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JP3373306B2 - スピーチ処理装置を有する移動無線装置 - Google Patents
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JP3373306B2 - スピーチ処理装置を有する移動無線装置 - Google Patents

スピーチ処理装置を有する移動無線装置

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JP3373306B2
JP3373306B2 JP21396594A JP21396594A JP3373306B2 JP 3373306 B2 JP3373306 B2 JP 3373306B2 JP 21396594 A JP21396594 A JP 21396594A JP 21396594 A JP21396594 A JP 21396594A JP 3373306 B2 JP3373306 B2 JP 3373306B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔発明の詳細な説明〕
【０００２】“Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ｉｎｔｅｒｎ
ａｌ ｏｎ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ，Ｓｐｅｅｃｈ， ａ
ｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（ＩＣＡＳ
ＳＰ），ｐｐ，２５７８−２５８１，Ｎｅｗ Ｙｏｒ
ｋ，Ａｐｒｉｌ １９８８，ＩＥＥＥ”において、四角
で床の平坦な部屋の４角に配置された４つのマイクロフ
ォンからなるマイクロフォンアレイが論議されている。
これのマイクロフォン信号は、スピーチ信号に重畳され
たノイズ信号の影響を低減するように処理される。この
ためにマイクロフォン信号はまず、個々のマイクロフォ
ンに関連するスピーカの遅延時間差を補償するために相
互に時間に関してシフトされる。したがってインフェー
ズのスピーチ成分を有するマイクロフォン信号は加算装
置によって和信号に重畳される。これによりマイクロフ
ォン信号の非相関ノイズ成分は重畳されるときに減少さ
れる。非均質なノイズ信号エリアが存在する場合、この
減少は理想的でない。このような場合は異なるノイズ信
号パワーがマイクロフォンの配置された個所に発生す
る。重畳されたマイクロフォン信号は、平均値を取るた
めに使用される相関係数によってそれらの信号が一旦減
少されると適応形フィルタ（Ｗｉｅｎｅｒ ｆｉｌｔｅ
ｒ）に供給される。このフィルタはインフェーズのマイ
クロフォン信号によって設定され、ノイズ信号のさらな
る抑圧を行う。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、加算
装置の出力側で得られる和信号のノイズ成分の抑圧をさ
らに改善することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記課題は本発明によ
り、マイクロフォン信号経路には、前記マイクロフォン
信号を遅延するための遅延手段と、前記マイクロフォン
信号を重み付け係数により重み付けするための重み付け
手段とが設けられており、さらに評価ユニットが設けら
れており、該評価ユニットによって、前記マイクロフォ
ン信号が受信され、ノイズ成分が評価され、スピーチ成
分が、マイクロフォン信号の１つと当該マイクロフォン
信号に対する推定ノイズ成分との差形成によって評価さ
れ、マイクロフォン信号の１つが基準信号として選択さ
れ、ここで該基準信号は基準ノイズ成分と基準スピーチ
成分を含み、スピーチ信号比が、推定スピーチ成分を推
定基準スピーチ成分により除算することによって形成さ
れ、ノイズ信号比が、推定ノイズ成分のパワーを推定基
準ノイズ成分のパワー）により除算することによって形
成され、重み付け係数が、各スピーチ信号比を関連する
ノイズ信号比により除算することによって検出されるよ
うに構成して解決される。
【０００５】ＳＮ比は、和信号中のスピーチ成分のパワ
ーの、ノイズ成分のパワーに対する比に相応する。ノイ
ズ信号エリアが非均質であることの作用は最小化され
る。小さなノイズ成分を含むマイクロフォン信号は、大
きなノイズ成分を含むマイクロフォン信号に比例して増
幅される。スピーチ信号は相互に相関し、ノイズ信号は
相関しないという事実に基づき、このことから加算装置
の出力側で得られる和信号はノイズ成分が低減されてい
るか、またはＳＮ比がそれぞれ上昇している。これによ
り和信号のスピーチの可聴性が改善される。
【０００６】コストの点で有利な、重み付け係数の計算
によってＳＮ比は上昇し、スピーチの可聴性が改善され
る。重み付け係数の効率的な計算によって、スピーチ処
理でしばしば要求されるリアルタイム計算が可能にな
る。これにより、会話保持中にスピーチ処理装置を介し
た遅延に悩まされることがない。
【０００７】本発明の別の実施例では重み付け係数が、
ノイズ成分の時間依存変化に適応される。
【０００８】定常的でないノイズ信号統計値、すなわち
時間に依存するノイズ信号統計値と一定の重み付け係数
を使用すると、信号統計値が変化するときにノイズ抑圧
度が悪化する。重み付け係数の適応によってこのことが
回避される。重み付け係数は、ノイズ信号の信号統計値
が満足すべき一定性を有すると仮定される期間の間は一
定に保持される。この期間の長さはノイズ信号エリアの
形態に依存する。
【０００９】本発明の別の実施例では、マイクロフォン
信号経路が割り当てられたマイクロフォン信号のスペク
トルを変換するための変換装置を有する。この変換装置
には、マイクロフォン信号の各スペクトル領域の区分ご
とに重み付け係数を形成するための評価回路が配置され
ており、マイクロフォン経路はスペクトル領域区分を重
み付けするための重み付け手段と逆変換装置とをこの順
序で有する。
【００１０】各マイクロフォン信号のノイズ成分スペク
トルは一般的には同じ大きさのスペクトル値を有しな
い。この理由から、マイクロフォン信号の重み付け係数
を検出し、重み付けを時間にではなくスペクトル領域に
関連して行うと有利である。このためにはマイクロフォ
ン信号を例えばフーリエ変換により変換することが必要
である。スペクトル領域は少なくとも１つのスペクトル
値を有する区分に分割される。スペクトル領域の各区分
ごとに重み付け係数が検出され、これによりマイクロフ
ォン信号のスペクトル値が重み付けされる。マイクロフ
ォン信号のノイズ成分はさらに低減され、スピーチの可
聴性はさらに改善される。
【００１１】
【実施例】スピーチ処理装置が図１に示されており、こ
の装置は例えば自動車のハンドフリー装置に組み込まれ
ている。この装置はＮ個のマイクロフォンＭi（ｉ＝
１，．．，Ｎ）を有する。マイクロフォンは、スピーチ
成分とノイズ成分とからなる音響信号を電気マイクロフ
ォン信号ｘi＝ｓi＋ｎi（ｉ＝１，．．，Ｎ）に変換す
る。電気マイクロフォン信号はアナログ／ディジタル変
換器１により後続処理のためディジタル化される。ｘi
はマイクロフォンＭiにより形成されたマイクロフォン
信号であり、ｓiはこれに含まれるスピーチ成分、ｎiは
ｉ番目のマイクロフォン信号経路中のノイズ成分であ
る。同様の符号が以下のディジタル信号およびアナログ
信号に適用される。ノイズ信号は通常、例えばスピーチ
処理装置が自動車に使用される場合、エンジンまたは風
切り音により形成されるノイズ信号である。アナログ／
ディジタル変換器１の出力側はプロセッサユニット２の
Ｎ個の入力側に接続されている。後者は各マイクロフォ
ン信号経路に対して、遅延素子Ｔ1，．．，ＴNを有す
る。これによりスピーチ信号源からマイクロフォン
Ｍ1，．．，Ｍnまでの遅延時間差は補償される遅延素子
Ｔ1，．．，ＴNは遅延時間差に適合するよう調整され
る。プロセッサユニット２の出力側は可制御乗算器３に
接続されている。これらの乗算器はマイクロフォン信号
経路で重み付け係数ｃi（ｉ＝１，．．，Ｎ）により重
み付けを行う。重み付け係数ｃ1，．．，ｃNは評価ユニ
ット４により設定され、評価ユニットは後で説明するス
キーマに従って重み付け係数をマイクロフォン信号
ｘ1，．．，ｘNの評価によって検出する。ノイズ成分ｎ
iの統計的特性が時間に依存して近似的に一定であるこ
とが仮定される場合は、重み付け係数の簡単な計算で十
分である。乗算器３の出力側は加算装置５のＮ個の入力
側と接続されている。乗算器３の出力側は同時にマイク
ロフォン信号経路の出力側である。加算装置５は和信号
ｘ＝ｓ＋ｎを乗算器３の出力信号から形成する。この和
信号は適応形フィルタ６、例えばＷｉｅｎｅｒフィルタ
として構成されたＦＩＲフィルタに供給される。フィル
タ６はマイクロフォン信号の（例えば冒頭に述べた形式
の）評価に応じて評価ユニット４により設定される。
【００１２】以下、評価ユニット４が重み付け係数ｃi
を検出するために使用するスキーマを説明する。マイク
ロフォン信号ｘiのサンプリング値が評価ユニット４に
配置されたバッファメモリに書き込まれる。ノイズ成分
ｎiの振幅に対する推定値は、スピーチ成分ｓiが発生し
ないか、または無視できるほど小さい期間からバッファ
メモリに記憶されたマイクロフォン信号ｘiのサンプリ
ング値の評価によって得られる。このようなスピーチ休
止は、スピーチ信号のノイズ信号に対する顕著な信号波
形またはスペクトルからそれぞれ検知することができ
る。検出されたノイズ信号ｎiの振幅の推定値を、スピ
ーチ休止外のマイクロフォン信号ｘi（スピーチ成分ｓi
を含む）の振幅の推定値（この推定値もバッファメモリ
に記憶されたサンプリング値から検出される）から減算
することによって、スピーチ成分ｓiの振幅の推定値が
検出される。
【００１３】重み付け係数ｃ1，．．，ｃNは、加算装置
５の出力側における和信号ｘのＳＮ比が最大になるよう
に設定される。ＳＮ比は、和信号ｘ中のスピーチ成分の
パワー（分散）のノイズ成分のパワー（分散）に対する
比である。
【００１４】ＳＮ比＝σs 2／σn 2 σsとσnは、和信号ｘのスピーチ成分ｓおよびノイズ成
分ｎの標準偏差である。さらに、 ｓi＝ａi・ｓ1， ｉ＝１，．．，Ｎ であるから、スピーチ信号比ａiは、スピーチ成分ｓiの
推定振幅と、ｘ1が基準マイクロフォン信号として使用
される場合、基準スピーチ成分としてのスピーチ成分ｓ
1の推定振幅との比によって決定される。この場合ｎ1は
基準ノイズ信号として使用される。基準変数は制約条件
なしに、指数ｉ≠１のすべての他のマイクロフォン信号
またはスピーチおよびノイズ成分である。ノイズ成分ｎ
iが相関せず、平均値がないと仮定すれば次式があては
まる。
【００１５】Ｅ｛ｎi ｎj｝＝０ すべてのｉ≠ｊに
対して かつ Ｅ｛ｎi 2｝＝σni 2＝ｂi 2 σn1 2 ここでＥ｛｝は推定値演算子として使用され、σn1 2は
基準ノイズパワーとして使用される。このことは、ノイ
ズ信号比ｂi 2をノイズ成分の推定パワーσn1 2と基準ノ
イズ成分の推定パワーσn1 2との比によって定義する。
【００１６】さらに、スピーチ成分とノイズ成分とは相
互に相関せず、次式により表される平均値がないと仮定
される。
【００１７】Ｅ｛ｓi ｎj｝＝０ すべてのｉ，ｊに
対して その結果、以下の式が和信号ｘのＳＮ比に対して得られ
る。
【００１８】
【数１】
【００１９】重み付け係数ｃiに関してこの数式の最大
値をとると、 ｃi＝ａi／ｂi 2 この結果は例えば、上記ＳＮ比に対する数式の偏導関数
の形成に対して得られる。重み付け係数ｃiの計算に対
する非常に簡単な数式が得られる。
【００２０】図２および図３に示されたスピーチ処理装
置は、図１に示されたスピーチ処理装置の実施例を表
す。プロセッサユニット２のＮ個の出力信号はマイクロ
フォン信号ｘ1，．．，ｘNのサンプリング信号を表す。
この出力信号はスペクトル変換装置７により、例えばフ
ーリエ変換（ＦＦＴ）を用いてスペクトル領域に変換さ
れる。スペクトル領域はＭの区分に分割される。この区
分は少なくとも１つのスペクトル値を有する。スペクト
ル値はＮ個の乗算装置８に供給され、乗算装置は各スペ
クトル領域区分を固有の重み付け係数ｃijで重み付けす
る。各重み付け係数ｃijは各スペクトル領域区分ごとに
別個の算出され、同じように乗算される。ｉはマイクロ
フォン信号経路の指数であり、ｊは各スペクトル領域区
分のスペクトルないし周波数指数を表す。図３は乗算装
置８の１つの基本構造を示す。この乗算装置はマイクロ
フォン信号経路のスペクトル領域区分を重み付け係数ｃ
ijで乗算する。スペクトル領域はＭ個のスペクトル区分
を有し、したがって各マイクロフォン信号経路に対して
Ｍ個の乗算器が必要である。重み付け係数ｃijは評価ユ
ニット９により設定される。重み付け係数ｃijは個別の
スペクトル領域区分でのＳＮ比を最大にすることによっ
て決定される。これは図１に関連して説明した重み付け
係数ｃiの計算と同じである。時間変域内のスピーチ成
分ｓiおよびノイズ成分ｎiの振幅の推定値は、周波数変
域内の適切な推定値によって置換することができる。こ
のようにして重み付けされたスペクトル値は逆変換装置
１０に供給される。逆変換装置はマイクロフォン信号経
路の重み付けされたスペクトルを時間変域に逆変換す
る。このようにして得られた信号は図１の加算装置５に
より相互に加算され、適応形フィルタ６に供給される。
このフィルタは評価ユニット１１により設定されてい
る。評価ユニット１１は、図１の評価ユニット４とまっ
たく同じようにしてアナログ／ディジタル変換器１の出
力側で得られるマイクロフォン信号ｘiを評価する。
【００２１】次のように構成されたスピーチプロセッサ
によって和信号ｘのＳＮ比をさらに増大し、スピーチ可
聴性をさらに改善することができる。というのはこのス
ピーチプロセッサは、スペクトル領域中のノイズ成分の
パワーは均一ではなく、すべてのスペクトル値にわたっ
て分布していることを考慮しているからである。
【００２２】時間により変化するノイズ信号統計値、す
なわち標準偏差σniが近似的に時間独立性を示さない統
計値の場合に対しては、重み付け係数ｃiとｃijがそれ
ぞれ恒常的に再計算されリセットされる。これは各ノイ
ズ信号エリアの形態に依存する。例えば、自動車が静止
位置から加速するときは自動車のノイズ信号統計値が非
常に変化する。なぜなら、風切り音によりノイズが上昇
するからである。
【００２３】図４には移動無線装置１２が示されてい
る。この無線装置にはスピーチプロセッサユニット１３
が組み込まれており、このプロセッサユニットには３つ
のマイクロフォンＭ1，Ｍ2，Ｍ3のアレイを介してマイ
クロフォン信号が供給される。スピーチプロセッサユニ
ット１３の構造は図１または図２および図３の記載から
明らかである。スピーチプロセッサユニット１３の出力
信号は機能ブロック１４に供給される。機能ブロック
は、移動無線装置１２の別の機能ユニットを結合する。
この機能ブロック１４には音響スピーカ１５およびアン
テナ１６が接続されている。マイクロフォンＭ1，Ｍ2，
Ｍ3、スピーチプロセッサ１３および音響スピーカ１５
は機能ブロック１４と共に、移動無線装置１２のハンド
フリー装置の一部として動作する。
【００２４】
【発明の効果】本発明により、加算装置の出力側で得ら
れる和信号のノイズ成分の抑圧がさらに改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】ノイズ信号低減のための装置を有するスピーチ
処理装置のブロック回路図。
【図２】スペクトル領域処理によるスピーチ処理装置の
実施例のブロック回路図。
【図３】図２のスピーチ処理装置の回路図。
【図４】スピーチ処理装置が組み込まれた移動無線装置
のブロック回路図。
【符号の説明】
１ アナログ／ディジタル変換器 ２ プロセッサユニット ３ 乗算器 ４ 評価ユニット ５ 加算装置 ６ 適応形フィルタ ７ スペクトル変換装置 ８ 乗算装置 ９ 評価ユニット １０ 逆変換装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヴァルター ケラーマン ドイツ連邦共和国 エッケンタール ミ ュールヴェーア ２ (56)参考文献 特開 平３−27698（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−105700（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−72295（ＪＰ，Ａ) 米国特許4802227（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H04R 3/00 320 G10L 15/20 G10L 21/02 H04B 7/26

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも２つのマイクロフォン
    （Ｍ1，．．，ＭN）を有するスピーチ処理装置を有する
    移動無線装置であって、 前記マイクロフォン（Ｍ1，．．，ＭN）はマイクロフォ
    ン信号（ｘｉ，．．，ｘN）をマイクロフォン経路に供
    給するものであり、 前記マイクロフォン信号（ｘｉ，．．，ｘN）は、スピ
    ーチ成分（ｓ1，．．，ｓN）とノイズ成分
    （ｎ1，．．，ｎN）により形成され、 前記マイクロフォン経路は、和信号（ｘ）を形成するた
    めに使用される加算装置（５）の入力側と接続されてい
    る、スピーチ処理装置を有する移動無線装置において、 マイクロフォン信号経路には、前記マイクロフォン信号
    （ｘi，．．，ｘN）を遅延するための遅延手段
    （Ｔ1，．．，ＴN）と、前記マイクロフォン信号
    （ｘi，．．，ｘN）を重み付け係数（ｃ1，．．，ｃN）
    により重み付けするための重み付け手段（３）とが設け
    られており、 さらに評価ユニット（４）が設けられており、該評価ユ
    ニットによって、 前記マイクロフォン信号（ｘi，．．，ｘN）が受信さ
    れ、 ノイズ成分（ｎ1，．．，ｎN）が推定され、 スピーチ成分（ｓ1，．．，ｓN）が、マイクロフォン信
    号（ｘi）の１つと当該マイクロフォン信号（ｘi）に対
    する推定ノイズ成分（ｎi）との差形成によって推定さ
    れ、 マイクロフォン信号（ｘi）の１つが基準信号（ｘ1）と
    して選択され、ここで該基準信号は基準ノイズ成分（ｎ
    1）と基準スピーチ成分（ｓ1）を含み、 スピーチ信号比（ａ1，．．，ａN）が、推定スピーチ成
    分（ｓ1，．．，ｓN）を推定基準スピーチ成分（ｓ1）
    により除算することによって形成され、 ノイズ信号比（ｂ1 2，．．，ｂN 2）が、推定ノイズ成分
    （ｎ1，．．，ｎN）のパワー（σn1 2，．．，σnN 2）を
    推定基準ノイズ成分（ｎ1）のパワー（σn1 2）により除
    算することによって形成され、 重み付け係数（ｃ1，．．，ｃN）が、各スピーチ信号比
    （ａ1，．．，ａN）を関連するノイズ信号比（ｂi 2）に
    より除算することによって検出されることを特徴とす
    る、スピーチ処理装置を有する移動無線装置。
  2. 【請求項２】 スピーチ処理装置はハンドフリー装置に
    組み込まれている請求項１記載の移動無線装置。
  3. 【請求項３】 重み付け係数(ｃ1，．．，ｃN)は、ノイ
    ズ成分(ｎ1，．．，ｎN）の時間依存変化に適応される
    請求項１または２記載の移動無線装置。
  4. 【請求項４】 各マイクロフォン信号経路は、割り当て
    られたマイクロフォン信号（ｘi）のスペクトルを変換
    するための変換装置（７）を有し、 評価ユニット（９）は、マイクロフォン信号
    （ｘ1，．．，ｘN）のスペクトル領域の各区分に対して
    重み付け係数（ｃij）を形成するように構成されてお
    り、 各マイクロフォン信号経路は、スペクトル領域区分を重
    み付けするための重み付け手段（８）と逆変換装置とを
    この順序で有する請求項１から３までのいずれか１項記
    載の移動無線装置。
  5. 【請求項５】 少なくとも２つのマイクロフォン
    （Ｍ1，．．，ＭN）を有するスピーチ処理装置であっ
    て、 前記マイクロフォン（Ｍ1，．．，ＭN）はマイクロフォ
    ン信号（ｘi，．．，ｘN）をマイクロフォン経路に供給
    するものであり、 前記マイクロフォン信号（ｘi，．．，ｘN）は、スピー
    チ成分（ｓ1，．．，ｓN）とノイズ成分（ｎ1，．．，
    ｎN）により形成され、 前記マイクロフォン経路は、和信号（ｘ）を形成するた
    めに使用される加算装置（５）の入力側と接続されてい
    るスピーチ処理装置において、 マイクロフォン信号経路には、前記マイクロフォン信号
    （ｘi，．．，ｘN）を遅延するための遅延手段
    （Ｔ1，．．，ＴN）と、前記マイクロフォン信号
    （ｘi，．．，ｘN）を重み付け係数（ｃ1，．．，ｃN）
    により重み付けするための重み付け手段（３）とが設け
    られており、 さらに評価ユニット（４）が設けられており、該評価ユ
    ニットによって、 前記マイクロフォン信号（ｘi，．．，ｘN）が受信さ
    れ、 ノイズ成分（ｎ1，．．，ｎN）が推定され、 スピーチ成分（ｓ1，．．，ｓN）が、マイクロフォン信
    号（ｘi）の１つと当該マイクロフォン信号（ｘi）に対
    する推定ノイズ成分（ｎi）との差形成によって推定さ
    れ、 マイクロフォン信号（ｘi）の１つが基準信号（ｘ1）と
    して選択され、ここで該基準信号は基準ノイズ成分（ｎ
    1）と基準スピーチ成分（ｓ1）を含み、 スピーチ信号比（ａ1，．．，ａN）が、推定スピーチ成
    分（ｓ1，．．，ｓN９を推定基準スピーチ成分（ｓ1）
    により除算することによって形成され、 ノイズ信号比（ｂ1 2，．．，ｂN 2）が、推定ノイズ成分
    （ｎ1，．．，ｎN）のパワー（σn1 2，．．，σnN 2）を
    推定基準ノイズ成分（ｎ1）のパワー（σn1 2）により除
    算することによって形成され、 重み付け係数（ｃ1，．．，ｃN）が、各スピーチ信号比
    （ａ1，．．，ａN）を関連するノイズ信号比（ｂi 2）に
    より除算することによって検出されることを特徴とする
    スピーチ処理装置。
JP21396594A 1993-09-07 1994-09-07 スピーチ処理装置を有する移動無線装置 Expired - Fee Related JP3373306B2 (ja)

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