JP4282260B2

JP4282260B2 - エコーキャンセラ

Info

Publication number: JP4282260B2
Application number: JP2001355299A
Authority: JP
Inventors: 修司久保田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-11-20
Filing date: 2001-11-20
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2021-11-20
Also published as: EP1446894A1; JP2003158476A; EP1446894A4; US7203308B2; WO2003044978A1; US20040170271A1; DE60236367D1; EP1446894B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハンズフリー電話などで必要な、ハウリング防止やエコー抑圧をするためのエコーキャンセラ技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エコーキャンセラの機能手段は、主にトランスバーサル・フィルタと、そのフィルタ係数を逐次更新する係数修正部からなり、トランスバーサル・フィルタのフィルタ係数｛ｈi ｝の推定手法すなわち係数更新手法としては、一般に、安定性と収束性の点で優れ演算的にも比較的単純で実際にＬＳＩによる装置化が行なわれている学習同定法を用いることができる。
【０００３】
さらに、全二重ハンズフリー通話を実現するために、エコーキャンセラの重要機能として、双方向同時通話時（ダブルトーク時）に近端話者音声によってタップ係数（フィルタ係数）の更新が誤らないようにするエコーキャンセラ保護機能、およびエコーレベルが低い時に、エコーの抑圧効果をさらに高めるために微弱エコー信号を無条件で零値に抑圧する非線形処理（センタクリッパ）機能などが必要となる。
【０００４】
学習同定法を用いてトランスバーサル・フィルタのフィルタ係数（タップ係数）を修正更新する従来の一般的なエコーキャンセラでは、無相関信号を仮定していながら音声信号を主に対象とすることや、トランスバーサル・フィルタのタップ長を部屋の残響時間に対して必ずしも十分には取ることができないなどの理由により、エコーを完全に消去することは難しい。そのため、上記の非線形処理を導入する場合が多い。
【０００５】
この非線形処理は、信号レベルによってオンオフするいわゆるボイススイッチを付加し、残留エコーの低減を図るもので、たとえば、その技術の開示として特開平４−１５０１２７号公報などが挙げられる。
【０００６】
また、クリップレベルを可変にしたり、通話状態に応じて送話減衰量を変更する手段を設けたものとして、たとえば、特開平１０−２８５０８３号公報などが挙げられる。
【０００７】
これらのボイススイッチ法では、残留エコーの低減を図るものの、ダブルトーク状態の対応が困難であり、近端話者音声の立ち上がりが切れてしまうというボイススイッチ特有の頭切れの問題が生じてしまう。そこで、上述のような問題を解決し、残留エコーをより確実に低減するために、本出願人は特開平９−１６２７８７号公報に記載の技術を提案した。
【０００８】
特開平９−１６２７８７号公報では、残留エコーを抑圧するノイズ抑圧部として、信号のパワーが小さいときはカットオフ周波数が低く、信号のパワーが大きいときにカットオフ周波数が高くなるようなローパスフィルタを用いた構成を採用している。エコーキャンセル出力の残留エコーには高域の周波数成分が含まれており、これを抑圧することで耳障りなノイズを低減することができる。この高域周波数ノイズ成分を抑圧する手段としてローパスフィルタを用いている。
【０００９】
また、ノイズ抑圧手段には、エコーキャンセル部からの入力信号のパワーレベルを計算するパワー計算手段と、パワー計算手段によって計算された信号のパワーレベルを所定のノイズ判定しきい値と比較する比較手段と、比較結果から信号のパワーレベルがノイズ判定しきい値以下のときに、信号に対してローパスフィルタによるノイズ抑圧処理を行なうノイズ抑圧処理手段とを備えている。
【００１０】
ノイズ抑圧手段のローパスフィルタは、残留エコーのような信号パワーが小さいときにはカットオフ周波数が低く、近端話者の音声信号のようなパワーが大きいときにはカットオフ周波数が高くなるように、カットオフ周波数が変化する。具体的には、ノイズ抑圧手段のローパスフィルタは、移動平均処理によって実現されており、ローパスフィルタのカットオフ周波数の変化は、移動平均処理の移動平均区間長の変化によって実現されている。これにより簡単な構成で可変カットオフ周波数のＬＰＦを構成することができる。
【００１１】
また、パワー計算手段は、信号のパワーをデジタル演算によって２のべき乗表現の指数の形で求め、比較手段は、２のべき乗表現の指数の形のパワーレベルを２のべき乗表現の指数の形のノイズ判定しきい値から減じた値を移動平均区間長ビット数ｍとして求め、ノイズ抑圧処理手段は、移動平均区間長ビット数ｍが負でないときに、該移動平均区間長ビット数ｍにより定まる区間長の移動平均処理をデジタル演算で行なっている。
【００１２】
しかし、この技術には、以下に記する問題点が内在している。すなわち、このノイズ抑圧手段は、エコーキャンセラ部からの出力パワーを所定の判定しきい値と比較する。この判定しきい値は、あらかじめ残留エコー量や近端入力パワー値が推定できる場合はいいが、環境が大きく変化する場合には残留エコーと近端話者音声との区別が難しく、判定しきい値を決定することが困難となる。
【００１３】
固定ノイズ判定しきい値の場合、判定しきい値を高くすると設定した判定しきい値より小さな信号はすべて可変カットオフ周波数ＬＰＦであるノイズ（残留エコーなど）抑圧手段を通過する。この時入力近端パワーが小さいほどＬＰＦのカットオフ周波数が低くなるので、しきい値の設定を慎重に行わなければパワーの小さな摩擦子音などが帯域制限によりカットされてしまう。
【００１４】
一方、判定しきい値を小さくすると、残留エコーの抑圧機能が働かなくなる。エコーキャンセラの初期学習時やエコーパスが変化した時など、残留エコーが一時的に大きくなるためである。また、遠端からの入力音声が大きくなった時は、当然エコー量も大きくなるが、近端側での拡声スピーカーの特性によっては信号が歪むためにエコーパス特性が非線型となり、残留エコーが増大することがある。そのような場合に残留エコーパワーが判定しきい値を越えてしまい、残留エコーがノイズ抑圧部を通過せずに遠端側に送出されてしまうという問題がある。
【００１５】
この問題に対し、このような残留エコーがノイズ抑圧部を通過するように判定しきい値を高く設定することが考えられるが、そうすることで前記小パワーの近端話者信号の欠落を招くという新たな問題が生じてしまう。このように、単なるパワー値比較では、近端話者と判断つかず、ノイズ抑圧手段がうまく働かない。
【００１６】
このような問題は、スピーカーから回り込むエコーが近端話者音声と比較して、同程度の大きさでマイクロフォンに入力されるようなシステムで引き起こす。たとえばスピーカーとマイクロフォンを比較的近くに配置する必要があるハンディフォンや、スピーカーから大音量で出力しマイクロフォンを口元から離して配置する必要があるする車載用ハンズフリーなどで上記の問題が生じてしまう。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上述の可変カットオフ周波数ＬＰＦを用いたノイズ抑圧手段に関し、上記従来技術の他に、特開平９−２７５３６７号公報が存在している。
【００１８】
この特開平９−２７５３６７号公報に示される装置は、エコーキャンセラ装置に入力される遠端からの入力信号（遠端話者音声）と近端からの入力信号（近端側の近端話者＋遠端話者音声のエコー音）から、通話状態に応じた通話方向を検出し、通話方向が変化する度に、残量エコー抑圧用ＬＰＦのカットオフ周波数を徐々に変化させるような機能を有している。
【００１９】
しかし、実際にはノイズ環境下や通話方向が頻繁に変化する場合など、通話方向の検出は難しいため、通話方向の変化に対してカットオフ周波数の変化が遅れると、残留エコーが遠端に送信されることとなる。
【００２０】
そこで、本発明は、本件出願人による上記特開平９−１６２７８７号公報の技術に内在する課題を解決するために、上記従来技術に遠端話者音声に適応するノイズ判定機能を付加して、エコーキャンセラの初期学習時やエコーパス変化時に残留エコーが増大しても、残留エコーをより確実に低減することが可能なエコーキャンセラを提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、エコー経路を模擬するフィルタに受信信号を通すことによって擬似エコーを生成し、エコーキャンセラ入力信号である受信信号のエコー成分を含む送信信号にこの擬似エコーを位相反転して加えることにより、エコーを消去するエコーキャンセル手段と、入力信号のパワーに適応してカットオフ周波数が変化するローパスフィルタを用いたノイズ抑圧手段とを備え、エコーキャンセル手段からの出力をノイズ抑圧手段に与え、エコーキャンセル手段の出力に含まれている残留エコー成分をノイズ抑圧手段により除去するエコーキャンセラにおいて、エコーキャンセル手段からの入力信号のパワーレベルを計算する第１のパワー計算手段と、遠端入力信号のパワーレベルを計算する第２のパワー計算手段と、エコーキャンセル手段からの入力信号パワーと、遠端入力信号のパワーレベルに応じて変化するノイズ判定しきい値とを比較、判定する判定手段と、比較、判定の結果、エコーキャンセル手段からの入力信号のパワーレベルが可変ノイズ判定しきい値以下のときに、入力信号のパワーが小さくなるとカットオフ周波数が低くなり、入力信号のパワーが大きくなるとカットオフ周波数が高くなるように、カットオフ周波数が変化するローパスフィルタによってノイズ抑圧処理を行うノイズ抑圧処理手段とを備えているエコーキャンセラを最も主要な特徴とする。
【００２２】
本発明により、遠端音声入力が無いときや、遠端音声入力パワーが小さいときは、エコーが存在しないか、エコー量が小さいと考えられるので、ノイズ判定しきい値を低く設定することができる。従来の固定ノイズ判定しきい値の場合、設定した判定しきい値より小さな信号はすべて可変カットオフ周波数ＬＰＦであるノイズ（残留エコーなど）抑圧手段を通過し、そのため入力近端パワーが小さいほどＬＰＦのカットオフ周波数が低くなるので、しきい値の設定を慎重に行わなければパワーの小さな摩擦子音などが帯域制限によりカットされてしまうが、本機能により、遠端音声パワーに応じてノイズ判定しきい値を低くすることができるので、上記のような問題が解消される。
【００２３】
一方、遠端音声パワーが大きい場合を考えると、通常の会話を想定した場合、遠端から大きなパワーの信号が入力し続けることはあまり無いが、遠端からの入力音声が大きくなった時などは、当然エコー量も大きくなる。また、近端側での拡声スピーカーの特性によっては信号が歪むためにエコーパス特性が非線型となり、残留エコーが増大することがある。さらに、エコーキャンセラの初期学習時はもちろんのこと、通常ダブルトーク時にエコーキャンセラの学習機能を停止させるため、ダブルトーク区間が終了した直後は初期学習時と同様にエコーパス特性が大きく変化して残留エコーが増大することがある。このような場合は遠端パワー値に応じてノイズ判定しきい値を高くすることで、残留エコーがしきい値を越えないため、ＬＰＦにより帯域カットすることが可能となる。
【００２４】
請求項２の発明は、遠端入力信号パワーレベルに対して上限値・下限値を設けるしきい値リミッタを備える請求項１記載のエコーキャンセラを最も主要な特徴とする。
【００２５】
この発明は、請求項１の遠端話者音声パワーをノイズ判定しきい値設定の適応処理に反映させる機能に、遠端パワーの影響する幅を設けたものである。つまり遠端信号パワー値に応じて決定するノイズ判定しきい値の幅に上限と下限を設けて、それ以上またはそれ以下に判定しきい値が設定されないようにするものである。これにより、ダブルトーク時に必要以上に近端話者信号をＬＰＦによって帯域カットすることを防ぐことができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図に基づき説明する。図１は本発明に係るエコーキャンセラの構成例を示す図である。図１を参照すると、この構成例のエコーキャンセラは、エコーキャンセル部１とノイズ抑圧部２とを有している。この構成例では、エコーキャンセル部１から出力された信号ｘｉをノイズ抑圧部２に通す。
【００２７】
ここで、エコーキャンセル部１は、従来のエコーキャンセラと同様の機能を有している。すなわち、エコー経路を模擬するフィルタに受信信号を通すことによって擬似エコーを生成し、入力信号にこの擬似エコーを位相反転して加えることにより、エコーを消去する機能を有している。さらに、ハンズフリー通話機能を実現するためにダブルトーク機能や、ハウリング検出機能などを有している。
【００２８】
ノイズ抑圧部２は、入力信号のパワーが小さくなるとカットオフ周波数が低くなり、入力信号のパワーが大きくなるとカットオフ周波数が高くなるようなローパスフィルタを用いて構成されており、このエコーキャンセラでは、エコーキャンセル部１の出力をノイズ抑圧部２に通してから送信信号として送信するようになっている。
【００２９】
図３にノイズ抑圧部の構成例を示す。ノイズ抑圧部２では、先ず、パワー計算部１１、パワー指数取出部１２において、エコーキャンセル部１から出力された信号ｘｉのパワーレベルを計算する。このようにしてパワー計算がなされると、信号ｘｉが近端話者音声などの大きなパワーの信号であるか、残留エコーや背景雑音などのパワーの小さな信号であるかを、計算された信号ｘｉのパワーレベルとノイズ判定しきい値とを比べることで判別する。
【００３０】
図３の例では、ノイズ抑圧部２は、エコーキャンセル部１から出力された信号ｘｉのパワーを計算する（パワーに変換する）パワー計算部１１と、パワー計算部１１によって計算されたパワーを２のべき乗表現し、そのときの指数の値を取り出すパワー指数取出部１２と、２のべき乗表現されたパワーの指数値ｓをノイズ判定しきい値ｔｈｓから減算して、これを移動平均区間長ビット数ｍとし、移動平均区間長を２のｍ乗とする減算部１３と、移動平均区間長ビット数ｍが負か否かを判定する符号判定部１４と、信号ｘｉにノイズ抑圧処理を施すノイズ抑圧処理部１５とを備える。
【００３１】
また同様に図３のノイズ抑圧部２は、移動平均区間長ビット数ｍが負の場合は、エコーキャンセル部から出力された信号（すなわち、ノイズ抑圧部２に入力した信号）ｘｉのレベルがノイズのしきい値よりも大きく、この信号ｘｉが送信すべき近端話者音声信号であると判断し、ノイズ抑圧処理を施さずにこれをそのまま送信信号として出力させ、一方、移動平均区間長ビット数ｍが負ではない場合には、ノイズ抑圧処理部１５においてこの信号ｘｉにノイズ抑圧処理を施したものを送信信号として出力させる出力選択部１６を備える。
【００３２】
また、図３の例では、ノイズ抑圧処理部１５におけるローパスフィルタの機能を移動平均処理によって実現し、ローパスフィルタのカットオフ周波数の変化を、移動平均処理の移動平均区間長の変化によって実現することで、簡単な構成で可変カットオフ周波数ＬＰＦを実現している。すなわち、ノイズ抑圧処理部１５は、ｘｉを入力信号のｉ番目のサンプル、ｎを移動平均区間長，Ｘｉを移動平均区間合計の近似値とするとき、次式のようにして、移動平均の近似値Ａｉを求めるようになっている。
【００３３】
【数１】

【００３４】
これは、パワーの小さい信号ほど、すなわちｍの大きな信号ほど、長い区間の移動平均処理が施されることになり、結果として、カットオフ周波数の低いローパスフィルタと等価なＬＰＦを実現できる。
【００３５】
図２に本発明のノイズ抑圧部の構成例を示す。ノイズ判定しきい値は、２のべき乗表現の指数の形で、例えばメモリに予め記憶されていた。しかし、判定しきい値が固定の場合、実使用環境下では、前述のような問題が生じる。そこで、本発明では、遠端話者の入力パワーを用いてノイズ判定しきい値を可変にする。
【００３６】
すなわち本発明のノイズ抑圧部２は、図３に示すノイズ抑圧部２の構成の外に、遠端入力信号用のパワー計算部２１、パワー指数取出部２２、減算部２３、しきい値リミッタ２４、加算部２５を備えたものである。
【００３７】
そして、パワー計算部２１で計算されたパワーを２のべき乗表現し、パワー指数取出部２２においてそのときの指数値ｒを取り出し、遠端から入力された信号のパワーレベルとする。パワー指数値ｒからあらかじめ決定された遠端音声パワー検出しきい値ｔｈｒを減算部１３で減算し結果ｍｒを算出する。
【００３８】
次に減算結果ｍｒに遠端パワー反映パラメータαを乗じて算出された値ｔｈｒａを出力し、算出されたｔｈｒａが、遠端パワーの影響で必要以上に高く設定されたり、低くなったりしないように設定範囲を制限するためのリミッタ２４を通過することで、リミッタ出力値ｔｈｒａｌが得られる。
【００３９】
リミッタ方式としては、図４のようにクリップさせる方式や、［数２］を用いた図５のように実現することもできる。
【００４０】
【数２】

【００４１】
ｔｈｌ＋はプラス方向のリミッタで上限値を表し、ｔｈｌ−はマイナス方向のリミッタで下限値を表す。βはカーブを決定する係数である。βを大きくすると緩やかになる。
【００４２】
次に加算部２５でリミッタ通過後のｔｈｒａｌを固定のノイズ判定しきい値ｔｈｓに加算することで遠端パワーに適応した可変ノイズ判定しきい値ｔｈｓｒを算出する。以降の処理は図３のノイズ抑圧部２と同様である。
【００４３】
【数３】

【００４４】
本発明のノイズ抑圧部２は、算出された可変ノイズ判定しきい値ｔｈｓｒを用いて遠端信号のパワーとエコーキャンセル部出力パワーを比較する。この結果、ノイズ抑圧部２は、遠端信号のパワーレベルが大きく、残留エコー量が大きくなる時は、ノイズ判定しきい値を高くし、残留エコーをＬＰＦでカットできるように働き、また、遠端パワーが小さく、残留エコーも少なくなったときは、ノイズ判定しきい値を下げて、近端信号にＬＰＦ処理を施さないように働く。このようにして、残留エコーを的確に抑圧することが可能となる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、遠端話者の入力パワーを用いてノイズ判定しきい値を可変にするので、より的確に残留エコー成分をカットすることが可能となり、近端話者音声など送信すべき信号への影響を最小限に抑えることができる。これにより、聞き易い極めて良好な送信信号を得ることが可能となる。
【００４６】
また、この機能は簡単な構成で実現でき、ＤＳＰなどで実現する上でも演算量を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るエコーキャンセラの構成例を示す図である。
【図２】本発明のノイズ抑圧部の構成例を示す図である。
【図３】一般的なノイズ抑圧部の構成例を示す図である。
【図４】リミッタ方式の一例を示す説明図である。
【図５】リミッタ方式の他の例を示す説明図である。
【符号の説明】
１エコーキャンセル部（エコーキャンセル手段）
２ノイズ抑圧部（ノイズ抑圧手段）
１１パワー計算部（第１のパワー計算手段）
１４符号判定部（判定手段）
１５ノイズ抑圧処理部（ノイズ抑圧処理手段）
２１パワー計算部（第２のパワー計算手段）
２４しきい値リミッタ

Claims

エコー経路を模擬するフィルタに受信信号を通すことによって擬似エコーを生成し、エコーキャンセラ入力信号である受信信号のエコー成分を含む送信信号にこの擬似エコーを位相反転して加えることにより、エコーを消去するエコーキャンセル手段と、入力信号のパワーに適応してカットオフ周波数が変化するローパスフィルタを用いたノイズ抑圧手段とを備え、前記エコーキャンセル手段からの出力を前記ノイズ抑圧手段に与え、前記エコーキャンセル手段の出力に含まれている残留エコー成分を前記ノイズ抑圧手段により除去するエコーキャンセラにおいて、
前記エコーキャンセル手段からの入力信号のパワーレベルを計算する第１のパワー計算手段と、遠端入力信号のパワーレベルを計算する第２のパワー計算手段と、前記エコーキャンセル手段からの入力信号のパワーと、前記遠端入力信号のパワーレベルに応じて変化する可変ノイズ判定しきい値とを比較、判定する判定手段と、
比較、判定の結果、前記エコーキャンセル手段からの入力信号のパワーレベルが前記可変ノイズ判定しきい値以下のときに、前記入力信号のパワーが小さくなるとカットオフ周波数が低くなり、前記入力信号のパワーが大きくなるとカットオフ周波数が高くなるように、カットオフ周波数が変化するローパスフィルタによってノイズ抑圧処理を行うノイズ抑圧処理手段と、を備えていることを特徴とするエコーキャンセラ。
前記遠端入力信号パワーレベルに対して上限値・下限値を設けるしきい値リミッタを備えることを特徴とする請求項１記載のエコーキャンセラ。