JP5423966B2 - 特定信号消去方法、特定信号消去装置、適応フィルタ係数更新方法、適応フィルタ係数更新装置及びコンピュータプログラム - Google Patents

特定信号消去方法、特定信号消去装置、適応フィルタ係数更新方法、適応フィルタ係数更新装置及びコンピュータプログラム Download PDF

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Description

本発明は、エコーキャンセラ、ノイズキャンセラ、マイクロフォンアレイ等おいて、適応フィルタを用いて特定の信号を消去する消去方法と消去装置、適応フィルタ係数の更新方法と更新装置、及びコンピュータプログラムに関するものである。
適応フィルタを用いて特定の信号を消去する方法としては、トランスバーサル形適応フィルタが広く知られている。適応フィルタは、エコーキャンセラ、ノイズキャンセラ、マイクロフォンアレイなどに広く用いられており、消去する信号の複製（レプリカ）を適応的に生成し、それを差し引くことで消去を行う。
非特許文献１は、２線／４線変換回路の４線側において送信側から受信側へ漏れ込むエコーを除去する技術として、エコーキャンセラについて開示している。エコーキャンセラはエコー経路のインパルス応答長に等しいか又はこれを越える数のタップ係数を有する適応FIR（有限インパルス応答長）フィルタを用いて、送信信号に対応した擬似エコー（エコーレプリカ）を生成することにより、２線／４線変換回路の４線側において送信回路から受信回路へ漏れ込むエコーを抑圧するように動作する。同様の原理で、音響信号を再生するスピーカとマイクロフォンの間に生じる音響結合によって生じる音響エコーを除去する技術として、非特許文献２に記載されている音響エコーキャンセラも知られている。
これらのエコーキャンセラにおいて、適応フィルタの各タップ係数は、エコーと受信信号の混在する混在信号から擬似エコーを差引いて得られる誤差信号と送信信号との相関をとることにより修正される。このような適応フィルタの係数修正アルゴリズムの代表的なものとして、非特許文献１に記載されているLMSアルゴリズムと非特許文献３に記載されている正規化LMS (normalized least mean square) アルゴリズムまたは学習同定法が広く用いられている。
特開平７−２０２７６５ Adaptive Signal Processing 1985, Prentice-Hall Inc., USA Acoustic Echo Control（IEEE Signal Processing Magazine, PP.42-69, Jul, 1999） Adaptive Filters, 1985, Kulwer Academic Publishers, USA Proceedings of European SignalProcessing Conference, PP. 1182-1185, Sep. 1994 Multirate Systems and Filter Banks, Prentice-Hall, 1993 Adaptive Filters, Theory andApplications, John Wiley & Sons, 1998
理想的には、誤差信号はエコーとエコーレプリカの差(残留エコー)に等しい。しかし、現実的には、相手側へ伝えるべき音声（近端音声）や背景雑音など係数更新を妨害する信号が存在する。これらの妨害信号が、残留エコーに比べて十分小さいときには、妨害信号を無視することができ、学習同定法を用いて、フィルタ係数を正しく修正することができる。しかしながら、これらの妨害信号が大きくなると、フィルタ係数を正しく修正できないという問題がある。
さらに、適応フィルタの入力信号（参照入力信号）が音声のような非定常信号である場合には、これらの妨害信号が比較的小さくても、フィルタ係数を正しく修正できない場合がある。これは、次の理由による。まず、フィルタ係数更新の速度と精度を制御するステップサイズに参照入力信号パワーの逆数項が含まれるために、参照入力信号が非常に小さい場合にはステップサイズが非常に大きくなる。また、参照入力信号に対応してエコーが非常に小さく、誤差信号に対して妨害信号が相対的に大きい。従って、誤差信号ではなく妨害信号を用いてフィルタ係数を大きく更新することになり、正しい更新が行われない。
雑音が大きい時にフィルタ係数を正しく修正できないという問題に対して、特許文献１が、雑音が大きい環境下においてもフィルタ係数を正しく更新できる、係数更新アルゴリズムを開示している。参照入力信号のパワーを推定し、前記参照入力信号パワーが第１のしきい値と一致するときに最大値をとるような上に凸な関数に基づいて、ステップサイズを制御することを特徴とする。離散時刻ｋにおける係数ベクトルをw(k)、誤差信号をe(k)、参照入力信号ベクトルをx(k)、とすると、特許文献１による係数更新は次式で表すことができる。
Figure 0005423966
 ここにσx2(k)は参照入力パワー、σn2(k)は推定雑音パワー、μ0とαは定数である。また、Dw(k)は更新量である。σn2(k)は次式で求める。
Figure 0005423966
 雑音推定値の更新は誤差信号が適応フィルタ出力より大きいときに行う。
従来の方法は数２に基づいて誤差信号を平均化して雑音推定値とする。このため十分な推定精度を得るためには平均化の時定数を大きくとる必要があり、非定常な雑音の成分を正確に推定できない。反対に、平均化の時定数を小さく設定し、非定常成分への追従性を優先すると、定常な雑音成分に対する推定精度が劣化する。これは定常・非定常混合の雑音を十分な精度で推定できず、適切なステップサイズを求めることができないことを意味する。すなわち、定常・非定常混合の雑音に対して、適応フィルタの係数更新を適切に制御できないという問題があった。
本発明の目的は、定常・非定常混合の雑音に対して、適応フィルタの係数更新を適切に制御できる機能を備えた適応フィルタによる特定信号の消去方法、装置、並びにコンピュータプログラムを提供することにある。
本発明の第一の観点において、特定信号の消去方法はａ）適応フィルタにより参照入力信号を処理して消去すべき特定信号の疑似信号を求める処理と、ｂ）該疑似信号を、入力した目的信号、消去すべき特定信号、及び定常雑音並びに非定常雑音を含む混在信号から減算して誤差信号を求める処理と、ｃ）前記誤差信号から定常雑音を推定して定常雑音推定値を求める処理と、ｄ）前記誤差信号から非定常雑音を推定して非定常雑音推定値を求める処理と、ｅ）前記誤差信号のパワーを用いて前記定常雑音推定値と前記非定常雑音推定値を混合して混合雑音推定値を求める処理と、ｆ）前記誤差信号と前記参照入力信号間の相関値を求め、該相関値と前記混合雑音推定値を用いて、前記相関値が大きいときには大きな値を、また前記混合雑音推定値が大きいときには小さな値をとるような適応フィルタの係数を更新するための更新量を算出する処理とからなることを特徴とする。
本発明の第二の観点において、特定信号の消去装置は参照入力信号を処理して消去すべき特定信号の疑似信号を求める適応フィルタと、該疑似信号を、マイクロフォンから入力した目的信号、消去すべき特定信号、及び雑音を含む混在信号から減算して誤差信号を求める減算器と、定常雑音を推定して定常雑音推定値を求める定常雑音推定部と、非定常雑音を推定して非定常雑音推定値を求める非定常雑音推定部と、前記誤差信号のパワーを用いて前記定常雑音推定値と前記非定常雑音推定値を混合して混合雑音推定値を求める混合部と、前記誤差信号と前記参照入力信号間の相関値を求め、該相関値と前記混合雑音推定値とから更新量を算出し、該更新量に基づき前記適応フィルタの係数を更新する更新量計算部とを具備することを特徴とする。
本発明の第三の観点において、適応フィルタ係数更新方法は、目的信号、消去すべき特定信号、定常雑音、及び非定常雑音を含む混在信号を受け、該混在信号から、前記消去すべき特定信号の疑似信号である適応フィルタ出力を減算して誤差信号を求め、（ａ）前記誤差信号から定常雑音を推定して定常雑音推定値を求める処理と、（ｂ）前記誤差信号から非定常雑音を推定して非定常雑音推定値を求める処理と、（ｃ）前記誤差信号のパワーを用いて前記定常雑音推定値と前記非定常雑音推定値を混合して混合雑音推定値を求める処理と、（ｄ）前記混合雑音推定値が小さいときは大きい値を、前記混合雑音推定値が大きいときは小さい値をとる係数更新ステップサイズを算出する処理と、（ｅ）該ステップサイズを用いて適応フィルタの係数を更新する処理とを有することを特徴とする。
本発明の第四の観点において、適応フィルタ係数更新装置は目的信号、消去すべき特定信号、定常雑音、及び非定常雑音を含む混在信号を受け、該混在信号から、前記消去すべき特定信号の疑似信号である適応フィルタ出力を減算して誤差信号を求め、前記誤差信号から定常雑音を推定して定常雑音推定値を求める定常雑音推定部と、前記誤差信号から非定常雑音を推定して非定常雑音推定値を求める非定常雑音推定部と、前記誤差信号のパワーを用いて前記定常雑音推定値と前記非定常雑音推定値を混合して混合雑音推定値を求める混合部と、前記混合雑音推定値が小さいときは大きい値を、前記混合雑音推定値が大きいときは小さい値をとる係数更新ステップサイズを算出するステップサイズ計算部と、該ステップサイズを用いて適応フィルタの係数を更新するための更新量を算出する更新量計算部とを具備することを特徴とする。
本発明の雑音推定は雑音の定常性と非定常性に基づいて個別に推定するためそれぞれ推定精度が高く、推定後に両者を混合しその情報に基づいて適応フィルタの係数更新を制御するため、雑音の異なる種別に対して適応フィルタの係数更新を適切に制御することができる。
本発明の第一実施形態を示すブロック図。 図１のステップサイズ計算部の第１の構成を示すブロック図。 図１のステップサイズ計算部の第２の構成を示すブロック図。 図１の制御部を示すブロック図。 混合制御部の動作を示すフローチャート。 本発明の第二実施形態を示すブロック図。 図６の制御部を示すブロック図。 本発明の第三実施形態を示すブロック図。 図８の各サブバンドエコーキャンセラを示すブロック図。 本発明の第四実施形態を示すブロック図。
符号の説明
1 入力端子
2 スピーカ
3, 14 マイクロフォン
4 適応フィルタ
5 減算器
6 出力端子
7 更新量計算部
8 ステップサイズ計算部
9 定常雑音推定部
10 非定常雑音推定部
11 混合部
12 制御部
12-1 制御部
15,16 分析フィルタバンク
17 合成フィルタバンク
81,82 乗算器
83 加算器
84 メモリ
85 除算部
86 リミッタ
121 パワー計算部
122 相関計算部
123 混合制御部
123-1 混合制御部
124 推定制御部
201 エコーキャンセラ
202 サブバンドエコーキャンセラ
300 ノイズキャンセラ
本発明の第一実施形態を図１に示すエコーキャンセラとして説明する。エコーキャンセラ201は適応フィルタ４、減算器５、非定常雑音推定部10、定常雑音推定部９、混合部11、制御部12、ステップサイズ計算部８、更新量計算部７から成る。定常雑音推定部９と非定常雑音推定部10で各推定された定常雑音と非定常雑音は混合部11で混合され、ステップサイズ計算部８において後述のステップサイズが算出される。
入力端子１から参照入力信号として供給された遠端信号x(k)はスピーカ２、適応フィルタ４、更新量計算部７、制御部12に供給される。スピーカ２の出力は音響空間を介しエコーy(k)としてマイク３に到達する。マイク３に近端信号v(k)と背景雑音n(k)が供給されており、これら３信号成分が合成されてマイクロフォン信号m(k)となり減算器５の一方の入力に供給される。適応フィルタ４は遠端信号を受けてエコーレプリカy(k)テイルデ（消去すべき特定信号の疑似信号）を生成し減算器５の他方の入力に供給する。減算器５はマイクロフォン信号から該エコーレプリカを減算し、その結果を誤差信号e(k)として出力端子６、制御部12、定常雑音推定部９、非定常雑音推定部10、更新量計算部７に供給する。更新量計算部７はステップサイズ計算部８から供給されるステップサイズμ(k)を用い、参照入力信号x(k)と誤差信号e(k)間の相関値を次式により求め、これを更新量Δw(k)として適応フィルタ４に供給し同フィルタの係数を更新する。
Figure 0005423966
 ステップサイズμ(k)は、定常雑音推定、非定常雑音推定、これらの混合をステップサイズ計算という一連の手順により計算される。即ち、ステップサイズμ(k)は参照入力信号x(k)と誤差信号e(k)の相関値の修正係数として作用し更新量Δw(k)を決定する。定常雑音推定部９は誤差信号e(k)と雑音推定制御信号c2(k)を入力し、次式に従い定常雑音(stationary noise)パワー推定値σsn2(k)を算出し、混合部11に出力する。
Figure 0005423966
 ここで、βは１以下の定数。数４の意味するところはc2(k)=1ときに定常雑音推定部９は誤算信号パワーe2(k)の漏れ積分によって定常雑音パワー推定値σsn2(k)を算出し、c2(k)=0のときは１サンプル前の積分値を出力する。漏れ積分以外にも、このような推定法として、窓がけ平均、最小統計法などが知られている。窓がけ平均を用いると次式が数４に相当する。
Figure 0005423966
 ここに、Ｍは窓がけ平均計算に用いるサンプル数、e2(k)テイルデはc2(k) = 1に対応した誤算信号パワーe2(k)だけを抽出して作成したサンプル値系列である。すなわち、c2(k)= 1のときだけ、e2(k)テイルデの１/М倍を新規サンプルの情報として直前のσsn2(k)に加算し、e2(Ｍ)テイルデの１/М倍を最古のサンプルの情報として直前のサンプル値σsn2(k)から減算することによって、窓長Мの窓がけ平均を計算する。最小統計法を用いると、次式が数４に相当する。
Figure 0005423966
 ここに、min{・}は最小値を抽出する関数である。すなわち、c2(k) = 1のときだけ、c2(k) =1に対応した誤算信号パワーe2(k)だけを抽出して作成したサンプル値系列Мサンプルの最小値を抽出し、δ倍したものを最小統計法による定常雑音の推定値とする。最小統計法の詳細については、非特許文献４に詳しいので、詳細な説明は省略する。求めた定常雑音推定値σsn2(k)は混合部11に伝達される。
なお、いずれの方法で定常雑音推定値σsn2(k)を求める場合にも、その初期値σsn2(０)が必要となる。定常雑音推定値の初期値としては、動作開始直後の誤差信号パワーe2(k)を一定時間平均化したものやその間の最小値を定数倍したものを用いることができる。
非定常雑音推定部10は誤差信号e(k)と、制御部12で計算された参照入力信号のパワーσx2(k)とを入力し、次式に基づき非定常雑音(non-stationary noise)推定値σnn2(k)を混合部11に出力する。
Figure 0005423966
 混合部11は定常雑音推定部９と非定常雑音推定部10から定常雑音パワー推定値σsn2(k)と非定常雑音パワー推定値σnn2(k)を入力し、制御部12から供給された混合制御信号c1(k)によってこれらの混合比率を制御しながら、雑音パワー２乗推定値σA4(k)を次式で求める。
Figure 0005423966
 以上の手続きで求めた雑音パワー２乗推定値σＡ４（ｋ）はステップサイズ計算部８に伝達される。
ステップサイズ計算部８はこの雑音パワー２乗推定値σＡ４（ｋ）と制御部１２からの参照入力信号パワーσｘ２（ｋ）とを入力しステップサイズμ（ｋ）を計算し更新量計算部７に伝達する。図２はステップサイズ計算部８の第一の構成を示す。ステップサイズ計算部８は乗算器８１、８２、加算器８３、メモリ８４、除算部８５から構成される。乗算器８１はその両端子に参照入力信号パワーσｘ２（ｋ）が供給され、これらの２乗値σｘ４（ｋ）を加算器８３の一方の入力に供給する。同加算器８３は他方の入力に供給されている雑音パワー２乗推定値σＡ４（ｋ）とから和σｘ４（ｋ）＋σＡ４（ｋ）を求め、これを除算部８５に供給する。一方、乗算器８２は制御部１２からの参照入力信号パワーσｘ２（ｋ）とメモリ８４からの定数μ０の積μ０σｘ２（ｋ）を除算部８５に供給する。除算部８５は積μ０σｘ２（ｋ）を加算器８３からの和σｘ４（ｋ）＋σＡ４（ｋ）で除し、その商をステップサイズμ（ｋ）として出力する。すなわち、ステップサイズμ（ｋ）は次式で与えられる。
Figure 0005423966
 従って、更新量計算部７は混合雑音推定値または参照入力信号のパワーの少なくとも一つが増加すると更新量Δｗ（ｋ）を低減する。
図３はステップサイズ計算部８の第二の構成を示す。図２の第一の構成と異なる点は除算部８５の出力にリミッタ８６を接続したことである。リミッタ８６は除算部８５の出力であるステップサイズμ（ｋ）の最大値を検出し、この最大値を予め決めた定数と比較する。該最大値が定数より小さい場合はステップサイズμ（ｋ）をそのまま出力し、該最大値が定数より大きい場合はこの定数を新たなステップサイズとして出力する。ＮＬＭＳアルゴリズムでは、ステップサイズの最大値を１／３ｔｒａｃｅ｛Ｒｘ（ｋ）｝とするとよいことが知られている。ここに、trace {・}は行列の対角成分総和、Rx(k)は時刻kにおける適応フィルタタップ数と等しいサイズの参照入力信号の自己相関行列である。このとき、ステップサイズμ(k)は次式で与えられる。
Figure 0005423966
 図４に示すように制御部12はパワー計算部121、相関計算部122、混合制御部123、推定制御部124から成る。制御部12は参照入力（遠端）信号x(k)と誤差信号e(k)と、定常雑音パワー推定値σsn2(k)を入力し、参照入力信号パワーσx2(k)、混合制御信号c1(k)、雑音推定制御信号c2(k)を計算する。参照入力信号x(k)はパワー計算部121と相関計算部122に供給される。パワー計算部121はこの参照入力信号 x(k)から参照入力信号パワーσx2(k)を計算し、混合制御部123と推定制御部124に伝達すると同時にこれをステップサイズ計算部８と非定常雑音推定部10に出力する。誤差信号e(k)は相関計算部122、混合制御部123と推定制御部124とに供給される。
相関計算部122は供給された参照入力信号x(k)と誤差信号e(k)間の相関値を求め、この相関値を予め定められた閾値と比較し、相互の比較結果を相関の指標γ(k)として混合制御部123に供給する。
相関値がこの閾値より高いときはγ(k) = 1、低いときはγ(k) = 0である。参照入力信号x(k)と誤差信号e(k)との間で高い相関がある時はエコーが十分に消去されていない状態を意味する。すなわち、適応フィルタ係数が初期収束過程にあるか、エコー経路（スピーカからマイクへの音響経路）の特性が変化した直後で適応フィルタ係数が不適切な値になっているかいずれかである。従って、このような状態のとき適応フィルタ係数の更新を促進するために係数更新ステップサイズを大きな値に設定する必要がある。
このため、混合制御部123は参照入力信号パワーσx2(k)、誤差信号e(k)、定常雑音パワー推定値σsn2(k)の他に上記の相関の指標g(k)を相関計算部122から入力し、これらの値から混合制御信号c1(k)を算出する。混合の制御は、誤差信号e(k)の定常性に基づいて行う。定常であれば誤差信号は現在の定常雑音パワー推定値に近いはずなので、誤差信号パワーe2(k)を指標として、混合制御信号c1(k)を求めることができる。この原理に基づき、現在の定常雑音推定値との違いに応じて混合制御信号c1(k)を求める例を数１１に示す。
Figure 0005423966
 ここで、ε1とε２は指標値、max{・}は最大値を抽出する関数である。すなわち、誤差信号パワーe2(k)が指標値ε1とε2に対してどの位置にあるかによってc1(k)が決定される。ε1とε２はε1< e２(k) <ε２の関係を満足するように定める。数１１ではc1(k)はε1とε2に挟まれた区間でe2(k)の線形関数として定義されているが、任意の高次関数であってもよい。数１１の特殊例として、ε1 = 0とすると、次式を得る。
Figure 0005423966
 現在の定常雑音推定値との違いに応じて混合制御信号を求める別の例を数13に示す。
Figure 0005423966
 すなわち、e2(k)がε2より大きいときにｃ1（ｋ）＝１，それ以外は０となる。数１２，１３の特殊例として、 ε2 = ε０σsn2(k)とすることができる。このとき、数１２，１３はそれぞれ次のように表すことができる。
Figure 0005423966
Figure 0005423966
 数５と１５を組合せると次式のように簡単化することができる。
Figure 0005423966
 混合制御部123がc1(k)を1に設定すると混合部11は数８に従い定常雑音項だけをステップサイズ計算部8に供給する。従って、混合制御部123がc1(k)を0に設定すると混合部11は数８に従い非定常雑音項をステップサイズ計算部8に供給する。
このとき、ステップサイズμ(k)は大きめに設定され、収束速度は速く、残留エコーは多くなる。このような設定は高速収束が必要とされる初期収束時やエコー経路の変動が生じたときに望ましい。初期収束やエコー経路変動はγ(k) = 1で表わされるので、混合制御部123は γ(k) = 1のときに強制的にc1(k) = 1に設定するように構成することもできる。また、γ(k)=1のときには、混合制御部123は図５のフローチャートに従い混合制御信号を求めることができる。先ず、第一の判定（ステップ501）で誤差信号パワーe2(k)と定常雑音パワー推定値σsn2(k)を比較する。誤差信号の方が小さいときは、この誤差信号において背景の定常雑音が支配的だと考えることができるので、ステップ501の判定結果はYESとなりc1(k)を1に設定する（ステップ504）。
誤差信号の方が定常雑音パワー推定値より大きいときは、この誤差信号において定常雑音以外の大きな信号成分が支配的である。この大きな信号成分は残留エコーか、近端信号である。これは、参照入力信号パワーσx2(k)の大きさで判定する(ステップ502)。これが第二の判定である。すなわち、参照入力信号パワーσx2(k)が予め定められた閾値σ02より小さければ、誤差信号において非定常雑音が支配的であるためステップ502の判定結果はNOとなり、ステップ505でc1(k)を0に設定する。
ステップ502の判定結果がYESであれば残留エコーが存在する可能性があるのでステップ503で第三の判定を行い誤差信号パワーe2(k)を参照入力信号パワーσx2(k)と比較する。すなわち、ステップ503の判定結果がYESであれば参照入力信号は低域通過特性を有するエコー経路を通過してエコーとなる。エコー経路は減衰系なので、エコーが全く消去されなくても、誤差信号パワーe2(k)は参照入力信号パワーσx2(k)よりも小さい。この性質を用いれば、誤差信号パワーe2(k)が参照入力信号パワーσx2(k)の定数（ε3）倍より小さいときに、残留エコーなしと判定できるので、この誤差信号において背景の定常雑音が支配的だと判断し、ステップ503の判定結果はYESとなり、ステップ504でc1(k) を 1に設定する。誤差信号パワーが大きいときには、エコー以外の成分が含まれていることになるから、混合制御部123は非定常雑音が誤差信号の支配的成分であるとみなしステップ506でc1(k)を0に設定する。
推定制御部124は入力された参照入力信号パワーσx2(k)、誤差信号e(k)、定常雑音パワー推定値σsn2(k)から雑音推定制御信号c2(k)を計算する。雑音推定制御信号c2(k)は、エコーの存在可能性が小さいこと、誤差信号が定常雑音と比較して著しく大きくない、という2つの条件によって決定される。エコーの存在可能性は参照入力信号から分かるので、誤差信号パワーと参照入力信号パワーの比較で評価する。すなわち、次式で雑音推定制御信号c2(k)を求める。
Figure 0005423966
 ここに、ε4は予め定められた定数である。前記二条件を同時に満足するときだけc2(k)= 1、それ以外は０となる。また、誤差信号が定常雑音と比較して著しく大きくない、という条件を、誤差信号が定常雑音と著しく大きく異ならない、という条件に置き換えることもできる。雑音が定常である限り、この条件が妥当であることは、容易に理解できる。このときは、別の定数ε 5 を用いて次式の条件によってc2(k)を求めることができる。
Figure 0005423966
 次に、本発明の第二実施形態について図６を参照して説明する。本実施形態は制御部12-1に適応フィルタ４から係数ベクトルw(k)が供給されている点が前実施形態と異なる。この係数ベクトルw(k)を用いて制御部12-1は適応フィルタ係数の収束を判定し、収束前と収束後で異なる動作をする。
図7に示すように制御部12-1はパワー計算部121、相関計算部122、混合制御部123-1と推定制御部124から成る。前実施形態と同じ参照番号で示す部分は前実施形態と同じ機能を有し、その説明を省略する。制御部12-1は参照入力信号x(k)、誤差信号e(k)、定常雑音パワー推定値σsn2(k)、適応フィルタの係数ベクトルw(k)を入力し、参照入力信号パワーσsn2(k)、混合制御信号c1(k)、雑音推定制御信号 c2(k)を計算する。
混合制御部123-1は前実施形態と同様、参照入力信号パワーσx2(k)、誤差信号e(k)、定常雑音パワー推定値σsn2(k)、相関の指標γ(k)を入力する。本実施形態で混合制御部123-1はさらに係数ベクトルw(k)を適応フィルタ４から入力し、混合制御信号c1(k) を算出する。
適応フィルタ係数は通常適応動作の開始と同時にゼロから徐々に増加する。収束状態に近づくと、飽和してほぼ一定値となる。この性質に基づき、適応フィルタ係数2乗値総和の変化を監視して、変化量が少なくなったときに、収束状態に達したと判定する。適応フィルタ係数の一部に対する２乗値総和の変化を監視しても同様の効果が得られる。特に、係数値が大きい領域を監視することが有効である。適応フィルタ係数2乗値総和の変化θ(k)は次式で与えられる。
Figure 0005423966
Figure 0005423966
 このように、適応フィルタ係数2乗値総和の変化量を係数値総和で正規化した正規化変化量を用いることにより、適応フィルタ４が収束状態に達したことを正確に検出できる。フィルタ係数の一部を監視する場合は、数２０において、係数ベクトルw(k)をその部分ベクトルに置き換えればよい。θ(k)が閾値よりも小さくなったら、係数が収束したと判定する。混合制御部123-1はθ(k)が閾値よりも小さくなったと判定されるまで、またはγ(k) = 1のときには、強制的にc1(k) = 1と設定する。
次に、図８はエコーキャンセラの一変形例として本発明の第三実施形態を示す。入力端子１から供給される遠端信号x(k)とマイク３から供給されるマイクロフォン信号m(k)を複数の周波数帯域（サブバンド）に分割し、各サブバンドで第一実施形態と同じ処理を行い、得られた出力の帯域を合成することにより、エコー消去出力（誤差信号）e(k)を得る。そのために、分析フィルタバンク15、16、及び合成フィルタバンク17を具備している。サブバンド分割した信号に間引きを適用することにより演算量を削減することができる。分析フィルタバンク15は供給されたマイクロフォン信号m(k)を複数の周波数帯域（サブバンド）に分割する。
一例として４分割する場合を示す。分析フィルタバンク15はさらにサンプリングレートを下げる処理（間引き）を各サブバンドに施し、サブバンド信号m0(k),m1(k), m2(k), m3(k)として、サブバンドエコーキャンセラ2020、2021、2022、2023に供給する。間引きの割合は、サブバンド数と等しいか、それよりも小さい。特に、サブバンド数と等しい割合で間引くと間引き後の信号に折り返し歪（エリアシング)が発生して、性能が劣化する。このため、通常はサブバンド数よりも小さい間引き率を適用してオーバーサンプリングとする。一方、分析フィルタバンク16に供給された参照入力信号x(k)も同様に複数のサブバンドに分割され、さらに分析フィルタバンク15と同じ間引き率で間引かれ、サブバンド参照入力信号x0(k)、x1(k)、x2(k)、x3(k)としてサブバンドエコーキャンセラ2020、2021、2022、2023にそれぞれ供給される。
これらのサブバンドエコーキャンセラはそれぞれ対応するサブバンドマイクロフォン信号とサブバンド参照入力信号を入力し、サブバンドエコー消去信号e0(k), e1(k), e2(k), e3(k)を生成し合成フィルタバンク17に供給する。合成フィルタバンク17はこれらのサブバンドエコー消去信号に前記間引きと同じ割合の補間を適用してサンプリングレートを上げる処理を実行し、これらをエコー消去信号e(k)に統合する。なお、分析フィルタバンクと合成フィルタバンクの構成、動作、設計法などについては非特許文献５に詳しいので詳細説明を省略する。
図９は各サブバンドエコーキャンセラ202iの詳細を示す。サブバンドエコーキャンセラ202iは、図６に示したエコーキャンセラ201-1と全く同じ構成であり、基本的動作も等しい。唯一の違いは、供給される信号が間引かれており、サンプリングレートが低いことである。分析フィルタバンク15からサブバンドマイクロフォン信号mi(k)を分析フィルタバンク16からサブバンド参照入力信号xi(k)を提供されたサブバンドエコーキャンセラ202iはサブバンドエコー消去信号ei(k)を計算し、合成フィルタバンク17に伝達する。図９のサブバンドエコーキャンセラ202i が図６のエコーキャンセラ201-1と構成および動作が同じであるので、サブバンドエコーキャンセラ202iとして図１のエコーキャンセラ201を用いても良い。また、各サブバンドにおける定常雑音推定値の初期値は、第一の実施の形態と同じ方法で求めてもよいし、各サブバンドで求めた値を複数のサブバンドで平均化したものを用いても良い。この平均化操作は、各サブバンドにおける雑音推定初期値のバラツキを低減し、良好なエコー消去特性を達成するために有効である。なお、サブバンドエコーキャンセラについての技術的詳細は、非特許文献６を参照することができる。
図１０はノイズキャンセラを本発明の第四実施形態として示す。ノイズキャンセラ300はマイクロフォン3の他にマイクロフォン14を具備している。図１と６のエコーキャンセラと異なり、マイクロフォン14への入力z(k)は、参照入力信号x(k)に変換されノイズキャンセラ300に入力され、また空間を伝わりノイズy(k)としてマイクロフォン３で検出される。マイクロフォン３に混入し目標信号v(k)を妨害するノイズy(k)を消去するために、ノイズy(k)と相関のある信号x(k)が利用される。y(k)とx(k)は共にノイズ源z(k)が音響空間を伝播して、それぞれマイクロフォン3と14に到達したものであり、相互に大きな相関を有している。このため、参照入力信号x(k)を適応フィルタ４で処理してノイズレプリカｙ（ｋ）ハットを生成し、これを減算器５でマイクロフォン信号から差し引くことにより、y(k)を消去することができる。適応フィルタ4の動作及びその係数更新に関しては第一及び第二実施形態と同じである。
本出願は、２００７年８月２７日に出願された日本出願特願２００７−２２０４４８号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (28)

  1. ａ）適応フィルタにより参照入力信号を処理して消去すべき特定信号の疑似信号を求める処理と、
    ｂ）該疑似信号を、入力した目的信号、消去すべき特定信号、及び定常雑音並びに非定常雑音を含む混在信号から減算して誤差信号を求める処理と、
    ｃ）前記誤差信号から定常雑音を推定して定常雑音推定値を求める処理と、
    ｄ）前記誤差信号から非定常雑音を推定して非定常雑音推定値を求める処理と、
    ｅ）前記誤差信号のパワーを用いて前記定常雑音推定値と前記非定常雑音推定値を混合して混合雑音推定値を求める処理と、
    ｆ）前記誤差信号と前記参照入力信号間の相関値を求め、該相関値と前記混合雑音推定値を用いて、前記相関値が大きいときには大きな値を、また前記混合雑音推定値が大きいときには小さな値をとるような適応フィルタの係数を更新するための更新量を算出する処理と
    からなることを特徴とする特定信号消去方法。
  2. 請求項１において、前記処理（ｃ）は、前記参照入力信号のパワーが所定値より小さく、前記誤差信号が前記定常雑音推定値の定数倍よりも小さいときに前記定常雑音推定値を求めることを特徴とする特定信号消去方法。
  3. 請求項１において、前記処理（ｅ）は前記混合雑音推定値に含まれる前記定常雑音推定値と前記非定常雑音推定値の混合の割合を、前記誤差信号のパワーが前記定常雑音推定値に近いときに定常雑音推定値が多く含まれるように制御することを特徴とする特定信号の消去方法。
  4. 請求項１において、前記処理（ｃ）は参照入力信号パワーが所定値より小さく、前記誤差信号が前記定常雑音推定値の定数倍よりも小さいとき、または前記参照入力信号パワーが所定値より小さく、前記誤差信号が前記定常雑音推定値の第１の定数倍より大きく、前記定常雑音推定値の第２の定数倍より小さいときに、前記定常雑音推定値を求めることを特徴とする特定信号消去方法。
  5. 請求項１または３において、前記処理（ｅ）は前記適応フィルタの係数ベクトルに基づき前記混合の割合を制御することを特徴とする特定信号消去方法。
  6. 参照入力信号を処理して消去すべき特定信号の疑似信号を求める適応フィルタと、
    該疑似信号を、入力した目的信号、消去すべき特定信号、及び定常雑音並びに非定常雑音を含む混在信号から減算して誤差信号を求める減算器と、
    前記誤差信号から定常雑音を推定して定常雑音推定値を求める定常雑音推定部と、
    前記誤差信号から非定常雑音を推定して非定常雑音推定値を求める非定常雑音推定部と、
    前記誤差信号のパワーを用いて前記定常雑音推定値と前記非定常雑音推定値を混合して混合雑音推定値を求める混合部と、
    前記誤差信号と前記参照入力信号間の相関値を求め、該相関値と前記混合雑音推定値とを用いて、前記相関値が大きいときには大きな値を、また前記混合雑音推定値が大きいときには小さな値をとるような適応フィルタの係数を更新するための更新量を算出する更新量計算部と
    を具備することを特徴とする特定信号消去装置。
  7. 請求項６において、前記定常雑音推定部は、前記参照入力信号のパワーが所定値より小さく、前記誤差信号が前記定常雑音推定値の定数倍よりも小さいときに定常雑音推定値の更新を行うことを特徴とする特定信号消去装置。
  8. 請求項６において、前記混合部は前記混合雑音推定値に含まれる前記定常雑音推定値と前記非定常雑音推定値の割合を、前記誤差信号パワーが前記定常雑音推定値に近いときに定常雑音推定値が多く含まれるように制御することを特徴とする特定信号消去装置。
  9. 請求項６において、前記定常雑音推定部は前記参照入力信号のパワーが所定値より小さく、前記誤差信号が前記定常雑音推定値の定数倍よりも大きいとき、または前記参照入力信号パワーが所定値より大きく、前記誤差信号が前記定常雑音推定値の定数倍より大きいときに前記定常雑音推定値を求めることを特徴とする特定信号消去装置。
  10. 請求項６または８において、前記混合部はさらに前記適応フィルタの係数ベクトルに基づき前記割合を制御することを特徴とする特定信号消去装置。
  11. 請求項６乃至１０のいずれかにおいて、前記参照入力信号は遠端信号としてスピーカに入力されエコーとして空間を伝達しマイクロフォンを経由して前記減算器に供給され、前記フィルタ出力は該エコーのレプリカとして前記減算器に供給され該エコーを打ち消すことを特徴とする特定信号消去装置。
  12. 請求項６乃至１０のいずれかにおいて、前記参照入力信号は第二のマイクロフォンからの出力信号として前記適応フィルタに入力され、該適応フィルタはフィルタ出力としてノイズレプリカを前記減算器に入力し前記混在信号が含む雑音を打ち消すことを特徴とする特定信号消去装置。
  13. 請求項１１または１２において、前記参照入力信号は複数のサブバンドに分割された遠端信号の１つであり、前記混在信号は前記マイクロフォンで検出され、複数のサブバンドに分割された信号の１つであることを特徴とする特定信号消去装置。
  14. 請求項１から５のいずれかの特定信号消去方法を実施するためのコンピュータプログラム。
  15. 目的信号、消去すべき特定信号、定常雑音、及び非定常雑音を含む混在信号を受け、該混在信号から、前記消去すべき特定信号の疑似信号である適応フィルタ出力を減算して誤差信号を求め、
    ａ）前記誤差信号から定常雑音を推定して定常雑音推定値を求める処理と、
    ｂ）前記誤差信号から非定常雑音を推定して非定常雑音推定値を求める処理と、
    ｃ）前記誤差信号のパワーを用いて前記定常雑音推定値と前記非定常雑音推定値を混合して混合雑音推定値を求める処理と、
    ｄ）前記混合雑音推定値が小さいときは大きい値を、前記混合雑音推定値が大きいときは小さい値をとる係数更新ステップサイズを算出する処理と、
    ｅ）該ステップサイズを用いて適応フィルタの係数を更新する処理と
    を有することを特徴とする適応フィルタ係数更新方法。
  16. 請求項１５において、前記処理（ａ）は、前記適応フィルタに入力される参照入力信号のパワーが所定値より小さく、前記誤差信号が前記定常雑音推定値の定数倍よりも小さいときに前記定常雑音推定値を求めることを特徴とする適応フィルタ係数更新方法。
  17. 請求項１５において、前記処理（ｃ）は前記混合雑音推定値に含まれる前記定常雑音推定値と前記非定常雑音推定値の割合を、前記誤差信号のパワーが前記定常雑音推定値に近いときに定常雑音推定値が多く含まれるように制御することを特徴とする適応フィルタ係数更新方法。
  18. 請求項１５において、前記処理（ａ）は前記適応フィルタに入力される参照入力信号のパワーが所定値より小さく、前記誤差信号が前記定常雑音推定値の定数倍よりも大きいとき、または前記参照入力信号パワーが所定値より大きく、前記誤差信号が前記定常雑音推定値の定数倍より大きいときに、前記定常雑音推定値を求めることを特徴とする適応フィルタ係数更新方法。
  19. 請求項１５または１７において、前記処理（ｃ）は前記適応フィルタの係数ベクトルに基づき前記割合を制御することを特徴とする適応フィルタ係数更新方法。
  20. 目的信号、消去すべき特定信号、定常雑音、及び非定常雑音を含む混在信号を受け、該混在信号から、前記消去すべき特定信号の疑似信号である適応フィルタ出力を減算して誤差信号を求め、
    前記誤差信号から定常雑音を推定して定常雑音推定値を求める定常雑音推定部と、
    前記誤差信号から非定常雑音を推定して非定常雑音推定値を求める非定常雑音推定部と、
    前記誤差信号のパワーを用いて前記定常雑音推定値と前記非定常雑音推定値を混合して混合雑音推定値を求める混合部と、
    前記混合雑音推定値が小さいときは大きい値を、前記混合雑音推定値が大きいときは小さい値をとる係数更新ステップサイズを算出するステップサイズ計算部と、
    該ステップサイズを用いて適応フィルタの係数を更新するための更新量を算出する更新量計算部と
    を具備することを特徴とする適応フィルタ係数更新装置。
  21. 請求項２０において、前記定常雑音推定部は、前記適応フィルタに入力される参照入力信号のパワーが所定値より小さく、前記誤差信号が前記定常雑音推定値の定数倍よりも小さいときに定常雑音推定値の更新を行うことを特徴とする適応フィルタ係数更新装置。
  22. 請求項２０において、前記混合部は前記混合雑音推定値に含まれる前記定常雑音推定値と前記非定常雑音推定値の割合を、前記誤差信号パワーが前記定常雑音推定値に近いときに定常雑音推定値が多く含まれるように制御することを特徴とする適応フィルタ係数更新装置。
  23. 請求項２０において、前記定常雑音推定部は前記適応フィルタに入力される参照入力信号のパワーが所定値より小さく、前記誤差信号が前記定常雑音推定値の定数倍よりも大きいとき、または前記参照入力信号パワーが所定値より大きく、前記誤差信号が前記定常雑音推定値の定数倍より大きいときに前記定常雑音推定値を求めることを特徴とする適応フィルタ係数更新装置。
  24. 請求項２０または２２において、前記混合部はさらに前記適応フィルタの係数ベクトルに基づき前記割合を制御することを特徴とする適応フィルタ係数更新装置。
  25. 請求項２０乃至２４のいずれかにおいて、前記適応フィルタに入力される参照入力信号は遠端信号としてスピーカに入力されエコーとして空間を伝達し前記マイクロフォンを経由して前記減算器に供給され、前記フィルタ出力は該エコーのレプリカとして前記減算器に供給され該エコーを打ち消すことを特徴とする適応フィルタ係数更新装置。
  26. 請求項２０乃至２４のいずれかにおいて、前記適応フィルタに入力される参照入力信号は第二のマイクロフォンからの出力信号として前記適応フィルタに入力され、該適応フィルタはフィルタ出力としてノイズレプリカを前記減算器に入力し前記混在信号が含む雑音を打ち消すことを特徴とする適応フィルタ係数更新装置。
  27. 請求項２５または２６において、前記参照入力信号は複数のサブバンドに分割された遠端信号の１つであり、前記混在信号は前記マイクロフォンで検出され、複数のサブバンドに分割された信号の１つであることを特徴とする適応フィルタ係数更新装置。
  28. 請求項１５から１９のいずれかの適応フィルタ係数更新方法を実施するためのコンピュータプログラム。
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