JPH06284490A - 適応型雑音低減システム及びこれを用いた未知の系の伝達特性同定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 希望信号がシステム出力に存在する場合に、
希望信号の影響を低減して雑音に対して適切なキャンセ
ル動作を行えるようにする。 【構成】 主要入力信号中の雑音信号と相関のある雑音
信号を参照入力信号として第１の適応フィルタ手段２４
に供給し、主要入力信号中の雑音に近似する信号を形成
する。適応フィルタ手段２４の出力信号を主要入力音声
信号から減算して雑音をキャンセルする。適応フィルタ
手段２４は、推定誤差の出力パワーを最小化するよう
に、フィルタの係数を適応的に更新する。主として希望
音声を収音するようにする第３の収音手段と、この第３
の収音手段の出力信号から希望音声信号に近似する信号
を形成する第２の適応フィルタ手段３４を設ける。第２
の適応フィルタ手段３４の出力信号を用いて、第１の合
成手段の出力信号中の希望音声を低減除去し、この希望
音声信号を含まない信号を推定誤差として第１の適応フ
ィルタ回路２４に供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えばカメラ一体型
ＶＴＲの音声収音装置などに用いて好適な適応型雑音低
減システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、この種の適応型雑音低減シス
テムとして、図４に示すような適応雑音キャンセラーが
知られている。

【０００３】図４は、この適応雑音キャンセラーの基本
的構成を示すもので、１は主要入力端子、２は参照入力
端子である。主要入力端子１を通じて入力された主要入
力信号は遅延回路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参照入力信号
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に帰還されると共
に、出力端子６に導出される。

【０００４】この適応雑音キャンセラーにおいては、主
要入力信号としては、希望信号ｓと、これと無相関の雑
音信号ｎ0 とが加算されたものが入力される。一方、参
照入力信号としては、雑音信号ｎ1 が入力される。参照
入力の雑音信号ｎ1 は、希望信号ｓとは無相関である
が、雑音信号ｎ0 とは相関があるようにされている。

【０００５】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。この場合は、適応フィルタ回路５にお
いては、所定の適応のアルゴリズムにより、合成回路４
の減算出力（残差出力）ｅが最小になるように、参照入
力雑音信号ｎ1 のフィルタリングのフィルタ係数を更新
してゆく。

【０００６】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
の演算処理に要する時間遅れや適応フィルタでの伝播時
間その他を補償して、減算処理する信号との時間合わせ
をするためのものである。

【０００７】以下に、適応雑音キャンセラーの原理につ
いて説明する。

【０００８】今、希望信号ｓ，雑音ｎ0 ，雑音ｎ1 ，出
力信号ｙが統計的に定常であり、平均値がゼロであると
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、希望信号ｓが
雑音ｎ0 及び出力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。

【０００９】適応フィルタ回路５が収束するものとすれ
ば、この適応フィルタ回路５は、Ｅ［ｅ² ］が最小にな
るように、フィルタ係数を更新するものである。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。

【００１０】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。

【００１１】出力ｅは、一般に、信号ｓに多少の雑音が
残ったものになるが、出力雑音は（ｎ0 −ｙ）で与えら
れるからＥ［（ｎ0 −ｙ）² ］を最小化することは、出
力の信号対雑音比を最大化することに等しい。

【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を形成し、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
を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となる。

【００１３】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が、一般的には、Ｄ
ＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）を用いたデジタル
処理回路の構成とされる。デジタル処理回路の構成とし
た場合の適応フィルタ回路５の一例の構成を図５に示
す。

【００１４】適応フィルタ回路５は、この例において
は、ＦＩＲフィルタ型の適応型線形結合器１００と、フ
ィルタ係数更新演算手段１１０とからなっている。この
適応フィルタ回路５は、マイクロコンピュータを搭載す
るＤＳＰにより、ソフトウエアとして構成することがで
きる。フィルタ係数の更新のアルゴリズムは、この例で
は、計算量が少なく、実用的であるため多用されている
ＬＭＳ（Least Mean Squares；最小平均自乗）法を用い
た場合として説明する。

【００１５】ＬＭＳ法について、図５を参照しながら説
明する。図５に示すように、この場合、ＦＩＲフィルタ
型の適応型線形結合器１００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ＤＬ
１，ＤＬ２，……ＤＬｍ（ｍは正の整数）と、入力雑音
ｎ1 及び各遅延回路ＤＬ１，ＤＬ２，……ＤＬｍの出力
信号と加重係数（フィルタ係数）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１０１を備え
る。加算回路１０１の出力は、図４で説明した信号ｙで
ある。

【００１６】加重回路ＭＸ０〜ＭＸｍに供給する加重係
数は、フィルタ係数演算回路１１０で、ＬＭＳアルゴリ
ズムにより、合成回路４からの残差信号ｅと、参照入力
ｎ１とに基づいて形成される。このフィルタ係数演算回
路１１０で実行されるアルゴリズムは、次のようにな
る。

【００１７】今、時刻k における入力ベクトルＸ_k を、
図５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、

【００１８】

【数１】 となる。

【００１９】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 … （１） 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、 ｅ_k ＝ｄ_k −ｙ_k ＝ｄ_k −Ｘ_k ^T ・Ｗ_k …（２） で表される。

【００２０】ＬＭＳ法では、加重ベクトルの更新を、 Ｗ_k+1 ＝Ｗ_k ＋２μ・ｅ_k ・Ｘ_k … （３） なる式（３）により順次行っていく。加重係数の初期値
は、一定値あるいはランダムな値に設定される。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。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】以上のようにして、適
応雑音キャンセラーは、適応フィルタ回路により未知の
系の伝達特性を推定したときの誤差をフィルタ係数（加
重係数）の更新に用いているが、上述した更新のアルゴ
リズムにおいては、システム出力をその推定誤差として
用いている。

【００２２】上述した適応雑音低減システムにおいて希
望音声ｓが存在しないとしたときは、参照入力端子２か
ら主要入力端子１までの伝達系の特性を、適応フィルタ
回路５で具現化するシステム同定であるといえる。この
ときのシステム出力は同定の誤差信号そのものである。

【００２３】しかし、希望音声ｓが存在する場合におい
ては、上述したシステム出力ｅを与える式において、
（ｎ0 −ｙ）は、未知の伝達系の特性の推定誤差である
ことから、出力ｅは、信号ｓと推定誤差（ｎ0 −ｙ）と
の和になっていると考えられる。

【００２４】このように、推定誤差として用いられるシ
ステム出力に、希望信号が含まれている場合には、雑音
を低減除去するという適応雑音キャンセラーの本来の動
作からすると、この希望信号は、推定誤差には不要な信
号であり、この希望信号の存在が適応雑音低減処理動作
に影響を与える。特に、その希望信号レベルや、希望信
号が人声信号のような非定常の信号の場合のように変動
が大きいときは適応動作に与える影響が大きく、適切な
適応動作が得られない欠点がある。

【００２５】この発明は、以上の点にかんがみ、システ
ム出力から希望信号を低減除去したものを推定誤差とし
て適応雑音キャンセラーを動作させることにより、上述
の欠点を排除することを目的とする。

【００２６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、この発明による適応型雑音低減システムは、後述の
実施例の参照符号を対応させると、希望音声到来方向の
感度が高い第１の収音手段１１と、前記希望音声の到来
方向の感度が低い第２の収音手段２１と、第２の収音手
段２１の出力信号が供給される第１の適応フィルタ手段
２４と、第１の収音手段１１の出力信号から、第１の適
応フィルタ手段２４の出力信号を減算処理する第１の合
成手段１５と、主として希望音声を収音するようにする
第３の収音手段３１と、この第３の収音手段３１の出力
信号が供給される第２の適応フィルタ手段３４と、第２
の適応フィルタ手段３４の出力信号を用いて、第１の合
成手段１５の出力信号中の希望音声を低減除去するため
の第２の合成手段３６とを備え、第１の適応フィルタ手
段２４は、第１の合成手段１５の出力中から前記希望音
声信号が低減除去された状態の雑音低減残差出力パワー
を最小化するように、適応処理を行って、第２の収音手
段２１の出力信号から第１の収音手段１１の出力に含ま
れる雑音信号に近似する出力信号を形成し、第１の合成
手段１５から、第１の収音手段１１の出力から前記雑音
信号が低減除去された出力信号を得るようにしたことを
特徴とする。

【００２７】

【作用】上記の構成のこの発明によれば、第２の適応フ
ィルタ手段３４と合成手段３６とにより、システム出力
から希望信号が除去される。そして、そのシステム出力
から希望信号が除去された信号を推定誤差として第１の
適応フィルタ手段２４は、適応動作を行い、主要入力中
の雑音信号を低減除去する。

【００２８】

【実施例】以下、図１〜図３を参照しながら、この発明
による適応型雑音低減システムの一実施例について説明
する。

【００２９】図１において、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は雑音として除去
したい方向の不要音声や周囲騒音を、雑音として収音す
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２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）からの音声を雑音として収音しないように
する装置を実現する例である。

【００３０】この例の場合には、主要入力用マイクロホ
ン１１は、図２に示すように、希望音声到来方向に指向
性の主軸が向けられた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２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
感度が高いマイクロホン、例えば背面方向に指向性の主
軸が向けられた単一指向性のマイクロホンで構成され
る。

【００３１】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。

【００３２】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て、適応フィルタ回路２４
に供給される。

【００３３】この実施例では、適応フィルタ回路２４
は、前述の図５に示したＬＭＳ法による係数更新のアル
ゴリズムを行うデジタル処理回路が用いられる。この適
応フィルタ回路２４は、マイクロコンピュータを備える
ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）により構成する
ことができる。そして、この適応フィルタ回路２４の出
力信号は、減算回路１５に供給される。

【００３４】減算回路１５の出力信号は、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１７に
導出される。なお、Ｄ／Ａコンバータ１６を省いて、減
算回路１５の出力信号をデジタル信号のままで出力端子
１７に導出するようにしてもよい。

【００３５】従来の場合には、この減算回路１５の出力
（システム出力ｅ）が適応フィルタ回路２４に推定誤差
としてフィールドバックされていたが、この例では、希
望音声低減除去回路３０により、このシステム出力ｅか
ら希望音声信号ｓが低減除去された推定誤差εが適応フ
ィルタ回路２４にフィールドバックされ、適応フィルタ
回路２４は、この希望信号ｓを殆ど含まない推定誤差ε
を用いて、フィルタ係数の更新を行う。

【００３６】希望信号低減除去回路３０は、この例で
は、希望音声収音用マイクロホン３１を備える。このマ
イクロホン３１は、主として希望音声を収音するため
に、この例では、図２に示すように、希望音声到来方向
に指向性の主軸が向けられた単一指向性のマイクロホン
で構成される。

【００３７】このマイクロホン３１により収音され、電
気信号に変換されて得られた希望音声信号ｓ´は、増幅
器３２を介してＡ／Ｄコンバータ３３に供給されて、デ
ジタル信号に変換されて、適応フィルタ回路３４に供給
される。この適応フィルタ回路３４も、適応フィルタ回
路２４と同様に、ＬＭＳ法を用いた係数更新を行うデジ
タルフィルタの構成とされる。そして、この適応フィル
タ回路３４からは、希望信号ｓに近似する出力信号ｚが
得られ、これが減算回路３６に供給される。

【００３８】また、減算回路１５の出力信号ｅがタイミ
ング調整用の遅延回路３５を介して、この減算回路３６
に供給される。そして、この減算回路３６において、減
算回路１５からのシステム出力ｅから適応フィルタ回路
３４の出力信号ｚが減算されて、システム出力ｅ中の希
望信号ｓが減算される。そして、減算回路３６の減算出
力εは、適応フィルタ回路３４にフィールドバックさ
れ、適応フィルタ回路３４は、システム出力ｅ中から希
望信号ｓが低減除去されるように、係数更新を行う。

【００３９】ここで、減算回路３６の出力εは、 ε＝ｅ−ｚ ＝（ｓ＋ｎ0 −ｙ）−ｚ ＝（ｎ0 −ｙ）＋（ｓ−ｚ） となる。遅延回路３５は、図４の遅延回路３と同様に時
間遅れなどの補償のためのものであり、なくてもよいの
で、簡単のため上式では省いてある。

【００４０】このようにして得られた減算回路３６の出
力εは、雑音信号ｎ0 の推定誤差（ｎ0 −ｙ）と、希望
信号ｓの推定誤差（ｓ−ｚ）との和であり、適応雑音キ
ャンセラーとしての真の推定誤差（ｎ0 −ｙ）のみでは
ないが、希望信号ｓについての影響が小さくなってい
る。したがって、信号ｓのレベルが大きい場合や、信号
ｓが非定常の場合には、減算回路１５の出力ｅよりも、
この減算回路３６の出力εの方が、適応雑音キャンセラ
ーとして必要とする真の推定誤差に近い値を取り、適応
動作に与える影響は少ない。

【００４１】この例においては、この減算回路３６の出
力εが適応フィルタ回路２４に、フィルタ係数の更新に
用いる推定誤差としてフィールドバックされる。

【００４２】図３は、矢印ＡＲの正面方向から希望信号
が到来し、背面方向から雑音信号が到来したときの、推
定誤差の時間波形を示している。図３Ａは推定誤差の真
値、図３Ｂは従来の適応雑音キャンセラーの減算回路４
の出力としての推定誤差、図３Ｃは減算回路３６の出力
である推定誤差ε、のそれぞれ時間波形である。

【００４３】図３から、この発明の一実施例である図１
の構成の場合の推定誤差εは、従来の適応雑音キャンセ
ラーの推定誤差よりも、真の推定誤差に近似しているこ
とが分かる。実際上も、図１の例により、雑音信号のキ
ャンセル量は、従来に比べて約５ｄＢ向上することが確
かめられた。

【００４４】なお、上述の例において、マイクロホン１
１、２１、３１の間の距離、位置関係を含む配置は、必
ずしも図２と一致する必要はない。また、主要入力用マ
イクロホン１１としては、希望音声到来方向に高い感度
を有する指向性のマイクロホンユニットを用いれば、上
述の例に限られるものではない。また、同様に、参照入
力用マイクロホン２１は、希望音声到来方向の感度が低
く、雑音到来方向に高い感度を有する指向性のマイクロ
ホンユニットを用いればよい。

【００４５】さらには、希望音声収音用マイクロホン３
１としては、上述の例に限らず、その指向性の主軸を希
望音声到来方向に向けた無指向性、スーパーカーディオ
イド、ハイパーカーディオイド、双指向性などのマイク
ロホンユニットを用いることもできる。

【００４６】また、図１の例において、マイクロホン３
１を設ける代わりに、マイクロホン１１の出力信号から
マイクロホン２１の出力を減算することにより、マイク
ロホン３１の出力信号と同じ単一指向特性の信号を得る
ことができる。

【００４７】また、有指向性マイクロホンを構成する方
法としては、その指向性を有するマイクロホンユニット
をそのまま使用する方法のほか、複数個のマイクロホン
ユニットを組み合わせて（複数個のマイクロホンユニッ
トの出力を適宜合成する場合も含む）、目的の指向特性
を得るようにすることができる。

【００４８】例えば、２個の無指向性マイクロホンユニ
ットを僅かに離して配置し、一方のマイクロホンユニッ
トの出力をフィルタ回路を通して移相し、他方のマイク
ロホンユニットの出力から減算することにより、単一指
向性のマイクロホンを実現することができる。したがっ
て、図１の実施例において、２個の無指向性マイクロホ
ンユニットのみを用いて、主要入力用マイクロホン１１
の出力、参照入力用マイクロホン２１の出力、希望信号
収音用マイクロホン３１の出力の全てを形成することも
できる。

【００４９】なお、図１の例では、適応フィルタ回路３
１のみにより希望音声をシステム出力から低減除去する
ようにしたが、希望音声をシステム出力から低減除去す
るための機能は、いくつかに分散して、複数個の適応フ
ィルタ手段により、分散処理するようにしてもよい。

【００５０】図１の構成のシステムを、適応雑音低減シ
ステムとしてではなく、希望信号ｓを外乱として見立て
て、適応動作させると、適応フィルタ回路は、これが使
用されている未知の系の伝達特性を具現化するようにな
る。すなわち、適応フィルタ回路から未知の系の伝達特
性を同定することができる。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、システム出力から希望信号を低減除去した推定誤差
を用いて適応フィルタ手段におけるフィルタ係数の更新
を行うようにしているので、希望信号のレベルが大きい
ときや、希望信号が非定常の信号であっても、適切な雑
音低減処理動作を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による適応型雑音低減システムの一実
施例のブロック図である。

【図２】図１の例のマイクロホン１１、２１及び３１の
指向特性を説明するための図である。

【図３】この発明の効果を従来との比較において説明す
るための図である。

【図４】適応型雑音低減システムの概要を示すブロック
図である。

【図５】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 減算回路 ２１ 参照入力用マイクロホン ２４ 適応フィルタ回路 ３１ 希望音声収音用マイクロホン ３４ 適応フィルタ回路 ３６ 減算回路

フロントページの続き (72)発明者 水内 崇行 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 (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 希望音声到来方向の感度が高い第１の収
   音手段と、 前記希望音声の到来方向の感度が低い第２の収音手段
   と、 前記第２の収音手段の出力信号が供給される第１の適応
   フィルタ手段と、 前記第１の収音手段の出力信号から、前記第１の適応フ
   ィルタ手段の出力信号を減算処理する第１の合成手段
   と、 主として希望音声を収音するようにする第３の収音手段
   と、 この第３の収音手段の出力信号が供給される第２の適応
   フィルタ手段と、 前記第２の適応フィルタ手段の出力信号を用いて、前記
   第１の合成手段の出力信号中の希望音声を低減除去する
   ための第２の合成手段とを備え、 前記第１の適応フィルタ手段は、前記第１の合成手段の
   出力中から前記希望音声信号が低減除去された状態の雑
   音低減残差出力パワーを最小化するように、適応処理を
   行って、前記第２の収音手段の出力信号から前記第１の
   収音手段の出力に含まれる雑音信号に近似する出力信号
   を形成し、 前記第１の合成手段から、前記第１の収音手段の出力か
   ら前記雑音信号が低減除去された出力信号を得るように
   した適応型雑音低減システム。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の適応型雑音低減システ
   ムにおいて、 前記第３の収音手段は、前記第１及び第２の収音手段と
   は、独立に設けられてなる適応型雑音低減システム。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の適応型雑音低減システ
   ムにおいて、 前記第３の収音手段は、前記第１及び第２の収音手段の
   出力信号を合成して前記希望音声信号を得るようにする
   ものである適応型雑音低減システム。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の適応型雑音低減システ
   ムを、前記希望音声信号を外乱として見立てて動作さ
   せ、前記適応フィルタ手段における適応動作から前記希
   望信号を含む未知の系の伝達特性を同定するようにする
   未知の系の伝達特性同定方法。