(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
通信回線を介して音声信号を送受信する一方の側と他方の側の双方にマイクとスピーカとがそれぞれ配置された双方向通信系におけるハウリング抑圧方法において、
同一側に配置された前記スピーカから前記マイクへの回り込み成分を推定してこの推定された回り込み成分を前記マイクから入力される信号から除去して誤差信号を得ると共に、
この誤差信号のスペクトルの不安定極を監視して、
この不安定極が成長している場合にはその不安定極の周波数成分を抑制するように前記誤差信号のフィルタリング処理を行って相手側に伝送するようにした
ことを特徴とするハウリング抑制方法。
【請求項２】
前記スピーカからマイクへの回り込み成分の推定は、前記誤差信号が常に減少するように所定間隔で更新され、且つ所定期間の信号による平均値として推定されることを特徴とする請求項１記載のハウリング抑制方法。
【請求項３】
前記フィルタリング処理は、前記スピーカからマイクへの回り込み成分の推定の更新期間のみ行うようにしたことを特徴とする請求項２記載のハウリング除去方法。
【請求項４】
双方にマイクとスピーカとが配置された双方向通信系におけるハウリング抑圧装置において、
同一側に配置された前記スピーカから前記マイクへの伝達関数の推定値を求めて前記スピーカからマイクへの回り込み成分を予測し、この回り込み成分を前記マイクへの入力信号から除去して誤差信号を得るエコーキャンセラと、
このエコーキャンセラで得られた前記誤差信号のスペクトルの不安定極を監視して、この不安定極が成長している場合にはその不安定極の周波数成分を前記誤差信号において抑制する時変型ノッチフィルタと
を備えたことを特徴とするハウリング抑圧装置。
【請求項５】
前記エコーキャンセラは、前記伝達関数の推定値を前記誤差信号が常に減少するように所定間隔毎に更新すると共に、前記誤差信号及び前記スピーカの出力信号による所定期間の平均値として求めるものであることを特徴とする請求項４記載のハウリング抑制装置。
【請求項６】
前記時変型ノッチフィルタは、前記エコーキャンセラにおける伝達関数の推定値の更新期間のみ動作するものであることを特徴とする請求項５記載のハウリング抑圧装置。
【請求項７】
請求項４〜６のいずれか１項記載のハウリング抑制装置を備え、離間した２つの地点相互間で会議を行う通信会議システム。
【請求項８】
前記スピーカとマイクとは、各地点に複数組ずつ設けられ、これら複数組がそれぞれ離間配置されており、両地点の対面する組同士をそれぞれ組み合わせて音声信号の伝送を行い、これら各組にそれぞれ前記ハウリング抑制装置が設けられていることを特徴とする請求項７記載の通信会議システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、通信会議システム等の双方向通信系で生じるハウリングを抑制するハウリング抑制方法及び装置に関する。
【０００２】
テレビ電話会議システム等の双方向通信システムでは、スピーカからマイクに回り込む成分によって閉ループ系を形成し、ハウリングを生じさせるという問題がある。ここで拡声通話系の模式図を図７（ａ）に、またそのブロック図を同図（ｂ）に示す。いま通信路の一方の側の部屋Ａに配置されたスピーカ１ａからマイク２ａへの伝達特性をＨ1(ω)、他方の側の部屋Ｂに配置されたスピーカ１ｂからマイク２ｂへの伝達特性をＨ2(ω)、マイク２ａからスピーカ１ｂまでの拡声ゲインをαとすると、閉ループ伝達特性Ｇ(ω)は、
【０００３】
【数１】
0003543636.tif 000002
【０００４】
と表すことができる。閉ループ系の安定性の十分条件は、伝達特性とゲインの積αＨ1(ω)Ｈ2(ω)の絶対値が１を超えないことである。１を超えた場合には、ハウリングが発生する。このため、ゲインαは、あまり上げることはできない。
【０００５】
しかしながら、スピーカ１ａ，１ｂとマイク２ａ，２ｂの埋込壁（仮想壁）を用いた、いわゆるオフマイク型の通信会議システム等では、話者からマイクまでがどうしても遠くなってしまうので、話者の音声を確実に収音する、あるいは会議出席者が十分に聴き取り可能とするには、系のゲインを上げざるを得ない。このため、この種の拡声通話系では、ハウリングの抑制制御が重要な技術となる。
【０００６】
従来、この種のハウリングの抑制方法としては、例えば手動操作でのイコライジングによる方法がある。この方法は、予め閉ループ伝達特性を測定しておいて、ピークとなる周波数を抑制したり逆特性を畳み込むように調整する方法が一般的である。一方、この種の拡声通話系では、もう一つの課題としてエコーの抑制があり、これについては、従来から種々の音響エコーキャンセラが提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の手動イコライジングによるハウリング抑制方法は、周波数特性を固定的に変更する方式であるため、本来、伝送すべき音声情報までもが歪み、音質劣化が激しいという問題がある。また、部屋の条件、マイクとスピーカの設置位置、これらの経時的変化によって周波数特性が変化し、ハウリングを安定して抑えるのは難しいという問題がある。また、仮にハウリングを抑えることができてもエコー成分を抑制することはできない。
【０００８】
一方、音響エコーキャンセラについては、種々の研究報告がなされているが、その多くは開ループ系におけるエコー消去量の評価に止まり、閉ループ系でのハウリング抑制効果にまで言及したものはない。本来、エコーキャンセラは、ループ内のゲインをそれほど大きくしないで済むようなマイク−話者近接型のものにしか有効でない。また、適応型エコーキャンセラの場合、係数学習時に系に変動が生じると、更新される係数自体が不適切な値となり、これが原因となって誤差信号のスペクトルに特定の不安定極が成長し、これによってハウリングが生じるという問題があった。
【０００９】
この発明は、上記事情を考慮してなされたもので、系に径時的な変化が生じても、また適応型エコーキャンセラによる処理の最中でも、ハウリングを効果的に抑制することができるハウリング抑制方法及び装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るハウリング抑制方法は、通信回線を介して音声信号を送受信する一方の側と他方の側の双方にマイクとスピーカとがそれぞれ配置された双方向通信系におけるハウリング抑圧方法において、同一側に配置された前記スピーカから前記マイクへの回り込み成分を推定してこの推定された回り込み成分を前記マイクから入力される信号から除去して誤差信号を得ると共に、この誤差信号のスペクトルの不安定極を監視して、この不安定極が成長している場合にはその不安定極の周波数成分を抑制するように前記誤差信号のフィルタリング処理を行って相手側に伝送するようにしたことを特徴とする。
【００１１】
また、この発明に係るハウリング抑制装置は、双方にマイクとスピーカとが配置された双方向通信系におけるハウリング抑圧装置において、同一側に配置された前記スピーカから前記マイクへの伝達関数の推定値を求めて前記スピーカからマイクへの回り込み成分を予測し、この回り込み成分を前記マイクへの入力信号から除去して誤差信号を得るエコーキャンセラと、このエコーキャンセラで得られた前記誤差信号のスペクトルの不安定極を監視して、この不安定極が成長している場合にはその不安定極の周波数成分を前記誤差信号において抑制する時変型ノッチフィルタとを備えたことを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、エコーキャンセラで推定されたスピーカからマイクへの回り込み信号をマイクへの入力信号から除去して得られた誤差信号のスペクトルの不安定極を監視して、この不安定極の成長が認められたときにその周波数成分を抑制するようにノッチフィルタによるフィルタリング処理を行うので、ハウリングの発生の芽を事前に取り除き、ハウリングにまで至るのを効果的に防止することができる。
【００１３】
なお、スピーカからマイクへの回り込み成分の推定は、誤差信号が常に減少するように所定間隔で更新されるようにすると、部屋の環境条件や系の径時的な変動に適応させることができる。また、その際、回り込み成分の推定は、所定期間の信号による平均値として推定されるようにすると、周囲雑音やダブルトーク等の入力信号（回り込み信号）に相関のないものは係数更新に反映されないので、これらの影響を受けずに、純粋に回り込み成分のみを推定することができる。
【００１４】
また、ハウリングは、エコーキャンセラの係数更新時（学習時）に系が変動したときに生じるので、ノッチフィルタによるフィルタリング処理は、スピーカからマイクへの回り込み成分の推定の更新期間のみ、例えば係数更新時の前後数フレームのみ行うようにしてもよい。
【００１５】
この発明のハウリング抑制装置は、離間した２つの地点相互間で会議を行う通信会議システムに好適である。また、そのような通信会議システムとして、スピーカとマイクとが、各地点に複数組ずつ設けられ、これら複数組がそれぞれ離間配置され、両地点の対面する組同士がそれぞれ組み合わされて音声信号の伝送を行うようなシステムにおいて、前記スピーカとマイクの各組にそれぞれ本発明のハウリング抑制装置を設けるようにしても良い。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の好ましい実施の形態について説明する。
図１は、この発明の一実施例に係る通信会議システム等に適用される双方通信システムのブロック図である。
互いに離れた地点に配置された部屋Ａと部屋Ｂとは、通信回線Ｔを介して双方向通話可能に接続されている。部屋Ａ，Ｂは、それぞれ相手方の通話内容を拡声するスピーカ１ａ，１ｂと、相手側に伝送する音声信号を入力するマイク２ａ，２ｂとを備えている。スピーカ１ａ，１ｂは、それぞれパワーアンプ３ａ，３ｂによって増幅された音声信号を出力する。マイク２ａ，２ｂから入力された音声信号は、ヘッドアンプ４ａ，４ｂによって増幅され、減算器５ａ，５ｂの各一方の入力端に入力されている。一方、パワーアンプ３ａ，３ｂに入力されるスピーカへの入力信号は、エコーキャンセラ（ＥＣ）６ａ，６ｂにも与えられ、ここでスピーカ１ａ，１ｂからマイク２ａ，２ｂへの回り込み信号が予測され、その予測信号が減算器５ａ，５ｂの各他方の入力端に供給される。減算器５ａ，５ｂから出力される誤差信号に含まれるハウリングの原因となるピーク周波数成分は、時変性ノッチフィルタ（ＴＶＮＦ）７ａ，７ｂで除去されて相手側に送信される。
【００１７】
図２（ａ）は、上述した双方向通信システムの部屋Ｂから部屋Ａへと音声信号ｘ(ｔ)を伝送する際の動作を説明するための模式図、同図（ｂ）その伝達関数を示すブロック図である。
部屋Ｂの会議参加者が発声した音声信号ｘ(ｔ)は、マイク２ｂで収音され増幅されて部屋Ａのスピーカ１ａから出力される。この音声信号ｘ(ｔ)は、部屋Ａのマイク２ａに回り込む。又、部屋Ａのノイズｎ(ｔ)もマイク２ａに入力される。一方、エコーキャンセラ６ａは、部屋Ａの伝達関数Ｈ1(ω)を推定し、音声信号ｘ(ｔ)に推定伝達関数＾Ｈ1(ω)を畳み込んでエコー成分を生成し、このエコー成分をマイク２ａの入力信号から減算する。
【００１８】
なお、ここで用いられるエコーキャンセラ６ａ，６ｂとしては、例えば最小二乗近似に基づくＬＭＳ法や直交射影に基づく方法等を用いることもできるが、インパルス応答の変動、ダブルトーク及び騒音環境下でロバストであるという条件を考慮し、ここでは短時間フーリエ変換とクロススペクトル法（ＳＴＦＴ−ＣＳ：Short-Time Fourier Transform & Cross Spectrum）を用いる。この手法は、入力信号と誤差信号のクロススペクトルを入力信号のパワースペクトルで除算し、それらの多数回のフレーム平均をとり、入力信号と外部騒音との間の統計的性質を利用してインパルス応答を推定するアルゴリズムである。インパルス応答の推定値の更新処理は、所定フレーム回数毎に行われる。
【００１９】
以下、このＳＴＦＴ−ＣＳ法における推定伝達関数＾Ｈ1(ω)の算出手法について説明する。いま、エコーキャンセラ６ａによって得られる誤差信号ｅ(ｔ)は、次のように表すことができる。
【００２０】
【数２】
ｅ(ｔ)＝ｘT(ｔ)ｈ1(ｔ)−ｘT(ｔ)＾ｈ1(ｔ)＋ｎ(ｔ)
ｘ(ｔ)＝[ｘ(ｔ)，ｘ(ｔ−１)，ｘ(ｔ−２)，…，ｘ(ｔ−ｎ＋１)]T
ｈ(ｔ)＝[ｈ(ｔ)，ｈ(ｔ−１)，ｈ(ｔ−２)，…，ｈ(ｔ−ｎ＋１)]T
（太字のｘ(ｔ)，ｈ(ｔ)はベクトル、上付の“Ｔ”は、転置行列を示す）
【００２１】
ここで、ｈ1(ｔ)−＾ｈ1(ｔ)＝Δｈ1(ｔ)とすると、数２は次のように表すことができる。
【００２２】
【数３】
ｅ(ｔ)＝ｘT(ｔ)Δｈ1(ｔ)＋ｎ(ｔ)
【００２３】
フレーム処理を考慮すると、数３は、次のようになる。
【００２４】
【数４】
ｅ(L)＝ｘ(L)*Δｈ1(L)＋ｎ(L)
【００２５】
なお、ここでＬはフレーム番号、*は畳み込み演算記号を示している。予め設定したフレーム長Ｍに対して円状畳込みによる影響を防ぐため、両辺に２Ｍ点の短時間フーリエ変換を行うと、次のようになる。
【００２６】
【数５】
Ｅ(ω)＝Ｘ(ω)・ΔＨ1(ω)＋Ｎ(ω)
【００２７】
数５の両辺にＸ*(ω)（*は複素共役を示す)を掛けると数６を得る。
【００２８】
【数６】
Ｘ*(ω)Ｅ(ω)＝｜Ｘ(ω)｜2・ΔＨ1(ω)＋Ｘ*(ω)Ｎ(ω)
【００２９】
互いに無相関な信号のクロススペクトルの期待値は零に収束するという統計的性質に基づいて、数６の両辺の期待値（多数回フレーム平均）を求めると、数６の右辺第２項は零と見なすことができるので、数７のように表せる。
【００３０】
【数７】
ΣＸ*(ω)Ｅ(ω)＝Σ｜Ｘ(ω)｜2・ΔＨ1(ω)
【００３１】
ΔＨ1(ω)が線形時不変であるならば、
【００３２】
【数８】
0003543636.tif 000003
【００３３】
となる。この数８に示すΔＨ1(ω)は伝達関数推定誤差であるが、これがＳＴＦＴ−ＣＳ法における更新量となり推定伝達関数＾Ｈ1(ω)は、
【００３４】
【数９】
＾Ｈ1(ω)＝Ｈ1(ω)＋ΔＨ1(ω)
【００３５】
によって求めることができる。具体的には、エコーキャンセラ６ａ，６ｂの推定伝達関数＾Ｈ1(ω)は、１０２４タップ程度の適応型ＦＩＲフィルタによって構成することができる。推定伝達関数の更新量ΔＨ1(ω)は、前述したように、Ｎ回のフレーム平均によって求められる。フレーム平均操作があるために、ダブルトークに対してロバストであるが、平均操作中（学習中）に伝達系の変動が生じると急激に誤差信号ｅ(ｔ)が増大し、ハウリングを生じさせる。そこで、この発明では、エコーキャンセラ６ａ，６ｂによって得られた誤差信号のスペクトルＥ(ω)の不安定極を監視して、時変性ノッチフィルタ７ａ，７ｂによってその成分を抑制することにより、ハウリングの発生を防止する。
【００３６】
即ち、図２（ａ）のうち、時変性ノッチフィルタ７ａを含まない閉ループ伝達特性は同図（ｂ）で示される。これを式で表すと数１０のようになる。
【００３７】
【数１０】
0003543636.tif 000004
【００３８】
ここで、エコーキャンセラ６ａでの伝達関数推定誤差ΔＨ1(ω)［＝Ｈ1(ω)−＾Ｈ1(ω)］に着目し、時変性ノッチフィルタ７ａ，７ｂの零点周波数を決定する。
【００３９】
図３は、この処理を示すフローチャートである。
まず、マイクから音声信号を入力し（Ｓ１）、エコーキャンセラ６ａ，６ｂによる伝達関数＾Ｈ1(ω)の推定を行う（Ｓ２）。前フレームと現フレームについて誤差信号のスペクトルＥ(ω)の平均を算出し（Ｓ３）、誤差信号スペクトルＥ(ω)の極が断続的に成長しているかどうかを判定する（Ｓ４）。もし、極が成長していなければ、そのまま相手側に伝送してスピーカから出力するが（Ｓ５）、極が成長している場合には、時変性ノッチフィルタ７ａ，７ｂの動作タイミングかどうかを判定する（Ｓ６）。時変性ノッチフィルタ７ａ，７ｂの動作タイミングでない場合、そのままスピーカ出力を行う（Ｓ５）。これに対し、時変性ノッチフィルタ７ａ，７ｂの動作タイミングのときは、誤差信号スペクトルの極周波数を算出し（Ｓ７）、これを抑制する逆特性フィルタ（ＴＶＮＦ）を生成し（Ｓ８）、誤差信号ｅ(ｔ)をこのＴＶＮＦでフィルタ処理した後（Ｓ９）、スピーカ出力となる（Ｓ５）。
【００４０】
なお、図２（ｂ）のブロック図からも明らかなように、時変性ノッチフィルタ７ａ，７ｂは、ハウリングを引き起こす要因となる誤差信号の周波数成分だけでなく、相手側話者の音声信号の周波数成分も同時にフィルタリングして音声を歪ませる可能性がある。このため、ダブルトーク時に相手側話者の音声の特定周波数成分を抑圧しすぎて、相手側話者の音声が聞きづらくならないように、時変性ノッチフィルタ７ａ，７ｂの伝達関数Ｈ(ｚ)を次のように設定する。
【００４１】
【数１１】
0003543636.tif 000005
【００４２】
ここで、ａは零点の角周波数を決定するパラメータ、ｒはｚ平面における原点から零点までの半径、Φは不安定極の角周波数である。このようなフィルタは、ＩＩＲフィルタによって構成することができる。
即ち、図４（ａ）に示すように、単位円上に零点（○）を置き、単位円の僅かに内側に極（×）を配置する。角周波数がω0から遠いときには零点からのベクトルと極からのベクトルの長さがほぼ等しくなるため、利得が１に近く、その結果、零周波数以外での減衰が小さくて済む。図４（ｂ）にその周波数特性を示す。
【００４３】
図５は、エコーキャンセラの係数更新中に系が変動してハウリングを起こした場合の誤差信号の様子をシミュレーションした結果を示す図である。図中↑で示した位置が系の変動位置であり、丁度５０フレーム目に相当する。同図（ａ）に示すように、時変性ノッチフィルタ７ａ，７ｂが無い場合、変動直後からマイク２ａ，２ｂの入力に混入する残留エコーｙ(ｔ)*ｈ2(ｔ)が急激に増大している。これに対し、同図（ｂ）に示すように、時変性ノッチフィルタ７ａ，７ｂを備えたシステムでは、エコーキャンセラ６ａ，６ｂが係数を更新する５フレーム前になって時変性ノッチフィルタ７ａ，７ｂが動作し始め、その直後から誤差信号が減少し、ハウリングが抑圧されている様子が分かる。
【００４４】
同様にダブルトーク下のシミュレーションも行った。その結果、シングルトーク時と同様に不安定極周波数を推定することができ、ハウリング抑圧の効果が確認された。
【００４５】
図６は、部屋Ａと部屋Ｂとにスピーカ１とマイク２とをそれぞれ複数組ずつ設け、これら複数組がそれぞれ左右方向に離間配置され、両部屋Ａ，Ｂの対面する組同士がそれぞれ組み合わされて音声信号の伝送を行うようにしたシステムである。このシステムでは、左右方向の音像定位が得られ、一方の部屋の出席者と他方の部屋の出席者の左右方向の位置関係を再現することができる。このシステムにおいても、各スピーカ１とマイク２の組に対してそれぞれこの発明のハウリングキャンセル装置を適用することで、ハウリングの発生を効果的に抑制することができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、エコーキャンセラで推定されたスピーカからマイクへの回り込み信号をマイクへの入力信号から除去して得られた誤差信号のスペクトルの不安定極を監視して、この不安定極の成長が認められたときにその周波数成分を抑制するようにノッチフィルタによるフィルタリング処理を行うので、ハウリングの発生の芽を事前に取り除き、ハウリングにまで至るのを防止することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例に係る通信会議システムのブロック図である。
【図２】同システムの動作及び伝達関数を説明するためのブロック図である。
【図３】同システムのハウリング除去方法を示すフローチャートである。
【図４】同システムで使用される時変性ノッチフィルタの特性を示す図である。
【図５】同システムによるハウリング除去の効果を確認するためのシミュレーション図である。
【図６】同システムを応用した通信会議システムの他の例を示すブロック図である。
【図７】従来のシステムの動作及び伝達関数を説明するためのブロック図である。
【符号の説明】１，１ａ，１ｂ…スピーカ、２，２ａ，２ｂ…マイク、３，３ａ，３ｂ…パワーアンプ、４，４ａ，４ｂ…ヘッドアンプ、５，５ａ，５ｂ…減算器、６，６ａ，６ｂ…エコーキャンセラ、７，７ａ，７ｂ…時変性ノッチフィルタ、Ａ，Ｂ…部屋、Ｔ…通信回線。
【図１】
0003543636.tif 000006
【図２】
0003543636.tif 000007
【図３】
0003543636.tif 000008
【図４】
0003543636.tif 000009
【図５】
0003543636.tif 000010
【図６】
0003543636.tif 000011
【図７】
0003543636.tif 000012