JP2005323084A - 音響エコー消去方法、音響エコー消去装置、音響エコー消去プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】多チャネル音響エコー消去装置において、話者交代時にハウリングの発生を阻止する。
【解決手段】適応損失制御手段と、多チャネル音響エコー消去手段との組合せにより多チャネルの音響エコーを消去する音響エコー消去方法において、多チャネル適応フィルタに非因果成分を含めることでエコー経路推定誤差情報を抽出し、この抽出されたエコー経路推定誤差情報により適応損失制御手段における受話側もしくは送話側の減衰量を制御し、話者交代のような過渡的変動に対して減衰量を安定して維持させる。
【選択図】図７

Description

この発明は、拡声通話系において通話の障害となり、時にはハウリングを引き起こす音響エコーを消去する音響エコー消去方法および音響エコー消去装置、音響エコー消去プログラムに関するものである。

拡声通話系の構成を図１に示す。地点Ｂで送話者の発した音声はマイクロホン２Ｂで収音され、伝送路３を経て、地点Ａのスピーカ１Ａで再生される。この拡声通話系では従来の電話通話のように送受話器を手に持つ必要がないため、作業をしながらの通話が可能になり、自然な対話通話が実現できるという長所を持つ。そのため通信会議やテレビ電話、拡声電話機などに広く利用が進められている。
この拡声通話系では、音響エコーが問題となる。図１においてスピーカ１Ａから再生された音声が、矢印で示すようにエコー経路ｈ_Ａを経てマイクロホン２Ａで収音され、伝送路４を経て、地点Ｂのスピーカ１Ｂで再生される。これが音響エコーであり、地点Ｂの送話者は、自分の発した音声が伝送遅延ののちスピーカ１Ｂから再生されるのを聞く。この音響エコーは拡声通話系において通話の障害や不快感などの悪影響を生じる。さらに、地点Ａと地点Ｂで形成される信号の閉ループのゲインが１より大きい場合、ハウリング現象が発生し通話できなくなる。

このような拡声通話系の問題点を克服するために、図２のように適応損失制御部５と音響エコー消去部６が組み合わされてもちいられる（特許文献１）。
適応損失制御部５の動作を、図２を用いて説明する。適応損失制御部５は受話側減衰器３１と、送話側減衰器３２と、損失制御部３３とによって構成される。損失制御部３３では、伝送路３からの受話信号ｘ＿（ｋ）、および音響エコー消去部６の出力信号ｚ（ｋ）（ｋは時間を表わすパラメータ）から、送受話状態を判定する。送話状態では受話信号を受話側減衰器３１により減衰させ、受話状態では送話側減衰器３２により減衰した信号を送信信号とすることで、受話信号と送信信号との間の開ループ利得を１以上に保ってハウリングを防止する。

送話状態及び受話状態は、例えば受話信号ｘ＿（ｋ）と音響エコー消去部６の出力信号ｚ（ｋ）の短時間パワーＰｘ＿（ｋ）、Ｐｚ（ｋ）の大きさを比較することで判定できる。受話側減衰器３１により、スピーカ再生信号ｘ（ｋ）の短時間パワーは受話信号ｘ＿（ｋ）の短時間パワーと同じか小さくなる。通常の環境では、エコー経路と音響エコー消去部６を通過した後のエコー信号ｚ（ｋ）はスピーカ再生信号ｘ（ｋ）より小さいと仮定できるので、音声が発せられず送話信号が無い時には、Ｐｘ＿（ｋ）＞Ｐｚ（ｋ）が成立し、この時には損失制御部３３は受話状態と判定する。あるレベル以上の送話信号が存在すると、Ｐｘ＿（ｋ）＜Ｐｚ（ｋ）となり、この時には損失制御部３３は送話状態と判定する。

受話側減衰器３１もしくは送話側減衰器３２に適用される減衰量は、音響エコー消去部６の状況に応じて制御される。音響エコー消去部６は擬似エコー信号生成部４１と、減算器４２と、エコー経路推定部４３とによって構成される。擬似エコー信号生成部４１は適応フィルタにより構成され、受話状態における減算器４２の誤差信号に応じてエコー経路推定部４３がエコー経路の変動を検出し、その検知信号により誤差信号が最小となるように適応フィルタの特性が制御される。従って以下では擬似エコー信号生成部４１を単に適応フィルタと呼ぶこともある。

適応フィルタによる音響エコー消去の状況は、スピーカ１から音響エコー消去部６までの音響結合量Ｇの大きさから調べることができる。音響結合量Ｇは受話状態での受話信号ｘ（ｋ）と、残差信号ｚ（ｋ）の短時間パワーＰｘ（ｋ）とＰｚ（ｋ）を用いて、
Ｇ＝Ｐｚ（ｋ）／Ｐｘ（ｋ）
により推定できる。例えば受話信号と送信される残量エコー（残差信号）との間の開ループ利得を−２０ｄＢ以下に保ちたい場合、適応フィルタによる音響エコー消去が進んでおらず、音響結合量Ｇが−２０ｄＢを超えるときは、音響結合量Ｇと減衰量との積が−２０ｄＢになるように減衰量を設定すればよい。

音響エコー消去部６において、エコー経路推定部４３では音響エコー経路のインパルス応答（音響エコー路伝送特性）を推定し、擬似エコー信号生成部４１では推定されたインパルス応答ｗ（ｋ）と受話側減衰器３１を経た受話信号ｘ（ｋ）を畳み込んで擬似エコー信号ｙ＾（ｋ）を生成し、減算器４２ではマイクロホン２の出力信号から擬似エコー信号ｙ＾（ｋ）を差し引く。エコー経路のインパルス応答が良好に推定されれば、エコー信号と擬似エコー信号はほぼ等しくなり、マイクロホン出力信号に含まれるエコー信号はほぼ消去される。

エコー経路推定部４３では、適応アルゴリズムにより音響エコー経路のインパルス応答を推定する。この推定は受話状態とみなされる時に実行される。適応アルゴリズムとしてＮＬＭＳアルゴリズムを用いた場合、誤差信号ｅ（ｋ）のパワーが最小となるように受話信号ｘ（ｋ）と誤差信号ｅ（ｋ）を用いてインパルス応答を次のように推定する。

である。またμ（０＜μ＜２）はエコー経路推定速度の調整にもちいられるステップサイズである。

上記の方法では、エコー経路の推定状態に応じて減衰を制御することができる。起動直後のエコー経路は未推定であり残留エコーは大きい。このため音響結合量Ｇが大きくなり、減衰量が大きく設定され、主に適応損失制御部５における損失制御がハウリングを防止する。エコー経路の推定が進むにつれて音響結合量Ｇが小さくなり、設定される減衰量が小さくなっていく。エコー経路の推定がほぼ完了すると、主に音響エコー消去部６がハウリングとエコーを防止する。モノラルエコーキャンセラでエコーがほぼ消去されている状態では、エコー経路と擬似エコー経路のインパルス応答はほぼ一致しているとみなすことができる。
特開平７−２２６６９９号公報

このモノラル通信会議系の適応損失制御と音響エコー消去を、図３のような多チャネル通信会議に適用しようとすると、受話側もしくは送話側での減衰量をうまく求められない問題に直面する。
多チャネル通信会議系では受話信号のチャネル間相互相関が非常に高くなるのが通常であり、エコーがほぼ消去されている状態であっても、多チャネル適応フィルタにより推定されたエコー伝達特性と真のエコー伝達特性が一致するとは限らない。これに関しては（非特許文献 M.M. Sondhi, D.R. Morgan, and J.L. Hall ,“Stereo-phonic Acoustic Echo Cancellation -An Overview of the Fundamental Problem,”IEEE Signal Processing Letters, Vol.2, no.8, pp. 148-151(1995)）を参照。そのため従来法のようにスピーカ再生信号と音響エコー消去部の出力信号から、音響結合量を経由して、適応フィルタのエコー経路推定状況を知ることができない。

このような不都合を解消する一つの方法として、図４に示すように相関変動処理部７_１、…７_Mを設けて、チャネル毎に例えば受話信号を乱数で振幅変調して元の受話信号に付加して相互相関が絶えず変動している信号を生成し、各スピーカから再生すると同時に多チャネル・エコーキャンセラへの入力信号とする手法が特願平７−５０００２、文献S.shimauchi and S.Makino,“Stereo Projection Echo Canceller with True Echo Path Estimation,”Proc.ICASSP95, vol.5, pp. 3059-3062(1995)にて提案されている。その後、特開２００２−２２３８２９公報により付加信号情報に対する受話信号情報の比率を小さくした信号から適応フィルタの修正ベクトルを求める新しい適応アルゴリズムにより、多チャネル・エコー消去方法の推定性能を向上させた多チャネル・エコー消去方法が提案されている。

上記した各提案により多チャネル・エコー経路の推定性能が向上したとしても、以下のような不都合が生じる。
エコー伝達特性の推定値と真値との差をフィルタ係数の相対誤差でみると、残留エコーと相対誤差の振るまいは図５のようになる。対地で一人の話者が話している状態では、エコーはほぼ消去されて誤差信号パワーがほぼ０になるものの、相対係数誤差は収束せずに飽和する。そのため対地で話者が交代した瞬間にエコーが突然消去されなくなる。
仮にエコーがほぼ消去された状態でエコー経路が十分に推定されたと判定して、減衰器による減衰を解除してしまうと、対地の話者が交代した瞬間に突然エコーが消去されなくなり、最悪の場合ハウリングに至る。

そこで本発明では、多チャネル適応フィルタのエコー経路推定誤差に関する情報を抽出し、これに応じて受話側もしくは送話側に適用される減衰量を制御する。
本発明では、図６Ｃに示すように擬似エコー経路を構成する適応フィルタ中のＬ_ｐタップを非因果成分（或る時刻以前の成分）に割当てて、時刻ｋまでの入力信号から時刻ｋ−Ｌ_ｐのエコー信号ｙ＾（ｋ−Ｌ_ｐ）を予測する。擬似エコー経路のフィルタ係数ベクトルは、時刻ｋを省略すると、

適応フィルタによるエコー経路の推定が完了して各擬似エコー信号が真のエコー信号に収束した状態では、擬似エコー経路の非因果成分はすべて０に収束し、擬似エコー経路の因果成分は真のエコー経路に収束する。また推定途中の段階では、擬似エコー経路の因果成分と真のエコー経路との差は、擬似エコー経路の非因果成分の大きさに連動するので、擬似エコー経路における非因果成分の大きさからエコー経路の推定状況を知ることが可能となる。具体的には以下の音響エコー消去装置によってこの発明による音響エコー消去方法が実行される。

この発明によれば適応損失制御部と、多チャネルの音響エコー消去部との組合せにより多チャネルの音響エコーを消去する音響エコー消去装置において、音響エコー消去部を非因果成分を含む擬似音響エコー信号を生成する擬似音響エコー信号生成部と、非因果成分を含むエコー経路推定部と、擬似音響エコー信号生成部で生成した非因果成分を含む擬似音響エコー信号とエコー信号との差を求める減算器と、エコー経路推定部で推定する擬似音響エコー経路の非因果成分と因果成分とから、エコー経路と擬似音響エコー経路の誤差をエコー経路推定誤差情報として抽出する一致性推定部とによって構成し、この一致性推定部が抽出したエコー経路推定誤差情報により適応損失制御部の減衰量を制御することを特徴とする音響エコー消去装置を提案する。
この発明では更に音響エコー消去装置において、音響エコー消去部に非因果成分を含まない消去用擬似エコー信号生成部を並設し、この消去用擬似エコー信号生成部により因果成分のみのエコー信号消去を施すことを特徴とする音響エコー消去装置を提案する。

本発明によれば多チャネル適応フィルタに非因果成分を含ませ、非因果成分の大きさから多チャネル適応フィルタの推定状況を推測し、推測に応じて受話側もしくは送話側の減衰比を制御することで、多チャネル適応フィルタによるエコー経路の推定状況によらず、多チャネル拡声通話系のハウリングを確実に防止する。

以下にこの発明を実施する場合の最良の形態を実施例１として説明する。

本発明第１の実施例を図７に挙げる。ここではＭチャネル再生器と１チャネル収音器からなるマルチチャネル拡声通信系を用いて説明する。
Ｍチャネル受話信号は、受話側減衰器３１を経てスピーカ１_１〜１_Ｍから再生され、そのエコーがマイクロホン２に収音される。
Ｍチャネル信号は同時に音響エコー消去部６の擬似エコー信号生成部５１に入力されて擬似エコー信号が生成される。減衰器５２ではエコー信号から擬似エコー信号を引いて誤差信号を求めることで、エコー消去をはかる。本発明では音響エコー消去部６に遅延器５０を設け、この遅延器５０の遅延により非因果成分を生成する。
エコー経路推定部５３では、受話信号および誤差信号から擬似エコー経路の推定値を更新する。

この発明では擬似エコー信号生成部５１およびエコー経路推定部５３には非因果成分が含まれており、第ｍチャネルの擬似エコー経路の係数ベクトルは、時刻ｋを省略して

一致性推定部５４では、非因果成分と因果成分の大きさからエコー信号と擬似エコー信号との一致性Ｑ（ｋ）を、例えば

により求める。ここではαはエコー信号の非因果成分の大きさを因果成分の大きさに換算するための定数であり、例えばα＝（Ｌ−Ｌ_ｐ）／Ｌ_ｐを用いる。δは０割りを防止するための正則化定数である。

一致性の指標Ｑ（ｋ）は０以上の値をとる。適応フィルタによる推定がスタートしてエコーがほとんど消去されず、エコー経路と擬似エコー経路の一致性が低い状態では、Ｑ（ｋ）は１近辺の値をとる。適応フィルタによる推定が完了して擬似エコー経路とエコー経路が完全に一致した状態では、擬似エコー経路の非因果成分はすべて０に収束し、Ｑ（ｋ）＝０となる。
損失制御部３３は、受話信号および音響エコー消去部６の減算器５２が出力する誤差信号から送話状態を判定する。そして一致性推定部５４で求められた一致性の指標Ｑ（ｋ）に応じて、送話もしくは受話に適用される減衰比Ｒ（ｋ）を制御する。

減衰比Ｒ（ｋ）の制御法としては、例えば

を用いることができる。減衰比Ｒ（ｋ）は０から１の値をとる。ただし、ＬはｄＢで設定された初期減衰量であり、エコーキャンセラの起動直後に適応フィルタによりエコーがほとんど消去されない状態で、送話もしくは受話に適用される減衰量である。通常Ｌ＝−２０〜−３０ｄＢに設定することで起動直後のハウリングを防止できる。
受話状態と判定されたときには、送話側減衰器３２で誤差信号に減衰比Ｒ（ｋ）を適用する。また送話状態と判定されたときには、受話側減衰器３１で受話信号に減衰比Ｒ（ｋ）を適用する。

尚、Ｍチャネル再生−Ｎチャネル収音のマルチチャネル拡声通信系の場合には、図８のようにＭチャネルエコー消去部６_１〜６_ＮがＮ個並列に並ぶ構成になり、各Ｍチャネルエコー消去部でそれぞれ減衰比Ｒ_１（ｋ）…Ｒ_Ｎ（ｋ）が求められる。受話側減衰器もしくは送話側減衰器で適用される減衰比Ｒ（ｋ）は、例えば減衰比Ｒ_１（ｋ）…Ｒ_Ｎ（ｋ）の中から
Ｒ（ｋ）＝ＭＩＮ［Ｒ_１（ｋ）…Ｒ_Ｎ（ｋ）］
により決めることができる。

本発明第２の実施例を、図９を用いて説明する。実施例１と同様に、擬似エコー信号生成部５１およびエコー経路推定部５３には、因果成分と同時にブロックで囲んで示す非因果成分が含まれる。

とし、フィルタ長Ｌ、非因果成分Ｌ_Ｐ（＞１）タップとする。
チャネル間相関変動処理部７では、受話信号Ｕ_ｍ（ｋ）（ｍ＝１…Ｍ）に例えばランダムに変化する付加信号Ｕ_ｍ ^ＡＤＤ（ｋ）を付加して、スピーカ再生信号Ｘ_ｍ（ｋ）を生成する。
ｘ_ｍ（ｋ）＝ｕ_ｍ（ｋ）＋Ｕ_ｍ ^ＡＤＤ（ｋ）
（ｍ＝１…Ｍ）

擬似エコーは実施例１と同様に生成される。チャネル間相関変動処理部７から出力される。修正ベクトル生成用信号Ｚ_ｍ（ｋ）は、減衰した受話信号と付加信号とから
ｚ_ｍ（ｋ）＝βｕ_ｍ（ｋ）＋Ｕ_ｍ ^ＡＤＤ（ｋ）
（ｍ＝１…Ｍ，０＜β＜１）
のように生成される。適応フィルタは、Ｌ_Ｐサンプル遅延したエコー信号との誤差信号
ｅ（ｋ−Ｌ_ｐ）＝ｙ（ｋ−Ｌ_ｐ）−ｙ＾（ｋ−Ｌ_ｐ）
（ｍ＝１…Ｍ）
をもちい、例えば

である。適応フィルタの更新には、上記のような時間領域の適応アルゴリズム以外に、周波数領域の適応アルゴリズムをもちいることもできる（特開２００２−２２３１８２号公報参照）。
実施例１と同様に、一致性推定部５４においてエコー信号と擬似エコー信号の一致性が推定され、この推定値にもとづいて損失制御部３３で減衰比を求めて適応損失制御を行う。

図１０を用いて本発明第３の実施例を説明する。この第３の実施例はこの発明の請求項３で提案する音響エコー消去方法に該当する。
受話側減衰器を経たＭチャネル受話信号は、スピーカ１_１〜１_Ｍから再生され、そのエコーがマイクロホン２に収音される。Ｍチャネル信号は同時にエコー消去部６の擬似エコー信号生成部５１に入力されて擬似エコー信号が生成される。減算器５２においてエコー信号から擬似エコー信号を引いて求められた誤差信号は、エコー経路推定部５３における擬似エコー信号の更新に使われる。Ｍチャネル信号は消去用擬似エコー信号生成部５５にも入力されて擬似エコー信号が生成される。減算器５６においてエコー信号から擬似エコー信号を引いて誤差信号を求めることでエコー消去がはかられる。

擬似エコー信号生成部５１およびエコー経路推定部５３は非因果成分を含む構成とし、消去用擬似エコー信号生成部５５は非因果成分を含まない構成とする。消去用擬似エコー信号生成部５５へは、エコー経路推定部５３から因果成分のみ転送する。これにより非因果成分を求めるために挿入された遅延の影響を受けることなく送話信号を対地に送出することが可能となる。
一致性推定部５４では実施例１と同様に、エコー経路推定部５３で求められた非因果成分の大きさからエコー信号と擬似エコー信号との一致性を推定し、その推定結果を損失制御部３３に渡す。

尚、ここでは実施例１の図７をベースにして説明を行なったが、この方法は実施例１の図８および実施例２の図９にもそのまま適用可能である。
上述した本発明による音響エコー消去装置はコンピュータにこの発明による音響エコー消去プログラムを実行させることにより実現される。
この発明による音響エコー消去プログラムはコンピュータが解読可能なプログラム言語によって記述され、磁気ディスク或はＣＤ−ＲＯＭのような記録媒体に記録され、これらの記録媒体からコンピュータにインストールされるか又は通信回線を通じてインストールされる。
コンピュータにインストールされた音響エコー消去プログラムはコンピュータに備えられたＣＰＵに解読され、上述した音響エコーの消去が実行される。

この発明による音響エコー消去法及び装置は特に多チャネル信号に対してエコーの消去が実現される。この結果、多チャネル再生で臨場感の高い会議システムに活用することができる。

拡声通話系の基本的な構成を説明するための接続図。 従来の技術を説明するためのブロック図。 従来の技術で多チャネル化された音響エコー消去装置を説明するためのブロック図。 従来の技術にチャネル間相関変動処理を施した例を説明するためのブロック図。 従来の技術で多チャネル化した場合の不都合を説明するための図。 この発明の要部となるエコー経路のインパルス応答と、適応フィルタの因果成分及び非因果成分を説明するための図。 この発明の第１実施例を説明するためのブロック図。 図７に示した実施例をＭチャネル再生系とＮチャネル収音系で構成される通信会議システムに適用した例を示すブロック図。 この発明の第２実施例を説明するためのブロック図。 この発明の第３実施例を説明するためのブロック図。

符号の説明

１ スピーカ ３３ 損失制御部
１_Ｉ〜１_Ｍ スピーカ ４１ 擬似エコー信号生成部
２ マイクロホン ４２ 減算器
３、４ 伝送路 ４３ エコー経路推定部
５ 適応損失制御部 ５１ 非因果成分を含む擬似エコー信号生成部
６ 音響エコー消去部 ５２ 減算器
７ チャネル間相関変動処理部 ５３ 非因果成分を含むエコー経路推定部
３１ 受話側減衰器 ５４ 一致性推定部
３２ 送話側減衰器

Claims (6)

1. 適応損失制御手段と、多チャネル音響エコー消去手段との組合せにより多チャネルの音響エコーを消去する音響エコー消去方法において、多チャネル適応フィルタが非因果成分を含み、これからのエコー経路推定誤差情報を抽出し、この抽出されたエコー経路推定誤差情報により上記適応損失制御手段における受話側もしくは送話側の減衰量を制御することを特徴とする音響エコー消去方法。
2. 請求項１記載の音響エコー消去方法において、上記エコー経路推定誤差情報としてエコー経路と擬似エコー経路の経路一致性の高低を利用することを特徴とする音響エコー消去方法。
3. 請求項１又は２記載の音響エコー消去方法の何れかにおいて、上記多チャネル音響エコー消去手段に非因果成分を含まない消去用擬似エコー信号生成部を並設し、この消去用擬似エコー信号生成部により因果成分のみの音響エコー消去を施すことを特徴とする音響エコー消去方法。
4. 適応損失制御部と、多チャネルの音響エコー消去部との組合せにより多チャネルの音響エコーを消去する音響エコー消去装置において、
   上記音響エコー消去部を非因果成分を含む擬似音響エコー信号を生成する擬似音響エコー信号生成部と、非因果成分を含むエコー経路推定部と、上記擬似音響エコー信号生成部で生成した非因果成分を含む擬似音響エコー信号とエコー信号との差を求める減算器と、上記エコー経路推定部で推定する擬似音響エコー信号の非因果成分と因果成分とから、エコー信号と擬似音響エコー信号の誤差をエコー経路推定誤差情報として抽出する一致性推定部とによって構成し、
   この一致性推定部が抽出したエコー経路推定誤差情報により上記適応損失制御部の減衰量を制御することを特徴とする音響エコー消去装置。
5. 請求項４記載の音響エコー消去装置において、上記音響エコー消去部に非因果成分を含まない消去用擬似エコー信号生成部を並設し、この消去用擬似エコー信号生成部により因果成分のみのエコー信号消去を施すことを特徴とする音響エコー消去装置。
6. コンピュータが解読可能なプログラム言語によって記述され、コンピュータを請求項３又は４記載の音響エコー消去装置として機能させる音響エコー消去プログラム。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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