JPH0888525A - 無声音検出による自動利得制御装置 - Google Patents

無声音検出による自動利得制御装置

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JPH0888525A
JPH0888525A JP6223031A JP22303194A JPH0888525A JP H0888525 A JPH0888525 A JP H0888525A JP 6223031 A JP6223031 A JP 6223031A JP 22303194 A JP22303194 A JP 22303194A JP H0888525 A JPH0888525 A JP H0888525A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 無声音を検出することにより微弱音が大きく
されない自動利得制御装置を得る。 【構成】 音声信号は、A/D変換器等の増幅手段1に
おいて増幅され出力される。利得制御手段2は、この音
声信号の振幅値に基づいて増幅手段1の利得を制御す
る。同時に、無声音検出手段3は、音声信号の無声音部
分を検出し、利得制御手段2は、無声音検出手段3の出
力により、利得を小さくする。微弱音は、無声音であ
り、無声音検出手段3は、例えば、音声ピッチ検出手段
の出力レベルが所定値以下であることを検出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば音声を圧縮符号
化する際に、音量レベルを所定範囲内に収める自動利得
制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】一般に音量レベルを所定範囲内に収める
手段として、自動利得制御技術が知られている。しか
し、従来の自動利得制御技術は、単に、入力音声信号の
振幅値が小さいときに増幅手段の利得を大きくし、逆
に、入力音声信号の振幅値が大きいときに利得を小さく
するに過ぎないものであった。したがって、微弱音を大
きく増幅することになり、これがかえって耳障りになる
という問題があった。
【0003】音声信号をディジタル化してメモリに記憶
し、これをメモリから読み出して元の音声信号を再生す
る場合に、A/D変換器に入力する音量レベルは、最適
値に設定する必要がある。すなわち、音量が小さいと、
音声情報を16ビットディジタル信号にA/D変換した
としても、その16ビットをフルスケールまで使いきれ
ず、例えば、8ビットに変換するものと同品質になって
しまう。また、逆に、音量が大きいと、A/D変換器出
力がオーバーフローして、飽和してしまい、再生音が割
れてしまう。しかし、従来の自動利得制御技術を用いる
と先に述べたような問題が生じる。
【0004】しかも、留守番電話機能を持つ電話機やフ
ァクシミリ装置、または、音声ファイルを有するマルチ
メディアコンピュータ等においては、メモリの記憶容量
を増大させるため、音声情報を圧縮して符号化し、これ
を伸長して元に戻すことが行なわれている。このよう
に、A/D変換器出力にディジタル信号処理を施す場合
にも、自動利得制御技術を用いると、信号処理過程にお
いてディジタル値がオーバーフローして、誤った信号処
理をすることを防ぐことができる。しかし、大きくされ
た微弱音が、耳障りとなる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した事
情に鑑みてなされたもので、音声の特徴を分析すること
により微弱音が大きくされない自動利得制御装置を得る
ことを目的とするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、請求項1に記
載の発明においては、無声音検出による自動利得制御装
置において、音声信号を入力する増幅手段と、該音声信
号の無声音部分を検出する無声音検出手段と、該音声信
号の振幅値に基づいて該増幅手段の利得を制御し前記無
声音検出手段により該利得を低い値にする利得制御手段
を有することを特徴とするものである。
【0007】請求項2に記載の発明においては、無声音
検出による自動利得制御装置において、A/D変換器
と、該変換器出力の無声音部分を検出する無声音検出手
段と、該変換器出力の所定期間内の最大絶対値または平
均絶対値に基づいて該変換器の変換利得を制御し前記無
声音検出手段により該利得を低い値にする利得制御手段
を有することを特徴とするものである。
【0008】請求項3に記載の発明においては、請求項
1または2に記載の無声音検出による自動利得制御装置
において、前記無声音検出手段は、音声ピッチの出力レ
ベルが所定値以下であることを検出するものであること
を特徴とするものである。
【0009】
【作用】所定期間内の最大絶対値または平均絶対値等に
基づいて該A/D変換器の変換利得を制御するととも
に、音声ピッチの出力レベルが所定値以下である無声音
を検出したときに利得を低い値に設定することにより、
微弱音が大きくされない自動利得制御をする。
【0010】
【実施例】本発明の無声音検出による自動利得制御装置
の概略構成とその動作を説明する。図1は、本発明の無
声音検出による自動利得制御装置の概略構成図である。
図中、1は増幅手段、2は利得制御手段、3は無声音検
出手段である。
【0011】音声信号は、増幅手段1において増幅さ
れ、出力される。利得制御手段2は、この音声信号の振
幅値に基づいて増幅手段1の利得を制御する。同時に、
無声音検出手段3は、音声信号の無声音部分を検出し、
利得制御手段2は、無声音検出手段3の出力により、利
得を低い値に設定するものである。利得制御手段2及び
無声音検出手段3は、必ずしも、音声信号入力を直接入
力する必要はなく、たとえば、増幅手段1の出力に接続
されてもよい。
【0012】増幅手段1は、例えば、変換利得Gadが
可変制御されるA/D変換器であり、利得制御手段2
は、例えば、所定期間内の最大絶対値または平均絶対値
に基づいて増幅手段1の利得を制御するものであり、無
声音検出手段は、例えば、音声ピッチ検出手段の出力レ
ベルが所定値以下であることを検出する手段である。
【0013】ここで、A/D変換器の変換利得Gadと
は、量子化ステップ数1を入力信号の振幅の量子化幅で
割った値、すなわち、量子化幅の逆数を意味する。した
がって、変換利得GadがG倍されると、A/D変換器
出力もG倍となるから、入力信号は、A/D変換器によ
り、等価的にG倍されてA/D変換されることとなる。
この変換利得Gadを変えることは、量子化幅を変える
ことと等価である。このようなA/D変換器を実現する
第1の具体例としては、入力信号を可変増幅率の増幅器
に通してから量子化器に入力するものである。その第2
の具体例としては、A/D変換器の基準値を可変にする
ものである。基準値を1/G倍にすることによって、入
力信号は、A/D変換器1により、等価的にG倍されて
A/D変換されることとなる。A/D変換器1として逐
次比較型A/D変換回路を用いた場合には、内蔵のD/
A変換回路の基準電圧を1/G倍にする。基準電圧を変
更する乗算型D/A変換回路を用いてもよい。A/D変
換器1として並列比較型A/D変換回路を用いた場合に
も、基準値である基準電圧を1/G倍する。
【0014】無声音検出手段3とは、音声の符号化技術
において用いられている音声分析技術である。音声発生
モデルにおいて、音声の駆動源は、有声音と無声音とに
分類される。有声音は、ピッチ周期のパルス発生部とし
て、無声音は、ノイズ発生部として表されるもので、時
間軸上でいずれかの駆動源が択一的に切り換えられる。
微弱音には、音声ピッチが存在しないので、無声音とみ
なされる。したがって、無声音を検出したときに、利得
を低い値にすることによって、微弱音が大きく増幅され
ないようにすることができる。無声音が常に微弱音とい
うことにはならないが、他の無声音は、一般に振幅レベ
ルが高いから、利得を0にするのでなければ、それほど
問題が生じない。
【0015】本発明の自動利得制御装置を音声信号の符
号化処理に用いた一実施例を説明する。図2は、本発明
の自動利得制御装置を音声信号の符号化処理に用いた例
を示す図である。10はA/D変換器、11は最大絶対
値または平均絶対値検出手段、12は比較手段、13は
係数発生手段、14は線形予測符号による分析部、15
は逆フィルタリング部、16は有声音無声音判定部、1
7は残差電力計算部、18は符号化部、19はメモリ、
20は復号部、21はパルス発生部、22はノイズ発生
部、23は切換部、24は乗算器、25は線形予測符号
による合成部である。
【0016】A/D変換器10から、最大絶対値または
平均絶対値検出手段11、比較手段12、係数発生手段
13までと、有声音無声音判定部16とが無声音検出に
よる自動利得制御装置にほぼ対応する。線形予測符号に
よる分析部14から、逆フィルタリング部15、有声音
無声音判定部16、残差電力計算部17、符号化部18
までが、音声信号の符号化処理部にほぼ対応する。符号
化処理された音声信号は、メモリ19に記憶される。復
号部20からパルス発生部21、ノイズ発生部22、切
換部23、乗算部24、線形予測符号による合成部25
までが音声信号の復号処理部にほぼ対応する。メモリ1
9から読み出された音声信号は、復号処理部に入力さ
れ、元の音声信号に戻される。
【0017】この例の音声の符号化方式は、パルス駆動
線形予測符号化方式PELP(Pulse Exite
d Linear Predictive Codin
g)である。音声符号化処理は、20msを1フレーム
160サンプルとして処理される。なお、サンプリング
周波数は、8kHzである。この音声符号化の処理の前
に行なうA/D変換の処理の際に、本発明の自動利得制
御装置を用いる。この自動利得制御は、4msを1サブ
フレーム32サンプルとして処理される。したがって、
1フレーム中にサブフレームが5回繰り返される。この
ように、自動利得制御の処理単位を、音声符号化処理の
処理単位よりも短くすることによって、自動利得制御の
応答性を高めることができる。しかし、必ずしもこのよ
うにする必要はなく、自動利得制御のための演算量の大
きさが問題になる場合には、両者の処理単位を同じにし
たり、逆に、前者を後者よりも長くしてもよい。両者の
処理単位を互いに独立させ、全く別の区切り方をしても
よい。
【0018】音声信号入力は、A/D変換器10に入力
され、サンプリング信号の発生時点で振幅値が量子化さ
れ、符号化されて16ビット長のディジタル信号とな
る。A/D変換器10は後述の係数発生手段13の出力
である係数Gにより変換利得GadをG倍される。従来
技術のように、自動利得制御をしない場合において、音
声信号入力として許容されている最大の振幅レベルに対
して、A/D変換器10がオーバーフローしないように
変換利得の値を定め、これをGoとする。自動利得制御
をする場合、変換利得Gadは、係数GによりG倍され
るから、変換利得Gadは、Gad=Go・Gとなる。
【0019】A/D変換器出力は、音声信号の符号化の
ために後続の処理部に送られる。A/D変換器出力は、
また、最大絶対値または平均絶対値検出手段11に入力
され、ディジタル演算等により所定期間内の複数サンプ
ル値の最大絶対値または平均値絶対値Smaxが求めら
れる。このSmaxの値は、比較手段12において、デ
ィジタル演算等により基準レベルImaxと比較され
る。
【0020】この基準レベルImaxとは、アナログ入
力信号Aが正方向または負方向に過大となって、A/D
変換器出力Bがオーバーフロー、すなわち、飽和すると
きの、絶対値である。ディジタル値を2の補数で表す
と、正方向に過大となるとき、16ビット長のA/D変
換器出力は、MSBが0、それ以下の15ビットが全て
1となる。一方、負方向に過大となるとき、16ビット
長のA/D変換器出力は、MSBが1、それ以下の15
ビットが全て0となる。したがって、アナログ入力信号
が正方向に過大となる場合の方が、小さな絶対値でオー
バーフローするから、前記のImaxの値は、MSBが
0、それ以下の15ビットが全て1となるものである。
16進表示で示すと、7FFFhとなる。
【0021】比較手段12を実現するための一具体例
は、ディジタル割算器であり、演算値Imax/Sma
xが出力される。係数発生手段13は、有声音無声音判
定部16の判定出力が無声音でないときには、この演算
値Imax/Smaxに基づいて係数G=G・k・Im
ax/Smaxを出力する。ここで、kは、緩和係数で
あり、k≦1の所定値をとる。この等式の右辺のGは、
現在のGの値であり、左辺のGは、この等式により得ら
れた新たなGの値である。現在のGの値を用いてA/D
変換されて得られた複数サンプル値の最大絶対値または
平均値絶対値Smaxに基づいて、現在のGの値を新た
なGの値に変更する。なお、有声音無声音判定部16の
判定出力が無声音であるときについては後述する。
【0022】比較手段12および係数発生手段13は、
一体のものとして、これを、Smaxに応じて係数Gを
発生する変換テーブルで実現してもよい。係数Gの値を
2のべき乗に設定すると、変換テーブルおよびA/D変
換器10の構成が簡単になる。
【0023】なお、アナログ入力信号の所定期間内の複
数サンプル値の最大絶対値または平均と絶対値は、それ
に対応するA/D変換器10のディジタル出力信号を最
大絶対値または平均絶対値検出手段11が検出して知り
得るものである。そして、その結果に基づいて初めて比
較手段12、係数発生手段13が最適な係数Gを発生す
ることができる。したがって、先行する所定期間で得た
係数Gの値を用いて、A/D変換器10を動作させれば
よい。このような係数Gを得る期間は、必ずしも1つ前
の所定期間である必要はなく、例えば、複数の先行する
所定期間としてもよく、その際、過去にさかのぼるにし
たがって、重みづけを小さくするようにしてもよい。な
お、最初の所定期間での係数Gの値は、所定値にしてお
けばよい。
【0024】以上のとおりであるから、係数Gの新たな
値は、A/D変換器10の変換利得Gadを現在のGo
・Gから、Go・G・k・Imax/Smaxに変更す
るから、A/D変換器出力の絶対値の最大値または平均
値は、Smaxから、k・Imaxになる。ここでk=
1とすれば、A/D変換器10の変換能力を最大限利用
できることとなる。同時に、音声信号入力の振幅レベル
が小さいときには変換利得が大きくなり、逆に大きいと
きには変換利得が小さくなるから、音声信号の振幅レベ
ルをほぼ一定にすることができる。
【0025】ここで、kの値について説明する。最大絶
対値または平均絶対値検出手段5が、絶対値の平均値を
検出するものである場合には、k=1では、アナログ入
力信号の平均値を超える部分でA/D変換器出力がオー
バーフローしてしまうが、このオーバーフローを防止す
る必要があるときには、最大値レベルと平均値レベルと
の統計的相関、オーバーフローの許容度に応じ、緩和係
数kをk<1の範囲で定める。また、先行する所定期間
で得た係数Gの値を用いるときには、絶対値の最大値を
検出するものである場合にも、後続の所定期間でアナロ
グ入力信号が過大になり、A/D変換器出力がオーバー
フローすることがある。このオーバーフローを防止する
必要があるときには、緩和係数kをk<1の範囲で定め
る。kの値は、1/2または1/4程度が適当である。
【0026】以上の説明では、基準レベルImaxと
は、A/D変換器出力がオーバーフローするときの絶対
値であるとした。しかし、A/D変換器出力がオーバー
フローする前に、後続するディジタル信号処理によって
は、その過程において、演算結果がオーバーフローする
おそれも考えられる。このようなおそれがある場合に
は、オーバーフローを回避するように、基準レベルIm
axをA/D変換器出力がオーバーフローするときの絶
対値よりも小さく設定すればよい。または、緩和係数k
の設定時にkの値を小さくしてもよい。
【0027】有声音無声音判定部16の判定出力が無声
音であるときについて説明する。微弱音の期間でもその
まま自動利得制御をすると、Gの値は最大値となるか
ら、微弱音が強調されたり、ディジタル信号処理の途中
の過程において処理に不都合が生じるおそれがある。そ
こで、有声音無声音判定部16の判定出力が無声音であ
るときには、音声入力信号が微弱音の期間であるとみな
し、係数発生手段13は、係数Gの値を1にし、変換利
得Gadの値を自動利得制御をしない従来技術の場合と
同じGoとするか、または、所定の低い値にする。変形
例として、有声音無声音判定部16の判定出力が無声音
であるときに、最大絶対値または平均絶対値検出手段1
1および比較手段12の動作を停止させ、これらの処理
時間を短縮してもよい。
【0028】符号化処理部および復号処理部ついて説明
する。A/D変換器10の出力は、線形予測符号による
分析部14および逆フィルタリング部15に入力され
る。線形予測符号による分析部14は、音声信号からス
ペクトル的な特徴を抽出し出力する。逆フィルタリング
部15は、線形予測符号による分析部14の出力を入力
し、このスペクトル的な特徴のみで一度音声を再生し、
これとA/D変換器10から入力された音声信号との差
の信号を出力する。有声音無声音判定部16は、この差
の信号の相関係数を計算することにより、有声音か無声
音かの判定結果を出力するとともに、音声信号のピッチ
を出力する。残差電力計算部17は、差の信号から振幅
を出力する。符号化器18は、各出力の値をそのままあ
るいは変形して一定の規則に従って並べてメモリ19に
記憶させる。復号部20は、メモリ19から符号を読み
取って各信号を分離する。パルス発生部21は、有声音
の駆動源として、ピッチ信号の周期でパルス信号を発生
し、ノイズ発生部22は、無声音の駆動源として、ラン
ダム信号を発生する。切換部23は、有声音か無声音か
の判定出力に応じてパルス信号またはランダム信号のい
ずれかを出力する。乗算部24は、切換部23の出力に
振幅出力を乗算する。線形予測符号による合成部25
は、乗算部24の出力をスペクトル的な特徴と組み合わ
せることによって、音声信号を再生する。
【0029】以上の一実施例においては、無声音検出手
段として、音声の符号化回路における有声音無声音判定
部を用いた。しかし、無声音検出手段を音声の符号化回
路とは独立に設け、A/D変換器出力またはアナログ音
声信号を入力としてピッチの有無を検出するようにして
もよい。これらの場合には、無声音の検出時点を現在自
動利得制御をしている所定期間に合わせたりあるいはこ
の期間に近づけることができる。また、Smaxを出力
する最大絶対値または平均絶対値検出手段11を、利得
制御されるA/D変換器10の後段に設ける代わりに、
音声信号入力をアナログ信号のまま、または、このアナ
ログ信号を利得制御されない別のA/D変換器で変換し
たディジタル信号を入力するものとしてもよい。この場
合、係数発生手段13は、有声音無声音判定部16の判
定出力が無声音でないときに、演算値Imax/Sma
xに基づいて係数G=k・Imax/Smaxを出力す
るように変更される。
【0030】図2の実施例の動作を説明する。図3は、
図2に示される実施例の本発明の自動利得制御装置を音
声信号の符号化処理に用いた例の動作を示すフローチャ
ートである。図中、S30は最初のサブフレームにおけ
る初期値設定ステップ、S31からS37までは自動利
得制御のためのステップ、S38は1フレーム分の処理
の終了を判断するステップ、S39は音声符号化ステッ
プである。
【0031】1フレーム中の最初のサブフレームにおけ
る適応化処理の詳細について説明する。S30におい
て、G=1とされた後、S31において、音声信号が入
力される。係数G=1であるから振幅値が変わらず、S
32において16ビットのA/D変換がなされる。S3
3において1サブフレーム分32サンプルの取り込みが
終了したかどうかを判別し、この取り込みが終了するま
で、S31からS33が繰り返される。このようにし
て、最初のサブフレーム32サンプルのA/D変換がな
された後、S34において無声音が検出されているかど
うかを判断する。無声音が検出されているときに、S3
5においてG=1とし、S38に進み、無声音が検出さ
れていないときに、S36に進み、1サブフレーム32
サンプルの絶対値の最大値Smaxを検出する。S37
において、基準値Imaxをこの最大値Smaxで割
り、これに緩和係数kを乗算したものを、現在の係数G
の値に乗算して、新たな係数Gの値を得る。S38にお
いて、1フレーム中の全てのサブフレームを処理したか
を調べる。現在は、1番目のサブフレームの処理が終了
した直後であるからS31に戻る。
【0032】第2番目のサブフレームの処理過程を説明
する。S31において、音声信号が入力され、振幅値が
G倍され、S32において、16ビットA/D変換がな
される。以後、第1番目のサブフレームと同様の処理が
なされる。このようにして、第5番目のサブフレームま
での処理が終了すると、S38からS39に進み、1フ
レーム160個の自動利得制御されたサンプル値が音声
符号化処理されることとなる。
【0033】なお、1サブフレーム単位、あるいは、1
サンプル単位にA/D変換出力のサンプル値を音声符号
化処理ステップに渡すようにフローを変更してもよい。
すなわち、S39をS37とS38との間や、S32と
S33の間に入れることができる。また、サブフレーム
をなくし、1フレーム単位で係数Gの値を得てもよい。
すなわち、S36において、1フレーム160サンプル
の絶対値の最大値を得て信号処理を行なうこともでき
る。また、S36において、最大絶対値の検出を1サブ
フレームごとのサンプル値ではなく、過去の所定数のサ
ンプル値の中での最大絶対値の検出をするように、1サ
ンプル毎にS34,S35,S36,S37を実行する
ようにしてもよい。すなわち、S33をなくして、1サ
ンプルごとに係数Gを得、次以降のサンプル値の信号処
理に用いることもできる。
【0034】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の無声音検出による自動利得制御装置によれば、音量レ
ベルが最適値に設定されるとともに音声の特徴を分析す
ることにより微弱音が大きくされない自動利得制御装置
を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の無声音検出による自動利得制御装置の
概略構成図である。
【図2】本発明の自動利得制御装置を音声信号の符号化
処理に用いた例を示す図である。
【図3】図2に示される実施例の動作を示すフローチャ
ートである。
【符号の説明】
1…増幅手段、2…利得制御手段、3…無声音検出手
段、10…A/D変換器、12…最大絶対値または平均
絶対値検出手段、12…比較手段、13…係数発生手
段、16…有声音無声音判定部。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 音声信号を入力する増幅手段と、該音声
    信号の無声音部分を検出する無声音検出手段と、該音声
    信号の振幅値に基づいて該増幅手段の利得を制御し前記
    無声音検出手段により該利得を低い値にする利得制御手
    段を有することを特徴とする無声音検出による自動利得
    制御装置。
  2. 【請求項2】 A/D変換器と、該変換器出力の無声音
    部分を検出する無声音検出手段と、該変換器出力の所定
    期間内の最大絶対値または平均絶対値に基づいて該変換
    器の変換利得を制御し前記無声音検出手段により該利得
    を低い値にする利得制御手段を有することを特徴とする
    無声音検出による自動利得制御装置。
  3. 【請求項3】 前記無声音検出手段は、音声ピッチの出
    力レベルが所定値以下であることを検出するものである
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の無声音検出
    による自動利得制御装置。
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