(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
適応信号処理を行ってノイズをキャンセルするフィルタ係数を求め、該フィルタ係数を適応フィルタに設定して話者音声信号のＳＮ比を改善するノイズリダクション装置において、
フィルタ係数値が０となるタップが先頭タップからｎ個連続する場合、適応フィルタにおける遅延時間が短くなるように、該適応フィルタの各タップ係数を全体的に入力側にｎ個シフトすると共に出力タップ位置を入力側にシフトするタップ長制御部、
を備えたことを特徴とするノイズリダクション装置。
【請求項２】
適応信号処理を行ってノイズをキャンセルするフィルタ係数を求め、該フィルタ係数を適応フィルタに設定してノイズを低減するノイズリダクション部と、適応信号処理を行ってオーディオ音をキャンセルするフィルタ係数を求め、該フィルタ係数を適応フィルタのタップ係数として設定してオーディオ音を低減するオーディオ音キャンセル部を備えたノイズ／オーディオ音リダクション装置において、
ノイズリダクション部のフィルタ係数値が０となるタップが先頭タップからｎ個連続する場合、該ノイズリダクション部の適応フィルタの遅延時間が短くなるように、該適応フィルタの各タップ係数を全体的に入力タップ側にｎ個シフトすると共に出力タップ位置を入力側にシフトし、かつ、不要になったノイズリダクション部のタップ係数記憶部をオーディオ音キャンセル部における適応フィルタのタップ係数記憶部として使用するように制御するタップ長制御部、
を備えたことを特徴とするノイズ／オーディオ音リダクション装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はノイズ／オーディオ音リダクション装置に係わり、特に、適応信号処理を行ってノイズをキャンセルするフィルタ係数を求め、該フィルタ係数を適応フィルタに設定して話者音声信号のＳＮ比を改善するノイズリダクション装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車載用の音声認識装置やハンズフリー電話機等に話者音声信号を入力する場合、オーディオ音や周囲ノイズ（エンジン音・ロードノイズ・風切り音など）を低減したＳＮ比の大きな音声信号を入力することが、音声認識率を向上する上で、あるいは、快適な通信を行う上で必要である。このため、ノイズやオーディオ音を低減する手法が種々提案されている。
図１１はノイズキャンセル装置の構成図であり、１，２は第１、第２のマイクロホン、３は適応信号処理部であり、誤差信号ｅが入力されると共にマイクロホン２の出力信号ｘ2が参照信号として入力され、誤差信号ｅのパワーが最小となるようにLMS(Least Mean Square)アルゴリズムに基づいて適応信号処理を行う。適応信号処理部３において、３ａはLMS演算部、３ｂは例えばFIR型デジタルフィルタ構成の適応フィルタである。LMS演算部３ａは適応信号処理により誤差信号ｅのパワーが最小となるように適応フィルタ３ｂの係数を決定する。
【０００３】
４はマイクロホン１から出力する信号を目標信号として入力される目標応答設定部であり、音響系の逆特性を精度よく近似するためのものである。適応フィルタ３ｂのタップ長の半分の信号遅延時間（モデリングディレイ）をｄとするとき、目標応答設定部(遅延器)４は該時間ｄの遅延特性を有し、オーディオ周波数帯域でフラットな特性（ゲイン１の特性）を有する。５は減算部であり、目標応答設定部４から出力する目標応答ｙ1より適応フィルタ３ｂの出力信号ｙ2を減算して誤差信号ｅを出力する。
【０００４】
学習時、マイクロホン１、２には自動車ＣＲが発生するノイズXn1(z)，Xn2(z)のみが入力し、適応信号処理部３は適応信号処理により誤差信号ｅのパワー、すなわち、ノイズ出力が最小となるようにフィルタ係数W(Z)を決定する。一方、非学習時たとえば音声認識時には、適応信号処理部３はフィルタ係数の更新をせず、前記学習時に決定したフィルタ係数W(Z)を適応フィルタ３ｂに設定したままにして音声信号を出力する。すなわち、学習時に次式
En(z)＝Xn1(z)z-d−Xn2(z)W(z)          (1)
で与えられるノイズ出力En(z)のパワーが最小となるように、適応フィルタ３ｂの係数W(Z)を決定する。ただし、Xn1(z)，Xn2(z)は学習時にマイクロホン１、２の出力信号に含まれるノイズであり、ノイズ源(ノイズ＝ｘn)から第１、第２のマイクロホン１，２までの伝搬特性をCN1, CN2とすれば、
Xn1(z)＝CN1・ｘn
Xn2(z)＝CN2・ｘn
であり、(1)式は
En(z)＝(CN1・z-d−CN2・W(z))ｘn          (2)
となる。以上より、ノイズ源が１個の場合、フィルタ係数W(Z)は理想的には、  W(z)=CN1・z-d/CN2    (3)
となり、この時のノイズ出力は零となる。この結果、音声認識時、ノイズが最小になり、SN比が改善し、音声認識率を向上することができる。
【０００５】
図１２は一般的な２つのマイクを用いたAMNOR方式のノイズリダクションシステムの構成例である。図中、１１，１２は第１、第２のマイクロホン、１３，１４はアンプ、１５はランダムノイズたとえばホワイトノイズを目標信号として発生するシグナルジェネレータ（ＳＧ）、１６はゲイン可変アンプ、１７，１８は話者口元から各マイクロホン迄の伝搬特性を模擬し、該伝搬特性を目標信号に付与する伝達回路、１９，２０は各伝達回路から出力する信号をそれぞれ各マイクロホンの出力信号に加算する加算部である。
【０００６】
２１は２入力／１出力の適応信号処理部であり、第１、第２の２つの適応信号処理部２１ａ，２１ｂ及び各適応信号処理部２１ａ，２１ｂの出力を加算して出力する加算器２１ｃを有している。各適応信号処理部２１ａ，２１ｂは図示しないがLMS演算部と、FIR型ディジタルフィルタ構成の適応フィルタを有している。第１の信号処理部２１ａは、学習時、加算器１９の出力信号を参照信号とし、エラー信号ｅのパワーが最小となるように適応フィルタ係数Ｗ1を更新し、非学習時、適応フィルタの係数更新を停止し、学習時に得られている係数Ｗ1を適応フィルタに設定したままにして入力信号にフィルタリング処理を施して出力する。第２の信号処理部２１ｂは、学習時、加算器２０の出力信号を参照信号とし、エラー信号ｅのパワーが最小となるように適応フィルタ係数Ｗ2を更新し、非学習時、例えば音声認識時、適応フィルタの係数更新を停止し、学習時に得られている係数Ｗ2を適応フィルタに設定したままにして入力信号にフィルタリング処理を施して出力する。加算器２１ｃは各適応フィルタ出力を加算して出力する。
【０００７】
２２はシグナルジェネレータ１５から出力するランダムノイズ信号を入力される目標応答設定部である。適応フィルタのタップ長の半分の信号遅延時間をｄとすれば、目標応答設定部(遅延器)２２は遅延時間ｄの遅延特性を有し、オーディオ周波数帯域でフラットな特性（ゲイン１の特性）を有する。２３は減算部であり、目標応答設定部２２から出力する目標応答より適応信号処理部２１の出力信号を減算して誤差信号ｅを出力する。
【０００８】
学習時、マイクロホン１１、１２には自動車ＣＲが発生するノイズXn1(z)，Xn2(z)のみが入力する。伝達回路１７、１８は、目標信号としてのランダムノイズに対し、話者口元から各マイクロホン出力端迄の伝達特性CS1、CS2を模擬した
CS1＾、CS2＾をそれぞれ付与する。加算器１９、２０は伝達回路１７，１８の出力と各マイクロホン出力を合成し、適応信号処理部２１は加算器１９，２０の出力信号を参照信号とし、エラー信号ｅのパワーが最小となるように適応信号処理を行って適応フィルタの係数Ｗ1，Ｗ2を更新する。
音声認識時、適応信号処理部２１はフィルタ係数の更新をせず、学習時に得られた係数Ｗ1，Ｗ2を各適応フィルタに設定したままにし、これら適応フィルタの出力信号を合成して音声認識部に入力する。かかるAMNOR方式のノイズリダクションシステムによれば、音声認識時にノイズは最小になり、しかも、大きな話者音声出力が得られＳＮ比を改善できる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図１１、図１２に示すCNRシステムにおいて、ノイズ抑圧性能を高くするためには適応フィルタのタップ長を大きくする必要がある。しかし、タップ長が大きくなると、システム出力の遅延時間が大きくなってしまい、CNRシステムの出力音声に基づいて音声認識する音声認識装置のレスポンスが悪化する問題がある。以上から本発明の目的は、フィルタの特性を変更せずに遅延時間を短縮して応答性を改善できるようにすることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の発明のノイズリダクション装置は、適応信号処理を行ってノイズをキャンセルするフィルタ係数を求め、該フィルタ係数を適応フィルタにタップ係数として設定して話者音声信号のＳＮ比を改善する。この場合、タップ長制御部は、フィルタ係数値が０となるタップが先頭タップからｎ個連続するとき、該適応フィルタにおける遅延時間が短くなるように、各タップ係数を全体的に入力タップ側にｎ個シフトすると共に、出力タップ位置を入力側にシフトし、実質的に適応フィルタのタップ長を短くする。このようにすれば、フィルタの特性を変更せずに遅延時間を短縮して応答性を改善することができる。
【００１１】
第２の発明のノイズ／オーディオ音リダクション装置は、適応信号処理を行ってノイズをキャンセルするフィルタ係数を求め、該フィルタ係数を適応フィルタにタップ係数として設定してノイズを低減するノイズリダクション部と、適応信号処理を行ってオーディオ音をキャンセルするフィルタ係数を求め、該フィルタ係数を適応フィルタにタップ係数として設定してオーディオ音を低減するオーディオ音キャンセル部を備えている。タップ長制御部は、(1) ノイズリダクション部のフィルタ係数値が０となるタップが先頭タップからｎ個連続する場合、該ノイズリダクション部の適応フィルタにおける遅延時間が短くなるように各タップ係数を全体的に入力タップ側にｎ個シフトすると共に出力タップ位置を入力側にシフトし、かつ、(2)不要になったノイズリダクション部のタップ係数記憶部をオーディオ音キャンセル部のタップ係数記憶部として使用するように制御する。このようにすれば、ノイズリダクション部のフィルタの特性を変更せずに遅延時間を短縮して応答性を改善でき、しかも、オーディオ音キャンセル部の適応フィルタのタップ長を大きくでき、オーディオ音抑圧性能を向上できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（Ａ）第１実施例
図１は本発明の第１実施例のノイズキャンセル装置の構成図であり、図１１に示す従来のノイズキャンセル装置にタップ長制御部６を付加した構成を有している。タップ長制御部６は、FIR型ディジタルフィルタで構成された適応フィルタ３ｂのフィルタ係数Ｗが確定した時点で、該フィルタ係数を観測し、必要最小限のフィルタ長(タップ長)により適応フィルタを実現するように制御する。
図２はタップ長制御部６の制御動作説明図であり、横軸にタップ位置、縦軸にタップ係数値を示している。図２の左側に示すように、係数値が０となるタップが、先頭からｎ個連続する場合、１サンプリング時間をτとすると適応フィルタにおける遅延時間Ｄはｎ・τとなる。かかる場合、システムの遅延時間が大きくなり、適応フィルタのタップ数も多く必要となる。そこで、図２の右側に示すように、タップ係数値を左側（適応フィルタの入力タップ側）にｎ個シフトし、適応フィルタの出力タップ位置もシフトする。また、同時に遅延器も同様なシフト処理を行う。このようにすれば、適応フィルタの特性を変えることなく、必要なタップ数を減らしてシステムの遅延時間を短縮できる。
【００１３】
図３はタップ長制御部６の制御フローである。タップ長制御部６は、フィルタ係数確定後、適応フィルタ３ｂのタップ係数を読み取り（ステップ１０１）、係数値０のタップが先頭から連続する個数をｎとし、ｎ≧１であるかチェックする（ステップ１０２）。ｎ≧１であれば、適応フィルタのタップ係数をｎ個分左側（入力タップ側）にシフトし、かつ、出力タップ位置もｎ個シフトする。又、同時に遅延器側にも、同様なシフト処理を行う。（ステップ１０３）。尚、ｎ＝０であればシフト処理は不要である。
以後、シフトしたフィルタ係数でフィルタリング処理を行い、同様にシフトしたタップ位置より話者音声信号を音声認識装置等に入力する。
【００１４】
（Ｂ）第２実施例
図４は本発明の第２実施例のノイズキャンセル装置の構成図であり、図１２に示す従来のノイズキャンセル装置にタップ長制御部２５を付加した構成を有している。タップ長制御部２５は、FIR型ディジタルフィルタで構成された適応フィルタのフィルタ係数Ｗ1，Ｗ2がそれぞれ確定した時点で、該フィルタ係数を観測し、必要最小限のフィルタ長(タップ長)により適応フィルタを実現するように制御する。
【００１５】
図５はタップ長制御部２５の制御動作説明図であり、（ａ）は適応信号処理部２１ａにおける第１の適応フィルタのフィルタ係数を示す図、（ｂ）は適応信号処理部２１ｂにおける第２の適応フィルタのフィルタ係数を示す図である。各図において、横軸はタップ位置、縦軸はタップ係数値を示している。図５（ａ）の左側に示すように、第１適応フィルタでは、係数値が０となるタップが、先頭からｎ1個連続し、１サンプリング時間をτとすると第１適応フィルタにおける遅延時間Ｄはｎ1・τとなる。又、図５（ｂ）の左側に示すように、第２適応フィルタでは、係数値が０となるタップが先頭からｎ2個連続し、第２適応フィルタにおける遅延時間Ｄはｎ2・τとなる。
【００１６】
以上のように、係数値が０となるタップが先頭から連続すると、システムの遅延時間が大きくなり、フィルタのタップ数も多く必要となる。そこで、図５（ａ），（ｂ）の右側に示すように、各適応フィルタのタップ係数値を左側（入力タップ側）にｎ2個シフトし、又、各適応フィルタの出力タップ位置もシフトする。又、同時に遅延器も同様なシフト処理を行う。ただし、シフト量はｎ1，ｎ2のうち小さい方である。
以上のようにすれば、適応フィルタの特性を変えることなく、必要なタップ数を減らしてシステムの遅延時間を短縮できる。
【００１７】
図６はタップ長制御部２５の制御フローである。タップ長制御部２５は、フィルタ係数Ｗ1、Ｗ2が確定した後、適応信号処理部２１における第１、第２の適応フィルタのタップ係数を読み取り（ステップ２０１）、第１、第２の適応フィルタにおいて、係数値０のタップが先頭から連続する個数ｎ1，ｎ2を求める（ステップ２０２）。ついで、ｎ1≦ｎ2であるかチェックし（ステップ２０３）、ｎ1≦ｎ2であれば、第１適応フィルタ及び第２適応フィルタのタップ係数をそれぞれｎ1個分左側（入力タップ側）にシフトし、かつ、出力タップ位置もｎ1個シフトする。又、同時に遅延器２２にも同様なシフト処理を行う。（ステップ２０４）。一方、ステップ２０３において、ｎ1＞ｎ2であれば、第１適応フィルタ及び第２適応フィルタのタップ係数をそれぞれｎ2個分左側（入力タップ側）にシフトし、かつ、出力タップ位置もｎ2個シフトする。又、同時に遅延器２２にも同様なシフト処理を行なう。（ステップ２０５）。
以後、シフトしたフィルタ係数でフィルタリング処理を行い、同様にシフトしたタップ位置より話者音声信号を音声認識装置等に入力する。
【００１８】
（Ｃ）第３実施例
図７は第３実施例のノイズ／オーディオ音キャンセル装置の構成図であり、図４の第２実施例と同一部分には同一符号を付している。異なる点は、
▲１▼オーディオ音キャンセル部(ASC:audio sound cancelling)３１をノイズリダクションリダクション部(CNR)の出力側に接続している点、
▲２▼オーディオソース３２から出力するオーディオ信号を参照信号としてオーディオ音キャンセル部(ASC）に入力している点、
▲３▼オーディオソース３２から出力するオーディオ信号をスピーカ３３に入力し、音響空間にオーディオ音を放射し、該オーディオ音をマイクロホン１１、１２が検出している点、
▲４▼ノイズリダクションリダクション部(CNR)の適応信号処理部及びオーディオ音キャンセル部(ASC）の適応信号処理部を１つのデバイス、例えばＤＳＰ
（digital signal processor)により実現している点、
▲５▼タップ長制御部２５は、ノイズリダクション部CNRにおける第１、第２適応フィルタのタップ長を短くした時、不要になったノイズリダクション部CNRのタップ係数記憶部をオーディオ音キャンセル部ASCにおける適応フィルタのタップ係数記憶部として使用するように制御する点、
である。
【００１９】
図７において、オーディオ音キャンセル部(ASC）３１は、適応信号処理部３１ａ、目標信号であるノイズリダクション装置CNRの出力と適応信号処理部３１ａの出力との差分を演算する演算部３１ｂを有している。適応信号処理部３１ａは、図示しないがLMS演算部と、FIR型ディジタルフィルタ構成の適応フィルタを有し、オーディオソース３２から出力するオーディオ信号を参照信号、ノイズリダクション装置CNRの出力を目標信号とし、エラー信号ｅのパワーが最小となるように適応フィルタの係数Ｗ3を更新し、これにより、オーディオ音の抑圧を行う。
【００２０】
タップ長制御部２５は第２実施例と同種の制御でノイズリダクション部CNRにおける第１、第２の適応フィルタのタップ長を実質的に短くする。そして、不要になったノイズリダクション部CNRのタップ係数記憶部をオーディオ音キャンセル部ASCに融通する。これにより、オーディオ音キャンセル部ASCおける適応フィルタのタップ長が大きくなり、オーディオ音抑圧性能を向上できる。
すなわち、当初、図８（ａ）に示すように、CNR用適応フィルタのタップ長Ｔ1を大きくし、ASC用適応フィルタのタップ長Ｔ2を小さく設定しておく。
フィルタ係数Ｗ1，Ｗ2が確定した後、タップ長制御によりノイズリダクション部CNRにおける第１、第２の適応フィルタのタップ長を短くすれば、その分をオーディオ音キャンセル部ASCにおける適応フィルタのタップとして使用できるようにする。この結果、図８（ｂ）に示すように、CNR用適応フィルタのタップ長はＴ1からＴ1′（＜Ｔ1）に短くなり、ASC用適応フィルタのタップ長はＴ2からＴ2′（＞Ｔ2）に長くなる。
【００２１】
図９、図１０はタップ数を制御する第３実施例の具体的な動作を示すためのブロック図であり、説明を簡単にするためにトータルのタップ長を５としている。ＤＬ1〜ＤＬ4は１サンプリング時間遅延部、ＭＬ1〜ＭＬ5は入力信号にフィルタ係数α1〜α3，β1〜β2を乗算する乗算部、ＡＤ1〜ＡＤ5は加算器、ＳＥＬはセレクタ、Ｓi(i=1、2、3...)は切り替えスイッチである。、切り替えスイッチＳ1〜Ｓ13を制御することにより、CNR用適応フィルタ及びASC用適応フィルタをそれぞれ構成でき、しかも、各適応フィルタのタップ数を増減できる。各フィルタ出力はセレクタSELによりCNR出力、ASC出力に判別され、CNR出力はASC入力になり、ASC出力はノイズ/オーディオキャンセル装置の出力となり、音声認識部等に入力する。
【００２２】
図９に示すスイッチ状態において、遅延部ＤＬ1〜ＤＬ2、乗算部ＭＬ1〜ＭＬ3、加算部ＡＤ1〜ＡＤ3によりタップ数３のCNR用適応フィルタが形成され、遅延部ＤＬ4、乗算部ＭＬ4〜ＭＬ5、加算部ＡＤ4〜ＡＤ5により、タップ数２のASC用適応フィルタが形成されている。
学習により、タップ係数α1が０になれば、切り替えスイッチを図１０に示すようにオン／オフ制御し、CNR用適応フィルタのタップ数を２にし、ASC用適応フィルタのタップ数を３とする。又、CNR用適応フィルタにおける第１、第２タップの係数はシフトによりα2，α3になり、ASC用適応フィルタにおける第１〜第３タップの係数はβ1，β2，β3となる。
以上、本発明を実施例により説明したが、本発明は請求の範囲に記載した本発明の主旨に従い種々の変形が可能であり、本発明はこれらを排除するものではない。
【００２３】
【発明の効果】
以上本発明によれば、適応フィルタにおける遅延時間が短くなるように、該適応フィルタの各タップ係数を全体的に入力タップ側にシフトすると共に、出力タップ位置を入力側にシフトし、実質的に適応フィルタのタップ長を短くしたから、フィルタの特性を変更せずに遅延時間を短縮して応答性を改善することができる。
又、本発明によれば、ノイズリダクション部の適応フィルタの遅延時間が短くなるように各タップ係数を全体的に入力側にシフトすると共に出力タップ位置を入力タップ側にシフトし、かつ、不要になったノイズリダクション部のタップ係数記憶部をオーディオ音キャンセル部における適応フィルタのタップ係数記憶部として使用するようにしたから、ノイズリダクション部のフィルタの特性を変更せずに遅延時間を短縮して応答性を改善でき、しかも、メモリをより有効に使え、更に、オーディオ音キャンセル部の適応フィルタを長くでき、オーディオ音抑圧性能を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例のノイズキャンセル装置の構成図である。
【図２】第１実施例のタップ長制御の動作説明図である。
【図３】第１実施例のタップ長制御の処理フローである。
【図４】本発明の第２実施例のノイズキャンセル装置の構成図である。
【図５】第２実施例のタップ長制御の動作説明図である。
【図６】第２実施例のタップ長制御の処理フローである。
【図７】第３実施例のノイズ／オーディオ音キャンセル装置の構成図である。
【図８】第３実施例の説明図である。
【図９】第３実施例の第１の具体的動作説明図である。
【図１０】第３実施例の第２の具体的動作説明図である。
【図１１】従来のノイズキャンセル装置の構成図である。
【図１２】従来のAMNOR方式のノイズキャンセル装置の構成図である。
【符号の説明】
１，２・・マイクロホン
３・・適応信号処理部
３ａ・・LMS演算部
３ｂ・・適応フィルタ
４・・目標応答設定部
５・・減算部
６・・タップ長制御部
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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