抑圧部１０５は、残留エコー抑圧処理を行う。残留エコー抑圧処理は実施の形態１と同様に、帯域調整部２０２の共振周波数付近の帯域に関しては抑圧を弱くし、入力信号をつぶすことなく残留エコーの抑制を行う。

以上のように、この実施の形態２によれば、受話信号の音声帯域を解析する信号解析部２０１と、信号解析部２０１の解析結果に基づいて帯域調整に用いるフィルタを設定する帯域調整部２０２および信号解析部２０１の解析結果に基づいて帯域修正に用いるフィルタを設定する帯域修正部２０４を備えるように構成したので、狭帯域通話および広帯域通話の双方で高いエコー消去性能および高いダブルトーク性能を得ることができる。

なお、上述した実施の形態２では、信号解析部２０１をエコーキャンセラ装置２００の内部構成とする場合を示したが、外部から音声帯域の解析結果を取得するように構成してもよい。

上記以外にも、本発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

この発明に係るエコーキャンセラ装置は、特定帯域のエコー信号のエコー消費量を増加させることが可能なため、ハンズフリー通話が行われる拡請通話装置などに適用し、ダブルトーク品質の向上に用いるのに適している。

１００，２００ エコーキャンセラ装置、１０１ 適応フィルタ、１０２，２０２ 帯域調整部、１０３ 減算器、１０４，２０４ 帯域修正部、１０５ 残留エコー抑圧部、２０１ 信号解析部。

Claims (5)

1. 受話信号のエコー成分と送話信号とを含む入力信号から、前記受話信号のエコー成分を消去するエコーキャンセラ装置において、
   前記入力信号の特定周波数帯域の信号にゲインを与えて帯域調整を行うフィルタを備える帯域調整部と、
   前記受話信号を入力し、フィルタ係数を更新し、更新したフィルタ係数を用いて疑似エコー信号を生成する適応フィルタと、
   前記帯域調整部が帯域調整を行った信号から、前記適応フィルタにより生成された疑似エコー信号を減算して得られた信号の周波数特性を、前記帯域調整部が帯域調整を行う前の前記入力信号の周波数特性に修正するフィルタを備える帯域修正部と、
   前記帯域修正部が周波数特性を修正した信号に残留したエコー成分を、前記帯域調整部のフィルタ情報に基づいて設定した抑圧量で抑圧する残留エコー抑圧部とを備え、
   前記残留エコー抑圧部は、前記帯域調整部が帯域調整を行った特定周波数帯域の信号に対する前記抑圧量を、その他の周波数帯域の信号に対する前記抑圧量よりも低減させて設定することを特徴とするエコーキャンセラ装置。
2. 前記残留エコー抑圧部は、前記帯域調整部のフィルタ情報の共振周波数、ゲイン、およびＱ値に基づいて、前記残留したエコー成分の抑圧量を設定することを特徴とする請求項１記載のエコーキャンセラ装置。
3. 前記帯域調整部および前記帯域修正部は、前記受話信号の音声帯域に応じて前記フィルタを設定することを特徴とする請求項１記載のエコーキャンセラ装置。
4. 前記受話信号の音声帯域を解析し、前記受話信号の音声帯域が狭帯域通話帯域であるか、広帯域通話帯域であるか判定を行う信号解析部を備えたことを特徴とする請求項３記載のエコーキャンセラ装置。
5. 受話信号のエコー成分と送話信号とを含む入力信号から、前記受話信号のエコー成分を消去するエコーキャンセル方法において、
   帯域調整部が、前記入力信号の特定周波数帯域の信号にゲインを与えて帯域調整を行うステップと、
   適応フィルタが、前記受話信号を入力し、フィルタ係数を更新し、更新したフィルタ係数を用いて疑似エコー信号を生成するステップと、
   帯域修正部が、前記帯域調整を行った入力信号から適応フィルタにより生成された疑似エコー信号を減算して得られた信号の周波数特性を、前記帯域調整を行う前の前記入力信号の周波数特性に修正するステップと、
   残留エコー抑圧部が、前記周波数特性を修正した信号に残留したエコー成分を、前記帯域調整部の帯域調整情報に基づいて抑圧するステップとを備えたことを特徴とするエコーキャンセル方法。

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