(57)【要約】【課題】採取が求められる信号と不要な信号が同時に入射する環境下においてセンサーを複数設置し、それらの出力を電気的に処理、合成することによって不要な信号の到来方向に死角を向けて同信号を抑圧し、必要な信号を強調するアレーの原理に基づく信号分離抽出装置の改良【解決手段】複数のセンサーを使用して指向特性を構成することによって採取が必要な信号と不要な信号を分離抽出する装置において、そのうちのいくつかのセンサー出力に対して予測残差を計算する線形予測分析回路と、その回路の出力を入力とする再合成フィルタと、その再合成フィルタの出力と、適当な遅延回路を挿入した他のセンサーの出力との差を計算する減算器とを有し、その減算器の出力が最小になるように再合成フィルタの係数を更新する結果として、該他のセンサー出力に含まれる一部の信号を除去する信号分離抽出装置【選択図】図１
2005086627.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセンサーを使用して指向特性を構成することによって採取が必要な信号と不要な信号を分離抽出する装置において、そのうちのいくつかのセンサー出力に対して予測残差を計算する線形予測分析回路と、その回路の出力を入力とする再合成フィルタと、その再合成フィルタの出力と、適当な遅延回路を挿入した他のセンサーの出力との差を計算する減算器とを有し、その減算器の出力が最小になるように再合成フィルタの係数を更新する結果として、該他のセンサー出力に含まれる一部の信号を除去することを特徴とする信号分離抽出装置
【請求項２】
請求項１の信号分離抽出装置において、該線形予測分析回路に接続されるセンサーを採取が必要な信号のパワーが低くなる位置に設置することを特徴とする信号分離抽出装置
【請求項３】
請求項２の信号分離抽出装置において、電話機にあっては該線形予測分析回路に接続されるセンサーを電話機本体に設置することを特徴とする信号分離抽出装置
【請求項４】
請求項２の信号分離抽出装置において、電話機にあっては該線形予測分析回路に接続されるセンサーをハンドセットの送話器から遠い位置に設置することを特徴とする信号分離抽出装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、採取が求められる信号と不要な信号が同時に入射する環境下においてセンサーを複数設置し、それらの出力を電気的に処理、合成することによって不要な信号の到来方向に死角を向けて同信号を抑圧し、必要な信号を強調するアレーの原理に基づく信号分離抽出装置の改良に関する。
【０００２】
本発明の適用が考えられる具体的な応用分野の一つに高速道路のトンネル内に設置される非常用電話機がある。本発明の説明は、複雑化を避けるため、このように本発明の適用装置の一つである非常用電話機を取り上げて具体的に行う。ただし、本発明は扱う信号を音に限定されるものではなく、電波も同様に可能であり、また、以下の説明をセンサーとしてマイクロホンを取り上げて行う。しかし、これをアンテナと置き換えても同様の効果が得られることに注意が必要である。
【背景技術】
【０００３】
さて、その非常用電話機はトンネル内を走行中の自動車の騒音に加えて、排気ガスを外部に排出するジェットファンの騒音が充満した中で使用される。そのために、この電話機の使用時において利用する話者の声が騒音に埋もれて話しの内容が聞き取り難いという問題が生じている。
【０００４】
この問題を解決するために、その利用者である話者の音声に重畳した騒音を電子的に取り除く手法の確立が強く求められている。そのような手法として本発明と強く関連する多くの技術について、構成上の違いを基にして分類すると、それらは大きく以下の二つに分けることができる。その一つは、使用するマイクロホンを一つだけとして、その一つのマイクロホンに混入した騒音重畳音声に各種アルゴリズムを駆使し、騒音を抑圧することによって高い信号対雑音比の音声を得る方法である。あと一つは、複数のマイクロホンを設置して指向性マイクロホンを構成し、その死角を騒音の入射方向に向けることによって騒音を抑圧し、音声を高い信号対雑音比で抽出する方法である。本発明は後者の装置の改良に関する。
【０００５】
従来の技術として、本発明が属する分野としてよく知られた技術の一つであるマイクロホンアレーに関する技術の動向は非特許文献１と非特許文献２に詳しくまとめられている。
【非特許文献１】宝珠山治、杉山昭彦「マイクロホンアレーの研究動向と実現技術電子情報通信学会技術報告」ＤＳＰ９９−１２２（１９９９−１２）
【非特許文献２】安倍正人「マイクロホンアレー技術の概要と最近の動向」平成１０年度日本音響学会春季研究発表会講演論文集２−５−１２（１９９８−０３）また、これらに記載の技術をさらに俯瞰すると、それらには共通する原理があることがわかる。すなわち、ここで紹介されている各種の手法も騒音の入射方向に死角を向けることによって騒音を抑圧する装置を構成しているという点が共通している。それらには単にその死角を向けるための手法に違いがあるだけである。
【０００６】
そこで、その死角を向ける手法の原理を説明するために、その最も簡単な構造の装置の例として図２に示す２つのマイクロホンからなるマイクロホンアレーを取り上げる。ただし、この図において二つのマイクロホンＡとＢは間隔をｄとして離しておかれ、騒音は右θの方向から音速ｖで入射するものとしている。この場合、左のマイクロホンＢに騒音が入力するのは右のマイクロホンＡに騒音が入力してｖｄｃｏｓθ秒後となることは明らかである。したがって、その右のマイクロホンＡから入力した騒音に電子回路的に同じ大きさの遅延ｖｄｃｏｓθ秒を与えるように構成すると、その電子的に遅延を与えられた騒音と左のマイクロホンＢの出力として得られる騒音の位相は一致する。ここで、さらにマイクロホンの間隔ｄが小さく、その間に騒音は減衰しないで伝わり、両マイクロホンの特性が等しいと仮定すると、左のマイクロホンＢの出力から電子的に遅延を受けた右のマイクロホンの出力を差し引くことになり、それによって左のマイクロホンＢの出力から騒音が完全に取り除かれることになる、すなわち、これによって騒音の到来方向に死角を向けた指向性マイクロホンが構成されたことになる。
【０００７】
次に、この方式がもつ問題の説明を簡単にするために、音声は騒音と反対の方向から同じ図２に示すφの角度で入射するものとする。このとき、右のマイクロホンＡに入った音声は左のマイクロホンＢの出力との間に置かれた電子的な遅延と合わせてｖｄ（ｃｏｓφ＋ＣＯＳθ）秒の時間差を生じることになる。すなわち、このマイクロホンアレーはマイクロホンＢに入力した音声と同Ａに入力して遅延を受けた音声との間にｖｄ（ｃｏｓφ＋ＣＯＳθ）秒の時間差を生じさせることになる。この場合、減算によって遅延ｖｄ（ｃｏｓφ＋ＣＯＳθ）が１８０度の位相差を構成する周波数成分では２倍に増幅され、
３６０度となる成分は相殺される。このようにマイクロホンアレーは遅延によって生じる位相差が周波数によって異なることから音声に対しては周波数特性上に振幅歪みを与える。
【０００８】
例えば、マイクロホンの間隔ｄ＝１７ｃｍとし、騒音と音声が音速３４０ｍ／ｓ、角度θ＝φ＝π／３で入射したとすると、音声に対して２ｋＨの整数倍の周波数成分は波長の整数倍の位相差が生じる。すなわち、それらを減算すればの整数倍の周波数成分の出力は零となる。これは音声成分を除去することになるので、一般には所要帯域内で差分出力が０とならないようにマイクロホンの間隔を狭くする対策がとられる。しかし、そのように対策しても周波数によって相殺の程度がことなり、歪みが発生することに違いはない。また、その対策はマイクロホンの設置位置に関して制約を設けることに等しい。
【０００９】
さらに、この周波数特性上の振幅歪みを無視するとしても、マイクロホンアレーには他に重大な実用上の問題がある。すなわち、実用時において音声と騒音が同時に入力することは避けられないこと、さらに、騒音や音声の入射角が変動すること、この二つの事実に対して対応が難しいことである。この問題に対して一般には、まず、騒音の入射角の変動に対して騒音だけが存在するときを狙って上記差分出力が最小になるように遅延を調整することで対応する方式が採用される。この場合、当然ながら騒音だけが入射していることを誤りなく検知する手段が必要となる。それには入力信号が騒音であるか、音声であるか、また、両方が入力しているのか、その識別が必要である。この識別は元々が音声と騒音の分離抽出を目指すマイクロホンアレーの目的からして困難であることは当然であり、現在のところ、十分な性能が得られる識別方式はまだ見出されていない。
【００１０】
以上の問題を解決するために、線形予測と再合成を組み合わせたマイクロホンアレーが提案された。その原理は非特許文献３に詳しい。
【非特許文献３】電子情報通信学会技術報告（網谷智博、藤井健作、川村新、伊藤良生、副井裕）「信号の分析と合成を利用するマイクロホンアレーに関する検討」ＥＡ２００２−１１２（２００３−０１）  図３は、そのマイクロホンアレーの構造である。まず、この原理を簡単に説明する。ただし、騒音と音声は図に示す角度でマイクロホンＡ２０１とＢ２０２に入射するものと仮定する。この図に示すマイクロホンアレーは、マイクロホンＡ２０１で採取された騒音と音声を線形予測分析回路（２１０）に加えて線形予測分析を加える。これによって、同回路２１０の出力には白色化された音声と騒音の残差が出力として得られる。次に、その残差を騒音再合成フィルタ２２０に入力して得られた出力とマイクロホンＢ２０２の出力との差を減算器２３０で計算する。その際、騒音再合成フィルタ２２０の係数はその差が最小になるように例えば学習同定法などを使って更新される。
【００１１】
このとき、騒音再合成フィルタ２２０に要求される動作は騒音と音声で異なることに注意が必要である。すなわち、騒音はマイクロホンＢ２０２よりも早くマイクロホンＡ２０１に入力するので、騒音再合成フィルタ２２０は騒音再合成と同時にマイクロホンＡからＢまでの音響系の同定を同時に行うことになる。一方、音声はマイクロホンＡ２０１よりも早くマイクロホンＢ２０２に入力するので、騒音再合成フィルタ２２０は音声に対しては線形予測フィルタとして動作することになる。ただし、その音声に対する線形予測が実行されるためには騒音再合成フィルタ２２０の係数の収束速度を音韻変化に追随できるほどの速さとする必要がある。反対に、マイクロホンＡからＢに至る音響系の変化が遅いと仮定できることから、騒音に対しては騒音再合成フィルタ２２０の係数の収束速度を遅くすることができる。したがって、騒音再合成フィルタ２２０の係数を音響系の同定を行うようにゆっくりと更新すれば、音声に対する線形予測は構成されず、騒音再合成フィルタ２２０は騒音の再合成だけを行うことになる。その結果として、減算器２３０の出力には音声だけが現れる。このことは図のマイクロホンアレーにおいて指向性マイクロホンが構成され、騒音が抑圧されることを意味する。
【００１２】
以上の説明からわかるように、図３に示すマイクロホンアレーでは従来のマイクロホンアレーにおいて困難であった音声と騒音が同時に存在する状況においても騒音の到来方向に対して死角を向ける動作が可能である。また、騒音再合成フィルタは騒音だけが合成されるように制御され、その再合成騒音を用いて騒音の減算を行っているので、音声の周波数特性に従来のような歪みを与えない。同時に、その制御は騒音に対してだけ効果をもつのでマイクロホンの間隔に対して自由度を与え、任意の間隔でマイクロホンを設置することを可能にする。以上のことは、図３に示すマイクロホンアレーは従来のマイクロホンアレーにおいて解決が望まれていた問題を全て解決していることを示している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ここで、図３のマイクロホンアレーにおける問題点を明らかにするために、図３のマイクロホンアレーを含めた従来のマイクロホンアレーに対して、これまで仮定していた方向とは逆の方向から騒音と音声が到来する場合の動作を考える。例えば、図２において騒音が図に示す方向とは逆の方向（図に示す音声の到来方向）から到来したとすると、先に説明した音声の場合と同様、騒音も位相差が丁度３６０度となる周波数成分だけが除去され、１８０度となる成分は２倍に増幅されることになる。すなわち、この場合において騒音は十分に減衰しないことになる。
【００１４】
このことをシミュレーションで確認し、騒音の到来方向の違いが性能に及ぼす影響を数値で表すために、騒音低減量と音声の再生歪みを総合的に表す下記数式１を性能指標として導入する。ここで、ｓ（ｊ）
はマイクロホンＢに入力する音声信号、ｅ（ｊ） は減算器（２３０）の出力、 Ｊ＝５０，０００はシミュレーションに用いた信号の総標本数、ｊ は標本番号である。
【数１】
2005086627.tif 000003
【００１５】
また、図４はシミュレーションに用いた音声波形、そして、騒音は以下の伝達関数のフィルタに白色雑音を印加した出力を用いる。すなわち、下記数式２であり、γ＝０．９
、θ＝π／４ とするときに標本化周波数においてジェットファンの騒音に似た周波数特性を与える。
【数２】
2005086627.tif 000004
【００１６】
図５は図４の音声と上記伝達関数のフィルタを用いて発生させた騒音のパワー比を−３ｄＢとしたマイクロホンの入力信号波形である。この波形から分かるように音声はほとんど埋もれていることがわかる。また、図６は、その入力信号に対してマイクロホンの間隔を２標本化周期として実行したシミュレーションの結果である。この結果から騒音が低減され、音声が強調されて取り出されていることがわかる。そして、この結果に対する性能指標は男声と女声に対して３．４２ｄＢ、３．７２ｄＢ
と得られ、この数値は入力信号について同様に計算した性能指標−３ｄＢに対して、６．４２ｄＢ 、６．７２ｄＢ  の性能向上がはかられたことを表している。これに対して、騒音と音声の到来方向を逆に与えると、性能指標は−０．２８ｄＢと−０．６２ｄＢに低下することがシミュレーションによって確認されている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば全方向から到来する不要な信号を抑圧することが可能であり、その一方のセンサーを必要な信号と不要な信号とのパワー比が低い位置に設置することが可能であり、また、それによって抑圧性能を向上させる効果をもつ。ただし、以上の説明はマイクロホンアレーについて行っているけれども、既に指摘したように、指向性を構成するシステムであれば電波に対しても同様のことが成り立つことに注意が必要である。また、そのセンサーの数を２とする必要は全くなく、３以上とすることに不都合がないことにも注意が必要である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
原理の説明を次に行う。
図３の構造をもったマイクロホンアレーが同図に示す音声の方向から騒音が到来した場合に、その騒音に対して死角を向けられない原因は、到来する騒音に関係する騒音再合成フィルタ２２０の出力がマイクロホンＢの出力より減算器２３０において時間的に遅れるからである。図３に示すマイクロホンアレーが騒音に対して死角を向けるようにするためには、騒音再合成フィルタ２２０は到来する騒音に対してシステム同定系を構成する必要がある。
要は、図３のマイクロホンアレーが同図に示す音声の到来方向から入射する信号に対してシステム同定系が構成されるような改良を加えればよい。そのためには、同信号に関係する騒音制御フィルタの出力とマイクロホンＢの出力が減算器１３０の入力において後者が時間的に遅れるようにすればよい。そのもっとも簡単な方法が本発明の構成を示す図１のように単純遅延素子１４０を挿入することである。さらに、この単純遅延素子１４０が与える遅延量をマイクロホンＡとＢの間隔、すなわち、音響信号が同マイクロホン間を伝播する時間以上に与えておけば、全方向から到来する信号に対して減算器１３０において騒音再合成フィルタ１２０の出力の方が遅れ、システム同定系が構成されることになる（請求項１）。
【００１９】
表１は、本発明によって得られる効果をシミュレーションで確認した結果である。
【表１】
2005086627.tif 000005
【００２０】
この表で、ｌｅｆｔと表示しているのは音声が左から到来し、騒音が右から到来した場合の結果であることを表している。逆に、ｒｉｇｈｔ
との表示は音声が右、騒音が左から到来していることを表している。この表１に示す結果から、挿入遅延量を零とした図３の構造では音声が右、騒音が左から到来した場合において音声強調の効果が低くなっていること、しかし、本発明の構造によれば音声強調効果が騒音の到来方向に関係なく得られていること、さらに、挿入遅延量はマイクロホン間の伝播遅延時間（表の例では２標本化周期）以上とすればよいこと示している。また、この挿入によっても音声強調効果がほとんど低下しないことも確認される。
【実施例】
【００２１】
以上に説明した本発明は、マイクロホンの設置位置を任意にできるという図３の装置の特性を保持している。したがって、この特性を利用すれば、例えば、一つのマイクロホンを電話機のハンドセット内の送話器とし、もう一つを電話機の本体に設置する構造が可能になる（請求項３）。この構造では、騒音は全方向から到来する可能性があり、したがって、騒音の到来方向を制限する従来のマイクロホンアレーでは音声強調効果十分には得られない。しかし、本発明によればハンドセットと本体を結ぶ信号線の最大長さから必要な挿入遅延量Ｍが計算され、死角を全方向に設定することが可能となる。さらに、このような構造とした場合、ハンドセットの送話器の近くで採取される音声のパワーの方が電話機本体のマイクロホンで採取される音声のパワーよりもはるかに大きく、その結果として高い音声強調効果が得られる。
【００２２】
あるいは、もう一つのマイクロホンを電話機本体ではなく、ハンドセットの送話器から最も離れた位置におく構造も可能である。この構造は携帯電話機に騒音低減効果を与える場合において効果的である。この場合でも、送話器から遠いマイクロホンでは音声のパワーが少なく、高い音声強調効果が得られる（請求項４）。
【００２３】
表２は、そのようにマイクロホンを設置した場合の音声強調効果を指標Ｖで計算した結果である。
【表２】
2005086627.tif 000006
【００２４】
ただし、設置位置の工夫によってパワー比に差が生じるようにすることによって音声強調効果が増す（請求項２）ことを単純遅延素子の挿入効果と切り離して確認できるように表２のシミュレーションでは遅延素子は挿入されていない。ここで、Ｉｎｔｅｒｖａｌ
は標本化周期で表したマイクロホンの間隔で、Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ は送話器から遠い位置に設置したマイクロホンにおける音声と騒音のパワー比が送話器の位置におけるパワー比との差を表している。例えば、いまの例では送話器においてパワー比を−３ｄＢとしているので、１０ｄＢ
のＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅは送話器から遠い位置に設置したマイクロホンにおけるパワー比は−１３ｄＢであることを表している。また、騒音と音声は図３に示す方向から到来するものとしている。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は扱う信号を音に限定されるものではなく、指向性を構成するシステムであれば電波も同様に可能であり、また、上記の説明ではセンサーとしてマイクロホンアレーを取り上げたが、これをアンテナと置き換えても同様の効果が得られることに注意が必要である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の原理構成図
【図２】マイクロホンアレーの原理を説明する構造を示す図
【図３】従来のマイクロホンアレーの構造
【図４】シュミレーションに用いた音声波形
【図５】騒音に埋もれた音声波形
【図６】騒音低減結果
【符号の説明】
【００２７】
１０１    マイクロホンＢ
１０２    マイクロホンＡ
１１０    線形予測分析回路
１２０    騒音再合成フィルタ
１３０    減算器
１４０    単純遅延素子
２０１    マイクロホンＡ
２０１    マイクロホンＢ
２１０    線形予測分析回路
２２０    騒音再合成フィルタ
２３０    減算器
【図１】
2005086627.tif 000007
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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