JPH01239596A - 雑音消去装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は一般に雑音で劣化した音声から雑音を消去する
方法及びシステム、具体的には高い雑音の環境中、特に
その雑音が分布している時に音声全認識するための方法
及びシステムに関スる。

Ｂ、従来技術 今日の民間航空機のコックピッ）ｋ−見すると、手と目
のいそがしい環境があることがわかるであろう。このい
そがしさは今日の軍用機について一層当てはまることで
ある。軍当局は戦闘機のコックビット中に存在する多（
の活動のために音声活性化制御装置を使用することによ
って若干これ等の問題を解決したが、この活動は音声認
識システムの使用によって達成されている。

戦闘′機のコックピット中は比較的雑音が高いので何等
かの形の雑音消去手段が必要なことが前から認識されて
いるが、この必要から適応性フィル夕雑音消去技術が開
発され、工業界の標準となった。より最近になって、こ
の技術が軍用ヘリコプタ中で試みられたが、無効である
ことが見出された。

可聴信号中に高レベルの雑音が存在すると、音声の弁別
力がかなり減少することは理解できるが、最も進歩した
音声認識装置でも、今日の戦術戦闘機のコックピット中
で遭遇する高雑音レベル中では最も簡単な単語の認識も
著しく困難である。適応性雑音消去法（ＡＮＣ）として
知られているパーナート・ウィド０−（Ｂｅｒｎａｒｄ
　　Ｗｉｄｒｏｗ）等が１９７５年に提案した技術がマ
サチューセッツ技術研究所のエレクトロニクス研究実験
室において熱心にテストされている。

ウィドローの技術は１９７５年１２月刊グロシーデイン
グス・オプ・ジ・ＩＥＥＥ（Ｐｒｏｃ、ＩＥＥＥ　）第
６６巻、第１２号の論文”適応性雑音消去：原理及び応
用（Ａｄａｐｔｉｙｅ　　ＮｏｉｓｅＣａｎｃｅｌｌｉ
ｎｇ　：　Ｐｒ１ｎｃｉｐｌｅｓ　　ａｎｄＡｐｐｌｉ
ｃａｔｉｏｎｓ）”に説明されている。

このＭ、　１．　Ｔ、のテスト中、ウィドローの技術に
、一部の改良がなされた。この改良はパイロットの酸素
マスク内に第１のマイクロフォンをマスクの外部に第２
のマイクロフォンを置（といったように２つのマイクロ
フォンを戦闘機のコックピット環境中に設置するもので
ある。主マイクロフォンと呼ばれる１つのマイクロフォ
ンはパイロットの音声と雑音を感知、即ち検出するため
に位置付けられている。

第２の、即ち参照マイクロフォンは主に雑音を感知、即
ち検出するために位置付けられている。

参照マイクロフォンは酸素マスクの外部に存在するので
、パイロットの音声はほとんどビック・アップされない
。

Ｍ、　１．　Ｔ、のエンジニアは又主マイクロフォンの
信号−雑音比は参照マイクロフォンの信号−雑音比と比
較して大きく、適応性フィルタは出来るだけ小さ（でき
ることが良いとも学んだ。適応性フィルタが大きいと、
適応性フィルタは主信号と参照信号間の遅延を推定する
か、長いインパルス応答を有するかして主信号から雑音
をうまく消去しなければならない。

Ｍ、　１．　Ｔ、のエンジニアの報告は１９８４年刊工
ＥＥＥ第１８　Ａ、　４．１乃至１８　Ａ、　４．４頁
の〕１リンン、リム及びシンガ（ＨａｒｒｉｓｏｎｌＬ
ｉｍ　　ａｎｄＳｉｎｇｅｒ）著の論文６戦闘機のコッ
クピット環境中の適応性雑音消去（Ａｄａｐｔｉｖｅ　
Ｎｏ１ｓｅＣａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ　　ｉｎ　　ａ　
　ＦｉｇｈｔｅｒＣｏｃｋｐｉｔ　　Ｅｎｖｉｒｏｎｍ
ｅｎｔ）”に与えられている。

これ等Ｍ、　１．　Ｔ、のエンジニアのすべての専門的
意見によれば、ウィドローの適応性雑音消去技術は局在
雑音源を有する環境では効果があるが、２以上の雑音源
が存在するか、雑音源がある区域に分布している時には
パフォーマンスが劣化すると結果されている。この分野
の専門家は分布雑音環境での追加の参照マイクロフォン
の使用の研究の方に離れたので、本発明はこの複雑な問
題に対する独自の解決法の開発から生じた。

従来の特許技術を検討してみると、本発明によって与え
られるような解決法の開発にはほとんど助けにならない
ことがわかる。たとえば、米国特許第４６２５０８５号
は音声と雑音を区別する音声操作スイッチに関する。１
つのマイクロフォンを主に音声に、一つのマイクロフォ
ンを主に周囲の雑音信号に使用すると、これ等の信号群
の各々はある音圧のレベルを有するが、音声の音圧レベ
ルは常に雑音の音圧レベルを越えることが望まれるので
、この区別は２つの方法で行われている。

１つの方法は２つのマイクロフォンを予定の位置に置い
て音圧レベルの区別を与えるものであり、他の方法は通
常電話の受信器で使用されているように、周波数の幅を
制限するものである。代表的な周波数の範囲は１００ヘ
ルツ乃至４にヘルツであるが、２５０ヘルツ乃至五５キ
ロヘルツの狭い周波数範囲も満足できる。両信号を差動
増幅器に接続することによって、音声がある時は出力が
発生し、音声が存在しない時は出力が発生されないよう
になっている。

米国特許第４６４９５０５号は上述のウイドロ−氏の基
本的な適応性フィルタを改良した他の方法の例を示して
いる。この改良は音声と雑音信号間のクロストークを除
去するためのものである。

この装置は音声入力、雑音入力及び参照入力を有し、参
照雑音部分及びクロストーク音声部分がディジタル信号
処理マイクロコントローラ、読取り専用メモリ及びラン
ダム・アクセス・メモリに印加されて、これ等の信号が
ディジタルに処理されている。入力は先ずアナログ信号
からディジタル信号に変換された後に、ディジタル直列
信号からディジタル並列信号に変換されて処理されてい
る。

本発明にかかわる問題については何等言及されていない
。

米国特許第４６５８４２６号は入力の信号−雑音比が貧
弱で、ここで適応性フィルタの特性が入力信号の変動に
対して自動的に調整される場合に使用される雑音抑制装
置のい（つかの異なる型を開示している。適応性フィル
タの調節を行うために時間及び周波数領域を使用して雑
音をフィルタしているが、このような前提を利用するた
めに構成される装置の数学的説明がかなり詳細に与えら
れている。このような装置の使用は機械の通常の動作音
を雑音としてフィルタして、機械の疲労もしくは故障部
分の異常音を検出するために向けられている。しかしな
がら、これ等の雑音は上述のＭＩＴの文献に従う適応性
フィルタのタイプの装置砂極めて適切に機能できる局在
雑音の例である。

米国特許第４６７２６７４号は良好な近接場応答及び貧
弱な遠隔場応答を有する２つの特別に構成された２つの
マイクロフォンを使用して、高い相関を有する雑音の成
分を有する信号を発生するシステムを開示している。上
述の米国特許第４６２５０８３号と同じように、マイク
ロフォンの出力はフィルタに接続され、３００　Ｈｚか
ら５乃至８ＫＨｚの間の範囲の外側にある周波数を除去
している。次に信号はアナログ−ディジタル変換器、遅
延及び他の能力を有するマイクロ・プロセッサ回路に送
られ、さらに処理のための重み付は因子サンプルが得ら
れている。この従来の特許は２つのマイクロフォンの使
用を開示しているが、この使用方法の論理的な拡張とし
て、６個以上のマイクロフォンを使用すること、即ち１
つを音声に、他のマイクロフォンの出力を１つのマイク
ロフォンからの信号中の雑音を消去するのに使用するこ
とも提案されている。

他方、本発明は音声信号から分布雑音を消去する問題へ
の解決を与えるのに異なる手段を用いる。

それは従来技術の適応性消去技術が雑音がある領域中に
分布している時にはパフォーマンスが劣化することがわ
かったためである。

Ｃ１発明が解決しようとする問題点 本発明の主目的は分布した雑音で劣化した音声を含む信
号から雑音を消去するシステムを与えることにある。

本発明の他の目的は、音声信号から分布した雑音を消去
する方法を与えることにある。

本発明の他の目的は、高い、分布雑音の環境で効果的な
雑音消去方法及びシステムを与えることにある。

本発明の他の目的は、音声認識システムとともに使用で
きる有効な雑音消去方法及びシステムを与えることにあ
る。

本発明の他の目的は、標準音声の感知ピックアップとと
もに有効に機能する雑音消去方法及びシステムを与える
ことにある。

本発明の他の目的は、ヘリコプタの環境中で標準の音声
認識システムとともに有効に機能する雑音消去方法及び
システムを与えることにある。

Ｄ０問題点を解決するための手段 本発明に従って構成され、配列される方法及びシステム
は、第１のセンサが音声と雑音の両方を検出し、第２の
センサが主に雑音のみを検出するように位置付ゆられた
２つのセンサ、即ちマイクロフォンを含む。第２のセン
サでピンク・アップされる音声は無視され、両センサで
ピック・アップされる雑音には相関関係がある。各セン
サからの信号出力は、各信号出力全予定数の周波数帯域
分割する装置に接続される。次に両信号出力が回路に接
続され、音声及び雑音を有する信号出力からの雑音成分
が効果的に消去される。

Ｅ、実施例 第２図を参照すると、１９７５年に最初にパーナート・
ウィドロー（Ｂｅｒｎａｒｄ　Ｗｉｄｒｏｗ）等によっ
て導入された形式の通常の、即ち標準雑音消去技術が、
総括的に参照番号１０で示されている。この技術は通常
音声認識システムのための入力として考慮されている。

雑音消去は減算回路１１中で、第１のマイクロフォン１
２から直接受取った１つの信号と、適応性フィルタ１４
を通った後の第２のマイクロフォン１６からの出力間で
行われる。減算回路１１からの出力は、音声認識システ
ム１５に直接接続されている。

２つのマイクロフォン１２及び１３からの出力は全可聴
音声周波数範囲、たとえば１００乃至３２［］０Ｈｚｔ
−占めている。この単一の適応性フィルタは、従ってこ
の全可聴音声周波数範囲について効果的に動作できなげ
ればならない。

この通常の技術の適応性フィルタ１４は音声周波数範囲
の一端から他の端に向って大きく変化する補償振幅及び
位相能力を与えなげればならない。

さらにこのような適応性フィルタ１４は多数の調整可能
な素子、たとえば１００個の係数調整タップを必要とし
、そのすべてが次のような問題を生ずる。

（１）多数の制御素子の調整（通常の勾配方法等を使用
）は極めて緩慢なプロセスとして行われる。

（２）多数の制御素子の動作の関連するプロセスを加速
するための努力は、切捨て誤差、丸め誤差、統計的平均
誤差等による数値的な不安定性のような他の問題を生ず
る。

単一の局在源から発生してマイクロフォン１２及び１３
によって検出される雑音は各マイクロフォンで同じ雑音
である。即ち雑音は同じ一つもしくは複数の周波数を有
するが、その伝搬しなければならない経路長の差によっ
て時間に差がある。

このことが２つの雑音の周波数に適用される用語“相関
関係のある”という意味である。

２つの雑音周波数間の時間の差を補償するのは適応性フ
ィルタ１４０重要な機能である。２つの信号が減算回路
１１中で組合される時に有効な消去が生ずるのはこの２
つの信号間のこの補償のためである。

従って第２図に示された回路上ある領域に分布している
雑音について試験してみると、そのパホーマンスは単一
の局在雑音源の場合のパホーマンスに関連して著しく劣
化することが直ちにわかった。近年この問題を解決する
のにより多（の努力がなされて来たが、本発明以前はど
れも効を奏していない。

第１図は、音声認識システムが信頼性をもって使用でき
る程十分に、音声もしくは類似の情報信号から雑音を効
果的に消去する問題全解決する本発明の回路を示す。本
発明に従う雑音消去システムは、たとえば工場、製造フ
ロア、大きなオフィスのフロア、空港等、雑音で劣化し
た音声が、音声認識システムを無効にするような各良（
知られている環境で十分効果的に使用される。

第１図で本発明の原理に従って構成されるシステムは参
照番号１６によって示されている。容易に入手できる市
販の、たとえばマイクロフォンのような２つの標準のセ
ンサ１７及び１８中、センサ１７が音声及び雑音を検出
するように位置付げられている。センサ１７ｉｌ″ｊ：
信号がたとえ雑音で劣化されていても、できるだけ多く
の音声を検出するように配慮されて位置付けられている
。

しかしながら、センサ１８は主に雑音を検出して音声は
ほとんど検出しないように位置付けられる。パイロット
の環境で使用する時は、センサ１７はパイロットの酸素
マスクの内部に置かれ、センサ１８は酸素マスクの外部
に置かれる。ヘッド７オンを使用する他の環境では、セ
ンサ１７は話手の口の近くに置かれ、センサ１８は同じ
（ヘッド７オン上に位置付ゆられるが、できるだけ話手
の口から離して主に雑音を検出するように指向される。

しかしながら、２つのセンサ１７及び１８間の距離は極
めて小さ（，１０ｃｍ程度であって、２つのセンサは同
じ雑音を、ただし互に小さな距離だけずれたもの全効果
的にビック・アップするようになっていることに注意さ
れたい。　−センサ１７及び１８の各々によって検出さ
れた信号はこれ等を多（の周波数の帯域に分割する適切
な装置に接続されている。たとえば各信号は制限された
帯域幅を有する予定数の、第１図では１５の周波数信号
に分割される。

第１図でセンサ１７及び１８の各々からの信号出力は夫
々１５の狭帯域フィルタに接続されている。一方のセン
サに使用されるフィルタと同数のものが他方にも使用さ
れることが重要である。センサ１７からの信号出力を受
取るように接続されてる狭帯域フィルタは一般に参照番
号１９によって識別される群をなし、センサ１８から信
号出力全受取るように接続された狭帯域フィルタは一般
に参照番号２０によって識別される群をなしている。

音声信号の通常の周波数領域の幅は略３ＫＨｚ（即ち３
０００ヘルツ）であるから、この範囲を１５の異なる帯
域幅に分割することによって、２つの群１９及び２０中
の狭帯域フィルタの各１つはこの例では略２００ヘルツ
の幅となる。この技術についてなされたテストでは、音
声周波数は２５もの多（の異なる狭帯域周波数に分割さ
れて優れた結果を与えた。狭帯域フィルタの数にとって
の良好な範囲は約１０乃至約２５である。この範囲はそ
の用途の最も多（の場合をカバーする。

特定の数の狭帯域フィルタ１９及び２０が使用でき、よ
り正確には、各センサ１７及び１８からの信号出力は任
意の数の信号に分割できる。しかしながら、分割の数は
２つのセンサ１７及び１８からの信号について等しいこ
とが重要である。それは分割された信号のこれ等の群の
一方が他方から減算されて、実質的に雑音のない音声信
号が与えられるからである。

群２０中の狭帯域フィルタの各々は参照番号２１によっ
て示された群中の適応性フィルタに接続されている。群
２１中の適応性フィルタの各々はセンサ１８によって検
出された信号中の振幅及び位相の差を補償するように機
能する。このようにして、分割された信号の各々が参照
番号２２によって識別された群中の各々の回路中で組合
される時、センサ１８からの雑音信号がセンサ１７から
の音声プラス雑音信号から減算されて実質的に雑音のな
い音声信号が与えられる。

群２２中の各回路は減算回路として示されているが、こ
の分野の専門家にとっては、適応性フィルタ２１からの
信号を容易に反転して、次に狭帯域フィルタ１９からの
音声プラス雑音信号に加えて、着動作を得るための他の
手段が利用可能なことは明らかであろう。着動作を得る
のに他の手段を使用しても同じ結果が与えられる。

第１図に示したとおシ、群２２中の個々の減算回路の各
々からの出力は音声認識システム２６に接続されている
。本発明に従うシステム１６を使用すると、音声認識シ
ステム２３は雑音の多い環境中で、広い領域に分布して
いる雑音があっても、話されたコマンドに容易に応答で
きる。

第３図は上述のセンサ１７もしくは１８からの信号を個
々の成分周波数に分割したところを示す波形である。た
とえば第３図の全曲線はセンサ１７もしくは１８の１つ
からの出力信号である。番号１の波形は群１９もしくは
２０中の狭帯域フィルタによって分割される信号金示す
。同じく第６図の番号２の波形は第１図の群１９もしく
は２ａ中の狭帯域フィルタ２に関連し、番号１５は第１
図の群１９もしくは２０中の狭帯域フィルタ１５に関連
する。従って本発明に従い第１図の雑音消去システム１
６はセンサ１７及び１８の各々によって検査された全信
号を各々が全信号の周波数の小部分を占める、複数の狭
帯域周波数に分割する。

勿論、この全信号の複数のより小さな周波数範囲への分
割は種々のハードウェア部品によって達成できる。たと
えば複数の個々の狭帯域フィルタを使用することは常に
可能である。しかしながらこの分割を達成するのに今日
好ましいとされている方法はコンピュータによるもので
ある。それはコンピュータによると分割される周波数の
帯域の数が容易に急速に変更できるからである。

本発明に基づいて遂行されたテストは、消去を行う前に
全信号を予定数の個々の周波数帯域に分割することによ
って略雑音のない信号金得ること゛が可能なことを示し
た。雑音信号を複数の狭帯域に分割すると、各々の狭帯
域中の雑音が減少する。

ここでこの分割技術を使用すると、雑音の消去がはるか
に容易になることが発見された。

本発明に従うシステムは次のような独自の利点を有する
。第１図の群２１中の個々の適応性フィルタはそれ自身
の狭帯域中の周波数のみを補償すれはよいので、本発明
の群２１の適応性フィルタの各々は、たとえば４係数タ
ツプのような少数の調整可能な素子だけで十分である。

従って本発明のシステム中に必要な適応性フィルタは容
易、急速及びはるかに正確に調節できることが明らかで
ある。

従って本発明のシステムは従来技術的に不可能な問題へ
の解決を与える。

Ｆ８発明の効果 本発明に従えは、分布した雑音で劣化した音声を含む信
号から雑音を消去するシステムが与えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従う雑音消去システムのブロック図で
ある。 第２図は従来の通常の雑音消去回路のブロック図である
。 第６図は本発明のシステムの動作全説明する周波数対振
幅の曲線図である。 １０・・・・従来の雑音消去技術、１６・・・・本発明
の雑音消去システム、１７，１８・・・・センサ、１９
．２０・・・・狭帯域フィルタ群、２１・・・・適応性
フィルタ、２２・・・・減算回路群、２６・・・・音声
認識システム。 出願人　　インターナショナル・ビジネス・マシーンズ
・コーポレーション 代理人　　弁理士　　山　　本　　仁　　朗（外１名）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （ａ）一方のセンサが音声及び雑音の周波数を検出する
   ように位置付けられ、他方のセンサが主に雑音の周波数
   を検出するように位置付けられている２つのセンサと、 （ｂ）一方の群の狭帯域フィルタが上記一方のセンサに
   接続され、他方の群の狭帯域フィルタが上記他方のセン
   サに接続されている、２つの群の狭帯域フィルタと、 （ｃ）上記２つめ群の狭帯域フィルタからの出力を処理
   して、上記雑音の周波数を消去して主に音声の周波数を
   残す手段を具備する、 雑音消去装置。