JP2013528830A - 携帯型音声装置における能動的雑音消去 - Google Patents

Abstract

能動的雑音消去（ＡＮＣ）回路を携帯型音声装置内の受話器スピーカの入力に結合して、装置外部の、装置のユーザに聞こえる可能性がある周辺音響雑音を制御する。受話器スピーカから出る音及び周辺音響雑音をマイクが拾う。受話器スピーカから出る音が雑音によってどれほど破損しているかについての推定値が、雑音による破損が不十分であることを示しているとの判定に応答して、制御回路がＡＮＣを非作動にする。別の実施形態では、周辺雑音レベルの推定値の方が、ＡＮＣによって引き起こされるオーディオアーチファクトの閾値よりも大きいという判定に応答してＡＮＣの決定が行われる。その他の実施形態についても説明し、特許請求する。
【選択図】 なし

Description

本発明の実施形態は、携帯電話などの携帯型音声装置における能動的雑音消去（ＡＮＣ）処理又は回路の作動及び非作動に関する。その他の実施形態も説明する。

携帯電話のユーザは、携帯電話によって多くの異なる音響環境での会話が可能になるが、これらの環境には、比較的静かな環境もあれば非常に騒々しい環境もある。ユーザは、特に過酷な音響環境内、すなわち交通量の多い道路上、或いは空港又は鉄道駅の近くなどの、背景又は周辺の雑音レベルが高い環境内に存在することがある。携帯電話は、過酷な音響環境（すなわち、携帯電話を取り巻く周辺音響雑音又は望ましくない音が特に大きな環境）内に存在する近端ユーザに対する遠端ユーザの発話の明瞭度を高めるために、能動的雑音消去（ＡＮＣ）として知られている音声信号処理技術を実装することができる。ＡＮＣでは、背景音を消去するように意図された雑音防止信号を生成し、受話器スピーカにこの雑音防止信号を送り込むことにより、受話器スピーカに押し当てられた、又はこれを保持する耳を通じて近端ユーザに聞こえる背景音が低減される。このような周辺雑音低減システムは、２つの異なる原理、すなわち「フィードバック」法及び「フィードフォーワード」法のいずれか一方に基づくことができる。

フィードバック法では、ユーザの耳と受話器シェルの内側の間に形成された空洞の内部に小型マイクを配置する。このマイクを使用して、空洞内に漏れ込んだ背景音をピックアップする。このマイクからの出力信号が、アナログ増幅器及びデジタルフィルタを含むことができる負のフィードバックループを介して受話器スピーカに再び結合される。これにより、受話器スピーカがピックアップマイクにおける音圧レベルをゼロにしようと試みるサーボシステムが形成される。対照的に、フィードフォーワード法では、周辺雑音を直接検出するために、ピックアップマイクを受話器シェルの外側に配置する。この検出された信号を再び増幅し、アナログ及び／又はデジタル信号処理要素を使用して反転又は別様にフィルタ処理し、その後受話器スピーカに供給することができる。この方法は、一次音声内容信号（この場合は遠端ユーザのダウンリンク音声）のみならず雑音低減信号成分も含む復合音響出力を生み出すように設計される。後者の方法は、流入する周辺音響雑音を、受話器スピーカの出口において基本的に消去するように設計される。これらのＡＮＣ技術はいずれも、過酷な音響雑音環境内に存在する携帯型音声装置のユーザのためのイージーリスニング体験を生じるように意図されている。

本発明の１つの実施形態では、携帯型音声装置が受話器スピーカを有し、この受話器スピーカに、音声信号を受け取るための入力と、受話器信号から出る音、及び装置の外部に存在するが装置のユーザにも聞こえるあらゆる環境又は背景音響雑音を拾うための第１のマイクとが備わる。この装置は、受話器スピーカの入力に結合されて周辺音響雑音を制御するＡＮＣ回路も含む。受話器スピーカから出る音が周辺音響雑音によってどれほど破損したかについての推定値を計算する。次に、制御回路が、雑音による破損が不十分であることをこの推定値が示しているかどうかを判定し、不十分な場合には、ＡＮＣ回路を非作動にする。多くの場合、携帯型音声装置のユーザを取り囲む音響環境は過酷なものでなく、すなわち実行中のＡＮＣがユーザに恩恵をもたらさないほど比較的静かであるため、この構成は、携帯型装置のバッテリ寿命を保持する役に立つ。

しかしながら、雑音による破損が十分であることを推定値が示す場合（例えば、ユーザが過酷な音響環境内に存在する場合）、ＡＮＣ回路を非作動にしないための決定が行われる。換言すれば、周辺音響雑音による十分な破損が存在することを推定値が示す場合、ＡＮＣ回路は動作し続けることができる。

１つの実施形態では、主観的ラウドネス重み付けに基づいて周辺音響雑音及び一次音声信号の推定値を平滑化し、平均化した後で信号対雑音比を計算し、その後ＡＮＣを非作動にするかそれとも作動させるかに関する閾値を決定する。この主観的ラウドネス重み付けは、（ＳＮＲを求めるときに）ＡＮＣが効果的であると期待される周波数のみを考慮するようにフィルタ処理することができる。例えば、場合によっては、ＡＮＣによる効果的な雑音低減が、５００〜１５００Ｈｚの範囲に限られることがある。また、ＡＮＣを作動させるかそれとも非作動にするかの決定を、閾値ＳＮＲ値にヒステリシスを導入した後にのみ行って、閾値近くにおける急激な決定の切り替えを防ぐこともできる。

別の実施形態では、ＡＮＣによって受話器スピーカから発せられる音の中に生じ得る、オーディオアーチファクトの実際の又は予想される強度を表す閾値を決定する。このアーチファクトは、ＡＮＣ回路の動作によって引き起こされ、ユーザに聞こえる「ヒス音」と呼ばれることもある。推定された周辺音響雑音がこのヒス音閾値よりも大きいと見なされる場合、ＡＮＣが作動され（又は非作動にされず）、これによりＡＮＣが望ましくない周辺音を低減させ続けることができるようになる。一方、消去する必要がある雑音よりもヒス音の方がユーザによく聞こえる場合、ＡＮＣ回路が非作動にされる。この状況は、ＡＮＣ回路がユーザに十分な恩恵をもたらしておらず、従ってＡＮＣ回路を停止させて電力を節約できる状況を反映している。

本発明の別の実施形態によれば、携帯型音声装置を使用して、通話、或いは音声ファイル又は音声ストリームの再生を行う方法を、以下のように進めることができる。通話又は再生中に、装置内のＡＮＣ回路を作動させて周辺音響雑音を制御する。受話器スピーカから出る音が周辺音響雑音によってどれほど破損したかについての推定値を計算する。次に、雑音による破損が不十分であることを推定値が示すかどうかの判定を行い、不十分である場合には、ＡＮＣ回路を非作動にする。一方、雑音による破損が十分であることを推定値が示す場合、ＡＮＣ回路が、望ましくない周辺音を低減しようと試みる動作を継続できるようにする。この推定値は、信号対雑音比（ＳＮＲ）として計算することができ、ダウンリンク音声信号、或いは音声ファイル又は音声ストリームの再生時に生成される音声信号と呼ぶことができる。

１つの実施形態では、（受話器スピーカに出力を供給する）デジタル雑音防止フィルタのタップ係数をゼロに設定して、基本的にフィルタが信号を出力しないようにすることにより、ＡＮＣ回路を非作動にすることができる。また、ＡＮＣ回路の非作動は、通常はこれらのタップ係数を更新する適応フィルタコントローラを同時に無効にして、タップ係数がもはや更新されないようにすることを含むこともできる。

代替の実施形態では、適応フィルタコントローラを無効にして、雑音防止フィルタのタップ係数がもはや更新されないようにする（例えば、適応フィルタを凍結させて、一部の信号は雑音防止フィルタによって出力されるが、雑音防止フィルタのタップ係数は変化せず、かつコントローラがそのタップ係数の更新を計算しないようにする）ことにより、ＡＮＣ回路を非作動にすることができる。

携帯型音声装置を使用して、通話、或いは音声ファイル又は音声ストリームの再生を行う方法のさらに別の実施形態では、周辺音響雑音の存在により、受話器スピーカから出る音が十分に破損されているとの判定が行われるまで、通話又は再生中にＡＮＣ回路を作動させない。その後、受話器スピーカから出る音がどれほど破損しているかについての推定値（通話又は再生時に）を再び計算し、周辺音響雑音による破損が不十分な場合には、ＡＮＣ回路を非作動にする。

上記の概要は、本発明の全ての態様の完全なリストを含むものではない。本発明は、上記で概説した様々な態様の全ての好適な組み合わせ、並びに以下の発明の詳細な説明に開示する事項、及び特に本出願とともに出願する特許請求の範囲で指摘する事項から実施できる全てのシステム及び方法を含むことが想定されている。このような組み合わせには、上記概要に特に示していない特定の利点がある。

同じ参照記号が同様の要素を示す添付図面の図に、本発明の実施形態を限定ではなく一例として示す。なお、本開示における本発明の「ある（ａｎ）」又は「１つの（ｏｎｅ）」実施形態についての言及は、必ずしも同じ実施形態について言及するものではなく、少なくとも１つを意味する。

過酷な音響環境でユーザが使用している移動体通信装置を示す図である。 信号及び雑音の推定値に基づいて音声装置内でＡＮＣ決定を行うためのシステムのブロック図である。 信号及び雑音推定値に基づいて、ＡＮＣを作動すべきかそれとも非作動にすべきかの決定を行う制御プロセス又は回路のアルゴリズムを示すブロック図である。 文章及び単一音節の単語の、理解度対ＳＮＲのプロットである。 信号及び雑音推定値に基づくフィードフォーワードＡＮＣ及びＡＮＣ決定制御のブロック図である。 信号及び雑音推定値に基づくフィードバックＡＮＣ及びＡＮＣ決定制御のブロック図である。 ＡＮＣの意思決定のためのアルゴリズム又はプロセスを示す図である。 周辺雑音の強度を計算すること、及びこれをヒス音閾値と比較することに基づく、ＡＮＣの意思決定のための別のアルゴリズムを示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明のいくつかの実施形態について説明する。数多くの詳細を示しているが、本発明の実施形態には、これらの詳細を伴わずに実施できるものもあると理解されたい。その他の例では、本説明の理解を曖昧にしないように、周知の回路、構造及び技術については詳細に示していない。

図１に、過酷な音響環境内の近端ユーザが使用している携帯型音声装置２、ここでは移動体通信装置を示す。この近端ユーザは、携帯型音声装置２を保持した状態で、特に受話器スピーカ６を耳に押し当てた状態で遠端ユーザと会話を行っている。一般に、この会話は、近端ユーザの携帯型音声装置２と遠端ユーザの音声装置４との間のいわゆる「通話」の形で行われる。この場合、通話、すなわち通信接続、すなわちチャネルは、ベースステーション５が例えば携帯電話プロトコルを使用して近端ユーザの装置２と通信する無線部分を含む。しかしながら、一般に、本明細書で説明するＡＮＣ決定機構は、無線／セルラー及び無線／ローカルエリアネットワークを含むあらゆる既知の種類のネットワーク３を従来のアナログ式電話システム(POTS)、公衆交換電話網（ＰＳＴＮ）、及び恐らくは高速インターネット接続を介した（ボイスオーバーインターネットプロトコルなどを使用する）１又はそれ以上のセグメントと併せて使用する携帯型音声通信装置を含む他の種類のハンドヘルド型バッテリ駆動式音声装置にも適用可能である。

通話中、近端ユーザには、このユーザを取り巻く周辺音響雑音の一部が聞こえ、この周辺音響雑音が、ユーザの耳と、背後に受話器スピーカ６が位置するシェル又はハウジングとの間に形成された空洞内に漏れ込むことがある。このモノラル構成では、近端ユーザは、遠端ユーザの話しを左耳で聞くことができるが、左耳に隣接する空洞内に漏れ込んだ周辺音響雑音の一部がさらに聞こえる場合がある。近端ユーザの右耳は、周辺雑音に完全にさらされる。

上述したように、音声装置２内で動作する能動的雑音消去（ＡＮＣ）機構は、ユーザの左耳に入り込んで、この場合は遠端ユーザの発話である一次音声内容を損なうであろうはずの望ましくない音を低減することができる。しかしながら、場合によっては、特に（後述するように）ユーザの耳における信号対雑音比（ＳＮＲ）が一定の閾値よりも高い場合には、ＡＮＣは、発話の明瞭度に対して明白な改善をほとんど与えない。さらに、ＡＮＣは、比較的静かな環境でユーザに聞こえる可聴アーチファクトを引き起こす。本発明の様々な実施形態は、ＡＮＣが実質的にユーザに恩恵をもたらさないと判断された場合、このような可聴アーチファクトの存在を抑えて電力を節約するようにＡＮＣの作動及び非作動に関する決定を行う。

ここで図２を参照すると、信号及び雑音の推定に基づいて音声装置内でＡＮＣ決定を行うためのシステムのブロック図を示している。（ＡＮＣ回路１０とも呼ばれる）ＡＮＣブロック１０は、雑音防止信号ａｎ（ｋ）を生成し、この信号がミキサ１２によって所望の音声信号と組み合わせられた後で、受話器スピーカ６の入力に供給される。この機構は、完全に従来のフィードバック又はフィードフォーワードＡＮＣ機構であってもよい。本発明の実施形態によれば、ＡＮＣ決定制御ブロック１１が、信号ｓ’（ｋ）及び雑音ｎ’（ｋ）の計算値又は推定値に基づいて、ＡＮＣブロック１０を作動させるかそれとも非作動にするかを決定する。本開示に示すブロックによる任意の音声信号に対する信号処理動作は離散時間領域で行われるので、ここでは離散値の時系列を表すためにｓ’（ｋ）及びｎ’（ｋ）という表現を使用する。より一般的には、機能ユニットブロックの一部又は全部をアナログ形態（連続時間領域）で実装することが可能である。しかしながら、スマートフォン、デジタルメディアプレーヤ、並びにデスクトップ及びノートブックパーソナルコンピュータなどの最新の消費者向け電子音声装置における実装には、デジタル領域の方が柔軟かつ適切であると思われる。

信号及び雑音の推定値は、誤差マイク８を含む雑音測定回路９によって計算され、この誤差マイク８は、（ａ）受話器スピーカ６から出る音、及び（ｂ）受話器スピーカ６の前のハンドセットハウジング又はシェル（図示せず）とユーザの耳との間の空洞又は領域に漏れ込んだ周辺音響雑音を両方とも拾うように配置され配向される。誤差マイク８は、受話器スピーカ６も組み込む携帯電話のハンドセットに、ユーザの耳とハンドセットの前面受話器領域によって形成される空洞に向けて、すなわち受話器スピーカに近接させるとともに、近端ユーザの発話を拾うために使用される一次又は話者マイクから遠くに配置して埋め込むことができる。この受話器スピーカ６と誤差マイク８の組み合わせ、及びユーザの耳に接して形成された音響空洞を、ＡＮＣ回路１０により制御されているシステム又はプラントと呼び、このシステム又はプラントの周波数応答にＦのラベルを付けている。このシステム又はプラントＦをデジタルフィルタがモデル化し、このデジタルフィルタを、周波数応答Ｆ’を有するように示しており、この例を、図示のように雑音測定回路内９に第１のフィルタ１３として示している。マイクに拾われた信号は差分ユニット１８に供給され、この差分ユニット１８の他方の入力は、第１のフィルタ１３の出力からの信号を受け取る。これにより、差分ユニット１８の出力が周辺音響雑音ｎ’（ｋ）の推定値を提供できるようになる一方で、（第２のＦ’の例である）第２のフィルタ１７の出力が、一次又は所望の音声信号ｓ’（ｋ）（ここではダウンリンク音声信号）の推定値を提供する。

これらの推定信号ｓ’（ｋ）及びｎ’（ｋ）は、ＡＮＣ決定制御回路１１に入力され、次にこのＡＮＣ決定制御回路１１が、受話器スピーカ６から出る音が周辺音響雑音によってどれほど破損したかについての推定値（例えばＳＮＲ）を求めることができる。ＳＮＲは、３００〜５００Ｈｚのローエンドから最大１．５〜２ｋＨｚのハイエンドまでなどの、ＡＮＣが有効となる一次可聴周波数範囲内で計算することができる。信号レベル及び雑音レベルは、ＡＮＣの有効周波数範囲内の、並びにシーケンスｓ’（ｋ）及びｎ’（ｋ）の有限時間間隔又は時間フレーム内の信号エネルギーとして計算することができる。雑音による破損が不十分である（すなわちＳＮＲが所定の閾値よりも高い）ことが示された場合、この状況でＡＮＣが近端ユーザに恩恵をもたらすことはできないという確信に従ってＡＮＣ回路１０を非作動にする。

或いは、ＡＮＣ決定制御部１１は、その計算した推定値が、雑音による破損が十分であることを示している（又はＳＮＲが所定の閾値よりも小さい）と判定することもある。この場合、（ここでは、遠端ユーザの発話の明瞭度を高めることによってＡＮＣが近端ユーザに恩恵をもたらすことが期待されると言う確信に従って）ＡＮＣ回路１０を非作動にすべきではない。本発明のさらなる実施形態では、その後、ＡＮＣ決定制御部１１が実際にＡＮＣ回路１０を作動させる。

引き続き図２を参照すると、受話器スピーカ６が、（セル方式の携帯無線電話、無線ローカルエリアネットワークベースのインターネット電話機能付きスマートフォン、及び衛星ベースの携帯電話などの）携帯又は無線電話ハンドセットの一体型「受信器」である実施形態では、ユーザがハンドセットの受話器領域をどのように保持しているか、及び耳に押し当てて保持しているか否かに応じて、プラントＦが例えば実質的に４０デシベル程度変化する。この場合、（フィルタ１３、１７の両方に見られる）伝達関数Ｆ’を固定したモデルでは、信号及び雑音推定値ｓ’（ｋ）及びｎ’（ｋ）を正しく判定することができない。従って、ハンドセットの動作中（例えば通話中）に、伝達関数Ｆ’を継続的に更新すべきである。フィルタ１３、１７は、最小２乗平均アルゴリズムなどのいずれかの好適な従来のアルゴリズムに従って適応フィルタコントローラ１６によりタップ係数が適応されるデジタル適応フィルタとして実装することができる。適応フィルタコントローラ１６は、（ミキサ１２への入力でもある）音声信号及び雑音ｎ’（ｋ）の推定値を入力とし、例えば最小２乗平均アルゴリズムを使用して、音声信号からの成分が差分ユニット２１の出力内にほとんど又は全く見られないようにタップ係数を収束させようとする反復プロセスを実行する。換言すれば、適応フィルタコントローラ１６は、（フィルタ１３、１７の両方に反映される）タップ係数を、その伝達関数Ｆ’が基本的にシステム又はプラントＦのタップ係数に一致するように適応させる。実際には、ユーザがハンドセットを耳に付けたり離したりして動かすとプラントＦが変化するので、このような一致を実現するためには、（例えば約１又は２秒の）短い収束時間が必要になることがある。従って、プラントＦのモデル化が最新になったこと、又は適応フィルタアルゴリズム内に十分な収束が存在することを示す適応フィルタコントローラ１６からの信号に基づいて、ＡＮＣ決定制御ブロック１１によるあらゆる決定を調整することができる。

実際には、図２に示す構成を、マイク信号のアナログーデジタル変換、デジタルーアナログ変換及びアナログ前置増幅などのその他のいくつかの音声関連機能を実施できるオーディオコーダ／デコーダ集積回路チップ（コーデックチップとも呼ばれる）内に実装することができる。他の実施形態では、図２の構成を、ミキシング、音響エコー消去、雑音抑圧、音声チャネル自動利得制御、圧伸及び伸張、及び等化のうちの１又はそれ以上などの、ダウンリンク又はアップリンク音声強調処理などの機能を含むことができる、移動体無線通信に適したデジタル信号処理コーデック内に実装することができる。図２に示す機能全体を、アナログマイクの出力などのアナログ信号がデジタル形態に変換され、ミキサ１２の出力信号が受話器スピーカ６に入力される前にアナログ形態に変換される離散時間領域内で実施することもできるが、これらの周知の態様を明確に説明し又は図示する必要はない。

ここで図３を参照すると、信号対雑音比（ＳＮＲ）を計算して閾値と比較するＡＮＣ決定制御部１１（図２を参照）のアルゴリズムを示している。図３に示すブロックは、デジタル時間領域処理要素であっても、又は周波数領域処理要素であってもよい。信号推定値ｓ’（ｋ）及び雑音推定値ｎ’（ｋ）はいずれも、この場合は主観的ラウドネス重み付けブロック１２及び平均化ブロック１４を含む平滑化調節器を通過する。ラウドネス重み付けブロック１２は、（Ａ特性周波数重み付け、ＩＴＵ-Ｒ ４６８などの）音声システム内の雑音を測定する際に使用される代表的なフィルタ処理動作とすることができる。平均化ブロック１４は、典型的な２乗平均平方根、又は以下の式により例示される、ＩＴＵ-Ｔ Ｇ．１６０などのその他の好適な信号平均化アルゴリズムを実施することができる。

次に、図３に示すように、閾値決定ブロック１５が、ラウドネス重み付けブロック１２及び平均化ブロック１４に続く出力シーケンスを使用して、設定可能閾値パラメータｘに基づいて基本的に平滑化雑音推定値ｎ”（ｋ）を平滑化信号推定値ｓ”（ｋ）と比較することにより、信号対雑音比を計算する。このブロックは、基本的に、受話器スピーカ６から出る音が、以下のような周辺音響雑音（図２を参照）によって十分に破損したかどうかを判定する。ＳＮＲが、設定可能パラメータ又は閾値よりも低い場合、ＡＮＣ回路を非作動にしないための、すなわちＡＮＣ回路を作動させるための決定が行われる。この場合、この理由は、ユーザに聞こえている可能性のある望ましくない音をＡＮＣが実質的にいくらか低減するかもしれないと期待されるからである。一方、ＳＮＲが閾値よりも高い場合には、周辺音響環境が十分に静かであることにより、ＡＮＣがユーザに恩恵をもたらさない可能性が高く、従ってこれを非作動又は無効にし、すなわち作動又は有効にせずに、電力を節約して望ましくないオーディオアーチファクトを避けるようにすることが示唆される。

ＳＮＲの比較のための閾値は、典型的な通信システムが保持する様々な種類の発話の明瞭度に関する発表済みの既知の情報を使用して決定することができる。図４に、このような所見の結果を示す。本発明の実施形態によれば、ＡＮＣ決定制御部１１に適する可能性のある特定の閾値は約１２ｄＢＡである。１２ｄＢＡでは、単一音節の単語は８０％又はそれ以上の場合に理解できるのに対し、文章は９０％を越えて理解できることが期待される。しかしながら、より一般的には、閾値をより高く設定すると、ＡＮＣを非作動にする決定を行うために周辺音響雑音レベルをさらに下げる必要があると理解した上で、閾値を１２ｄＢＡよりも高く又は１２ｄＢＡよりも低く設定することができる。

ここで図５を参照すると、図２と同じ雑音測定回路９及びＡＮＣ決定制御部１１とともに、フィードフォーワードＡＮＣのブロック図を示している。本発明のこの実施形態では、ＡＮＣ回路１０が、やはり１つの実施形態では携帯型音声装置２のハンドセットハウジングに一体化されて周辺音響雑音を拾うように配置及び配向できる基準マイク９を含む。換言すれば、基準マイク９は、近端ユーザの発話又は受話器スピーカ６から出るあらゆる音よりもむしろ周辺音響雑音を主に検出することを目的として配向される。場合によっては、基準マイク９が、誤差マイク８よりも受話器スピーカ６から離れて位置し、或いは、通常は近端ユーザの発話を拾うために使用される一次又は話者マイク（図示せず）とは異なる方向を向くことができる。例えば、ここで図１を参照して分かるように、携帯型音声装置のハンドセットハウジングの前面又は底部側から外方向へ向けられる受話器スピーカ６とは対照的に、基準マイク９は背面から外方向へ向けることができる。

図５のフィードフォーワード構成は、基準マイク９の出力に結合できる入力と、ミキサ１２に供給する雑音防止信号を生成する出力とを有する雑音防止フィルタ１６も含む。また、本発明のこの実施形態では、ＡＮＣ回路１０が、受話器空洞内の最も低い総雑音レベルを達成するために雑音防止フィルタ１６のタップ係数を継続的に調整する適応フィルタコントローラ１９を含む。この目的のために、適応フィルタコントローラ１９は、実際のシステム又はプラントＦのモデルであるＦ’をやはり伝達関数として有するフィルタ２０を使用して基準マイク９の出力をフィルタ処理したバージョンを入力として受け取る。事実上、この入力は、ユーザに聞こえる可能性のある周辺音響雑音の別の推定値である。適応フィルタコントローラ１９は、入力であるこれらの２つの雑音推定値に基づいて、受話器空洞内の雑音（すなわち、誤差マイク８によって拾われた、フィルタ処理した音声信号ｓ’（ｋ）を含む音）の量を低減又は最小化するように雑音防止フィルタ１６を継続的に調整する。１つの実施形態では、雑音防止フィルタ１６の、受話器空洞内の推定雑音ｎ’（ｋ）＋ａｎ’（ｋ）を最小化するタップ係数の解に収束するために、適応フィルタコントローラ１９に最小２乗平均アルゴリズムを使用することもできる。

なお、図５には明示していないが、フィルタ１３、１７、２０に見られる伝達関数Ｆ’によるプラントＦのモデル化は、「オンライン」で、すなわち携帯型音声装置２の動作中に継続的に調整すべきである。従って、伝達関数Ｆ’は固定されず、むしろユーザがハンドセットを耳に付けたり離したりして動かすことによって実際のプラントＦ内で生じる変化に一致するために変化する。

図５に示すＡＮＣのフィードフォーワード機構とは対照的に、図６には、フィードバックＡＮＣのブロック図を示す。この例では、ミキサ１２に入力される雑音防止信号が、雑音推定値ｎ’（ｋ）を受け取るように結合された入力を有する雑音防止デジタルフィルタ２２によって生成される点を除き、雑音測定回路９及びミキサ１２は図５と同じように配置される。ＡＮＣ決定制御部１１は、図５の場合と同じように動作することができ、雑音推定値及び信号推定値を入力として有し、これらを使用して、受話器スピーカ６から出る音が周辺音響雑音によってどれほど破損したかを判定する（及びこれに基づいて雑音防止デジタルフィルタ２２を非作動にし又は作動させる）。１つの実施形態では、雑音防止デジタルフィルタ２２が、受話器スピーカ６の出力における望ましくない音（周辺音響雑音）を消去するために、推定値ｎ’（ｋ）の逆数を生成することによって入力シーケンスを単純に反転させる。

ここまで、本開示は、大まかな意味でＡＮＣ回路１０の作動及び非作動、又は雑音防止フィルタ２２（図６）について言及した。このような作動及び非作動を実現するために、いくつかの異なる実施構成が存在し得る。１つの実施形態では、雑音防止フィルタ１６（図５を参照）及び雑音防止フィルタ２２（図６）のタップ係数をゼロに設定し、これらのフィルタによって信号が出力されないようにすることにより、ＡＮＣを非作動にすることができる。この方法は、フィルタ１６、２２とミキサ１２への入力との間に挿入できるハードスイッチを開くことと基本的に類似する。このフィルタ１６、２２の非作動は、（図５に示すフィードフォーワードの実施形態における）適応フィルタコントローラ１９を同時に無効にして雑音防止フィルタ１６のタップ係数がもはや更新されないようにすることを伴うことができる。一例として、ＬＭＳコントローラの例では、ＬＭＳ利得をゼロに設定し、これによりコントローラが更新を停止するように強制することによってこれを行うことができる。

別の実施形態では、適応フィルタコントローラ１９（図５）のみを無効にして、雑音防止フィルタ１６のタップ係数がもはや更新されないようにすることにより、ＡＮＣを非作動にすることができる。この例では、雑音防止フィルタ１６によって一部の雑音防止信号が出力されるが、フィルタ伝達関数は変化せず、コントローラ１９は、フィルタ１６に対して更新を計算しない。このことを、適応フィルタコントローラ１９の凍結と呼ぶこともできる。

同様に、ＡＮＣが作動すると、（図６に示すフィードバックバージョンで使用される雑音防止フィルタ２２の例のように）適応フィルタコントローラ１９の凍結を解除して、雑音防止フィルタ１６のタップ係数がコントローラによって設定されるように、又は所定の初期値に戻るようにすることなどの、上述の動作の逆が行われるようになる。

図７を参照すると、ＡＮＣの意思決定のためのアルゴリズム又はプロセスフローを示している。通話、或いは音声ファイル又は音声ストリームの又は再生が開始されると、携帯型音声通信装置内で動作が開始する（ブロック２４）。この時点では、ＡＮＣ回路を作動させても、又はさせなくてもよい。動作はブロック２６に進み、受話器スピーカから出るモノラル音声が、（ユーザに聞こえる）周辺音響雑音によってどれほど破損したかについての推定値を計算する。これは、ＳＮＲ計算とも呼ばれる。

場合によっては、近端ユーザの発話により、同じくミキサ１２に入力されることがある側音信号に起因して、ブロック２６において計算されるＳＮＲが比較的低くなることがある（図２参照）。従って、１つの実施形態では、携帯型音声通信装置２がＲＸ状態にあり、すなわちアップリンク音声が転送されない場合にのみブロック２６が実施される。換言すれば、ＡＮＣを非作動にする決定は、近端ユーザが喋っていない（ただし、遠端ユーザは喋っていてもよい）ときにのみ行うべきである。この場合、ブロック２７において、通話の送信又は受信（ＴＸ／ＲＸ）状態を取得する必要があり得る。

携帯型音声装置が、アップリンク音声を送信していない（又はブロック２７でＲＸ状態にあると判定された）と仮定すると、（周辺雑音による）ダウンリンク音声信号の破損が十分であるか（ブロック２８）それとも不十分であるか（ブロック３０）に関する判定を行うことができる。十分な破損が存在する（ブロック２８）場合、ＡＮＣ回路を作動させる（ブロック３１）。この結果、受話器スピーカを通じて雑音防止信号が駆動されることにより、ユーザに聞こえる周辺雑音が低減される。その後、このアルゴリズムは、通話又は再生が終了する（ブロック３４）まで、ｓ’（ｋ）及びｎ’（ｋ）における次の音声フレームなどの何らかの所定の時間間隔後にブロック２６にループして戻る。この時点で、ＡＮＣ回路を非作動にすることができる（ブロック３５）。

別のシナリオでは、通話中、ブロック３１においてＡＮＣ回路が最初に作動した後に、アルゴリズムがブロック２６にループして戻り、通話中に新たなＳＮＲの推定値を計算する。この時点では、ダウンリンク音声信号の破損が不十分となる（ブロック３０）ほど周辺音響雑音レベルが十分に低下している可能性がある。これに応じて、ＡＮＣ回路が非作動になる（ブロック３３）。従って、通話中、周辺音響雑音のレベル、及び結果としてダウンリンク音声信号がどれほど破損しているかに応じて、ＡＮＣ回路を複数回作動させ、その後非作動にすることができる。

引き続き図７のアルゴリズムを参照すると、別の実施形態では、通話又は再生が開始される（ブロック２４）と、ＡＮＣ回路を自動的に作動させて、通話中にユーザに聞こえる周辺雑音を制御することができる。次に、アルゴリズムは再びブロック２６に進み、ダウンリンク音声が周辺雑音によってどれほど破損しているか、及び不十分な破損が存在するかどうかを推定（ブロック３０）し、この結果、通話中にＡＮＣ回路を非作動にする。その後、アルゴリズムはブロック２６にループして戻り、信号対雑音比を再計算して、このとき雑音による十分な破損に出くわした場合、通話中にＡＮＣ回路を再び作動させることができる（ブロック３１）。

ここまで、ＡＮＣ作動／非作動の決定は信号及び雑音の推定値に基づくものであった。本発明の別の実施形態によれば、ＡＮＣ決定制御部１１が、ＡＮＣの動作によって生じた実際の又は予想されるオーディオアーチファクトの存在に基づく。この実施形態は、「ヒス音閾値」の実施形態とも呼ばれる。この実施形態では、ＡＮＣ決定制御ブロック１１が、推定される周辺音響雑音とヒス音閾値を比較して、ユーザに聞こえる可能性のあるいずれのヒス音よりも周辺音響雑音の方が大きいかどうかを判定する点を除き、フィードフォーワード又はフィードバックの実施形態と同じ雑音測定回路９及びＡＮＣ回路１０を使用することができる。周辺音響雑音の方が小さい場合、ＡＮＣを非作動にすべきである。

１つの実施形態では、ＡＮＣ決定制御部１１が、ＡＮＣ回路１０の動作によって生じた又は引き起こされた、かつ受話器スピーカ６から出る音の中でユーザに聞こえるオーディオアーチファクトの強度を計算する。このアーチファクトは、ヒス音と呼ばれることがある。オーディオアーチファクトの強度を表すために閾値レベル又はラウドネスを使用し、この閾値レベルを装置２に記憶して、推定される周辺雑音ｎ’（ｋ）と比較する際にＡＮＣ決定制御部１１がこれにアクセスするようにすることができる。

別の実施形態では、ＡＮＣ決定制御部１１が、推定される周辺音響雑音ｎ’（ｋ）のレベルよりもオーディオアーチファクトの強度の方が高いかどうかを判定する。オーディオアーチファクトの方が周辺雑音よりも大きい場合、ＡＮＣ回路１０を非作動にする。

１つの実施形態では、アーチファクトが、ＡＮＣが有効であると予想される周波数領域よりも高い周波数領域に存在する。例えば、ＡＮＣは、３００〜５００Ｈｚの低エンドから最大１．５〜２ｋＨｚまでの高エンドにおける雑音を低減するのに有効であることができる。この場合、ヒス音は、２ｋＨｚよりも高い周波数領域に現れる可能性が高い。従って、２ｋＨｚよりも高い信号エネルギーが、ＡＮＣが有効と思われる範囲内の雑音エネルギーよりも大きい場合、ユーザには、周辺雑音よりもヒス音の方がよく聞こえる可能性が高い。

図８に、予想される又は実際のオーディオアーチファクトと周辺雑音を比較することに基づく、ＡＮＣの意思決定のためのアルゴリズムを示す。通話、或いは音声ファイル又はストリームの再生が開始される（ブロック４０）と、ＡＮＣ回路を自動的に作動させることができ、又はさせなくてもよい。この時点で、ユーザに聞こえる周辺音響雑音を推定する（ブロック４２）。推定される周辺雑音の方が、（メモリからロードされた（ブロック４４）所定の閾値であってもよい）ヒス音閾値よりも「大きい」場合、これに応じてＡＮＣ回路を作動させる（ブロック４６）。一方、周辺雑音が十分に大きくない場合、ＡＮＣ回路を非作動のままにしておき、又は非作動にする（ブロック４８）。

なお、（ＳＮＲに基づく）図７及び（ヒス音閾値の比較に基づく）図８のアルゴリズムについて別個に説明したが、ＡＮＣの決定制御においてこれらの両態様を組み合わせることも可能である。例えば、図７のブロック３３で行われるようなＡＮＣ回路を非作動にすべきかどうかの決定を、推定される周辺雑音が図８のヒス音閾値よりも大きいかどうかを判定することによって検証することができる。

本発明の別の実施形態によれば、携帯電話のハンドセットがユーザの耳にしっかりと押し当てられて保持されていないと検出されたことに部分的に又は全体的に基づいて、ＡＮＣを非作動にする決定を行うことができる。例えば、従来のｉＰｈｏｎｅ（商標）装置には、装置がいつユーザの耳に押し当てられて保持されているか（及び保持されていないか）を表示できる近接検出回路又は機構が存在する。このような近接センサ又は検出器は、携帯電話のハンドセットに組み込まれた赤外線伝送及び検出を使用して、ハンドセットがユーザの耳などの対象物の近くにあることを示すことができる。このような実施形態におけるＡＮＣ決定制御回路は、近接検出器及びＡＮＣ回路に結合されるとともに、ハンドセットがユーザの耳の十分近くに保持されていないことを近接検出器が示すと、ＡＮＣ回路を非作動にする。この例におけるＡＮＣを非作動にする決定は、近接検出器の出力に完全に基づくことができ、或いは近接検出器の出力、及び例えば図７又は図８に関連して上述した音声信号処理ベースの技術のうちの１又はそれ以上の両方を考慮することに基づくことができる。

上述したように、本発明の実施形態を、雑音及び信号強度測定、フィルタ処理、ミキシング、追加、反転、比較、及び意思決定を含む上述したデジタルオーディオ処理動作を行うための１又はそれ以上のデータ処理要素をプログラムした命令（ここでは総称的に「プロセッサ」と呼ぶ）を記憶する。他の実施形態では、これらの動作の一部を、（専用デジタルフィルタブロックなどの）配線ロジックを含む特定のハードウエア構成要素によって行うことができる。或いは、これらの動作を、プログラムされたデータ処理要素と固定配線回路要素のいずれかの組み合わせによって行うこともできる。

いくつかの実施形態について説明し、添付図面に示したが、このような実施形態は、広範な発明を限定するものではなく例示するものにすぎず、当業者には他の様々な修正例が浮かぶと考えられるので、本発明は、図示及び説明した特定の構造及び構成に限定されるものではないと理解されたい。例えば、誤差マイク８を、スマートフォンのハンドセットに接続された有線又は無線ハンドセットのハウジング内に配置してもよい。従って、この説明は、限定ではなく例示であると見なすべきである。

Claims (21)

1. 音声信号を受け取るための入力を有する受話器スピーカと、
   前記受話器スピーカの入力に雑音防止信号を供給して、前記装置のユーザに聞こえる、前記装置の外部の周辺音響雑音を制御するための能動的雑音消去（ＡＮＣ）回路と、
   （ａ）前記受話器スピーカから出る音、及び（ｂ）前記周辺音響雑音を拾う第１のマイクの出力に結合された第１の入力と、前記音声信号及び前記雑音防止信号を受け取るように結合された第２の入力と、を有する雑音測定回路と、
   前記雑音測定回路から前記周辺音響雑音の推定値を受け取り、前記受話器スピーカから出る音が前記周辺音響雑音によってどれほど破損したかについての測定値が、雑音による破損が不十分であることを示しているという判定に応答して、前記ＡＮＣ回路を非作動にするように結合された制御回路と、
   を備えることを特徴とする携帯型音声装置。
2. 前記ＡＮＣ回路が、前記周辺音響雑音の前記推定値を受け取るように結合された入力において信号を反転させる雑音防止フィルタを含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の携帯型音声装置。
3. 前記ＡＮＣ回路が、
   前記第１のマイクよりも前記受話器スピーカから離れて位置する、前記周辺音響雑音を拾うための第２のマイクと、
   前記第２のマイクによって拾われた前記周辺音響雑音の表現を使用して前記雑音防止信号を生成する適応フィルタと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の携帯型音声装置。
4. 前記制御回路が、前記音声信号及び前記周辺音響雑音を参照して信号対雑音比（ＳＮＲ）を計算し、該計算したＳＮＲが所定の閾値を上回る場合、前記制御回路が前記ＡＮＣ回路を非作動にする、
   ことを特徴とする請求項１に記載の携帯型音声装置。
5. 前記雑音測定回路が、
   前記音声信号及び前記雑音防止信号が通過する、前記受話器スピーカ及び前記第１のマイクをモデル化する第１のフィルタと、
   前記第１のマイクの前記出力に結合された第１の入力と、前記第１のフィルタの出力に結合された第２の入力とを有する差分ユニットと、
   前記音声信号が通過する、前記受話器スピーカ及び前記第１のマイクをモデル化する第２のフィルタと、
   を含むことを特徴とする請求項３に記載の携帯型音声装置。
6. 前記制御回路が、
   前記第２のフィルタ及び前記差分ユニットの出力からの信号を平滑化する平滑化調節器と、
   前記平滑化信号をそれぞれ受け取るように結合された第１及び第２の入力と、前記ＡＮＣ回路を非作動にすべきか否かを示す出力とを有する決定回路と、
   を含むことを特徴とする請求項５に記載の携帯型音声装置。
7. 前記制御回路が、前記平滑化信号を使用して信号対雑音比（ＳＮＲ）を計算し、該計算したＳＮＲが所定の閾値を上回る場合、前記制御回路が前記ＡＮＣ回路を非作動にする、
   ことを特徴とする請求項６に記載の携帯型音声装置。
8. 遠端ユーザと近端ユーザの通話中、前記ＡＮＣ回路が、作動時に、前記受話器スピーカを通じて前記装置の前記近端ユーザに聞こえる、前記音声信号に含まれる前記遠端ユーザの発話の明瞭度を高めることができる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の携帯型音声装置。
9. 音声信号を受け取るための入力を有する受話器スピーカと、
   前記受話器スピーカの前記入力に結合されて、前記装置のユーザに聞こえる前記装置の外部の周辺音響雑音を制御するための能動的雑音消去（ＡＮＣ）回路と、
   前記受話器スピーカから出る音の中に存在するオーディオアーチファクトの強度を計算するための制御回路と、
   を備え、前記制御回路が、前記周辺音響雑音の推定レベルよりも前記オーディオアーチファクトの強度の方が大きいという判定に応答して前記ＡＮＣ回路を非作動にする、
   ことを特徴とする携帯型音声装置。
10. 前記周辺音響雑音の推定値を求めるための雑音測定回路をさらに備え、該雑音測定回路が、
    （ａ）前記受話器スピーカから出る音、及び（ｂ）前記周辺音響雑音を拾うための第１のマイクと、
    前記音声信号と、前記ＡＮＣ回路によって生成された雑音防止信号とを受け取るように結合された入力を有し、前記スピーカの前記出力における音響応答をモデル化して前記第１のマイクによって拾う第１のフィルタと、
    前記音声信号が通過する、前記第１のフィルタと同様の周波数応答を有する第２のフィルタと、
    前記第１のマイクの前記出力に結合された第１の入力と、前記第１のフィルタの出力に結合された第２の入力とを有し、前記周辺音響雑音の前記推定値を表す出力を有する差分ユニットと、
    を有し、前記制御回路が、前記差分ユニットの出力に結合された入力を有し、該入力から前記オーディオアーチファクトの強度を計算する、
    ことを特徴とする請求項９に記載の携帯型音声装置。
11. 前記制御回路が、前記ＡＮＣ回路の有効周波数範囲を上回る前記オーディオアーチファクトの強度を決定する、
    ことを特徴とする請求項９に記載の携帯型音声装置。
12. 携帯型音声通信装置を使用して通話を行う方法であって、
    前記通話中、能動的雑音消去（ＡＮＣ）回路を作動させて周辺音響雑音を制御するステップと、
    前記装置の受話器スピーカから出る音が前記周辺音響雑音によってどれほど破損したかについての推定値が、雑音による破損が不十分であることを示していると判定するステップと、
    前記判定に応答して前記ＡＮＣ回路を非作動にするステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
13. 前記判定するステップが、ダウンリンク音声信号と前記周辺音響雑音とを参照する信号対雑音比（ＳＮＲ）を所定の閾値と比較して、前記ＳＮＲの方が所定の閾値よりも大きいことを発見するステップを含む、
    ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記ＡＮＣ回路を非作動にするステップが、前記受話器スピーカに出力を供給するデジタル雑音防止フィルタの複数のタップ係数をゼロに設定するステップを含む、
    ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
15. 前記ＡＮＣ回路を非作動にするステップが、前記タップ係数を更新する適応フィルタコントローラを無効にして、前記タップ係数がもはや更新されないようにするステップをさらに含む、
    ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記ＡＮＣ回路を非作動にするステップが、デジタル雑音防止フィルタの複数のタップ係数を更新する適応フィルタコントローラを無効にして、前記タップ係数がもはや更新されないようにするステップを含む、
    ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
17. 携帯型音声通信装置を使用して通話を行う方法であって、
    ａ）前記通話中に前記装置の受話器スピーカから出る音が周辺音響雑音によってどれほど破損したかについての推定値が、雑音による破損が十分であることを示していると判定するステップと、
    ｂ）前記ステップａ）における判定に応答して、前記通話中に能動的雑音消去（ＡＮＣ）回路を作動させて前記周辺音響雑音を制御するステップと、
    ｃ）前記通話中に前記受話器スピーカから出る音が周辺音響雑音によってどれほど破損したかについての推定値が、雑音による破損が不十分であることを示していると判定するステップと、
    ｄ）前記ステップｃ）における判定に応答して、前記ＡＮＣ回路を非作動にするステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
18. 携帯型音声通信装置を使用して通話を行う方法であって、
    前記通話中に前記携帯型通信装置のユーザに聞こえる周辺音響雑音を推定するステップと、
    ＡＮＣ回路により引き起こされて、前記装置の受話器スピーカから出た後に前記装置のユーザに聞こえることがあるオーディオアーチファクトの強度を示すオーディオアーチファクト閾値を決定するステップと、
    前記推定された雑音レベルが前記オーディオアーチファクト閾値未満であることに応答して、前記通話中にＡＮＣ回路を非作動にするステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
19. 前記オーディオアーチファクト閾値を決定するステップが、所定のヒス音閾値を取り込むステップを含む、
    ことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 前記推定された雑音レベルが前記オーディオアーチファクト閾値を上回ることに応答して、前記通話中に前記ＡＮＣ回路を作動させるステップをさらに含む、
    ことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
21. ダウンリンク音声信号を受け取るように結合された入力を有する受話器スピーカを組み込むとともに、前記ハンドセットがいつユーザの耳に押し当てられて保持されているか、及びいつそうでないかを示すことができる検出器を有する携帯電話ハンドセットと、
    前記受話器スピーカの前記入力に結合されて、前記装置のユーザに聞こえる前記装置の外部の周辺音響雑音を制御する能動的雑音消去（ＡＮＣ）回路と、
    前記検出器及び前記ＡＮＣ回路に結合されて、前記ハンドセットが前記ユーザの耳に押し当てられて保持されていないことを前記検出器が示す場合に前記ＡＮＣ回路を非作動にするＡＮＣ決定制御回路と、
    を備えることを特徴とする携帯型音声装置。

Images