JPH0248831A - 雑音低減方法 - 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】 発明の分野 この発明は、もとのレコーディングの少なくとも２つの
異なった複製が利用可能である、（レコードまたはフィ
ルムトラックのような）レコーディングの再生の間の、
不所要の擬似雑音の低減のための方法および装置に関す
る。

この発明は、異なった経路に沿って伝送され、またした
がって異なった不規則雑音を被った２個の信号が利用可
能である、雑音低減にもまた応用可能である。

発明の背景 インパルス性の白色雑音は、保管されたレコーディング
の劣化の最も一般的な形式のうちの２つである。レコー
ディングの異なった複製における妨害は、通常互いに相
関していない。

このような雑音を低減しようとする先の試みは特に成功
せず、かつこの発明の目的は、このような雑音の低減、
および保管されたレコーディングの増強を達成するため
の改良された方法および装置を提供することである。

もとの音源から誘導されるが、しかし異なった伝送路を
介す２個の信号が利用可能である場合はいつでも、この
方法が使用され得るので、この発明は、保管されたレコ
ーディングの増強よりも、明らかにより一般的な応用の
ためのものである。

したがってこの説明は、この点を考慮して読まれるべき
である。

発明の概要 雑音低減法に関するこの発明の１つの局面に従えば、同
じもとの信号の２つの形（たとえばレコード、フィルム
サウンドトラック、円筒レコーディングまたは伝送）が
、（有限インパルス応答フィルタまたはローパスアナロ
グフィルタのような）ディジタルフィルタによって一方
の入来信号に同時に処理され、その出力は、フィルタの
出力と他方の入来信号との差に対応する誤差信号を与え
るように、他方の入来信号と比較され、その誤差信号を
最小値に低減するように、フィルタ処理された信号を時
間的に移動させるような態様で、ディジタルまたはアナ
ログフィルタの特性を変えるように、誤差信号が、適応
アルゴリズムでプログラムされたマイクロプロセッサに
よって処理され、ディジタルフィルタの出力は雑音低減
されかつ増強された信号を与える。

正しい動作のため、フィルタは、フィルタ処理された信
号内にフィルタの長さよりも大きい遅延を導入すべきで
はない。したがって、フィルタの長さの範囲内に相対遅
延を維持するように、入力の一方または他方への純遅延
装置の挿入により、付加的な相対遅延がもたらされても
よい。

最適な動作のため、ディジタルフィルタによって導入さ
れた遅延は、フィルタの長さの約２分の１であるべきで
ある。

純遅延が挿入されたところで、ディジタルフィルタのフ
ィルタ係数が、不所望の過渡現象を避けるように適当な
方向に移動されなければならない。

ディジタルフィルタのフィルタ係数は、平均二乗誤差が
最小にされるように適合される。フィルタ係数が最小値
を有するタップ遅延は、最も近い整数の正確さに相対遅
延を与える。遅延のより正確な推定のため、最大におけ
るかつその付近における３つの点から値を決定するのに
、二次インターボレータが使用され得る。

インターボレータとしてのディジタルフィルタの性能は
、帯域制限、入力信号相関構造、サンプル間隔、相対遅
延、分数遅延、およびフィルタの長さＮの関数である。

この性能は、増加するサンプリング速度、フィルタの長
さ、および連続的なデータサンプル間の相関と関連して
改良される。

補間誤差は、遅延の分数部分がサンプル間隔の半分に近
づくにつれて増加し、かつ遅延の整数部分がフィルタの
長さの半分に近づくにつれて減少する。

誤差信号出力が最小になるためには、ディジタルフィル
タが、可能な限りもとの信号の多くを通過させ、かつ可
能な限り多くの雑音を阻止するように適合されなければ
ならないことが数学的に示され得る。これは、ディジタ
ルフィルタが情報のたった１つのチャンネルで動作する
という事実に基づいて生じ、かつ他方のチャンネルでの
他方の信号における雑音は、ディジタルフィルタのフィ
ルタ係数の変動によって影響されないので、誤差信号に
達成可能な最小値は、ディジタルフィルタによって影響
されないチャンネルでの、信号の雑音成分になるであろ
う。

最小二乗フィルタの実現のための適切なアルゴリズムは
、ＬＭＳまたはＲＬＳアルゴリズムである。ＬＭＳアル
ゴリズムの利点は、その計算上の単純性である。しかし
ながら、主な欠点は、音声と音楽での場合のように、入
力信号が大固有値の拡散を有するとき、アルゴリズムは
うまく行なわれないことである。この問題の解決は、平
坦スペクトル励起で励起された自己回帰システムの出力
としてこの信号を原型化することである。このような配
置において、信号は、自己回帰パラメータ、および相対
的に白色の励起に分解される。適応雑音抑制が励起信号
上で行なわれる。音声信号が自己回帰モデルパラメータ
および励起信号に分解されるとき、白色雑音妨害は、自
己回帰モデルパラメータよりも大きく励起を損う。した
がって、励起信号の復元は、全信号対雑音比に大きな改
良をもたらす。しかしながら、この方法の主な不利な点
は、雑音を有する信号を、雑音を有する励起に変換する
ことによって、共振周波数における信号対雑音比を減少
させることである。

一方、ＲＬＳアルゴリズムは、大固有値拡散に感応的で
はないが、しかしＬＭＳアルゴリズムよりも非常に高い
計算複雑度を有する。これは、フィルタの長さが５０な
いし４００の範囲にある応用に使用されるのには禁じら
れている。高速ＲＬＳアルゴリズムは、ＩＥＥＥトラン
ザクションズ（ｔ　ｒａｎｓａｃｔ　ｔｏｎｓ）ＡＳＳ
Ｐ％第３２巻、３０４頁ないし３３７頁、１９８４年４
月、の「適応フィルタ処理のための高速再帰的最小二乗
トランスバーサルフィルタ（“Ｆａｓｔ　　ｒｅｃｕｒ
ｓｉｖｅ　　１ｅａｓｔ　　５ｑｕａｒｅｓｔｒａｎｓ
ｖｅｒｓａｌ　　ｆｉｌｔｅｒｓ　　ｆ。

ｒ　　ａｄａｐｔｉｖｅ　　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ”）Ｊ
と題された論文に述べられたアルゴリズムの実現に使用
された。しかしながら、この高速アルゴリズムは数値の
不正確さに感応的である。入力信号が雑音を有する場合
に問題は悪化し、そのとき、すなわち（ＬＭＳを使用す
ることにより、または高速アルゴリズムを先に使用する
ことにより得られるであろう）最適に近い初期条件を使
用するための安定性を改良するのに２つの改良がなされ
てもよく、かつ第２に、フィルタ係数が損われるはるか
前に、再初期設定の周期が生じなければならないが、ア
ルゴリズムは周期的に再初期設定されてもよい。典型的
に、再初期設定の直前のフィルタタップ係数が、初期条
件として使用される。

この発明の成功は、保管されたレコーディングに見出さ
れるべきである音声のまたは音楽の信号の振幅移動に関
して、不規則雑音が、相対的に小さな振幅になる傾向に
あり、かつ十分な伝送のために非常に高い帯域幅を必要
とする傾向にあるという事実に依存している。信号のデ
ィジタルフィルタ処理を制御するのに適応アルゴリズム
を使用し、かつ訂正された信号と、同じ音源から生ずる
がしかし異なった雑音成分を有する他の信号との差を最
適化することによって、第１の信号のもとの雑音成分が
大幅に取除かれ得る。なぜならば、それらは、基準信号
における雑音スパイクと同瞬時に正常に生じないので、
正確に誤差信号と同定され得るからである。

しかしながら、この発明は、レコードにひびが入り、ま
たはフィルムのサウンドトラックに大きな傷が生じると
きに起こるような、大きな振幅雑音スパイクを処理する
のには特に適していない。

このため、この発明の適応雑音抑制回路の前に、インパ
ルス雑音検出および抑制がもたらされるべきであり、か
つインパルス雑音が反転フィルタのインパルス応答の尺
度状めされたものにスミア化され、一方、所望の信号サ
ンプルが非相関の励起サンプルに変換し戻される、イン
パルス雑音検出および抑制システムについて述べている
この出願の同時係属中の特許出願がここで参照される。

インパルスによって取除かれるサンプルが廃棄され、か
つ自己回帰モデル形式の補間アルゴリズムを使用して発
生された信号を用いてそのギャップが充填される。

インパルス雑音検出および抑制回路を使用することによ
って、この発明の適応雑音抑制回路に最終的に伝送され
る信号の雑音信号レベルが、最大効率で機能するのを可
能にする後者の回路の能力の範囲内で全体的に調整され
得る。

ここで、この発明は添付の図面を参照して例示すること
によって説明される。

好ましい実施例の説明 第１図において、２つの入力に、同じもとの音声または
音楽の、２つの同時に再生されたレコーディングから導
出された２つの記号ｚ　（ｍ）およびｙ　（ｍ）が設け
られている。入力１０における信号ｚ　（ｍ）は調節可
能な純遅延ライン１２によって遅延され、かつこの信号
は一方入力を加算段加算器１４に与える。第２の入力１
６はディジタルフィルタ１８（第１図に示されたような
有限インパルス応答フィルタ）の入力に接続され、その
出力は増強された音声信号ｘ（ｍ−Ｍ）を与え、かつ同
じ信号を加算段１４の反転入力にもまた与える。

加算段１４からの誤差信号出力ｅ　（ｍ）は、ディジタ
ルフィルタ１８の係数の値、および遅延装置１２によっ
て導入された遅延の量を制御するための適応アルゴリズ
ムでプログラムされたマイクロプロセッサ２０に供給さ
れる。適応アルゴリズムは、平均二乗誤差信号（加算段
１４からの出力）が最小にされるようにフィルタ係数を
調節するように動作する。

誤差信号ｅ　（ｍ）の変化は、次の数式によって与えら
れる。すなわち、 Ｅ（ｅ、：）　−Ｅ（（ＺＩｌ−Ｖ　Ｙ　、　−Ｍ））
−Ｓ”＋　（Ｓ：　＋Ｗ”Ｒｗ−２ｖ”ｒ）＋（ｖＴＮ
ｖ）’　”’　　”　（ｒ＋Ｍ）　”　（ｒ＋Ｍ−１）
　’ｒ（ｒ＋Ｍ−２）　””　（ｒ＋Ｍ−Ｎ＋１）　）
Ｓｘ２は信号出力であり、 Ｓ２は雑音出力であり、 Ｒは入力信号相関マトリックスであり、Ｎは雑音自己相
関マトリックスであり、「□は信号相関遅滞であり、 Ｍは挿入された単位遅延の数である。

第１の括弧の中の項の和が最小になるためには、フィル
タは可能な限り多くのもとの信号を通過させなければな
らず、一方、第２の項が最小値を有するには、フィルタ
は可能な限り多くの雑音を阻止しなければならない。

第２図は、インパルス雑音検出および解消システムを概
略的に示す。インパルス雑音検出よび抑制のためのこの
出願の同時係属中の出願に、より十分に説明されるこの
システムにおいて、サンプル値と中央値との差が、成る
しきい値よりも大きい場合、入来雑音信号Ｙがサンプル
され、かつサンプルはインターボレータによって中央値
と置換されるにすぎない。インパルス雑音はもとの信号
の一部のみを損うので、雑音を有しないサンプルの不必
要な処理および結果として起こる損失を避けるために、
個々のインパルスを検出しかつ訂正することが必要であ
る。入来雑音信号は、ＬＰＧ分析段２４からの出力によ
って制御された反転フィルタ２２によってフィルタ処理
され、かつフィルタ処理された出力は、ＬＰＧ分析回路
によってちまた制御された整合フィルタ２６にその入力
を与える。

整合フィルタ２６からの出力は、そのしきい値が反転フ
ィルタ２２からの出力によって制御される、しきい値検
出器の入力に与えられる。

インターボレータ３０は、サンプル値がインパルス雑音
成分を含むことを示すような、中央値からの大きな離れ
をしきい値検出器が示す、サンプル値間で補間する。

こうしてインターボレータ３０は、ＬＰＧ分析回路２４
からの出力としきい値検出器２８とによ、って制御され
、そのため、直前の値から非常に大きくかつ突然に離れ
る入来雑音信号のサンプル値が、補間された中央値と置
換されることによって圧縮される。

音声のおよび音楽の信号は、高Ｑ共振の存在によって特
徴づけられ、かつ雑音信号の励起空間への変換は次のよ
うな効果を有する。

ａ）　所望の信号の尺度は、もとの励起のそれにほとん
ど減少されるが一方、インパルス雑音の尺度は減少され
ない。これは主に、自己回帰システムが通常相関された
信号の優れたモデルである一方、適切にインパルス性妨
害を原型化できないという事実に起因する。これは、所
望の信号に関連するインパルス雑音の大きな増強をもた
らし得る。

ｂ）　インパルス雑音は反転フィルタのインパルス応答
の尺度決めされたものにスミア化されるが、一方、所望
の信号サンプルは非相関励起サンプルに変換し戻される
。したがって、反転フィルタインパルス応答に整合され
たフィルタは、インパルス性妨害を最もよく検出する。

励起シーケンス推定における雑音に貢献する３つの因子
が、本質的に存在することが数学的に示され得る。これ
らは、（Ａ）インパルス雑音それ自身、（Ｂ）反転フィ
ルタ処理の動作によって現在までにスミア化された過去
のｐ雑音サンプルの効果、および（Ｃ）パラメータベク
トル推定における誤差によって引き起こされた励起信号
の変動の高騰である。

雑音を有する信号の励起空間への変換は、信号の尺度を
ほとんどもとの励起のそれにまで効果的に減少させるが
、一方、雑音の尺度は同じのままであるかまたは増加す
る。信号対雑音比の改良は、自己回帰モデルパラメータ
に全面的に依存し、かつ数式「インパルス雑音対励起比
」／「インパルス雑音対信号比」によって与えられた自
己回帰システムのスペクトルエネルギによって与えられ
ることが示され得る。

音声のおよび音楽の信号では、雑音を有しない励起信号
の振幅の尺度は、通常、信号のそれの１０分の１ないし
１０００分の１のオーダである。

したがって、雑音を有する信号の励起空間への変換は、
信号対雑音比を２０ないし６０ｄＢの因子だけ改良する
。これは、インパルス雑音の検出可能性における非常に
大きな改良点である。

多くのインパルス性妨害が、励起パルスのそれらよりも
はるかに大きい振幅を有する。しかしながら一般に、振
幅が励起パルスのそれと比較し得るか、またはそれより
も小さい、いくつかのインパルスも存在するであろう。

検出器のしきい値レベルが、小さな振幅インパルスを検
出するのに十分に低く選択されるならば、これは、雑音
パルスとして純励起パルスの偽の検出を引き起こすかも
しれない。インパルス性妨害の検出可能性は、もとの信
号Ｘ１が非相関励起信号ｅ、に変換される効果を有する
、反転フィルタ処理のプロセスによって改良されるかも
しれないが、一方、インパルス雑音は（ｐ＋１）ポイン
ト反転フィルタインパルス応答の尺度決めされたものに
スミア化される。

励起がガウスのものであるとすると、反転フィルタイン
パルス応答に整合されたフィルタは、励起信号から、ス
ミア化されたインパルス雑音を最もよく検出するであろ
う。

インパルスによって削除されるサンプルは廃棄され、か
つ自己回帰モデル型式の補間に基づいた信号と置換され
る。音声信号が非静止状態であるため、検出器のしきい
値を、時間変化する励起出力推定値の適応関数にするこ
とが必要である。これに関して、小さな振幅サンプルの
ための統合であるが、しかし、励起サンプル振幅が成る
データ依存しきい値を越えるとき減衰を導く、データ適
応非線形システムを介して励起を通過させることによっ
て、しきい値が得られる。

適応雑音抑制に追従されるインパルス雑音検出および抑
制の組合わせは、２つのまたはもとの性能のレコーディ
ングが存在する、保管されたレコーディングの復元への
応用に成功した。

グラモフォンレコードグループ壁の左側および右側の両
方に音声信号が録音されたことが、いくつかの保管され
たレコードで見出された。左トラツクおよび右トラツク
からのインパルス性白色雑音妨害はほとんど相関してお
らず、かつモノピックアップの代わりにステレオピック
アップを使用することによって、２個の独立した電気信
号が得られ、その一方は左側の壁への情報と関連してお
り、かつその他方はグラモノォングループの右側の壁か
らのものであるということが、実験によって示された。

そのように得られた２個の信号を使用し、かつ第２図に
示されたようなインパルス雑音検出システムを介して両
方の信号を処理し、かつ次いで、第１図に示されたよう
に適応雑音抑制システムを介して両方の信号を処理する
（２個の信号が入力１０および１６に供給される）こと
によりて、すべての雑音から実質的に解放されている出
力信号が接合３２で得られることができる。

第３図の（ａ）と（ｂ）と（ｃ）と（ｄ）とは、第２図
のインパルス雑音検出および抑制回路において異なった
点での信号を示しており、かつ以下のとおりである。

第３図の（ａ）は、インパルス雑音によって損われた信
号を示し、 第３図の（ｂ）は、励起信号を示し、 第３図の（ｅ）は、整合されたフィルタ出力を示し、お
よび 第３図の（Ｃ）は、復元された信号を示す。

第３図の（ｃ）に示された信号は、多くの鈴音および高
周波成分変調を依然として含んでいるであろうし、かつ
第４図の（ａ）および（ｂ）は、同時に再生された２つ
のレコーディングに、（またはステレオピックアップを
介して再生された単一のレコードに）起因する、２つの
インパルス雑音検出および抑制システムから得られた２
個の信号を示し、かつ第４図の（Ｃ）は、すべての雑音
が除去された最終処理された信号を示す。

第３図の（ａ）ないしくｄ）に示された音波の例は、第
４図の（ａ）と（ｂ）と（Ｃ）とに示された例と非常に
異なり、かつ異なった例は、処理されかつ増強され得る
信号のみを示すように意図されていることが理解されな
ければならない。

第１図のシステムを実現化するのに便利な装置は、ラフ
バラ・サウンド・イメージズ社（Ｌｏｕｇｈｂｏｒｏｕ
ｇｈ　　５ｏｕｎｄ　　ＩｍａｇｅｓＬｔｄ、）によっ
て提供されたようなＮＥＣフローティングポイント信号
プロセッサボードを含む。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明を具体的に例示する適応雑音抑制シ
ステムを示す。 第２図は、第１図に示された回路のディジタルフィルタ
に信号を与えるのに使用されてもよいインパルス雑音検
出システムを示す。 第３図の（ａ）ないしくｄ）は、第２図のインパルス雑
音検出および抑制システムにおける異なった点での信号
を示す。 第４図の（ａ）ないしくＣ）は、第１図の適応雑音抑制
システムにおける異なった点での信号を示す。 図において、１０．１６は入力、１２は遅延装置、１８
はディジタルフィルタ、２０はマイクロプロセッサ、３
０はインターボレータ、ｅ　（ｍ）は誤差信号である。 特許出願人　シーダー・オーディオ・リミテッド図面の
浄書（内容に変更なし） Ｆｉｇ、２ 手続補正書（立） ４００．０　６００．０　８００．ＯＭ、Ｏｆ＞７゛ル
Ｎｏ、　　　　　　　　／（７）１、事件の表示 平成１年特許願第８９５３３号 ２、発明の名称 雑音低減方法 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住　所　イギリス、ケンブリッジ、ボトルフ・レーン、
１６ボトルフ・ハウス 名　称　シーダー・オーディオ・リミテッド代表者　ク
リストファー・ローズ ４、代理人 住　所　大阪市北区南森町２丁目１番２９号　住友銀行
南森町ビルＦｔ’ｇ、４ ６゜ 補正の対象 図面全図 ７゜ 補正の内容 別紙の通り。 なお、 図面の内容には、 変更なし。 以上

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）同じもとの信号の２つのものが同時に処理される
   雑音低減方法であって、一方の入来信号がディジタルフ
   ィルタまたはローパスアナログフィルタによって処理さ
   れ、フィルタの出力と他方の入来信号との差に対応する
   誤差信号を発生するように、フィルタの出力が他方の入
   来信号と比較され、さらに、誤差信号を最少にまで減少
   させる態様で、フィルタ処理された信号を時間的に移動
   させるような態様で、ディジタルまたはアナログフィル
   タの特性を変えるように、適応アルゴリズムでプログラ
   ムされたマイクロプロセッサによって誤差信号が処理さ
   れ、それによって、フィルタの出力が、雑音低減されか
   つ増強された信号を与えることを特徴とする、方法。
2. （２）フィルタが、フィルタ処理された信号内にフィル
   タの長さよりも大きい遅延を導入しないことを特徴とす
   る、請求項１に記載の方法。
3. （３）入力の一方または他方に、少なくとも１個の純遅
   延装置を挿入することによって相対遅延がもたらされ、
   それによってフィルタの長さの範囲内に相対遅延を維持
   することを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. （４）フィルタによって導入された遅延がフィルタの長
   さの約２分の１であることを特徴とする、請求項３に記
   載の方法。
5. （５）フィルタのフィルタ係数が、不所望の過渡現象を
   避けるために適切な方向に移動されることを特徴とする
   、請求項３または４に記載の方法。
6. （６）ディジタルフィルタを使用することによって、平
   均二乗誤差が最少にされる処理の結果、ディジタルフィ
   ルタのフィルタ係数が適合されることを特徴とする、請
   求項１ないし５のいずれかに記載の方法。
7. （７）フィルタ処理された信号内へ導入された遅延の正
   確な推定のため、最大においておよびその付近における
   ３つの点から値を決定するのに、二次インターボレータ
   が使用されることを特徴とする、請求項１ないし６に記
   載の方法。
8. （８）その方法に従って、最小二乗フィルタの実現に使
   用されたアルゴリズムがＬＭＳまたはＲＬＳアルゴリズ
   ムである、請求項６または７に記載の方法。
9. （９）ＬＭＳアルゴリズムを使用して、フィルタへの入
   力信号が、平坦スペクトル励起で励起された自己回帰シ
   ステムの出力として原型化される、請求項８に記載の方
   法。
10. （１０）ＲＭＳアルゴリズムを使用することによって、
    フィルタ処理が、最適に近い初期条件におけるフィルタ
    で開始され、そのアルゴリズムは周期的に再初期設定さ
    れ、さらに、フィルタ係数が損われるはるか前に、再初
    期設定周期が生じ、再初期設定の直前のフィルタタップ
    係数が初期条件として使用される、請求項８に記載の方
    法。