(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２人の話者がどのトーク状態となっているかを決定し、前記トーク状態を示す状態情報信号を供給する状態決定手段を備え、デジタル化音声プラスエコー信号を受け取り、遠端話者音声信号を受け取り、エコー抑制出力信号を供給するエコーキャンセラと、
前記状態情報信号に応答するトーン検出器とを具備し、
前記トーン検出器は、
デジタル化音声サンプルを受け取り、前記状態情報信号を受け取る入力手段と、
前記デジタル化音声サンプルを供給し、ＤＴＭＦトーンの選択および期間を示す信号を供給する出力手段と、
ＤＴＭＦトーンを検出するトーン検出手段と、
前記状態情報信号が遠端話者音声のみの状態を示しているときに前記トーン検出手段をディセーブルする制御手段とを含むデジタル電話システムの音声処理用装置。
【請求項２】
前記トーン検出器は、
前記状態情報信号が近端話者音声のみの状態を示しているときに前記トーン検出手段をイネーブルする制御手段をさらに含む請求項１記載の装置。
【請求項３】
エコーキャンセラとデジタル処理素子を具備する音声処理装置中で、前記エコーキャンセラからの状態情報を使用して前記デジタル処理素子の動作を制御する方法において、
複数のトーク状態を示す状態情報信号を前記エコーキャンセラにより発生させるステップと、
前記状態情報信号を使用して前記デジタル処理素子内のトーン検出機能を制御するステップとを含み、
前記制御ステップは、
前記状態情報信号が遠端話者音声のみを示しているときに前記デジタル処理素子内の前記トーン検出機能をディセーブルするステップをさらに含む方法。
【請求項４】
前記制御ステップは、
前記状態情報信号が近端話者音声のみを示しているときに前記デジタル処理素子内の前記トーン検出機能をイネーブルするステップをさらに含む請求項３記載の方法。
【請求項５】
２人の話者がどのトーク状態となっているかを決定し、前記トーク状態を示す状態情報信号を供給する状態決定手段を備え、デジタル化音声プラスエコー信号を受け取り、遠端話者音声信号を受け取り、エコー抑制出力信号を供給するエコーキャンセラと、
前記エコーキャンセラから分離し、前記状態情報信号に応答するノイズ抑制器とを具備し、
前記ノイズ抑制器は、
デジタル化音声サンプルを受け取り、前記状態情報信号を受け取る入力手段と、
ノイズ抑制されたデジタル化音声信号を供給する出力手段と、
バックグランドノイズを抑制するのに使用される推定バックグランドノイズ信号を発生するバックグランドノイズ推定手段と、
前記状態情報信号が遠端話者音声のみを示しているときに前記バックグランドノイズ推定手段をディセーブルする制御手段とを含むデジタル電話システムの音声処理用装置。
【請求項６】
２人の話者がどのトーク状態となっているかを決定し、前記トーク状態を示す状態情報信号を供給する状態決定手段を備え、デジタル化音声プラスエコー信号を受け取り、遠端話者音声信号を受け取り、エコー抑制出力信号を供給するエコーキャンセラと、
前記エコーキャンセラから分離し、前記状態情報信号に応答するノイズ抑制器とを具備し、
前記ノイズ抑制器は、
デジタル化音声サンプルを受け取り、前記状態情報信号を受け取り、前記エコーキャンセラへの入力におけるエコーの存在または不存在を示す信号を受け取る入力手段と、
ノイズ抑制されたデジタル化音声信号を供給する出力手段と、
バックグランドノイズを抑制するのに使用される推定バックグランドノイズ信号を発生するバックグランドノイズ推定手段と、
前記状態情報信号が遠端話者音声のみを示し、前記エコー検出手段がエコーの不存在を示しているときに前記バックグランドノイズ推定手段をイネーブルする制御手段とを含むデジタル電話システムの音声処理用装置。
【請求項７】
２人の話者がどのトーク状態となっているかを決定し、前記トーク状態を示す状態情報信号を供給する状態決定手段を備え、デジタル化音声プラスエコー信号を受け取り、遠端話者音声信号を受け取り、エコー抑制出力信号を供給するエコーキャンセラと、
前記エコーキャンセラから分離し、前記状態情報信号に応答するボコーダのエンコーダとを具備し、
前記ボコーダのエンコーダは、
デジタル化音声サンプルを受け取り、前記状態情報信号を受け取る入力手段と、
減少したデータレートでエンコードされたデジタル音声パケットを供給する出力手段と、
どのレートで前記デジタル化音声サンプルをエンコードするかを決定するのに使用されるしきい値情報を発生するバックグランドノイズ推定手段と、
前記状態情報信号が遠端話者音声のみを示しているときに前記バックグランドノイズ推定手段をディセーブルする制御手段とを含むデジタル電話システムの音声処理用装置。
【請求項８】
前記ボコーダのエンコーダは、
前記状態情報信号が両話者の沈黙を示しているときに前記バックグランドノイズ推定手段をイネーブルする制御手段をさらに含む請求項７記載の装置。
【請求項９】
２人の話者がどのトーク状態となっているかを決定し、前記トーク状態を示す状態情報信号を供給する状態決定手段を備え、デジタル化音声プラスエコー信号を受け取り、遠端話者音声信号を受け取り、エコー抑制出力信号を供給するエコーキャンセラと、
前記エコーキャンセラから分離し、前記状態情報信号に応答する適応イコライザとを具備し、
前記適応イコライザは、
デジタル化音声サンプルを受け取り、前記状態情報信号を受け取る入力手段と、
周波数補償されたデジタル化音声信号を供給する出力手段と、
前記デジタル化音声サンプルのスペクトルコンテンツを推定する周波数推定手段と、
前記状態情報信号が遠端話者音声のみを示しているときに前記周波数推定手段をイネーブルする制御手段とを含むデジタル電話システムの音声処理用装置。
【請求項１０】
エコーキャンセラとデジタル処理素子を具備する音声処理装置中で、前記エコーキャンセラからの状態情報を使用して前記デジタル処理素子の動作を制御する方法において、
複数のトーク状態を示す状態情報信号を前記エコーキャンセラにより発生させるステップと、
前記状態情報信号を使用して前記デジタル処理素子内の、前記エコーキャンセラから分離したノイズ抑制機能を制御するステップとを含み、
前記制御ステップは、
前記状態情報信号が遠端話者音声のみを示しているときに前記デジタル処理素子内の前記ノイズ抑制機能により実行されるバックグランドノイズ推定計算をディセーブルするステップをさらに含む方法。
【請求項１１】
エコーキャンセラとデジタル処理素子を具備する音声処理装置中で、前記エコーキャンセラからの状態情報を使用して前記デジタル処理素子の動作を制御する方法において、
複数のトーク状態を示す状態情報信号を前記エコーキャンセラにより発生させるステップと、
前記状態情報信号を使用して前記デジタル処理素子内の、前記エコーキャンセラから分離したノイズ抑制機能を制御するステップとを含み、
前記制御ステップは、
前記状態情報信号が遠端話者音声のみを示し、かつ、前記エコー存在信号が前記エコーキャンセラへの入力においてエコーが存在することを示しているときに、前記デジタル処理素子内の前記ノイズ抑制機能により実行されるバックグランドノイズ推定計算をディセーブルするステップと、
前記状態情報信号が遠端話者音声のみを示し、かつ、前記エコー存在信号が前記エコーキャンセラへの入力においてエコーが存在しないことを示しているときに、前記バックグランドノイズ推定計算をイネーブルするステップとをさらに含む方法。
【請求項１２】
エコーキャンセラとデジタル処理素子を具備する音声処理装置中で、前記エコーキャンセラからの状態情報を使用して前記デジタル処理素子の動作を制御する方法において、
複数のトーク状態を示す状態情報信号を前記エコーキャンセラにより発生させるステップと、
前記状態情報信号を使用して前記デジタル処理素子内の、前記エコーキャンセラから分離したボコーダのエンコーダ機能を制御するステップとを含み、
前記制御ステップは、
前記状態情報信号が遠端話者音声のみを示しているときに前記デジタル処理素子内の前記ボコーダのエンコーダ機能により実行されるバックグランドノイズ推定計算をディセーブルするステップをさらに含む方法。
【請求項１３】
前記制御ステップは、
前記状態情報信号が両話者の沈黙を示しているときに前記デジタル処理素子内の前記ボコーダのエンコーダ機能により実行されるバックグランドノイズ推定計算をイネーブルするステップをさらに含む請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
エコーキャンセラとデジタル処理素子を具備する音声処理装置中で、前記エコーキャンセラからの状態情報を使用して前記デジタル処理素子の動作を制御する方法において、
複数のトーク状態を示す状態情報信号を前記エコーキャンセラにより発生させるステップと、
前記状態情報信号を使用して前記デジタル処理素子内の、前記エコーキャンセラから分離した前記適応イコライザ機能を制御するステップとを含み、
前記制御ステップは、
前記状態情報信号が近端話者音声のみを示しているときに前記デジタル処理素子内の前記適応イコライザ機能により実行される周波数応答の更新をイネーブルするステップをさらに含む方法。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
Ｉ．発明の分野
この発明はデジタル電話システムに関する。特にこの発明はデジタル電話システムのさまざまな機能ブロックを制御するためにエコーキャンセラからの状態決定を使用する新規かつ改良された方法および装置に関する。
ＩＩ．関連技術の説明
デジタル技術による音声の送信が広まってきており、特にセルラ電話およびＰＣＳアプリケーションにおいて広まってきている。これは次に音声処理技術を改良する関心を生み出している。このような技術の３つには、デジタル電話システムの既存の素子に対して、エコーキャンセラ、ノイズ抑制器、および音声エンコーダ／デコーダすなわちボコーダを追加することが含まれる。
エコーキャンセラは、地上ベース電話ネットワークにおいてインピーダンス不整合により生じる不要なエコー信号を減少させるために、あるいは移動体電話のケースにおいて、“ハンズフリー”電話機のスピーカとマイクロフォンとの間の音響結合により生じるエコーを減少させるために使用される。ボコーダは、データ送信レートおよびその結果として所定の送信チャネルを通して送信される情報量を減少させるために、デジタル信号中の音声の自然な冗長性を取り除くのに使用される。ノイズ抑制器はバックグランドノイズを最小にするために使用される。エコーキャンセラ、ボコーダおよびノイズ抑制器は、現在地上ベースのアプリケーション中および移動体システム中の両方においてデジタルデジタル電話システムで同時に使用されている。
２つのタイプのエコーキャンセラ、すなわちネットワークエコーキャンセラと音響エコーキャンセラがある。典型的なネットワークエコーキャンセラの例は、本発明の譲受人に譲受され、ここに参照として組込まれている、“ネットワークエコーキャンセラ”と題する米国特許第５，３０７，４０５号に開示されている。ネットワークエコーキャンセラは電話ネットワーク中で生成されるエコーをキャンセルする。地上ベースの電話機は２本の電線回線により中央局に接続され、双方向の送信がサポートされる。約３５マイルより遠い通話に対しては、２方向送信は物理的に独立した電線に分離され、これにより４線の電線となる。２線セグメントと４線セグメントとをインターフェイスさせる装置はハイブリッドとして知られている。ハイブリッドにおけるインピーダンス不整合は、ネットワークエコーキャンセラにより取り除かなければならないエコーとなる。音響エコーキャンセラは、電話会議アプリケーションやハンズフリーアプリケーションで使用される。音響エコーキャンセラは、ラウドスピーカとマイクロフォンとの間のフィードバックから生じる音響エコーを除去する。
典型的なデジタル電話システムでは、音声はＡ／Ｄコンバータによりアナログ信号からデジタルＰＣＭサンプルに変換される。典型的な実施形態では、良好な音声品質を維持するために６４ｋｂｐｓのデータレートが選択される。いったん音声信号がデジタル化されると、システム容量の最大化、音声品質強化、ノイズ抑制、送信エラーの最小化のようなある利点を達成するように処理することができる。
音声信号がＰＣＭサンプルに変換された後に、エコーキャンセラにより不要なエコーが取り除かれ、ノイズ抑制器によりバックグランドノイズを最小にすることができ、送信のために変調およびアップコンバートする前にボコーダによりデータ圧縮を実行することができる。可変レートボコーダの例は、本発明の譲受人に譲受され、ここに参照として組込まれている、“可変レートボコーダ”と題する米国特許第５，４１４，７９６号に開示されている。エンコードされた音声信号は、ＴＤＭＡ、ＣＤＭＡあるいはアナログ変調を含む任意の多くの技術により変調することができる。多元接続通信システムにおいてＣＤＭＡ技術を使用することは、本発明の譲受人に譲受され、ここに参照として組込まれている、“衛星または地上の中継器を使用するスペクトル拡散多元接続通信システム”と題する米国特許第４，９０１，３０７号に開示されている。エコーキャンセラをボコーダおよびノイズ抑制器と組み合わせることはある利点を持っているとともにこれに関係する問題を持っている。
デジタル電話システムのフロントエンド電子回路にエコーキャンセラを導入する際の１つの問題は、他の機能ブロックに対するシステム中のエコーキャンセラの位置のために、エコーキャンセラの導入が他の機能ブロックに対する音声信号を変えることである。エコーキャンセラを機能ブロックのチェーン中の最初に配置することにより、ノイズ抑制器とボコーダは、実際のバックグランドノイズ以外のエコーキャンセルされた信号に基づいてバックグランドノイズの計算をしなければならない。エコーキャンセラが音声信号からすべてのエコーを取り除かない場合には、残留エコーがノイズ抑制器とボコーダにより実行されるバックグランドノイズ計算にエラーを生じさせる。
ここでは、移動体ユーザは近端話者として言及し、地上ベースユーザは遠端話者として言及する。典型的なボコーダには、近端話者の音声信号からバックグランドノイズを取り除くことが機能であるノイズ抑制器が含まれている。典型的なノイズ抑制器の例は、モトローラ・インクに譲受され、ここに参照として組込まれている、“ノイズ抑制システム”と題する米国特許第４，８１１，４０４号に開示されている。ノイズ抑制は、近端話者が沈黙している期間中に実際のバックグランドノイズエネルギの推定値を計算することにより実行される。近端話者が沈黙しており、遠端話者が話している場合に問題が生じる。移動体電話では、遠端話者の音声はスピーカからマイクロフォンに音響的に結合することがあり、取り除かれない限り遠端話者に聞こえるエコーとなる。地上ベースシステムでは、先に説明したハイブリッド中のインピーダンス不整合により、近端話者の音声は遠端話者の音声信号に結合することがある。エコーキャンセラはエコーを除去するのに使用されるが、エコーキャンセラの制約により、エコーは完全には取り除かれない。エコーキャンセラの後に配置されるノイズ抑制器は残留エコーをバックグランドノイズとして解釈し、残留エコーに基づいてバックグランドノイズ推定値を更新する。これはバックグランドノイズ推定値にエラーを持ち込み、これはノイズ抑制を低下させる。ボコーダは、システム中の合成ノイズ発生器に対してバックグランドノイズの悪い推定値の提供を受ける欠点がある。さらに、ボコーダのエンコードレートの決定が悪影響を受ける。
したがって、本発明の目的は、近端話者が沈黙し、遠端話者がアクティブであるときに、ノイズ抑制器とボコーダのエンコーダにおけるエラーのあるバックグランドノイズの更新を防止することである。
本発明の他の目的は、エコーキャンセラからの状態決定信号を使用して、トーン検出器、送信ミュート機能、適応イコライザのようなデジタル電話システム内の他の機能素子を制御することである。
発明の要約
本発明はデジタル電話システム内の機能素子の新規で改良された組み合わせである。本発明にしたがうと、エコーキャンセラがボコーダとともに使用される。エコーキャンセラは、ノイズ抑制、ＤＴＭＦトーン検出、送信ミュートおよび音声エンコードのためにボコーダ内のさまざまな機能素子に情報を供給する。エコーキャンセラをボコーダとを組み合わせる直接の利点は、２つの集積回路を１つの集積回路に結合する際の費用、重さ、空間の節約である。
本発明の例示的な実施形態では、エコーキャンセラが使用されて、特に２人がどの音声モードにかかわっているかが決定される。例示的な実施形態では、５つの異なるモードすなわちトーク状態：近端話者の音声のみ、遠端話者の音声のみ、両話者が話している、いずれの話者も話していない、および会話のポーズの直ぐ続く短い時間期間であるハングオーバが可能である。
本発明は、ボコーダ内のいくつかの機能ブロック中でエコーキャンセラの状態決定を使用する。特に重要なことは、ボコーダ内のノイズ抑制機能中で状態決定信号を使用することである。例示的な実施形態では、ノイズ抑制器は入力信号を選択された周波数帯に分割し、各周波数帯に対して信号対ノイズ比を発生し、その後予め定められた利得テーブルにしたがって各周波数帯を増幅することにより動作する。音声／ノイズの決定は次のように実行される。各周波数帯に対する生の信号対ノイズ比推定値が使用され、音声メトリックテーブルをインデックス参照して、各チャネルに対する音声メトリック値が得られる。音声メトリックはチャネルエネルギの全体的な音声状特性の測定値である。個々のチャネル音声メトリック値が合計され、マルチチャネルエネルギパラメータが生成され、その後バックグランドノイズ更新しきい値と比較される。音声メトリック合計がしきい値を満たさない場合には、入力フレームはノイズであると考えられ、バックグランドノイズの更新が実行される。音声メトリック合計が更新しきい値を越える場合には、そのフレームは音声として取扱われ、バックグランドノイズ推定値は更新されない。ノイズ抑制器がエコーキャンセラからの残留エコーをバックグランドノイズとして取扱うと問題が生じることがある。このケースでは、ノイズ推定アルゴリズムは残留エコーに基づいてバックグランドノイズを再計算し、これはノイズの推定を損なう。
本発明はエコーキャンセラから状態情報信号を供給することによりこの問題を取り除き、この状態情報信号は、トークモードが遠端話者のみであると決定されたときにノイズ抑制器中のバックグランドノイズの更新をディセーブルする。エコーキャンセラからの状態情報信号がないと、ノイズ抑制器は、エコーキャンセラからの残留エコー信号に基づいてバックグランドノイズ計算を誤って更新する。
他の実施形態では、エコーキャンセラからの第２の信号がノイズ抑制器に供給され、この第２の信号はエコーキャンセラへの入力において何らかのエコーが実際に存在するか否かを示す。この第２の信号は、状態情報信号が更新をディセーブルするときでさえ、エコーキャンセラにエコーが存在しなければバックグランドノイズ推定がノイズ抑制器中で実行されるようにする。
さらに、本発明では、エコーキャンセラからの状態決定が使用されて、ボコーダ内のトーン検出機能が制御される。トーン検出器はＤＴＭＦトーンに対する送信信号をチェックする。トーンが検出されると、通常の送信信号がミュートされ、シグナリングメッセージが空中に送られてトーンを受信機で発生させる。十分に高い消去レートにより、検出されないくらい十分にボコーダ化トーンを低下させることができることからこのことがなされる。このトーン検出器は、遠端話者のみが話している状態中にエコーキャンセラからの状態決定信号によりディセーブルすることができ、これにより電力が節約される。
さらに、本発明はエコーキャンセラからの状態決定を使用して、ボコーダ内の送信ミュート機能を制御する。送信ミュートはＰＣＭサンプルを合成ノイズで置換し、この合成ノイズは実際のバックグランドノイズのスペクトル特性と一致する。合成ノイズに対するスペクトル情報およびボリューム制御は、ボコーダのエンコーダにより実行される解析により提供される。送信ミュート機能は、エコーキャンセラの状態決定が遠端話者の音声のみを示しているときにイネーブルされる。このように、すべてのエコーが送信信号から除去される。
本発明はまたエコーキャンセラからの状態決定を使用して適応イコライザを制御する。このイコライザは受信された近端話者信号の周波数応答を修正して、送信パス中の周波数応答の低下を補償する。このイコライザは近端話者の音声状態中で送信パスの周波数特性を推定し、この推定を使用して全体的な周波数応答を所要の特性に形成するフィルタを構成する。受信した周波数応答のこの推定はエコー信号の存在により損なわれるので、エコーキャンセラは近端話者のみの音声状態中だけイコライザが周波数応答のその推定を更新できるようにする。
最後に、本発明はエコーキャンセラからの状態決定を使用して、ボコーダのエンコーダにより実行されるバックグランドノイズの推定機能を制御する。このバックグランドノイズの推定は、先に説明した送信ミュートブロックにより使用されるべき合成ノイズ情報を発生し、どのレートでエンコードするのかを決定するのに使用されるしきい値情報を発生するために実行される。目的は合成ノイズをノイズが抑制された実際のバックグランドノイズと一致させて、合成ノイズが置換されている期間に遠端の聞き手が気づかないようにすることである。バックグランドノイズ計算はエコーキャンセラからの状態情報をバックグランドノイズ推定機能に供給することにより強化される。エコーキャンセラは合成ノイズの置換期間中にバックグランドノイズ推定をディセーブルして、バックグランドノイズの更新が合成ノイズ上で実行されないようにする。
【図面の簡単な説明】
本発明の特徴および効果は、以下の図面とともに詳細な説明を読むことからさらに明白になるであろう。図面において、同じ参照文字は同様な構成要素を識別している。
図１は、移動体デジタル電話機の機能ブロック図である。
図２は、エコーキャンセラとボコーダの機能ブロック図である。
図３は、エコーキャンセラの機能ブロック図である。
図４は、ノイズ抑制器の機能ブロック図である。
図５は、トーン検出器の機能ブロック図である。
図６は、送信ミュートプロセッサの機能ブロック図である。
図７は、ボコーダのエンコーダの機能ブロック図である。
好ましい実施形態の詳細な説明
図１は、デジタルセルラすなわちＰＣＳ電話機の全体的なブロック図である。説明を簡単にするために、素子のサブセットのみが示されている。デジタルセルラ電話機は、マイクロフォン４とスピーカ２を含むハンドセット６と、アナログデジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ８と、エコーキャンセラ１０と、ボコーダ１２と、トランシーバ１４と、アンテナ１６から構成されている。さまざまな動作素子の配置または位置が単に変更されているシステムに対して他のアーキテクチャーを使用してもよいことも理解すべきである。
送信中、近端話者の音声はハンドセット６に設けられているマイクロフォン４により受け取られる。近端話者の音声信号は、マイクロフォン４により、図１において示されているような項ｖ（ｔ）により表される電気音響信号に変換される。受け取られた遠端話者の音声信号ｘ（ｔ）は、未知のエコーチャネル７を通る際にモデル化されてエコー信号ｙ（ｔ）が生成され、加算器５において音声信号ｖ（ｔ）に音響結合される。加算器５の出力は合成された音声／エコー信号ｖ（ｔ）＋ｙ（ｔ）として示されている。未知のエコーチャネル７と加算器５は、システム自体の素子に含まれておらず、むしろマイクロフォン４とスピーカ２が物理的に近接することから生じる寄生的な結果である。
その後音声／エコー信号ｖ（ｔ）＋ｙ（ｔ）は、アナログデジタルコンバータ８によりアナログ信号からＰＣＭサンプルに変換される。例示的な実施形態では、ＰＣＭサンプルは６４ｋビット／秒のレートでＡ／Ｄコンバータ８により出力され、図１に示されているような信号ｓ（ｎ）により表される。
エコーキャンセラ１０はデジタル化された音声／エコー信号ｓ（ｎ）からエコー信号ｙ（ｔ）を取り除く。例示的な実施形態では、エコーキャンセラ１０は先に言及した米国特許第５，３０７，４０５号において説明されているエコーキャンセラにしたがって動作する。例示的な実施形態では、エコーキャンセラ１０は、異なるいくつかのトーク状態のいずれと話者がかかわっているかを決定することによりエコーキャンセルを実行し、トーク状態は近端話者の音声のみ、遠端話者の音声のみ、近端話者および遠端話者の音声が同時、いずれの話者も話していない、あるいはハングオーバである。いったんエコーキャンセラ１０によりトーク状態が決定されると、エコー信号ｙ（ｎ）の推定値がデジタル化された音声／エコー信号ｓ（ｎ）から取り除かれる。エコー信号は完全に除去できないことから、残留エコーがデジタル化音声信号の一部として残る。このエコーがキャンセルされた音声信号ｓ’（ｎ）はその後ボコーダ１２により処理される。例示的な実施形態では、ボコーダ１２は先に言及した米国特許第５，４１４，７９６号において説明されているような可変レートコード励起線形予測（ＣＥＬＰ）ボコーダである。例示的な実施形態では、ボコーダ１２は先に言及した米国特許第４，８１１，４０４号において詳細に説明されているようなノイズ抑制システムとともに動作する。
ボコーダ１２は、これに限定されないが、音声圧縮、ノイズ抑制、送受信ボリューム制御、ＤＴＭＦトーン検出、送信ミュートを含む、いくつかの機能を信号ｓ’（ｎ）に実施する。本発明では、ボコーダ１２は、バックグランドノイズ推定値を更新する時を決定するアルゴリズムにおいて、図１に“状態情報”として示されている、エコーキャンセラ１０からの状態決定結果を使用する。エコーキャンセラ１０とボコーダ１２のさらなる詳細は図２に示されており、後でさらに詳細に説明する。
その後ボコーダ化された音声信号ｓ”（ｎ）はトランシーバ１４に供給され、ここで、コード分割多元接続（ＣＤＭＡ）、時分割多元接続（ＴＤＭＡ）、周波数分割多元接続（ＦＤＭＡ）あるいはアナログ変調のような予め定められた変調フォーマットにしたがって変調される。例示的な実施形態では、トランシーバ１４は、先に言及した米国特許第４，９０１，３０７号において説明されているようなＣＤＭＡ変調フォーマットにしたがって信号を変調する。その後トランシーバ１４は変調信号をアップコンバートして増幅する。その後変調信号はアンテナ１６を通して（図示されていない）基地局トランシーバに送信される。
同様な逆のプロセスが受信音声に対して生じる。ＣＤＭＡ変調信号はアンテナ１６において受信され、トランシーバ１４に供給される。トランシーバ１４は受信信号を増幅し、ダウンコンバートし、復調する。例示的な実施形態では、トランシーバ１４は、先に言及した米国特許第５，１０３，４５９号および第４，９０１，３０７号において説明されているようなＣＤＭＡ復調フォーマットにしたがって受信信号を復調する。復調された信号ｚ”（ｎ）はボコーダ１２に供給される。
例示的な実施形態では、ボコーダ１２は、１２００−９６００ｂｐｓの範囲からのデータレートで２０ｍ秒毎にエンコードされた可変長データパケットを受け取る。ボコーダ１２は先に言及した米国特許第５，４１４，７９６号にしたがってパケットを６４ｋｂｐｓＰＣＭサンプルにデコードする。その後、デコードされた信号ｚ’（ｎ）はエコーキャンセラ１０に供給され、ここで、所要の音声信号から不要なエコー信号ｙ（ｔ）を取り除くための基準として使用される。エコーキャンセラ１０から出力されるデコードされた信号は図１でｚ（ｎ）として示されている。
最後にデコードされた信号ｚ（ｎ）はＡ／Ｄコンバータ８によりアナログ波形に変換され、スピーカ２を使用して遠端話者の音響音声に変換され、ハンドセット６に供給される。
図２はエコーキャンセラ１０とボコーダ１２の機能ブロック図である。例示的な実施形態では、エコーキャンセラ１０とボコーダ１２は、マサチューセッツ洲、ノーアウッドのアナログデバイス社により製造されているデジタル信号プロセッサのＡＤＳＰ−２１００シリーズのモデルＡＤＳＰ−２１８１のようなデジタルプロセッサの形態で構成される。ここでの教示にしたがって機能するように他のデジタル信号プロセッサをプログラムしてもよいことを理解すべきである。代わりに、エコーキャンセラ１０とボコーダ１２の他の構成は、ディスクリートプロセッサまたは特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）の形態で構成してもよい。ボコーダ１２は図２に示されている機能ブロックの任意の組み合わせを使用して構成できることも理解すべきである。
送信中、デジタル化された音声／エコー信号ｓ（ｎ）は、Ａ／Ｄコンバータ８からＴｘＰＣＭフィルタ５２により受け取られる。エコーキャンセラ１０はＤＣ成分を合成できないことから低い周波数成分がフィルタアウトされる。フィルタされた信号はエコーキャンセラ１０内の加算器３２に供給され、ここで、このフィルタされた信号から推定されたエコー信号ｙ’（ｎ）が減算される。推定されたエコー推定信号ｙ’（ｎ）は、エコーキャンセラ１０内で実行される適応フィルタ動作を使用して、受信されたデジタル音声信号ｚ’（ｎ）を処理することにより生成される。エコーキャンセラ１０の例は、先に言及した米国特許第５，３０７，４０５号に開示されている。エコーキャンセラ１０の詳細は後で詳細に説明する。
エコーキャンセラ１０により生成される出力には、所要のデジタル化音声信号プラスエコーキャンセル処理から残された残留信号が含まれている。エコーキャンセラがデジタル化音声信号からすべてのエコーを完全に取り除くことができないことから残留信号が存在する。
その後出力信号はトーン検出器３４に供給され、ここで、信号にＤＴＭＦトーンが含まれているか否かを見るためのチェックがなされる。信号にＤＴＭＦトーンが含まれている場合には、トーン検出器３４によりＴｘミュート４２が起動され、トランシーバ１４はＤＴＭＦトーン信号を送るように命令される。計算を節約するために、トーク状態が遠端話者のみあるいは両話者沈黙であるとエコーキャンセラ１０が決定した場合には、トーン検出器３４はバイパスされる。
電話機では、その後エコーキャンセラ１０からの出力信号はノイズ抑制器３８により処理され、ノイズ抑制器３８は多量のバックグランドノイズを減衰させる。代わりに、基地局では、ノイズ抑制器３８の代わりに適応イコライザが使用されて、近端ユーザからのデジタル化音声信号の周波数コンテンツが動的に制御される。適応イコライザの例は、本発明の譲受人に譲受され、ここに参照として組込まれている、“適応イコライジングを実行する方法および装置”と題する１９９５年４月２８日出願の留保中の米国特許出願０８／９５３，１０２号に開示されている。この米国特許出願は０８／４５６，２７７号のファイルラッパー継続出願である。ノイズ抑制器３８の例は、先に言及した米国特許第４，８１１，４０４号に開示されている。米国特許第４，８１１，４０４号に開示されているもの以外のノイズ抑制器３８の他の構成を使用してもよいことを理解すべきである。
ノイズ抑制器３８は、入来信号のスペクトル特性を測定することによりバックグランドノイズ特性の推定値を更新する。本発明はエコーキャンセラ１０から状態決定信号を供給して、バックグランドノイズ推定値の更新決定を促進する。バックグランドノイズ推定値の更新をイネーブルおよびディセーブルする際にエコーキャンセラが援助できるようにすると、後で明らかにするような顕著な効果が提供される。
その後ノイズ抑制器３８からのノイズが抑制された音声信号はＴｘミュート４２に供給され、このＴｘミュート４２はイネーブルされているときにデジタル化音声信号を合成されたノイズに代え、例示的な実施形態では、この合成されたノイズは実際のバックグランドノイズのスペクトル特性と一致する。Ｔｘミュート４２がディセーブルされている場合には、音声信号はボコーダのエンコーダ４４に供給され、変更されない。Ｔｘミュート４２は、遠端話者のみが話している状態中にエコーキャンセラ１０によりイネーブルされる。
その後音声信号はＴｘミュート４２からボコーダのエンコーダ４４に送られる。ボコーダのエンコーダ４４とボコーダのデコーダ４６の例は、先に言及した米国特許第５，４１４，７９６号に開示されている。例示的な実施形態では、ボコーダのエンコーダ４４は６４ｋｂｐｓでデジタル化音声サンプルを受け入れ、これを圧縮して減少されたデータレートを達成する。これは音声に内在する自然な冗長性のすべてを取り除くことにより達成される。この技術の基礎は、ＬＰＣフィルタと呼ばれるフィルタのパラメータを計算することであり、このＬＰＣフィルタは人間の声道のモデルを使用して音声波形の短期予測を実行する。さらに、音声のピッチに関係する長期の影響はピッチフィルタのパラメータを計算することによりモデル化され、これは本質的に人間の声帯をモデル化する。最後にこれらのフィルタを励起させなければならず、これは、波形が先に言及した２つのフィルタを励起したときにコードブック中の多数のランダムな励起波形のうちのどれが元の音声に最も近い近似となるかを決定することによりなされる。バックグランドノイズ推定はボコーダのエンコーダ４４内でも実行され、ボコーダのエンコーダ４４は沈黙期間中のバックグランドノイズのエネルギを推定する。バックグランドノイズ推定値は実際のバックグランドノイズにおいてのみ更新されるべきであることから、エコーキャンセラ１０からの状態情報信号を使用して、近端話者と遠端話者の両者が沈黙している時を決定することが好ましい。エコーキャンセラ１０からのこの情報がない場合には、バックグランドノイズ推定値は合成されたノイズがＴｘミュート４２により供給されるときでさえ更新されるかもしれず、このことは望ましいことではない。ボコーダのエンコーダ４４のさらなる詳細は後に提供する。
受信方向では、再度図２を参照すると、データがトランシーバ１４から受け入れられ、ボコーダのデコーダ４６により処理される。例示的な実施形態では、ボコーダのデコーダ４６は、１２００−９６００ｂｐｓの範囲からの、あるいは１２００−１３０００ｂｐｓの範囲からのデータレートで可変長データパケットを受け入れ、先に言及した米国特許第５，４１４，７９６号において説明され、ｚ’（ｎ）として示されている６４ｋｂｐｓＰＣＭサンプルを生成する。その後これらのＰＣＭサンプルはエコーキャンセラ１０を通してＡ／Ｄコンバータ８にルーティングされる。ｚ’（ｎ）はまた、Ｔｘ方向のエコーをキャンセルするための基準信号としてエコーキャンセラ１０により使用される。Ｒｘ方向のエコーキャンセラ１０の出力はｚ（ｎ）として示されている。
本発明をさらによく理解するためには、さまざまな機能ブロックの動作知識が必要である。図３はエコーキャンセラ１０の詳細なブロック図である。エコーキャンセラ１０の例は、先に言及した米国特許第５，３０７，４０５号において開示されている。例示的な実施形態では、エコーキャンセラ１０は、本質的に、先に説明した５つの異なるトーク状態のそれぞれに対する機能を規定する状態マシーンであることを理解すべきである。
図３では、図２に対するものと同様に、移動局からの音声信号は近端話者の音声ｓ（ｎ）としてラベルが付されている一方、ＲｘＰＣＭフィルタ５０からの遠端話者の音声信号はｚ’（ｎ）としてラベルが付されている。ｚ’（ｎ）は可変利得ステージ１７０により増幅され、加算器５においてｓ（ｎ）に結合され、未知のエコーチャネル７を通るときにモデル化される。低周波数バックグランドノイズを取り除くために、エコー信号ｙ（ｎ）と近端話者の音声信号ｓ（ｎ）の合計はＴｘＰＣＭフィルタ５２によりハイパスフィルタ処理され、信号ｒ（ｎ）が生成される。信号ｒ（ｎ）は１つの入力として、加算器３２および１５０、ならびに制御ユニット１５２のそれぞれに供給される。
入力遠端話者音声ｚ’（ｎ）は可変利得ステージ１７０に供給され、その後１組のトランスバーサル適応フィルタ（イニシャルフィルタ１５６、状態フィルタ１５８、およびエコーキャンセラフィルタ１６０）への入力のためにバッファ１５４に記憶され、そして制御ユニット１５２に記憶される。
エコーキャンセラ１０の通常の動作の期間中は、信号
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が状態フィルタ１５８から加算器１５０の１つの入力に出力され、ここで、この信号
0004522497.tif 000003
は信号ｒ（ｎ）から減算される。加算器１５０から結果として得られる出力は信号ｅ1（ｎ）であり、この信号ｅ1（ｎ）は制御ユニット１５２に出力される。エコーキャンセラフィルタ１６０の出力、エコーレプリカ信号
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は、フィルタスイッチ１６２を通して加算器３２の１つの入力に供給され、ここで、この
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は信号ｒ（ｎ）から減算される。加算器３２から出力される結果として得られるエコー残留信号ｅ（ｎ）は、制御ユニット１５２への入力としてフィードバックされる。加算器３２からの出力としてのエコー残留信号ｅ（ｎ）は、ｓ’（ｎ）として示されているエコーキャンセラ１０の出力として直接に、あるいは示されていない付加的な処理素子を通して供給されてもよい。
大きなバックグランドノイズレベルが状態決定と干渉するのを防止するために、エコーキャンセラ１０は信号ｚ’（ｎ）とｅ（ｎ）に差動エネルギアルゴリズムを実行する。このアルゴリズムはバックグランドノイズレベルを継続的に監視し、これを信号エネルギと比較して話者が話しているか否かを決定する。３つのしきい値、Ｔ1（Ｂi）、Ｔ2（Ｂi）およびＴ3（Ｂi）が最初に計算され、これらはバックグランドノイズレベルＢiの関数である。信号ｘ（ｔ）の信号エネルギが３つすべてのしきい値を越える場合には、話者は話していると決定される。信号エネルギがＴ1とＴ2を越えるが、Ｔ3を越えない場合には、話者はおそらくワード“ｓｐｅｅｄ”中の“ｓｐ”音のような無声音を発音していると決定される。信号エネルギが３つすべてのしきい値よりも小さい場合には、話者は話していないと決定される。
図３に図示されているように、２つの独立した適応フィルタ、フィルタ１５８および１６０が未知のエコーチャネルを追跡する。フィルタ１６０は実際のエコーキャンセルを実行する一方、フィルタ１５８は制御ユニット１５２により使用されてエコーキャンセラ１０がいくつかある状態のうちどの状態で動作しているべきであるかを決定する。この状態情報は、トーン検出器３４、ノイズ抑制器／適応イコライザ３８、Ｔｘミュート４２、ボコーダのエンコーダ４４を含む、ボコーダ１２内のさまざまな機能ブロックに供給される。
図４は、ノイズ抑制器３８の機能ブロックである。ノイズ抑制器３８の例は、先に言及した米国特許第４，８１１，４０４号において開示されている。米国特許第４，８１１，４０４号に開示されているもの以外のノイズ抑制器３８の他の構成を使用してもよいことを理解すべきである。ノイズ抑制システムには、選択された周波数チャネルを表す複数の予め処理された信号に入力信号を分離するメカニズム２１０と、それぞれ個々のチャネル中の信号対ノイズ比（ＳＮＲ）の推定値を発生するメカニズム３１０と、各周波数チャネル中のノイズエネルギを計算するメカニズム８３０と、チャネルＳＮＲ推定値に応答して、特定の利得テーブルから複数の利得値のうちの１つを自動的に選択することにより、それぞれ個々のチャネルに対する利得値を生成するメカニズム５９０と、選択された利得値に応答して複数の予め処理された信号のそれぞれの利得を修正して、複数の後処理ノイズ抑制出力信号を供給するメカニズム２５０と、後処理信号を合成して時間領域のＰＣＭデータに戻すメカニズム２６０が含まれている。音声メトリック計算器８１０が使用されて音声／ノイズ決定プロセスが実行される。最初に、チャネルＳＮＲ推定器３１０からの生のＳＮＲ推定値が使用され、音声メトリックテーブルをインデックス参照して、各チャネルに対する音声メトリック値が得られる。音声メトリックはチャネルエネルギの全体的な音声状特性の測定値である。個々のチャネル音声メトリック値は合計され、第１のマルチチャネルエネルギパラメータが生成され、その後しきい値比較器８２０中でバックグランドノイズ更新しきい値と比較される。音声メトリック合計がしきい値を越えない場合には、入力フレームはノイズであると考えられ、ノイズエネルギ計算器８３０をイネーブルして各チャネル中のノイズエネルギを再計算させることによりバックグランドノイズの更新が実行される。推定されたノイズエネルギが利得テーブル５９０により使用されて、各チャネルに対して適切な利得が選択される。音声メトリック合計が更新しきい値を越える場合には、そのフレームは音声フレームであると考えられ、ノイズエネルギ計算器８３０がノイズエネルギ推定値を更新しないようにディセーブルされる。本発明はエコーキャンセラ１０から付加的なイネーブル信号を供給し、このイネーブル信号は、遠端話者の音声のみが生じていることをエコーキャンセラ１０が決定したときにノイズエネルギ計算器８３０をディセーブルにする。このイネーブル信号はしきい値比較器８２０からイネーブル信号に優先する。すなわち、ノイズエネルギ計算器８３０がエコーキャンセラ１０からの信号によりディセーブルされた場合に、しきい値比較器８２０からのイネーブル信号が供給された場合にでもノイズエネルギ計算器８３０はディセーブルされたままである。この方法でエコーキャンセラ１０からの状態情報を使用すると、バックグランドノイズ推定値が誤って更新されるのを防止する。
第２の実施形態では、エコーキャンセラ１０はイネーブル信号をエネルギ計算器８３０に供給し、このイネーブル信号は、両話者が沈黙しているとトーク状態が決定されたときにバックグランドノイズ推定をイネーブルにする。エコーキャンセラ１０からのイネーブル信号がない場合には、バックグランドノイズの更新は生じない。
第３の実施形態では、エコーキャンセラからの第２の信号がノイズ抑制器に供給され、この第２の信号は何らかのエコーが実際にエコーキャンセラへの入力に存在しているか否かを示している。図４に示されているように、第２の信号は“エコー存在？”としてラベルが付されており、状態情報信号が更新をディセーブルにするにもかかわらず、エコーキャンセラへの入力にエコーが存在しない場合にはバックグランドノイズ推定が実行できるようにする。この実施形態は、遠端話者の音声が送信信号にエコーを導入せずに遠端話者のみが話している状態の間にバックグランドノイズ推定値を更新することが望ましい場合に必要となる。
基地局では、ノイズ抑制器３８の代わりに適応フィルタが使用される。適応フィルタの目的は近端話者の音声を変化させて、近端話者から遠端話者への送信における周波数の質低下を補償することである。適応フィルタ係数は近端話者音声のみの期間中に更新される。エコーキャンセラ１０からの状態情報を使用して、近端話者のみの音声を検出したときにこの更新をイネーブルすることができる。
エコーキャンセラ１０により供給される状態決定情報はトーン検出器３４を制御するのにも使用される。図５に示されているように、トーン検出器３４は１つの機能ブロック、ＤＴＭＦトーン検出器７０から構成されている。例示的な実施形態では、ＰＣＭエンコードデータが６４ｋｂｐｓでＤＴＭＦトーン検出器７０により受け取られ、ここで、データの１０５フレーム毎に処理される。ＤＴＭＦトーン検出器７０は、“ＷＥ  ＤＳＰ１６デジタル信号プロセッサを使用するデュアルトーンマルチ周波数受信機”と題するＡＴ＆Ｔアプリケーションノートで特定されている周波数およびオフセットテストとともにＧｏｅｒｔｚｅｌアルゴリズムを使用して、ＤＴＭＦトーンが存在するか否かを決定する。ＧｏｅｒｔｚｅｌアルゴリズムとＡＴ＆Ｔアプリケーションノートはともに当業者によく知られている。ＤＴＭＦトーンが検出されると、ＤＴＭＦトーン検出器７０により信号がＴｘミュート４２に送られ、この信号はＴｘミュート４２に命令してＤＴＭＦトーンを合成されたノイズで置換させる。ＤＴＭＦトーン間のポーズ中にノイズ抑制器３８によりいまだにバックグランドノイズ推定値を更新することができることから、ＰＣＭデータが後でミュートされるとしても、その後ＰＣＭデータは変更されずにノイズ抑制器３８に送られる。
遠端話者の音声だけが発生しているかあるいは両話者が沈黙していることをエコーキャンセラ１０が決定した場合には、エコーキャンセラ１０からの状態情報が使用されてＤＴＭＦトーン検出器７０がディセーブルされる。これは処理能力の節約になる。ＤＴＭＦトーン検出器７０がディセーブルされると、エコーキャンセラ１０からのＰＣＭデータは変更されずにノイズ抑制器３８に供給される。
第２の実施形態では、近端話者の音声だけが発生していることをエコーキャンセラ１０が決定した場合には、エコーキャンセラ１０からの状態情報が使用されてトーン検出器７０がイネーブルされる。他のすべてのトーク状態に対しては、トーン検出器７０はディセーブルされる。
エコーキャンセラ１０からの状態決定信号が使用されて、Ｔｘミュート４２も制御される。図６に示されているように、ＰＣＭデータはスイッチ７６により受け取られる。エコーキャンセラ１０が遠端話者の音声のみを検出した場合には信号がスイッチ７６に送られ、この信号はＰＣＭデータを合成ノイズ発生器７４からの合成されたノイズで置換する。合成ノイズ発生器７４はボコーダのエンコーダ４４からのＬＰＣパラメータとボリューム情報を使用して、実際のバックグランドノイズのスペクトル特性に一致させる。ＬＰＣパラメータとボリューム制御情報の説明は後で行う。ミュートが生じない場合にはＴｘミュート機能はバイパスされ、ＰＣＭデータは変更されずにボコーダのエンコーダ４４に送られる。
エコーキャンセラ１０の状態決定機能が使用されて、ボコーダのエンコーダ４４も制御される。ボコーダのエンコーダ４４の機能ブロック図は図７に示されている。Ｔｘミュート４２からのＰＣＭデータは音声アクティビィティ検出器８０としきい値発生器７８に供給される。音声アクティビィティ検出器８０はＰＣＭデータ信号の音声アクティビィティ量を計算する。近端話者が話しているときには音声アクティビィティは相対的に高い。近端話者が沈黙またはワード間で短いポーズをしている期間の間は、音声アクティビィティは相対的に低い。しきい値発生器７８は、ノイズ抑制されたＰＣＭデータのバックグランドノイズレベルに基づいて３つのしきい値レベルを計算する。音声アクティビィティ検出器８０が最小レベルの話者アクティビィティを決定する毎にしきい値レベルが更新される。しかしながら、トーク状態が遠端話者の音声のみであることをエコーキャンセラ１０からの状態決定が示した場合には、エコーキャンセラ１０からの状態決定信号はしきい値発生器７８に供給され、しきい値発生器７８はバックグランドノイズの更新をディセーブルする。先に説明したように、近端話者が沈黙しているときにはＴｘミュート４２において、合成されたノイズが実際のデータ信号と置換することから、この状況ではバックグランドノイズの更新を防止する必要がある。合成されたノイズに基づいてバックグランドノイズ推定信号を更新することは好ましくない。
第２の実施形態では、エコーキャンセラ１０はイネーブル信号を供給し、この信号はしきい値発生器７８をイネーブルして、両話者が沈黙しているとトーク状態が決定されたときにバックグランドノイズ推定を実行させる。この実施形態では、エコーキャンセラ１０によりイネーブル信号が供給されない限り、バックグランドノイズの更新は実行されない。
先に説明した３つの計算しきい値はしきい値比較器８２に送られ、ここで、この３つの計算しきい値はエンコードレートの決定に対する基礎を形成する。音声アクティビィティレベルはフレーム毎にこれらのしきい値と比較される。例示的な実施形態では、各フレームには１６０サンプル、すなわち２０ｍ秒のデータが含まれている。ＰＣＭデータの任意のフレーム中の音声アクティビィティエネルギが最高のしきい値を越えた場合には、近端話者が話していると決定され、そのフレームはマルチプレクサ８４によりマルチプレクスされ、ＣＥＬＰ８６を使用してフルレートでエンコードされる。任意のフレーム中の音声アクティビィティエネルギが最低のしきい値よりも少ない場合には、そのフレームはマルチプレクサ８４によりマルチプレクスされ、ＣＥＬＰ９２を使用して１／８レートでエンコードされる。任意のフレーム中の音声アクティビィティエネルギが最高のしきい値と最低のしきい値の間に入る場合には、そのフレームはＣＥＬＰ８８およびＣＥＬＰ９０を使用してそれぞれ１／２または１／４レートでエンコードされる。ＣＥＬＰ処理ブロック８６ないし９２の各出力は後処理素子９４に供給され、ここで、各出力は合成されて例示的な実施形態では、１．２ｋｂｐｓと９．６ｋｂｐｓとの間の可変データレート信号が生成される。後処理素子９４の出力は（図示されていない）制御マイクロプロセッサに送られる。
好ましい実施形態の先の説明は当業者が本発明を作り、使用することができるように提供されている。これらの実施形態に対するさまざまな修正は当業者に容易に明らかになるであろう。ここに規定されている一般的な原理は発明力を用いることなく他の実施形態に適用することができる。したがって、本発明はここに示されている実施形態により限定されることを意図しているものでなく、ここに開示されている原理および新規な特徴と矛盾しない最も広い範囲にしたがうことを意図している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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