(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
任意の２チャンネルの離散信号ベクトルＸ，Ｙがあるとき、時刻ｋにおいて、入力信号Ｘ(k)に適応フィルタ係数ＷXを畳み込み、得られる信号をＺX(k)とし、
入力信号Ｙ(k)に適応フィルタ係数ＷYを畳み込み、得られる信号をＺY(k)としたときに、適応フィルタ係数ＷXの更新に用いられる誤差信号errＸ(k)が、入力信号Ｙ(k)を適応フィルタ長Ｍの半分であるＭ／２の遅延が施されたＹ’(k)からＺX(k)を差し引いたものであり、適応フィルタ係数ＷYの更新に用いられる誤差信号errＹ(k)が、入力信号Ｘ(k)をＭ／２の遅延が施されたＸ’(k)からＺY(k)を差し引いたものであり、
このようにして得られた誤差信号errＸ(k)，errＹ(k)を利用して逐次適応フィルタ係数ＷX，ＷYが更新され、同相信号としてＺ’(k)＝（ＺX(k)＋ＺY(k)）／２を出力しかつ、Ｘ’(k)およびＹ’(k)からＺ’(k)をそれぞれ差し引いた無相関信号ＸO’(k)とＹO’(k)を出力することを特徴とする同相成分抽出方法。
【請求項２】
任意の２チャンネルの信号を入力する信号入力部と、各チャンネルの信号入力部の出力側にそれぞれ接続された適応フィルタ、フィルタ係数生成器及びサンプル遅延器を備え、  前記適応フィルタ及びフィルタ係数生成器によって、それぞれのチャンネルの入力信号に適応フィルタを畳み込み、この両チャンネルの適応フィルタからの出力を加算する同相信号加算用の演算器と、この演算器からの出力である同相信号の出力部と、
前記サンプル遅延器からの出力から同相信号を差し引いた無相関信号を生成する無相関信号算出用の演算器と、この無相関信号算出用の演算器からの出力を出力する無相関信号出力部を備えていることを特徴とする同相成分抽出方法。
【請求項３】
任意の２チャンネルの離散信号ベクトルＸ，Ｙがあるとき、時刻ｋにおける入力信号をＸ(k)，Ｙ(k)とし、これら各入力信号の入力部１Ｘ，１Ｙと、この信号入力部１Ｘ，１Ｙの出力側に接続された適応フィルタ２Ｘ，２Ｙ、フィルタ係数生成器３Ｘ，３Ｙ及びサンプル遅延器４Ｘ，４Ｙを備え、
前記適応フィルタ２Ｘ，２Ｙ及びフィルタ係数生成器３Ｘ，３Ｙによって、時刻ｋにおける入力信号Ｘ(k)に適応フィルタ係数ＷXを畳み込み、得られる信号をＺX(k)とし、入力信号Ｙ(k)に適応フィルタ係数ＷYを畳み込み、得られる信号をＺY(k)とし、
前記サンプル遅延器４Ｘ，４Ｙは、入力信号Ｙ(k)を適応フィルタ長Ｍの半分であるＭ
／２の遅延が施された信号Ｘ’(k)，Ｙ’(k)を生成するものであり、
前記適応フィルタ２Ｘ，２Ｙの出力ＺX(k)，ＺY(k)と、前記サンプル遅延器４Ｘ，４Ｙの出力Ｘ’(k)，Ｙ’(k)信号を入力する誤差信号算出用の演算器を備え、
この演算器５Ｘは、サンプル遅延器４Ｙからの出力Ｙ’(k)から適応フィルタ２Ｘの出
力ＺX(k)を差し引いた誤差信号errＸ(k)を、演算器５Ｙは、サンプル遅延器４Ｘからの出力Ｘ’(k)から適応フィルタ２Ｙの出力ＺY(k)を差し引いた誤差信号errＹ(k)を生成するものであり、
前記適応フィルタ及びフィルタ係数生成器は、前記誤差信号算出用の演算器５Ｘ，５Ｙによって生成された誤差信号errＸ(k)，errＹ(k)に基づいて逐次適応フィルタ２Ｘ，２Ｙを更新し、フィルタ出力ＺX(k)，ＺY(k)を得るものであって、
この適応フィルタ２Ｘ，２Ｙからの出力ＺX(k)とＺY(k)とを加算する同相信号加算用の演算器６と、この同相信号加算用の演算器６の出力を０．５倍する乗算器８と、
この乗算器からの出力である同相信号Ｚ’(k)＝（ＺX(k)＋ＺY(k)）／２を出力する同相信号出力部１０と、
前記サンプル遅延器４Ｘ，４Ｙからの出力Ｘ’(k)，Ｙ’(k)から前記乗算器８からの同相信号である出力Ｚ’(k)を差し引いた無相関信号ＸO’(k)，ＹO’(k)を生成する無相関信号算出用の演算器７Ｘ，７Ｙと、この無相関信号算出用の演算器からの出力を出力する無相関信号出力部９Ｘ，９Ｙを備えていることを特徴とする同相成分抽出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２チャンネルの信号間に存在する同相な成分と無相関な成分を分離し出力するための同相成分抽出方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
２チャンネル信号間で同相な成分の抽出、強調法といえば、１チャンネル目をＸ、２チャンネル目をＹとしたときに単純に、Ｘ＋Ｙの演算を行い、それに対しバンドパスフィルタなどのフィルタリング処理をかけるというのが通例であった。しかしながら、この方式では、Ｘ，Ｙにそれぞれ無相関な信号が含まれている場合に同相以外の成分が多く出力されてしまうという問題が生じてしまい、真の意味での同相の抽出という点ではほとんどその目的を達するものは考案されてこなかった。
【０００３】
すなわち、従来の同相成分抽出処理は、２チャンネルの入力信号を加算したものと、あらかじめ用意してある固定フィルタによる処理を組み合わせたものが、オーディオ再生装置などに広く使用されてきた（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。しかし、入力信号の加算のみでは、同相成分の強調効果は、最大でも元の信号と比較して２倍程度であり、抽出機能として十分なものではなかった。
【０００４】
また他にも、同相成分を直接的に抽出する手法として、２チャンネルの入力信号それぞれに対し周波数変換を施し、複素化された信号の位相を比較し、同相であればその信号を出力するという手法も考案されている。しかしながら、ブロックごとに処理を行うことにより生じる不連続点を平滑化するための処理など、演算が複雑になりやすく、十分な処理能力が確保できない場合に音質の面でも問題が生じやすいことから、広く実用化されるにはいたっていない。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１３４５９８号公報
【特許文献２】特開平６−１５３３００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、同相成分を効果的に抽出することが可能で、しかも演算処理が比較的容易で、高音質の再生信号を得ることのできる同相成分抽出方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明の同相成分抽出方法は、任意の２チャンネルの離散信号ベクトルＸ，Ｙがあるとき、時刻ｋにおいて、入力信号Ｘ(k)に適応フィルタ係数ＷXを畳み込み、得られる信号をＺX(k)とし、入力信号Ｙ(k)に適応フィルタ係数ＷYを畳み込み、得られる信号をＺY(k)としたときに、適応フィルタ係数ＷXの更新に用いられる誤差信号errＸ(k)が、入力信号Ｙ(k)を適応フィルタ長Ｍの半分であるＭ／２の遅延が施されたＹ’(k)からＺX(k)を差し引いたものであり、適応フィルタ係数ＷYの更新に用いられる誤差信号errＹ(k)が、入力信号Ｘ(k)をＭ／２の遅延が施されたＸ’(k)からＺY(k)を差し引いたものであり、このようにして得られた誤差信号errＸ(k)，errＹ(k)を利用して逐次適応フィルタ係数ＷX，ＷYが更新され、同相信号としてＺ’(k)＝（ＺX(k)＋ＺY(k)）／２を出力しかつ、Ｘ’(k)およびＹ’(k)からＺ’(k)をそれぞれ差し引いた無相関信号ＸO’(k)とＹO’(k)を出力することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の同相成分抽出装置は、任意の２チャンネルの信号を入力する信号入力部と、各チャンネルの信号入力部の出力側にそれぞれ接続された適応フィルタ、フィルタ係数生成器及びサンプル遅延器を備え、
前記適応フィルタ及びフィルタ係数生成器によって、それぞれのチャンネルの入力信号に適応フィルタを畳み込み、この両チャンネルの適応フィルタからの出力を加算する同相信号加算用の演算器と、この演算器からの出力である同相信号の出力部と、
前記サンプル遅延器からの出力から同相信号を差し引いた無相関信号を生成する無相関信号算出用の演算器と、この無相関信号算出用の演算器からの出力を出力する無相関信号出力部を備えていることを特徴とする。
【０００９】
前記のような構成を有する本件発明においては、２チャンネルの入力信号同士が互いに参照しあうような構成をとることで、両チャンネルに畳み込まれる適応フィルタそれぞれが最適となった場合の和が、同相成分抽出フィルタとなるように逐次成長することが特徴であり、直接的に同相成分の抽出が可能となる。
【発明の効果】
【００１０】
以上のような構成を有する本発明においては、同相信号の抽出に適応フィルタの同定システムとしての働きを利用し、Ｘ，Ｙをそれぞれ互いに参照信号として用いるというシンプルな構成で、従来技術と比較して圧倒的に精度良く同相と無相関の信号分離が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、本発明の一実施形態を図１及び図２に従って具体的に説明する。
【００１２】
（１）実施形態の全体構成
図１は、本発明の同相成分抽出方法を実現する装置の一実施形態を示すブロック図であって、図中、１Ｘ，１Ｙは、２チャンネルの入力信号Ｘ及びＹの入力部である。各信号入力部１Ｘ，１Ｙの出力側は、それぞれ適応フィルタ２Ｘ，２Ｙ、フィルタ係数生成器３Ｘ，３Ｙ及びサンプル遅延器４Ｘ，４Ｙに接続されている。
【００１３】
すなわち、任意の２チャンネルの離散信号ベクトルＸ，Ｙがあるとき、時刻ｋにおける入力信号をＸ(k)，Ｙ(k)とし、一方の入力信号Ｘ(k)を適応フィルタ２Ｘ、フィルタ係数生成器３Ｘ及びサンプル遅延器４Ｘに、他方の入力信号Ｙ(k)を適応フィルタ２Ｙ、フィルタ係数生成器３Ｙ及びサンプル遅延器４Ｙに入力する。
【００１４】
適応フィルタ２Ｘ，２Ｙには、フィルタ係数生成器３Ｘ，３Ｙが接続され、これら適応フィルタ２Ｘ，２Ｙ及びフィルタ係数生成器３Ｘ，３Ｙによって、刻々と変化するフィルタ係数ＷX，ＷYが得られるようになっている。
【００１５】
この適応フィルタ２Ｘ，２Ｙにおいて、時刻ｋにおける入力信号Ｘ(k)に適応フィルタ係数ＷXを畳み込み、得られる信号をＺX(k)とし、入力信号Ｙ(k)に適応フィルタ係数ＷYを畳み込み、得られる信号をＺY(k)とする。
【００１６】
また、前記サンプル遅延器４Ｘ，４Ｙは、入力信号Ｙ(k)を適応フィルタ長Ｍの半分であるＭ／２の遅延が施された信号Ｘ’(k)，Ｙ’(k)を生成するものである。
【００１７】
なお、前記適応フィルタ２Ｘ，２Ｙにおける適応信号処理には、ＦＩＲ(Finite Impulse Response)フィルタやＩＩＲ(Infinite ImpulseResponse)フィルタ等のフィルタ構成に依らず多くのものがある。すなわち、本発明においては、ハードウェアやソフトウェアの制限や条件等を考慮し、それら適応信号処理のフィルタ構成や更新アルゴリズムを適宜選択することが可能であり、後述するＦＩＲフィルタによる適応信号処理や更新アルゴリズムに限定されるものではない。
【００１８】
前記適応フィルタ２Ｘ，２Ｙの出力ＺX(k)，ＺY(k)は誤差信号算出用の演算器５Ｘ，５Ｙに、前記サンプル遅延器４Ｘ，４Ｙの出力は同じく誤差信号算出用の演算器５Ｘ，５Ｙに入力される。この演算器５Ｘにおいて、サンプル遅延器４Ｙからの出力Ｙ’(k)から適応フィルタ２Ｘの出力ＺX(k)を差し引いた誤差信号errＸ(k)が、演算器５Ｙにおいて、サンプル遅延器４Ｘからの出力Ｘ’(k)から適応フィルタ２Ｙの出力ＺY(k)を差し引いた誤差信号errＹ(k)が生成される。
【００１９】
これらの誤差信号errＸ(k)，errＹ(k)は、それぞれフィルタ係数生成器３Ｘ，３Ｙにフィードバックされ、この誤差信号errＸ(k)，errＹ(k)を利用して適応アルゴリズムにより逐次適応フィルタ２Ｘ，２Ｙが更新され、フィルタ出力ＺX(k)，ＺY(k)が得られる。
【００２０】
前記適応フィルタ２Ｘ，２Ｙの出力は、前記誤差信号算出用の演算器５Ｘ，５Ｙとは別に、同相信号加算用演算器６にも出力される。この同相信号加算用の演算器６は、各適応フィルタ２Ｘ，２Ｙからの出力ＺX(k)とＺY(k)とを加算するものである。この同相信号加算用の演算器６の出力は、乗算器８において０．５倍され、その結果、同相信号出力部１０からは、同相信号としてＺ’(k)＝（ＺX(k)＋ＺY(k)）／２が出力される。
【００２１】
前記サンプル遅延器４Ｘ，４Ｙからの出力は、無相関信号算出用の演算器７Ｘ，７Ｙにも出力されている。この無相関信号算出用の演算器７Ｘにおいては、サンプル遅延器４Ｘからの出力Ｘ’(k)から前記乗算器８からの同相信号である出力Ｚ’(k)を差し引いた無相関信号ＸO’(k)が生成され、無相関信号出力部９Ｘから出力される。
【００２２】
同様に、無相関信号算出用の演算器７Ｙにおいては、サンプル遅延器４Ｙからの出力Ｙ’(k)から前記乗算器８からの同相信号である出力Ｚ’(k)を差し引いた無相関信号ＹO’(k)が生成され、無相関信号出力部９Ｙから出力される。
【００２３】
（２）適応フィルタ２Ｘ，２Ｙの構成
次に、前記適用フィルタ２Ｘ，２Ｙとそのフィルタ係数生成器３Ｘ，３Ｙについて、図２に従って具体的に説明する。
【００２４】
すなわち、適応フィルタ２Ｘ，２Ｙは、入力信号ｉｎ(k)に対して直列に接続されたＭ−１個の遅延処理器Ｚ-1と、前記入力信号ｉｎ(k)及びこれら遅延処理器Ｚ-1からの出力信号を入力する係数処理器Ｗ0，Ｗ1，・・・，ＷM-1（以下、係数処理器Ｗと総称する）と、これら各係数処理器Ｗからの信号を加算する加算器１１を備えている。
【００２５】
そして、この加算器の１１からの出力ＺY(k)，ＺY(k)が前記誤差信号算出用演算器５Ｘ，５Ｙに出力される。なお、ここで、Ｍが本件発明における適応フィルタ長に相当する。
【００２６】
すなわち、前記係数処理器Ｗは、適応アルゴリズムを備えたフィルタ係数生成器３Ｘ，３Ｙによって、入力信号Ｘの成分のうち入力信号Ｙの成分と相関が高い成分を抽出するように更新される。すなわち、このフィルタ係数生成器３Ｘには、入力信号Ｘ(k)および演算器５Ｘからの誤差信号errＸ(k)が刻々と入力され、これら入力信号Ｘ(k)および誤差信号errＸ(k)が更新アルゴリズムによって処理されることにより、フィルタ係数生成器３Ｘから各段の係数処理器Ｗに係数の更新指令が出力され、これに基づいて格段の遅延処理器Ｚ-1からの出力信号に重畳される係数の値が変化する。
【００２７】
同様に、このフィルタ係数生成器３Ｙには、入力信号Ｙ(k)および演算器５Ｙからの誤差信号errＹ(k)が刻々と入力され、これら入力信号Ｙ(k)および誤差信号errＹ(k)が更新アルゴリズムによって処理されることにより、フィルタ係数生成器３Ｙから各段の係数処理器Ｗに係数の更新指令が出力され、これに基づいて格段の遅延処理器Ｚ-1からの出力信号に重畳される係数の値が変化する。
【００２８】
すなわち、入力信号Ｘは、Ｘに含まれるＹとは無相関な成分ＸOと、Ｘ，Ｙの間で同相な信号Ｚの和として表すことができ、同様に入力信号Ｙは、Ｙに含まれるＸと無相関な成分をＹOと、Ｘ，Ｙの間で同相な信号Ｚの和として次式のようにあらわすことができる。
【数１】
0005065784.tif 000002
【００２９】
本発明では式(1)のようにあらわされるＺの抽出をまず目的としている。ここで、入力信号Ｘにかかる適応フィルタ係数をＷXとし、入力信号Ｙにかかる適応フィルタ係数をＷYとする。適応フィルタはそれぞれ、式(2)、(3)に示す誤差であるerrＸ(k)とerrＹ(k)を最小とするよう更新される。
【００３０】
無相関信号ＹOとＸOは互いに無相関であることから、同定モデルと同様に誤差算出段での入力信号とは無関係な外乱としてみることができる。その結果、適応フィルタ出力ＺX(k)=ＷXTＸと適応フィルタ出力ＺY(k)=ＷYTＹは、おおむね同相信号Ｚに収束するように働く。
【００３１】
しかしながら、誤差を最小にするように適応フィルタは成長するため、適応フィルタ係数ＷXは無相関成分ＹO成分を増幅し、無相関成分ＸOを抑圧するように働き、また適応フィルタ係数ＷYは無相関成分ＸO成分を増幅し、無相関成分ＹO成分を抑圧するように働く。
【００３２】
ここで、適応フィルタ係数ＷXと適応フィルタ係数ＷYに含まれる無相関成分ＸOおよびＹOを抑圧、増幅する特性は互いに逆相な関係となることから、ＺXとＺYを加算することで同相信号Ｚ以外の成分を相殺することが可能である。最終的に同相信号Ｚ’は式(4)により抽出することができる。
【数３】
0005065784.tif 000003
【００３３】
次に、無相関成分ＸOとＹOは、適応フィルタ長Ｍの半分Ｍ／２の遅延を与えられた信号との差分で与えられ、式(5),式(6)により求められる。
【数４】
0005065784.tif 000004
【００３４】
下記の式は、入力信号と上記のようにして得られた出力信号の関係をまとめたものである。
【数５】
0005065784.tif 000005
【００３５】
前記のようなフィルタ係数生成器３Ｘ，３Ｙにおいて採用される更新式には、種々のものがあるが説明のため代表的なものとしてＬＭＳ(Least Mean Square)アルゴリズムを取り上げる。
【００３６】
［ＬＭＳアルゴリズム］
ＬＭＳアルゴリズムは瞬時自乗誤差を評価量としたアルゴリズムであり、下記の(6)式にて係数処理器Ｗは更新される。ここで、μはステップサイズパラメータであり実現される適応フィルタの性能に大きく影響する量である。
【数６】
0005065784.tif 000006
【００３７】
（３）本発明の効果
本発明の効果を確認するため、具体的な信号を用意しシミュレーションを行った。
【００３８】
図３に入力信号Ｘ＝（ＸO＋Ｚ）、図４に入力信号Ｙ＝（ＹO＋Ｚ）、図５に所望応答である入力信号Ｘと入力信号Ｙの同相成分Ｚを示す。すなわち、図３及び図４に示すような２チャンネルの入力信号中から、同相成分である図５のような信号を抽出するのが本発明の目的である。
【００３９】
そこで、シミュレーションに当たっては、サンプリング周波数を3000[Hz]とし、入力信号中Ｘ中の無相関成分ＸOとして図６に示す600[Hz]の正弦波、入力信号中Ｙ中の無相関成分ＹOとして図７に示す100[Hz]の正弦波、同相成分Ｚとして前記図５に示す300[Hz]の正弦波を使用し、これらによって入力信号Ｘ，Ｙを作成した。
【００４０】
またフィルタの更新に用いるアルゴリズムを式(7)、式(8)で示されるＮＬＭＳ（学習同定法：Normalized Least Mean Square Algorithm）とし、適応フィルタ長Ｍ＝256、ステップサイズパラメータμ=0.002、γ=0.000001とした。なお、本発明では、適応フィルタの更新アルゴリズムについて、用途に応じた適切なアルゴリズムの選択が可能であり、NLMS以外のアルゴリズムの採用について特に制限はない。
【数７】
0005065784.tif 000007
【００４１】
まず、図８に同相成分の強調法として最も広く使われている（Ｘ＋Ｙ）／２の結果を示す。この図８から明らかなように、従来技術では、単に入力信号Ｘ，Ｙを加算して１／２としているだけであるため、得られた波形は、図５に示す正弦波の同相信号Ｚとは異なり、入力信号Ｘ，Ｙから同相成分を適切に抽出したものとは言えない。
【００４２】
一方、本発明により得られた結果を、図９にＸチャンネルの無相関信号ＸO’、図１０にＹチャンネルの無相関信号ＹO’、図１1に同相信号Ｚ’の順に示す。
【００４３】
図１１に示すように、所望応答である図５の同相信号Ｚと比較すると、本発明により抽出された同相信号Ｚ’が、従来法の結果である図８の波形と比べるまでもなく、所望応答の同相信号Ｚに酷似していることが確認できる。
【００４４】
また、同様に本発明により得られた各チャンネルの無相関信号ＸO’，ＹO’も、図６及び図７に示した無相関信号ＸO，ＹOを良好に近似していることも確認できる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の同相成分抽出装置の一実施の形態を示すブロック図。
【図２】図１の回路に使用されている適用フィルタの詳細を示すブロック図。
【図３】本発明の同相成分抽出装置における一方の入力信号Ｘ＝（ＸO＋Ｚ）の時間波形の一例を示すグラフ。
【図４】本発明の同相成分抽出装置における他方の入力信号Ｙ＝（ＹO＋Ｚ）の時間波形の一例を示すグラフ。
【図５】本発明の同相成分抽出装置における入力信号Ｘ，Ｙに共通に含まれる同相成分Ｚの時間波形の一例を示すグラフ。
【図６】本発明の同相成分抽出装置におけるＸに含まれるＸOの時間波形の一例を示すグラフ。
【図７】本発明の同相成分抽出装置におけるＹに含まれるＹOの時間波形の一例を示すグラフ。
【図８】同相強調に用いられる従来の演算結果（Ｘ＋Ｙ）／２の時間波形の一例を示すグラフ。
【図９】本発明により入力信号Ｘ，Ｙから分離されたＸO’の時間波形の一例を示すグラフ。
【図１０】本発明により入力信号Ｘ，Ｙから分離されたＹO’の時間波形の一例を示すグラフ。
【図１１】本発明により入力信号Ｘ，Ｙから抽出された同相信号Ｚ’の時間波形の一例を示すグラフ。
【符号の説明】
【００４６】
１Ｘ，１Ｙ…信号入力部
２Ｘ，２Ｙ…適応フィルタ
３Ｘ，３Ｙ…フィルタ係数生成器
４Ｘ，４Ｙ…サンプル遅延器
５Ｘ，５Ｙ…誤差信号算出用演算器
６…同相信号加算用演算器
７Ｘ，７Ｙ…無相関信号算出用演算器
８…乗算器
９Ｘ，９Ｙ…無相関信号出力部
１０…同相信号出力部
１１…加算器
Ｚ−１…遅延処理器
Ｗ０，Ｗ１，・・・ＷＭ…係数処理器
【図１】
0005065784.tif 000008
【図２】
0005065784.tif 000009
【図３】
0005065784.tif 000010
【図４】
0005065784.tif 000011
【図５】
0005065784.tif 000012
【図６】
0005065784.tif 000013
【図７】
0005065784.tif 000014
【図８】
0005065784.tif 000015
【図９】
0005065784.tif 000016
【図１０】
0005065784.tif 000017
【図１１】
0005065784.tif 000018