JP5281548B2

JP5281548B2 - 音響エコーキャンセル装置、音響エコーキャンセル方法及びそのプログラム

Info

Publication number: JP5281548B2
Application number: JP2009256896A
Authority: JP
Inventors: 朗中川; 陽一羽田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2009-11-10
Filing date: 2009-11-10
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2029-11-10
Also published as: JP2011103512A

Description

この発明は例えば拡声通信会議などで用いられる音響エコーキャンセル装置、音響エコーキャンセル方法及びそのプログラムに関する。

図４は音響エコーキャンセル装置の従来構成例を示したものである。この例では受話端１１から送られてくる受話信号ｘ(ｋ)（但し、ｋは時刻）はスピーカ１２で再生され、スピーカ１２で再生された音は反響路１３を通り、マイクロホン１４で収音され、送話端１５へと至る系において、音響エコーキャンセル装置２０が設けられている。
音響エコーキャンセル装置２０は適応フィルタ２１と擬似反響路２２と減算器２３とによって構成されている。以下の説明ではベクトルを示す記号は大文字で示し、スカラーを示す記号は小文字で示す。

受話信号ｘ(ｋ)は適応フィルタ２１及び擬似反響路２２にそれぞれ入力される。擬似反響路２２は適応フィルタ係数Ｗ(ｋ)を有しており、入力された受話信号ｘ(ｋ)に適応フィルタ係数Ｗ(ｋ)を畳み込むことで擬似エコー信号ｙ(ｋ)を生成する。擬似エコー信号ｙ(ｋ)は、
ｙ(ｋ)＝Ｗ^Ｔ(ｋ)Ｘ(ｋ) （１）
で計算される。但し、
Ｗ(ｋ)＝[ｗ_１(ｋ)，ｗ_２(ｋ)，…，ｗ_Ｌ(ｋ)]^Ｔ
Ｘ(ｋ)＝[ｘ(ｋ)，ｘ(ｋ−１)，…，ｘ(ｋ−Ｌ＋１)]^Ｔ
であり、Ｔは転置、Ｌは適応フィルタのフィルタ長（タップ数）、ｗ_ｊ(ｋ)（ｊ＝１〜Ｌ）は適応フィルタの各係数を示す。

擬似エコー信号ｙ(ｋ)及びスピーカ１２で再生された音がマイクロホン１４で収音されたエコー信号ｄ(ｋ)は減算器２３に入力され、減算器２３はエコー信号ｄ(ｋ)から擬似エコー信号ｙ(ｋ)を差し引き、送話端１５へ送られる信号となる残差信号ｅ(ｋ)を生成する。残差信号ｅ(ｋ)は、
ｅ(ｋ)＝ｄ(ｋ)−ｙ(ｋ) （２）
で表される。

残差信号ｅ(ｋ)は適応フィルタ２１に入力され、適応フィルタ２１は残差信号ｅ(ｋ)と受話信号ｘ(ｋ)とを用いて反響路１３を逐次推定する。推定した適応フィルタ係数Ｗ(ｋ)は擬似反響路２２に逐次コピーされ、適応フィルタ係数Ｗ(ｋ)は以下のように逐次更新される。
Ｗ(ｋ)＝Ｗ(ｋ−１)＋μΔＷ(ｋ) （３）
但し、μは更新量を制御するパラメータであり、ΔＷ(ｋ)は、
ΔＷ(ｋ)＝［Δｗ_１(ｋ)，Δｗ_２(ｋ)，…，Δｗ_Ｌ(ｋ)］
である。

ΔＷ(ｋ)は時刻ｋにおける更新量で、適応アルゴリズムによって異なり、それに伴って更新量を制御するパラメータμも異なる。例えば、学習同定法の場合、以下のようになる。

ところで、擬似反響路が反響路に等しくなるまでの時間は、短ければ短いほど送話端へエコーが返る時間が短いため、これを短くするため、擬似反響路が反響路に等しくなるまでの速度、即ち収束速度を速くする研究が多くなされている。

収束速度が速い適応アルゴリズムを用いれば、収束速度を高速化することは可能であるが、一般的に演算量が増加するため、ハードウェアの実装を考慮すると、演算量は小さく抑えることが求められる。
特許文献１には、このような要求に答えるべく、学習同定法と比べて収束速度の高速化が図れる反面、学習同定法より多くの演算量を必要とするアフィン射影アルゴリズムにおいて、その演算量をＯ(２Ｌ＋１９ｐ)（但し、ｐは射影の次数）まで削減することを可能とする方法が記載されている。

特許第３３０３８９８号公報

上述したように、特許文献１にはアフィン射影アルゴリズムにおいて、演算量を削減することが記載されているが、さらなる低演算量での収束速度の高速化の実現が望まれている。

この発明の目的はこのような状況に鑑み、演算量を抑えながら、収束速度の高速化を簡易に図ることができるようにした音響エコーキャンセル装置、音響エコーキャンセル方法及びそのプログラムを提供することにある。

この発明によれば、音響エコーキャンセル装置は、受話信号が入力され、その受話信号に適応フィルタ係数を畳み込むことで擬似エコー信号を生成する擬似反響路と、エコー信号から擬似エコー信号を差し引いて更新用残差信号を生成する減算器と、受話信号と更新用残差信号とが入力され、反響路を逐次推定して適応フィルタ係数を更新する適応フィルタと、エコー信号と擬似エコー信号とを用いてゲインを計算し、そのゲインを拘束して出力するゲイン算出部と、エコー信号にゲイン算出部の出力を乗算することでエコー信号を消去する乗算器とを備え、ゲイン算出部はエコー信号、擬似エコー信号及びゲインをそれぞれｄ(ｋ)，ｙ(ｋ)及びｇ(ｋ)とした時、ゲインｇ(ｋ)を、

によって計算し、その計算したゲインｇ(ｋ)を、
０≦ｇ(ｋ)≦１
の拘束条件で拘束する。

この発明によれば、音響エコーキャンセル方法は、擬似反響路が、受話信号を入力としてその受話信号に適応フィルタ係数を畳み込むことで擬似エコー信号を生成する擬似エコー信号生成過程と、減算器が、エコー信号から擬似エコー信号を差し引いて更新用残差信号を生成する更新用残差信号生成過程と、適応フィルタが、受話信号と更新用残差信号とを入力として反響路を逐次推定し、適応フィルタ係数を更新する適応フィルタ係数更新過程と、ゲイン算出部が、エコー信号と擬似エコー信号とを用いてゲインを計算し、そのゲインを拘束して出力するゲイン算出過程と、乗算器が、エコー信号にゲイン算出部の出力を乗算することでエコー信号を消去するエコー信号消去過程とを含み、ゲイン算出過程はエコー信号、擬似エコー信号及びゲインをそれぞれｄ(ｋ)，ｙ(ｋ)及びｇ(ｋ)とした時、ゲインｇ(ｋ)を、

この発明によれば、エコー信号と擬似エコー信号とから求めたゲインをエコー信号に乗算することで、エコーを消去するものとなっており、乗算するゲインに拘束条件を加えるものとなっている。従って、適応アルゴリズムを変えることなく、演算量を抑えながら、収束速度の高速化を簡易に図ることができる。

この発明による音響エコーキャンセル装置の一実施例の機能構成例を示すブロック図。図１に示した音響エコーキャンセル装置の動作フローを示す図。エコー消去特性のシミュレーション結果を示す図。従来の音響エコーキャンセル装置の機能構成例を示すブロック図。

まず、最初にこの発明の原理について説明する。
この発明では従来のようにエコー信号ｄ(ｋ)から擬似エコー信号ｙ(ｋ)を差し引くことでエコーを消去するのではなく、エコー信号ｄ(ｋ)と擬似エコー信号ｙ(ｋ)とを用いて計算したゲインｇ(ｋ)をエコー信号ｄ(ｋ)に乗算することでエコーを消去する。そして、ゲインｇ(ｋ)に拘束をかけることで、収束速度を高速化する。

送話端へ送られる残差信号ｅ(ｋ)は前記式（２）で算出される。ここで、ゲインｇ(ｋ)を導入し、送話端へ送られる残差信号ｅ(ｋ)を以下の計算式で算出することを考える。
ｅ(ｋ)＝ｇ(ｋ)ｄ(ｋ) （６）
ゲインｇ(ｋ)は以下で与えられる。

この時、ゲインｇ(ｋ)が１より小さければ、残差信号ｅ(ｋ)を小さくすることができる。つまり、ｇ(ｋ)≦１の拘束を与えることにより、常に残差信号ｅ(ｋ)を小さくすることができる。また、ゲインｇ(ｋ)がマイナスの値を持つことは、ｙ(ｋ)＞ｄ(ｋ)を意味する。つまり、エコー信号ｄ(ｋ)から擬似エコー信号ｙ(ｋ)を引きすぎていることと等価である。この引きすぎを抑制するために、ｇ(ｋ)≧０の拘束を与えることで、過剰な減算を防ぐことができ、残差信号ｅ(ｋ)を小さくすることができる。

しかしながら、このような非線形拘束を与えた結果から得られる残差信号ｅ(ｋ)を用いて適応フィルタの更新を行うことはできない。そこで、適応フィルタ更新用には従来と同様、
ｅ_ｕ(ｋ)＝ｄ(ｋ)−ｙ(ｋ) （８）
を計算し、適応フィルタ係数Ｗ(ｋ)の更新はこのｅ_ｕ(ｋ)を用い、下式により行う。

以下、この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１はこの発明による音響エコーキャンセル装置の一実施例の構成を示したものであり、図４と対応する部分には同一符号を付してある。この例では音響エコーキャンセル装置３０は適応フィルタ２１と擬似反響路２２と減算器２３とゲイン算出部３１と乗算器３２とによって構成されている。

図２は図１に示した音響エコーキャンセル装置３０の動作フローを示したものであり、以下、図１及び図２を参照して動作を説明する。
擬似反響路２２は適応フィルタ係数Ｗ(ｋ)を有しており、入力された受話信号ｘ(ｋ)に適応フィルタ係数Ｗ(ｋ)を畳み込み、前記式（１）により擬似エコー信号ｙ(ｋ)を生成する（ステップＳ１）。
減算器２３はエコー信号ｄ(ｋ)から擬似エコー信号ｙ(ｋ)を差し引き、前記式（８）により更新用残差信号ｅ_ｕ(ｋ)を生成する（ステップＳ２）。

適応フィルタ２１は受話信号ｘ(ｋ)と更新用残差信号ｅ_ｕ(ｋ)とを用いて反響路１３を逐次推定し、適応フィルタ係数Ｗ(ｋ)を前記式（９）により更新する（ステップＳ３）。
ゲイン算出部３１はエコー信号ｄ(ｋ)と擬似エコー信号ｙ(ｋ)とを用いてゲインｇ(ｋ)を前記式（７）により計算する。計算されたゲインｇ(ｋ)は、
０≦ｇ(ｋ)≦１（10）
の拘束条件で拘束され、出力される（ステップＳ４）。即ち、ゲイン算出部３１は式（７）により計算したゲインｇ(ｋ)が１より大きくなった場合は１を、マイナスになった場合は０を出力する。
乗算器３２はエコー信号ｄ(ｋ)にゲイン算出部３１から出力されたゲインｇ(ｋ)を乗算してエコー信号ｄ(ｋ)を消去する（ステップＳ５）。送話端１５に送られる残差信号ｅ(ｋ)は前記式（６）で表される。

以上説明したように、この例ではエコー信号ｄ(ｋ)と擬似エコー信号ｙ(ｋ)とから求めたゲインｇ(ｋ)をエコー信号ｄ(ｋ)に乗算することでエコーを消去するものとなっており、このゲインｇ(ｋ)に拘束条件を加えることで、収束速度の高速化が可能となる。

次に、上述した音響エコーキャンセル装置３０と図４に示した従来の音響エコーキャンセル装置２０の各エコー消去特性をシミュレーションにより求めた結果について説明する。音響エコーキャンセル装置２０，３０で用いた適応アルゴリズムはいずれも学習同定法である。

図３はシミュレーション結果を示したものであり、横軸は時間を示し、縦軸は残差の相対パワーを示す。測定開始後、１秒で反響路が変わり、その時点からの収束速度を比較している。
図３より従来例では残差の相対パワーが２０ｄＢになるまで約４．３秒かかっているのに対し、本発明では約１．２秒で同程度になっており、収束速度が３．５倍になっていることが分かる。

なお、本発明では従来の学習同定法の演算量Ｏ(２Ｌ)に対して、減算、除算、乗算が各１回増え、かつ１回の条件文が増えるだけなので、演算の種類を区別しなければ、ほぼ従来の学習同定法と同程度の演算量となり、よって演算量を抑えながら収束速度の高速化を図ることができる。

以上説明した音響エコーキャンセル装置、音響エコーキャンセル方法はコンピュータと、コンピュータにインストールされたプログラムによって実現することができる。コンピュータにインストールされたプログラムはコンピュータのＣＰＵによって解読されてコンピュータに上述した音響エコーキャンセル方法を実行させる。

Claims

受話信号が入力され、その受話信号に適応フィルタ係数を畳み込むことで擬似エコー信号を生成する擬似反響路と、
エコー信号から前記擬似エコー信号を差し引いて更新用残差信号を生成する減算器と、
前記受話信号と前記更新用残差信号とが入力され、反響路を逐次推定して前記適応フィルタ係数を更新する適応フィルタと、
前記エコー信号と前記擬似エコー信号とを用いてゲインを計算し、そのゲインを拘束して出力するゲイン算出部と、
前記エコー信号に前記ゲイン算出部の出力を乗算することで前記エコー信号を消去する乗算器とを備え、
前記ゲイン算出部は、前記エコー信号、前記擬似エコー信号及び前記ゲインをそれぞれｄ(ｋ)，ｙ(ｋ)及びｇ(ｋ)とした時、ゲインｇ(ｋ)を、

によって計算し、その計算したゲインｇ(ｋ)を、
０≦ｇ(ｋ)≦１
の拘束条件で拘束することを特徴とする音響エコーキャンセル装置。
擬似反響路が、受話信号を入力としてその受話信号に適応フィルタ係数を畳み込むことで擬似エコー信号を生成する擬似エコー信号生成過程と、
減算器が、エコー信号から前記擬似エコー信号を差し引いて更新用残差信号を生成する更新用残差信号生成過程と、
適応フィルタが、前記受話信号と前記更新用残差信号とを入力として反響路を逐次推定し、前記適応フィルタ係数を更新する適応フィルタ係数更新過程と、
ゲイン算出部が、前記エコー信号と前記擬似エコー信号とを用いてゲインを計算し、そのゲインを拘束して出力するゲイン算出過程と、
乗算器が、前記エコー信号に前記ゲイン算出部の出力を乗算することで前記エコー信号を消去するエコー信号消去過程とを含み、
前記ゲイン算出過程は、前記エコー信号、前記擬似エコー信号及び前記ゲインをそれぞれｄ(ｋ)，ｙ(ｋ)及びｇ(ｋ)とした時、ゲインｇ(ｋ)を、

によって計算し、その計算したゲインｇ(ｋ)を、
０≦ｇ(ｋ)≦１
の拘束条件で拘束することを特徴とする音響エコーキャンセル方法。
請求項２に記載した音響エコーキャンセル方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。