(57)【要約】移動電話システムのような双方向の再生システムは、到来する遠端信号Ｗの入力２、ラウドスピーカ５、入力２とラウドスピーカ５との間のＤ／Ａコンバータ３、マイクロフォン７、マイクロフォン７の後ろのＡ／Ｄコンバータ８、エコーキャンセレーションシステムＡＥＣ、出力された遠端信号の出力１２を有する。システムは、入力２とＤ／Ａコンバータ３との間にプリプロセッサ３０を有しており、信号を十分な音圧レベルに増幅する増幅器３２、及び、Ｄ／Ａコンバータ３とＡ／Ｄコンバータ８との間の電話システムが実質的に線形システムのように振舞うように、信号をデジタル領域で制限するクリッパ又はコンプレッサ又はリミッタ３３を有している。
2007502593.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
到来する遠端信号のための入力、ラウドスピーカ、前記入力と前記ラウドスピーカとの間のデジタル−アナログコンバータ、マイクロフォン、前記マイクロフォンの後ろに設けられるアナログ−デジタルコンバータ、エコーキャンセレーションシステム、及び出力される遠端信号のための出力を有する双方向の音声再生システムであって、
当該システムは、前記入力と前記デジタル−アナログコンバータとの間に設けられるプリプロセッサを有し、前記プリプロセッサは、前記到来する遠端信号の増幅のための増幅器と、前記遠端信号の最大振幅を制限するための手段とを有し、制限された信号は、前記ラウドスピーカと前記エコーキャンセレーションシステムのための入力となる、
ことを特徴とする双方向の音声再生システム。
【請求項２】
前記プリプロセッサは、前記遠端信号の低周波成分を減衰するための高域通過フィルタを更に有する、
ことを特徴とする請求項１記載の双方向の音声再生システム。
【請求項３】
前記高域通過フィルタの遮断周波数は、１００〜１０００ヘルツの間、好ましくは３００〜１０００ヘルツの間にある、
ことを特徴とする請求項３記載の双方向の音声再生システム。
【請求項４】
前記制限するための手段は、ある信号強度を超える前記遠端信号をクリップするためのクリッパを有する、
ことを特徴とする請求項１記載の双方向の音声再生システム。
【請求項５】
前記制限するための手段は、前記ラウドスピーカへの信号の最大振幅を制限するリミッタ又はコンプレッサを有する、
ことを特徴とする請求項１記載の双方向の音声再生システム。
【請求項６】
前記双方向の音声再生システムは、ラウドスピーカ電話システムである、
ことを特徴とする請求項１記載の双方向の音声再生システム。
【請求項７】
前記ラウドスピーカ電話システムは移動電話システムである、
ことを特徴とする請求項６記載の双方向の音声再生システム。
【請求項８】
前記双方向の音声再生システムは、ハンドセット（モバイル、ＤＥＣＴ等）、ハンドフリー端末、ＰＤＡ、カーキット、ボイスコントロール又はコミュニケーション機能をもつＴＶ、ボイスコントロール又はコミュニケーション機能をもつウェブ端末、自動応答装置からなるグループのうちの１つである、
ことを特徴とする請求項１記載の双方向の音声再生システム。
【請求項９】
到来する遠端信号の入力、ラウドスピーカの出力、前記入力と前記ラウドスピーカの出力との間のデジタル−アナログコンバータ、前記マイクロフォンの入力、前記マイクロフォンの入力の後ろに設けられるアナログ−デジタルコンバータ、エコーキャンセレーションシステム、及び出力される遠端信号の出力を有する双方向の音声再生システムの装置であって、
当該装置は、到来する遠端信号の入力、前記エコーキャンセレーションシステム、前記出力される遠端信号のための出力、及び前記入力と前記デジタル−アナログコンバータの間に設けられるプリプロセッサを有し、
前記プリプロセッサは、前記到来する遠端信号を増幅する増幅器と、前記遠端信号の最大振幅を制限するための手段とを有し、制限された信号は、前記ラウドスピーカと前記エコーキャンセリングシステムの入力である、
ことを特徴とする装置。
【請求項１０】
ラウドスピーカとマイクロフォンとを有する双方向の音声再生システムにおけるエコーキャンセリングのための方法であって、当該方法は、
デジタルの遠端入力信号を受信するか、又はデジタルの遠端入力信号をアナログの遠端入力信号から生成し、
前記デジタルの遠端信号をアナログ信号に変換し、
変換されたアナログ信号を前記ラウドスピーカを介して出力し、
前記マイクロフォンでアナログのマイクロフォン信号を生成し、
前記アナログのマイクロフォン信号をデジタルのマイクロフォン信号に変換し、
前記デジタルの遠端信号をフィルタリングし、該フィルタリングの結果を前記デジタルのマイクロフォン信号から減算することで、エコーキャンセレーションを実行することを含み、
デジタル−アナログ変換及びエコーキャンセレーションの前に、前記デジタルの遠端信号は、増幅され、制限された値以下に制限される、
ことを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記デジタルの遠端信号はクリップされる、
ことを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
プログラムがコンピュータで実行されたときに、請求項１０又は１１記載の方法を実行するためのプログラムコード手段を有するコンピュータプログラム。
【請求項１３】
請求項１０又は１１記載の方法を実行するためにコンピュータ読取り可能な媒体に記憶されるプログラムコード手段を有するコンピュータプログラムプロダクト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音声再生の分野に関し、より詳細には、ラウドスピーカとマイクロフォンを有するシステムにおけるエコーの抑圧に関する。
【０００２】
本発明は、到来する遠端信号のための入力、ラウドスピーカ、マイクロフォンの後の入力とラウドスピーカとの間のＡ／Ｄコンバータ、エコーキャンセレーション（ＡＥＣ）及び出力される遠端信号のための出力を有する、（たとえば、ハンドフリー・ラウドスピーカ電話システムのような）双方向の音声再生システムに関する。
【０００３】
また、本発明は、ラウドスピーカ及びマイクロフォンを有する双方向の音声再生システムにおけるエコーキャンセリング方法にも関し、本方法では、デジタルの遠端入力信号は、受信されるか又はアナログの遠端入力信号から生成され、デジタルの遠端信号は、アナログ信号に変換され、変換されたアナログ信号は、ラウドスピーカを介して出力され、マイクロフォンは、アナログのマイクロフォン信号を生成し、アナログのマイクロフォン信号は、デジタルのマイクロフォン信号に変換され、エコーキャンセレーションは、デジタルの遠端信号をフィルタリングして、このフィルタリング結果をデジタルのマイクロフォン信号から減算することで実行される。
【背景技術】
【０００４】
たとえばラウドスピーカ電話システムのような双方向の音声再生システムは、ラウドスピーカとも呼ばれる出力トランスデューサ、マイクロフォンとも呼ばれる入力トランスデューサを含んでいる。ラウドスピーカは、所望の音圧波を表す遠方のパーティ（到来する遠端信号）から受信された入力信号に応答して音圧波を生成し、マイクロフォンは、出力信号に変換され、出力される遠端信号のための出力を介して遠方のパーティに送信されるべき音圧波を受信する。ラウドスピーカは、ラウドスピーカ電話の周りの環境に音を放出するため、ラウドスピーカからマイクロフォンへの音響経路が存在し、これがエコーを生じる場合がある。典型的に、この音響経路は、（複数の反射を表す）複数の送信経路を含み、複数のエコーは、異なる時間でマイクロフォンに到達する。
【０００５】
この音響経路の補償が行われない場合、ラウドスピーカにより生成された音は、マイクロフォンを通して遠端にある遠方のユーザにエコーバックされる。実際に、これは、遠方のパーティが話しているとき、彼／彼女のスピーチがラウドスピーカにより発せられ、次いで戻って送信され、遠方のパーティは、彼／彼女が会話しているパーティの声と同様に彼／彼女自身の声を聞くので、会話を困難なものにする。したがって、当該技術分野では、これらのエコーを低減する試みがなされてきている。
【０００６】
望まれないエコーを低減する１つの方法は、エコーを抑圧するためのいわゆるエコーキャンセリングシステムを使用することであり、エコーキャンセリングシステムでは、望まれない成分（エコー）のレプリカは、適応フィルタにより遠端信号から導出される。かかるレプリカは、望まれないエコーを除去するため、出力信号から減算される。
【０００７】
今日の電話における大部分のエコーキャンセリングシステムは、リニアエコーパスを前提としていることに基づいている。エコーは、ノンリニアコンポーネントをも含んでおり、かかるノンリニアコンポーネントは抑圧するのが難しい場合があることが認識されている。
【０００８】
米国特許第5,680,450号では、エコーのノンリニアな部分を補償するためのモデル、及びかかるモデルに基づいた装置及び方法が提供されている。
【０００９】
Proceedings  of  the  ICASSP  (International  Conference  on  Acoustics,  Speech  and  Signal  Processing)  2000,  vol.  II,  page  805-808,  June  5-9  2000  by  Stengerでは、ＡＥＣ（Adaptive  Echo  Canceller）が記載されており、ノンリニアモデル（７次の多項式）がエコーキャンセレーションのために使用されている。
【００１０】
これら公知のシステム及びモデルは、エコーのノンリニアな部分に対応するノンリニアコンポーネントを含む、エコー信号を推定することに基づいている。したがって、推定されたエコー信号がマイクロフォンにより生成された出力信号から減算されるとき、ラウドスピーカにより生成されたエコーのノンリニアな部分を低減することができる。したがって、アダプティブエコーフィルタは、ラウドスピーカからマイクロフォンへの音響経路の推定値を生成する音響経路モデルに基づいた、ノンリニアコンポーネントの予測を含んでいる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
先に記載された引例に対して、ラウドスピーカからマイクロフォンへのエコーを低減する改善されたラウドスピーカ電話システム及び方法について、当該技術分野において必要とされ続けている。
【００１２】
本発明の目的は、改善されたエコーキャンセレーションをもつ双方向の音声再生システム、及び双方向の音声再生システムのためのエコーキャンセレーション方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明に係る双方向の音声再生システムは、当該システムが到来する遠端信号を前処理するためのプリプロセッサを有することを特徴としており、このプリプロセッサは、到来する遠端信号の増幅のための増幅器、及び遠端信号の最大の増幅を制限するための手段を有しており、制限された信号は、ラウドスピーカ及びエコーキャンセリングシステムの入力である。制限する手段は、たとえばクリッパ、リミッタ又はコンプレッサ、若しくはこれらの組み合わせである。
【００１４】
本発明は、以下の洞察に基づいている。
双方向の音声再生システム、特にラウドスピーカテレフォンシステムは、大きなダイナミックレンジを必要とすることがある。特に、移動電話がハンドフリーモードで使用されるとき、この移動電話は、電話が耳に対して保持されるときに通常使用される音声レベルを高く超える高い音声レベルを生成する必要がある。この高い音声レベルを達成するため、音声信号は、ラウドスピーカのちょうど前に慣習的に配置される、たとえばアナログ電力増幅器により慣習的に大いに増幅される。実際に、音声信号は、音声信号がテレフォンシステム（たとえば移動電話）の供給電力により強くクリップされる範囲にまで増幅される。これにより、非常に非線形に歪んだラウドスピーカ信号が得られ、この信号は、エコーとして電話システムのマイクロフォンにより採取される。増幅器の非線形の挙動は、一般に、非線形特性の最も著しいソースである。
【００１５】
エコーは、たとえば移動電話である双方向音声再生システムにおけるエコーキャンセレーションシステムにより低減することができる。しかし、エコーキャンセレーションは、移動電話（すなわち増幅器、ラウドスピーカ、ハウジング、マイクロフォン）がエコーに関してリニアシステムとして見ることができるという前提に慣習的に基づいている。したがって、エコーキャンセレーションシステムは、非線形に歪んだエコーを相殺することができない。
【００１６】
先に述べたように、エコーパスにおける非線形成分を補償することが記載されている。このため、適応フィルタは非線形成分を含むように拡張される必要がある。しかし、かかるシステムをモデル化することは、これら非線形性について利用可能な良好なモデルが存在するときにのみ可能な非常に難しいタスクである。しかし、全ての移動電話について汎用的な非線形モデルがない。更に、非線形モデルは、多数の係数を含んでいることがあり、したがって適応が非常に難しく、大容量のメモリと電力消費量がかかる。
【００１７】
本発明は、デジタル領域で、すなわちデジタル−アナログ変換器及びエコーキャンセラの前で音声信号を前処理することを提案するものであって、デジタル−アナログ変換器とアナログ−デジタル変換器との間のシステムの一部が線形システム又はほぼ線形なシステムとなり、ラウドスピーカが十分な音圧レベルを生成することになる。
【００１８】
本発明に係る双方向の音声再生システムでは、システムは、プリプロセッサを有しており、このプロプロセッサは、音声信号を十分な音圧レベルに増幅する増幅器、及び移動電話が線形システムのように実質的に振舞うように、デジタル領域で音声信号を制限するクリッパ／コンプレッサ／リミッタを含んでいる。
【００１９】
本発明に係る双方向の音声再生システムは、エコーキャンセリングシステムを有している。公知のシステムとの違いは、非線形成分が比較的小さいレベルにまで音声信号を制限するための手段を有するプロプロセッサを加えたことにある。
【００２０】
本発明は、ラウドスピーカが低減されるので、音のレベルが幾分低減される。しかし、これは改善されたエコーキャンセレーションに比較すると小さい。
【００２１】
好適な実施の形態では、プリプロセッサは、高域通過フィルタを含んでいる。
好ましくは、高域通過フィルタのカットオフ値は、１００〜１０００Ｈｚのレンジにあり、より好ましくは３００〜５００Ｈｚの間である。
【００２２】
本発明の実施の形態では、制限するための手段は、信号強度を超える遠端信号をクリップするクリッパを有している。
クリッピングは、閾値の信号強度を超える信号が所与の閾値となる信号強度に低減される、すなわち最大の信号強度が設定される簡単な動作である。かかる実施の形態の利点は、シンプルなデバイスが使用されることであり、一方で、閾値となる信号を超える信号における詳細が失われるので、遠端信号が歪む。
【００２３】
好適な実施の形態では、制限するための手段は、ラウドスピーカへの信号の最大振幅を制限するためのリミッタ又はコンプレッサを有している。これらの実施の形態では、信号の最大の振幅が制限されるか、又はダイナミックレンジが圧縮される。
【００２４】
リミッタは、オーディオ信号におけるピークをスキャンし、クリッピングを防止するために減衰が必要である場合にピークの周りのオーディオ部分を減衰する。
コンプレッサは、音声信号の全体のダイナミックレンジを低減する。コンプレッサは、２つのエレメントである、レベル検出器と可変利得をもつ増幅器から構成される。クリッパと比較して、歪みが少ないが、設計が複雑になる。
【００２５】
実施の形態では、制限するための手段は、クリッパとリミッタ／コンプレッサの両方、及び一方の機能から他方の機能に切り替えるための手段を有する場合がある。
本発明に係る方法は、デジタル−アナログ変換及びエコーキャンセレーションの前で、デジタル遠端信号が増幅され、制限されることを特徴としている。
【００２６】
本発明のコンセプトにおいて、「クリッパ」、「リミッタ」、「フィルタ」、「コンバータ」、「コンパレータ」等は、広く理解されるべきであって、以下の所与の例示的な実施の形態に制限されることなしに、たとえば、ハードワイヤの一部（かかるコンバータ、コンプレッサ、リミッタ等）、変換、クリッピング、リミッティング、フィルタリング等の動作を本発明に従って実行することが設計又はプログラムされる（コンピュータプログラム又はサブプログラム、若しくはコンピュータプログラムのセット、プログラムコード）ソフトウェアの一部と同様に、変換、圧縮、フィルタリング等の機能を実行するために設計された回路又はサブ回路、又は、単独又は組み合わせで、かかる動作を実行するハードウェア及びソフトウェアの一部の組み合わせを含んでいる。１つのプログラムは、幾つかの機能を結合する場合がある。
【００２７】
また、本発明は、プログラムがコンピュータで実行されるとき、本発明に係る方法を実行するプログラムコード手段を有するコンピュータプログラムで実施され、プログラムがコンピュータで実行されるとき、本発明に係る方法を実行するコンピュータ読み取り可能な媒体に記憶されるプログラムコード手段を有するコンピュータプログラムプロダクトで実施され、さらに、本発明に特化した動作を実行するため、本発明に係る電話システムでの使用のためのプログラムコード手段を含むプログラムプロダクトで実施される。
【００２８】
本発明のこれらの態様及び更なる態様は、例示を通して詳細に説明され、添付図面を参照しながら明らかにされるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明は、添付図面を参照して以下に更に詳細に記載され、添付図面では、好適な実施の形態が示されている。しかし、本発明は、多くの異なる形式で実施される場合もあり、本明細書で述べられる実施の形態に限定されるべきではなく、むしろ、これらの実施の形態は、この開示が全体的かつ完全であって、当業者に本発明の範囲を完全に伝達するように提供される。同じ参照符号は全体を通して同じエレメントを示している。
【００３０】
図１は、従来技術からの電話システムを概念的に例示している。かかるシステムは、たとえば、自動車での使用のためのハンドフリー・ラウドスピーカセルラー無線電話とすることができる。ハンドフリーセルラー電話として実現されるとき、遠端から、すなわち遠方のパーティから受信されたスピーチ信号は、（図示せず）セルラー基地局から送信され、セルラー電話（図示せず）のトランシーバにより受信され、入力波形Ｗとして到来する遠端信号のための入力に印加される。この例では、伝送はシステム間、この例では電話システム間にあり、遠端信号はデジタル形式である。原信号がアナログ形式である場合、システムは、入力２に供給されるアナログの遠端信号を生成するためにＡＤコンバータを有する。
【００３１】
図１に示されるように、波形は、デジタル形式で入力２に印加され、Ｄ−Ａコンバータ３によりアナログ形式で変換され、ラウドスピーカ５による使用のために増幅器４により増幅される。遠方のパーティの話を表す音圧波Ｗ１は、ラウドスピーカ５により放出される。したがって、無線電話のユーザは、遠方のパーティの会話を表す音圧波を聞く。
【００３２】
しかし、音は、複数のチャネルを含むことができる音響経路６に沿って放出される。結果として、エコーＷ２は、マイクロフォン７のような入力トランスデューサにより受信される。したがって、遠方のパーティが彼自身の話の遅延されたエコーにより混乱されないように、言い換えれば、遠端に送出された信号が信号Ｗ３、他のパーティの話を表し、信号Ｗ３と信号Ｗ２との混合ではないことを保証するため、マイクロフォン７により生成された出力信号におけるこれらのエコーを低減することが望まれる。混合された信号は、マイクロフォン７により受信され、Ａ−Ｄコンバータ８によりデジタル信号に変換される。このエコーの低減は、適応エコーキャンセラ（“ＡＥＣ”）９を使用することで達成される。適応エコーキャンセラは、適応フィルタ１０を有しており、この適応フィルタに到来する信号２が供給されてフィルタリングされる。フィルタリング係数は適応的であって、適応フィルタ１０は、予測されるエコー信号を提供し、この予測されるエコー信号は、減算器１１において（Ａ／Ｄコンバータ８におけるＡ／Ｄ変換の後）、マイクロフォン７から到来する信号から減算される。結果は、理想的に、エコー信号がマイクロフォンにより受信された信号から減算され、スピーチＷ３を表す信号のみが出力１２から出力される。適応フィルタ１０の係数は、音響的なインパルス応答の予測値である。適応フィルタは、ＮＬＭＳ（Normalized  Least  Mean  Squares）、ＦＤＡＦ（Frequency  Domain  Adaptive  Filter）といった幾つかのアルゴリズムで実現される場合がある。適応フィルタの選択は、アプリケーション、利用可能なリソース、及びユーザの好みに依存する。
【００３３】
音響経路について使用されるモデルに依存して、予測されるエコー信号は、マイクロフォンにより受信されるラウドスピーカからのエコーを近似することができる。
エコーキャンセレーションで使用される適応フィルタは、説明された従来技術において議論されている。更なる異なる適応フィルタの例は、引用された従来技術で説明されている。
しかし、多くの異なるモデルがエコーキャンセレーションについて存在するが、実際に、（コストに加えて）システムの複雑度とエコーキャンセレーションの効果との間のバランスは、最適から離れている。
先に述べたように、エコー経路における非線形成分を補償することが記載されている。このため、適応フィルタは、非線形成分を含むように拡張される必要がある。
【００３４】
一般に、公知のシステム及び方法は、１つの主要な問題を有しており、システムにおける非線形性の良好なモデルを必要としている。非線形適応フィルタで適応フィルタ１０を拡張することは、これら非線形性について利用可能な良好なモデルが存在するときにのみ可能である。しかし、全ての移動電話について汎用的な非線形モデルが存在しない。さらに、非線形モデルは、多数の係数を含んでいることがあり、したがって、適応は難しく、大容量のメモリと消費電力を費やす。利用可能な良好なモデルがない場合、減衰が不十分となる。ラウドスピーカ信号を生成するために使用されるアナログ増幅器は、３つの部分でモデル化することができる。
１．  一般に、増幅器は、高域通過フィルタを含む。このフィルタは、ＤＣオフセットのみを除くことがある。しかし、多くのケースでは、フィルタは、ラウドスピーカにより生成することができない遠端信号の低周波を除去する。
２．  遠端信号の実際の増幅は、簡単な線形利得としてモデル化することができる。
３．  高い出力レベルで、出力レベルは制限された電圧供給により飽和される。典型的な飽和曲線は、図２に与えられている。出力Ｏは、入力Ｉの関数であることを示している。矩形のコーナで図において示される線形の範囲では、出力Ｏは、Ｉの線形関数であり、すなわちＯ＝ａ*Ｉである。リニアレンジの外側で、出力レベルは、制限された電圧供給により制限され、非線形性が生じ、出力Ｏは、入力Ｉのより複雑な関数である。
【００３５】
しかし、先に与えられたように増幅器のモデルは、線形システム（１及び２）、非線形システム３及び大部分が線形システム（ラウドスピーカと音響経路）からなるカスケードを扱うことを示している。かかるシステムをモデル化することは、非常に困難なタスクである。
【００３６】
本発明は、デジタル領域で、すなわちデジタル−アナログ変換及びエコーキャンセラの前にオーディオ信号を前処理することを提案するものであって、移動電話は、線形システム又は殆ど線形システムであり、ラウドスピーカは、十分な音圧レベルを生成する。
【００３７】
制限された電圧供給により増幅器の出力信号（すなわちラウドスピーカ信号）の飽和を防止するため、入力信号は、所定の制限を超えないように規制される。この電圧制限は、図２における飽和曲線から推論することができる。
【００３８】
しかし、アナログの高域通過フィルタが増幅器の前に存在する場合、更なる制限が必要とされる場合がある。これは、電圧制限された信号をフィルタリングすることで、電圧制限を超える出力信号を生じる場合があるという事実のためである。この作用は、Ｇｉｂｂ効果として知られている。
【００３９】
アナログの高域通過フィルタは、一次のＲＣ回路網であることが想定される。かかるフィルタの振幅の増幅が任意の入力信号について２よりも常に低いか等しいことが知られている。この理由は、フィルタのインパルス応答のいわゆるＬ１ノルムが２に等しいことである。結果として、増幅器の出力信号の飽和を防止するため、高域通過フィルタの入力信号は、図２に示される電圧制限の半分に制限される。
【００４０】
実際に、十分な音圧レベルと許容可能な非線形性との間のトレードオフを発見するため、入力電圧は、図２に示された電圧リミットの０．５倍〜１．０倍の間の値に制限される。
【００４１】
遠端のスピーチ信号は強い低域特性を通常有するので、アナログ増幅器における飽和は、周波数信号成分のために大きい。この飽和を防止するため、可聴の非線形歪みをもたらすデジタル領域で重度のクリッピングが必要とされる。しかし、これらの低い周波数は、ラウドスピーカにより再生することができない。したがって、デジタルクリッピングに前にデジタル高域通過フィルタを適用することで、これら低周波成分を除くことが良好である。その周波数応答は、ラウドスピーカの周波数応答に対応するために選択されることが好ましい。
【００４２】
アナログ高域通過フィルタの遮断周波数は一般に低いので、デジタル高域通過フィルタは、アナログＨＰフィルタの遮断周波数の周りの周波数成分の低減につながる。これにより、Ｇｉｂｂ現象の低減となる。
【００４３】
したがって、本発明に係る双方向の音声再生システム、電話システムは、プリプロセッサを有しており、このプリプロセッサは、ラウドスピーカにより適切に再生することができない低周波数成分を減衰する（任意の）高域通過フィルタ、十分な音圧レベルに音声信号を増幅するための増幅器、移動電話が線形システムのように実質的に振る舞うように、すなわち出力Ｏを制限された範囲に制限するように、デジタル領域で音声信号を制限するクリッパ／リミッタ／リミッタ機能を含んでいる。
【００４４】
なお、プリプロセッサとアナログ電力増幅器との間で著しい類似性があることに留意されたい。デジタルクリッパ／リミッタ／リミッタ機能は、アナログ電力増幅器における飽和の作用を低減する。同様に、デジタル高域通過フィルタは、アナログ高域通過フィルタの作用を低減する。結果的に、アナログ電力増幅器は、実質的に線形システムとして動作する。したがって、従来技術の装置及び方法の問題が低減される。
【００４５】
本発明は、移動電話が（Ｄ／ＡコンバータからＡ／Ｄコンバータまで）線形システムであるように、音響的エコーキャンセラに遠端信号のプリプロセッサを追加することで良好なバランスを提供する。説明されたように、アナログシステムの線形性は、良好かつ信頼性の高い音響エコーキャンセラについて非常に重要である。
【００４６】
図３は、本発明に係るラウドスピーカ電話システムを例示している。ラウドスピーカ電話システムは、プリプロセッサ３０を有しており、このプリプロセッサは、この例では以下を含んでいる。
１．  高域通過フィルタ３１。これは任意であって、プリプロセッサの好適な部分である。
２．  遠端信号を十分なレベルに増幅するための利得３２。
３．  電話システムが実質的に線形システムであるように、遠端信号の最大振幅を制限するクリッパ／リミッタ／コンプレッサ３３。
【００４７】
この例では、エレメントの順序は、１，２，３である。しかし、これに制限されるものではない。３つのステップの順序を変形することができる。他の可能な順序は、２，１，３であり、１，３，２である。
【００４８】
高域通過フィルタ及びクリッピング／リミッティング／コンプレッション機能のシーケンスは、変更することができない。これは、クリッピング／リミッティング／コンプレッション機能の後に高域通過フィルタを適用することは、所望のレベルを超える振幅をもつ信号を生じるからである。これらの振幅は信号に依存し、したがって補正することができない。
【００４９】
図示される例示的な電話システムは、ＡＥＣ内でプロセッサ１３を有している。このプロセッサは、この例では示されている。本発明はシステムを線形化する可能性を提供するが、あるポストプロセッシング（後処理）が行われる場合があることは排除されないことを明示的に述べておく。
【００５０】
信号における非線形性を測定するための方法は以下のようである。雑音信号は、ラウドスピーカを通して最大レベルで再生され、適応フィルタを長くかつ低速に適応することがエコーを相殺するために実行される。集束の後、残余信号のレベルは、信号の非線形性に測定値であって、このレベルは、エコーレベルに関して通常与えられる。残余のエコーがエコーよりも３０ｄＢ下回る場合、非線形性は、−３０ｄＢであるといわれる。
【００５１】
本発明のコンセプトにおいて、アナログシステムにおける非線形性は、通常、少なくとも−２０ｄＢであり、好ましくは−３０／−３５ｄＢである。近端の部屋における雑音は、そのケースでは音響エコーキャンセラについて最も大きな干渉であるので、非線形性を−４０ｄＢ以下に低減することが必要とされない。
【００５２】
図４は、プリプロセッサの作用を示している。曲線４１は、プリプロセッサをもたないエコーキャンセリングを示しており、曲線４２は、プリプロセッサをもつエコーキャンセリングを示しており、平均で５〜６ｄＢの更なるエコーキャンセレーションが得られ、明らかに可聴の効果である。
【００５３】
プリプロセッサのエレメントが関連する限り、以下の点が述べられる。
・高域通過フィルタ３１：高域通過フィルタの選択は、ラウドスピーカ及び遠端信号に依存する。モバイル装置をもつハンドフリー通信では、信号はスピーチであり、著しく低い周波数成分を含んでおり、ラウドスピーカは小さく、このことは低周波数を再生することができないことを意味している。それらのサイズは、カットオフ周波数を決定し、これは、１００〜１０００Ｈｚの間にあり、好ましくは３００〜１０００Ｈｚの間にあり、より詳細には３００〜５００Ｈｚの間にある。高域通過フィルタは、システムのアナログ部分を十分に線形にするのが可能な好適な設計の一部である。高域通過フィルタの選択は、ラウドスピーカ増幅器におけるアナログ高域通過フィルタの存在及びカットオフ周波数に依存することが好ましい。かかるアナログ高域通過フィルタが存在する場合、デジタル高域通過フィルタのカットオフ周波数は、より高くなり、好ましくは、そのアナログのカットオフ周波数よりも著しく高くなる。高域通過フィルタは、有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタ又は無限インパルス応答（ＩＩＲ）フィルタのような様々なやり方で実現することができる。
【００５４】
・利得３２：利得は、遠端信号ｘを十分なレベルに増幅するために、シンプルかつ率直な利得であることが好ましい。関数はｙ＝Ａｘであり、ここでＡは増幅ファクタである。この機能は、クリッパ／リミッタ／コンプレッサ機能と結合されるのが好ましい。
【００５５】
・クリップ／リミッタ／コンプレッサ機能３３：クリッパ／リミッタ／コンプレッサ機能は、移動電話が線形システムであるように、遠端信号の振幅を制限する。この機能の実現は、１以上のやり方で行うことができる。通常のクリップ機能は、幾つかの実施の形態で使用される場合がある。一見明白であるが、通常のラウドスピーカでクリップされる信号を再生することは物凄く聞こえると考えるであろうが、このことは実際に真実であるが、ハンドフリーモバイルでクリップされた信号を再生することは、より進歩した方法でよりも物凄く聞こえない。これは、ハンドフリーモバイルの再生の品質がむしろ品質が乏しいためである。さらに、音のレベルは、音の品質よりも非常に重要である。より進展したクリップ／リミッタ／コンプレッサ機能は、好適な実施の形態で使用される場合があり、モバイルの再生機能の観点で有効である。また、機能は、クリッパ及びリミッタ／コンプレッサの両方を有する場合もある。
【００５６】
ラウドスピーカ及びフィルタに送出される前に遠端信号について本発明に係る電話システムにおけるような、プリプロセッサ３０におけるクリッピング機能（又はクリッパ）の使用は、ＡＥＣフィルタにおけるポストプロセッサにおけるセンタクリッパの使用により混乱されないことを述べておく。遠端のプリプロセッサ３０の使用のために、システムの線形性は十分に線形であることを確かめるために再び測定される必要があるので、ポストプロセッサにおけるかかる機能の使用が有効な場合がある。高域通過フィルタ及びクリッピング機能は、遠端信号における重度に（線形又は非線形）の歪みを導入する。このことは、一方でシステムがより線形であり、他方で信号に線形性がない点で矛盾しているようにみえる場合がある。説明は、以下のようなものである。
【００５７】
ラウドスピーカ増幅器への信号（すなわち信号の前処理）をクリップすることで、ラウドスピーカ増幅器への信号は、飽和値以下に保持され、ラウドスピーカ増幅器は、線形な領域で常に動作され、すなわち飽和状態に駆動されない。結果的に、増幅器は、線形に動作し、ラウドスピーカにより生成された信号のエコー（及びＡＥＣにおいて及びＡＥＣにより補償されたエコー）は、僅かな程度の非線形成分、すなわちラウドスピーカに進む信号の観点で非線形である成分を含んでいるか、少なくとも部分的に含んでいる。結果的に、エコーキャンセレーションは、比較的シンプルであって、シンプルなＡＥＣが使用される場合がある。かなりのエコーの低減が得られる。しかし、遠端信号に比較して、プリプロセッサは、重度の歪みを導入する。わかりやすく言うと、ラウドスピーカにより生成される音の品質の低減がある。ハイファイアプリケーションにとって、これは許容できないが、制限された再生を有するモバイルデバイスについて、大きな違いをなさない。再生された音における他の問題点に比較して、エコーは特に厄介な効果である。多くのシステム、特に移動電話システムにおける再生品質における小さな作用は、エコーの低減という前向きな作用よりも低い。
【００５８】
わかりやすく言うと、遠端プリプロセッサ３０は、（非）線形の歪みを導入するが、システムは、Ｄ／ＡコンバータからＡ／Ｄコンバータへと線形であって、すなわち、非線形性は適応フィルタにとって知られている。適応フィルタの入力の前に遠端プリプロセッサが配置されるので、適応フィルタは、線形なエコーをモデル化する必要があり、したがって良好なエコーキャンセレーションを達成することができる。このエコーキャンセレーションの前向きな効果は、非線形の歪みの後向きな効果よりも大きいことである。
【００５９】
本発明は、様々な装置で使用される場合がある。本発明は、特に、移動電話でのハンドフリー音響エコーキャンセラ用に有効である。しかし、本発明は、制限された電圧供給及び／又は小型のラウドスピーカをもつ装置で実行される全てのＡＥＣについて適用可能である。
【００６０】
可能なアプリケーションのリストは、以下のようである。
ハンドセット（モバイル、ＤＥＣＴ等）；ハンドフリー端末；ＰＤＡ；カーキッツ；ボイスコントロール又はコミュニケーション機能付きＴＶ、コンピュータ、ラップトップ；ボイスコントロール又はコミュニケーション機能付きウェブ端末；自動応答装置。
【００６１】
当業者であれば、先に図示及び記載された実施の形態により本発明が制限されないことを理解されるであろう。本発明は、それぞれの新たな特徴及びそれぞれの新たな特徴の組み合わせにある。請求項における参照符号は、それらの保護する範囲を制限するものではない。「有する“to  comprise”」及びその派生語の使用は、請求項で挙げた以外のエレメントの存在を排除するものではない。エレメントに先行する冠詞“ａ”又は“ａｎ”の使用は、複数のかかるエレメントの存在を排除するものではない。
【００６２】
本発明は、特定の実施の形態の観点で記載されてきたが、これらは、本発明を例示するものであって、限定するものとして解釈されるべきではない。本発明は、ハードウェア、ファームウェア又はソフトウェア、若しくはそれらの組み合わせで実現される場合がある。他の実施の形態は、特許請求の範囲に含まれる。
【００６３】
要するに、本発明は以下のように記載される。
移動電話システムのような双方向の音声再生システムは、到来する遠端信号Ｗのための入力２、ラウドスピーカ５、入力２とラウドスピーカ５との間のＤ／Ａコンバータ３、マイクロフォン７、マイクロフォン７の後ろのＡ／Ｄコンバータ８、エコーキャンセレーションシステム（ＡＥＣ）、及び出力される遠端信号のための出力１２を有している。本システムは、入力２とＤ／Ａコンバータ３との間のプリプロセッサ３０を有しており、このプリプロセッサは、信号を十分な音圧レベルに増幅するための増幅器３２、Ｄ−Ａコンバータ３とＡ−Ｄコンバータ８との間のシステムが実質的に線形システムのように振る舞うように、信号をデジタル領域で制限するためのクリッパ又はコンプレッサ又はリミッタ３３を有している。
【００６４】
本発明のコンセプトにおいて多くの変形例が可能である。本発明は、たとえば、到来する遠端信号Ｗのための入力２、ラウドスピーカのための出力、入力２とラウドスピーカ５の出力との間のＤ／Ａコンバータ３、マイクロフォン７のための入力、マイクロフォン７の入力の後のＡ／Ｄコンバータ８、エコーキャンセレーションシステムＡＥＣ、及び出力される遠端信号のための出力１２を有する双方向の音声再生システムのための装置でも実施され、本装置は、到来する遠端信号Ｗのための入力２、エコーキャンセレーションシステムＡＥＣ、出力される遠端信号のための出力１２、及び入力２とＤ／Ａコンバータ３の間のプリプロセッサ３０を有しており、プリプロセッサは、到来する遠端信号の増幅のための増幅器３２、遠端信号の最大の振幅を制限するための手段３３を有しており、制限された信号は、ラウドスピーカとエコーキャンセリングシステムのための入力である。
【００６５】
たとえば、移動電話システムにおいて、プリプロセッサ及びＡＥＣは、移動電話に組み込まれる場合があり、マイクロフォン及びラウドスピーカは、移動電話のためのハンドフリーキットの代わりに組み込まれる。図３では、この可能性が破線により概念的に示されており、これらの破線は、Ａ／Ｄコンバータ及びＤ／Ａコンバータが組み込まれるアイエムに依存して、Ｄ／Ａ及びＡ／Ｄコンバータの前に描かれている。この例は、本発明の広義のコンセプトにおいて、たとえばハンドフリーキット移動電話システムが移動電話又はハンドフリーキットにあると考えられるときのような個別のアイテムのうちの１つにおける、たとえば移動電話用のプラグインカードといった多数の物理的な個別かつ個別に販売されるアイテムをシステムが有するケースで、プリプロセッサ及びＡＥＣが設けられることを明らかにするために示される。
【００６６】
本発明は移動電話システムで最も有効であるが、本発明の広義のコンセプトで、システムは、かかるシステムに限定されるものではなく、遠端信号は、必ずしも電話信号である必要はない。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】従来技術によるラウドスピーカ、マイクロフォン及びエコーキャンセリングシステムを含むラウドスピーカ電話システムの概念図である。
【図２】増幅器の典型的な飽和曲線を示す図である。
【図３】本発明に係るラウドスピーカ、マイクロフォン及びエコーキャンセリングシステム並びにプリプロセッサを含むラウドスピーカ電話システムの概念図である。
【図４】プリプロセッサの追加の例示的な作用をグラフ形式で例示する図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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