(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
通信装置のマイクロホン（１１０）による近端アナログ信号出力に対して適用されるアナログ利得を調整するための適応利得制御装置（１００）であって、
該通信装置は、遠端音声を含む遠端デジタル信号を遠端アナログ信号に変換するためのデジタル−アナログ変換器（１４５）と、
前記遠端アナログ信号を受け、少なくとも一人の近端ユーザーに伝えるためのスピーカ（１２０）と、
近端雑音、遠端エコー及び近端音声を前記少なくとも一人の近端ユーザーから受け、該近端アナログ信号を生成するためのマイクロホン（１１０）と、
アナログ利得を前記近端アナログ信号に適用するための調整可能利得増幅器（１３０）と、
前記近端アナログ信号を近端デジタル信号に変換するためのアナログ−デジタル変換器（１４０）とを有し、
前記適応利得制御装置は、
専ら該近端デジタル信号を測定し、該近端デジタル信号が音声を含むかどうかを示すよう構成される第１の有音無音検出器（１５０）と、
専ら該遠端デジタル信号を測定し、該遠端デジタル信号が音声を含むかどうかを示すよう構成される第２の有音無音検出器（１５５）と、
該近端デジタル信号を監視し、第１及び第２の有音無音検出器（１５０、１５５）からの該近端デジタル信号と該遠端デジタル信号が音声を含むか否かを示す表示を受け、該アナログ利得を該近端アナログ信号に適用し、該近端デジタル信号が音声を含みかつ該遠端デジタル信号が音声を含まないときだけ近端音声の平均レベルの推定値を更新するように構成される利得制御プロセッサ（１６０）とを有し、
該利得制御プロセッサ（１６０）は、近端音声の平均レベルを推定し、該近端アナログ信号に適用される該利得を調整して、近端音声の平均レベルの該推定値を目標平均レベルに向けて押し込むように構成され、
さらに、該利得制御プロセッサ（１６０）は該アナログ利得を、該近端デジタル信号が音声を含みかつ該遠端デジタル信号が音声を含まない期間のみに基づいて調整する、適応利得制御装置。
【請求項２】
近端音声の平均レベルの前記推定値が近端音声の平均レベルの前の推定値と現行の近端音声レベルとの加重合計として更新され、それによって該適応利得制御装置が、利得適応化とシステムの安定性との均衡を与える請求項１記載の適応利得制御装置。
【請求項３】
前記利得制御プロセッサ（１６０）が、一連の近端信号サンプルブロックの終わりにおける近端音声の平均レベルの前記推定値を更新する請求項１記載の適応利得制御装置。
【請求項４】
近端音声の平均レベルの前記推定値が、前の近端信号サンプルブロックに対して作られた近端音声の平均レベルの前の推定値と現行近端信号サンプルブロックに対して計算された現行近端音声レベルとの加重平均としてスムーズに更新される、請求項３記載の適応利得制御装置。
【請求項５】
現行近端信号サンプルブロックのための前記近端音声レベルが該近端デジタル信号の平均レベルと該近端雑音レベルの推定値との差として計算される請求項４記載の適応利得制御装置。
【請求項６】
該近端雑音レベルの前記推定値が、第１と第２の有音無音検出器（１５０，１５５）が近端音声も遠端音声も前記近端デジタル信号と前記遠端デジタル信号とにそれぞれ存在しないことを示す期間に計算される請求項５記載の適応利得制御装置。
【請求項７】
前記一連の近端信号サンプルブロックが音声フレームである、請求項３記載の適応利得制御装置。
【請求項８】
利得制御プロセッサ（１６０）がいくつかのブロックごとに該アナログ利得を増加調整する、請求項３記載の適応利得制御装置。
【請求項９】
前記アナログ利得調整の間のブロック数が時間とともに変化する請求項８記載の適応利得制御装置。
【請求項１０】
前記利得制御プロセッサ（１６０）が  前記近端アナログ信号に適用されるアナログ利得を調整して該近端デジタル信号における該ピーク近端音声レベルの推定値が目標ピークレベルを超えないようにし、さらに前記利得制御プロセッサ（１６０）が、該近端デジタル信号が音声を含み、該遠端デジタル信号が音声を含まないときに限り該ピーク近端音声レベルの前記推定値を更新する請求項１記載の適応利得制御装置。
【請求項１１】
一連の近端信号サンプルブロックのそれぞれの終わりにおいて利得制御プロセッサ（１６０）が該ピーク近端音声レベルの前記推定値を更新する請求項１０記載の適応利得制御装置。
【請求項１２】
利得制御プロセッサ（１６０）が、該ピーク近端音声レベルの前記推定値を、前の近端信号サンプルブロックのために作られた該ピーク近端音声レベルの前の推定値と現行近端信号サンプルブロックのために計算された現行近端音声レベルとの加重合計、または前記現行近端信号サンプルブロックのために計算された前記現行近端音声レベルのうちの最大値として更新する、請求項１１記載の適応利得制御装置。
【請求項１３】
前記利得制御プロセッサ（１６０）が、該近端デジタル信号が飽和しているかどうかの判断に基づいて、前記近端アナログ信号に適用される該アナログ利得を調整する請求項１記載の適応利得制御装置。
【請求項１４】
該近端デジタル信号が飽和しているかどうかの前記判断が、一連の近端信号サンプルブロックのそれぞれの終わりにおいて実施される、請求項１３記載の適応利得制御装置。
【請求項１５】
該近端デジタル信号が飽和しているときに、前記利得制御プロセッサ（１６０）が前記近端アナログ信号に適用される該アナログ利得を減少するように適応された請求項１３記載の適応利得制御装置。
【請求項１６】
該利得制御プロセッサ（１６０）が近端音声の平均レベルの前記推定値を更新して該近端デジタル信号における雑音を補償するよう適応された請求項１記載の適応利得制御装置。
【請求項１７】
該利得制御プロセッサ（１６０）が、前記マイクロホンから受けられる前記近端アナログ信号に適用される前記アナログ利得の調整を適応エコー・キャンセラに対して報告するように構成されているので該エコー・キャンセラが直ちに適応フィルタ係数を調整することが可能である請求項１記載の適応利得制御装置。
【請求項１８】
該近端デジタル信号のデジタルサンプルがバッファに蓄積され、
前記利得制御プロセッサ（１６０）は該近端デジタル信号の蓄積されたサンプルに対して処理を行うように構成され、さらに、前記利得制御プロセッサ（１６０）は、該利得の調整を該エコー・キャンセラに報告するときに、前記マイクロホンから受ける前記近端アナログ信号に対して適用される該アナログ利得を調整する際の遅延を補償するように構成されている請求項１７記載の適応利得制御装置。
【請求項１９】
該利得制御プロセッサ（１６０）は、その出力を適応雑音抑圧器に送信するよう構成されており、該適応雑音抑圧器は雑音抑圧アルゴリズムを前記利得制御プロセッサ（１６０）の出力に適用する請求項１記載の適応利得制御装置。
【請求項２０】
該利得制御プロセッサ（１６０）は前記マイクロホン（１１０）から受ける前記近端アナログ信号に適用される該アナログ利得を、近端音声の平均レベルの前記推定値と、該ピーク近端音声レベルの推定値及び該近端デジタル信号が飽和しているかどうかの判断のうちの少なくとも一つとに基づいて調整するように構成されている、請求項１記載の適応利得制御装置。
【請求項２１】
通信システムにおいてソフトウェア制御によって調整可能利得増幅器（１３０）のアナログ利得を適応制御する方法であって、少なくとも一人の近端ユーザーからの近端音声を含む近端アナログ信号がマイクロホン（１１０）を通じて受信され、前記アナログ利得を適用することによって前記調整可能利得増幅器（１３０）によって増幅され、アナログ−デジタル変換器（１４０）によって近端デジタル信号に変換され、かつ遠端音声を含む遠端デジタル信号がデジタル−アナログ変換器（１４５）によってスピーカ（１２０）において受信される遠端アナログ信号に変換され、前記スピーカ（１２０）によって少なくとも一人の近端ユーザーに送信され、
前記方法は、
−利得制御プロセッサ（１６０）によって前記近端デジタル信号における近端音声の平均レベルの推定値を決定するステップ、
―第１の音声有音無音検出器（１５０）によって専ら該近端デジタル信号を測定して、該近端デジタル信号が音声を含むかどうかを決定するステップ、
―第２の音声有音無音検出器（１５５）によって専ら該遠端デジタル信号を測定して、該遠端デジタル信号が音声を含むかどうかを決定するステップ、
―前記利得制御プロセッサ（１６０）において第１（１５０）及び第２（１５５）の音声有音無音検出器からの該近端デジタル信号及び該遠端デジタル信号が音声を含むかどうかを表示する表示を受信するステップ、
―該利得制御プロセッサ（１６０）によって、該近端デジタル信号が音声を含みかつ該遠端デジタル信号が音声を含まないときだけ近端音声の平均レベルの前記推定値を更新するステップ、
―該利得制御プロセッサ（１６０）によって、近端音声の平均レベルの前記推定値を前記目標平均レベルと比較することに基づいて、前記アナログ利得を調整するステップ、及び
―近端音声の平均レベルの前記推定値を前記目標平均レベルに向かわせるために、前記調整可能利得増幅器（１３０）によって前記アナログ利得を前記近端アナログ信号に適用するステップ、
を有し、
さらに、該アナログ利得を調整する該ステップは、該近端デジタル信号が近端音声を含み、該遠端デジタル信号が音声を含まない期間のみに基づいて実施される、方法。
【請求項２２】
前記アナログ利得を調整する前記ステップはさらに、
−該近端デジタル信号が飽和したかどうかを判断するステップ（２２０）、
−もし該近端デジタル信号が飽和している場合、該近端アナログ信号に適用される該アナログ利得を減少させるステップ（２３０）、
−もし該近端デジタル信号が飽和していない場合、近端音声の平均レベルの該推定値を前記目標平均レベルと比較するステップ（２５０，２６０）、
−もし近端音声の平均レベルの該推定値が前記目標平均レベルを超えている場合、該近端アナログ信号に適用される該アナログ利得を減少させるステップ（２３０）、
−もし近端音声の平均レベルの該推定値が前記目標平均レベルを下回っている場合、該近端デジタル信号における該ピーク近端音声レベルの推定値を目標ピークレベルと比較するステップ（２７０）、及び
−該ピーク近端音声レベルの該推定値が該目標ピークレベルを下回っている場合に限り、該近端アナログ信号に適用される該アナログ利得を増加させるステップ（２８０）、
を有する請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
近端音声の平均レベルの前記推定値が、近端音声の平均レベルの前の推定値と現行の近端音声レベルとの加重合計として更新され、利得適応化とシステムの安定性との均衡を与える請求項２１記載の方法。
【請求項２４】
前記更新するステップがさらに、一連の近端信号サンプルブロックのそれぞれの終わりにおいて近端音声の平均レベルの前記推定値を更新するステップを含む請求項２１記載の方法。
【請求項２５】
近端音声の平均レベルの前記推定値が、前の近端信号サンプルブロックのために作られた近端音声の平均レベルの前の推定値と現行の近端信号サンプルブロックのために計算された現行の近端音声レベルとの加重合計として円滑に更新される、請求項２４記載の方法。
【請求項２６】
現行近端信号サンプルブロックのための前記近端音声レベルが該近端デジタル信号の平均レベルと該近端雑音レベルの推定値との差として計算される請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
該近端雑音レベルの前記推定値が、第１及び第２の音声有音無音検出器が近端音声も遠端音声も前記近端デジタル信号と前記遠端デジタル信号とにそれぞれ存在しないことを示す期間に計算される請求項２６記載の方法。
【請求項２８】
前記一連の近端信号サンプルブロックが音声フレームである、請求項２４記載の方法。
【請求項２９】
前記調整するステップが、いくつかのブロックごとに前記アナログ利得を増加調整するステップをさらに含む、請求項２４記載の方法。
【請求項３０】
前記アナログ利得調整の間のブロック数が時間とともに変化する請求項２９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信システムに関する。また特に、本発明は、通信システムにおける適応利得制御（adaptive gain control）に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
近年、インターネット電話通信（Internet telephony）を主流へと導く着実な推進がなされるに至っている。インターネットを通じて高品質な音響信号（high-quality audio signals）をリアルタイムで送信しかつ受信する能力（ability）により、消費者（consumers）に対しては、特にマルチメディア・コンピュータの場面（multimedia computer context）において、費用効率的でかつ以前では実現できなかった通信上の解決手段（communications solutions）が提供されることになろう。しかしながら、かかるインターネット電話通信のアプリケーションの実現を成功させるに当たって現在障害となっている事項（present obstacle）は、音響信号利得制御（audio signal gain control）に関係している。具体的に言うと、インターネット経由での伝送（transmission（伝送ないし送信））用に音響信号を前処理（prepare）するために共通使用される音声符号器（speech coders）や他の信号処理アルゴリズムの適切でかつ調和（整合）した処理動作（proper and consistent operation）を確保するように、音響信号（例えばマイクロホンの出力信号等）のレベルを調整することが実際には困難となっている。換言すれば、かかる信号処理アルゴリズムの多くは、特定のダイナミック入力レンジ（particular dynamic input range）を最大限利用することに基づいて最適化されており、したがって、到来する信号（incoming signals）がそのレンジを満たすがそのレンジを超えないものとなるように、厳密な信号レベル調整（precise signal level adjustment）を必要とするのである。
【０００３】
従来より、信号レベル調整は、アプリケーションの利用者に委ねられているか、あるいは、アプリケーションが最初にインストールされた時ないしアプリケーションが最初に利用される時に実行されるキャリブレーション（calibration（較正））に基づいて自動的に行われるかになっている。例えば、利用者に対しては、ライン−イン（line-in）ないしマイクロホンの信号が伝送用に適切に処理されるように、マルチメディア・コンピュータのサウンドボード（soundboard）について利得制御調整（gain control adjustments）を行うよう指示されることがよくある。あるいは他の形態として、アプリケーションのインストレーション及びセットアップ（installation and setup）において（例えば、マイクロホンに向かって話したり、音響ライン−イン信号を与えたりすることにより）キャリブレーション信号を供給するよう利用者に指示をすることもでき、これによってサウンドボードの利得を自動的に設定することができる。
【０００４】
しかしながら、そのマイクロホンないしライン−インの信号を利用者が聞くことはできず、かつ、将来の信号レベルの変化（例えば、マイクロホンの位置の変更や利用者間での声の強度（voice strength）の相違等による、将来の信号レベルの変化）を捉える（考慮する）ことのできる信号利得設定は存在しないことから、それらの解決手段は不十分（inadequate）であることが判明している。時にはサウンドボードの利得に低すぎる設定がなされ、そのせいで音声符号器及び／又は他の処理アルゴリズムが正確度の低いものになることもある。このため、受信側の利用者（receiving user）は、遠端（the far end）で利得を増加させることになりがちであり、その結果として、受信される音声信号は、劣悪な信号対雑音比（signal-to-noise ratio）を有することになり、また、妨害測定雑音（disturbing measurement noise）を含み得ることにもなる。他の場合ではサウンドボードの利得に高すぎる設定がなされ、そのせいで音声符号器及び／又は他の処理アルゴリズムが予定通り機能するのを妨げ得る信号飽和（signal saturation）を生じることもある。受信側の利用者は、遠端利得（far-end gain）を下げることができるが、受信される音声信号は、それにも拘わらず歪んだものになることがある。
【０００５】
特許文献１にはハンドフリー機構におけるスピーカホンでの全二重通信チャネル上での半二重操作をエミュレートする方法と装置が開示され、該文献では、信号推定器が近端スピーカへの出力のための近端及びマイクロホン入力と遠端入力との最小信号レベルとともにピーク及び平均信号レベルを推定する。該推定値は利得生成器に入力されて、該利得生成器は第１及び第２のオーディオ入力の利得がどのように変動すべきかを決定し、それは第１の入力に関連した信号または第２の入力に関連した信号の何れかを支配的にして出力に受け渡されるようにするためである。
特許文献２にはスピーカホンのハウリング防止システムが開示され、該システムはスピーカホンによる会話中にスピーカホンのマイクとスピーカとの間の反響エコーパスの突然の変化に起因する、望ましからぬハウリングを除去するのに役立つ。
したがって、通信システムにおいては、信号レベルを調整するための改良された方法及び装置を求める要求がある。
【特許文献１】
米国特許第５３５７５６７号明細書
【特許文献２】
欧州特許出願公開第０７６５０６７号明細書
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、適応利得制御のための手法を提供することにより、上述した要求及び他の要求を満たす。有利な点として、開示する手法は、通話の全体（the entirety of a conversation）の間中正確に調整された信号レベルを与えると共に、背景雑音（background noise）及びスピーカのエコー（loudspeaker echo）に対して弾力的に対応可能なもの（resilient）となっている。さらに、それらの開示する手法は、複数（多数）の近端話者（multiple near-end speakers）を捉えることができ（考慮することができ）、加えて近端環境（near-end environment）の変化（例えば、利用者及びマイクロホンの位置の変更等）も捉えることができる。
【０００７】
本発明に基づく代表的な適応利得制御装置（adaptive gain controller）は、マイクロホンの出力信号の測定値（measurements）とスピーカの入力信号の測定値とに基づき、前記マイクロホンの出力信号に対して適用されるアナログ利得（analog gain）を調整するように構成された利得制御プロセッサを有する。例えば、前記アナログ利得は、前記マイクロホンの信号における（前記マイクロホンの信号中の）平均音声レベル及びピーク音声レベルの推定値（estimates of the average and peak speech levels）と前記マイクロホンの出力信号が飽和しているかどうかの判断（determination）とに基づいて調整するものとすることができる。代表的な実施形態においては、前記マイクロホンの出力信号における平均音声レベルが目標平均レベル（target average level）に近づき、かつ、前記マイクロホンの出力信号におけるピーク音声レベルが最大ピーク・レベル（maximum peak level）を超えないように、前記アナログ利得が調整される。性能（performance）を向上させるために、前記平均及びピークの各音声レベル推定値は更新され、代表的な実施形態では、前記マイクロホンの出力信号が音声を含んでいることと前記スピーカの入力信号が音声を含んでいないこととを有音無音検出器（voice activity detectors）が示すときにのみ、前記平均及びピークの各音声レベル推定値を更新する。
【０００８】
アナログ−デジタル変換器（analog-to-digital converter）を通じてのデジタル化（digitization）に先立って信号に対して適用されるアナログ利得を調整するための代表的な方法は、前記アナログ−デジタル変換器のデジタル出力が飽和しているかどうかを判断する過程と、前記デジタル出力が飽和している場合には前記アナログ利得を減少させる過程と、前記デジタル出力が飽和していない場合には通信信号（communications signal）の測定平均レベル（measured average level（測定された平均のレベル））を目標平均レベルと比較する過程と、前記測定平均レベルが前記目標平均レベルを過度に超過している（too far above（大幅に超えすぎている））場合には前記アナログ利得を減少させる過程と、前記測定平均レベルが前記目標平均レベルを過度に下回っている（too far below（大幅に下回りすぎている））場合には通信信号の測定ピーク・レベル（measured peak level（測定されたピーク・レベル））を通信信号の最大ピーク・レベルと比較する過程と、前記測定ピーク・レベルが前記最大レベルを下回っている場合には前記アナログ利得を増加させる過程とを、有している。
【０００９】
本発明の、上述した特徴及び有利な効果（advantages）並びに他の特徴及び有利な効果について、以下に、添付図面に示した例示的な各例を参照しつつ詳細に説明する。以下に述べる実施形態が例示と理解という目的のために与えられるものであり、かつ、非常に多くの均等な実施形態（equivalent embodiments）がここに予期されることは、当業者に十分理解されることであろう。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に基づく適応利得制御装置（adaptive gain control arrangement（適応利得制御設備））を取り入れた代表的なインターネット電話通信システム１００を表している。このようなシステムは、例えば、マルチメディア・パーソナル・コンピュータ（multimedia personal computer）に含ませる（設ける）ことができる。図１のシステム１００の様々な構成要素の以下に説明する機能（functionality）が公知のアナログ及びデジタル信号処理ハードウェア（analog and digital signal processing hardware）及び／又は汎用デジタル・コンピュータ（general purpose digital computer）を用いて実現できることは、当業者に十分理解されることであろう。
【００１１】
図示のように、代表的なシステム１００は、マイクロホン１１０、スピーカ１２０、調整可能利得増幅器（adjustable-gain amplifier）１３０、アナログ−デジタル変換器１４０、デジタル−アナログ変換器（digital-to-analog converter）１４５、第１及び第２の有音無音検出器（ＶＡＤｓ(voice activity detectors)）１５０及び１５５、並びに制御プロセッサ１６０を有している。遠端デジタル信号（far-end digital signal）ｘ（ｎ）（例えば、インターネットを介して受信されるデジタル化された遠端の音声及び雑音等）は、デジタル−アナログ変換器１４５へ入力されると共に、第２の有音無音検出器１５５へ入力される。デジタル−アナログ変換器１４５は、その遠端信号ｘ（ｎ）をアナログ領域（the analog domain）に変換し、そして、その結果生成された遠端アナログ信号（far-end analog signal）ｘ（ｔ）は、図示せぬ近端利用者（near-end user）に対する提示（presentation（表し示すこと））のためにスピーカ１２０へ入力される。
【００１２】
また、マイクロホン１１０において、近端音声（near-end speech）ｖ１（ｔ）、近端雑音（near-end noise）ｖ２（ｔ）及び遠端エコー（far-end echo）ｓ（ｔ）が受信され、かつ、合成されて（combine（結合して））近端アナログ信号（near-end analog signal）ｙ（ｔ）を生成する。この近端アナログ信号ｙ（ｔ）は、調整可能利得増幅器１３０によって増幅されると共に、アナログ−デジタル変換器１４０によってデジタル化される。その結果として生じるデジタルの近端信号ｙ（ｎ）は、第１の有音無音検出器１５０へ入力されると共に、制御プロセッサ１６０へ入力され、かつ、遠端へ向けて（例えばインターネットを介して）送られるものともなる（passed on（そのまま遠端へ通過回送もされる））。それぞれの有音無音検出器１５０、１５５からの出力は、制御プロセッサ１６０へ入力される。
【００１３】
動作においては、制御プロセッサ１６０は、近端デジタル信号（near-end digital signal）ｙ（ｎ）を監視し、これに加えてそれぞれの有音無音検出器１５０、１５５からの出力も監視し、かつ、増幅器１３０の利得を調整して、近端デジタル信号ｙ（ｎ）のレベルが、伝送（送信）用に近端信号ｙ（ｎ）の前処理をするのに利用され得る音声符号器（図示略）及び／又は任意の他のデジタル信号処理アルゴリズムに対する入力として適切なものとなるようにする。アナログ−デジタル変換の後と音声符号器ないし他のアルゴリズムへの入力の直前とにおいてデジタル信号レベルに対する微調整（small adjustments）を行うことが可能であるが、より大域的な調整（larger adjustments）を増幅器１３０によって行い、これによって測定雑音の不適切な増幅（undue amplification of measurement noise）を回避すると共にアナログ−デジタル変換器１４０での信号クリッピングによる歪み（distortion due to signal clipping）を防止する。
【００１４】
通常、制御プロセッサ１６０は、近端信号ｙ（ｎ）における近端音声の平均レベルを測定すると共に、その測定した平均レベルを目標平均レベルないし好ましい平均レベル（例えば、the Subscriber Loop Signaling and Transmission Handbook, Whitman D. Reeve, IEEE Press, 1992, pp. 95-97 において定義されているように、−２２ｄＢｏＶのレベル）の方へ絶えず向かわせる（continually push（継続的に押しやる））ように、増幅器１３０の利得を調整する。利得制御システムをより耐性の高いもの（more robust（より揺るぎないもの））にするため、利得調整は、後に詳細に説明するように、有音無音検出器１５０、１５５の出力を条件とすることができ、また、信号飽和のテスト（test for signal saturation）を条件とすることができる。さらに、同じく後に詳細に説明するように、利得調整は、近端音声のピーク・レベルの測定を条件とし、二人又はそれより多くの近端利用者が話をしている場合の利得調整エラー（gain adjustment errors）を防止するようにすることもできる。
【００１５】
代表的な実施形態によれば、近端信号ｙ（ｎ）における近端音声の平均レベルの現行推定値（running estimate（その時々の推定値））は、連続する一連の近端信号サンプル・ブロック（a succession of near-end signal sample blocks）のそれぞれの終わりにおいて更新される（例えば、各１６０サンプルＧＳＭ音声フレーム（each 160-sample GSM speech frame）の終わりにおいて更新される）。ただし、近端利用者が話をしていない時の期間に基づく誤った利得調整を回避するため、平均近端音声レベルの推定値は、近端信号ｙ（ｎ）が音声を含んでいることを第１の有音無音検出器１５０が示す（indicates（表示する））ときにだけ更新されるものとする。さらに、たとえ近端利用者が話をしていない場合であっても、遠端エコーによって第１の有音無音検出器１５０が音声を示す事態が生じ得るので、遠端信号ｘ（ｎ）が音声を含んでいないことを第２の有音無音検出器１５５が示すときにだけ推定値を更新する。有音無音検出器１５０、１５５を構成するための手法は、よく知られており、また、例えば、ETSI, GSM 06:32, European Digital Cellular Telecommunication System Voice Activity Detection, Version 4.3.1, April 1998 において説明されている。
【００１６】
近端単独話中（near-end single-talk）の期間（有音無音検出器１５０、１５５が示すところでは近端単独話中である期間）の間は、サンプルの各ブロックの終わりにおいて（例えば、各ＧＳＭフレームの終わりにおいて）、そのサンプルのブロックについての近端信号ｙ（ｎ）全体の平均レベルｒｙをまず計算することにより、平均近端音声レベルの現行推定値を更新する。すなわち、Ｎサンプル（例えば１６０個のサンプル）のブロックについては、平均近端信号レベルｒｙを
【数１】
0004204754.tif 000002
として計算する。
【００１７】
次に、その計算した近端信号レベルから近端雑音レベルの推定値を減算することにより、そのフレームについての近端音声レベルを計算する（ここで、近端雑音レベルの推定値は、有音無音検出器１５０、１５５が示すところの、近端音声がなくかつ遠端音声がない期間（periods of no near-end speech and no far-end speech）の間に計算することができる。）。すなわち、近端音声レベルｒｖ１は、近端信号レベルｒｙと雑音レベルｒｖ２との差（difference）
【数２】
0004204754.tif 000003
として計算される。
【００１８】
フレームについての近端音声レベルが一旦分かると、フレームからフレームへと補整をしていくこと（smoothing from frame to frame）により、平均近端音声レベルの現行推定値ｒａｖが更新される。すなわち、その平均レベルの推定値ｒａｖは、
【数３】
0004204754.tif 000004
として更新される。ここで、αは、利得適応化のスピードとシステムの安定性との均衡（balance between speed of gain adaptation and system stability）を与えるように設定される更新係数（update coefficient）（実数）である。実験による研究では、０．９９５が更新係数αとして適切な値であることが示されている。
【００１９】
この対ブロック方式（block-wise fashion（ブロックについての方法））において平均近端音声レベルを監視することにより、その平均近端音声レベルを目標レベルに維持しあるいは目標レベル付近に維持する（例えば、目標レベル周辺の値の範囲（range）内に維持する）ように周期的な増幅器利得調整を行うことができる。例えば、現行平均推定値ｒａｖと目標値（例えば−２２ｄＢｏＶ）の比較に基づき、いくつかのブロック毎（例えば３０ないし５０のＧＳＭフレーム毎）に利得を増加調整する（incrementally adjusted（増加させて調整する））ことができる。換言すれば、いくつかのブロックの終わりにおいて、現行推定値ｒａｖが目標レベルを過度に超過しあるいは過度に下回っている場合には、増幅器の利得を適切な量（例えば１〜３ｄＢ）ずつ徐々に下げあるいは徐々に上げる（stepped down or up（段階的に減少させあるいは段階的に増加させる））ことができる。いくつかのブロックないしフレーム毎に一度だけ利得を調整することとし、かつ、利得を目標値に向けて徐々に段階的に進ませることとすることにより、煩雑な利得の変動（bothersome gain fluctuations）は回避される。有利な点として、各利得調整の間の間隔（例えば、ブロックないしフレームの数）は、全体的な時間の間で変更することができる。例えば、初期の学習期間（early training period（導入する初期の期間））の間ではより頻繁に調整を行い、その後ではより少ない頻度で調整を行うものとすることができる。
【００２０】
上述した手法は、一人だけの近端利用者がいる場合では高品質な利得制御を提供するが、複数の（多種多様な）近端利用者が話をしている場合には不十分な結果をもたらすことがあり得る。すなわち、異なる声のレベル（voice levels）を持った二人又はそれより多くの利用者が話をしている場合、上述した平均レベルの推定値は、それら声のレベルのすべてを包含することになり、それ故に、最も声が大きい一利用者ないし複数利用者（the loudest user(s)）が話をしているときに過増幅（over-amplification（過度の増幅））及びクリッピングを生じさせることになり得る。
【００２１】
しかし、別の代表的な実施形態は、近端音声のピーク・レベルを考慮することにより、この問題を解決する。具体的には、ピーク近端音声レベル（peak near-end speech level）の現行推定値を対ブロック方式で
【数４】
0004204754.tif 000005
として計算する。ここで、βは実更新係数（real update coefficient）（例えば０．９９５）であり、かつ、フレームについての音声レベルｒｖ１は上述したように計算される。平均レベルの推定値ｒａｖ同様、ピーク・レベルの推定値ｒｐｅａｋは、近端単独の話中状態（near-end single talk condition）を有音無音検出器１５０、１５５が示しているときにだけ更新される。ピーク・レベルの推定値が目標値（例えば−１６ｄＢｏＶ）を超えないことを確保（保証）することにより、複数の近端利用者がいる場合において過増幅を回避することができる。例えば、制御プロセッサ１６０は、ピーク・レベルの推定値が目標ピーク・レベル（target peak level）よりも低い場合にのみ、利得の増加（平均レベルの推定値によって示されるところの利得の増加）を許容するように構成することができる。
【００２２】
有利な点として、上述した利得制御の手法は、アナログ−デジタル変換器１４０の飽和を考慮することにより、より一層耐性の高いものにすることができる。例えば、変換器１４０が飽和していないとき（例えば、出力信号ｙ（ｎ）が変換器の出力範囲（出力レンジ）の最小値ないし最大値と等しい値を有するときに示されるところの変換器１４０が飽和していないとき）だけに利得の増加（例えば、上述した平均レベルの推定値及びピーク・レベルの推定値によって示されるところの利得の増加）を許容することとし、あるいは、飽和が検出されているときは常にゲインを減少させることとすれば、信号のクリッピング及び結果として生じる歪みを最小にすることができる。
【００２３】
代表的な実施形態によれば、現行飽和カウンタ（a running saturation counter）を保持（maintaining（継続））することにより、飽和が監視される。それぞれのブロックないしフレームの終わりにおいて、そのブロックないしフレームにおける飽和サンプル（saturated samples（飽和したサンプル））の数Ｌを判断する（例えば、最小ないし最大の変換器出力値を有するサンプルをカウントする。）。ブロックないしフレームにおける飽和サンプルの数Ｌがブロック毎飽和閾値（a per-block saturation threshold）Ｔ１（例えば２）よりも多いかあるいはこれに等しい場合には、その飽和サンプルの数Ｌの分だけ飽和カウンタをインクリメントする。一方、ブロックないしフレームにおける飽和サンプルの数Ｌがブロック毎閾値Ｔ１よりも少ない場合には、所定量（a predetermined amount）Ｍ（例えば１〜５の範囲（the range 1-5）内の整数）の分だけ飽和カウンタを減少させる。飽和カウンタが総合飽和閾値（overall saturation threshold）Ｔ２（例えば５０）より大きいかあるいはこれに等しいものとなる度に、増幅器の利得を徐々に下げると共に、飽和カウンタをリセットする。しかし、飽和カウンタが総合飽和閾値Ｔ２よりも小さい限り、何等かの適切な方式で（例えば、上述した平均レベルの推定値及びピーク・レベルの推定値に基づいて）増幅器の利得を調整する。また、連続する飽和サンプル（consecutive saturated samples）に対しては、単発の飽和サンプル（single saturated samples）と比べてより大きな重み（例えば２）を割り当てることができる点にも留意されたい（単発の飽和サンプルは聞き取れないもの（inaudible）になり得るのに対し、連続する飽和サンプルは受信側の利用者に対して騒がしいもの（disturbing）であることが多いからである。）。実験による研究では、上述の手法が適切な利得制御を維持している間において効果的でかつ安定した飽和防止の方法（way of preventing saturation）になることが示されている。
【００２４】
概して、本発明によれば、上述した平均、ピーク及び飽和のパラメータの任意の組合せに基づく利得調整判定（gain adjustment decisions）を行うことにより、効果的な利得調整を成し遂げることができる。図２には、代表的な判定アルゴリズム２００を表してある。この代表的なアルゴリズムは、例えば、いくつかのフレーム（例えば３０〜５０のフレーム）毎に一度、増幅器利得調整を行うのに利用することができる（この代表的なアルゴリズムによる場合では、上述した平均レベルの推定値、ピーク・レベルの推定値及び飽和カウンタが各フレームの終わりで更新されることが分かる。）。
【００２５】
この判定アルゴリズムはステップ２１０で始まり、そしてステップ２２０において、増幅されかつデジタル化された信号ｙ（ｎ）が飽和しているかどうかについて（例えば、現行飽和カウンタが飽和閾値Ｔ２よりも大きいかどうかについて）判断を行う。そうである場合（増幅されかつデジタル化された信号ｙ（ｎ）が飽和している場合（例えば、現行飽和カウンタが飽和閾値Ｔ２よりも大きい場合））には、ステップ２３０で増幅器の利得を（例えば１〜３ｄＢだけ）減少させ、そしてこの判定アルゴリズムはステップ２４０で完了する。そうでない場合（増幅されかつデジタル化された信号ｙ（ｎ）が飽和していない場合（例えば、現行飽和カウンタが飽和閾値Ｔ２よりも大きくない場合））には、（ステップ２５０で）信号レベルが高すぎるかどうかについて（例えば、平均音声レベルの推定値が目標平均レベルを過度に超過しているかどうかについて）判断を行う。そうである場合（信号レベルが高すぎる場合（例えば、平均音声レベルの推定値が目標平均レベルを過度に超過している場合））には、ステップ２３０で増幅器の利得を減少させ、そしてこの判定アルゴリズムはステップ２４０で完了する。そうでない場合（信号レベルが高すぎるものではない場合（例えば、平均音声レベルの推定値が目標平均レベルを過度に超過していない場合））には、（ステップ２６０で）信号レベルが低すぎるかどうかについて（例えば、平均音声レベルの推定値が目標平均レベルを過度に下回っているかどうかについて）判断を行う。そうでない場合（信号レベルが低すぎるものではない場合（例えば、平均音声レベルの推定値が目標平均レベルを過度に下回っていない場合））には、増幅器の利得を変更（修正）せずに、この判定アルゴリズムはステップ２４０で完了する。そうである場合（信号レベルが低すぎる場合（例えば、平均音声レベルの推定値が目標平均レベルを過度に下回っている場合））には、（ステップ２７０で）ピークの信号レベルが適切な範囲内にあるかどうかについて（例えば、ピーク音声レベルの推定値が目標ピーク値（target peak value）よりも小さいかどうかについて）判断を行う。そうでない場合（ピークの信号レベルが適切な範囲内にない場合（例えば、ピーク音声レベルの推定値が目標ピーク値よりも小さくない場合））には、増幅器の利得を変更せずに、この判定アルゴリズムはステップ２４０で完了する。そうである場合（ピークの信号レベルが適切な範囲内にある場合（例えば、ピーク音声レベルの推定値が目標ピーク値よりも小さい場合））には、増幅器の利得をステップ２８０で（例えば１〜３ｄＢだけ）増加させ、そしてこの判定アルゴリズムはステップ２４０で完了する。
【００２６】
上に記載したように、ここで開示する利得制御の手法は、通話の全体の間中正確に調整された信号レベルを与えると共に、背景雑音及びスピーカのエコーに対して弾力的に対応可能なものとなっている。さらに、それらの開示する手法は、複数（多数）の近端話者を捉えることができ（考慮することができ）、加えて近端環境の変化（例えば、利用者及びマイクロホンの位置の変更等）も捉えることができる。
【００２７】
有利な点として、ここで開示する手法は、雑音抑圧アルゴリズム（noise suppression algorithms）及び／又は適応フィルタ・エコー消去アルゴリズム（adaptive-filter echo canceling algorithms）等のような他の適応信号処理アルゴリズムと共に協働して機能するように構成することができる。例えば、よく知られた技術であるように、エコー・キャンセラ（echo cancelers（エコー消去装置））は、エコー消去した信号（echo-canceled signal）を与えるために近端信号ｙ（ｎ）から減算されるエコーｓ（ｔ）の推定値を進化させる（develop）ために、適応アルゴリズム（例えば、最小平均二乗（Least Mean Squares）ないし正規化最小平均二乗（Normalized Least Mean Squares）等）を利用する。本発明によれば、かかるエコー・キャンセラに対して上述した手法を利用して行う利得の変更を直接報告する（reported directly）ものとすることができ、そのエコー・キャンセラの適応フィルタ係数（adaptive filter coefficients）を直ちに調整できるようにすることができる。その結果、エコー・キャンセラは、上述した手法によって付け加えられる（introduced（導入される））レベルの変更（変化）に対して適応するための追加の時間を必要としないことになる。アナログ−デジタル変換器１４０と利得制御プロセッサ１６０との間に蓄積バッファ（storage buffer）が配置されている場合（例えば、利得制御プロセッサ１６０が蓄積されたサンプルに対して処理動作をするようになっている場合）、結果として生じる信号遅延（すなわち、増幅器１３０でのアナログ利得の変更が出力信号ｙ（ｎ）において反映されるのに必要な時間）は、エコー・キャンセラ（ないし他の適応アルゴリズム）に対して利得の変更を報告する時に考慮される。
【００２８】
例示をする目的でここに説明した特定の代表的な実施形態に本発明は限定されず、かつ、非常に多くの他の実施形態も予期されるということは、当業者に十分理解されることであろう。例えば、リアルタイムのインターネット電話通信に関して実施形態を説明したが、開示した概念（concepts）は、信号の適応利得制御が必要とされあるいは望ましいとされる、あらゆる通信の場面（例えば、ボイス・メール（voice mail）及び他のデジタル電話通信アプリケーション）において、同等に適用可能である。それ故、本発明の範囲は、上に述べた説明ではなく、特許請求の範囲によって規定されるものであり、かつ、特許請求の範囲の意義に一致するすべての均等物は、その中に包含されるものと解釈される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に基づく代表的な適応利得制御装置を取り入れた通信システムのブロック図である。
【図２】  本発明に基づく適応利得制御の代表的な方法における各ステップを表した流れ図である。
【図１】
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【図２】
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