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JP3616341B2 - 多チャネルエコーキャンセル方法、その装置、そのプログラム及び記録媒体 - Google Patents
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多チャネルエコーキャンセル方法、その装置、そのプログラム及び記録媒体 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、多チャネル再生系を有する例えば通信会議システムにおいて、ハウリングの原因および聴覚上の障害となる室内反響信号を消去する多チャネル反響消去方法、その装置、そのプログラム及びその記録媒体に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
同時通話性能に優れ反響感の少ない拡声通話システムを提供するために、反響消去装置がある。
まず、1チャネル用の反響消去装置について、その反響消去方法および装置構成を図4を参照して説明する。拡声通話において、受話端子11に相手の発話等で得られる受話信号は、そのままスピーカ12から再生される場合と、スピーカ12へ送る前に、受話信号の振幅やパワー等の大きさに応じて自動的に利得を調節するなど、受話信号に何らかの加工が施された後に、スピーカ12から再生される場合とがある。このため、この明細書で受話信号x(k)とは、相手からの受話信号そのものとは限らず、受話信号に対し加工が施された場合は、その加工された後の受話信号を指すものとする。kは離散時間を表す。反響消去装置14は、受話信号x(k)がスピーカ12から反響路15を経て、マイクロホン16に集音されて得られる反響信号y(k)を消去する。ここで、反響信号y(k)は、時刻kにおける反響路15のインパルス応答をh11(k,n)として、
Figure 0003616341
Σはn=0からL−1まで
のような畳み込み演算で得られるものとモデル化できる。Lはタップ数で、反響路15の残響時間に対応させて、あらかじめ設定しておく定数である。まず、受話信号蓄積・ベクトル生成部17において、受話信号x(k)をL−1時刻過去のものまで蓄積しておく。蓄積された信号は、受話信号ベクトル (k)、すなわち
Figure 0003616341
として出力される。但し、*はベクトルの転置を表す。疑似反響信号生成部18では、式(2)の受話信号ベクトル (k)と、反響路推定部19から得られる疑似反響ベクトル11(k)との内積演算
Figure 0003616341
を行ない、その結果として、疑似反響信号y^(k)を生成する。この内積演算は、式(1)のような畳み込み演算と等価である。反響路推定部19では、疑似反響信号生成部18で用いる疑似反響路ベクトル11(k)を生成する。この反響路推定に用いる最も一般的なアルゴリズムは、NLMSアルゴリズム(学習同定法)である。NLMSアルゴリズムでは、時刻kにおける受話信号ベクトル (k)と、残留反響信号e(k)、すなわち差回路21でマイクロホン16の出力y(k)から疑似反響信号y^(k)を差し引いた信号
Figure 0003616341
とから、時刻k+1において用いる疑似反響路ベクトル11(k+1)を次式のように求める。
Figure 0003616341
但し、μはステップサイズパラメータと呼ばれ0<μ<2の範囲で適応動作の調整に用いる。以上のような処理を繰り返すことにより、反響路推定部19では、次第に疑似反響路ベクトル11(k)を、真の反響路15のインパルス応答h11(k,n)の時系列を各要素として持つ反響路ベクトル 11(k)、すなわち
Figure 0003616341
と一致させることが可能となり、その結果式(4)の残留反響信号e (k)を小さくすることができる。
【0003】
一般にN(2)チャネルの再生系とM(1)チャネルの集音系とで構成される通信会議システムの場合の反響の消去は、図5に示すような構成により行われる。すなわち再生側の全Nチャネルと集音側の各1チャネルとの間にN入力1出力時系列信号を処理するNチャネル反響消去装置22,22,…,22をそれぞれ接続した反響消去システム23として実現される。この場合システム全体でN×M個の反響路15nm(1N,1M)が存在する。このシステムの構成単位である再生側の全Nチャネルと集音側の各1チャネルとの間に接続されるNチャネル反響消去装置22,22,…,22については、図4に示した反響消去装置14の構成を拡張して、図6に示すように構成される。これは例えば電子情報通信学会論文誌 ’86/10 Vol.J69−A No.10「多チャネル適応ディジタルフィルタ」に詳しく述べられている。ここで、集音側が第m集音チャネル(1M)に接続されているNチャネル反響消去装置22を考える。第mチャネルのマイクロホン16で集音される反響信号は、各再生チャネルの受話信号がそれぞれの反響路151m〜15Nmを経て集音側で全て加算されることにより得られるために、反響路推定をどの再生チャネルについても、統一的に同じ1つの残留反響信号e(k)のみを評価して行なうための工夫が必要となる。まず、各再生チャネルの受話信号について、受話信号蓄積・ベクトル生成部(17,17,…,17)により、受話信号ベクトル
Figure 0003616341
を生成する。但し、L,L,…,Lはタップ数で、各反響路151m,152m,…,15Nmの残響時間に対応させて、あらかじめ設定する定数である。これらのベクトルをベクトル結合部24によって、
Figure 0003616341
と結合する。また、反響路推定部19においても、各再生チャネルと第m集音チャネルとの間のN個の反響路を模疑するための、各疑似反響路ベクトル1m(k),2m(k),…,Nm(k) を結合して
Figure 0003616341
として扱う。疑似反響路結合ベクトル(k) の更新は、NLMSアルゴリズムを用いた場合、
Figure 0003616341
のように行なわれる。疑似反響信号生成部18では、内積演算
Figure 0003616341
により、第m集音チャネルで集音された反響信号y(k)に対する疑似反響信号y^(k)を生成する。このように、各チャネル毎のベクトルを結合して1つのベクトルとして扱うことにより、基本的な処理の流れは、図4に示した1チャネル反響消去装置と同様となる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従来の多チャネルエコー消去方法はその疑似反響路が真の反響路にほぼ収束するのが遅い。この点を改善すべく研究した結果、各チャネルの受話信号の再生信号ごとの反響路についての疑似反響路において、その反響路の逐次推定における更新ステップサイズμが同一値である点に問題があると考えるに至った。
説明を簡単にするため、図7に示すように受話チャネルが2つ、集音チャネルが1つの場合を例とする。各受話信号x(k),x(k)はそれぞれチャネル疑似反響路18,18へ印加され、チャネル疑似反響路18,18よりの各チャネル疑似反響信号y^(k),y^(k)は合成回路26で合成されて総合疑似反響信号y^(k)とされて差回路21へ供給され、マイクロホン16よりの集音信号y(k)からy^(k)が引算され、残留反響信号e(k)が求められる。残留反響信号e(k)と、受話信号x(k),x(k)がチャネル反響路推定部19,19へ供給され、チャネル反響路推定部19,19はそれぞれ、受話信号x(k),x(k)の各再生信号がマイクロホン16に至る反響路15,15のインパルス応答 (k), (k)を逐次推定して、これら推定したインパルス応答(k),(k)をチャネル疑似反響路18,18にそれぞれ設定する。
【0005】
チャネル反響路推定部19,19における各推定チャネルインパルス応答(k),(k)は式(12)から以下のようになる。式(12)は受話チャネルが2つであるから式(14)となる。
【0006】
【数1】
Figure 0003616341
【0007】
反響路151 ,152 の残響時間により決るタップ数L1 とL2 を等しくLとした。
このようにXT(k)X(k)はスカラーであるから、式(14)は行列の各行ごとに次のように書ける。
Figure 0003616341
つまりチャネル反響路推定部191 ,192 はそれぞれ式(15),(16)によりチャネル反響路151 ,152 のインパルス応答h1(k),h2(k)を逐次推定することになる。X1(k)/(XT(k)X(k)),X2 (k)/(XT(k)X(k))はそれぞれ全チャネルの受話信号のパワーで正規化された受話信号(ベクトル)と言える。XT(k)X(k)はパワー計算部27で計算されて各推定部191 ,192 へ供給される。また図中には図中の受話信号蓄積ベクトル生成部は必要とするが省略してある。式(15),(16)より、その更新ステップサイズは共にμと等しいものとなっている。
【0008】
しかし、例えば図7に示すように、スピーカ12,12とマイクロホン16,16を互いに対向させて、方形の各コーナに位置させた場合、マイクロホン16に対し正面のスピーカ12からの反響路15のインパルス応答h(k)の方が、対角位置のスピーカ12からの反響路15のインパルス応答 (k)よりエネルギーが大きい。このことは、スピーカとマイクロホンの方形コーナの配置に限らず、他の配置においても反響路によりインパルス応答のエネルギーに差があり、かつ3チャネル以上の多チャネルエコー消去方法についても同様のことが言える。
【0009】
そこでこの発明の目的はこのインパルス応答のエネルギーの差を考慮して従来よりも収束が速い多チャネルエコーキャンセル方法、その装置、そのプログラム及びその記録媒体を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
この発明によれば各チャネルの受話信号をチャネル疑似反響路に印加してチャネル疑似反響信号をそれぞれ生成し、これらチャネル疑似反響信号を加算して総合疑似反響信号を生成し、この総合疑似反響信号を集音信号から差し引いて残留反響信号を生成し、特に各チャネルの受話信号の再生信号と集音信号との各インパルス応答と対応する信号の大きさを入力して、各チャネルのインパルス応答の級数の係数の二乗和の相対比と各チャネルの更新ステップサイズの相対比が等しくなるように各チャネルの更新ステップサイズを生成し、各チャネルごとにその更新ステップサイズと、各受話信号と、上記残留反響信号とからそのチャネルの反響路のインパルス応答を逐次推定し、その推定したインパルス応答によりそのチャネルの疑似反響路を生成する。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1にこの発明の実施形態を示す。説明を簡単にするため、受話2チャネル、集音1チャネルを例とし、図7と対応する部分に同一参照符号を付けてある。この実施形態では、各チャネルの反響路15,15のインパルス応答 (k), (k)と対応する信号をステップサイズ生成部31に入力して、各チャネルごとのステップサイズμ,μをそのインパルス応答に対応する信号の大きさに応じて決定する。インパルス応答 (k), (k)と対応する信号としては受話信号x(k),x(k)の各再生信号と集音信号y(k)との間の各インパルス応答、つまり反響路15,15の各インパルス応答 (k), (k)それ自体、あるいはスピーカ12,12、マイクロホン16の配置に応じて経験的に推測される大略の値、またはチャネル疑似反響路18,18に設定される推定インパルス応答などが用いられる。インパルス応答 (k), (k)を用いる場合は、予め、各1つのスピーカのみからインパルス音を放射して、マイクロホン16の出力信号を測定して求める。
【0012】
更新ステップサイズμ,μは各チャネルのインパルス応答 (k), (k)と対応する信号(以下 (k), (k)で代表する)の大きさ、つまり振幅又はパワーに応じ、大きければ大きな値とする。特に各チャネルのインパルス応答 (k), (k)のパワーの、これらパワーの和に対する比に応じて更新ステップサイズμ,μを決定する。この場合、これら各チャネルの更新ステップサイズμ とμ の和が2となるようにする。例えば次のようにして求める。いま (k), (k)がそれぞれ1要素のみとして、これらを平面上に書くと図2に示すように、式(14)の更新ベクトル^(k)は、 (k)と (k)のパワーが等しい場合は、横軸に対し45度のベクトル41上にあることになる。ベクトル (k), (k)の各長さをa=√( (k) (k)),b=√( (k) (k))とすると、更新ベクトル^(k)は図2中のベクトル42上のように設定することで、その疑似反響路が真の反響路にほぼ収束するのを速くすることができる。この更新ベクトル^(k)に応じてステップサイズμ,μを、√(a)と√(b)の比と等しくする、つまり
μ:μ=√(a):√(b
とすればよい。従って下記の連立方程式が得られる。
【0013】
μ1 √(b2 )=μ2 √(a2
μ1 2+μ2 2=2
この連立方程式を解くと以下のようになる。
μ1√(2a 2 )/(√(a 2 +b 2 ))
μ2√(2b 2 )/(√(a 2 +b 2 ))
つまり
μ1√(21 T(k)h1(k))/(√(h1 T(k)h1(k))+√(h2 T(k)h2 (k))) (17)
μ2√(22 T(k)h2(k))/(√(h1 T(k)h1(k))+√(h2 T(k)h2 (k))) (18)
をステップサイズ生成部31で計算すればよい。
【0014】
従ってインパルス応答 (k), (k)がそれぞれ2乗和回路32,32に入力されて、各ベクトルの要素の2乗和
(k) (k)=Σ i=0 L−1 (k,i)
(k) (k)=Σ i=0 L−1 (k,i)
がそれぞれ計算され、これら2乗和は開平回路33,33で平方根がとられ、a=√( (k) (k),b=√( (k) (k))が求められる。これらaとbが加算回路34で加算され、式(17),(18)の分母が求められる。乗除算回路35で加算回路34の加算値でaを除算した値に2を乗算して式(17)の計算結果μが求められる。同様に乗除算回路35で加算回路34の加算値でbを除算した値に2を乗算して式(18)の計算結果μが求められる。
【0015】
これら更新ステップサイズμ,μがそれぞれ対応するチャネル反響推定部19,19へ供給される。チャネル反響路推定部19,19には図6に示した場合と同様にそれぞれ受話信号x(k),x(k)が供給されると共にパワー計算部27よりの所定時間の全チャネルの受話信号パワーの和と残留反響信号e(k)が共通に供給される。チャネル反響路推定部19,19ではそれぞれ以下の式によりチャネル反響路のインパルス応答の推定(k+1),(k+1)が逐次行われる。
【0016】
Figure 0003616341
これら推定されたインパルス応答(k+1),(k+1)がそれぞれチャネル疑似反響路18,18に設定される。その他は図6に示した装置と同様な処理を行う。
【0017】
このように更新ステップサイズμ,μが反響路15,15のインパルス応答 (k), (k)のエネルギーの相対比に応じて、大きいエネルギーのチャネルに対応する更新ステップサイズが大きくされ、それだけ全体としての疑似反響路18,18の収束が速くなる。
ステップサイズ生成部31で各時刻kごとにμ(k),μ(k)を計算することにより、反響路15,15が変動して (k), (k)が変動してもこれに追従して、適切なμ(k),μ(k)が設定されることになる。また最初にステップサイズ生成部31に、インパルス応答 (k), (k)の経験的推定値を入力しても、その後、チャネル疑似反響路18,18の各インパルス応答(k),(k)をステップサイズ生成部31に入力することにより、チャネル疑似反響路18,18が反響路15,15に収束するに従って、更新ステップサイズμ,μが適切な値μ(k),μ(k)に更新される。あるいはμ,μの初期値はμ=μとし従来において使用していた適当な値を設定し、その後は、(k),(k)をステップサイズ生成部31に入力してμ,μを更新してもよい。
【0018】
この発明は受話チャネルが3チャネル以上の場合にも適用できる。例えばNチャネルの場合、ステップサイズ生成部31で各チャネルn(n=1,2,・・・,N)に対し、次の計算をすればよい。
μn√N(hn T(k)hn(k))/√(h1 T(k)h1(k)+(h2 T(k)h2(k)・・・+hN T(k)hN(k))
この式から理解されるように、各チャネルのインパルス応答の大きさ(振幅又はパワー)の、チャネル間の相対的大きさ比により、インパルス応答の大きさが大きいチャネルの疑似反響路の収束速度が大きくなるようにステップサイズを求めればよい。また上記実施形態ではチャネル反響路推定部において、全チャネルの受話信号のパワーの和を求めたものを用いたが、必ずしもその必要はない。例えば電子情報通信学会論文誌’86/10 Vol.J69−A No.10「多チャネル適応ディジタルフィルタ」で提案しているように、チャネルごとにその受話信号をその電力で正規化したものを用いてもよい。
【0019】
またチャネル反響路推定のアルゴリズムとしては学習同定法に限らず、射影法その他のアルゴリズムを用いてもよい。更にこの多チャネルエコーキャンセル装置を、コンピュータによりプログラムを実行させて機能させることもできる。この場合はこの多チャネルエコーキャンセルプログラムを、CD−ROM、フロッピーディスク、磁気ディスクなどからコンピュータのプログラムメモリにインストールし、あるいは通信回線を通じてダウンロードして、そのプログラムを実行することになる。
【0020】
【発明の効果】
図1に示した実施形態において、マイクロホン16と正面スピーカ12間の距離が約1.5m、スピーカ12と12間の距離が約1.2mの場合、インパルス応答 (k)と (k)のパワー比は壁の反射などにより変わり、1:0.75〜0.85程度となるが、1:0.8とした。この場合の計算機シミュレーションの結果を図3に示す。図3中の実線はこの発明方法による疑似反響路の収束状態を示し、破線は従来法による収束状態を示す。反響路を変化させてから係数誤差(インパルス応答推定値誤差)が−10dBになる時間が、従来法では8.3秒掛ったが、この発明方法によれば5.9秒となり、従来法より約1.5倍の収束速度が得られ、この発明方法が優れていることが確認できた。
【0021】
以上述べたようにこの発明によれば、各チャネルの反響路のインパルス応答に応じてそのチャネルの反響路推定における更新ステップサイズを決定することにより、多チャネルエコーキャンセルの収束速度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施形態の機能構成を示す図。
【図2】インパルス応答に応じてステップサイズを決めるための説明図。
【図3】この発明の効果を確認するための、収束状態の計算機シミュレーションを示す図。
【図4】従来の1チャネルエコーキャンセル装置の機能構成を示す図。
【図5】従来の多チャネルエコーキャンセル装置の構成図。
【図6】従来の多チャネルエコーキャンセル装置の具体的機能構成を示す図。
【図7】従来の2チャネルエコーキャンセル装置の機能構成を示す図。

Claims (4)

  1. Nチャネル(Nは2以上の整数)の受話信号をそれぞれ対応するチャネル疑似反響路に印加してチャネル疑似反響信号を生成し、
    これらチャネル疑似反響信号を加算して総合疑似反響信号を生成し、
    その総合疑似反響信号を、上記各受話信号の再生信号に対する集音信号から差し引いて残留反響信号を生成し、
    上記各チャネルの受話信号の再生信号と上記集音信号との間の各インパルス応答を入力して、各チャネルのインパルス応答の級数の係数の二乗和の相対比と各チャネルの更新ステップサイズの相対比が等しくなるように各チャネルの更新ステップサイズを算出し、
    上記各チャネルごとに更新ステップサイズと、各チャネルの受話信号と、上記残留反響信号とからそのチャネルの上記再生信号の反響路のインパルス応答を逐次推定し、
    その逐次推定したインパルス応答により対応するチャネルの疑似反響路を生成することを特徴とする多チャネルエコーキャンセル方法。
  2. Nチャネル(Nは2以上の整数)の受話信号がそれぞれ印加されて、チャネル疑似反響信号を生成するN個のチャネル疑似反響路と、
    上記N個のチャネル疑似反響信号を加算して総合疑似信号を生成する合成回路と、
    上記N個の受話信号の再生信号に対する集音信号から上記総合疑似信号を差し引いて残留反響信号を生成する減算回路と、
    上記N個の受話信号の再生信号と上記集音信号との間の各インパルス応答を入力して、各チャネルのインパルス応答の級数の係数の二乗和の相対比と各チャネルの更新ステップサイズの相対比が等しくなるようにN個の更新ステップサイズを求めるステップサイズ生成部と、
    上記各チャネルごとに上記更新ステップサイズと、各チャネルの受話信号と、上記残留反響信号とが入力され、そのチャネルの上記再生信号の反響路のインパルス応答を逐次推定し、その推定したインパルス応答を対応する上記チャネル疑似反響路に設定するN個の反響路推定部と、
    を具備する多チャネルエコーキャンセル装置。
  3. 請求項1記載の多チャネルエコーキャンセル方法をコンピュータに実行させるプログラム。
  4. 請求項記載のプログラムを記録したコンピュータ読み出し可能な記録媒体。
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