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  • 特開-ノイズ抑圧回路 図1
  • 特開-ノイズ抑圧回路 図2
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022011892
(43)【公開日】2022-01-17
(54)【発明の名称】ノイズ抑圧回路
(51)【国際特許分類】
   G10L 21/0208 20130101AFI20220107BHJP
   G10L 21/0232 20130101ALI20220107BHJP
【FI】
G10L21/0208 100Z
G10L21/0232
【審査請求】未請求
【請求項の数】2
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2020113300
(22)【出願日】2020-06-30
(71)【出願人】
【識別番号】000004330
【氏名又は名称】日本無線株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100126561
【弁理士】
【氏名又は名称】原嶋 成時郎
(74)【代理人】
【識別番号】100141678
【弁理士】
【氏名又は名称】佐藤 和彦
(72)【発明者】
【氏名】今里 康二郎
(57)【要約】      (修正有)
【課題】残留ノイズの耳につく高周波成分を適切に抑圧して残留ノイズの耳障りの程度を低減するノイズリダクション回路に用いられるノイズ抑圧回路を提供する。
【解決手段】ノイズ抑圧回路7は、雑音成分を抑圧するための抑圧係数Gi(f)を算出する抑圧係数算出部71と、高周波閾値周波数f1から振幅スペクトルの周波数fのうちの最大の周波数f2までの範囲についての抑圧係数Gi(f)の平均値である平均抑圧係数GMを算出する平均抑圧係数算出部72と、高周波閾値周波数f1未満の周波数帯域について、抑圧係数Gi(f)と振幅スペクトルに該当する信号とを乗じて減算処理後の振幅スペクトルSi(f)を算出する第1の抑圧部73と、高周波閾値周波数f1以上の周波数帯域について、平均抑圧係数GMと振幅スペクトルに該当する信号とを乗じて減算処理後の振幅スペクトルSi(f)を算出する第2の抑圧部74とを有する。
【選択図】図2
【特許請求の範囲】
【請求項1】
処理対象の信号の周波数スペクトルのうちの振幅成分を含む振幅スペクトルに該当する信号に含まれる雑音成分を抑圧するための、前記振幅スペクトルの周波数ごとの抑圧係数を算出する抑圧係数算出部と、
前記振幅スペクトルの前記周波数の帯域を高周波帯域とその他の周波帯域とに区分する周波数である高周波閾値周波数から前記振幅スペクトルの前記周波数のうちの最大の周波数までの範囲についての、前記振幅スペクトルの前記周波数ごとの前記抑圧係数の平均値である平均抑圧係数を算出する平均抑圧係数算出部と、
前記高周波閾値周波数未満の周波数帯域について、前記抑圧係数と前記振幅スペクトルに該当する信号とを乗じて、前記振幅スペクトルの前記周波数ごとに減算処理後の振幅スペクトルを算出する第1の抑圧部と、
前記高周波閾値周波数以上の周波数帯域について、前記平均抑圧係数と前記振幅スペクトルに該当する信号とを乗じて、前記振幅スペクトルの前記周波数ごとに減算処理後の振幅スペクトルを算出する第2の抑圧部と、を有する、
ことを特徴とするノイズ抑圧回路。
【請求項2】
前記高周波閾値周波数が、1.2~1.8kHzの範囲のうちのいずれかの値である、
ことを特徴とする請求項1に記載のノイズ抑圧回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、ノイズ抑圧回路に関し、例えば、高周波信号を送受信する無線機に組み込まれるノイズリダクション回路に用いられ得るノイズ抑圧回路に関する。
【背景技術】
【0002】
音声信号に含まれる雑音成分を抑圧する手法としてスペクトル減算法(Spectral Subtraction)が知られている(例えば、特許文献1、非特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開平4-238399号公報
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】P.Scalart and J.Vieira Filho「Speech Enhancement Based on a Priori Signal to Noise Estimation」,IEEE International Conference on.Acoustics,Speech,Signal Processing,Atlanta,GA,USA,vol.2,pp.629-632,1996年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、スペクトル減算法などによって雑音成分を抑圧した後の残留ノイズに高周波成分があり耳障りであると感じ易い、という問題がある。特に無音声区間において、この問題が顕著に現れる。
【0006】
そこでこの発明は、残留ノイズの耳につく高周波成分を適切に抑圧して残留ノイズの耳障りの程度を低減することが可能な、ノイズ抑圧回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、処理対象の信号の周波数スペクトルのうちの振幅成分を含む振幅スペクトルに該当する信号に含まれる雑音成分を抑圧するための、前記振幅スペクトルの周波数ごとの抑圧係数を算出する抑圧係数算出部と、前記振幅スペクトルの前記周波数の帯域を高周波帯域とその他の周波帯域とに区分する周波数である高周波閾値周波数から前記振幅スペクトルの前記周波数のうちの最大の周波数までの範囲についての、前記振幅スペクトルの前記周波数ごとの前記抑圧係数の平均値である平均抑圧係数を算出する平均抑圧係数算出部と、前記高周波閾値周波数未満の周波数帯域について、前記抑圧係数と前記振幅スペクトルに該当する信号とを乗じて、前記振幅スペクトルの前記周波数ごとに減算処理後の振幅スペクトルを算出する第1の抑圧部と、前記高周波閾値周波数以上の周波数帯域について、前記平均抑圧係数と前記振幅スペクトルに該当する信号とを乗じて、前記振幅スペクトルの前記周波数ごとに減算処理後の振幅スペクトルを算出する第2の抑圧部と、を有する、ことを特徴とするノイズ抑圧回路である。
【0008】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のノイズ抑圧回路において、前記高周波閾値周波数が、1.2~1.8kHzの範囲のうちのいずれかの値である、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
請求項1に記載の発明によれば、残留ノイズの耳につく高周波成分を適切に抑圧することができ、残留ノイズの耳障りの程度を低減させることが可能となる。
【0010】
請求項2に記載の発明によれば、振幅スペクトルの周波数帯域を高周波帯域とその他周波帯域とに区分する周波数を適切に設定することができ、残留ノイズの耳につく高周波成分の抑圧を一層適切に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
図1】この発明の実施の形態に係るノイズ抑圧回路を含むノイズリダクション回路の概略構成を示す機能ブロック図である。
図2】実施の形態に係るノイズ抑圧回路の概略構成を示す機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【0013】
図1は、この発明の実施の形態に係るノイズ抑圧回路7を含むノイズリダクション回路1の概略構成を示す機能ブロック図である。図2は、実施の形態に係るノイズ抑圧回路7の概略構成を示す機能ブロック図である。
【0014】
ノイズリダクション回路1は、例えば、高周波信号を送受信する無線機に組み込まれて、音声信号に含まれる雑音成分を抑圧する手法であるスペクトル減算法(Spectral Subtraction)を実現する回路であり、主として、プリエンファシス回路2と、窓処理部3と、時間周波数変換部4と、変換結果出力部5と、音声区間検出・ノイズ更新部6と、ノイズ抑圧回路7と、合成部8と、周波数時間変換部9と、ディエンファシス回路10と、を有する。
【0015】
プリエンファシス(Pre-Emphasis:PE)回路2は、アンテナから受信した高周波信号を復調した音声信号に対して高周波成分の相対強度を予め増幅する高域強調処理を施して、高域強調処理後の信号を出力する。
【0016】
窓処理部3は、プリエンファシス回路2から出力される高域強調処理後の信号の入力を受け、入力された前記信号から所定の時間長さのフレームを抽出する(例えば、12.5msごとに25ms分の時間波形を抽出する)とともに、各フレームに対して例えばハニング窓などの窓関数を乗じて窓処理を施す。窓処理部3は、各フレームに対して窓処理を施すたびに、窓処理後のフレームを出力する。
【0017】
時間周波数変換部4は、窓処理部3から出力される窓処理後のフレームの入力を受け、前記フレームの入力を受けるたびに、前記フレームに対して時間領域の信号から周波数領域の信号への変換処理を施し、複数の周波数それぞれについての振幅成分と位相成分とを含む周波数スペクトルを計算して、実数と虚数との周波数スペクトルの信号を出力する。時間周波数変換部4は、例えば離散フーリエ変換(Discrete Fourier Transform)や高速フーリエ変換(Fast Fourier Transform)により、時間周波数変換を実行して周波数スペクトルを計算する。
【0018】
変換結果出力部5は、時間周波数変換部4から出力されるフレームごとの(例えば、12.5ms程度の間隔で)周波数スペクトルの信号の入力を受け、フレームごとに、入力された前記周波数スペクトルのうちの各周波数の振幅成分を含む振幅スペクトルに該当する信号をノイズ抑圧回路7に対して出力するとともに、入力された前記周波数スペクトルのうちの各周波数の位相成分を含む位相スペクトルに該当する信号を合成部8に対して出力する。
【0019】
音声区間検出・ノイズ更新部6は、変換結果出力部5から出力されて分岐されるフレームごとの振幅スペクトルに該当する信号の入力を受け、入力された前記振幅スペクトルに該当する信号を用いて、周波数ごとの雑音成分を表すノイズスペクトルを更新する。
【0020】
音声区間検出・ノイズ更新部6は、まず、入力された前記振幅スペクトルに該当する信号について、フレームごとに、ノイズ成分のみのフレームであるのか、音声成分を含むフレームであるのか、の判定を行う。
【0021】
音声区間検出・ノイズ更新部6における、処理対象のフレームがノイズ成分のみであるのか音声成分を含むのかの判定の仕法は、特定の手順や手法に限定されるものではなく、従来もしくは新規の手順や手法の中から適当な手順や手法が適宜選択され得る。
【0022】
音声区間検出・ノイズ更新部6における、処理対象のフレームがノイズ成分のみであるのか音声成分を含むのかの判定の仕法として、例えば、音声の非恒常性に着目して、振幅スペクトルの周波数別の振幅の大きさに関する平均や分散の値が直近のフレームにおいて複数回(例えば、3~5回程度)連続して所定の閾値未満であるときは処理対象のフレームはノイズ成分のみであると判定し、前記以外のときは処理対象のフレームには音声成分があると判定する手法や、あるいは、振幅スペクトルの周波数別の振幅の大きさに関する平均や分散の値が所定の閾値未満であるときは処理対象のフレームはノイズ成分のみであると判定し、前記平均や分散の値が前記閾値以上であるときは処理対象のフレームには音声成分があると判定する手法などが用いられ得る。
【0023】
音声区間検出・ノイズ更新部6は、続いて、過去に計算された周波数ごとの雑音成分を表すノイズスペクトルに、現フレーム(別言すると、処理対象のフレーム、最新のフレーム)の振幅スペクトル、すなわち、入力された前記振幅スペクトルに該当する信号を加味することにより、最新のノイズスペクトルへの更新を行う。
【0024】
音声区間検出・ノイズ更新部6における、周波数ごとの雑音成分を表すノイズスペクトルの更新の仕法は、特定の手順や手法に限定されるものではなく、従来もしくは新規の手順や手法の中から適当な手順や手法が適宜選択され得る。
【0025】
音声区間検出・ノイズ更新部6における、周波数ごとの雑音成分を表すノイズスペクトルの更新の仕法として、例えば、入力された前記振幅スペクトルに該当する信号を用いて、更新後のノイズスペクトルNi(f)を、処理対象のフレームがノイズ成分のみであるのか音声成分を含むのかに応じて下記の数式1または数式2に従って算出する手法が用いられ得る。なお、以降の数式における添字iは、時系列の順序を表す順序数であり、すべての数式に共通して適用される順序を表す。また、以降の数式におけるfは、入力された前記振幅スペクトルにおける周波数を表す。
【0026】
具体的には、処理対象のフレームがノイズ成分のみである場合には、入力された前記振幅スペクトルに該当する信号を入力信号スペクトルYi(f)として、IIR(Infinite Impulse Response の略;無限インパルス応答)フィルタである以下の数式1に従って周波数fごとに更新後のノイズスペクトルNi(f)を算出する。数式1や数式2におけるNi-1(f)は、更新の1フレーム前のノイズスペクトルを表す。
【数1】
【0027】
数式1におけるKは、処理対象のフレーム(別言すると、現フレーム、最新のフレーム)がノイズ成分のみのフレームである場合の、前記処理対象のフレームの振幅スペクトルである入力信号スペクトルYi(f)に対する更新の1フレーム前のノイズスペクトルNi-1(f)の重みづけを決定づける定数である。定数Kは、0以上の整数であれば特定の値に限定されるものではなく、具体的には例えば、IIRフィルタの時定数の0.06~0.20秒程度に相当する範囲(例えば、フレーム間隔12.5msにおいてK=5~16程度の範囲)のうちのいずれかの値に設定されることが考えられ、特にIIRフィルタの時定数の0.1秒程度に相当する値(例えば、フレーム間隔12.5msにおいてK=8程度)に設定されることが考えられる。
【0028】
また、処理対象のフレームが音声成分を含む場合には、以下の数式2に従って周波数fごとに更新後のノイズスペクトルNi(f)を決定する。
【数2】
【0029】
音声区間検出・ノイズ更新部6は、各フレームについて、更新後の、周波数fごとのノイズスペクトルNi(f)に該当する信号をノイズ抑圧回路7に対して出力する。
【0030】
ノイズ抑圧回路7は、変換結果出力部5から出力されるフレームごとの振幅スペクトルに該当する信号の入力を受けるとともに、音声区間検出・ノイズ更新部6から出力されるフレームごとの更新後のノイズスペクトルに該当する信号の入力を受け、各フレームについて、入力された前記振幅スペクトルに該当する信号から、周波数ごとに(別言すると、スペクトルごとに)、入力された前記更新後のノイズスペクトルに該当する信号を減算する。
【0031】
合成部8は、変換結果出力部5から出力されるフレームごとの位相スペクトルに該当する信号の入力を受けるとともに、ノイズ抑圧回路7から出力されるフレームごとの減算処理後の振幅スペクトルに該当する信号の入力を受け、フレームごとに、入力された前記位相スペクトルに該当する信号と前記振幅スペクトルに該当する信号とを合成して周波数スペクトルを生成して、実数と虚数との周波数スペクトルの信号を出力する。
【0032】
周波数時間変換部9は、合成部8から出力されるフレームごとの周波数スペクトルの信号の入力を受け、フレームごとに、入力された前記周波数スペクトルの信号に対して周波数領域の信号から時間領域の信号への変換処理、すなわち時間周波数変換部4における変換処理の逆変換処理を施して、音声信号を出力する。周波数時間変換部9は、例えば逆離散フーリエ変換や逆高速フーリエ変換により、周波数時間変換を実行して音声信号を生成する。
【0033】
ディエンファシス(De-Emphasis:DE)回路10は、周波数時間変換部9から出力される音声信号の入力を受け、入力された前記音声信号に対して高周波成分の相対強度を減衰させる高域減衰処理、すなわちプリエンファシス回路2の逆フィルタによる減衰処理を施して、高域減衰処理後の音声信号を出力する。
【0034】
そして、実施の形態に係るノイズ抑圧回路7は、処理対象の信号の周波数スペクトルのうちの振幅成分を含む振幅スペクトルに該当する信号に含まれる雑音成分を抑圧するための、振幅スペクトルの周波数fごとの抑圧係数Gi(f)を算出する抑圧係数算出部71と、振幅スペクトルの周波数fの帯域を高周波帯域とその他の周波帯域とに区分する周波数である高周波閾値周波数f1から振幅スペクトルの周波数fのうちの最大の周波数f2までの範囲についての、振幅スペクトルの周波数fごとの抑圧係数Gi(f)の平均値である平均抑圧係数GMを算出する平均抑圧係数算出部72と、高周波閾値周波数f1未満の周波数帯域について、抑圧係数Gi(f)と振幅スペクトルに該当する信号とを乗じて、振幅スペクトルの周波数fごとに減算処理後の振幅スペクトルSi(f)を算出する第1の抑圧部73と、高周波閾値周波数f1以上の周波数帯域について、平均抑圧係数GMと振幅スペクトルに該当する信号とを乗じて、振幅スペクトルの周波数fごとに減算処理後の振幅スペクトルSi(f)を算出する第2の抑圧部74と、を有する、ようにしている。
【0035】
ノイズ抑圧回路7は、変換結果出力部5から出力されるフレームごとの振幅スペクトルに該当する信号から、音声区間検出・ノイズ更新部6から出力されるフレームごとの更新後のノイズスペクトルに該当する信号を減算するものであり、抑圧係数算出部71と、平均抑圧係数算出部72と、第1の抑圧部73と、第2の抑圧部74と、を有する。
【0036】
抑圧係数算出部71における処理の一例として、以下の数式3を使用することにより、周波数fごとに抑圧係数Gi(f)を算出することができる。
【数3】
【0037】
数式3におけるXi(f)は、事前SNR(Signal to Noise Ratio)であり、以下の数式4に従って算出される。
【数4】
【0038】
数式4における変数はそれぞれ以下のとおりである。
Gi-1(f):時系列において現在の(別言すると、最新の)抑圧係数Gi(f)の更新の1フレーム前の抑圧係数である。なお、抑圧係数Gi(f)の初期値は例えば1に設定される。
Γi(f):事後SNRであり、以下の数式5に従って算出される。
Γi-1(f):時系列において現在の(別言すると、最新の)事後SNRΓi(f)の更新の1フレーム前の事後SNRである。
α:忘却係数とも呼ばれ、0≦α<1であり、例えば0.999程度の値に設定される。
max[ ]:[ ]内の複数の数値のうちの最大値を選択する演算子である。
【0039】
【数5】
【0040】
数式5における変数はそれぞれ以下のとおりである。
Yi(f):入力信号スペクトルとしての、変換結果出力部5から出力されるフレームごとの振幅スペクトルに該当する信号である。
λDi(f):音声区間検出・ノイズ更新部6からフレームごとに出力される更新後のノイズスペクトルNi(f)の周波数ごとの分散(即ち、周波数方向の分散ではなく、時間方向/フレーム方向の分散)である。
【0041】
抑圧係数算出部71は、フレームごとの振幅スペクトルに該当する信号の入力を受けるたびに、抑圧係数Gi(f)を算出する。
【0042】
平均抑圧係数算出部72は、抑圧係数算出部71によって算出される抑圧係数Gi(f)を用いて、以下の数式6に従って平均抑圧係数GMを算出する。平均抑圧係数GMは、すなわち、周波数f1からf2までの範囲についての、抑圧係数Gi(f)の周波数軸方向における平均値である。
【数6】
【0043】
数式6における、f1は高周波閾値周波数であり、f2は振幅スペクトルにおける最大の周波数であり(即ち、f1<f2である)、f1やf2は、具体的には、時間周波数変換部4での時間周波数変換における周波数(周波数ビン)の値である。また、Fnは、高周波閾値周波数f1から最大の周波数f2までの範囲における周波数(周波数ビン)の個数を表す。周波数の個数Fnは、すなわち、時間周波数変換部4での時間周波数変換における、周波数f1から周波数f2までの範囲における周波数(周波数ビン)の個数である。
【0044】
高周波閾値周波数f1は、残留ノイズとして耳障りな雑音となる高周波成分とその他の成分とを区分する(言い換えると、振幅スペクトルの周波数の帯域を高周波帯域とその他周波帯域とに区分する)ための周波数値であり、特定の値に限定されるものではなく、特に耳障りな雑音となる高周波成分とその他の成分とを適切に区分する値(もしくは、区分すると考えられる値)に適宜設定される。高周波閾値周波数f1は、例えば、1.2~1.8kHz程度の範囲のうちのいずれかの値に設定されることが考えられ、特に1.5kHz程度に設定されることが考えられる。
【0045】
平均抑圧係数算出部72は、フレームごとの振幅スペクトルに該当する信号の入力を受けるたびに、抑圧係数算出部71によって算出される抑圧係数Gi(f)を用いて、平均抑圧係数GMを算出する。
【0046】
そのうえで、ノイズ抑圧回路7へと入力された振幅スペクトルに該当する信号を入力信号スペクトルYi(f)として、周波数fごとに、前記周波数fの値に応じて下記の〈ア〉または〈イ〉の処理が行われる。
【0047】
〈ア〉高周波閾値周波数未満の周波数帯域について(即ち、f<f1)
第1の抑圧部73が、以下の数式7に従って、すなわち、抑圧係数Gi(f)と入力信号スペクトルYi(f)とを乗じることにより、減算処理後の振幅スペクトルSi(f)を算出する。
【数7】
【0048】
〈イ〉高周波閾値周波数以上の周波数帯域について(即ち、f≧f1)
第2の抑圧部74が、以下の数式8に従って、すなわち、平均抑圧係数GMと入力信号スペクトルYi(f)とを乗じることにより、減算処理後の振幅スペクトルSi(f)を算出する。
【数8】
【0049】
すなわち、振幅スペクトルのうちの高周波成分に対しては、抑圧係数Gi(f)の代わりに、抑圧係数Gi(f)の周波数軸方向における平均値である平均抑圧係数GMが用いられることにより、残留ノイズの耳につく高周波成分が適切に抑圧され、残留ノイズの耳障りの程度が低減する。
【0050】
ノイズ抑圧回路7は、フレームごとの振幅スペクトルに該当する信号の入力を受けるたびに、減算処理後の、周波数fごとの振幅スペクトルSi(f)に該当する信号を出力する。
【0051】
上記のようなノイズ抑圧回路7によれば、残留ノイズの耳につく高周波成分を適切に抑圧することができ、残留ノイズの耳障りの程度を低減させることが可能となる。
【0052】
以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では図1に概略構成を示すノイズリダクション回路1に対してこの発明に係るノイズ抑圧回路7が適用される場合を例に挙げて説明しているが、この発明が適用され得るノイズリダクション回路の構成は図1に示す例には限定されない。さらに言えば、この発明が適用され得る回路は、ノイズリダクション回路には限定されない。すなわち、この発明は、雑音成分を抑圧することが必要とされる種々の回路に対して適用され得る。
【0053】
また、この発明の要点は入力信号スペクトルとしての振幅スペクトルに該当する信号に含まれる雑音成分を抑圧する際に高周波閾値周波数未満の周波数帯域については抑圧係数と入力信号スペクトルとを乗じる一方で高周波閾値周波数以上の周波数帯域については前記抑圧係数の周波数軸方向における平均値と入力信号スペクトルとを乗じるようにする点であり、抑圧係数の算出の仕法は、上記の実施の形態における手順・手法に限定されるものではなく、周波数fごとの抑圧係数が算出される手順や手法であればどのようなものであってもよい。
【符号の説明】
【0054】
1 ノイズリダクション回路
2 プリエンファシス回路
3 窓処理部
4 時間周波数変換部
5 変換結果出力部
6 音声区間検出・ノイズ更新部
7 ノイズ抑圧回路
71 抑圧係数算出部
72 平均抑圧係数算出部
73 第1の抑圧部
74 第2の抑圧部
8 合成部
9 周波数時間変換部
10 ディエンファシス回路
図1
図2