JPH06181422A

JPH06181422A - 適応信号処理装置

Info

Publication number: JPH06181422A
Application number: JP35354292A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Mizuuchi; 崇行水内; Toru Sasaki; 徹佐々木; Hitoshi Okubo; 仁大久保; Kaoru Gyotoku; 薫行徳
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1992-12-14
Filing date: 1992-12-14
Publication date: 1994-06-28

Abstract

(57)【要約】【目的】等価的に周波数ごとの低減処理能力に自由に
重み付けをできるようにして、目的に合わせた信号処理
を可能にする。【構成】主要入力信号中の低減対象信号と相関が強い
参照入力信号から前記低減対象信号に近似する信号を得
る適応フィルタ回路２４と、前記主要入力信号から、適
応フィルタ回路２４の出力信号を減算する合成回路１５
とを備える。合成回路１５の出力誤差信号が、その周波
数特性を制御する回路１７、１９あるいは３１を介し
て、適応フィルタ回路２４にフィードバックされる。適
応フィルタ回路２４では、合成回路１５の出力誤差信号
のパワーが最小になるように適応処理を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、主要入力信号中から
低減対象信号のみを適応的に低減するようにする適応信
号処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から雑音等の低減対象信号のみを適
応的に低減する適応信号処理装置として、図８に示すよ
うな適応型雑音低減装置が知られている。図８におい
て、１は主要入力端子、２は参照入力端子であって、主
要入力端子１を通じて入力された信号は遅延回路３を介
して合成回路４に供給される。また、参照入力端子２を
通じて入力された信号は、適応フィルタ回路５を介して
合成回路４に供給され、遅延回路３からの信号から減算
される。この合成回路４の出力は、適応フィルタ回路５
にフィードバックされると共に、出力端子６に導出され
る。

【０００３】この雑音低減装置においては、主要入力端
子１には、希望信号ｓと、これと無相関の雑音信号（低
減対象信号）ｎ0 との混合信号が入力される。一方、参
照入力端子２には、希望信号とは無相関であるが、低減
対象の雑音信号ｎ0 とは相関がある雑音信号ｎ1 が入力
される。

【０００４】適応フィルタ回路５は、参照入力雑音信号
ｎ1 をフィルタリングして、雑音信号ｎ0 に近似する信
号ｙを出力する。この適応フィルタ回路５の出力信号ｙ
として、雑音信号ｎ0 と逆相、等振幅の信号を得るよう
にすることもできる。遅延回路３は、適応フィルタ回路
５での処理時間を考慮して、減算処理する信号の時間合
わせをするためのものである。

【０００５】適応フィルタ回路５における適応のアルゴ
リズムは、合成回路４の出力である減算出力（残差出
力）ｅを最小にするように働く。すなわち、今、ｓ，ｎ
0 ，ｎ1 ，ｙが統計的に定常であり、平均値が０である
と仮定すると残差出力ｅは、ｅ＝ｓ＋ｎ0 −ｙとなる。これを二乗したものの期待値は、ｓがｎ0 と、
また、ｙと無相関であるから、Ｅ［ｅ²］＝Ｅ［ｓ²］＋Ｅ［（ｎ0 −ｙ）²］＋２Ｅ
［ｓ（ｎ0 −ｙ）］＝Ｅ［ｓ²］＋Ｅ［（ｎ0 −ｙ）²］となる。適応フィルタ回路５が収束するものとすれば、
適応フィルタ回路５は、Ｅ［ｅ²］が最小になるように
調整されるものである。このとき、Ｅ［ｓ²］は影響を
受けないので、Ｅmin ［ｅ²］＝Ｅ［ｓ²］＋Ｅmin ［（ｎ0 −
ｙ）²］となる。すなわち、Ｅ［ｅ²］が最小化されることによ
ってＥ［（ｎ0 −ｙ）²］が最小化され、適応フィルタ
回路５の出力ｙは、雑音信号ｎ0 の推定量になる。そし
て、合成回路４からの出力の期待値は、希望信号ｓのみ
となる。すなわち、適応フィルタ回路５を調整して全出
力パワーを最小化することは、減算出力ｅが、希望音声
信号ｓの最小二乗推定値になることに等しい。

【０００６】なお、適応フィルタ回路５はアナログ信号
処理回路で実現する場合とデジタル信号処理回路で実現
する場合の、いずれでも可能である。適応フィルタ回路
５を、デジタルフィルタを用いて実現した場合の例を図
９に示す。この例は、適応のアルゴリズムとして、いわ
ゆるＬＭＳ（最小平均自乗）法を使用する。

【０００７】図９に示すように、この例では、ＦＩＲフ
ィルタ型の適応線形結合器３００を使用する。これは、
それぞれ単位サンプリング時間の遅延時間Ｚ^-1を有する
複数個の遅延回路ＤＬ１，ＤＬ２，……ＤＬｍ（ｍは正
の整数）と、入力雑音ｎ1 及び各遅延回路ＤＬ１，ＤＬ
２，……ＤＬｍの出力信号と加重係数との掛け算を行う
加重回路ＭＸ０，ＭＸ１，ＭＸ２，……ＭＸｍと、加重
回路ＭＸ０〜ＭＸｍの出力を加算する加算回路３１０を
備える。加算回路３１０の出力はｙである。

【０００８】加重回路ＭＸ０〜ＭＸｍに供給する加重係
数は、例えばマイクロコンピュータからなるＬＭＳ演算
回路３２０で、合成回路４からの残差信号ｅに基づいて
形成される。このＬＭＳ演算回路３２０で実行されるア
ルゴリズムは、次のようになる。

【０００９】今、時刻k における入力ベクトルＸ_kを、
図９にも示すように、Ｘ_k＝［ｘ_0k ｘ_1k ｘ_2k ・・・ｘ_mk］^T とし、出力をｙ_k、加重係数をｗ_jk（j=0,1,2,…m ）と
すると、入出力の関係は、次の数１に示すように、

【００１０】

【数１】となる。

【００１１】そして、時刻k における加重ベクトルＷ_k
を、Ｗ_k＝［ｗ_0k ｗ_1k ｗ_2k ・・・ｗ_mk］^T と定義すれば、入出力関係は、ｙ_k＝Ｘ_k ^T・Ｗ_k で与えられる。ここで、希望の応答をｄ_kとすれば、残
差ｅ_kは次のように表される。ｅ_k＝ｄ_k−ｙ_k ＝ｄ_k−Ｘ_k ^T・Ｗ_k ＬＭＳ法では、加重ベクトルの更新を、Ｗ_k+1＝Ｗ_k＋２μ・ｅ_k・Ｘ_k … （ａ）なる式（ａ）により順次行っていく。ここで、μは適応
の速度と安定性を決める利得因子（ステップゲイン）で
ある。

【００１２】合成回路４が音響合成手段となる場合もあ
る。すなわち、適応フィルタ回路５で、雑音と逆相、等
振幅の雑音打ち消し音声信号−ｙ形成し、これをスピー
カなどに供給して、主要音声に音響的に加算して雑音低
減する構成とする。この場合の残差ｅは、残差検出用マ
イクロホンで収音することなる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、発明者等
は、この種の適応アルゴリズムを使用した適応型雑音低
減装置において、雑音信号に含まれる複数の周波数成分
のスペクトラムレベルに差があると、各周波数成分毎に
雑音低減量が異なり、スペクトラムレベルの低い周波数
成分ほど低減効果が低い現象を確認した。すなわち、発
明者等は、雑音信号として例えば１３０Ｈｚ、１４０Ｈ
ｚの等レベルの正弦波に、僅かなレベルの例えば２７０
Ｈｚの正弦波を加えたものを使用し、これを主要入力と
参照入力に加えて適応雑音低減の実験を行ったところ、
前２音は十分に低減されたが、２７０Ｈｚの正弦波はほ
とんど残ってしまう結果を得た。

【００１４】この現象の原因は、適応雑音低減装置にお
いては、残差出力パワーが最小になるように適応アルゴ
リズムが働くもので、一般的に、参照入力信号の主要な
スペクトルを主体に雑音低減する性質があることによる
と考えられる。

【００１５】すなわち、例えばＬＭＳ適応アルゴリズム
は、前述した式（ａ）にしたがってＦＩＲデジタルフィ
ルタの係数ベクトルＷ_kを更新している。ある時点での
係数ベクトルＷ_kを修正するベクトルが、式（ａ）の右
辺の第２項であるが、ステップゲインμと瞬時誤差ｅ_k
とはスカラー値で、ともに修正値を直接左右する。同じ
く参照入力ベクトルＸ_kも積の形で働くので、これも修
正値を左右する。平均的な収束の時定数τa は、 τa ＝（ｎ＋１）／４μ・trＥ〔Ｘ_iＸ_j ^T〕で表される。ここで、ｎはベクトルの次数（ＦＩＲフィ
ルタのタップ数でその次数が規定される参照入力ベクト
ルの次数）、trＥ〔Ｘ_iＸ_j ^T〕は参照入力の平均パワ
ーである。つまり、ＦＩＲフィルタのタップ数が大きい
ほど収束速度は遅くなり、ステップゲインμや参照入力
の平均パワーが大きいほど収束速度が速くなる。

【００１６】以上のことから、雑音信号があるスペクト
ル分布をしている場合、つまり、白色雑音のように一様
な分布をしていない場合、その平均パワーが大きい周波
数成分ほど収束速度が速く、結果的にキャンセル量が大
きくなると考えられる。これは、参照入力信号の性質に
よっては、当てはまらないケースもある。定常的な信号
の場合、収束速度が速いと最終的な残留雑音レベルが大
きく、逆に収束が緩慢であると最終的な雑音レベルが小
さくなる。しかし、対象とする信号が音声のように変動
する場合には、収束しきる前にその性質が変化してしま
うため、ある程度収束速度が速い方がキャンセル量が大
きくなる。

【００１７】このように、低減対象信号に含まれる各周
波数成分のスペクトラムレベルに差があると、スペクト
ラムレベルが大きいものから順に低減され、スペクトラ
ムレベルの小さいものは、収束しきる前に信号の変化が
あるため、残留してしまうと考えられ、これが低減量の
低下となる。

【００１８】このため、目的とする低減対象の信号成分
が十分に低減されなくなるおそれがある。また、例え
ば、カメラ一体型ＶＴＲにおいて、被写体方向の音声の
みを収音できるように、被写体方向と逆側からの音声
（例えば撮影者の声）を、低減対象信号として低減除去
するようにする適応信号処理装置の場合には、人声は、
一般に低域側に大きいレベルが偏っているので、適応低
減された出力音声は、この低域側の成分についてのみ低
減対象信号が主として低減されてしまう。このため、出
力音声信号の周波数特性が元の状態から変化してしま
い、音色が変化した音声となってしまう欠点がある。

【００１９】さらに、例えばカメラ一体型ＶＴＲにおい
ては、ズームレンズ駆動用のモータ音などのノイズが発
生し、これが収音マイクロホンにより収音されてしまう
ので、このノイズをも前述の適応処理の低減対象として
低減処理することが考えられる。しかしながら、このモ
ータノイズが比較的大きなレベルで収音される場合に
は、適応処理は、このモータノイズをもっぱら低減する
ように働くため、他の低減対象の不要音声が十分に低減
されてなくなるおそれがある。

【００２０】この発明は、以上のような欠点を改善する
ことができる適応信号処理装置を提供することを目的と
する。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するこの
発明による適応信号処理装置を、図１を参照して説明す
る。図１において、前述の例と対応する部分には、同一
符号を付す。

【００２２】すなわち、この発明による適応信号処理装
置は、図１に示すように、入力端子１を通じて入力され
た主要入力信号（ｓ＋ｎ0 ）中の低減対象信号ｎ0 と相
関が強い参照入力信号ｎ1 から前記低減対象信号に近似
する信号を得る適応フィルタ回路５と、前記主要入力信
号から、適応フィルタ回路５の出力信号を減算する合成
回路４とを備える。

【００２３】合成回路４の出力誤差信号ｅは、周波数特
性を制御する回路、例えばイコライザ回路７を介して適
応フィルタ回路５にフィードバックされる。適応フィル
タ回路５では、合成回路４の出力信号のパワーが最小に
なるように適応処理が行われる。

【００２４】

【作用】上記の構成のこの発明によれば、イコライザ回
路７により誤差信号ｅにイコライザ特性が掛け合わされ
ることによって、誤差信号ｅのスペクトルの自己相関行
列の固有値を変更することができる。このことは、周波
数ごとの適応低減処理の収束速度を変化させることと実
質的に等価であり、周波数ごとの適応処理の重み付けが
できることになる。

【００２５】したがって、イコライザ特性を、適宜、定
めることにより、主要入力に含まれる低減対象信号のみ
を適切に低減することができる。また、大レベルの周波
数成分であっても、適応処理による低減対象から容易に
外すことができる。

【００２６】

【実施例】以下、この発明による適応信号処理装置の一
実施例を、カメラ一体型ＶＴＲにおいて、被写体方向か
らの音声のみを収音するようにすると共に、収音出力音
声の周波数特性の変化を防止するようにする音声入力装
置に適用した場合を例にとって、図を参照しながら説明
する。

【００２７】図２は、この例の音声入力装置の一実施例
で、１１は希望音声を収音するための主要入力用マイク
ロホン、２１は低減対象として除去したい方向の不要音
声や周囲騒音を収音するための参照入力用マイクロホン
である。この例は、希望音声の到来方向は、主として、
図３において矢印ＡＲで示すように、図上、上方から下
方に向かう方向（以下正面方向という）であり、この方
向と逆方向（以下背面方向という）からの不要音を低減
対象音声として収音しないようにする適応雑音低減型の
音声入力装置を実現する例である。

【００２８】この例の場合には、主要入力用マイクロホ
ン１１は、図３に示すような無指向性のマイクロホンで
構成される。一方、参照入力用マイクロホン２１は、図
３に示すように、希望音声到来方向に感度が低く、背面
方向に感度が高い単一指向性のマイクロホンで構成され
る。

【００２９】そして、主要入力用マイクロホン１１によ
り収音され、電気信号に変換されて得られた音声信号
は、増幅器１２を介してＡ／Ｄコンバータ１３に供給さ
れて、デジタル信号に変換され、遅延回路１４を介して
減算回路１５に供給される。

【００３０】また、参照入力用マイクロホン２１により
収音され、電気信号に変換されて得られた音声信号は、
増幅器２２を介してＡ／Ｄコンバータ２３に供給され
て、デジタル信号に変換され、適応フィルタ回路２４に
供給される。

【００３１】この実施例では、適応フィルタ回路２４
は、前述した図９に示すような、ＦＩＲフィルタ型の適
応線形結合器３００と、この線形結合器３００を適応制
御するＬＭＳ演算回路（マイクロコンピュータ）３２０
から構成され、Ａ／Ｄコンバータ２３からのデジタル信
号は、演算回路３２０に供給されると共に、線形結合器
３００を介して減算回路１５に供給される。

【００３２】減算回路１５の出力誤差信号は、デジタル
構成のハイパスフィルタ１７を介して演算回路３２０に
帰還されると共に、Ｄ／Ａコンバータ１６によりアナロ
グ信号に戻され、出力端子１８に導出される。

【００３３】なお、遅延回路１４は、適応フィルタ回路
２４での伝播時間や適応処理のための演算に要する時間
遅れなどの時間遅延を補償するためのものである。

【００３４】基本的には、適応フィルタ回路２４では、
主要入力音声信号中に含まれる低減対象信号に、参照入
力音声信号が近似するように制御される。これにより、
主要入力用マイクロホン１１で収音された音声中の希望
音声と低減対象信号とが無相関であるとすると、減算回
路１５では、主要入力用マイクロホン１１の音声信号か
ら、参照入力用マイクロホン２１の低減対象音声信号が
減算されて除去される。

【００３５】そして、減算回路１５からの誤差信号は、
ハイパスフィルタ１７を介して、その低域成分のレベル
が低くされて適応フィルタ回路２４にフィードバックさ
れる。そして、前述したように、この適応フィルタ回路
２４において、誤差信号と参照入力とに関連した前記式
（ａ）にしたがったデジタルフィルタの係数更新が行わ
れることにより、減算回路１５の出力パワーが最小にな
るように適応処理がなされる。この結果、減算回路１５
からは、希望音声信号のみが得られるようにされる。

【００３６】すなわち、この実施例の構成は、主要入力
として主要入力用マイクロホン１１の出力音声信号が供
給され、低減対象信号として参照入力用マイクロホン２
１の出力音声信号が供給された適応型雑音低減システム
の構成となっている。

【００３７】そして、出力端子１８には、この例では背
面方向からの不要音声信号が選択的に除去されて、結果
的には、希望音声信号だけが得られる。換言すれば、適
応型システムとして、超指向性が実現されたことにな
る。

【００３８】ところで、前述したように、人声信号は、
低域側に大きいレベルを有するものであるので、減算回
路１５の出力信号がそのまま適応フィルタ回路２４にフ
ィードバックされた場合には、低減対象信号の低域成分
が主として低減されて、全ての周波数成分について均等
に低減対象信号の除去が行われない。

【００３９】しかし、この例の場合には、減算回路１５
の出力誤差信号は、ハイパスフィルタ１７により低域成
分のレベルが低くされて、適応フィルタ回路２４に供給
される。このため、総合的な特性としては、すべての周
波数帯域の成分に渡って、低減対象信号がほぼ均等に低
減され、出力端子１８に得られる音声出力の音色が、元
のものと変わってしまうのを防止することができる。

【００４０】次に、図４に、この発明の他の実施例を示
す。この例は、主要入力音声が男性の声と、女性の声と
が混合したものである場合に、この主要入力音声から女
性の音声のみを取り出すようにした場合の例である。

【００４１】この例においても、前述のマイクロホン１
１及び２１を使用する。そして、前述の希望音声方向Ａ
Ｒより女性の声が到来し、これと逆方向から男性の声が
到来するものとする。この例の場合には、減算回路１５
の出力誤差信号はローパスフィルタ１９を介して適応フ
ィルタ回路２４にフィードバックされる。

【００４２】この例において、ローパスフィルタ１９の
カットオフ周波数を変化させたとき、低減対象信号に対
して、図５に示すような低減量が一例として得られた。
すなわち、ローパスフィルタ１９のカットオフ周波数が
３ｋHzのときには、低減量は、−１５ｄＢ（図５では、
この値を低減比の基準の０ｄＢとした）であった。これ
に対して、ローパスフィルタ１９のカットオフ周波数を
下げて、７５０Hzにしたときには、カットオフ周波数が
３ｋHzのときより３ｄＢ以上、低減量が増え、約−１
８．２ｄＢの低減量が得られた。

【００４３】図６に、さらに他の例を示す。この例は、
主要入力用マイクロホン１１及び参照入力用マイクロホ
ン２１の両方に、例えばズームモータやフォーカスモー
タの回転音が比較的高レベルのノイズとして飛び込む場
合の例である。

【００４４】一般に、この種のノイズは定常的な周波数
位置のノイズであって、図７に示すような、特定の周波
数成分を除去するための、いわゆるノッチフィルタによ
り、容易に除去することができる。このため、一般的
に、カメラ一体型ＶＴＲには、このノッチフィルタが、
オーディオ信号の記録信号系に設けられている。

【００４５】したがって、前述したような音声入力装置
としての適応型雑音低減装置においては、このモータノ
イズを低減対象信号とする必要はない。しかしながら、
このモータノイズのレベルが大きい場合には、このモー
タノイズを主たる低減対象信号として、適応処理回路が
動作し、本来の低減対象信号の低減が十分になされな
い。

【００４６】そこで、図６の例においては、減算回路１
５の出力誤差信号は、モータノイズの周波数成分のレベ
ルを低くするフィルタ、例えば図７に示したノッチフィ
ルタと同様の周波数特性のフィルタ３１を介して適応フ
ィルタ回路２４にフィードバックされる。

【００４７】したがって、図６の例においては、周波数
的に定常的なモータノイズは、参照入力としてはノイズ
レベルが大きくても、適応低減処理のスピードが非常に
遅くなり、ほぼ低減対象から除外されて、目的の低減対
象信号が十分に低減されるものである。

【００４８】なお、このフィルタ３１を、前述の図２の
例及び図４の例の誤差信号ｅの適応フィルタ回路２４へ
のフィードバックループに加えるようにしてもよい。

【００４９】以上は、この発明をカメラ一体型ＶＴＲの
音声入力装置に適用した場合について説明したが、この
発明は、音声信号の適応処理に限らず、種々の信号の適
応処理に適用することが可能であることはいうまでもな
い。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、主要入力中の低減対象信号を低減する適応処理装置
において、減算回路の出力誤差信号は、周波数特性を制
御する回路を介して適応フィルタ回路にフィードバック
するようにしたので、等価的に周波数毎に低減処理能力
に自由に重み付けを行うことが可能になる。したがっ
て、これにより、目的に合わせた適応信号処理を行うこ
とができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による適応信号処理装置の概要を示す
ブロック図である。

【図２】この発明による適応信号処理装置の一実施例の
ブロック図である。

【図３】図２の例の説明のための図である。

【図４】この発明による適応信号処理装置の他の実施例
のブロック図である。

【図５】図４の例の動作及び効果を説明するための図で
ある。

【図６】この発明による適応信号処理装置の他の実施例
のブロック図である。

【図７】図６の例の説明に用いるフィルタの周波数特性
図である。

【図８】適応型雑音低減装置の一例のブロック図であ
る。

【図９】適応フィルタ回路の一例のブロック図である。

【符号の説明】

１１主要入力用マイクロホン１５合成回路１７ハイパスフィルタ１９ローパスフィルタ２１参照入力用マイクロホン２４適応フィルタ回路３１ノッチフィルタ特性のフィルタ回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者行徳薫東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】主要入力信号中の低減対象信号と相関が
強い参照入力信号から前記低減対象信号に近似する信号
を得る適応フィルタ回路と、前記主要入力信号から、前記適応フィルタ回路の出力信
号を減算する合成回路とを備え、前記合成回路の出力信号が前記適応フィルタ回路にフィ
ードバックされて、前記合成回路の出力信号のパワーが
最小になるように前記適応フィルタ回路で適応処理が行
われる適応信号処理装置において、前記合成回路の出力信号は、その周波数特性を制御する
回路を介して、前記適応フィルタ回路に供給されるよう
にされた適応信号処理装置。
【請求項２】前記周波数特性を制御する回路は、低減
対象信号の周波数帯域の成分のレベルを上げる回路であ
る請求項１に記載の適応信号処理装置。
【請求項３】前記周波数特性を制御する回路は、低減
対象でない周波数帯域の成分のレベルを下げる回路であ
る請求項１に記載の適応信号処理装置。