JPS6015080B2 - 周波数分析装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は周囲雑音補正式の周波数分析装置に関する。

周波数分析装置、特にバンドパスフィルタ型の周波数分
析装置は、音声認識装置等の分析部として有用であり広
く利用されている。

通常の周波数分析装置は、ＰＲＯＣＥＤｍＳＯＦＴＨＥ
ｌＥＥＥのＶｏｌ．５４、Ｎｏ．５のＰ７２０〜Ｐ７
３４に“ＶＯＣＯＤＥＲ：ＡＮＡＬＹＳＩＳ ＡＮＤ
ＳＹＮＴＨＥＳＩＳ ＯＦ ＳＰＥＥＣＨ”と題して発
表された論文のＦｉｇ．６に示される、ように、バワド
パスフィルタと整流回路よびローパスフィルタの接続と
してなる分析チャネルの群として構成される。入力信号
波形に含まれる周波数成分はバンドバスフイルタ群によ
って各分析チャネルに固有の通過帯域に分解され、整流
回路およびローパスフィル外こよって整流・平滑され、
全体の出力として短時間スベクトラムが得られる。この
ような音声分析装置は原理が簡単で比較的精度がよい分
析結果が得られるという長所を有している。しかし、こ
の形の周波数分析装置には、マイクロホンから入力音声
に周囲雑音が混じっていると、これによって分析結果（
すなわちスベクトラム）が直接影響を受けるという欠点
があった。

このため、従来の周波数分析装置を音声認識装置の分析
部として用いると周囲雑音が高いと認識誤りが増加する
という重大な欠陥を避けることができなかつた。持関昭
５１−６２６０４号会報の第１図には２本のマイクロホ
ンを用い、第１のマイクロホンで主として音声信号を集
音し、第２のマイクロホンで主として周囲雑音を集音し
、第１マイクロホンの信号から第２のマイクロホンの信
号を差し引くことによって、雑音を除去する回路が示さ
れている。

しかし、この構成では波形信号のままで減算を行ってい
るため、雑音源と２本のマイクロホンとの相対位置の微
妙な相異によって、両者の波形には位相の差が生じ、雑
音を正確に相殺することができないという欠点があった
。本発明は従来の周波数分析装置及び周囲雑音除去回路
が有していた上記欠点を除去し、真に目的とする信号（
入力音声）の正確なスベクトラムを得る周波数分析装置
を経済的に実現し提供することを目的としている。

本発明による周波数分析装置は、発声者の口に向けて設
置された第１のマイクロホンからの第１の信号と、専ら
周囲雑音を集音すべく設置された第２のマイクロホンか
らの第２信号とをそれぞれ時間標本化するための時間標
本化部と、時間標本化された前記第１および第２の２種
の信号波形の順次推移する一部をそれぞれ一時記憶する
ためのバッファメモリと、このバッファメモ川こ記憶さ
れている時間標本化された第１あるいは第２の信号波形
を高速に読み出して連続波形変換することによって時間
圧縮信号波形を再生するものとして前記第１と第２の信
号のそれぞれの時間圧縮信号波形を交互に出力する機能
を有する高速論出し再生部と、前記第１と第２の時間圧
縮信号波形を交互に時分割的に周波数分析を行なうため
の周波数分析部と、これによって得られる前記第２の信
号波形のスベクトラムによって前記第１の信号波形のス
ベクトラム中の周囲雑音成分を除去する機能を有する補
正部とより構成されている。

以上の如き構成によると、雑音の相殺は周波数分析を行
ない位相情報を除去した後に行なわれるため、マイクロ
ホンと雑音源の相対位置の影響を受けることがほとんど
なく、正確な雑音除去が可能になる。

加えて両信号の周波数分析は同一回路を時分割的に使用
して実行されるため、経済的でもある。第１図は本発明
の装置において入力音声中の周囲雑音成分が除去される
原理を説明するための図で、この図は通常の周波数分析
装置の１分析チャネルだけを取り出して示したものであ
る。

マイクロホン１０より入力された入力信号Ｘはバンドパ
スフィルタ１１によって所要の周波数帯域の成分だけが
取り出され、整流回路１２とローパスフィルタ１３とに
よって整流平滑され分析結果が直流電圧ａとして出力さ
れる。いま、この世力ａを電圧計１４によって観察する
ことにする。入力信号Ｘとして純粋に（周囲雑音が無い
状態で）音声が入力された時の出力レベルをＩＳとし、
周囲雑音のみが入力された時の出力レベルをＱｎとし、
上記と同じ周囲雑音が存在する中で上記と同じ音声が入
力された時の出力レベルをＱｎＳとすると、この３者の
間には近似的に、（Ｑｎｓ）２ ニ（Ｑｎ）２ 十（１
ｓ）２ 【１Ｉなる関係が成立する。

これはパワーレベルでの重畳の原理である。ゆえに、周
囲雑音中で入力された音声の分析結果ＱｎＳと周囲雑音
の分析結果Ｑｎとが観察されると、入力音声のみを分析
した分析結果ＩＳはＩＳ＝ノ（Ｑｎｓ）２一（Ｑｎ）２
【２｝と計算できる。

このことは、周囲雑音中で発声された音声の分析結果か
ら周囲雑音成分を除去できることを意味している。以上
が本発明の装置において入力音声中の周囲雑音成分が除
去される原理である。｛２）式の原理を実行しようとす
ると、周囲雑音を含んだ入力音声と周囲雑音との２種を
分析する必要がある。

短時間周波数分析の目的ではこの２種の分析が異なった
時点で行なわれたのでは意味が無く、実時間で同時に実
行される必要がある。このためには、同一特性の第１図
に示したごとき分析回路を２個用意して、並列動作させ
る必要が生じる。１個の分析チャネルに関してかくのご
ときであるので、たとえば１０チャネルの周波数分析装
置に関して同様の原理を適用しようとすると各分析チャ
ネルとをに２重にする必要があるので全体としては２の
固の分析チャネルが必要とされることになる。

バンドパスフイルタやローパスフイルタは高価でかつ必
ずしも４・型ではないので、上記のような構成法は装置
の経済性の点と規模の点とで得策でない。それゆえ、本
発明の装置では特磯昭５１−１８３５１に記載されてい
る多入力チャネルスベクトラム分析装置の原理を採用し
て装置の経済化と小型化を図っている。

すなわち、入力音声と周囲雑音との２種の信号波形の各
々を一度時間標本化し、時間的に見て順次推移する一定
時間間長のバッファメモリにそれぞれ記憶しておき、所
定の分析時期においてこのバッファメモ川こ記憶されて
いるいずれか一方の信号波形を高速に読み出して時間圧
縮信号波形に変換して周波数分析装置で分析し、銃し、
て他方の信号を高速に読み出して時間圧縮信号波形に変
換して前記と同一の周波数分析装置によって分析するこ
とによって２種の信号波形の分析結果を実際上同時に、
しかも一組だけの周波数分析装置によって実行するがご
と〈構成されている。第２図は本発明の基本的構成を示
すブロック図である。

入力音声信号ｎｓと周囲雑音信号ｎは時間標本化部２１
によって交互に時間標本化され信号線ナによって出力さ
れる。時間標本化の周期はＺ前記２種の信号のそれぞれ
に対して、例えばｌｏＫＨｚになるように設定されてい
る。バッファメモリ２２は前記信号線〆によって入力さ
れる標本化信号をあらかじめ定められた長さの時間窓内
の範囲で記憶する。この時間窓よりも過去の標本Ｚ化信
号は消去され、順次新しい標本化信号が記入される。な
お、前記入力音声信号ｎｓの時間標本化信号と周囲雑音
信号ｎｓの時間標本化信号とは独立に参照できるように
バッファメモリ２２の別々の区域に記憶されているもの
とする。高速議２み出し再生部２３は別途与えられる分
析周期信号に同期して、分析周期信号が与えられる毎に
、前記バッファメモリ２２から最初に入力音声信号ｎｓ
の時間標本化信号を、例えば８０ＫＨｚの、高速度で読
み出して連続化して時間圧縮信号に変換し２出力し、続
いて同様にして前記周囲雑音信号ｎの時間標本化信号を
時間圧縮信号波形に変換する。それゆえ、高速読み出し
再生部２３の出力信号Ｚとしては、分析周期毎に、最初
に入力音声信号の時間圧縮信号波形と、それに続いた周
囲雑音信号３の時間圧縮信号波形が交互に出力される。
この２種の信号はＰチャネルの周波数分析部２４によっ
てそれぞれ周波数分析される。周波数分析結果の出力（
Ｑ．、Ｑ２・・・・・・Ｑｐ）には最初に入力音声信号
ｎｓの分析結果が現われ〔これらを（ＱＰＳ、Ｑ誉、…
・・・Ｑ番）で示す〕、続いて周囲雑音ｎの分析結果が
現われる〔これらを（Ｑ；、ｑ卒、・・・・・・Ｑも）
で示す〕。補正部２５は前記の信号（Ｑさ、Ｑが、・・
・・・・Ｑ番）を一時保持して後に（Ｑ？、Ｑ２、……
Ｑも）が入力された時点で■式を実行する。すなわち、
１肴＝ノくＱ奇）２一（Ｑ葦）２（ｑ：１〜ｐ）‘３１
これによって、入力音声ｍ中に含まれる周囲雑音ｎの影
響が打ち消されて、求める分析結果（１章、１室・・・
…１も）が得られ出力される。この説明では入力音声信
号ｎｓの方が先に分析されるとしたが、逆に周囲雑音信
号ｎを先に分析してもよいことは自明である。次に、本
発明の詳細を第３図以下の実施例に基づいて説明する。

第３図ａは時間標本化部２１、バッファメモリ２２、高
速読み出し再生部２３、および全体の動作を制御するた
めの制御部３０を示したブロック図であり、第３図ｂは
時間標本化部２１の動作を説明するための図であり、第
３図ｃは高速読み出し再生部２３の動作を説明するため
の図である。時間標本化部２１は２個の入力信号、すな
わち入力信号ｎｓおよび周囲雑音信号ｎの高周波成分（
たとえば郎Ｈｚ以上）を除去するためのローパスフイル
タ２１１および２１２と、制御部よりの選択信号ＳＩが
０ならば入力音声信号ｎｓを、１ならば周囲雑音信号ｎ
を選択して時間標本化するためのマルチプレクサ２１３
と、時間標本化された信号をディジタル化し信号〆とし
て出力するためのＡ／Ｄ変換器２１４とより構成されて
いる。

バッファメモリ２２はそれぞれ５１２語よりなる第０お
よび第１の２個のセク夕より構成され、制御部３０より
の前記選択信号ＳＩによってセクタが指定され、書込み
番地指定信号ｄｌによって番地が指定され、書込みクロ
ックｃｌｗが前記制御部３０より与えられた時点で前記
債号ナが書き込まれる。前記選択信号ＳＩは１００仏Ｓ
周期で変化する。また、前記の書込みクロックｃｌｗ‘
ま５０ムｓ周期で発生される。前記番地指定信号は１０
０仏ｓ毎に変化して０、１、２、……、５１１のごとく
変化し５１１番地の次には０番地を指定するごとく復帰
する。それゆえ、入力音声信号ｎｓと周囲雑音信号ｎが
交互に選択され、前者はバッファメモリ２２の第０セク
タの０〜５１１番地に後者は第１セクタの０〜５１１番
地に、巡回的にそれぞれ１００仏ｓの標本化周期で書き
込まれる。結局、バッファメモリ２２には常に過去５１
．２ｍｓ長の時間窓内の前記０入力音声信号と周囲雑音
信号が保持されていることになる。前記制御部３０‘こ
は分析フレーム周期のタイミングを発生するために、５
ｍｓ周期のパルスＰＩを発生する回路を内蔵している。

このパルスＰＩに同期して選択信号Ｓ２は０から１に、
または１から０に切換えられる。選択信号Ｓ２はバッフ
ァメモリ２２から読み出されるべき信号が入っているセ
クタを指定する。バッファメモリ２２から読み出される
べき信号が入っている番地は読出し番地指定信号ｄ２に
よって指定される。前記パルスＰが与えられた時点の前
記書込み番地指定信号ｄｌの内容をＤとするとき、前記
の読み出み番地指定信号ｄ２は（Ｄ十１）から順次増加
し○で終了するように、かつ４仏ｓ毎に１ずつ増加する
ごとく変化される。なお、ｄ２も前記の書込み番地指定
信号ｄｌと同様にｄ２＝５１１の次にはｄ２＝０にリセ
ットされる。バッファメモリ２２のＤ番地には最新の信
号が記憶されており、（Ｄ＋１）番地には最も古い信号
が記憶されているから上記のごとく読み出し番地指定信
号ｄ２を変化させることによって過去５１．２ｍｓ（５
１を藩）分の信号波形が信号ｙとして読み出される。こ
の読み出し‘こ要する時間は５１２（諸）×４（仏ｓ）
＝２．０４８肌ｓである。高速読み出し再生部はＤ／Ａ
コンバータ２３によって構成されている。ディジタル信
号として読み出された信号〆はこのＤ／Ａコンバータ２
３によって連続なアナログ信号に変換され、時間圧縮信
号波形ｚとして出力される。前に述べたごとく選択信号
Ｓ２は５のｓ毎に０から１に、または１から０に切換え
られる。ゆえに、信号ｚとしては第３図ｃに示すごとく
、５のｓ毎に前記入力音声信号ｎｓと周囲雑音信号ｎの
時間圧縮信号波形が交互に出力される。第２図の周波数
分析部は１図に参照数字１１，１２、および１３で示す
ようなバンドパスフイルタ、整流回路、およびローバス
フィルタよりなる分析チャネルＰ個を持って構成されて
いる。

高速読み出し再生回路２３よりの前記出力信号ｚは元の
入力信号ｎｓやｎに比して５１．２／２．０４８＝２劫
音だけ時間軸が圧縮されている。このため、各分析チャ
ネルのバンドパスフィルタの通過帯域は所要値の２針音
‘こ設計されている。たとえば元の信号波形で１００Ｈ
Ｚ〜２００ＨＺの通過帯城が必要な場合にはバンドパス
フィルタの通過帯域は２．弧伍〜弧Ｈｚに設定される。
このような構成による周波数分析部によって信号ｚはＰ
個に通過帯域に分割され、各チャネルの振幅レベルが（
Ｑ，、Ｑ２、・・・・・・Ｑｐ）として出力される。信
号ｚとしては前述のごとく入力音声信号ｎｓと周囲雑音
信号ｎの時間圧縮波・形が５仇ｓおきに交互に再生され
るゆえに、周波数分析部２４の出力（Ｑ，、Ｑ２、・・
・・・・Ｑｐ）としては入力音声信号ｎｓの分析結果（
Ｑ；、Ｑぴ、夕・・・・・・、Ｑず）と周囲雑音信号ｎ
の分析結果（Ｑ，、Ｑ基、…・・・、Ｑも）が５のｓご
とに交互に出力，、Ｑ基、…・・・、Ｑも）が５のｓご
とに交互に出力される。第４図ａは補正部２５の一部を
図示したものであり、第４図ｂはその動作を示すタイム
チャートｏである。

第４図ａには第１分析チャネルに対する補正部の部分が
取り出され示されている。前記周波数分析部２４の第１
分析チャネルの出力信号Ｑ，は２乗回路４１によって２
乗されｈ＝（Ｑ，）２ に変換される。切換回路４２は
制御部３０より夕の選択信号ＳＩが０のとき信号線ｈを
信号線ｉに接続してｈ＝（Ｑ，）２ を入力音声信号ｎ
ｓの分析結果（Ｑ；Ｓ）２として保持回路４３に保持さ
せ、選択信号ＳＩが１のときは信号線ｈが信号線ｉに接
続され、ｈ＝（Ｑ，）２は周囲雑音ｎの分０析結果ｗ＝
（ＱＰ）２として減算回路４４に送られる。減算回路４
４では保持回路４３からの信号ｉ′＝（Ｑ誉）２から信
号ｗ＝（Ｑ？）２が引かれ、その結果が信号ｋとして出
力される。開平回路４５で信号ｋの平方根が計算され信
号１字として出タ力される。かくして得られる信号１手
は１字＝ゾ（ＱＰＳ）２−（ぴ；）２ ■とな
っており、‘３｝式が実行されたことになるゆえ、入力
音声信号船に含まれる周囲雑音成分が除去されたことに
なる。

この出力信号は周囲雑音０信号ｎの分析結果Ｑ；が得ら
れる毎にその直後出力されるゆえに１０のｓ毎に出力さ
れることになる。このような処理すなわち第‘３’式の
計算は第１〜第Ｐのすべての分析チャネルに対して必要
である。

このためには、第４図ａのような回路を各分析チャネル
に設けて行なってもよいし、また（Ｑ，、Ｑ２、・・・
・・・Ｑｐ）を走査的に標本化して後時分割的に処理す
る構成によって行なってもよい。また‘３ー式の計算は
アナログ処理でもディジタル処理でも可能なことは言う
までもない。以上の実施例では分析部２４の分析チャネ
ルにはバンドパスフイルタ、整流回路、およびローパス
フィルタが組込まれ、出力が直流電圧として得られるよ
うに構成され、これによって得られる分祈結果をもとに
して周囲雑音の補正を行なうようになっていた。

整流回路とローパスフィルタを除去して簡単化する目的
で第５図のような構成が可能である。第５図ａは１個の
分析チャネルだけを取り出して示した図であり、第５図
ｂはその動作を示すタイムチャートである。高速読み出
し再生部２３からの信号Ｚはバンドパスフイルタ５１に
よって所要の通過過帯城に分割され、その結果得られる
信号波形ｖは２案回路５２によって２案され信号ｖ２に
変換される。切換回路５３のスイッチは前記制御部３０
よりの選択信号Ｓ２が０のときは上に接続され、演算増
幅器５４の正相入力となり積分回路５６に加算的に積分
される。ゆえに、入力音声信号船の分析結果は積分回路
５５に加算的に積分される。切換回路５３のスイッチは
選択信号Ｓ２が１のときは下に接続され演算増幅器＊＊
５４の逆相入力となり、積分回路５５に減算的に積分さ
れる。ゆえに周囲雑音信号ｎの分析結果は積分回路５５
に減算的に積分される。ゆえに積分回路５５の出力ｕを
開平回路５６で開平することによって‘３｝式が計算さ
れたことになり、入力音声信号ｎｓ中の周囲雑音成分ｎ
が除去されたことになる。なおこの分析結果１手が出力
された後は積分回路に対して制御部３０よりパルスｃｌ
ｐが与えられスイッチ５７が短時間閉じられコンデンサ
５８中の電荷は放電され、直ちに次の信号の積分が可能
になる。また別の簡単化の方法としては剛式の２乗や開
平を省略することが考えられる。

すなわち入力音声信号ｎｓの振幅Ｑ群が周囲雑音の振幅
Ｑ８に比して充分に大な時はとなるゆえ、減算操作だけ
で簡単に実行できる。

このｔ５〕式による場合には、第４図の２案回路４１と
開平回路４５、また第５図の２乗回路５２等は不要にな
る。以上の説明で入力音声信号中船に含まれる周囲雑音
成分と周囲雑音信号ｎとのパワーが等しいとして説明し
たが、実際にはそれぞれの信号を集音するマイクロホン
の特性や向きによって異なる場合がある。

この対策としてはいずれか一方の入力線路上に利得調整
回路を挿入するのが有効である。以上本発明の原理を実
施例にもとづいて説明したが、この記載は本発明の範囲
を限定するものではない。

特に、入力音声信号ｎｓと周囲雑音信号ｎとが読み出し
再生される時刻等には種々の変形が考えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は周波数分析の原理を説明するための図で、１０
はマイクロホン、１１はバンドパスフル夕、１２は整流
回路、１３はローパスフィルタ、１４は電圧計である。 第２図は本発明の基本的な構成を示すブロック図で、２
１は時間標本化部、２２はバッファメモＩＪ、２３は高
速読み出し再生部、２４は周波数分析部、２５は補正部
である。第３図ａは第２図の時間標本化部２１とバッフ
ァメモリ２２、高速読み出し再生部２３の構成を説明す
るための図で、２１１と２１２はローパスフルタ、２１
３はマルチプレクサ、２１４はＡ／Ｄ変換器、３０は制
御部であり、第３図ｂと第３図ｃは第３図ａの各部の信
号の変化を示すためのタイムチャートである。 第４図ａは第２図における補正部２５の一様成例を示す
図で、４１は２乗回路、４２は切襖回路、４３は保持回
路、４４は減算回路、４５は開平回路であり、第４図ｂ
は第４図ａの補正部の動作を説明するためのタイムチャ
ートである。 第５図ａは周波数分析部２４と補正部２５の別の構成例
を示した図、５１はバンドパスフィルタ、５２は２乗回
路、５３は切換回路、５４は演算増幅器、５５は積分回
路、５６は開平回路、５７はスイッチ、５８はコンデン
サであり、第５図ｂは第５図ａの動作を説明するための
タイムチャートである。１；′図 溝Ｚ図 方角々図 〆与Ｊ図 女ら夕図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 主として音声信号を集音すべく設けられたマイクロ
   ホンからの第１の信号波形と主として周囲雑音を集音す
   べく設けられたマイクロホンからの第２の信号波形とを
   それぞれ時間標本化するための時間標本化部と、これに
   よって時間標本化された前記第１および第２の信号波形
   の順次推移する一部をそれぞれ一時記憶するためのバツ
   フアメモリと、このバツフアメモリに記憶されている時
   間標本化された第１あるいは第２の信号波形を高速に読
   み出して連続波形に変換することによって時間圧縮信号
   波形を再生するものとして前記第１と第２の信号の時間
   圧縮信号波形を交互に出力する機能を有する高速読み出
   し再生部と、これにより得られる時間圧縮信号波形を周
   波数分析するための周波数分析部と、これによって得ら
   れる前記第２の信号波形のスペクトラムによって前記第
   １の信号波形のスペクトラム中の周囲雑音成分を除去す
   る機能を有する補正部とより構成されることを特徴とす
   る周波数分析装置。