JP3957939B2

JP3957939B2 - 等化システム

Info

Publication number: JP3957939B2
Application number: JP2000008415A
Authority: JP
Inventors: 友彦伊勢; 望斉藤
Original assignee: Alpine Electronics Inc
Current assignee: Alpine Electronics Inc
Priority date: 2000-01-17
Filing date: 2000-01-17
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2020-01-17
Also published as: JP2001203550A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、適応フィルタを用いることにより車室内等の音響系で所望の音場特性を実現する等化システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
車室内は密閉された狭い空間であるため、短時間で反射が起こり、音波が干渉しあって聴取点までの伝達特性は非常に複雑なものとなる。また、左右非対称な場所で音楽を聴くことになるため、左右のスピーカからの伝達特性も大きく異なっている。このような車室内の悪影響を取り除き、車室内における音響特性の改善を行うことを目的としたオーディオ装置が望まれている。このような要求に応えるものとして、音響系の伝達特性を自動で補正する等化システムが知られている。
【０００３】
図７は、車載用オーディオシステムに適用される等化システムの基本構成を示す図であり、一例として時間領域において伝達特性の補正を行う構成が示されている。同図に示す等化システムは、目標応答設定部１００、マイクロホン１０２、加算部１０４、スピーカ１０８、ＬＭＳ（Least Mean Square ）アルゴリズム処理部１１０、適応フィルタ１１２、フィルタ１１４を含んで構成されている。
【０００４】
目標応答設定部１００には、再現したい音場空間に対応する伝達特性が目標応答特性Ｈとして設定されている。例えば、入力信号を単に所定時間遅延させるだけの全オーディオ周波数帯域において平坦な特性が設定されている。適応フィルタ１１２は、ＦＩＲ（Finite Impulse Response ）型のデジタルフィルタが用いられ、ＬＭＳアルゴリズム処理部１１０によってフィルタ係数ベクトルＷ（ｎ）が設定される。ＬＭＳアルゴリズム処理部１１０は、聴取者の聴取位置に設置されたマイクロホン１０２によって集音されて出力されたオーディオ信号ｄ′（ｎ）と、目標応答設定部１００から出力される目標応答信号ｄ（ｎ）の差である誤差信号ｅ（ｎ）のパワーが最小となるように、ＬＭＳアルゴリズムを用いて適応フィルタ１１２のフィルタ係数ベクトルＷ（ｎ）を設定する。フィルタ１１４は、スピーカ１０８からマイクロホン１０２までの車室内音響系の伝達特性Ｃをモデル化した特性を有している。
【０００５】
例えば、一般にはスピーカ１０８やマイクロホン１０２の特性を含む音響系の周波数特性が平坦でないため、適応フィルタ１１２は、この周波数特性を打ち消すような特性に制御される。したがって、図８に示すように、部分的に急激な落ち込みがある周波数特性の音響系が存在するものとすると、適応フィルタ１１２の特性は、この落ち込み部分を打ち消すために、図９に示すように部分的にピークを含むことになる。なお、実際の車室内空間に対応した音響系を考えた場合には、スピーカ１０８の特性が平坦でないことや、壁面等における反射や吸収によって音の相互干渉が生じやすいなどに起因して、この音響系の特性は図８に示したようなものとなっている。
【０００６】
このような等化システムを用いることにより、目標応答設定部１００に設定された目標応答特性Ｈを有する空間で音楽を聴取した場合と同様の音楽の聴取が可能になる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した等化システムは、マイクロホン１０２の設置位置を制御位置として特性を改善するためのものであるため、この制御位置からずれた聴取位置においては、補正後の音声が聴取者に不快感を与える場合があるという問題があった。例えば、図８に示した特性は、マイクロホン１０２の設置位置における特性であるため、この位置からずれると、ゲインが急激に落ち込む周波数がずれたり、この落ち込み部分がなくなってしまうことがある。しかしながら、図９に示した特性を実現するために適応フィルタ１１２のフィルタ係数が制御されるため、マイクロホン１０２の設置位置（制御位置）からずれた聴取位置において適応フィルタ１１２を通した後のオーディオ音を聴取すると、大きなピーク位置に対応する周波数成分の音が強調されて聞こえる、いわゆるリンギングが発生し、マイクロホン１０２の設置位置にいる聴取者以外の聴取者にとっては、不快な音に聞こえることになる。
【０００８】
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、聴取者に不快感を与えることを防止することができる等化システムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明の等化システムは、入力信号を適応フィルタに通した後にスピーカから放射したときの制御位置における周波数特性が所定の周波数特性となるように、フィルタ制御手段によって適応フィルタのフィルタ係数を制御する場合に、音響系の周波数特性において減衰量が大きな周波数に対応する第１のフィルタ係数をその周辺の第２のフィルタ係数に基づく補間処理によって設定している。
【００１０】
一般に、等化システムでは、特定の制御位置で測定した音響系の周波数特性の特定周波数において大きな減衰が観察された場合には、この減衰分を補うために、この特定周波数の成分のみを強調するように適応フィルタのフィルタ係数が制御される。ところが、この適応フィルタを通した入力音声を上述した特定の制御位置からずれた聴取位置で聴取すると、この聴取位置に対応する音響系の周波数特性においては上述したような減衰部分が存在しないにも関わらず、特定周波数の成分が強調されるためにリンギングが発生し、聴取者にとって不快な音となってしまう。しかし、本発明では、上述した特定周波数の成分のみを強調することがないように、音響系の周波数特性において減衰量が大きな周波数に対応する適応フィルタのフィルタ係数を、その周辺のフィルタ係数に基づく補間処理によって設定しているため、上述した制御位置以外の聴取位置におけるリンギングの発生を有効に防止することができる。
【００１１】
また、上述したフィルタ制御手段は、第１のフィルタ係数に対応するステップサイズパラメータを０に設定することにより、第１のフィルタ係数の更新処理を停止させることが望ましい。不要な更新処理を停止させることにより、処理の負担を軽減することができる。
【００１２】
また、適応フィルタの前段に入力信号を周波数領域の信号に変換する変換手段を設けるとともに、適応フィルタとスピーカとの間に適応フィルタから出力される周波数成分毎の信号を合成する合成手段を設け、適応フィルタによって周波数領域における処理を行うことが望ましい。周波数領域における処理を行う適応フィルタを用いることにより、特定周波数における過度の強調等を防止することが容易となるため、特定周波数におけるリンギングの発生を確実に防止することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した一実施形態の等化システムについて図面を参照しながら説明する。
【００１４】
図１は、一実施形態の等化システムの構成を示す図である。同図に示す等化システムは、目標応答設定部２０、フィルタ２２、スピーカ２４、マイクロホン２６、加算部２８、適応フィルタ３０、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）演算部３２、３４、３６、ＩＦＦＴ（逆高速フーリエ変換）演算部３８、ＬＭＳアルゴリズム処理部４０を含んで構成されている。
【００１５】
目標応答設定部２０は、目標応答特性（インパルスレスポンス）Ｈが設定されており、オーディオソース（図示せず）から出力されるオーディオ信号ｘ（ｎ）が入力されて、これに対応する目標応答信号ｄ（ｎ）を出力する。例えば、入力信号を単位所定時間遅延させただけの全オーディオ周波数帯域において平坦な特性が目標応答特性Ｈとして設定されている。
【００１６】
フィルタ２２は、入力されるオーディオ信号ｘ（ｎ）に、スピーカ２４からマイクロホン２６までの車室内音響系の伝搬特性（伝達特性）Ｃを畳み込んで適応信号処理に用いる参照信号（フィルタードリファレンス信号）ｕ（ｎ）を生成する。なお、一般には、車室内音響系の伝達特性Ｃと同等の特性を有する特性ｃ＾（実際には「＾」は「ｃ」の上部に記載されるものであるが、本明細書中ではそのような記述ができないので「ｃ＾」と表現する。）を決定し、それをフィルタ２２の特性として設定する。
【００１７】
スピーカ２４は、適応フィルタ３０によって特性が補正された後のオーディオ信号ｙ（ｎ）に基づいてオーディオ音を車室内音響系に放射するものであり、放射されたオーディオ音の一部がマイクロホン２６によって集音される。加算部２８は、上述した目標応答設定部２０から出力される目標応答信号ｄ（ｎ）から、マイクロホン２６から出力されるオーディオ信号ｄ′（ｎ）を引いた差成分を誤差信号ｅ（ｎ）として出力する。
【００１８】
本実施形態の等化システムは、適応フィルタ３０による適応等化処理を周波数領域で行う。このために、３つのＦＦＴ演算部３２、３４、３６が備わっている。ＦＦＴ演算部３２は、入力されたオーディオ信号ｘ（ｎ）に対してＦＦＴ演算を行って、周波数領域の信号に変換する。また、ＦＦＴ演算部３４は、オーディオ信号ｘ（ｎ）をフィルタ２２に通した後の参照信号ｕ（ｎ）に対してＦＦＴ演算を行って、周波数領域の信号に変換する。ＦＦＴ演算部３６は、加算部２８から出力される誤差信号ｅ（ｎ）に対してＦＦＴ演算を行って、周波数領域の信号を変換する。
【００１９】
また、ＩＦＦＴ演算部３８は、周波数領域における等化処理を行った適応フィルタ３０の出力を時間領域のオーディオ信号ｙ（ｎ）に戻すために逆フーリエ変換を行うためのものである。
【００２０】
ＬＭＳアルゴリズム処理部４０は、ＬＭＳ（Least Mean Square ）アルゴリズムを用いて、適応フィルタ３０の各フィルタ係数の値を設定する。なお、本実施形態の等化システムは、適応フィルタ３０と誤差演算用の加算部２８の間に車室内音響系が存在するため、適応フィルタ３０の特性を決定する適応アルゴリズムは、フィルタードｘ（Filtered-x）ＬＭＳアルゴリズムと呼ばれる。
【００２１】
上述したマイクロホン２６が集音手段に、フィルタ２２、目標応答設定部２０、加算部２８、ＦＦＴ演算部３４、３６、ＬＭＳアルゴリズム処理部４０がフィルタ制御手段にそれぞれ対応する。また、ＦＦＴ演算部３２が変換手段に、ＩＦＦＴ演算部３８が合成手段にそれぞれ対応する。
【００２２】
図２は、ＬＭＳアルゴリズム処理部４０の詳細な構成を示す図である。図２に示すように、ＬＭＳアルゴリズム処理部４０は、複素共役演算部４２、乗算部４４、４６、加算部４８、遅延部５０、ステップサイズパラメータ設定部５２、フィルタ係数補正部５４を含んで構成されている。
【００２３】
一般に、フィルタードｘＬＭＳアルゴリズムによると、適応フィルタ３０のフィルタ係数ベクトルＷ（ｎ＋１）は以下のようになる。
【００２４】
Ｗ（ｎ＋１）＝Ｗ（ｎ）＋μＵ^*（ｎ）Ｅ（ｎ） …（１）
ここで、μはステップサイズパラメータを、Ｕ（ｎ）はフィルタ２２から出力される時間領域の参照信号ｕ（ｎ）に対してＦＦＴ演算を行った周波数領域の参照信号ベクトルを、Ｕ^*（ｎ）はその複素共役を、Ｅ（ｎ）は加算部２８から出力される時間領域の誤差信号ｅ（ｎ）に対してＦＦＴ演算を行った周波数領域の誤差信号ベクトルをそれぞれ示している。また、Ｗ（ｎ）は、一つ前の適応フィルタ３０のフィルタ係数ベクトルを示している。
【００２５】
図２に示したＬＭＳアルゴリズム処理部４０の構成は、上述した（１）式の内容をそのままブロック化し、これにさらにステップサイズパラメータ設定部５２とフィルタ係数補正部５４を追加した構成を有している。すなわち、入力される参照信号ベクトルＵ（ｎ）の複素共役Ｕ^*（ｎ）を複素共役演算部４２によって演算し、これに誤差信号ベクトルＥ（ｎ）を乗算部４４によって乗算し、さらにこの乗算結果に対してステップサイズパラメータ設定部５２から出力される各周波数成分毎のステップサイズパラメータμを乗算部４６によって乗算することにより、上述した（１）式の右辺第２項の値が得られる。さらに、乗算部４６の乗算結果に対して、遅延部５０から出力される１つ前の適応フィルタ３０のフィルタ係数ベクトルＷ（ｎ）を加算部４８によって加算することにより、（１）式の右辺全体により計算される次のフィルタ係数ベクトルＷ（ｎ＋１）が得られる。このようにして、適応フィルタ３０の特性が順次更新される。
【００２６】
ところで、一般のフィルタードｘＬＭＳアルゴリズムにおいては、（１）式に含まれるステップサイズパラメータμは、
μ（ｆ）＝α／Ｐ（ｆ） …（２）
を満足するように設定される。ここで、Ｐ（ｆ）は、フィルタ２２の周波数特性における各周波数ｆの信号レベルであり、αは適当な定数である。
【００２７】
しかし、本実施形態の等化システムでは、車室内音響系の伝達特性Ｃに対応してあらかじめ設定されているフィルタ２２の特性ｃ＾において、ゲインが所定の閾値よりも小さくなる周波数、すなわち信号の減衰量が所定の閾値より大きくなる周波数が抽出され、この周波数に対応するステップサイズパラメータμの値が０に設定されている。
【００２８】
図３は、フィルタ２２の周波数特性を示す図であり、時間領域の特性をＦＦＴ解析することにより得られた周波数とゲインとの関係が示されている。図３に示した周波数特性においては、周波数ｆａとｆｂの２箇所において、ゲインが所定の閾値ｇよりも低下していることがわかる。
【００２９】
ステップサイズパラメータ設定部５２は、この２つの周波数ｆａ、ｆｂに対応するステップサイズパラメータμの値を０に設定するとともに、それ以外の周波数に対応するステップサイズパラメータμの値を上述した（２）式にしたがって設定する。
【００３０】
図４は、ステップサイズパラメータ設定部５２によって設定されるステップサイズパラメータμの具体例を示す図である。上述した周波数ｆａ、ｆｂについては、ステップサイズパラメータμの値が０に設定される。また、それ以外の周波数については、上述した（２）式にしたがってステップサイズパラメータμの値が設定されるため、図３に示した特性において、ゲインが大きな周波数においてはステップサイズパラメータμの値が小さく、反対にゲインが小さな周波数においてはステップサイズパラメータμの値が大きく設定される。
【００３１】
フィルタ係数補正部５４は、ステップサイズパラメータμの値が０に設定された周波数のフィルタ係数Ｗを、その周辺の周波数のフィルタ係数Ｗに基づく補間処理によって求める。例えば、周波数ｆａ、ｆｂに対応する適応フィルタ３０のフィルタ係数Ｗを、その周辺の周波数に対応するフィルタ係数Ｗに基づいてスプライン関数による補間演算を行うことにより求める。
【００３２】
図５は、フィルタ係数補正部５４によってフィルタ係数の補間処理がなされた後の全周波数帯域のフィルタ係数を示す図である。図４に示した周波数ｆａ、ｆｂにおけるフィルタ係数がその周辺とほぼ同等の値に調整されており、極端なピークが現れないようになっている。周波数ｆａ、ｆｂのそれぞれに対応するフィルタ係数が第１のフィルタ係数に、補間処理に用いられるその周辺のフィルタ係数が第２のフィルタ係数にそれぞれ対応する。
【００３３】
このように、本実施形態の等化システムでは、車室内音響系と同等の特性を有するフィルタ２２の周波数特性において、ゲインが所定の閾値ｇよりも小さくなる周波数のステップサイズパラメータμの値を０に設定して、この周波数における適応動作を行わないようにしている。そして、この周波数に対応するフィルタ係数Ｗを周辺の周波数に対応するフィルタ係数Ｗに基づく補間演算によって求めて適応フィルタ３０の制御を行っている。したがって、フィルタ２２の周波数特性において急激なゲインの落ち込みが生じる場合であっても、適応フィルタ３０の周波数特性がこの部分において急激なピークとなって現れることがなく、マイクロホン２６の位置から聴取位置がずれた場合であっても、一部の周波数成分のみが強調されるリンギングの発生を防止することができる。
【００３４】
また、適応フィルタ３０の処理を周波数領域で行っているため、適応処理を行う際の処理量を低減することができるとともに、各周波数毎に最適なステップサイズパラメータμの値を設定することができる。特に、周波数領域で処理を行うことにより、時間領域で処理をする場合に比べて、周波数毎のフィルタ係数（フィルタゲイン）の調整が簡単になるという利点もある。
【００３５】
図６は、上述した等化システムの変形例を示す図である。図６に示す等化システムは、図１に示した等化システムに対して、ＦＦＴ演算部３２の出力側に接続されるフィルタ２２ａを追加するとともに、フィルタ２２およびＦＦＴ演算部３４を削除した点が異なっている。オーディオ信号ｘ（ｎ）が入力されると、ＦＦＴ演算部３２によってＦＦＴ演算が行われ、周波数成分毎に分割された周波数領域の信号がフィルタ２２ａに入力される。フィルタ２２ａは、周波数領域に対応したフィルタ係数を有しており、周波数領域の参照信号ベクトルＵ（ｎ）を出力する。
【００３６】
このように、適応フィルタ３０の前段に備わったＦＦＴ演算部３２の出力側にフィルタ２２ａを配置することにより、図１に示す等化システムに含まれていたＦＦＴ演算部の数を３つから２つに減らすことができ、構成の簡略化、演算量の低減が可能になる。また、フィルタ２２ａの特性として図３に示す特性が得られているため、ステップサイズパラメータμの値を設定する際に行うＦＦＴ演算を省略することができる。
【００３７】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、ステップサイズパラメータμの値が０の周波数に対応するフィルタ係数を計算する際にスプライン関数を用いた補間演算を行ったが、この補間演算は、スプライン関数以外の関数を用いるようにしてもよい。例えば、最も簡単には、隣接するフィルタ係数を直線で結ぶ直線補間を行うようにしてもよい。
【００３８】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、音響系の周波数特性において特定の周波数成分のみが大きく減衰する場合に、この周波数成分の減衰を補うように適応フィルタのフィルタ係数を、その周辺の周波数に対応するフィルタ係数に基づく補間処理によって設定することにより、制御位置からずれた位置における特定周波数の過度な強調、すなわちリンギングの発生を低減し、聴取者に不快感を与えることを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の等化システムの構成を示す図である。
【図２】ＬＭＳアルゴリズム処理部の詳細な構成を示す図である。
【図３】フィルタの周波数特性を示す図である。
【図４】ステップサイズパラメータ設定部によって設定されるステップサイズパラメータμの具体例を示す図である。
【図５】フィルタ係数補正部によってフィルタ係数の補間処理がなされた後の全周波数帯域のフィルタ係数を示す図である。
【図６】等化システムの変形例を示す図である。
【図７】従来の車載用オーディオシステムに適用される等化システムの基本構成を示す図である。
【図８】音響系の周波数特性を示す図である。
【図９】適応フィルタの周波数特性を示す図である。
【符号の説明】
２０目標応答設定部
２２フィルタ
２４スピーカ
２６マイクロホン
２８加算部
３０適応フィルタ
３２、３４、３６ＦＦＴ（高速フーリエ変換）演算部
３８ＩＦＦＴ（逆高速フーリエ変換）演算部
４０ＬＭＳアルゴリズム処理部

Claims

入力信号を所定の音響系に放射するスピーカと、
前記音響系の制御位置に設けられた集音手段と、
前記スピーカの前段に設けられた適応フィルタと、
前記制御位置に対応する前記音響系の周波数特性において減衰量が所定の閾値を越える周波数について、前記適応フィルタの第１のフィルタ係数を、その周辺の周波数における第２のフィルタ係数に基づくスプライン関数を用いた補間処理を行って設定するとともに、前記入力信号に対応する前記制御位置における周波数特性が所定の周波数特性となるように、前記第１および第２のフィルタ係数を含む前記適応フィルタのフィルタ係数を制御するフィルタ制御手段と、
を備えることを特徴とする等化システム。
請求項１において、
前記フィルタ制御手段は、前記第１のフィルタ係数に対応するステップサイズパラメータを０に設定することにより、前記第１のフィルタ係数の更新処理を停止させることを特徴とする等化システム。
請求項１または２において、
前記適応フィルタの前段に設けられており、前記入力信号を周波数領域の信号に変換する変換手段と、
前記適応フィルタと前記スピーカとの間に設けられており、前記適応フィルタから出力される前記周波数成分毎の信号を合成する合成手段と、
をさらに備え、前記適応フィルタによって周波数領域における処理を行うことを特徴とする等化システム。