(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
受信回路が、
受信された音声信号を、800Hz〜1.2kHzの間の周波数と、2.4kHz〜3.2kHzの間の周波数とで分割して上記受信された音声信号の第１〜第３のフォルマント成分を出力する第１〜第３のフィルタと、
これら第１〜第３のフィルタから出力される上記第１〜第３のフォルマント成分がそれぞれ供給される第１〜第３の非線形回路と、
これら第１〜第３の非線形回路の出力信号を音声信号に再合成して出力する第１の加算回路と
を有し、
送信回路が、
送信される音声信号を、800Hz〜1.2kHzの間の周波数と、2.4kHz〜3.2kHzの間の周波数とで分割して上記送信される音声信号の第１〜第３のフォルマント成分を出力する第４〜第６のフィルタと、
これら第４〜第６のフィルタから出力される上記第１〜第３のフォルマント成分がそれぞれ供給される第４〜第６の非線形回路と、
これら第４〜第６の非線形回路の出力信号を音声信号に再合成して出力する第２の加算回路と
を有し、
上記第１〜第６の非線形回路は、どれもその入出力特性に、
レベル圧縮範囲とレベル伸長範囲とクリップ範囲と
を有し、
上記レベル圧縮範囲は上記入力された音声信号のレベル範囲に設定され、
上記レベル伸長範囲は上記レベル圧縮範囲よりも小さい入力レベル範囲に設定され、
上記クリップ範囲は、上記レベル圧縮範囲よりも大きい入力レベル範囲で出力レベルの制限を行う特性とされ、
受聴者が音量の調整をしたとき、上記レベル圧縮範囲と上記レベル伸長範囲との境界の出力レベルが変化しないように、かつ、上記レベル圧縮範囲においてのみ入力レベルが、上記第１〜第３の非線形回路と、上記第４〜第６の非線形回路とで互いに逆方向に変化するように、上記入出力特性を制御する
ようにした音声信号の処理回路。
【請求項２】
請求項１に記載の音声信号の処理回路において、
上記レベル圧縮範囲および上記クリップ範囲の出力レベルの上限が、上記受聴者の不快閾値を越えない範囲で可変である
ようにした音声信号の処理回路。
【請求項３】
請求項２に記載の音声信号の処理回路において、
上記入力された音声信号が供給されてこの音声信号のピッチ周波数の成分を検出する検出回路と、
この検出回路の検出出力から所定の制御信号を形成する形成回路と
を有し、
この制御信号により上記第１〜第３のフィルタのカットオフ周波数を制御して上記第１〜第３のフィルタから上記第１〜第３のフォルマント成分を取り出す
ようにした音声信号の処理回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この本発明は、例えば有線電話や無線電話のような音声通信の分野などで使用して好適な音声信号の処理回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
音声信号が、電話回線のようにダイナミックレンジがあまり広くない伝送系や再生系を通過すると、その音声信号から再生される音声の明瞭度は低下してしまう。また、難聴者のように受聴可能なダイナミックレンジの狭い者も、音声に対する明瞭度が低下している。
【０００３】
そこで、そのような場合に、明瞭度を改善する方法として、音声信号の小振幅部分を伸長し、大振幅部分を圧縮やクリップする方法が考えられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のような振幅処理では、音声信号の振幅を、受信側（受話側）のダイナミックレンジに対応するように変更しているだけなので、次のような問題を生じてしまう。
【０００５】
すなわち、本来の音声波形は広いダイナミックレンジをもっていて、例えば図３Ａに示すような波形をしている。そして、このような音声波形のうち、振幅の小さい部分は、難聴者や騒音環境にいる受聴者には聞こえないので、その振幅の小さい部分が必要な大きさになるように全体を増幅するとともに、そのとき、レベル圧縮やピーククリップを行っている。
【０００６】
図３Ｂは、その増幅およびピーククリップ後の音声波形を示すもので、図３Ａの音声波形と比べると、許容振幅レベルが同じなら図３Ｂの音声波形がより多くの音声エネルギを受聴者の耳に入力できることがわかる。
【０００７】
しかし、図３ＡおよびＢの各音声波形を拡大してみると、図４ＡおよびＢに示すようになる（図４Ａは図３Ａの一部を拡大し、図４Ｂは図３Ｂの一部を拡大したもの）。
【０００８】
そして、この図４ＡおよびＢによると、処理前の声波形（図４Ａ）では、第１フォルマント成分に第２フォルマント成分が乗っているが、処理後の音声波形  （図４Ｂ）では、クリップのため第２フォルマント成分のない区間を生じている。
【０００９】
このように、音声信号の振幅を単純に変更するだけでは、次のような問題を生じてしまう。
【００１０】
１．音声信号は、ピッチ周波数成分および第１フォルマント成分の振幅が大きいので、音声信号の振幅を単純に圧縮すると、第１フォルマント成分の波形に乗っている第２フォルマント成分、第３フォルマント成分および子音成分がより大きく振幅圧縮あるいはクリップされてしまう。そして、この結果、第２フォルマント成分、第３フォルマント成分および子音成分の割り合いが大きく変化したり、第２および第３フォルマント成分の周波数が変化したりするので、言語中枢での解折に混乱が生じ、明瞭度が低下する。
【００１１】
２．音声信号に振幅圧縮あるいはクリップを行うと、歪み成分を生じ、これが音声のフォルマント構造や子音の周波数構造を乱すので、やはり言語中枢での解析に混乱が生じ、明瞭度が低下する。
【００１２】
３．騒音レベルが大きいところで電話機を使用すると、送話器からの音声信号に騒音の信号が混ざり、その騒音の信号も大きく増幅されて送られてしまうので、相手にとってうるさいだけでなく、送話者にも回線から戻ってくる側音がうるさく聞こえてしまう。
【００１３】
４．騒音レベルが大きいところで電話機を使用するとき、受話音が騒音でマスクされないようにレベル圧縮増幅すると、相手の環境騒音や側音として戻ってくる雑音もレベル圧縮増幅されてしまうので、音声を聞きにくくなってしまう。
【００１４】
この発明は、以上のような問題点を解決しようとするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明においては、
受信回路が、
受信された音声信号を、800Hz〜1.2kHzの間の周波数と、2.4kHz〜3.2kHzの間の周波数とで分割して上記受信された音声信号の第１〜第３のフォルマント成分を出力する第１〜第３のフィルタと、
これら第１〜第３のフィルタから出力される上記第１〜第３のフォルマント成分がそれぞれ供給される第１〜第３の非線形回路と、
これら第１〜第３の非線形回路の出力信号を音声信号に再合成して出力する第１の加算回路と
を有し、
送信回路が、
送信される音声信号を、800Hz〜1.2kHzの間の周波数と、2.4kHz〜3.2kHzの間の周波数とで分割して上記送信される音声信号の第１〜第３のフォルマント成分を出力する第４〜第６のフィルタと、
これら第４〜第６のフィルタから出力される上記第１〜第３のフォルマント成分がそれぞれ供給される第４〜第６の非線形回路と、
これら第４〜第６の非線形回路の出力信号を音声信号に再合成して出力する第２の加算回路と
を有し、
上記第１〜第６の非線形回路は、どれもその入出力特性に、
レベル圧縮範囲とレベル伸長範囲とクリップ範囲と
を有し、
上記レベル圧縮範囲は上記入力された音声信号のレベル範囲に設定され、
上記レベル伸長範囲は上記レベル圧縮範囲よりも小さい入力レベル範囲に設定され、
上記クリップ範囲は、上記レベル圧縮範囲よりも大きい入力レベル範囲で出力レベルの制限を行う特性とされ、
受聴者が音量の調整をしたとき、上記レベル圧縮範囲と上記レベル伸長範囲との境界の出力レベルが変化しないように、かつ、上記レベル圧縮範囲においてのみ入力レベルが、上記第１〜第３の非線形回路と、上記第４〜第６の非線形回路とで互いに逆方向に変化するように、上記入出力特性を制御する
ようにした音声信号の処理回路
とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明を電話機の受話回路１０に適用した場合の一例を示す。また、実際には、図１に示す回路はＤＳＰにより構成され、音声信号はデジタル処理されるが、ここではアナログ回路により説明する。
【００１７】
そして、この受話回路１０において、電話回線からの音声信号（受話信号）Ｓ11が、端子１１を通じてバンドパスフィルタ１２Ａ〜１２Ｃに供給され、バンドパスフィルタ１２Ａからは信号Ｓ11のうちの主としてピッチ周波数成分および第１フォルマント成分Ｓ2Aが取り出され、バンドパスフィルタ１２Ｂからは信号Ｓ11のうちの主として第２フォルマント成分Ｓ2Bが取り出され、さらに、バンドパスフィルタ１２Ｃからは信号Ｓ11のうちの主として第３フォルマント成分および子音成分Ｓ2Cが取り出される。
【００１８】
また、このとき、端子１１からの信号Ｓ11が検出回路１に供給され、例えば線形予測法によりピッチ周波数の成分が検出され、その検出出力が形成回路２に供給されて所定の制御信号が形成される。そして、この制御信号によりバンドパスフィルタ１２Ａ〜１２Ｃのカットオフ周波数が制御され、これらバンドパスフィルタ１２Ａ〜１２Ｃの出力信号成分が上記の各成分Ｓ2A〜Ｓ2Cとされる。
【００１９】
なお、一例として、バンドパスフィルタ１２Ａの高域側のカットオフ周波数およびバンドパスフィルタ１２Ｂの低域側のカットオフ周波数は、800Hz 〜1.2 ｋHzに制御され、バンドパスフィルタ１２Ｂの高域側のカットオフ周波数およびバンドパスフィルタ１２Ｃの低域側のカットオフ周波数は、2.4 ｋHz〜3.2 ｋHzに制御される。
【００２０】
そして、これらバンドパスフィルタ１２Ａ〜１２Ｃの出力信号成分Ｓ2A〜Ｓ2Cが、非線形の入出力特性を有する非線形回路１３Ａ〜１３Ｃにそれぞれ供給されて増幅される。図２は、その入出力特性の一例を示すもので、横軸は音声信号の入力レベルを受話回線レベル（電話回線における受話信号レベル）に換算して示し、縦軸は出力レベルを受話音圧レベルに（受話器の出力音圧レベル）に換算して示す。
【００２１】
また、図２においては、受話回線レベルにおける０dBは、標準電話回線レベルの０dBに一致させている。さらに、実際の受話回線レベルはほとんどの場合、０〜−20dBの範囲であり、受話回線レベルが−40dB以下になると、留守番電話機などは受話信号がなくなったとみなしている。つまり、−40dB以下はノイズレベルとみなしている。また、出力レベルの100dBは不快閾値であり、これ以上のレベルになると、受聴者は受聴音をうるさく感じてしまう。
【００２２】
そして、その入出力特性は、非線形回路１３Ａ〜１３Ｃの利得を最大に設定したときには、折れ線Ｇmax により示す特性となり、入力レベルが、
−30dBまでの範囲では、レベルを伸長する特性
−30dB〜＋25dBの範囲では、レベルを圧縮する特性
＋25dBを越える範囲では、信号をクリップする特性
である。
【００２３】
また、利得を最小に設定したときには、折れ線Ｇminにより示す特性となり、入力レベルが、
＋10dBまでの範囲では、レベルを伸長する特性
＋10dB〜＋25dBの範囲では、信号をレベル圧縮ないしそのまま出力する特性
＋25dBを越える範囲では、信号をクリップする特性
である。
【００２４】
そして、この入出力特性は、ユーザが制御回路３を操作することにより、この制御回路３からの制御信号により変更できるもので、図２に破線で示すように、折れ線Ｇmax と折れ線Ｇmin との間の特性となることができるようにされている。すなわち、レベル伸長の行われる入力レベルと、レベル圧縮の行われる入力レベルとの境界レベルは、出力レベルにおいて変化しないよう変更され、レベル圧縮の行われる入力レベル範囲を変更できるようにされている。
【００２５】
こうして、非線形回路１３Ａ〜１３Ｃにおいて、信号成分Ｓ2A〜Ｓ2Cは非線形増幅され、特に実際の音声信号の入力レベルの範囲ではレベル圧縮され、その結果が信号成分Ｓ3A〜Ｓ3Cとして取り出される。
【００２６】
そして、この信号成分Ｓ3A〜Ｓ3Cが、バンドパスフィルタ１２Ａ〜１２Ｃと同様の特性を有するバンドパスフィルタ１４Ａ〜１４Ｃを通じて加算回路１５に供給され、前段の非線形処理により生じた歪み成分のうち、帯域外に生じた成分が除去されて信号成分Ｓ4A〜Ｓ4Cとして取り出される。
【００２７】
そして、この信号成分Ｓ4A〜Ｓ4Cが加算回路１５に供給されて再合成され、加算回路１５からは、フォルマントごとにレベル補正のされた音声信号Ｓ15が取り出され、この信号Ｓ15がリミッタ回路１６を通じ、さらに、受話用アンプ１７を通じて受話器１８に供給される。なお、リミッタ回路１６は、信号成分Ｓ4A〜Ｓ4Cのそれぞれのレベルが小さくても、信号Ｓ15に再合成したとき、過大レベルになることがあるので、この過大レベルから受聴者を保護するためのものである。
【００２８】
こうして、この受話回路１０においては、受信された音声信号Ｓ11を、第１フォルマント成分Ｓ2A、第２フォルマント成分Ｓ2B、第３フォルマント成分および子音成分Ｓ2Cに分割し、その成分ごとに振幅圧縮を行っているので、受話器１８に供給される音声信号Ｓ15のフォルマント構造を乱すことがない。したがって、音声の言語理解を妨害することなく、また、音質を損なうことなく、音声の明瞭度を向上させることができる。
【００２９】
また、振幅処理により歪み成分を生じても、その歪み成分はバンドパスフィルタ１４Ａ〜１４Ｃにおいて除去するようにしているので、この点からもフォルマント構造を乱すことがなく、明瞭度を向上させることができる。
【００３０】
図３Ｃおよび図４Ｃは、上述した受話回路１０により振幅処理された音声信号Ｓ15の波形およびその拡大波形を示すもので、特に図４Ｃの拡大波形によれば、第２フォルマント成分が増幅された状態で残っていることがわかる。したがって、上記のように、音声の言語理解を妨害することなく、また、音質を損なうことなく、音声の明瞭度を向上させることができる。
【００３１】
さらに、電話回線などの回線雑音の信号レベルは、音声信号のレベルに比べて十分に小さいが、上述の受話回路１０においては、音声レベルよりも小さいレベル範囲では、レベル伸張を行うようにしているので、回線雑音の信号は抑制されてＳ／Ｎが改善され、受話音声の聞こえ状態が改善される。
例えば、図２において、利得を最小に設定したときの折れ線Ｇminの場合、音声信号の入力レベル（受話回線レベル）が０dBであるとすれば、その出力レベル（受話音圧レベル）は約65dBとなる。そして、このときのノイズレベルが−20dBであるとすれば、その出力レベルは約30dBとなる。したがって、入力された音声信号のＳ／Ｎが20dBであっても、受話音圧のＳ／Ｎは約35dBとなり、Ｓ／Ｎが15dBほど改善されている。
【００３２】
図５は、その雑音信号の状処理態を示すもので、図５Ａは入力された音声信号Ｓ11の波形、図５Ｂは出力された音声信号Ｓ15の波形である。そして、これらの図からも明きらかなように、音声信号Ｓ11に雑音信号が混入していても、音声信号のよりも小さいレベル範囲をレベル伸張することにより、音声信号Ｓ15に含まれる雑音信号のレベルは低減されている。
【００３３】
以上は電話機の受話回路について説明したが、送話回路についても同様なことが言える。すなわち、一般に、口元における音声レベルは85dB〜95dBであり、送話器（マイクロフォン）に混入する騒音レベルは45dB〜65dBであるから、送話回路に混入する騒音の信号は、受話回路における回線雑音と同様に処理することができる。
【００３４】
また、送話された音声は電話回線から側話となって受話回路に戻ることがあるが、このとき、自分の送話環境の雑音が側音となって戻るのは好ましくない。しかし、上述のように非線形回路により雑音信号をレベル伸張により小さく押さえると、相手の受話音と自分への側音との両方が聞きやすくなる。ただし、実際の電話回線においては、受話音声のレベルが変動する。
【００３５】
そこで、送話回路においても、受話音声のレベルに対応してレベル伸長を行う入力レベルと、レベル圧縮を行う入力レベルとの境界レベルを変更すれば、回線の音声レベルが小さくても大きくても、相手にとって快適な受聴レベルにレベル圧縮されることになる。
【００３６】
ただし、受聴レベルと発話の声の大きさとの関係を調べると、受聴レベルが大きいときには発話レベルは小さくなり、受話レベルが小さいときには発話レベルが大きくなる傾向がみられる。したがって、レベル伸張とレベル圧縮との境界レベルの移動方向は、受話回路と送話回路とでは逆方向になる。
【００３７】
以上のような考えにしたがって、送話回路を、例えば図６に示すように、構成することができる。すなわち、電話回線３０が、２線／４線変換回路３１を通じて受話回路１０に接続されるとともに、送話回路２０の接続される。そして、受話回路１０は、図１により説明したように回路１２Ａ〜１７により構成され、その受話信号である音声信号Ｓ15が受話器１８に供給される。また、回路１〜３により回路１２Ａ〜１４Ｃの特性が上記のように制御される。
【００３８】
さらに、送話回路２０においては、送話器２８からの送話信号（音声信号）が、送話用アンプ２７→バンドパスフィルタ２２Ａ〜２２Ｃ→非線形回路２３Ａ〜２３Ｃ→バンドパスフィルタ２４Ａ〜２４Ｃ→加算回路２５→リミッタ回路２６→変換回路３１の信号ラインを通じて電話回線３０に送り出される。
【００３９】
そして、このとき、回路２２Ａ〜２２Ｃ、２３Ａ〜２３Ｃ、２４Ａ〜２４Ｃ、２５は、受話回路１０の回路１２Ａ〜１２Ｃ、１３Ａ〜１３Ｃ、１４Ａ〜１４Ｃ、１５と同様に構成されるとともに、形成回路２からの制御信号がバンドパスフィルタ２２Ａ〜２２Ｃ、２４Ａ〜２４Ｃに供給され、制御回路３からの制御信号が非線形回路２３Ａ〜２３Ｃに供給され、それぞれの特性が制御される。
【００４０】
ただし、この場合、図７Ａに示すように、制御回路３からの制御信号により、受話回路１０の非線形回路１３Ａ〜１３Ｃの利得が大きくなる方向に変化するとき、図７Ｂに示すように、送話回路２０の非線形回路２３Ａ〜２３Ｃの利得は小さくなる方向に変化するように、すなわち、非線形回路１３Ａ〜１３Ｃと、非線形回路２３Ａ〜２３Ｃとでは、利得が逆方向に変化するようにされる。
【００４１】
なお、上述においては、音声信号を３つの帯域（フォルマント成分）に分割したが、800Hz 〜1.2 ｋHzの間の周波数で２つの帯域に分割してもよい。また、上述においては、この発明を電話機に適用した場合であるが、有線あるいは無線による音声通信回線、難聴者あるいは騒音環境にいる受聴者のように音声知覚に十分なダイナミックレンジを確保できない場合の音声回路にも、この発明を適用すれば、明瞭度を改善することができる。
【００４２】
【発明の効果】
この発明によれば、音声のフォルマント構造を保つたまま増幅とダイナミックレンジの圧縮ができるので、ダイナミックレンジの狭い音声通信でも明瞭度の低下を防ぐことができる。
【００４３】
また、音声レベルよりも小さいレベルの範囲では、レベル伸張を行うとともに、音声レベルの範囲では、レベル圧縮を行っているので、騒音環境下の音声通信におけるＳ／Ｎの低下を防ぐことができ、快適な音声通信ができる。
【００４４】
さらに、レベル伸張とレベル圧縮との境界レベルを変更できるので、回線状態の変化に対応して常に快適に受話音声を聞くことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一形態を示す系統図である。
【図２】この発明を説明するための特性図である。
【図３】この発明を説明するための波形図である。
【図４】この発明を説明するための波形図である。
【図５】この発明を説明するための波形図である。
【図６】この発明の他の形態を示す系統図である。
【図７】この発明を説明するための特性図である。
【符号の説明】
１…検出回路、２…形成回路、３…制御回路、１０…受話回路、１２Ａ〜１２Ｃ…バンドパスフィルタ、１３Ａ〜１３Ｃ…非線形回路、１４Ａ〜１４Ｃ…バンドパスフィルタ、１５…加算回路、１６…リミッタ回路、１８…受話器、２０…送話回路、２２Ａ〜２２Ｃ…バンドパスフィルタ、２３Ａ〜２３Ｃ…非線形回路、２４Ａ〜２４Ｃ…バンドパスフィルタ、２５…加算回路、２６…リミッタ回路、２８…送話器、３０…電話回線、３１…２線／４線変換回路
【図１】
0003925572.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
0003925572.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
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