JP5249633B2

JP5249633B2 - チャネル間特性差機能付き収音再生装置とその方法

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Publication number: JP5249633B2
Application number: JP2008137051A
Authority: JP
Inventors: 真理子青木; 勝宏福井; 学岡本; 朗中川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2008-05-26
Filing date: 2008-05-26
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2028-05-26
Also published as: JP2009284435A

Description

この発明は、複数のマイクロホンと複数のスピーカが接続され、通信会議等に使用されるマルチチャネルエコーキャンセラのエコー消去を容易にするチャネル間特性差機能付き収音再生装置と、その方法に関する。

通信会議の理想形は、距離的に離れた複数の会議室を通信回線で結び、あたかも一つの会議室で会話しているかのような状況を作り出すことである。ステレオ音声通信会議では、スピーカから放射された音声がマイクロホンに回り込む経路が、モノラルの倍になり４系統になる。更に、３スピーカ３マイクロホンでは９系統になる。このようにエコー経路の数が二乗的に増加するマルチチャネルエコーキャンセラの制御は、モノラル音声用のエコーキャンセラに比べて格段に難しくなる。

マルチチャネルエコーキャンセラの基本形であるステレオエコーキャンセラ装置では、左右の入力信号の相関が高いので、適応フィルタ係数が、真の音響エコー経路の特性に収束することがない。その理由を、線形結合型エコーキャンセラを例に簡単に説明する。エコーｙ（ｋ）は、２チャネル入力信号の一方の入力信号ベクトルｘ_１（ｋ）が真の音響エコー経路ベクトルｈ_１（ｋ）を経た信号と、他方の入力信号ベクトルｘ_２（ｋ）が真の音響エコー経路ベクトルｈ_２（ｋ）を経た信号と、の和で表せる（式（１））。（ｋ）は飛び飛びの離散時刻である。

ここで、Ｔは転置を示す。エコーキャンセラは、真の音響エコー経路ｈ_１（ｋ），ｈ_２（ｋ）を適応フィルタの係数ベクトルｈ_１（ｋ）＾，ｈ_２（ｋ）＾によって模擬する（＾は式（２）中の表現が正しい）。エコーキャンセラ内で生成された擬似エコーｙ（ｋ）＾を式（２）に示す。

エコーｙ（ｋ）から擬似エコーｙ（ｋ）＾を差し引くと、消し残りである残響エコーｅ（ｋ）が生じる。残響エコーｅ（ｋ）を最小にする適応フィルタ係数が、残響エコーｅ（ｋ）と入力ベクトルｘ_１（ｋ），ｘ_２（ｋ）とから求められる。

図７に、２入力信号の相互相関が強い場合の適応フィルタの適応動作を模式的に示す。横軸は一方の適応フィルタ係数ｈ_１＾、縦軸は他方の適応フィルタ係数ｈ_２＾である。ここで、入力信号ベクトルｘ_１（ｋ）とｘ_２（ｋ）は、相互相関の強い信号として式（３）のように定義する。α_１，α_２はスカラ量、ｓ（ｋ）は原信号ベクトルである。

式（１）のｙ（ｋ）と式（２）のｙ（ｋ）＾を等しくするｙ（ｋ）＝ｙ（ｋ）＾を満足させる適応フィルタ係数の組み合わせは、図７の直線上に無数に存在する（式（４））。

したがって適応フィルタ係数は、初期値から最短の距離になる値（ｈ_１α＾，ｈ_２α＾）に収束し、真値（ｈ_１，ｈ_２）に収束しない。

そこで、従来からステレオ入力信号の相互相関に変化を付加して適応フィルタ係数の収束を容易にする方法が考えられている。その方法は、相互相関を変化させることで真値を通る直線を複数描き、適応フィルタ係数の誤差を徐々に小さくさせて真値に近づける考えである。

図８に、この考えに基づく従来の相関変動付加機能を持つステレオエコーキャンセラ装置８００の機能構成を示す（非特許文献１の２４３頁の図３．７８）。相関変動付加機能を持つステレオエコーキャンセラ装置８００は、損失制御部８１と、音響結合予測部８２と、相関変動付加部８３と、ステレオ適応フィルタ部８４を備える。損失制御部８１は、受話信号と送話信号のそれぞれに損失を挿入する。受話状態の時には、送話信号に損失を挿入し、送話状態の時には受話信号に損失を挿入する。音響結合予測部８２は、その損失分を受話信号と送話信号の結合量から予測する。相関変動付加部８３は、受話信号の信号Ｒと信号Ｌとに相関変動を付加する。相関変動としては、例えばパワーが周波数に反比例する雑音であるピンクノイズ等が用いられる。ステレオ適応フィルタ部８４は、相関変動が付加された相手方からの受話信号に適応フィルタ処理を施して擬似エコー信号を生成し、エコー信号から擬似エコー信号を差し引くことでエコー信号を消去する。
北脇信彦編著「未来ねっと技術シリーズ２"ディジタル音声・オーディオ技術"」（株）オーム社、平成１１年１２月１５日初版、ｐ.２３５-２４３

従来の相関変動の付加方法としては、ノイズを付加する、信号を半波整流する、ステレオ信号間に遅延変動とレベル変動を付加するなどの方法があった（非特許文献１の２４２頁）。これらの方法は、何れも時間領域で相関変動を付加するものである。その従来の方法による適応フィルタ係数の収束特性の一例を図９に示す。図９の横軸は時間（秒）、縦軸は適応フィルタ係数の誤差（ｄＢ）である。適応フィルタ係数の誤差が−１３ｄＢ程度以下になれば収束したと見なして良いが、図９に示すように従来の相関変動を付加する方法では、収束するのに２０秒以上の時間を必要とする。

この原因は、大きな相関変動を付加出来ないことにある。例えばピンクノイズを付加する方法の相関変動の値は、人に検知されないようにする目的から、音声に対して１３〜１５ｄＢ程度低く設定する必要があった。つまり、時間領域では音質劣化の関係から大きな相関変動の値を設定することが出来なかった。このように従来の適応フィルタ係数の収束性能は、音質劣化とのトレードオフの関係にあり、音声品質を優先すると、適応フィルタ係数の推定に時間がかかる問題点があった。

低い周波数信号の波長は長いので位相が一致し易い。よって、左右スピーカやマイクロホンが同じ周波数特性を持つ場合、音声信号（４〜５ｋＨｚ）の特に低い周波数である例えば５００Ｈｚ以下において、エコー成分の位相が一致し易くなる。音声信号がこのような特徴を持つにも関わらず、ステレオエコーキャンセラ装置に接続されるスピーカやマイクロホンには、左右チャネルに同じものを使用するのが従来の常識であった。相関変動も左右チャネルに入力されていた。その結果、各チャネルのエコーが重畳することでエコー成分の絶対量が増加してしまう。それが適応フィルタ係数の収束時間を増長させる原因になっていた。

この発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、人間の聴覚特性が時間軸上の変動に対しては敏感であるが、周波数軸上の変動に対して鈍感である特性を利用して、適応フィルタの収束性能を改善したチャネル間特性差機能付き収音再生装置と、その方法を提供することを目的とする。

この発明のチャネル間特性差機能付き収音再生装置は、複数のマイクロホンと、複数のスピーカと、マルチチャネルエコーキャンセラと、音響処理手段とを具備する。マルチチャネルエコーキャンセラは、複数のマイクロホンがそれぞれ接続されるマイクロホン入力と複数のスピーカがそれぞれ接続されるスピーカ出力を持ちエコーを消去する。音響処理手段は、マルチチャネルエコーキャンセラの複数のスピーカ出力と、複数のスピーカとの間に接続され、複数のマイクロホン入力との間の各チャネルの低周波領域の振幅特性の周波数特性を異ならせる。

この発明のチャネル間特性差機能付き収音再生装置は、音響処理手段が複数のスピーカ出力と、複数のマイクロホン入力との間の各チャネルの周波数特性を異ならせる。よって、低い周波数帯域のエコー成分の位相を、一致し難くすることが出来る。その結果、エコー成分の絶対量が減るので適応フィルタの収束時間を短縮できる効果を奏する。

以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。複数の図面中同一のものには同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。

〔この発明の基本的な考え〕
実施例の説明の前に、この発明のチャネル間特性差機能付き収音再生方法の基本的な考え方を説明する。図１に左右チャネルに同じ周波数特性を持つスピーカを用いた場合の、各スピーカと、エコー成分を含む送話信号の周波数特性の一例を模式的に示す。図１（ａ）が左チャネルのスピーカ、図１（ｂ）が右チャネルのスピーカ、図１（ｃ）がそれらのスピーカを用いた場合のエコー成分を含む送話信号の周波数特性を示す。それぞれの横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸は相対値で示す音圧（ｄＢ）である。

この例の左右チャネルのスピーカの周波数特性は、約３００Ｈｚで音圧が最大になる特性を示す。音圧の最大値は８０ｄＢＳＰＬ（ｄＢＳＰＬ：基準音圧を２０μＰａとした音圧レベルのデシベル）前後に設定される。その同じ特性の左右スピーカにステレオ音声信号を入力すると、それらが合成された送話信号は、特に低い周波数帯域のエコー成分が重畳してその帯域のエコー成分の絶対量が増加する。左右チャネルのスピーカの周波数特性が完全に一致していると仮定すると、最大音圧時のエコー成分は最大で２倍（６ｄＢ）に増加する。エコー成分が増加した分、それを抑圧するための適応フィルタ係数の収束に時間を要することになる。

図２にこの発明のチャネル間特性差付き収音再生方法の基本的な考えを説明するための周波数特性例を示す。図２（ａ）は左チャネルのスピーカの周波数特性であり、図１（ａ）と同じ特性である。図２（ｂ）は右チャネルのスピーカの周波数特性であり、周波数が約１００Ｈｚで最大音圧が−１０ｄＢの特性を示す。図２（ｃ）はそれらのスピーカを用いた場合の送話信号の周波数特性を示す。

このように周波数特性の異なる左右のスピーカにステレオ音声信号（受話信号）を入力すると、エコー成分を含む送話信号は約３００Ｈｚの最大音圧が０ｄＢのままで、３００Ｈｚ以下に肩を持った特性を示す。この例の場合、特に波長が長い周波数帯の左右スピーカの周波数特性が異なることにより、その帯域のエコー成分の位相が一致し難くなる。その結果、図１に示す場合に比べて最大音圧時のエコー成分を６ｄＢ減少させることができる。

このように左右のスピーカの周波数特性を異ならせて、エコー成分を減少させても人間の聴覚特性は周波数軸上の差異に対しては鈍感であるので、その差を認識できない。よって、この発明の収音再生方法によれば、音質を劣化させずに適応フィルタ係数の収束時間を短縮することが出来る。その短縮時間は、減少させたエコー成分の量に比例する。上記したエコー成分の減少量６ｄＢでは、適応フィルタ係数の収束特性を図９に示した例とすると約４秒間に相当する。

つまり、従来の方法では２３秒程度必要であった収束時間を、この発明の方法によれば例えば１９秒程度で収束させる効果が期待できる。なお、左右チャネルの周波数特性を異ならせる音響処理手段としては、上記したスピーカ以外にもフィルタやマイクロホンを用いても良い。

図３にこの発明のチャネル間特性差機能付き収音再生装置３００の機能構成例を示す。図４にその動作フローを示す。チャネル間特性差機能付き収音再生装置３００は、Ｒマイクロホン３６ａとＬマイクロホン３６ｂの複数のマイクロホンと、Ｒスピーカ３５ａとＬスピーカ３５ｂの複数のスピーカと、マルチチャネルエコーキャンセラ３０と、音響処理手段３１と、制御部３２を備える。破線で囲んだマルチチャネルエコーキャンセラ３０と音響処理手段３１と制御部３２は、例えばＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ等で構成される一台のコンピュータに所定のプログラムが読み込まれて、ＣＰＵがそのプログラムを実行することで実現されるものである。

マルチチャネルエコーキャンセラ３０は、複数のマイクロホン３６ａ，３６ｂがそれぞれ接続されるマイクロホン入力３４ａ，３４ｂと、複数のスピーカ３５ａ，３５ｂがそれぞれ接続されるＲスピーカ出力３３ａとＬスピーカ出力３３ｂを持つ複数チャネルのエコーキャンセラである。マルチチャネルエコーキャンセラ３０は従来からのエコーキャンセラと同じものであり、ネットワークを介して相手方から入力される受話信号と、マイクロホンから入力されるエコー成分を含んだ送話信号と、からエコー成分を除去した送話信号を生成して相手方に送信する。

音響処理手段３１はフィルタである。マルチチャネルエコーキャンセラ３０のＲスピーカ出力３３ａとＲスピーカ３５ａとの間に音響処理手段３１ａが接続され、Ｌスピーカ出力３３ｂとＬスピーカ３５ｂとの間に音響処理手段３１ｂが接続される。音響処理手段３１ａと３１ｂは、信号Ｒ１と信号Ｌ１のそれぞれの信号の周波数特性を異ならせてＲスピーカ出力３３ａとＬスピーカ出力３３ｂとに出力する（ステップＳ３１、図４参照）。

Ｒスピーカ３５ａとＬスピーカ３５ｂで音響信号に変換された受話信号は、音響エコー経路ベクトルｈ_１（ｋ）とｈ_２（ｋ）の影響を受けたエコー成分を含んだ送話信号としてＲマイクロホン３６ａとＬマイクロホン３６ｂとに入力される。Ｒマイクロホン３６ａとＬマイクロホン３６ｂとで、再び電気信号に変換された送話信号は、Ｒマイクロホン入力３４ａとＬマイクロホン入力３４ｂを介してマルチチャネルエコーキャンセラ３０に入力される。

マルチチャネルエコーキャンセラ３０は、相手方からの受話信号と、エコーを含んだ送話信号とから、適応フィルタ係数を計算してエコー成分を最小にした送話信号を通信ネットワークに出力する（ステップＳ３０）。制御部３２は、図示しない外部からの制御信号に基づいて、例えばマルチチャネルエコーキャンセラ３０と音響処理手段３１の動作開始と停止を制御する（ステップＳ３２）。

以上述べたようにフィルタである音響処理手段３１が、信号Ｒ１と信号Ｌ１の周波数特性を異ならせることで、エコー成分の絶対量を減少させることが出来る。音響処理手段３１ａで信号Ｒ１の周波数特性を図２（ｂ）に示す様にし、音響処理手段３１ｂで信号Ｌ１の周波数特性を図２（ａ）に示す様にすることで、エコー成分を減少させることが可能である。その結果、適応フィルタ係数の収束時間を短縮することが出来る。

なお、フィルタの周波数特性については、各種の特性が従来技術で容易に実現出来るので具体例を示した説明は省略する。また、信号Ｒ１と信号Ｌ１のそれぞれを音響処理手段３１ａ，３１ｂでフィルタリングする例で説明を行ったが、どちらか一方に音響処理手段３１ａ若しくは３１ｂを設けるようにしても良い。例えば、マルチチャネルエコーキャンセラ３０の出力する信号Ｌ１をそのままＬスピーカ出力３３ｂに出力させ、Ｒスピーカ出力３３ａとＲスピーカ３５ａとの間に音響処理手段３１ａを設けて信号Ｒ１を図２（ｂ）に示すようにフィルタリングしても良い。つまり、信号Ｒ１と信号Ｌ１の周波数特性を異ならせることで、適応フィルタ係数の収束時間を短縮する効果が得られる。

上記したように音響処理手段３１は、左右のチャネルの周波数特性を異ならせるものである。音響処理手段３１は、左右のスピーカにそれぞれ装着されるバスレフの形状を変えることでも実現することが出来る。その例を実施例２として説明する。

図５に左右のＲ，Ｌスピーカ３５ａ，３５ｂ（以降、スピーカ３５と称する。）の外観図と断面図を示す。図５（ａ）はスピーカ３５の正面図、図５（ｂ）はＡ−Ａ中心線断面図である。スピーカボックス４０は一辺が８ｃｍの立方体であり、中心線Ａ−Ａ上にスピーカユニット４１と開口部の直径が１ｃｍφのバスレフ４２とが、それぞれの中心を一致させて配置されている。バスレフ４２は、スピーカボックス４０の内部方向にパイプ状のバスレフ長４２ａを持つ。

図６にバスレフ長４２ａの長さを可変した場合のスピーカ３５の周波数特性の変化を示す。横軸は周波数（Ｈｚ）を対数軸で示す。縦軸は音圧（ｄＢ）を相対値で示す。図６中にバスレフ４２が無い場合の密閉状態での特性を実線で示す。そしてバスレフ長４２ａが１ｃｍの特性を破線で、２ｃｍの特性を一点鎖線で、４ｃｍの特性を二点鎖線で示す。図６に示す特性は、スピーカユニットをTangBand社のＷ２−８００ＳＪとして、簡易無響室で測定したものである。

バスレフ長４２ａを１ｃｍ（破線）にすることで、バスレフ４２の無い密閉状態のスピーカ３５の周波数特性（実線）よりも、約３７０Ｈｚの音圧を約１０ｄＢ増加させることが出来る。バスレフ長４２ａの長さを長くする程、その周波数における音圧が、密閉状態のスピーカ３５の音圧に近づく特性を示す。

このようにバスレフ長４２ａの長さによって、特に５００Ｈｚ以下の周波数帯域の特性に変化を与えることが出来る。例えばＲスピーカ３５ａをバスレフ４２の無い密閉状態のスピーカ３５とし、Ｌスピーカ３５ｂをバスレフ長４２ａを１ｃｍとしたスピーカ３５とすることで、約３７０Ｈｚの左右チャネル間の音圧に約１０ｄＢの差を与えることが出来る。また、この場合のＬスピーカ３５ｂ（破線）と、密閉状態のＲスピーカ３５ａ（実線）との周波数特性において、最大の差が得られるのは約１００Ｈｚで約１２ｄＢである。

この１２ｄＢの音圧の差は、そのまま約１００Ｈｚのエコー成分が減少した送話信号としてＲ，Ｌマイクロホン３５ａ，３５ｂに入力される。マルチチャネルエコーキャンセラ３０は、入力される送話信号のエコー成分が減少するので、その減少分、適応フィルタ係数の収束が早まることになる。１２ｄＢのエコー成分の減少量を、図９に示した適応フィルタ係数の収束特性を例に時間に換算すると、約１８秒間に相当する。したがってチャネル間特性差機能付き収音再生装置は、その時間分の収束時間を短縮させる効果を奏する。なお、バスレフ長４２ａの長さを変える方法の他に、Ｒスピーカ３５ａとＬスピーカ３５ｂを、それぞれ異なるスピーカユニットで構成しても同様な効果が期待できる。

以上述べた効果は、Ｒマイクロホン３６ａとＬマイクロホン３６ｂの周波数特性を変える事でも得られる。その場合の適応フィルタ係数の収束時間の短縮の原理は、上記した実施例１，２と同じであるので、具体例を示した説明は省略する。

以上述べたように、左右チャネルの周波数特性は合わせるものとした従来の常識に対して、この発明のチャネル間特性差機能付き収音再生装置は、左右チャネルの周波数特性を異ならせる従来に無い考え方を導入することで、適応フィルタ係数の収束時間を短縮するようにしたものである。この発明の技術思想に基づくチャネル間特性差機能付き収音再生装置とその方法は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。例えば、上記した装置及び方法は、左右２チャネルのステレオを例に説明を行ったが、マイクロホンとスピーカ共に２チャネル以上を具備する収音再生装置に適用することも可能である。また、上記装置のマルチチャネルエコーキャンセラ他の各部が、コンピュータによって実現する場合を示したが、各部それぞれをハードウェア的に実現することとしてもよい。

左右チャネルに同じ周波数特性を持つスピーカを用いた場合の、スピーカと、エコー成分を含む送話信号の周波数特性の一例を示す図であり、（ａ）はＬチャネルスピーカの周波数特性の例、（ｂ）はＲチャネルスピーカの周波数特性の例、（ｃ）はそれらの特性のスピーカにステレオ信号を入力した場合に得られる送話信号の例を模式的に示す図である。この発明のチャネル間特性差付き収音再生方法の基本的な考えを説明するための図であり、（ａ）はＬチャネルスピーカの周波数特性の例、（ｂ）はＲチャネルスピーカの周波数特性の例、（ｃ）はそれらの特性のスピーカにステレオ信号を入力した場合に得られる送話信号の例を模式的に示す図である。この発明のチャネル間特性差機能付き収音再生装置３００の機能構成例を示す図。チャネル間特性差機能付き収音再生装置３００の動作フローを示す図。左右スピーカ３５ａ，３５ｂの外観図と断面図を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）はＡ−Ａ中心線断面図である。バスレフ長４２ａの長さを可変した場合のスピーカの周波数特性の変化を示す図。２入力信号の相互相関が強い場合の適応フィルタの適応動作を模式的に示す図。従来の相関変動付加機能を持つステレオエコーキャンセラ装置８００の機能構成を示す図。ステレオエコーキャンセラの適応フィルタ係数の収束の一例を示す図。

Claims

複数のマイクロホンと、
複数のスピーカと、
上記複数のマイクロホンがそれぞれ接続されるマイクロホン入力と上記複数のスピーカがそれぞれ接続されるスピーカ出力を持ちエコーを消去するマルチチャネルエコーキャンセラと、
上記複数のスピーカ出力と、上記複数のスピーカとの間に接続され、上記複数のマイクロホン入力との間の各チャネルの低周波領域の振幅特性の周波数特性を異ならせる音響処理手段と、
を具備するチャネル間特性差機能付き収音再生装置。
請求項１に記載したチャネル間特性差機能付き収音再生装置において、
上記音響処理手段は、上記複数のスピーカ出力と上記複数のスピーカとの間に接続されるフィルタであることを特徴とするチャネル間特性差機能付き収音再生装置。
請求項１に記載したチャネル間特性差機能付き収音再生装置において、
上記音響処理手段が、上記複数のマイクロホンのそれぞれの低周波数領域の利得特性の差で実現されたことを特徴とするチャネル間特性差機能付き収音再生装置。
請求項１乃至３の何れかに記載したチャネル間特性差機能付き収音再生装置において、
上記音響処理手段は、上記各チャネル間の５００Ｈｚ以下の最大音圧に約１０ｄＢの差を与えるものであることを特徴とするチャネル間特性差機能付き収音再生装置。
複数のマイクロホン入力と複数のスピーカ出力を持つマルチチャネルエコーキャンセラが、各チャネルのエコーを消去するエコーキャンセル過程と、
音響処理手段が、上記複数のスピーカ出力と、上記複数のスピーカとの間に接続され、上記複数のマイクロホン入力との間の各チャネルの低周波数領域の振幅特性の周波数特性を異ならせる音響処理過程と、
を含むチャネル間特性差機能付き収音再生方法。