(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号の無音時のみ周囲雑音のスペクトルを推定し、その推定雑音スペクトルに基づいて該入力信号のスペクトル減算を行う雑音低減装置と、
該入力信号から信号雑音比を推定し、該信号雑音比が閾値以上か否かを判定する雑音低減実行判定部と、
該信号雑音比が該閾値以上の場合のみ該雑音低減実行判定部の出力信号に基づいて該雑音低減装置の出力信号を選択し、それ以外は該入力信号を選択する切替部と、
を備えたことを特徴とする雑音抑圧装置。
【請求項２】
請求項1において、
該雑音低減装置が、該入力信号の有音／無音判定部と、該有音／無音判定部が該入力信号を無音と判定した時のみ該入力信号を第1の周波数信号に変換してその推定雑音スペクトルを算出する雑音スペクトル推定部と、該入力信号を第2の周波数信号に変換するともに、該第2の周波数信号から該雑音スペクトル推定部で演算された推定雑音スペクトルを減算して時間信号に戻すスペクトル減算部と、で構成されたことを特徴とする雑音抑圧装置。
【請求項３】
請求項1において、
該雑音低減実行判定部が、該入力信号のフレームパワー値の最大値と最小値の差分を該信号雑音比に等価な値として求め、該差分を該閾値と比較することにより該切替部を制御することを特徴とした雑音抑圧装置。
【請求項４】
請求項1において、
該雑音低減実行判定部が、フレームパワー値の累積度数分布を求めて、該累積度数分布上の特定割合のフレームパワー値と別の特定割合のフレームパワー値との差分を該閾値と比較することにより該切替部を制御することを特徴とした雑音抑圧装置。
【請求項５】
請求項3又は4において、
該雑音低減実行判定部が、該フレームパワー値として、その移動平均値を算出することを特徴とした雑音抑圧装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は雑音抑圧装置に関し、特に音声の伝送・蓄積・符号化・認識などに用いられ、周囲雑音（背景雑音）を含む入力信号中の音声のない区間を検出して周囲雑音の特性を推定し、その推定された性質に応じて信号処理を行い、雑音を低減又は抑圧する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の雑音低減（抑圧）装置においては、携帯電話での音声伝送や音声認識などの応用において、集音された音声信号に含まれる周囲雑音などを低減して音声成分を強調するスペクトル減算（サブトラクション）法が採用されている。
【０００３】
このようなスペクトル減算法は、特開平4-340599号公報や同7-306695号公報などに示されているように、有音／無音判定を行って無音区間（雑音しかない区間）を切り出し、この無音区間の信号を用いて雑音の性質を推定するものである。
【０００４】
これを図により説明すると、図6に示す如く、雑音低減装置1は、入力信号の有音区間または無音区間を判定する有音／無音判定部11と、入力信号を入力すると共に、有音／無音判定部11による判定結果に従って推定雑音スペクトルを演算する雑音スペクトル推定部12と、雑音スペクトル推定部12で算出した推定雑音スペクトルを入力信号から減算して雑音が抑圧された信号を出力するスペクトル減算部13とで構成されている。
【０００５】
この内、有音／無音判定部11では、入力信号をs1、フレームパワーをnfpowとして、閾値thr_powと比較し、次式のような判定値を得る。
0003961290.tif 000002
【０００６】
また、雑音スペクトル推定部12においては、有音／無音判定部11からの上記式(1)に示す判定値に従って図7に示す動作を実行する。
【０００７】
同図において、有音／無音判定部11の判定結果が「有音」であれば推定雑音スペクトル算出は行わず、以前のフレームで算出した推定雑音スペクトルを使用する。有音／無音判定部11の判定結果が「無音」であることが分かった時にのみ(ステップＳ11)、入力信号をNTポイントのFFT（高速フーリエ変換：Fast Fourier Transform）演算により、スペクトルの実部をf1 [w]、及び虚部をf2 [w]とする周波数領域への変換を行う（同S12）。なお、wは周波数を示す変数とする。
【０００８】
この結果、入力信号のスペクトル振幅f3 [ ]は次式で与えられる。
0003961290.tif 000003
【０００９】
そして、雑音推定バッファf3buf [ ] [ ]（f3numフレーム蓄積とする）を次式で示すように更新する（同S13）。
0003961290.tif 000004
【００１０】
その後、上記の雑音推定バッファを平均して推定雑音スペクトルf3est [w]を次式の通り求める。
0003961290.tif 000005
【００１１】
このようにして求められた推定雑音スペクトルf3est [w]は入力信号と共にスペクトル減算部13へ与えられてスペクトル減算に供される。
【００１２】
このスペクトル減算部13の構成例が図8に示されており、入力信号はFFT演算部111で周波数領域の信号に変換され、上記と同様にスペクトルの実部f1 [w]、虚部f2 [w]、及びスペクトル振幅f3 [w]を得る。
【００１３】
そして、上記の式(4)で示した推定雑音スペクトルf3est [w]を減算器112に与えて減算を実行する。
【００１４】
この減算器112では、まず雑音低減用係数g1 [w]を次式のように求める。
0003961290.tif 000006
【００１５】
これは、スペクトル振幅f3 [w]のパワーと推定雑音スペクトルf3est [w]のパワーの差分（0以上）をスペクトル振幅f3 [w]のパワーで正規化した係数である。
【００１６】
この係数g1を用いて減算器112での減算後のスペクトルの実部f4 [w]及び虚部f5 [w]を次式の如く算出する。
0003961290.tif 000007
【００１７】
そして、この減算器112から出力されたスペクトルの実部f4 [w]及び虚部f5 [w]について演算部113で逆FFT（Inverse Fast Fourier Transform）演算を行った後、（雑音低減後）信号s2 [n]を出力する。
【００１８】
上記のような周波数領域で雑音低減処理を実現する他、時間領域でも実現可能であり、例えば帯域分割フィルタで入力信号を複数の帯域に分割し、各帯域毎に帯域別推定雑音パワーを求め、スペクトル減算では帯域毎に入力のパワーから推定雑音パワーを引いたパワーとなるように抑圧処理を行えばよい。
【００１９】
このような従来の雑音低減装置においては、信号雑音比(SNR)が極端に悪い場合には有音／無音判定がうまく動作せず、有音区間でスペクトル推定を行ってしまうので音声成分を抑圧してしまうという問題があった。
【００２０】
そこで、特開平9-18291号公報においては、信号雑音比を推定し、その推定値によって適応フィルタの適応速度（ステップサイズ）を制御することにより雑音を抑圧した技術が開示されている。
【００２１】
しかしながら、この特開平9-18291号公報においては、適応フィルタを制御するために入力信号と参照雑音とに対してそれぞれ1個ずつのマイクを設け、合計で2つのマイクを必要としており、ハードウエアが大きくなりコスト的にも高くなるという問題があった。
【００２２】
従って本発明は、周囲雑音を含む入力信号を用いて音声の無い区間を検出し周囲雑音の特性を推定し、その推定された性質に応じて信号処理を行い雑音を低減又は抑圧する装置において、少ないハードウエアで有効な雑音抑圧を実現することを目的とする。
【発明の開示】
【００２３】
上記の目的を達成するため、本発明に係る雑音抑圧装置は、入力信号の無音時のみ周囲雑音のスペクトルを推定し、その推定雑音スペクトルに基づいて該入力信号のスペクトル減算を行う雑音低減装置と、該入力信号から信号雑音比を推定し、該信号雑音比が閾値以上か否かを判定する雑音低減実行判定部と、該信号雑音比が該閾値以上の場合のみ該雑音低減実行判定部の出力信号に基づいて該雑音低減装置の出力信号を選択し、それ以外は該入力信号を選択する切替部とを備えたことを特徴としている。
【００２４】
すなわち、本発明においては、図6に示した雑音低減装置を用いると共に、雑音低減実行判定部が、入力信号から推定した信号雑音比が閾値以上であるか否かを判定した結果に基づいて、切替部が、雑音低減装置の出力信号を選択するか、入力信号をそのまま選択するかを実行する。
【００２５】
従って、推定した入力信号の信号雑音比が該閾値以上の場合のみ雑音低減実行判定部は切替部を雑音低減装置側に切り替えて雑音低減後の信号を出力し、それ以外の場合には入力信号をそのまま出力信号とする。
【００２６】
この結果、純粋な音声では有音部と無音部のパワーが大きく異なり、パワー最大値と最小値の差分が大きいのに対して、多くの周囲雑音ではパワーの変動が少ないので差分が小さい。このため信号雑音比が悪い場合にはパワー差分が小さくなる傾向があるので、この場合は雑音区間の推定が難しい場合であり、雑音低減を停止するようにしている。
【００２７】
また、上記の雑音抑圧装置においては、入力信号の無音時のみ周囲雑音のスペクトルを推定し、その推定雑音スペクトルに基づいて該入力信号のスペクトル減算を行う雑音低減装置と、該入力信号のパワーから雑音低減強度を算出して該推定雑音スペクトルに乗算するための低減強度算出部とを設けることも可能である。
【００２８】
すなわち、スペクトル減算部において入力信号から雑音スペクトル推定部で推定した推定雑音スペクトルを減算する際の雑音低減強度を低減強度算出部が算出することにより、推定信号雑音比が良い場合には強く、逆の場合には弱くなるように雑音低減の強度を自動的  に調整することが可能となる。
【００２９】
なお、上記の雑音低減実行判定部又は低減強度算出部は、該入力信号のフレームパワー値の最大値と最小値の差分を該信号雑音比に等価な値として求め、該差分を該閾値と比較することにより該切替部を制御するか、あるいはフレームパワー値の累積度数分布を求めて、該累積度分布上の特定割合のフレームパワー値と別の特定割合のフレームパワー値との差分を該閾値と比較することにより該切替部を制御することができる。
【００３０】
また、該フレームパワー値としては、その移動平均値を用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明をより詳細に明らかにするため、添付の図面に従ってこれを説明する。
【００３２】
図1は、本発明に係る雑音抑圧装置の実施例(1)を示している。この実施例において、雑音低減装置1は図6に示した従来の構成例をそのまま用いることができる。また、雑音低減実行判定部2は入力信号から信号雑音比を推定し、この推定値が閾値以上か否かを判定するものであり、この判定結果が切替部3に与えられ、該推定信号雑音比が該閾値以上の場合のみ切替部3を雑音低減装置1の側に切替え、そうでない場合には入力信号をそのまま出力するようにしている。
【００３３】
図2は、図1に示した雑音低減実行判定部2の動作例を示している。
【００３４】
この雑音低減実行判定部2においては、デジタル信号処理は一定のサンプル毎に区切って行うこととする。一区切りをフレームと呼び、１フレームNFサンプルとする。8kHzサンプリングで160サンプルを１フレームとすれば、１フレーム20msとなる。
【００３５】
そして、まず入力信号をs1 [ ]としてフレーム毎のパワー nfpow(単位dB)を計算する(ステップS1)。nをサンプルを示す変数とすると、フレームパワーは次式で表される。
0003961290.tif 000008
【００３６】
次に、過去のフレームパワー値を蓄積したバッファtbuf [ ] (要素数tnum)を次式のように更新する（同S2）。
0003961290.tif 000009
【００３７】
次に、該バッファ内の最大値と最小値との差分frp_difを次式により求める（同S3）。
0003961290.tif 000010
【００３８】
そして、この差分frp_difと閾値thr_dpとを比較して次式のように判定値nr_doを決定する（同S4）。
0003961290.tif 000011
【００３９】
そして、この判定値に従って雑音低減実行部2は切替部3を切替制御することとなる。
【００４０】
このように、純粋な音声では有音部と無音部のパワーの差分が大きいのに対して、多くの周囲雑音ではパワーの変動が少なく差分が小さいことに着目し、信号雑音比が悪い場合にはパワー差分が小さくなることを考慮して、上記のように雑音区間の推定が難しい場合には切替部3を切替えて入力信号をそのまま出力し、もって雑音低減を停止するようにしている。
【００４１】
図3は、本発明に用いることができる雑音抑圧装置の実施例(2)を示したものである。この実施例では、図中、点線で示した雑音低減装置1は、図6に示したように有音／無音判定部11と雑音スペクトル推定部12とスペクトル減算部13とで構成されているが、低減強度算出部4によって入力信号から低減強度（雑音乗算係数g2）が算出されてスペクトル減算部13に与えられている点が異なっている。
【００４２】
このスペクトル減算部13の実施例が図4に示されており、この実施例と図8に示した従来例との違いは、雑音スペクトル推定部12からの推定雑音スペクトルに対して乗算器114によって乗算係数g2が掛けられた後、減算器112に与えられる点である。
【００４３】
以下、雑音乗算係数g2について説明する。
【００４４】
まず、低減強度算出部4においては、フレームパワーnfpowを求め、過去のフレームパワー値を蓄積したバッファtbuf [ ] (要素数tnum)を上記の式(8)で示したように更新する。
【００４５】
次にバッファをソート（大きい順に並べ替え）してsortbuf [ ]を求める。
【００４６】
そして、大きい方からst_top番目とst_btm番目のパワーの差分frp_difを次式のように算出する。
frp_dif = sortbuf [ st_top ] − sortbuf [ st_btm ]      …式(11)
【００４７】
これは、例えば上位5番目と下位5番目までのパワー差分を求めていることを示している。
【００４８】
なお、図2に関して示したように、式(9)に従ってパワー差分frp_difを求めてもよい。また、式(9)についても式(11)を代わりに用いることもできる。
【００４９】
このようにして求めたパワー差分frp_difから雑音乗算係数g2を、図5に示すパワー差分値対雑音乗算係数の関数グラフに従って決定する。
【００５０】
すなわち、上記の如くパワー差分値は信号雑音比と等価であり、このパワー差分値が10dB以下の場合には推定信号雑音比が悪く、雑音低減を行わないようにするため、乗算係数g2“0”として乗算器114に与えることにより、雑音スペクトル推定部12から出力される推定雑音スペクトルを“0”として減算器112に与えるので、入力信号はスペクトル減算部13をそのまま通過して出力されることとなる。
【００５１】
また、パワー差分値が15dB以上の場合には、推定信号雑音比が良く雑音低減を行うことが好ましいので、乗算係数g2を“1”とし、これを乗算器114に与えることにより、雑音スペクトル推定部12からの推定雑音スペクトルをそのまま減算器112に与えて入力信号に対する最大の雑音低減を行うことができる。
【００５２】
そして、10dBから15dBの間は図5のグラフに示すように比例的に“0”から“1”まで雑音乗算係数g2が増加するように設定されており、パワー差分値が大きくなるにつれて信号雑音比が良好となり、これに従って雑音乗算係数g2を大きくすれば、乗算器114を通過する推定雑音スペクトルは徐々に大きくなって行き、パワー差分値に比例した形で入力信号の雑音低減を行うことが可能となる。
【００５３】
この場合、上記の式(5)に示した雑音低減用係数g1 (w)を、雑音乗算係数g2を用いて求めると次式のようになる。
0003961290.tif 000012
【００５４】
そして、この係数g1を用いて減算後のスペクトルの実部f4 (w)及び虚部f5 (w)を上記の式(6)のように求め、これに演算部113で逆FFT演算を施すことにより、雑音低減後の信号s2 [ ]を得ることができる。
【００５５】
尚、上記の式(9)及び(11)において求めたフレームパワーの差分frp_difについては、移動平均したフレームパワーmabufを用いても良い。
【００５６】
この場合、フレーム数manumで移動平均を取るものとすると、フレームパワーnfpowを求め、過去のフレームパワー値を蓄積したバッファtbuf [ ] (要素数tnum)を上記の式(8)の如く更新する。
【００５７】
そして、移動平均を次式のようにして求める。
0003961290.tif 000013
【００５８】
次に、バッファ内の最大値と最小値との差分frp_difを次式のようにして求める。
0003961290.tif 000014
【００５９】
このようにして求めた差分frp_difと閾値thr_dpを比較することにより、式(10)に示したように判定値nr_doを決定することが可能となる。
【００６０】
この判定値nr_doに従って雑音低減実行の切替を行う。雑音低減停止の場合は入力信号を何も加工せず、雑音低減実行の場合は推定雑音スペクトル減算を行うこととなる。
【００６１】
以上説明したように本発明に係る雑音抑圧装置によれば、入力信号から信号雑音比を推定し、この信号雑音比が良い場合にのみ雑音低減を実行し、悪い場合には雑音低減を行わないか、あるいはその低減度を小さくするように自動切替または自動調整するように構成したので、雑音区間の推定が難しい場合に雑音低減を停止することが出来、安定した雑音低減を実行することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】  本発明に係る雑音抑圧装置の実施例(1)を示したブロック図である。
【図２】  図1に示した雑音低減実行判定部の動作例を示したフローチャート図である。
【図３】  本発明に用いることができる雑音抑圧装置の実施例(2)を示したブロック図である。
【図４】  図3に示したスペクトル減算部の実施例を示したブロック図である。
【図５】  図4に示したスペクトル減算部に用いる雑音乗算係数を決定するための関数を示すグラフ図である。
【図６】  従来の雑音低減（抑圧）装置の構成例を示したブロック図である。
【図７】  図3及び図6に示した雑音スペクトル推定部の動作例を示したフローチャート図である。
【図８】  図6に示したスペクトル減算部の構成例を示したブロック図である。
【符号の説明】
【００６３】
1  雑音低減（抑圧）装置
2  雑音低減実行判定部
3  切替部
4  低減強度算出部
11  有音／無音判定部
12  雑音スペクトル推定部
13  スペクトル減算部
111  FFT演算部
112  減算器
113  逆FFT演算部
114  乗算器
図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【図１】
0003961290.tif 000015
【図２】
0003961290.tif 000016
【図３】
0003961290.tif 000017
【図４】
0003961290.tif 000018
【図５】
0003961290.tif 000019
【図６】
0003961290.tif 000020
【図７】
0003961290.tif 000021
【図８】
0003961290.tif 000022