JP4282661B2 - 拡声通話装置 - Google Patents

Description

本発明は、拡声通話装置に関し、特に、音響エコーを低減して良好な音質での拡声通話を実現する技術に関する。

拡声通話装置において、スピーカとマイクロホンが密接に配備されている収音・再生一体型構成を採用する場合、発話者の声が受話者側のスピーカとマイクロホンを経由して発話者側へ戻り（音響エコー）、発話に遅れて発話側のスピーカから再生されてしまう現象が生じ、これが顕著に現れると、話しづらくなるという問題が生じる。

音響エコーの発生原因は、スピーカとマイクロホンとの音響的な結合によるものがあり、このような音響エコーの低減のためにエコーキャンセラが利用されている。しかし、エコーキャンセラは音響エコーがあまりに大きいと、その動作が不安定になりがちであり、前段で予め音響エコーをある程度抑圧する必要がある。そのため、従来から複数マイクでの収音信号を利用した音響エコーの低減が行われてきた。

例えば、特許文献１記載の技術は、図３に示すように、マイクロホン13，14を対として位相反転加算器１の非反転入力端，反転入力端に接続し、またマイクロホン12，15を対として位相反転加算器２の非反転入力端，反転入力端に接続して、各々の対毎に反転加算を行い、スピーカ11からマクロホン12〜15への音響エコーをトータルとして０にしている。そして、位相反転加算器１の出力と遅延器３を経由した位相反転加算器２の出力を加算器４で加算することで収音特性の劣化を抑えている。

また、特許文献２記載の技術は、図４に示すように、マイクロホン12で収録された信号は移相器６でスルーし、マイクロホン13で収録された信号は移相器６で90度の位相シフト処理が行われ、マイクロホン15で収録された信号は移相器７でスルーした後に位相反転器８で180度の位相シフト処理が行われ、マイクロホン14で収録された信号は移相器７で90度の位相シフト処理が行われた後に位相反転器９で180度の位相シフト処理が行われ、移相器６の各出力と位相反転器８，９の出力を加算器10で加算することで音響エコーの低減を図っている。

特開2000-184051号公報（第３頁−第４頁、図１−図２） 特開2000-253132号公報（第２頁−第３頁、図１）

上述した特許文献１および２記載の技術では、スピーカからの再生信号が複数のマイクロホンによって等しく収音されるものとし、その信号の位相を変化させ、加算処理を行うことで、音響エコーを０にしている。つまり、全てのマイクロホンから等距離にある音源の信号のみを打ち消すような技術となっている。

よって、マイクロホンと音源が完全に同距離に配置されていれば、音響エコーの問題は解決される。しかしながら、実環境下、特に製品となると、たとえスピーカと音響エコーの音源となるマイクロホンが一体構成で配備されていても、スピーカから各マイクロホンへの距離を完全に等距離に配置することは困難であるため、このような従来技術では、現実にはあまり音響エコー抑圧性能の向上を見ることができない。

そこで、本発明の目的は、スピーカから各マイクロホンへの距離や経路が完全に一致しない、つまり製品化された場合などの実環境下でも音響エコーを低減すると共に収音特性の劣化を阻止した拡声通話装置を提供することにある。

本発明の拡音声話装置は、遠隔地等より送られてきた信号を再生するスピーカ（図１の11）と、該スピーカの中心を対称中心とし、該対称中心から等距離に配備されて収音・再生一体型装置を構成する２Ｎ個のマイクロホン（図１の12〜15）と、該マイクロホンそれぞれの収録信号をＮ個の対とし、スピーカから再生された音響エコーが発生すると該マイクロホン対にて該音響エコーを最小化するにように動作する適応手段（図１の21，22，31，32，41，42，51，52）と、該適応手段から出力されるＮ個のマイクロホン対の出力信号の位相を１８０／Ｎ度ずつ変化させる移相手段（図１の60）と、該移相手段の出力信号を加算する加算手段（図１の70）を具備したことを特徴とする。

具体的には、前記適応手段は、マイクロホン対の一方のマイクロホンの出力信号を遅延させる遅延器（図１の31，32）と、スピーカから再生される信号レベルが所定値より大きいとき音響エコーが発生していると決定する判別器（図１の21，22）と、マイクロホン対の他方のマイクロホンの出力信号を入力し、音響エコーが発生している場合に、出力が遅延器の出力から減算され差分が最小になるように、遅延器の出力を教材として学習動作する適応器（図１の41，42）と、前記減算を行う加算器（図１の51，52）で構成される。

更に、前記適応器は、マイクロホンからの入力信号を通過させ、通過途中の複数タップにおける信号にタップ毎のフィルタ係数を乗算し、それらの乗算結果を加算出力する適応フィルタ部（図２の41-1）と、判別器から音響エコー発生の情報が伝えられると、適応フィルタ部のフィルタ係数を適応的に更新する更新部（図２の4-2）とで構成される。

本発明は、適応器を導入して、対称に配備されたマイクロホン対の出力信号の加算結果が０になるように制御する構成を採用したため、必ずしもスピーカとマイクロホン間の経路が完全に一致しないような実環境化においても、音響エコーの低減を図ることが可能となり、かつ収音特性を劣化させないことから、より良い拡声通話装置を提供することができるようになる。その上に、移相器を後段に配置することで、移相器を従来（図４参照）と比較して半分に減らすことが可能になり、演算量の低減も見込むことができる。

本発明の拡声通話装置は、スピーカとマイクロホンの間が完全に一致しなければならない点を解決するために、適応器を導入する。適応器とは、出力信号が目的の信号となるように適応的に動作するものであって、適応フィルタを主要な構成要素とする。例えば、本発明におけるように音響エコーを最小化したい場合には、音響エコーがある場合に出力信号が０になるよう適応フィルタを動作させる。

この場合、音響エコーを最小化するためには、スピーカからマイクロホンまでの経路が等化になるように適応フィルタ係数が更新される。更新は、対となるマイクロホンの出力信号を遅延器で遅延させた信号を教材として加算器における適応器との加算の結果により学習して行う。その動作にはフィルタのタップ長により限界があるが、今回のようなある程度スピーカからマイクロホンまでの経路が似ている場合、適応器は有効に動作し、フィルタタップ数が短くても目的を達成することができる。

また、このまま各マイクロホン対の出力信号を加算器で加算してしまうと、音響エコー以外の音、たとえば音声会議装置では会議参加者の音声に関する収音特性が悪化してしまう。具体的には、装置の前部からの音声に関しては収音されるが、横方向の音が収音されないという事象が起きる可能性がある。これでは、本来の音声会議装置の役割を果たさない。

そこで、適応器を有する各マイクロホン対の出力信号を移相器に入力する。この移相器は、各入力信号の位相を全周波数帯域で一様にシフトする装置であり、そのシフト量はマイクロホン対の数Ｎにより定められる。

また、このように移相器を後段に配置することで、移相器を従来法と比較して半分に減らすことが可能になり、演算量の低減も見込むことができる。この移相器の出力信号を加算器（図１の70）で加算することで、音声の収音の関する性能、とくに指向特性の劣化を抑制し、音響エコーの低減を実現することができる。

ところで、適応器はマイクロホンの数が奇数の場合は導入が困難である。これは、移相器を通過した信号を全て加算した場合に、音響エコーが消えるよう構成されているためで、このような構成の場合、１つの出力信号を最小化するために複数のフィルタを更新しなければならず、そのアルゴリズムを考える必要がある。しかし、これはあまり現実的でない。

そこで、本発明ではマイクロホンの数を２Ｎ(Ｎは１以上の整数)とし、Ｎ個のマイクロホン対を構成する。そのマイクロホン対それぞれにおいて、適応器を導入し、予めそれぞれのマイクロホン対にて音響エコーを最小化する。これにより、たとえスピーカとマイクロホン間の経路が完全に一致しないような場合でも音響エコーを消すことができ、製品化時のようにばらつきが生じるような場合でも、音響エコー低減に関して良い性能を得ることができる。

以下、発明の実施例について図面を参照して詳細に説明する。図１に本発明の拡声通話装置の一実施例を示す。この拡声通話装置は、再生・収音一体型装置10と、２つの判別器21，22と、２つの遅延器31，32と、２つの適応器41，42と、３つの加算器51，52，70と、移相器60とで構成されている。

再生・収音一体型装置10は、遠隔地から通信回線を介して伝送されてきた音声信号などを再生するスピーカ11を中心に、スピーカ11から等距離に４個のマイクロホン12〜15が４隅に配備された装置である。再生・収音一体型装置10では、マイクロホン12〜15で収録された信号を通信回線経由で遠隔地などへ送信するが、その際、スピーカ11から再生された音がマイクロホン12〜15に回り込んで生じる音響エコー信号が問題となる。

スピーカ11から大きなレベルで音声が再生されている場合は、音響エコーが発生していると考えることができる。また、スピーカ11から音声が再生されていない場合は、音響エコーは発生していないと考えられる。

しかし、マイクロホン12〜15における収音信号のレベルがスピーカ11からの再生信号のレベルより大きい場合は、スピーカ11からの回り込みに加え、装置周辺にいる話者が発話し、その音声も同時に収録されていると考えられる。

そこで、判別器21は、スピーカ11からの再生信号のレベルとマイクロホン12，15における収音信号のレベルを比較する。その結果、前者が大きい場合に音響エコー信号が発生している（「音響エコー発生区間」という）と判定して、適応器41を機能させる。同様に、判別器22は、スピーカ11からの再生信号のレベルとマイクロホン13，14における収音信号のレベルを比較する。その結果、前者が大きい場合に音響エコー発生区間と判定して、適応器42を機能させる。

遅延器31は、マイクロホン12からの入力信号を遅延させ、その出力が適応器41の出力と加算器51で加算されるが、適応器41の動作を有効化するために任意の遅延量を加えるものである。同様に、遅延器32は、マイクロホン14からの入力信号を遅延させ、その出力が適応器42の出力と加算器52で加算されるが、適応器42の動作を有効化するために任意の遅延量を加えるものである。これらの遅延量は小さい値（約2msec程度）で差し支えない。

適応器41は、マイクロホン15からの入力信号が遅延器31からの出力と加算器51において打ち消され、加算器51の出力であるＡ点において最小になるように動作する。遅延器31は、上述のように、マイクロホン12からの入力信号を遅延させるから、結局、適応器41はＡ点における音響エコー信号を最小化する。このために、適応器41は遅延器31の出力を教材と学習していく。

同様に、適応器42は、マイクロホン13からの入力信号が遅延器32からの出力と加算器52において打ち消され、加算器52の出力であるＢ点において最小になるように動作する。遅延器32は、上述のように、マイクロホン14からの入力信号を遅延させるから、結局、適応器42はＢ点における音響エコー信号を最小化する。このために、適応器42は遅延器32の出力を教材として学習していく。

図２は適応器41の詳細を示す。適応器42も同構成である。この適応器41は、適応フィルタ部41-1と更新部41-2とで構成されている。適応フィルタ部41-1は、マイクロホン15からの入力信号を通過させ、通過途中の複数タップにおける信号にタップ毎のフィルタ係数を乗算し、それらの乗算結果を加算して加算器51へ出力する。

更新部41-2は、判別器21から音響エコー発生区間の情報が伝えられると、適応フィルタ部41-1のフィルタ係数を適応的に更新する。この更新は、加算器51の出力であるＡ点の信号ｅを入力として、一般的な適応アルゴリズムのLMSアルゴリズムや学習同定法を利用して行う。適応フィルタの更新についての詳細は、例えば、大賀寿郎，山崎芳男，金田 豊，“音響システムとディジタル処理”（136-142頁、電子情報通信学会，コロナ社）を参照されたい。

いま、適応フィルタ部41-1への入力信号をx、適応フィルタ部のフィルタ係数をｈとすると、図２中の更新部41-2におけるLMSアルゴリズムによる更新式は次のようになる。
h_(t) [k] = h_(t-1) [k] + 2μ(e[t]・x[t-k])
ここで、ｔは現在の時刻を表現しており、ｋはフィルタ係数のタップを表わしている。また、μは更新係数であり、0.0000001などが用いられる。

この更新式によりフィルタ係数が更新されると、信号ｅが最小となる。ただし、信号ｅの値によっては更新係数μを充分小さくしないと、フィルタ更新が乱れ、発散することがある。

この適応フィルタ更新は前述の音響エコー発生判別部により得られる、音響エコー発生区間のみ動作するため、ここでの信号ｅとは、発生する音響エコー信号が移相器60へ出力される量そのものである。この信号ｅが最小化されるということは、音響エコー信号が最小化されることと等価となる。

以上のようにして適応器41，42により音響エコー信号は最小化されるが、加算器70において、Ａ点の出力信号とＢ点の出力信号を単純に加算した場合、本拡声通話装置における総合的な収音特性が劣化する。具体的には、拡声通話装置全体の収録信号に指向特性が生じてしまい、会議装置のように全方向からの音声を収音したい場合にはそれが新たな問題となってしまう。

そこで、本実施例では適応器41を利用したマイクロホン12，15対に対応するＡ点の出力信号と、適応器42を利用したマイクロホン13，14対に対応するＢ点の出力信号を移相器60に入力する。本実施例では移相器60へ２個の入力となるが、この２個の信号に対し、180/2度だけ位相量をシフトする。

そして、移相器60を経由した２つの信号を加算器70で加算することで、極端な指向特性を作ることなく音声の収音を実現する。加算器70の出力ｙは遠隔地への通信信号であって、音響エコー成分が無く、良い収音特性による収音音声となり、臨場感のある音声会議が実現できる。

以上、本発明の一実施例について説明してきたが、本発明は、この実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において変更可能である。

本発明の拡声通話装置の一実施例を示すブロック図 図１における適応器の詳細を示すブロック図 第１の従来例を示すブロック図 第２の従来例を示すブロック図

符号の説明

10 再生・収音一体型装置
11 スピーカ
12〜15 マイクロホン
21，22 判別器
31，32 遅延器
41，42 適応器
51，52，70 加算器
60 移相器
41-1 適応フィルタ部
41-2 更新部

Claims (3)

1. 遠隔地等より送られてきた信号を再生するスピーカと、
   該スピーカの中心を対称中心とし、該対称中心から等距離に配備されて収音・再生一体型装置を構成する２Ｎ個のマイクロホンと、
   該マイクロホンそれぞれの収録信号をＮ個の対とし、前記スピーカから再生された音響エコーが発生すると該マイクロホン対にて該音響エコーを最小化するにように動作する適応手段と、
   該適応手段から出力されるＮ個のマイクロホン対の出力信号の位相を１８０／Ｎ度ずつ変化させる移相手段と、
   該移相手段の出力信号を加算する加算手段を具備したことを特徴とする拡声通話装置。
2. 前記適応手段は、
   前記マイクロホン対の一方のマイクロホンの出力信号を遅延させる遅延器と、
   前記スピーカから再生される信号レベルが所定値より大きいとき前記音響エコーが発生していると決定する判別器と、
   前記マイクロホン対の他方のマイクロホンの出力信号を入力し、前記音響エコーが発生している場合に、出力が前記遅延器の出力から減算され差分が最小になるように、前記遅延器の出力を教材として学習動作する適応器と、
   前記減算を行う加算器で構成されることを特徴とする請求項１記載の拡声通話装置。
3. 前記適応器は、
   前記マイクロホンからの入力信号を通過させ、通過途中の複数タップにおける信号にタップ毎のフィルタ係数を乗算し、それらの乗算結果を加算出力する適応フィルタ部と、
   前記判別器から音響エコー発生の情報が伝えられると、前記適応フィルタ部のフィルタ係数を適応的に更新する更新部とで構成されることを特徴とする請求項２記載の拡声通話装置。

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