JPH02156736A - スピーカフオン及びその動作方法 - 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 本発明は一般的に電話装置に関し、さらに具体的には全
２重ディジタル・スピーカフォンに関するものである。

Ｂ、従来技術及びその課題 スピーカフォンは、拡声器（またはスピーカ。

以下同様）とマイクロフォンが音声信号の送信及び受信
という代表的ハンドセット機能を遂行する、「ハンドフ
リー」電話機として働く。したがって、ユーザは電話機
の近くにいる必要がない。

スピーカフォンに関連する１つの問題は、拡声器とマイ
クロフォンとの間の音響結合から生じるノイズ成分に関
するものである。このような好ましくない音響結合は通
常「室内エコー」と呼ばれている。室内エコー・ノイズ
成分は、拡声器からマイクロフォンへの直接音響経路と
反射音響経路の両方から生じ、もし抑制しない場合には
、発呼者にきこえてしまう。第２のエコー経路であるト
ランク・エコーは、近端アナログ・ハイブリッド結合装
置で発生し、結合装置と回線との間の固有インピーダン
スの不一致から生じる。これらエコー・ノイズ成分の総
合的効果から、正の利得を持つ信号ループが生成される
。ループの振動を防止するため、エコー・ノイズ成分を
阻止または消去しなくてはならない。

具体的にいえば、室内エコー・ノイズ成分は拡声器から
マイクロフォンへの全体的線形伝達関数として表すこと
ができる。この伝達関数の形状と接続時間は、一部はス
ピーカフォンの物理的構造によって決まる。特にマイク
ロフォンと拡声器の相対的位置及びスピーカフォンが配
置されている部屋の寸法、室内設備及び音声吸収特性に
よって決まる。たとえば、代表的オフィスの残響時間は
約３３０ミリ秒である。残響時間は、一般に、エコーが
一８０ｄＢ以下まで減衰するのに要する時間として定義
される。

室内エコー信号成分を減少させるための１つの従来手法
は、マイクロフォンと拡声器を別の格納装置内に入れて
、それらを物理的に隔離させるものである。もう１つの
従来手法は、オペレータがハンドセットで話をしながら
、マイクロフォンを介して音声を入力するものである。

ハンドセットによって生成される音声信号は、理想的な
場合、室内エコー成分を含まないので、スピーカフォン
に付随する回路によって音声信号のエコー成分を識別し
、補償することが可能である。しかし、明らかに、これ
らの従来手法は最適な解決策ではない。

トランク・エコーは、接続経路に沿った２線−４線変換
ハイブリッド回路でのインピーダンスの不一致によるす
べての信号反射である。もっとも強い反射は、トランク
に対するＣＢＸの接続部で発生し、一般に近端ハイブリ
ッド・エコーと呼ばれる。このトランク・エコー成分の
接続時間は、多少の遅延を含み、通常１６ミリ秒である
。遠隔ハイブリッド・エコーも存在することがある。

遅延時間が比較的長いトランク・エコーは、通常、ネッ
ト経由ロス（ＶＮＬ）またはエコー阻止／消去手法ある
いはその両方によって電話ネットワーク内で阻止される
。ただし、長さ３４２６ｋｍまでの国内地上トランクは
阻止器を内蔵する必要がなく、平均３５ミリ秒はどのエ
コー遅延を生じる。

半２重スピーカフォンでは、特定の時に送信信号経路ま
たは受信信号経路のみを使用可能にして、そのような室
内エコー及びトランク・エコーの望ましくない影響を排
除することができる。信号経路制御機構は、一般に何ら
かの音声操作スイッチの形をとる。ただし、両信号経路
間の切換えに一定時間を要するため、通常の半２重スピ
ーカフォンでは、会話の品質が低下し、発話側の話中に
割り込む能力が制限され、最初の数音節が落ちることが
ある。

全２重スピーカフォンは、理想的な場合、同時両方向通
話が可能であり、したがって、半２重スピーカフォンで
発生する信号経路の切換えに関するこのような問題は生
じない。一般に、適応フィルタ技法を用いて、室内エコ
ーとトランク・エコーを共に消去する試みが行なわれて
いる。たとえば拡声器に結合される信号は、適応フィル
タをも介しても結合され、その後マイクロフォンの入力
信号から差し引かれる。理想的な場合、適応フィルタは
、マイクロフォン入力信号と適応フィルタの出力の差が
最小になるように設計されている。したがって理想的な
場合、非エコー信号はスピーカフォンを介して結合され
、壬コー信号成分は消去される。

ただし、通常の全２重スピーカフォンは、このような理
想的特性に従って動作しない。通常の全２重スピーカフ
ォンでは、適応アダプタを初期設定する、すなわち適応
させるのに時間がかかる点で問題がある。さらに、ディ
ジタル全２重スピーカフォンでは、へ法則またはミュー
法則量子化エラー及び線形性エラーに関するエラー信号
により、性能が低下する。

Ｃ１課題を解決するための手段 上記及びその他の問題は、本発明に従って構成され動作
する全２重スピーカフォンによって解決される。本発明
のある実施例では、全２重ディジタル・スピーカフォン
は、電話トランクなどの通信リンクに結合された出力部
を宵する送信信号経路と、通信リンクに結合された入力
部と拡声器に結合された出力部を有する受信信号経路を
含む。

スピーカフォンはさらに、室内エコー消去用適応フィル
タとトランク・エコー消去用適応フィルタを含む。ミュ
ー法則またはＡ法則量子化エラー信号成分を阻止するた
め、送信信号経路内に選択的阻止ブロックが直列に結合
されている。受信信号経路内には第２の選択的阻止ブロ
ックが直列に結合されている。

残留エコー音声または実際の非エコー音声のために、エ
ラー信号がゼーロでないことがある。適応フィルタが適
応され、非エコー信号がない場合には、エラー信号は少
数のミュー法則（またはＡ法則）量子化ステップに等し
くなるが、それは主としてフィルタのミストラッキング
によるものである。エラー信号をマイクロフォン入力信
号に関連する現在の量子化ステップ・サイズと比較する
ことにより、所定の量子化ステップ数より小さい場合、
信号はゼロに阻止される。逆に、非エコー信号が存在す
る場合には、エラー信号は、ミストラッキング成分の他
に非エコー信号も含む。そのような場合、エラーは上記
の量を超えるので阻止されない。

すなわち、選択的阻止ブロックはしきい回路として動作
する。このしきい回路のそれぞれの出力は、その入力の
絶対値が所定のしきい値に等しいかそれより小さい場合
にゼロとなる。そうでない場合には、選択的阻止ブロッ
クの出力は入力と等しくなる。しきい値は入力信号に関
連する現在のミュー法則またはＡ法則量子化ステップ・
サイズに比例するように、動的に変更される。

ミュー法則またはＡ法則信号変換による非線形性の阻止
も、適応アダプタへの入力部に非線形信号処理ブロック
を設け、適応フィルタの出力部に任意選択で非線形信号
処理ブロックを設けることによって対処される。各ブロ
ックは信号コンバータの非線形性をエミュレートし補償
する。

さらに、本発明によれば、半２重モードで通話を開始し
、その係数が適応されたときに全２重モードに切り換え
て、適応フィルタ係数の初期設定を容易にするという全
２重スピーカフォンが開示される。さらに本発明のスピ
ーカフォンの適応ステップ・サイズは可変で、関連する
送信信号経路または受信信号経路内の信号出力の短期推
定値の関数である。

以下、図面を参照しながら本発明の作用を実施例と共に
説明する。

Ｄ、実施例 第１図に、全２重ディジタル・スピーカフォン（以下、
スピーカフォンと称する）１０のブロック・ダイヤグラ
ムを示す。スピーカフォン１０はディジタル・リンク・
トランシーバとＣ０ＤＥＣの間に相互接続されている。

スピーカフォン１０は、リンク側の音声チャネル・イン
ターフェース１２、Ｃ０ＤＥＣ側の音声チャネル・イン
ターフェース１４、ミュー法則／Ａ法則−線形コンパー
タ１６及び線形−ミュー法則／Ａ法則コンバータ１８、
及びディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）２０を含む。

ＤＳＰ２０は、適応フィルタと汎用制御回路及びタイミ
ング回路２２を制御する。

次にスピーカフォン１０を介したデータの流れについて
一般的に説明する。ダウンリンク方向では、ディジタル
・リンク・トランシーバによって音声情報がリンクから
非多重化され、直列通信ボートを介してスピーカフォン
１０に結合される。音声データは、８ビツト・バイトの
書式であり当技術分野でミュー法則またはＡ法則と呼ば
れている、２つの近似対数スケールのどちらかを使って
符号化される。ＤＳＰ２０によって行なわれる計算では
、信号を線形スケールで表す必要があるので、着信信号
の対数−線形変換が行なわれる。ＤＳＰ２０内では信号
が以下に詳細に述べられるように処理され、適応ろ波さ
れる。その後、信号は適切な対数スケールに再変換され
、Ｃ０ＤＥＣに入力されてアナログ信号に変換される。

このアナログ信号はその後拡声器に入力される。アップ
リンク経路は上記の内容と類似しているが、全般的に逆
の順序である。

第２図を参照すると、アップリンク信号とダウンリンク
信号に前述のようなエコー・ノイズ成分が含まれている
ことがわかる。室内エコーの残響時間は一般に、エコー
が一８０ｄＢまたはそれ以下にまで減衰するのに要する
時間の量として定義される。ただし、固有のミュー法則
もしくはＡ法則量子化ノイズの結果として、通常は、エ
コーは一４０ｄＢレベルに減少させればよい。したがっ
て、室内エコーの有効な接続時間は約２００ミリ秒、す
なわち音声サンプリング率が８ＫＨｚのとき１６００サ
ンプルである。

室内エコー消去器（室内ＥＣ）３０とトランクＥＣ３２
の２つの適応フィルタが、アップリンク信号経路とダウ
ンリンク信号経路の間に結合されている。１つの適切な
適応フィルタの実施例は、最小平均２乗（ＬＭＳ）適応
基準を利用した有限パルス応答（ＦＩＲ）フィルタであ
る。本技術の利点としては、計算の回数が最少でよい、
フィルタが安定している、局部的極小値がないので最適
点に収束する、比較的簡単に実施できるなどがあげられ
る。本発明のＥＣ３０とＥＣ３２はＦ’ＩＲフィルタと
して実施され、ＬＭＳ適応基準を採用している。当然、
その他の適切なフィルタ・タイプや適応基準も使用でき
る。

次に、本発明の適応フィルタＥＣ３０とＥＣ３２の物理
的実施態様に関する特定の変数とその他のパラメータに
ついて説明する。この説明は、第３図に示した適応フィ
ルタの簡単なブロック・ダイヤグラムを参照して行なう
。

フィルタの長さまたは次数は、消去すべきエコーの接続
時間によって決まる。室内音響特性とトランク音響特性
についての前記の説明に基づき、室内ＥＣフィルタ３０
の適切なフィルタ長は１５３６係数（１９２ミリ秒）で
あることが判明している。一方、トランクＥＣフィルタ
３２のフィルタ長は２５６係数・（３２ミリ秒）である
ことも判明している。

適応フィルタが、８　Ｋ　Ｈｚでサンプリングされミュ
ー法則またはＡ法則手法を用いて圧伸された音声を処理
するものと想定した場合、フィルタ・タップの音声サン
プルを１４ビツトで線形表現する必要がある。ただし、
音声サンプルの線形表現に１６ビツトを使用する場合は
、処理上の柔軟性が高くなることが判明している。

係数のワード・サイズは、エコー消去性能が係数量子化
ノイズによって制限されないように設定する。２４ビツ
トの係数ワード長が適切であることが判明している。

別設の指定がない限り、以下の説明では、すべての１６
ビツト整数値は符号付き分数とみなす。

これは、表現されている絶対値が１より小さいかまたは
１に等しいことを示唆している。整数の範囲は−３２７
８８から＋３２７６７までである。

これに対応する実値は−１，０から＋０．９９９９６９
５までである。このような表示方式は、当技術分野では
ｒＱ　１５Ｊと呼ばれている。１６×１６ビツト乗算器
／３２ビット・アキュムレータを計算の一部を実行する
ために使用し、２４Ｘ１６ビツト乗算器と４０ビツト・
アキュムレータを大部分の制御関係の計算用に使用する
。３２ビツトの最終結果４ヨ、切り捨てられずに１６ビ
ツトｌこまるめられるので、累算時に桁あぶれが生じる
ことはない。桁あふれ条件が検出された場合、一部の従
来システムの場合のように、アキュムレータが入力を減
衰するのではなく、最大値で「飽和」する。適応フィル
タ３０と３２には、２４Ｘ１ｅビット乗算器と４０ビツ
ト・アキュムレータを使用する。適応フィルタ出力は１
６ビツト値であるのに対し、音声サンプルは１４ビツト
値なのでイ適応フィルタ出力婢アナログ飽和効果に類似
し、１４ビツト値に限定される。一般に、音声サンプル
絶対値は０．２５すなわち整数値で８１９２を超えるこ
とはない。大部分の計算にＱ１５表示が使用されるため
、乗算器の出力は１つの冗長符号ビットを含むので、結
果の実値の半分に等しくなる。したがって、乗算器／ア
キュムレータの出力を２倍にしなくてはならない。２に
よる乗算を左シフトによっては行なうと、桁あぶれが生
じる可能性があるので使えない。それ自体に３２ビツト
数を加え、必要ならば結果を飽和させることが好ましい
。

フィルタ適応ステップ・サイズすなわちＢＥＴＡの決定
値は、所望のフィルタ係数収束速度と最適値を中心とし
たフィルタ係数の受入れ可能な変動量に関して決定され
る。最適ＢＥＴＡ値は信号出力に反比例する。ただし音
声信号は非常に非定常的なため、本発明で使用するＢＥ
ＴＡ値は、信号出力の短期推定値に反比例するよう動的
に修正される。トランクＥＣ３２の場合には、信号の２
乗の低域ろ波が十分な推定値となる。フィルタの時間定
数はフィルタ長と同程度、すなわち約１６ミリ秒である
。室内ＥＣ３０の場合には、フィルタ長は音声の典型的
静止期間である２Ｑ−３０ミリ秒よりずっと大きいため
、フィルタ・タップは異なる音声レベルの「履歴」を含
む。したがって、ＢＥＴＡの値はＥＣ３０内の最大出力
レベルに比例する。、これは、低域フィルタを立上り時
間が早く立下り時間が遅い非直線フィルタで置き換える
ことによって実現される。立上り時間は信号の出力ピー
クに十分追従できるほど短い約８ミリ秒とすることが好
ましく、立下り時間はフィルタ長の関数で約１２８ミリ
秒である。

下記の係数更新式２には、係数値をゼロに向かってゆっ
くり変化させて係数のドリフトをなくす目的で、任意選
択の漏れ項が含まれている。

最適点からフィルタ係数がそれないようにするため、対
応する信号のない場合には、適応機能を使用禁止にする
。すなわち発呼者側の音声のない場合には室内ＥＣ適応
機能が使用禁止となり、ユーザ側の音声のない場合には
トランクＥＣ適応機能が使用禁止となる。

制御ブロック（第５Ａ図の制御部６０）で、スピーカフ
ォン１０の状態が、ユーザ音声状態、発呼者音声状態、
遊休状態またはその他の状態のいずれにあるかが判定さ
れる。それに基づいてフィルタ適応機能が制御される。

本発明のこの機能については、後でさらに詳しく説明す
る。ただし、電話機の状態が未知のとき、または「その
他」に分類されているときには、両方の適応フィルタの
適応機能が使用可能となる。したがって「デッドロック
」状態が発生する可能性がなくなる。

エコー経路におけるＤＣオフセットは、適応フィルタに
よって即時に消去されず、ＤＣオフセットが存在すると
、適応フィルタ係数に大きな変動が生じる可能性がある
。本発明の１態様によれば、エコー経路内のＤＣオフセ
ットが適応ＤＣ係数によって除去される。適応式は、対
応するタップ値を１に設定し、手順サイズＢＥＴＡを小
さく設定する意思外は、非ＤＣ成分の場合と同じである
。

ＤＣオフセット値は、通常比較的小さいので、ＤＣオフ
セットを円滑に追跡するにはフィルタ精度を向上させな
くてはならない。したがってＤＣオフセット係数は、３
２ビツト・ワードで表すことが好ましい。あるいは、デ
ィジタル高域ろ波によってＤＣオフセットを除去するこ
ともできる。

多くの従来の全２重スピーカフォンでは、音量の制御は
外部から行なわれる。このため、反射されたトランク・
エコーも音量調節の影響を受け、容易にクリップ・レベ
ル以上に増幅されて、適応フィルタによって消去できな
い強い非線形成分を生じさせかねないという問題が生じ
る。さらに、有効なトランク・エコ一応答が変更される
ので、音量の変更にフィルタの再適応が必要となる。

上記の問題を解決するために、本発明のスピーカフォン
１０では、第２図と第５Ａ図に示すように、トランク・
エコー・ループの外部に音量制御部３４を設ける。ＤＳ
Ｐ２０は、１ステツプあたり１ｄＢの分解能で、＋１２
ｄＢから一２４ｄＢまでの音量制御範囲について音量制
御機能を実行する。

以上の本発明のスピーカフォン１０の説明に基づいて、
次にＤＳＰ２０によって実行される適応フィルタ計算に
ついて説明する。式及び第２図と第３図に出てくる各種
の項は次のとおりである。

Ｓ　（ｎ）　　−適応フィルタ入力 Ｍ　（ｎ）　　−基準入力（エコーをともなう信号）Ｅ
　（ｎ）　　−フィルタ・エラー信号Ｃ（ｎ）　　−フ
ィルタ係数 Ａｓ　（ｎ）−人力信号の振幅推定値 Ｎ＋１　　−フィルタの長さ ＢＥＡＴ　　−適応ステップ・サイズ ＢＥＴＡＯ一定数 Ｐｓ　　　　−３（ｎ）信号出力の推定値Ｌｅａｋ　　
−漏れ定数 Ｔｒ％Ｔｆ−非線形フィルタ立上り時間及び立下り時間
定数 ｓｇｎ（・）は符号関数を表す ａｂｓ　（・）は絶対値関数を表す Ｌｉｍ１ｔ１４（・）は１４ビツトの最大音声サンプル
値に対する制限子である。

フィルタの計算： 係数の適応： ｎｅｗ　Ｃ（Ｋ）　＝　ｏｌｄ　Ｃ（Ｋ）　＋　Ｂｅｔ
ａ”Ｅ（ｎ）”５（ｎ−Ｋ）−５ｑｎ（Ｃ（Ｋ））”Ｌ
ｅａｋ　　　　　　（２）ただしに＝０・・・・ｎ ステップ・サイズの修正 ＢＥＴＡ　＝ＢＥＴＡＯ／Ｐｓ（ｎ）　　　　　　　　
　（３）信号出力推定値 Ｐｓ（ｎ）　：Ａｓ（ｎ）”Ａｓ（ｎ）　　　　　　　
　（４）Ａｓ　（ｎ）の計算（非線形ＩＩＲフィルタ）
：Ａｓ　（ｎ−１）＞ａｂｓ　（Ｓ　（ｎ））の場合、
Ａｓ（ｎ）　＝Ａｓ（ｎ−１）”（１−Ｔｆ）　＋Ｔｆ
”ａｂｓ（Ｓ（ｎ））それ以外の場合、 Ａｓ（ｎ）　＝　Ａｓ（ｎ−１）”（１−Ｔｒ）　＋　
Ｔｒ”ａｂｓ（Ｓ（ｎ））電話機の状態（発呼者、ユー
ザ、遊休、その他）を判定するため、ＤＳＰ２０によっ
て実施される制御機能は、まず送信チャネルと受信チャ
ネルの両方の音声信号とノイズ信号の振幅の推定値を計
算する。下記に定義する６つの変数が算出される。

Ｓｘ＝送信チャネル総信号振幅推定値 Ｓｒ＝受信チャネル総信号振幅推定値 Ｎｘ＝送信チャネル・ノイズ振幅推定値Ｎｒ＝受信チャ
ネル・ノイズ振幅推定値５Ｐｘ＝送信チヤネル音声信号
振幅推定値ＳＰ　ｒ＝受信チャネル音声信号振幅推定値
上記６個の変数は、第５Ａ図に示すような選択的阻止ブ
ロックと音量制御ブロックより前に、送倍信号と受信信
号から導かれる。

ＳｘとＳｒは、次式に従って対応する入力信号の絶対値
を低域ろ波することによって算出される。

５ｘ（ｎ）　＝Ｓｘ（ｎ−１）”ＴＡＵ　＋　（１−Ｔ
Ａｕ）”ａｂｓ（Ｘ（ｎ））。

５ｒ（ｎ）　＝Ｓｒ（ｎ−１）”ＴＡＵ　＋　（１−Ｔ
ＡＬＩ）”ａｂｓ（Ｒ（ｎ））ただし、ａｂｓ　（・）
は絶対値関数、ＴＡＵは低域フィルタに関連する時間定
数である。適切なＴＡＵの値は、３２ミリ秒の時間定数
で、音声の平均静止期間とほぼ同じである。

ＮｘとＮｒは信号推定値ＳｘとＳｒのそれぞれの最小点
を基本的に検出しそれに追従する非線形手段によって算
出される。最小点が語間の休止などの時間間隔に対応し
ていることが基本的な前提条件となる。この場合、背景
ノイズが唯一の利用可能な信号となる。

計算は、次のように行なわれる。

Ｎｘ　（ｎ−１）＞Ｓｘ　（ｎ）の場合、Ｎｘ　（ｎ）
＝Ｓｘ　（ｎ） それ以外の場合、Ｎｘ　（ｎ）＝Ｎｘ　（ｎ−１）＋Ｉ
ｎｃｒ、　　同様に、 Ｎｒ　（ｎ−１）＞Ｓｒ　（ｎ）の場合％　Ｎ　ｒ　（
ｎ）＝Ｓｒ（ｎ） それ以外の場合、Ｎｒ　（ｎ）＝Ｎｒ　（ｎ−１）＋Ｉ
ｎｃｒ。

Ｉｎｃｒは約１−２秒以内に典型的ノイズ・レベルに向
かう初期フィルタの収束を行なわせる小さな増分値であ
る。

ＳＰｘとＳＰｒは音声レベル推定値で、信号推定値から
対応するノイズを差し引くことによって導かれる。

ＳＰｘ　＝Ｓｘ　−Ｈｘ ＳＰｒ　＝　Ｓｒ　−Ｈｒ 上記８個の変数に基づいて、次のように４個の２進変数
が算出される。

ｂ３＝１（Ｋｌ傘Ｓ　ｘ　　Ｎ　ｘ　−Ｋ　２　＞　Ｏ
の場合）＝０（それ以外の場合） ｂ２＝１（Ｋ１”Ｓｘ　　Ｎｒ　　Ｋ２＞Ｏの場合）＝
０（それ以外の場合） ｂｌ＝１　（ＳＰｘ宰ＶＯＬＸ＞Ｋ３”ＳＰ　ｒの場合
）＝Ｏ（それ以外の場合） ｂｏ＝１　（ＳＰｒ”ＶＯＬｒ＞Ｋ３”ＳＰｘの場合）
＝０（それ以外の場合） ｂ３とｂ２はそれぞれ送信経路と受信経路における音声
の有無を示し、ｂｌとｂＯは音声送信信号と音声受信信
号の相対強度を表す。Ｋ１とに２はそれを超える信号が
音声であるとみなされるしきい値を定義する定数である
。Ｋ３はユーザ状態と発呼者状態とを区別するのに必要
な送信音声レベルと受信音声レベルの比を定義する。Ｋ
３の典型的値は約３−４である。ＶＯＬｘとＶＯＬｒは
それぞれ送信音量レベルと受信音量レベルを表し、ユー
ザ選択音量と以下に説明するような任意選択で追加でき
る追加減衰量を含む。

上記２進変数値に基づいて、電話機の状態が次表に従っ
て８サンプルごとに１回など定期的に判定される。この
場合Ｘは「いずれでもよい」（０または１）を表す。

ｂ３　　　ｂ２　　　ｂｌ　　　ｂＯ電話機　　室内フ
ィルタ　　　トランク・フィルタの状態　適応エネーブ
ル　適応エネーブルｏｏｘｘ　　　　遊　　休　　　　
　ノー　　　　　　　　　ノー×　　　１　　０　　１
　　　発呼者　　　　　イエス　　　　　　　ノー１　
　　ｘ　　　１　　０　　　ユーザ　　　　　ノー　　
　　　　　　イエス０　　１　　１　　　ｘ　　　違　
　法　　　　　ノー　　　　　　　　　ノー１０　Ｘ　
１　違法　刀−ノー １　　１　　１　　１　　　違　　法　　　　　ノー　
　　　　　　　　ノーそれ以外の　　　その他　　イエ
ス　　　　イエスすべて 上記の３種類の違法状態は、４個の２進変数が相関関係
にある場合に発生し、したがって一部の組合せは実際に
は起こり得ない。

電話機の状態を定義する目的は２つある。第１に、性能
を最適化しフィルタの発散を最小にする方法により、２
個の適応フィルタ、３０と３２の適応プロセスが電話機
の状態に応じて使用可能または使用禁止になる。第２に
、信号対エコー比をさらに向上させるため、ユーザ状態
及び発呼者状態時に一定量の減衰を非活動経路内に挿入
することができる。たとえば、ユーザ状態では受信経路
をわずかに減衰させることができる。したがってスピー
カフォン１０の全２重特性を低下させずに性能を向上さ
せることができる。さらに、減衰を挿入すると、負のル
ープ利得が確保され、したがって背面接続した２個の適
応フィルタ３０と３２によって定義されるループ内の振
動が防止できる。

制御部６０は、エコー特性が通常は通話ごとに異なるの
で、各通話に先立って適応フィルタ係数をゼロに初期設
定する。係数が非ゼロだとフィルタ計算時に桁あぶれを
起こし、その結果フィルタの発散が起こる可能性がある
ので、係数をゼロに初期設定するのが好都合である。

係数はすべて最初にゼロに設定されるので、最初は発呼
時にエコーが消去されず、信号ループが振動しはじめる
。特定の通常のエコー消去応用例では、初期適応の問題
は、トレーニング期間中にランダム・ノイズなどの既知
の信号を送信することによって解決される。スピーカフ
ォンでは一般に同様の解決策が適用できないので、本発
明ではさらに、半２重／全２重組合せスピーカフォンを
提供する。すなわちＥＣ３０とＥＣ３２が初期適応を完
了するまで、電話機は半２重スピーカフォンとして動作
する。その後、全２重モードに自動的に切り換わる。

この半２重／全２重間の切換えは制御部６０によって制
御され、通常出力信号圧縮器から全２重信号経路の出力
を切り離すことによって行なわれる。したがって半２重
モードでは、ＥＣ３０とＥＣ３２は、入力を受は取り、
出力信号経路に出力を供給させずに、それぞれ室内エコ
ーとトランク・エコーの大きさに基づいてそれらの係数
を適応させる。適応が実現されたと制御部６０が判定す
ると、全２重信号経路が適用され、全２重動作が開始さ
れる。本発明のこの態様については、後でさらに詳しく
説明する。

受入れ可能なレベルの適応を実現するには、適応フィル
タを一定量の信号エネルギーが通過することが必要であ
る。すなわち、一定の最小時間の間特定の最小信号出力
レベルがＥＣフィルタ３０と３２に入力されなくてはな
らない。

本発明のこの態様によれば、通話の開始時には、半２重
モードでスピーカフォンが作動する。制御部６０は、各
信号が所定のしきい値より大きくなる正味時間を測定し
累積する。送信方向及び受信方向で約３秒の音声正味時
間が累積されると、スピーカフォンが全２重モードに切
り換えられる。

ただし、語間の休止の量及び音声が存在しない遊休期間
の接続時間に応じて、実際の時間が１０−２０秒になる
こともあることに留意されたい。

半２重動作モードでは、制御部６０は、一方の経路で信
号伝送を可能にしながら、他方の経路でかなりの損失を
挿入するよう、スピーカフォン１０の動作を制御する。

１９８８年１０月１２日付けの米国特許出願第２５８８
１０号に、その適切な半２重モード実施態様の１つが記
載されている。

適応後に適応フィルタは線形システムとなるので、信号
エコーの線形成分だけが消去される。エコー経路内の非
線形信号は、上記のＤＣバイアス以外は適応消去されな
い。したがって、信号対エコー比（ＳＥＲ）がエコー経
路の信号対全調和ひずみ比を超えない。アナログ増幅器
の飽和、拡声器／マイクロフォンの飽和、信号とＤＣバ
イアスの非線形ローディングなどの非線形性は、設計時
にこれらの要因を考慮して最小にすることが好ましい。

前述のように、各適応フィルタ係数は、個々のエコー遅
延に対応する。適応プロセスで、エラー信号と適応フィ
ルタ入力の相関に比例する値によって、この係数が更新
される。したがって、エコー経路パルス応答を捕捉する
ため、音声ノイズやランダム・ノイズなど広帯域の非相
関信号を送信することが好ましい。信号がトーンのよう
な相関された信号である場合、適応フィルタ係数は、信
号を消去するが、望ましいエコー経路パルス応答ではな
いような特殊な解に向かって収束する傾向にある。した
がって、発信音信号及び呼出音信号も排除することが好
ましい。これは、本発明に従って、通話の始めに半２重
モードを採用することによって実現される。発信音信号
と呼出音信号は、狭帯域信号の検出時に、フィルタ適応
を使用禁止にして排除することもできる。

つまり、正しく初期適応を行なうには、音声ノイズやラ
ンダム・ノイズのような広帯域信号が必要なので、純信
号音が存在する場合に初期フィルタ適応を行なうとフィ
ルタの発散が起こる可能性がある。ユーザがダイヤル操
作により発呼を開始するとき、通話が確立される最初の
数秒間そのような純信号音が存在する。このような信号
音には、発信音、ダイヤル・ボタンの操作に応答して生
成されるＤＴＭＦ信号その他の信号音、最後に呼出音信
号がある。

通話の確立時に初期適応を行なわない好ましい方法の１
つは、初期期間中、受信信号経路の信号エンベロープの
「方形波」の性質を利用するものである。この方形波信
号は、ダイヤル期間中の高レベルと低レベルの間の予測
可能な少数の発信音に関係するトグルを表すが、音声信
号は、振幅がずっと大きく変動する。

初期ダイヤル期間の予測可能な方形波の性質に基づいて
、２０個などの特定数の受信信号トグルが制御部６０に
よって検出されないと、フィルタ適応機能が使用可能に
ならない。したがうて、フィルタの初期適応は、ダイヤ
ル操作の影響を受けない。ユーザが呼を受は取ったとき
にダイヤル操作が行なわれない場合は、音声は１秒間に
そのようなトグルを多数含み、動的性質をもつため、上
記の方法では小さな遅延しか生じない。

エコー経路内での主要な非線形性の１つに、Ａ法則また
はミュー法則圧伸に関するものがある。

１４ビツトの線形ＰＣＭサンプルは、対数曲線に従って
８ビツトのミュー法則またはＡ法則サンプルに変換され
るので、それによって生じる量子化ノイズのために、シ
ステムのＳＮＲとＳＥＲは約３５ｄＢに制限される。

このような非線形性及びノイズなどの他の要因によりｔ
エコー消去量はＳＥＲが約３０ｄＢに制限することが好
ましい。エコーのループ利得が約−６０ｄＢであるのに
対し、半ループ・エコー減衰は、約３０ｄＢにすぎない
。ただし、１４ビツトのＲＯＭ音声信号は、７０ｄＢを
超える動的範囲を有することに留意されたい。

適応フィルタ係数の発散は、たたみ込みまたは積の和の
計算における大きな桁あぶれや飽和によって発生する。

したがって誤まった誤差項がフィードバックされ、係数
の更新に使用されるので、正のフィードバック・ループ
が生成される。その結果、適応フィルタ出力がフルスケ
ール信号で発振する。２つの背面接続した適応フィルタ
がそのようなフィードバック・ループを生成するので、
システムはフルスケール信号の発振でラッチアップする
。発散は通常の環境のもとでは起こりそうもないが、電
力サージのような偶発的事象によって適応フィルタ・メ
モリ内の係数／タップ・データが破壊され、発散が起こ
る可能性がある。

この特定の問題は完全に排除することはできない。ただ
し、本発明のスピーカフォン１０は、発散条件が検出さ
れた場合にただちにシステムを初期設定することによっ
て発散の影響を最小にする。

発散はフルスケールの静止信号を特徴とするので、検出
は制御部６０によって容品に行なわれる。この静止信号
は通常の音声ではほとんど生じない。

音声には通常、短い接続時間のフルスケール信号しか含
まれない。

本発明の１つの態様によれば、発散の検出は、２５０ミ
リ秒など所定の連続した時間内に所定のしきい値を超え
る信号電力を識別することによっ、て行なわれる。フル
スケール信号電力の１／２が適切なしきい値であること
が判明している。

ある適応フィルタ係数ブロック更新手法では、適応フィ
ルタ係数がサンプル・タイムごとに更新されない。たと
えば、８サンプルごとに１同各係数が更新される。更新
増分値は、連続更新法によって算出された最新の８つの
増分値の合計である。

ブロック更新法の利点は、累積が３２ビツト・アキュム
レータまたは４０ビツト・アキュムレータで行なわれる
ため、計算の回数が少なくてすみ、しかも係数増分の解
が改善される点にある。

前述のようにＡ法則またはミュー法則量子化では、約３
Ｏ−３６ｄＢの信号対ノイズ比が生成されるので、適応
フィルタのパフォーマンス（ＳＥＲ）が約３０ｄＢに制
限される。この制限の１つの理由は、量子化が非線形動
作であるため、適応フィルタによって消去できない非線
形信号成分が生成されることである。しかし、Ａ法則及
びミュー法則関数は既知なので、発生する非線形効果を
適応フィルタによって生成される合成エコーに人工的に
加えることができる。

本発明の別の態様によれば、第４図に示すように、２つ
のミュー法則効果ブロックが適応フィルタ信号経路に追
加されている。ミュー法則効果ブロック＃１４０は、Ｃ
０ＤＥＣ内でのディジタル−アナログ変換以前にディジ
タル線形信号を圧縮した場合の効果をエミュレートする
。ミュー法則効果ブロック＃２４２も同様に、マイクロ
フォンからＧＯＤＥＣ及びＤＳＰプロセッサへの経路内
で生じる圧縮／伸長をエミュレートする。したがって非
線形ミュー法則効果が適応フィルタ４４経路内で再生さ
れる。当然のことながら、その代わりにブロック４０と
４２がＡ法則の非線形性を補償する。

理想的な場合、２つのミュー法則効果ブロック４０と４
２を追加すると、ＳＥＲが３０ｄＢから５０ｄＢに向上
する。ただし、エコー経路における理想的線形性から多
少のずれが生じるため、ＳＥＲの改善は約３０ないし３
３ｄＢにとどまる。

このように改善が理想的な場合より劣る理由の１つは、
ミュー法則量子化のために、実際にエコーと合成エコー
の間に小さな差しかなくとも量子化ステップ丸々１つ分
の差が生じてしまうからである。このように小さな差は
、係数の収束の確率的性質及びノイズやその他の非理想
的条件のために必ず存在するものである。

また本発明によれば、ＳＥＲは、後で説明するようにエ
ラー信号を選択的に阻止することにより、さらに改善す
ることができる。

一般に、エラー信号は、残留エコーまたは実際の非エコ
ー音声のために、非ゼロとなる可能性がある。適応フィ
ルタが正しく適応され、エラー信号が存在しない場合に
は、エラー信号は少数のミュー法則（またはＡ法則）量
子化ステップと等しくなる。これは主としてフィルタの
ミストラッキングによるものである。エラー信号をマイ
クロフォン入力信号に関連する現在の量子化ステップ・
サイズと比較することにより、それが所定の量子化ステ
ップの数より少ない場合に信号がゼロに阻止される。

逆に、非エコー信号が存在する場合には、エラー信号は
ミストラッキング成分と非エコー信号を含む。このよう
な場合には、エラーは上記の量を超えるので抑制されな
い。

ブロック４２すなわちミュー法則効果ブロック＃２は、
エラー信号が整数個の量子化ステップとなるようにする
。これは、それが２つのミュー法則量子化信号の差であ
るからである。ただし、この技法は、エラーがちょうど
整数の量子化ステップでなくとも有効に働く。したがっ
て、ミュー法則効果ブロック４２は、選択的阻止ブロッ
ク４６がうま（動作する場合には必要でない。

ただし、ミュー法則／Ａ法則は対数スケールなので、量
子化ステップ・サイズは動的に変化することに留意され
たい。信号のダイナミック・レンジ°は８つのセグメン
トに分割される。これらのセグメントのそれぞれで、異
なる量子化ステップ・サイズが使用される。一般に、選
択的阻止機能４６はしきい回路として動作する。入力の
絶対値が特定のしきい値より小さいかこれに等しい場合
にはその出力はゼロとなる。そうでない場合には、出力
は入力と等しくなる。しきい値は、入力信号に関連する
現在のミュー法則量子化ステップ・サイズに比例するよ
う動的に変化する。つまりしきい値はサンプルごとに変
化する。

主要なひずみ成分がミュー法則量子化である理想に近い
システムでは、残留エコー振幅が１量子化ステツプと同
程度である。したがって、しきい値をある現量子化ステ
ップに等しく設定すると、残留エコーがほぼすべて排除
できる。

複数の量子化ステップまで、あるいは同様に現在の入力
サンプル振幅のさらに大きな部分１こまでしきい値を増
大させると、より大きな適応フィルタ・ミストラッキン
グから生じるより大きな残留エコーが阻止される。ただ
し、選択的阻止機能４６のしきい値を増大させると、大
きな非エコー信号も消去される可能性が生じる。

したがって、しきい値の選択は、大きな残留エコーを阻
止できることと一部の非エコー信号が阻止されることを
両天秤にかけて行なわなければならない。ただし、同時
両方向音声または反対方向音声が制御部６０によって検
出されたとき、選択的阻止機能４６が迂回されまたは使
用禁止になった場合には、非エコー信号の好ましくない
阻止が最小になる。

ただし、選択的阻止機能は音声経路内のみに挿入される
が、係数の適応は元のエラー信号を使用することによっ
て実行されることに留意されたい。

阻止された信号を使用すると、エコーと合成エコーの差
のある整数の量子化ステップに一致する係数値のところ
で極小値が生じるので、これは好ましい。

第５Ａ図に、アップリンク信号経路内の第１の選択的阻
止ブロック５０とダウンリンク信号経路内の第２の選択
的阻止ブロック５２を有するスピーカフォンのブロック
・ダイヤグラムを示す。アップリンク信号経路では、マ
イクロフォンの出力がミュー法則伸長器５４によって伸
長される。伸長器５４の線形出力は、ＤＣ除去のため、
ＤＣブロック４４すなわち前記ＤＣタップに供給される
。ＤＣブロック５５の出力は、室内ＥＣ適応フィルタの
出力と加えられてエラー信号を生成し、それが選択的阻
止ブロック５０に供給される。抑制ブロック５０は、前
記のようにエラー・サンプルを選択的に阻止する働きを
する。選択的阻止ブロック５０の出力は、制御部６０に
よって制御される音量制御部ブロック５８に供給される
。アップリンク音量制御部５８の出力は、ミュー法則圧
縮器６２によって対数信号に変換され、ついでアップリ
ンクに結合される。ダウンリンク経路はアップリンク経
路と類似しており、ミュー法則伸長器６４、ＤＣブロッ
ク６５、トランクＥＣ８６及び前記の選択的阻止ブロッ
ク５２を含む。選択的阻止ブロック５２の出力はダウン
リンク音量制御ブロック６８に供給され、ミュー法則圧
縮器７０によって対数信号に変換される。ブロック７０
の出力は拡声器（図示せず）に供給される。ただし、適
応フィルタ・エコー消去器５６と６６はそれぞれ、第５
ｂ図に示したものと同じであることに留意されたい。ま
た、適応フィルタ５６と６６は共に、それぞれ入力部に
ミュー法則（Ａ法則）効果ブロック５７と６７を備えて
いることにも留意されたい。

ミュー法則効果ブロック５７と６７は、前記のようにミ
ュー法則変換の非線形効果とエミュレートする働きをす
る。

制御部６０は、前記のように、適応フィルタ５６と６６
の動作を制御し、また音量制御ブロック５８と６８を制
御する働きをする。さらに、制御部６０は、呼がはじめ
て初期設定されたときにスピーカフォンを半２重動作モ
ードにする。制御部θ０は適応フィルタ５６と６６の係
数タップを監視し、フィルタが初期設定されたときに全
２重モードに切り換える。

送信半２重経路は信号経路７２によって示されており、
送信可変利得要素ＭＸ７４とスイッチ手段７６を含む。

ＭＸ７４とスイッチ７６は制御部６０によって制御され
る。受信半２重経路は、信号経路７８、可変利得要素Ｍ
Ｒ”ＶＯＬ８０及びスイッチ手段８２によって表される
。これらの各要素も制御部６０によって制御される。第
５Ａ図では、スイッチ７６と８２が全２重位置にある所
を示しである。ただし、呼の初期設定時には、これらの
スイッチは、全２重経路の出力を切り、半２重信号経路
７２と７８の出力を選択するように設定される。半２重
と全２重の切換え基準についてはすでに説明した。前記
のように、半２重動作モードでのスピーカフォン１０の
適切な動作モードについては、前記の米国特許出願箱２
５８８１０号に開示されている。

第５Ａ図ではミュー法則変換装置に関して本発明を説明
したが、本発明の教示はＡ法則変換装置にも同様に適用
できることを理解されたい。

前述のように、スピーカフォン１０の制御機能はディジ
タル信号プロセッサ（ＤＳＰ）集積回路で実行すること
が好ましい。適切な装置の１つは、テキサス・インスツ
ルメン）　（Ｔｅｘａｓ　Ｉｎ５ｔｒｕ＋＊ｅｎｔｓ）
社製のＴＭＳ３２０２０ＤＳＰプロセッサである。

また、適応フィルタ５６と６６はそれぞれ集積回路によ
って実施できる。適応ろ波機能を実現するための適切な
装置の１つは、モトローラ（）ｌｏｔｏｒｏｌａ　Ｉｎ
ｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ）社製のＤＳＰ５８２００である
。ただし、本発明で実施されている概念は、独立したア
ナログ回路やディジタル回路など多数の適切な実施例で
実施できることを理解されたい。

Ｅ０発明の詳細 な説明したように本発明によれば、従来のスピーカフォ
ンにおける課題を解決することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の全２重ディジタル・スピーカフォン
の実施例を示す図である。 第２図は、室内エコー及びトランク・エコー消去適応フ
ィルタを表す図である。 第３図は、適応フィルタを示す図゛である。 第４図は、本発明のディジタル全２重スピーカフォンの
一部分を示す図である。 第５Ａ図は、それぞれ選択的抑制信号ブロックと音量調
整信号ブロックを有する信号送信経路と信号受信経路を
示す図である。 第５Ｂ図は、第５Ａ図の適応フィルタ・ブロックの一方
を示す図である。 １０・・・・スピーカフォン、１２．１４・・・・チャ
ネル・インターフェース、２０・・・・ディジタル信号
プロセッサ（ＤＳＰ）　、３０・・・・室内エコー消去
器（室内ＥＣ）、３２・・・・トランクＥｃ１３ｏ１３
２・・・・適応フィルタ、６０・・・・制御部、４ｏ１
４２．５７．８７・・・・ミュー法則効果ブロック、４
Ｂ、５０，５２・・・・選択的抑制ブロック、４４．５
５．６５・・・・ＤＣブロック、５８．６８・・・・音
量制御ブロック、６４・・・・ミュー法則伸長器、６６
・・・・トランクＥＣ，５Ｂ、８Ｂ・・・・適応フィル
タ、７０・・・・ミュー法則圧縮器、７６．８２・・・
・スイッチ手段、７８・・・・信号経路。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）通信リンクに接続された出力部を有する送信信号
   経路と、通信リンクに接続された入力部及びスピーカに
   接続された出力部を有する受信信号経路とを含むスピー
   カフォンであって、 （ａ）第１のエコー信号成分を含む送信経路信号を生成
   する手段と、 （ｂ）送信経路信号を、第１のディジタル量子化エラー
   信号を含むディジタル送信信号に変換する手段と、 （ｃ）受信信号経路に接続された入力部及び送信信号経
   路に接続された出力部を有し、第１のエコー信号成分を
   消去する第１の適応フィルタ手段と、 （ｄ）受信信号経路と通信リンクとを接続し、第２のエ
   コー信号成分を含む受信経路信号を生成する手段と、 （ｅ）受信経路信号を、第２のディジタル量子化エラー
   信号を含むディジタル受信信号に変換する手段と、 （ｆ）送信信号経路に接続された入力部及び受信信号経
   路に接続された出力部を有し、第２のエコー信号成分を
   消去する第２の適応フィルタ手段と、 （ｇ）送信信号経路内において直列的に接続され、上記
   第１の適応フィルタ手段よりも後段で送信信号経路に接
   続された入力部を有し、第１のディジタル量子化エラー
   信号を選択的に阻止する手段と、 （ｈ）受信信号経路内において直列的に接続され、上記
   第２の適応フィルタ手段よりも後段で受信信号経路に接
   続された入力部を有し、第２のディジタル量子化エラー
   信号を選択的に阻止する手段と、 を有するスピーカフォン。
2. （２）受信信号経路に接続された入力部及び送信信号経
   路に接続された出力部を有する第１のエコー消去適応フ
   ィルタと、送信信号経路に接続された入力部及び受信信
   号経路に接続された出力部を有する第２のエコー消去適
   応フィルタとを含むスピーカフォンを動作させる方法で
   あって、 （ａ）送信信号経路入力信号を、第１のエコーノイズ成
   分及び量子化エラー成分を含むディジタル送信信号経路
   入力信号に変換するステップと、（ｂ）受信信号経路入
   力信号を、第２のエコーノイズ成分及び量子化エラー成
   分を含むディジタル受信信号経路入力信号に変換するス
   テップと、（ｃ）第１のエコーノイズ成分及び第２のエ
   コーノイズ成分の少なくとも一部を消去するステップと
   、 （ｄ）入力信号と、基準入力信号と、適応フィルア係数
   の大きさとに基づく大きさを有する適応フィルタ出力エ
   ラー信号を生成するステップと、（ｅ）ステップサイズ
   に基づいて適応フィルタ係数の大きさを適応化するステ
   ップと、 を有するスピーカフォン動作方法。