JPH06284491A

JPH06284491A - 適応型雑音低減装置

Info

Publication number: JPH06284491A
Application number: JP9069093A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Gyotoku; 薫行徳; Toru Sasaki; 徹佐々木; Hitoshi Okubo; 仁大久保; Takayuki Mizuuchi; 崇行水内; Ikue Akiba; 育江秋葉
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1993-03-25
Filing date: 1993-03-25
Publication date: 1994-10-07

Abstract

(57)【要約】【目的】適応型雑音低減装置において、雑音信号の低
減量を改善すると共に、希望信号の参照入力への混入に
よる悪影響を低減する。【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２
４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。参照入力信号を利得制
御して適応フィルタ手段に供給する利得制御手段２２を
設ける。

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
減装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、この種の適応型雑音低減装置
として、図７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７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８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８を参照しながら説
明する。図８に示すように、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ＤＬ１，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，ＭＸ
２，……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７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８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】上記式（３）において、ある時点k での係
数ベクトルＷ_kを修正するベクトルが、式（３）の右辺
の第２項であるが、利得因子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。

【００２２】平均的な収束の時定数τ_aは、 τ_a＝（ｎ＋１）／４μ・trＥ〔Ｘ_iＸ_j ^T〕…（４）で表される。ここで、ｎは参照入力ベクトルの次数（Ｆ
ＩＲフィルタのタップ数に対応）、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、参照入
力の平均パワーが大きいほど、また、利得因子μが大き
いほど収束速度が速くなる。

【００２３】

【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の主要入力及び参照入力に、雑音信
号が任意の時間差を持って入力されたときに、適応動作
により主要入力中の雑音信号成分が低減除去される。そ
して、以上のようにシステム出力のパワーの最小化によ
って実現される適応雑音キャンセラーでは、（４）式か
らも理解されるように、参照入力中で最も大きなパワー
を持つ信号成分ほど、最も大きなキャンセル量が得られ
る。つまり、同じ性質の信号でも参照入力でのパワーレ
ベルによってキャンセル量に差が出る。

【００２４】また、前述の適応雑音キャンセラーにおい
て、参照入力にはキャンセル対象の信号が与えられてい
て、希望信号とは相関がないことが前提である。しか
し、参照入力に希望信号が混入した場合、参照入力と希
望信号との間の相関が高くなり、適応動作に悪影響を及
ぼす。

【００２５】この発明は、以上の問題点を解決できる適
応雑音低減装置を提供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、希望音声と雑音信号
とを含む主要入力信号が合成手段１４に供給され、前記
主要入力信号中の雑音信号と相関のある雑音信号が参照
入力信号として適応フィルタ手段２４に供給されて、前
記主要入力信号中の雑音信号に近似する信号が形成さ
れ、前記合成手段１４において、前記適応フィルタ手段
２４からの前記主要入力信号中の雑音信号に近似する信
号が前記主要入力信号から減算処理されて、前記主要入
力信号中の雑音信号が低減除去されるシステムにおい
て、前記参照入力信号を前記主要入力信号に対して相対
的に利得制御する利得制御手段を設けたことを特徴とす
る。

【００２７】

【作用】上記の構成のこの発明によれば、参照入力のパ
ワーレベルが小さいときには、参照入力のゲインが大き
くされ、適切に適応雑音キャンセル処理が行われる。ま
た、希望音声が参照入力に混入したときには、参照入力
のレベルは下げられて、参照入力中の希望信号のレベル
が下げられ、希望信号の適応雑音低減処理に対する悪影
響が減じられる。

【００２８】

【実施例】以下、図１〜図４を参照しながら、この発明
による適応型雑音低減装置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。

【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、希望音声到来方向である
正面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２
１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、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、Ａ／Ｄコンバータ１２に供給されて、デジタル信号
に変換され、遅延回路１３を介して減算回路１４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、利
得制御回路２２に供給される。この利得制御回路２２
は、図３に示すような利得制御特性を有している。

【００３３】すなわち、図３において、直線ａは、ゲイ
ンＧ＝１のアンプの特性であるが、これに対して、利得
制御回路２２のゲイン特性は、曲線ｂに示すように、参
照入力信号レベルが比較的低い所定レベル以下の場合に
は、参照入力レベルを下げるようにゲインＧ≦１とさ
れ、参照入力信号レベルが前記所定レベルを越える場合
には、参照入力信号レベルを上げるように、ゲインＧ＞
１とされる。そして、さらに参照入力のレベル大きくな
ると、利得が一定に制限される。

【００３４】この利得制御回路２２の出力信号は、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。この実施例
では、この適応フィルタ回路２４は、前述の図８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
１４に供給される。

【００３５】減算回路１４の出力信号は、Ｄ／Ａコンバ
ータ１５によりアナログ信号に戻され、出力端子１６に
導出される。なお、Ｄ／Ａコンバータ１５を省いて、減
算回路１４の出力信号をデジタル信号のままで出力端子
１６に導出するようにしてもよい。

【００３６】以上のように、図１の例によれば、参照入
力信号のレベルが低い場合には、適当にそのレベルが大
きくされ、参照入力としての雑音を適切に低減除去する
ことができる。参照入力のレベルがさらに低くなり、こ
の参照入力に混入する希望信号の影響が適応動作に悪影
響を及ぼすようなレベルの場合には、利得制御回路２２
により参照入力レベルが抑圧されて下げられるので、参
照入力中の希望信号レベルが下がり、その悪影響が減じ
られる。

【００３７】なお、参照入力用マイクロホン２１の出力
に利得制御回路２２を設ける代わりに、主要入力用マイ
クロホン１１の出力に対して、利得制御回路２２とは逆
の利得制御規則の利得制御回路を挿入するようにしても
良い。

【００３８】また、利得制御回路２２の利得制御ルール
は、上述の例に限らず、使用条件に応じて定めることに
より、より適切に適応雑音低減動作を行わせることがで
きる。

【００３９】図３は、この発明の他の実施例で、この例
では、参照入力中に希望信号が混入しているか否かによ
り利得制御を適切に変更する。参照入力レベルが小さい
時でも、希望信号が参照入力に含まれていない場合に
は、そのレベルを高くして雑音低減効果を大きくした方
が良いからである。

【００４０】すなわち、図３の例においては、主要入力
用マイクロホン１１の出力信号及び参照入力用マイクロ
ホン２１の出力信号が希望信号検出器３０に供給され
る。そして、この希望信号検出器３０の出力により利得
制御回路２２の利得制御が制御される。その他は、図１
の例と同様に構成される。

【００４１】希望信号検出器３０においては、参照入力
信号のレベルが所定のスレッショールドレベルより大き
いか否かを検出し、所定レベルより大きいときには、参
照入力中の希望信号の有無に関係なく、利得制御回路２
２からは参照入力信号がそのままのゲインで適応フィル
タ回路２４に供給され、適応処理される。

【００４２】また、参照入力信号のレベルが前記所定の
スレッショールドレベルより低いときには、主要入力信
号と参照入力信号とのレベル比が検出されて、参照入力
中の希望信号の有無が検出される。例えば参照入力信号
のレベルＬｒと主要入力信号のレベルＬｍとの比Ｌｒ／
Ｌｍが予め設定されたスレッショールド値より小さいと
きには、参照入力中に希望信号が漏出されていると検出
し、比Ｌｒ／Ｌｍがスレッショールド値より大きいとき
には、参照入力中に希望信号が漏出していないと検出す
る。

【００４３】そして、参照入力中に希望信号が漏出して
いると検出されたときには、利得制御回路２２では、参
照入力信号のレベルを抑圧して適応フィルタ回路２４に
供給する。また、参照入力中に希望信号が漏出していな
いと検出されたときには、利得制御回路２２では、参照
入力信号のレベルを増幅して適応フィルタ回路２４に供
給する。

【００４４】図５は、以上の処理の流れを示すフローチ
ャートである。これは、参照入力用マイクロホン２１の
出力をＡ／Ｄコンバータによりデジタル信号に変換し、
そのデジタル信号をＡＧＣ回路及び適応フィルタ回路を
含み、マイクロコンピュータを搭載するＤＳＰにおいて
実行される処理に等しい。

【００４５】先ず、ステップ２０１において、参照入力
の新データを読み込む。次に、ステップ２０２におい
て、参照入力信号のレベルＬｒを検出する。次に、ステ
ップ２０３において、その検出レベルＬｒがスレッショ
ールドレベルＬθより小さいか否か判別する。参照入力
信号のレベルＬｒがスレッショールドレベルＬθより大
きいときには、ステップ２０３からステップ２０８に進
んで、参照入力信号レベルはそのレベルＬｒのままとし
て適応処理を行う。

【００４６】ステップ２０３で参照入力信号レベルＬｒ
がスレッショールドレベルＬθより小さいと判別された
ときには、ステップ２０４に進んで、前述したように、
参照入力信号と主要入力信号とのレベル比から参照入力
への希望信号の漏出の有無を検出する。そして、次のス
テップ２０５において、検出の結果、参照入力への希望
信号の漏出があるか否か判別され、漏出があるときに
は、ステップ２０６に進んで、参照入力信号のレベルを
抑圧するように利得制御し、その後、ステップ２０８に
進んで、適応処理を行う。

【００４７】ステップ２０５において、参照入力への希
望信号の漏出がないと判別されたときには、ステップ２
０７に進んで、参照入力信号のレベルを増幅するように
利得制御し、その後、ステップ２０８に進んで、適応処
理を行う。ステップ２０８の後は、ステップ２０１に戻
る。

【００４８】以上の構成の適応型雑音低減装置におい
て、矢印ＡＲの方向からの希望信号と、背面方向からの
雑音信号との２つの信号のみが入力されるとした場合
の、雑音低減量を図６に示す。雑音低減量（キャンセル
量）は、デシベル表示であり、雑音が完全に除去された
場合には無限大になり、キャンセルされずにそのままで
あれば０ｄＢとなる。

【００４９】同図から、希望信号の混入の有無にかかわ
らず、参照入力を元のゲインのままで処理を行うより
も、利得制御回路２２を挿入してゲイン調整を行った方
がキャンセル量が大きくなっていることが分かる。

【００５０】なお、上述の例において、マイクロホン１
１、２１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。

【００５１】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。

【００５２】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の出力の全てを形
成することもできる。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、参照入力信号を利得制御して適応処理に適切なレベ
ルにして、適応フィルタ回路に供給するようにしたの
で、雑音低減量を向上させることができる。

【００５４】また、参照入力信号レベルが小さい時に
は、参照入力への希望信号の漏出の有無を検出し、希望
信号が漏出しているときには、参照入力信号レベルを抑
圧することにより、漏出している希望信号のレベルをさ
らに小さくして、この希望信号の適応処理動作に対する
影響を軽減すると共に、希望信号が漏出していないとき
には、参照入力信号レベルを増幅して適応処理するよう
にすることにより、希望信号の歪みを押さえながら、さ
らに雑音低減量を大きくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による適応型雑音低減装置の一実施例
のブロック図である。

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

【図３】図１の例の利得制御回路の利得制御特性の一例
を示す図である。

【図４】この発明による適応型雑音低減装置の他の実施
例のブロック図である。

【図５】この発明による適応型雑音低減装置の一実施例
の処理の流れのフローチャートを示す図である。

【図６】この発明のよる適応型雑音低減装置の効果を説
明するための図である。

【図７】適応型雑音低減装置の概要を示すブロック図で
ある。

【図８】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１４減算回路２１参照入力用マイクロホン２２利得制御回路２４適応フィルタ回路３０希望音声検出器

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０４Ｒ 1/40 ３２０Ｚ (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 (72)発明者秋葉育江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】希望音声と雑音信号とを含む主要入力信
号が合成手段に供給され、前記主要入力信号中の雑音信号と相関のある雑音信号が
参照入力信号として適応フィルタ手段に供給されて、前
記主要入力信号中の雑音信号に近似する信号が形成さ
れ、前記合成手段において、前記適応フィルタ手段からの前
記主要入力信号中の雑音信号に近似する信号が前記主要
入力信号から減算処理されて、前記主要入力信号中の雑
音信号が低減除去されるシステムにおいて、前記参照入力信号を利得制御して前記適応フィルタ手段
に供給する利得制御手段を設けたことを特徴とする適応
型雑音低減装置。
【請求項２】請求項１に記載の適応型雑音低減装置に
おいて、前記参照入力に希望音声が含まれているか否かを判別す
る手段を設け、この判別手段により、希望音声が参照入力に含まれてい
ると判別されたときと、含まれていないとで、前記利得
制御手段における利得制御を変更するようにしたことを
特徴とする適応型雑音低減装置。