JPH09212196A - 雑音抑圧装置 - Google Patents

雑音抑圧装置

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JPH09212196A
JPH09212196A JP1487496A JP1487496A JPH09212196A JP H09212196 A JPH09212196 A JP H09212196A JP 1487496 A JP1487496 A JP 1487496A JP 1487496 A JP1487496 A JP 1487496A JP H09212196 A JPH09212196 A JP H09212196A
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JP
Japan
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noise
signal
circuit
input signal
power spectrum
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JP1487496A
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Kenzo Ito
Masahide Mizushima
憲三 伊藤
昌英 水島
Original Assignee
Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt>
日本電信電話株式会社
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    • H04R3/005Circuits for transducers, loudspeakers or microphones for combining the signals of two or more microphones

Abstract

(57)【要約】 【課題】 目的信号のみを効率よく拾い出すことができ
る雑音抑圧装置を提供することである。 【解決手段】 パワースペクトル成分と位相成分を入力
信号から周波数分析回路202で抽出し、一方音声/非
音声識別回路206で入力信号が目的信号か雑音を判別
し、雑音であるときのみスイッチ207Aにより雑音ス
ペクトル特性計算回路および記憶回路208に入力信号
スペクトルSns(f)をとり込み、聴覚的重み係数W
(f)を乗じ、入力信号の平均パワースペクトルS
(f)との差をとり、それを逆周波数分析回路210で
元に戻す。さらに残留雑音があるときは損失制御係数計
算回路212の出力を演算手段214で乗じ、ほぼ完全
に残留雑音を消す構成を特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【0001】

【産業上の利用分野】本発明は、種々の雑音環境で音声
信号などを収集する場合などにおいて、目的信号以外の
信号(この場合は雑音)を抑圧し、目的信号のみを効率
良く拾い出すことのできる雑音抑圧装置に関するもので
ある。

【0002】

【従来の技術】通常、一般的な音響機器の主なる目的
は、音響信号を効率よく収音し、またそれを拡声するこ
とである。その基本となる構成要素は、(1)音響信号
を収音して電気信号に変換するマイクロホン、(2)そ
の電気信号を増幅する増幅回路、(3)増幅された電気
信号を再び音響信号に変換するスピーカーやレシーバー
などに代表される音響変換器の3要素である。ここで、
上記(1)の音響信号を収音する構成要素において、そ
の目的は2つに分類できる。すなわち、その一つは全て
の音響信号をできるだけ忠実に収音することであり、も
う一つは目的の信号だけを収音することである。

【0003】本発明は、後者の「目的信号だけを効率的
に収音する」ことに関するものである。この中でも、マ
イクロホンなどを複数個使って目的信号(説明の都合か
ら以後これを音声信号と呼び、それ以外を雑音と呼ぶ)
をより効率良く収音する装置などもあるが、本発明は、
すでに収音された入力信号に対し、目的信号以外の雑音
を抑圧する装置に関するものである。このいわゆる雑音
抑圧装置において、従来から数多くの装置が実現されて
いる。その中で、文献(S.Boll,"Suppression of acoust
ic noise in speech using spectral subtraction",IEE
E Trans.,ASSP,Vol.27,No.2,pp.113ー120,1979) に示す
ような信号のパワースペクトルに着目した雑音抑圧装置
がある。

【0004】その基本原理の動作概要を、図4を用いて
説明する。図4において、101は入力信号端、102
は入力信号が音声信号か雑音かを判別する信号識別回
路、103は入力信号のパワースペクトルと位相情報を
得る周波数分析回路、104は記憶回路、105はスイ
ッチで、信号識別回路102の出力で制御され、入力信
号が雑音のときのみ閉成され、周波数分析回路103の
出力を記憶回路104に記憶させる。106は減算手
段、107は逆周波数分析回路で、周波数分析回路10
3と逆の動作を行う。108は出力信号端である。

【0005】次に動作について説明する。まず入力信号
は、入力信号端101から取り込まれ、信号識別回路1
02と周波数分析回路103に送られる。信号識別回路
102では、信号レベルの頻度分布特性(R.J.Mcaulay
and M.L.Malpass,"Speech enhancement using a softーd
ecision noise suppression filter,IEEE Trans., ASS
P,Vol.28,No.2,pp.137ー145,1980)などを使って音声/雑
音の種別を識別する。周波数分析回路103では、信号
のパワースペクトルS(f)と位相情報P(f)とを得
る。ここでの周波数分析は、通常、FFT(Fast Fouri
er Transform)などを用いて行う。記憶回路104に
は、信号識別回路102で分析された信号の識別結果
(音声信号かあるいは雑音かの識別結果)によって、雑
音の場合のみに限ってスイッチ105をNS側に倒すこ
とによって得られる平均的な雑音のパワースペクトル特
性「Sns(f)]が記憶される。ここで、信号識別回
路102における識別結果が「音声」と識別された場合
にはスイッチ105はS側に倒れる。そして、入力信号
スペクトルS(f)から平均雑音スペクトルSn(f)
を減算手段106により差し引いたスペクトル特性S´
(f)を得る。最後に、ここで得られたS´(f)と分
析された位相情報P(f)とを用いて逆周波数分析回路
107において時間領域の信号に戻し出力信号端108
から出力する。この時、信号の位相情報は、通常なにも
しないで分析結果をそのまま用いる。以上の処理を式で
表すと式(1)のようになる。

【0006】

【数1】 ここで、αは減算係数、ns(f)は通常減算後のスペ
クトルが負にならないようにするために付加する低レベ
ルの雑音である。

【0007】このような処理によって、信号出力端10
8には、雑音成分の周波数スペクトル成分が除去された
信号が出力される。以上のような雑音抑圧法は、雑音信
号のパワースペクトル特性がほぼ定常であれば、理想的
に雑音を抑圧できるものである。しかしながら、通常、
自然界における雑音の特性は「ほぼ定常」とはいえ、時
々刻々と変化するものである。したがって、従来法で示
したような雑音抑圧装置で処理された出力信号は、雑音
は抑圧されて聞えにくくなるものの、抑圧しきれない雑
音が新たに聞こえるため、実際にはこれが耳障りな雑音
(ここではこれを残留雑音と呼ぶ)となり、従来法にお
いて雑音抑圧装置を実現する上で大きな課題になってい
た。

【0008】本発明の目的は、目的信号のみを効率よく
拾い出すことができる雑音抑圧装置を提供することにあ
る。

【0009】

【課題を解決するための手段】本発明では、上記の従来
法を用いて実現した雑音抑圧装置で最も大きな問題であ
った残留雑音をできるだけ聞えないようにするために、
入力信号のパワースペクトル特性から差し引くところの
雑音の平均パワースペクトル特性に聴覚的な重み付けを
施すことを特徴とする。すなわち、前述の式(1)にお
いて減算係数αのかわりに聴覚的な重み係数W(f)を
新たに用いる方法である。このような重み係数を導入す
ることによって聴覚的に耳につく残留雑音を大きく軽減
することが可能となる。

【0010】換言すると、従来法における式(1)のα
の値は、雑音抑圧量をできるだけ大きくするために、
1.0以上の値を用いる。しかし、この値を大きくする
ことで雑音を大きく抑圧できる反面、目的信号部分をも
抑圧してしまう場合も多く、「過度の抑圧」となってし
まう恐れがある。本発明では、目的信号に大きな歪を与
えることなく、しかも雑音の抑圧量を大きくするような
重み係数W(f)を用いるため、結果的に処理音声の品
質劣化を極力おさえることが可能となる。

【0011】さらに本発明では、上述の方法によって残
留雑音を限りなく小さくすることができるが、それでも
雑音の種類や大きさ(信号対雑音比)などによって完全
に残留雑音を抑圧できない場合が生じ、特にこの残留雑
音は、音声信号の存在しない区間で耳に付く場合が多
い。そこで本発明の装置では、この残留雑音をさらに抑
圧するために、この雑音を損失制御することで、ほぼ完
全に音声信号がない信号区間で残留雑音を抑圧できると
ころに特徴を有する。

【0012】

【作用】本発明においては、音声と雑音とを識別し、雑
音に対して聴覚的な重み係数を乗じて雑音スペクトル特
性を求め、これを入力信号のパワースペクトルから減算
するので、音声の品質劣化を極力おさえ、しかも聴覚的
に耳につく残留雑音を大きく軽減する。

【0013】また、さらに残留雑音に対して損失制御す
ることで、ほぼ完全に残留雑音が消える。

【0014】

【実施例】図1は本発明の一実施例を示すブロック図で
ある。

【0015】図1において、1000は雑音抑圧装置、
1001は聴覚的重み付け側、1002は損失制御側を
示している。201は入力信号端、202は周波数分析
回路、203は線形予測分析回路、204は自己相関分
析回路、205は最大値選択回路、206は音声/非音
声識別回路であり、この出力で後述のスイッチ207
A,207Bをオン,オフ制御する。

【0016】208は雑音スペクトル特性計算および記
憶回路で、ここで聴覚的重み付けが行われる。209は
減算手段、210は逆周波数分析回路で、周波数分析回
路202と逆の順序の動作を行う。以上が聴覚的重み付
け側1001に対応する。

【0017】211は平均雑音レベル記憶回路、212
は損失制御係数回路、213は出力信号計算回路、21
4は演算手段、215は出力信号端であり、以上が損失
制御側1002に対応する。

【0018】次に、本発明の実施例の動作を説明する。
入力信号は信号入力端201から取り込まれ、従来法と
同様に周波数分析回路202において、パワースペクト
ルトS(f)と位相情報P(f)を得る。同時に、入力
信号は、線形予測分析回路203によって線形予測残差
信号(ここではこれを残差信号と呼ぶ)を抽出する。残
差信号は、自己相関分析回路204に送られ、ここで残
差信号の自己相関関数(Cor[i])を得る。そし
て、最大値選択回路205において自己相関係数のピー
ク値(最大値であり、ここではこれをRmaxと呼ぶ)
を求め、このRmaxを用いて、音声/非音声識別回路
206で入力信号の種類を識別する。すなわち、Rma
xがある値(例えばTh)よりも大きい場合を音声信
号、それ以下を雑音と判別することにする。このRma
xは、信号波形の周期性の強弱をよく表現できる特徴量
としてよく用いられる。つまり、入力信号のうち、雑音
信号の多くは時間あるいは周波数領域においてランダム
な特性を持つことが多く、また一方、音声信号の大部分
は有声音が占めており、その信号は周期性を持つ。従っ
て、周期性のない信号区間はこれを雑音と識別すること
は有効である。勿論、音声信号には無声子音が含まれて
おり、このような周期性に関する特徴量のみだけでは正
確な音声/非音声の識別はできない。しかし、種々の環
境騒音などの中から信号レベルが非常に小さい無声子音
(例えば、p,t,k,s,h,fなど)を正確に検出
することは非常に困難である。従って、本発明の装置で
は、「確実に音声信号ではないと思われる信号区間を識
別して、その長時間平均スペクトル特徴を求める」とい
う考えに基ずいて音声/非音声の識別を行っている。

【0019】換言すると、「確実に雑音信号と思われる
信号の平均スペクトル特性」が求められればよいわけで
あり、Rmaxを小さい値に設定しておくことによって
代表的な雑音スペクトル特性が得られる訳である。例え
ば、図2は、「カフェテリア」で収音した雑音信号を、
Rmaxを用いて識別して雑音と思われる信号区間の平
均スペクトル特性(Ssel[f])の一例を示したも
のである。同図には、視察で雑音区間を指定した場合の
平均スペクトル特性(Sall[f]および両者の差分
特性(|Sall[f]-Ssel[f] |)も同時に示した。ここ
で、Rmaxの値は0.14、測定時間長は12秒と
し、この時の雑音識別率は77.8%であった。同図か
ら、Sall[f]とSsel[f]の差は非常に小さ
く、「カフェテリア」のような種々の雑音が入り混じっ
た環境音でも、Rmaxによって平均的な雑音スペクト
ル特性を求めることが可能であることがよくわかる。

【0020】さて、周波数分析された信号スペクトルS
(f)は、雑音と識別された場合のみスイッチ207A
が閉じ、雑音スペクトルSns(f)として雑音スペク
トル特性計算および記憶回路208に蓄積される。時刻
tに入力信号が雑音と判定された場合の雑音スペクトル
特性の更新は、式(2)で求める。

【0021】

【数2】 ここで、Snew(t,f)は更新された雑音スペクト
ル、Sold(f)は更新前の雑音スペクトル、St
(f)は入力信号が雑音と識別された時の雑音スペクト
ルをそれぞれ示す。また、βは平均の重み係数である。

【0022】雑音の抑圧処理は式(1)と同様な方法で
行うが、本発明では式(1)におけるαのかわりに式
(3)で示すようなW(f)を用いる。

【0023】

【数3】 このW(f)は、前述した残留雑音の「聴こえ」を限り
なく小さくする働きがあり、その効果は式(4)のよう
にすることで効果がより大きくなる。すなわち、W
(f)のfを周波数のポイントとしてiに置き換える
と、

【0024】

【数4】 で表わされる。ここで、fcは、入力信号の周波数帯域
に相当する値、BおよびKは重み係数であり、この値が
大きいほど抑圧量が大きくなる。この聴覚的重み係数
は、式(4)で示したような特性だけでなく、雑音の平
均的特性を擬似したものでも当然同様な効果があり、式
(4)に限定されるものではない。さらに、重み係数B
とKは、装置である値に固定してもよいが、雑音の種類
や大きさによって適応的に逐次変化させることによっ
て、雑音抑圧の効率をより大きくすることができる。

【0025】以上の処理で、入力信号に重畳した雑音の
平均的なスペクトルが除去され、新たなスペクトルS´
(f)が演算手段209から得られる。これと先に分析
した位相情報P(f)を用いて逆周波数分析回路210
で処理し、周波数領域から時間領域に戻して信号波形を
得る。この信号波形は雑音の周波数成分は抑圧されてい
るので音声信号のみが残ることになるが、実際は、時々
刻々と変化する種々の環境騒音などのスペクトル特性
は、平均的スペクトル特性とは微妙に異なる。従って、
残留雑音が大幅に低減できたとしても、雑音の種類や大
きさによってはさらに雑音のレベルを抑圧する必要がで
てくる。そこで、本発明ではこの問題を解決するため
に、次に述べる処理を行っている。

【0026】すなわち、入力信号が雑音であると識別さ
れた時の残留雑音レベルを、平均雑音レベル記憶回路2
11に蓄積する。この平均雑音レベルLnsは、先に述
べた平均スペクトル特性と同様に入力信号が雑音と識別
された時のみ更新されることになる。例えば、時刻tに
更新された平均雑音レベルLnew[t]は,式(5)
で求められる。

【0027】

【数5】 ここでは、Loldは更新される前の平均雑音レベル、
Ln[t]は時刻tにおける残留雑音レベルを示す。β
は、式(2)と同様に平均化の係数でβ<1.0の条件
で設定する。そして、これら両者を用いて出力信号レベ
ルを損失制御する制御係数を計算する。具体的には、時
刻tの損失制御係数は、損失制御係数計算回路212で
A[t]として式(6)で求める。

【0028】

【数6】 ここで、Ls[t]は逆周波数分析回路210の出力信
号であり出力信号計算回路213で計算され、μは所望
の損失量を示す。ただし、この損失制御係数A[t]
は、A[t]<=1.0とする。最終的な本装置の出力
信号は、逆周波数分析回路210の出力信号波形に損失
制御係数A[t]が演算手段214で乗じられ、出力信
号は出力信号端215から得られる。

【0029】以上述べた処理は、フレーム処理を基本と
し、信号出力はコサイン窓などを乗じた後、切り出し窓
長の1/2ずつシフトして重ね合わせる方法で行うのが
よい。

【0030】図3は、本発明の使用の一例を示すブロッ
ク図である。この図で、2000はマルチマイクロホン
システムで、例えば10個からなるマルチマイクロホン
2001と処理回路2002からなり、これが本発明の
雑音抑圧装置1000の前段に設けられた構成である。

【0031】この構成にすると、マルチマイクロホンシ
ステム2000で生じる多様な残留雑音もほぼ完全に抑
圧される顕著な効果がある。

【0032】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、雑音と
目的信号が混在した音響信号を入力信号とし、その入力
信号から雑音のみを抑圧する雑音抑圧装置において、前
記入力信号を周波数分析して信号のパワースペクトル成
分と位相成分を抽出する周波数分析回路と、前記入力信
号を目的信号かそれ以外の雑音かを判別する目的信号/
雑音識別回路と、その信号判別結果から雑音の平均的な
パワースペクトルを計算し、この平均的なパワースペク
トル特性に聴覚的な重み付けをする雑音スペクトル特性
計算および記憶回路と、この聴覚的な重み付けした平均
的なパワースペクトルを前記入力信号のパワースペクト
ルから引き算する減算手段と、その結果をもとの時間領
域に変換する逆周波数分析回路とからなるので、重み係
数の導入により目的信号の歪を最小限に抑え、しかも聴
覚的に耳につく残留雑音を大きく軽減することができ
る。

【0033】また、入力信号のパワースペクトルから雑
音のパワースペクトルを引き算した結果、引き残ってし
まった残留雑音に対し、さらにこれを減少させるため
に、前記残留雑音レベルを記憶する平均雑音レベル記憶
回路と、残留雑音の損失制御係数を計算する損失制御係
数計算回路と、前記損失制御係数から前記逆周波数分析
回路の出力信号の損失を制御する演算手段とを有するの
で、重み係数だけでは抑圧しきれずに残った残留雑音も
ほぼ完全に抑圧することができる。

【0034】このように、本発明は従来法による雑音抑
圧装置において、完全に除去できなかった残留雑音を、
聴覚的に聴こえにくいように処理することによって、雑
音を効率よく除去できるため、非常に耳にやさしく快適
な状態で使用することのできる雑音抑圧装置が実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明の一実施例の構成を示すブロック図であ
る。

【図2】Rmaxを用いて識別された雑音信号の平均ス
ペクトル特性の一例を示す図である。

【図3】本発明の使用の一例を示すブロック図である。

【図4】従来法における雑音抑圧装置の構成を示すブロ
ック図である。

【符号の説明】

201 信号入力端 202 周波数分析回路 203 線形予測分析回路 204 自己相関分析回路 205 最大値選択回路 206 音声/非音声識別回路 207A スイッチ 207B スイッチ 208 雑音スペクトル特性計算および記憶回路 209 減算手段 210 逆周波数分析回路 211 平均雑音レベル記憶回路 212 損失制御係数計算回路 213 出力信号計算回路 214 演算手段 215 信号出力端

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 雑音と目的信号が混在した音響信号を入
    力信号とし、その入力信号から雑音のみを抑圧する雑音
    抑圧装置において、 前記入力信号を周波数分析して信号のパワースペクトル
    成分と位相成分を抽出する周波数分析回路と、前記入力
    信号を目的信号かそれ以外の雑音かを判別する目的信号
    /雑音識別回路と、その信号判別結果から雑音の平均的
    なパワースペクトルを計算し、この平均的なパワースペ
    クトル特性に聴覚的な重み付けをする雑音スペクトル特
    性計算および記憶回路と、この聴覚的な重み付けした平
    均的なパワースペクトルを前記入力信号のパワースペク
    トルから引き算する減算手段と、その結果をもとの時間
    領域に変換する逆周波数分析回路とを有することを特徴
    とする雑音抑圧装置。
  2. 【請求項2】 雑音と目的信号が混在した音響信号を入
    力信号とし、その入力信号から雑音のみを抑圧する雑音
    抑圧装置において、 前記入力信号を周波数分析して信号のパワースペクトル
    成分と位相成分を抽出する周波数分析回路と、前記入力
    信号を目的信号かそれ以外の雑音かを判別する目的信号
    /雑音識別回路と、その信号判別結果から雑音の平均的
    なパワースペクトルを計算し、この平均的なパワースペ
    クトル特性に聴覚的な重み付けをする雑音スペクトル特
    性計算および記憶回路と、この聴覚的な重み付けした平
    均的なパワースペクトルを前記入力信号のパワースペク
    トルから引き算する減算手段と、その結果をもとの時間
    領域に変換する逆周波数分析回路と、前記入力信号のパ
    ワースペクトルから雑音のパワースペクトルを引き算し
    た結果、引き残ってしまった残留雑音に対し、さらにこ
    れを減少させるために、前記残留雑音レベルを記憶する
    平均雑音レベル記憶回路と、残留雑音の損失制御係数を
    計算する損失制御係数計算回路と、前記損失制御係数か
    ら前記逆周波数分析回路の出力信号の損失を制御する演
    算手段とを有することを特徴とする雑音抑圧装置。
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