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JP2760373B2 - 雑音消去装置 - Google Patents

雑音消去装置

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Publication number
JP2760373B2
JP2760373B2 JP7044222A JP4422295A JP2760373B2 JP 2760373 B2 JP2760373 B2 JP 2760373B2 JP 7044222 A JP7044222 A JP 7044222A JP 4422295 A JP4422295 A JP 4422295A JP 2760373 B2 JP2760373 B2 JP 2760373B2
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JP
Japan
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signal
adaptive filter
noise
pseudo
power
Prior art date
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JP7044222A
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Inventor
繁治 池田
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NEC Corp
Original Assignee
Nippon Electric Co Ltd
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Publication date
Application filed by Nippon Electric Co Ltd filed Critical Nippon Electric Co Ltd
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Priority to EP96103158A priority patent/EP0730262A3/en
Priority to CA002170811A priority patent/CA2170811C/en
Priority to US08/610,255 priority patent/US5644641A/en
Priority to AU45886/96A priority patent/AU693648B2/en
Publication of JPH08241086A publication Critical patent/JPH08241086A/ja
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10L—SPEECH ANALYSIS TECHNIQUES OR SPEECH SYNTHESIS; SPEECH RECOGNITION; SPEECH OR VOICE PROCESSING TECHNIQUES; SPEECH OR AUDIO CODING OR DECODING
    • G10L21/00—Speech or voice signal processing techniques to produce another audible or non-audible signal, e.g. visual or tactile, in order to modify its quality or its intelligibility
    • G10L21/02—Speech enhancement, e.g. noise reduction or echo cancellation
    • G10L21/0208—Noise filtering
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10L—SPEECH ANALYSIS TECHNIQUES OR SPEECH SYNTHESIS; SPEECH RECOGNITION; SPEECH OR VOICE PROCESSING TECHNIQUES; SPEECH OR AUDIO CODING OR DECODING
    • G10L21/00—Speech or voice signal processing techniques to produce another audible or non-audible signal, e.g. visual or tactile, in order to modify its quality or its intelligibility
    • G10L21/02—Speech enhancement, e.g. noise reduction or echo cancellation
    • G10L21/0208—Noise filtering
    • G10L21/0216—Noise filtering characterised by the method used for estimating noise
    • G10L2021/02161—Number of inputs available containing the signal or the noise to be suppressed
    • G10L2021/02165—Two microphones, one receiving mainly the noise signal and the other one mainly the speech signal

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  • Human Computer Interaction (AREA)
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  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Filters That Use Time-Delay Elements (AREA)
  • Soundproofing, Sound Blocking, And Sound Damping (AREA)
  • Circuit For Audible Band Transducer (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、雑音信号が音響的に重
畳した音声信号から雑音信号成分を除去するために用い
られる適応フィルタ型の雑音消去装置に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】マイクロフォンやハンドセットから入力
された入力音声に重畳した背景雑音成分は、情報圧縮度
の高い狭帯域音声符号化装置や音声認識装置等の音声処
理装置においては大きな問題となる。このような音響的
に重畳した雑音成分の消去を目的とした雑音消去装置と
して、適応フィルタを用いた２入力型雑音消去装置が提
案されている。
【０００３】図２は、従来の雑音消去装置の構成を示す
ブロック図である。図２において、入力端子１には雑音
信号の重畳した音声信号を入力され、入力端子２には雑
音信号が入力される。いま、音源における音声信号を
Ｓ、ノイズ源における雑音信号をＮ、音源から入力端子
１までの伝達関数を「１」、ノイズ源から入力端子２ま
での伝達関数を「１」とおくと、ノイズ源から入力端子
１までの相対的な伝達関数は、Ｈ（ｚ）で表すことがで
きる。
【０００４】適応フィルタ４は、入力された雑音信号Ｎ
をフィルタ入力としてフィルタ積和演算を実施し、フィ
ルタ演算結果として第１の擬似信号としての雑音疑似信
号（Ｗ（ｚ）・Ｎ）を出力する。但し、Ｗ（ｚ）は適応
フィルタの伝達関数である。減算器５は、入力端子１に
入力された雑音信号の重畳した音声信号（Ｓ＋Ｈ（ｚ）
・Ｎ）から適応フィルタ４の出力する雑音疑似信号（Ｗ
（ｚ）・Ｎ）を減算して第１の差信号を生成し、この第
１の差信号を、雑音消去装置の出力信号として出力端子
３に出力すると共に、係数更新のための誤差信号として
適応フィルタ４に供給する。適応フィルタ４は、入力さ
れた誤差信号をもとに係数修正アルゴリズムを用いてフ
ィルタ係数の更新を行う。このような適応フィルタのア
ルゴリズムとしては、「ＬＭＳ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ」
（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆＩＥＥＥ ６３巻１２
号、１９７５年、１６９２〜１７１６ページ；以下「文
献１」）や「Ｌｅａｒｎｉｎｇ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａ
ｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ；ＬＩＭ」（ＩＥＥＥ Ｔｒａ
ｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ＡｕｔｏｍａｔｉｃＣｏｎ
ｔｒｏｌ １２巻 ３号、１９６７年、２８２〜２８７
ページ；以下「文献２」）が使われる。
【０００５】ここで、適応フィルタの係数更新アルゴリ
ズムとして、「文献１」の「ＬＭＳアルゴリズム」を仮
定し、係数更新方法を説明する。いま、適応フィルタの
入力信号をｘ（ｋ）、適応フィルタが出力する疑似信号
をｚ（ｋ）、適応フィルタが生成しようとしている所望
信号をｙ（ｋ）、誤差信号をｅ（ｋ）（但し、ｋは時間
を示す指標）と表すものとする。また、時刻ｋにおける
第ｊ番目のフィルタ係数をｗｊ（ｋ）と表すものとす
る。このとき、適応フィルタの出力する疑似信号ｚ
（ｋ）は、（１）式で表現される。ここで、Ｐは適応フ
ィルタのタップ数を表す。
【０００６】
【数１】 また、誤差信号Ｅ（ｋ）は、（２）式で表される。
【０００７】
【数２】 また、係数修正は、（３）式で表される。
【０００８】
【数３】 （３）式において、μはステップサイズと呼ばれる定数
であり、係数の収束時間や収束後の残留誤差量を決定す
るパラメーターである。もし、μが大きい場合には、係
数の修正量が多くなるため収束が速くなる一方、修正量
が大きい分だけ最適値付近での変動が大きくなり最終的
な残留誤差量が多くなる。反対に、μが小さい場合に
は、収束時間が増加するが、最終的な残留誤差量は小さ
い。したがって、ステップサイズμの設定には、「収束
時間」と「最終残留誤差」にトレードオフが存在するこ
とがわかる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の雑音消
去装置において、適応フィルタの係数更新のために使用
される誤差信号は、雑音信号の重畳した音声信号（Ｓ＋
ｈ（ｚ）・Ｎ）から適応フィルタの出力する疑似信号
（ｗ（ｚ）・Ｎ）を減算した結果得られる雑音消去信号
が用いられている。すなわち、誤差信号Ｅは（４）式で
表される。
【００１０】
【数４】 したがって、適応フィルタの収束がほぼ終了して、Ｗ
（ｚ）がＨ（ｚ）にほぼ等しくなると、誤差信号Ｅは
（５）式のようになる。
【００１１】
【数５】 （５）式は、適応フィルタの係数更新のための誤差信号
が音声信号になることを示している。結果として雑音消
去装置の出力信号は音声信号Ｓに相関のある歪みを含ん
でしまうことになる。特に、適応フィルタのタップ数が
大きい場合には誤差信号の影響が適応フィルタ内の時間
遅延に対応して現れるためにエコーの入った音声として
知覚されてしまい、非常に聞きづらくなる。
【００１２】この様な現象を低減するため、従来の雑音
消去装置においては係数更新のためのステップサイズμ
を極めて小さい値に設定する必要がある。しかしなが
ら、上述したようにステップサイズμを小さくすると適
応フィルタの収束が遅くなるという問題が生ずる。
【００１３】それ故に本発明の課題は、収束時間の短縮
と収束後の歪みの低減を実現できる雑音消去装置を提供
することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、雑音信
号を用いて第１の擬似信号を生成する第１の適応フィル
タと、雑音信号の重畳された音声信号から前記第１の擬
似信号を差し引くことによって第１の差信号を生成する
第１の減算器とを含む雑音消去装置において、前記雑音
信号を用いて前記第１の擬似信号に対応する第２の擬似
信号を生成する第２の適応フィルタと、前記第１及び第
２の擬似信号の差を求めて第２の差信号を生成する第２
の減算器と、前記第１の擬似信号の電力平均値を求めて
第１の電力平均信号を生成する第１の電力平均回路と、
前記第２の差信号の電力平均値を求めて第２の電力平均
信号を生成する第２の電力平均回路と、前記第１及び第
２の電力平均信号にしたがい、適応フィルタの係数更新
のためのステップサイズを表すステップサイズ信号を生
成するステップサイズ算出回路とを含み、前記第１及び
第２の適応フィルタの各々を前記ステップサイズ信号に
応じてフィルタ係数が更新されるように構成したことを
特徴とする雑音消去装置が得られる。
【００１５】また本発明によれば、雑音信号の重畳され
た音声信号を入力とする第１の入力端子と、雑音信号を
入力とする第２の入力端子と、該第２の入力端子から入
力された雑音信号を入力として、前記第１の入力端子か
ら入力された音声信号に重畳されている雑音信号の疑似
信号を生成する第１の適応フィルタと、前記第１の入力
端子に入力された音声信号から前記第１の適応フィルタ
が出力する疑似信号を減算し、雑音消去信号として出力
すると共に誤差信号として前記第１の適応フィルタに供
給する減算器を有する雑音消去装置において、前記第１
の適応フィルタの入力信号と出力信号を入力として、前
記第１の適応フィルタの収束状況を判定し前記第１の適
応フィルタに供給する係数更新のためのステップサイズ
を可変する収束判定回路を具備し、前記収束判定回路
は、前記第１の適応フィルタの入力信号と出力信号とを
入力として、前記第１の適応フィルタの出力信号に対応
する疑似信号を生成するように動作する第２の適応フィ
ルタと、前記第１の適応フィルタの出力信号から前記第
２の適応フィルタの出力信号を減算し、前記第２の適応
フィルタに対する誤差信号として供給する第２の減算器
と、前記第１の適応フィルタの出力信号の電力信号の平
均を算出する第１の電力平均回路と、前記第２の適応フ
ィルタの出力信号の電力信号の平均を算出する第２の電
力平均回路と、前記第１及び第２の電力平均回路の出力
する電力平均信号に基づき前記第１及び第２の適応フィ
ルタに対する係数更新のためにステップサイズを算出す
るステップサイズ算出回路とを具備することを特徴とす
る雑音消去装置が得られる。
【００１６】また本発明によれば、雑音信号を用いて第
１の適応フィルタに第１の擬似信号を生成させると、雑
音信号の重畳された音声信号から前記第１の擬似信号を
差し引くことによって第１の差信号を生成することとを
含む雑音消去装置において、前記雑音信号を用いて第２
の適応フィルタに前記第１の擬似信号に対応する第２の
擬似信号を生成させることと、前記第１及び第２の擬似
信号の差を求めて第２の差信号を生成することと、前記
第１の擬似信号の電力平均値を求めて第１の電力平均信
号を生成することと、前記第２の差信号の電力平均値を
求めて第２の電力平均信号を生成することと、前記第１
及び第２の電力平均信号にしたがい、適応フィルタの係
数更新のためのステップサイズを表すステップサイズ信
号を生成することと、前記第１及び第２の適応フィルタ
の各々のフィルタ係数を前記ステップサイズ信号に応じ
て更新することとを含むことを特徴とする雑音消去方法
が得られる。
【００１７】
【作用】本発明の雑音消去装置では、第１の疑似信号を
出力する第１の適応フィルタの入力信号と同じ信号を入
力として、第１の疑似信号を消去するように動作する第
２の適応フィルタを動作させ、第１の疑似信号の電力平
均値と前記第２の適応フィルタの誤差信号の電力平均値
とから適応フィルタの収束状況を判定して、第１及び第
２の適応フィルタの係数更新のためのステップサイズを
制御することにより、収束時間の短縮と収束後の雑音消
去音声信号の歪みの低減を実現できる。
【００１８】
【実施例】図面を参照して、本発明について詳細に説明
する。図１は、本発明の一実施例による雑音消去装置の
構成を示すブロック図である。この雑音消去装置と図２
に示した従来の雑音消去装置とは、収束判定回路１１を
除いて同一であるので、以下、収束判定回路１１につい
てのみ詳細に説明する。
【００１９】収束判定回路１１は、適応フィルタ６、減
算器７、電力平均回路８、電力平均回路９、ステップサ
イズ算出回路１０によって構成されている。適応フィル
タ６は、適応フィルタ４の入力信号と同じ信号、即ち、
雑音信号をフィルタ入力信号として動作し、第２の擬似
信号を生成する。減算器７は、適応フィルタ４の出力、
即ち、第１の疑似信号から適応フィルタ６の出力、即
ち、第２の擬似信号を減算し第２の差信号を生成する。
この第２の差信号は誤差信号として適応フィルタ６に供
給される。この結果、適応フィルタ６は、適応フィルタ
４の出力である第１の疑似信号、即ち、推定雑音信号を
消去するように適応動作することになる。適応フィルタ
４の収束がほぼ終了し安定するまで、適応フィルタ６は
収束しないから、適応フィルタ６の収束によって適応フ
ィルタ４の収束がわかる。
【００２０】また、適応フィルタ６の誤差信号は、適応
フィルタ４の誤差信号とは異なり音声信号成分を含んで
いないため、音声信号が入力されている状況において
も、誤差信号の電力の減少によって収束状況の判定を行
うことができる。
【００２１】電力平均回路９は、第１の擬似信号を入力
してその自乗値の平均値Ｐ２を第１の電力平均信号とし
て出力する。一方、電力平均回路８は、第２の差信号を
入力してその自乗値の平均値Ｐ１を第２の電力平均信号
として出力する。電力平均回路８及び電力平均回路９の
各々における平均値の算出は、例えば、最新のＬ個の自
乗値の相加平均をとることによって求められる。
【００２２】ステップサイズ算出回路１０は、平均値Ｐ
１と平均値Ｐ２とを比較して、（Ｐ２／Ｐ１）がある予
め定められた閾値より小さい場合は適応フィルタ６が収
束途中であると判断し、大きな値のステップサイズを表
すステップサイズ信号を適応フィルタ４と適応フィルタ
６とに供給することによって収束の高速化を図る。一
方、（Ｐ２／Ｐ１）がその閾値よりも大きい場合には、
適応フィルタ６の収束が終了したと判断して小さな値の
ステップサイズを表すステップサイズ信号を適応フィル
タ４と適応フィルタ６とに供給し、収束後の歪みを低減
する。
【００２３】この結果、適応フィルタ４，６の各々は、
ステップサイズ信号に応じてフィルタ係数が更新され
る。
【００２４】なお、上述した収束判定回路１１を含む雑
音消去装置は、情報圧縮度の高い狭帯域音声符号化装置
や音声認識装置等の音声処理装置に用いて有効である。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
雑音の重畳した音声信号から適応フィルタの出力する疑
似信号を差し引くことによって雑音を消去するように動
作する雑音消去装置において、音声信号の含まれていな
い前記疑似信号を消去するように第２の適応フィルタを
動作させ、前記疑似信号の電力平均値と前記第２の適応
フィルタの誤差信号の電力平均値から適応フィルタの収
束状況を判定して、適応フィルタの係数更新のためのス
テップサイズを制御するようにしたため、収束時間の短
縮と収束後の雑音消去音声信号の歪みの低減を実現でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による雑音消去装置の構成を
示すブロック図。
【図２】従来の雑音消去装置の一例の構成を示すブロッ
ク図。
【符号の説明】
１ 入力端子 ２ 入力端子 ３ 出力端子 ４ 適応フィルタ ５ 減算器 ６ 適応フィルタ ７ 減算器 ８ 電力平均回路 ９ 電力平均回路 １０ ステップサイズ算出回路 １１ 収束判定回路

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 雑音信号を用いて第１の擬似信号を生成
    する第１の適応フィルタと、雑音信号の重畳された音声
    信号から前記第１の擬似信号を差し引くことによって第
    １の差信号を生成する第１の減算器とを含む雑音消去装
    置において、前記雑音信号を用いて前記第１の擬似信号
    に対応する第２の擬似信号を生成する第２の適応フィル
    タと、前記第１及び第２の擬似信号の差を求めて第２の
    差信号を生成する第２の減算器と、前記第１の擬似信号
    の電力平均値を求めて第１の電力平均信号を生成する第
    １の電力平均回路と、前記第２の差信号の電力平均値を
    求めて第２の電力平均信号を生成する第２の電力平均回
    路と、前記第１及び第２の電力平均信号にしたがい、適
    応フィルタの係数更新のためのステップサイズを表すス
    テップサイズ信号を生成するステップサイズ算出回路と
    を含み、前記第１及び第２の適応フィルタの各々を前記
    ステップサイズ信号に応じてフィルタ係数が更新される
    ように構成したことを特徴とする雑音消去装置。
  2. 【請求項２】 前記第１の適応フィルタは、前記雑音信
    号と共に前記第１の差信号をも用いて前記第１の擬似信
    号を生成するものである請求項１記載の雑音消去装置。
  3. 【請求項３】 前記第２の適応フィルタは、前記雑音信
    号と共に前記第２の差信号をも用いて前記第２の擬似信
    号を生成するものである請求項１又は２記載の雑音消去
    装置。
  4. 【請求項４】 雑音信号の重畳された音声信号を入力と
    する第１の入力端子と、雑音信号を入力とする第２の入
    力端子と、該第２の入力端子から入力された雑音信号を
    入力として、前記第１の入力端子から入力された音声信
    号に重畳されている雑音信号の疑似信号を生成する第１
    の適応フィルタと、前記第１の入力端子に入力された音
    声信号から前記第１の適応フィルタが出力する疑似信号
    を減算し、雑音消去信号として出力すると共に誤差信号
    として前記第１の適応フィルタに供給する減算器を有す
    る雑音消去装置において、 前記第１の適応フィルタの入力信号と出力信号を入力と
    して、前記第１の適応フィルタの収束状況を判定し前記
    第１の適応フィルタに供給する係数更新のためのステッ
    プサイズを可変する収束判定回路を具備し、 前記収束判定回路は、前記第１の適応フィルタの入力信
    号と出力信号とを入力として、前記第１の適応フィルタ
    の出力信号に対応する疑似信号を生成するように動作す
    る第２の適応フィルタと、前記第１の適応フィルタの出
    力信号から前記第２の適応フィルタの出力信号を減算
    し、前記第２の適応フィルタに対する誤差信号として供
    給する第２の減算器と、前記第１の適応フィルタの出力
    信号の電力信号の平均を算出する第１の電力平均回路
    と、前記第２の適応フィルタの出力信号の電力信号の平
    均を算出する第２の電力平均回路と、前記第１及び第２
    の電力平均回路の出力する電力平均信号に基づき前記第
    １及び第２の適応フィルタに対する係数更新のためにス
    テップサイズを算出するステップサイズ算出回路とを具
    備することを特徴とする雑音消去装置。
  5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれかに記載の雑音消
    去装置を用いて音声処理を行うことを特徴とする音声処
    理装置。
  6. 【請求項６】 雑音信号を用いて第１の適応フィルタに
    第１の擬似信号を生成させると、雑音信号の重畳された
    音声信号から前記第１の擬似信号を差し引くことによっ
    て第１の差信号を生成することとを含む雑音消去装置に
    おいて、前記雑音信号を用いて第２の適応フィルタに前
    記第１の擬似信号に対応する第２の擬似信号を生成させ
    ることと、前記第１及び第２の擬似信号の差を求めて第
    ２の差信号を生成することと、前記第１の擬似信号の電
    力平均値を求めて第１の電力平均信号を生成すること
    と、前記第２の差信号の電力平均値を求めて第２の電力
    平均信号を生成することと、前記第１及び第２の電力平
    均信号にしたがい、適応フィルタの係数更新のためのス
    テップサイズを表すステップサイズ信号を生成すること
    と、前記第１及び第２の適応フィルタの各々のフィルタ
    係数を前記ステップサイズ信号に応じて更新することと
    を含むことを特徴とする雑音消去方法。
JP7044222A 1995-03-03 1995-03-03 雑音消去装置 Expired - Lifetime JP2760373B2 (ja)

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EP96103158A EP0730262A3 (en) 1995-03-03 1996-03-01 Noise cancelling device capable of achieving a reduced convergence time and a reduced residual error after convergence
CA002170811A CA2170811C (en) 1995-03-03 1996-03-01 Noise cancelling device capable of achieving a reduced convergence time and a reduced residual error after convergence
US08/610,255 US5644641A (en) 1995-03-03 1996-03-04 Noise cancelling device capable of achieving a reduced convergence time and a reduced residual error after convergence
AU45886/96A AU693648B2 (en) 1995-03-03 1996-03-04 Noise cancelling device capable of achieving a reduced convergence time and a reduced residual error after convergence

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JPH08241086A JPH08241086A (ja) 1996-09-17
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