JP3246824B2 - 音声通信端末器用周囲雑音抑制回路 - Google Patents

音声通信端末器用周囲雑音抑制回路

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は電話機等の、特に、ハン
ズフリータイプと呼ばれ手を使用しないで通話を行い、
かつ、送話器が口元から離れているタイプの電話機等の
音声通信端末器において、周囲雑音が強調されるのを抑
制するための音声通信端末器用周囲雑音抑制回路に関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来のハンドセット型の電話機は、使用
時に送話器が口元からの平均距離が約2cmであって、4
〜5cm以上離れての使用はまれであり、高雑音下での使
用時には口元に近づけ信号レベルが大きくなるように調
整して使用するので、周囲雑音が高くても通話に際して
それ程気になることはなかった。
【0003】最近、無線技術の小型化の進歩に伴い、電
話機もコードレス化、車載型等の発展が著しく、また、
これらの電話機の発展に伴ってオフィスでの仕事中や、
歩行中、車を運転しながらの通話も手を使用しないで行
えるハンズフリー型の送受話器が望まれるようになっ
た。
【0004】このハンズフリー型の送受話器としては、
図8〜図12に示すようなものが市販あるいは出願され
ている。以下、この送受話器について説明するに、Aは
スピーカ、Bはマイクロホンにして、図8〜図10とは
スピーカAからマイクロホンBが延長されており、マイ
クロホンBは比較的口元の近くに位置しているが、それ
でも4〜5cm以上離れている。一方、図11と図12は
1つのケース内にスピーカAとマイクロホンBが収納さ
れて耳に装着するので、マイクロホンBと口元とは距離
が10cm以上離れた位置となる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、前記したハ
ンドフリー型の送受話器、特に、図11、図12のもの
にあっては耳に装着するので、従来のハンドセット型に
比較して、スピーカAとマイクロホンBとが近接してい
ることからハウリングが発生し易く、そのために受話の
音量が十分とれないとか、周囲雑音を良く拾うといった
問題があった。
【0006】すなわち、口から10cm以上離れた耳の
近接で口から発生する音声を採取すると、口の前で音声
を採取するのと比較して、約14dbSPL以上の音の
幻滅がある。従って、口元を離れた音声通信端末器に従
来のハンドセットと同じ感度で耳の近傍から音声を入れ
るには、14dbSPL分だけ音声信号を増幅する必要
があるので、周囲からくる雑音も一緒に増幅され、その
分、周囲雑音を拾い易くなる。
【0007】そして、高速道路での運転中や、電車の中
や駅、店舗の中および工事現場等の使用環境では、周囲
雑音が60dBSPL〜80dBSPLと室内使用時
(周囲雑音は通常60dBSPL以下)よりかなり大き
く、耳の近傍で採取する口からの音(80dBSPL前
後)と前記周囲雑音との音量の差はかなり小さくなる。
このレベルの周囲雑音でも、周囲雑音は音声とは異なる
周波数特性や音量の時間的変動があり、かつ、高騒音下
にいる通話者は自分の話し声を確認するために大きな声
を出すので、受話中は相手の音声をなんとか聞き分ける
ことができるが困難な作業である。
【0008】次に、相手が高周囲騒音下で通話している
状況で相手の会話が途絶えた場合には、周囲雑音だけが
耳に聞こえ不快であると同時に自分の発声を相手の周囲
騒音と一緒に聴くので、自分の話し声の確認が難しかっ
たり、会話にかなりの支障をきたすといった問題があ
り、さらに、通話者が反響しやすい音響環境で通話する
と、エコーが相手側に聞こえて明瞭度のある通話が困難
となる問題もあった。
【0009】本発明は前記した問題点を解決せんとする
もので、その目的とするところは、周囲雑音の大きな使
用環境下で、かつ、マイクロホンが口元から相当離れて
いても良好な通話を実現した音声通信端末器用周囲騒音
抑制回路を提供せんとするにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明の音声通信端末器
用周囲雑音抑制回路は前記した目的を達成せんとするも
ので、その手段は、送話器からの交流出力を入力とする
利得制御器と、前記送話器からの交流出力の特定周波数
帯域の周波数のみを通過させる帯域増幅器と、該帯域増
幅器を通過した交流出力のピーク値に対応した出力を取
り出すピーク検出器および該ピーク検出器の出力レベル
の減衰を所定の保持時間抑制するホールド回路とからな
るピークホールド回路とを具備し、該ピークホールド回
路の出力信号レベルにより前記利得制御器の利得を制御
するようにしたことを特徴とするものである。
【0011】また、前記帯域増幅器の通過中心周波数に
対する振幅減衰が3dB以内の通過周波数帯域が0.2
〜2KHz、または、0.2〜1KHzとすることが望
ましく、また、前記ピーク検出器を正負両方向検出型と
し、さらに、前記ピークホールド回路における保持時間
をピーク値からの減衰率が30%以内に留まる時間と定
義したときに、該保持時間を前記ピーク検出器が片方向
型の時は5〜65msecで、両方向型の時は2.5〜
32.5msecとすることが望ましく、また、前記帯
域増幅器が、周囲雑音レベルが大きい時は利得が小とな
り、周囲雑音レベルが小さい時は利得が大きくなるよう
な利得切換手段を備えることが望ましいものである。
【0012】
【作用】前記した如く構成した本発明の音声通信端末器
用周囲雑音抑制回路は、送話器の交流出力から特定周波
数帯域の出力のみを帯域増幅器で増幅し、この増幅した
交流出力のピーク値をピーク検出器で検出した後、ホー
ルド回路において出力レベルの減衰を所定の保持時間抑
制し、この制御出力レベルによって利得制御器を制御す
るようにしたものである。
【0013】
【実施例】電話機や無線通話機等の音声通信端末器で双
方向通話をしている際に、相手の周囲雑音は相手が発声
送話している時は、相手の発声が周囲雑音を打ち消し、
かつ、相手の声に注意がいくので殆ど気にならないが、
相手の発声が中断され、受信内容が相手の周囲雑音だけ
になると気になるものである。
【0014】また、双方向通話では、相手の話が中断し
た時、自分が話すことになるが、その際、相手の周囲雑
音が大きく聞こえると不快であると同時に自分の発声が
聞きにくくなり会話にかなりの支障をきたすものであ
る。
【0015】そして、電話機における双方向通話では、
交互に発声して会話を行い(同時に発声することは殆ど
ない)、会話の引継ぎに双方共発声しない時間帯が存在
するので、受信内容が相手の周囲雑音だけである時間
の、全通話時間に占める割合は通常1/2以上で約2/
3程度となり、発声時間より長くなってしまう。従っ
て、この周囲雑音だけが送信される時間帯を選択的に取
り出して送話利得を抑制できれば、実用上送話SN比を
大きく改善することができる。
【0016】そして、前記改善を図るための重要課題と
しては、以下の5項が挙げられる。 (1)発声区間と無発声区間の識別検出が容易、かつ、
忠実であること。 (2)発声区間と無発声区間(周囲雑音のみの区間)の
送話利得の比が大きいこと。 (3)発声区間と無発声区間との送話利得の可変が違和
感なく行われること。 (4)発声開始から終了まで送話の明瞭性が保たれるこ
と。 (5)屋外での使用を考え周囲雑音の小さい所から大き
い所まで使用可能であること(ダイナミックレンジが広
いこと)。 以上の課題を全て満足させるために、本発明では図1に
示す回路を提案する。
【0017】図1において、1は送話者の音声を交流信
号として出力するマイクロホンである送話器、2は0.2
〜1KHzあるいは0.2 〜2KHzの音を通過させる帯域増
幅器、3は該帯域増幅器2を通過した音のピーク値を検
出するピーク検出器32と、該ピーク検出器32で検出
したピーク値をホールドするホールド回路33とからな
るピークホールド回路、4は該ピークホールド回路3か
らの出力によって送話器1よりの利得を制御する利得制
御器である。
【0018】前記重要課題(1)の発声区間と無発声区
間の識別検出器として、会話の特徴的周波数領域を抽出
する図2に示すような特性の帯域増幅器2を使用する。
この帯域増幅器2の通過帯域として0.2 〜1KHzあるい
は0.2 〜2KHzのものを使用する。その理由として、人
間の会話の大半は言語音声であり、言語音声の大半の時
間とエネルギーは母音が占める。母音(日本語)は図3
に示す如く第1、第2、第3フォルマントと呼ばれる特
有の周波数スペクトラムの合成音で、中でも第1、第2
フォルマントで大半のエネルギーを占有している。
【0019】そして、第1フォルマントは略0.2 〜1K
Hzに分布し、第2フォルマントは略0.75〜2KHzに分布
している。従って、帯域増幅器2の通過帯域を0.2 〜2
KHzに設定すると、母音の第1、第2フォルマントを選
択的に抽出でき、通過帯域を0.2 〜1KHzに設定すると
最もエネルギーの大きい第1フォルマントを選択的に抽
出できる。
【0020】周囲雑音は、車や電車の回転音のような低
域周波数成分(50〜150Hz)や、摩擦音のような高
域成分(2KHz以上)が多く含まれており、帯域増幅器
の通過帯域を0.2 〜2KHzもしくは0.2 〜1KHzに設定
することは、会話の発声音声を識別抽出するのに非常に
有効である。
【0021】次に、前記重要課題(2)の発声区間と無
発声区間の違和感のない送話利得の可変手段として、帯
域増幅器2の出力のピークホールド値の大きさに応じた
利得制御を行う利得制御器を用いることで、連続、か
つ、滑らかな制御が実現できる。利得制御器4として
は、利得制御信号と送話器1よりの交流出力の乗算結果
が出力されるアナログ乗算回路が適している。例えば、
図4に示すもので、V0=K(X1−X2)(Y1−Y
2)=K・V1・Vcとなる。
【0022】ここで、V1は送話器交流出力、VCは利
得制御信号、V0は制御出力、Kは比例定数、利得G=
K・VCである。VCはピークハールド値の大きさ=振
幅値であるから、振幅値と利得制御器の利得との関係は
図7に示す通り比例関係となる。なお、前記アナログ乗
算器に変えてFET乗算器(FETのチャンネル抵抗の
変化を利用するもの)なども使用できる。
【0023】次に、発声区間の保持時間は言語音声の大
半を占める母音の保持時間を考慮すればよく、母音の第
1フォルマントのスペクトラム下限が約200Hzである
ことを考慮すると、母音の最長周期Tmは約5msecと考
えられるので、ピークホールド回路3は、この5msec周
期波形のピーク値を一定時間保持するよう保持時間Th
を設定すればよい。
【0024】ここで、ピークホールド回路3の具体例を
図5、図6と共に説明する。図5は抵抗R1 とダイオー
ドD1 およびオペアンプOP1 とからなる片方向ピーク
検出回路31と、コンデンサCH と抵抗RH およびオペ
アンプOP2 とからなり、ホールド時定数τ=RH ・C
H を持つホールド回路32とで構成され、帯域増幅器2
よりのEpなる振幅を有する交流信号Viはホールド回
路32の出力VoにおいてEp・exp(−t/τ)な
る出力を送出する(なお、tは時間を示す)。
【0025】本ピークホールド回路の立ち上がり時間
は、オペアンプOP1 の出力抵抗とダイオードD1 の順
方向抵抗との加算値Rg とCH との積で定まるが、一般
的にRg ≪RH であるから、立ち上がり時間はホールド
時間に比してきわめて短時間となる。
【0026】また、図6に示す両方向検出ピーク検出回
路31は、R1 =R2 =R3 =R4=R、R5 =R/2
なる抵抗値を有する抵抗R1 〜R5 とダイオードD1 ,
D2およびオペアンプOP1 とから構成されている。ま
た、図6の両方向検出ピーク回路31を利用したピーク
ホールド回路3では、出力Voは図6の如き出力とな
る。
【0027】ホールド回路31は図5、図6で共通であ
り、ピークホールド値=Ep・exp(−t/τ)なる
関係があるので、この関係を利用してピーク値から30
%減衰するまでの時間T1とピーク値から99%減衰す
るまでの時間T2を求めると次のようになる。 T1=〔−1n((100−30)/100)〕・τ=0.36τ T2=〔−1n((100−99)/100)〕・τ=4.6τ≒13T1
【0028】本発明では、ピークホールド値に比例した
利得が利得制御器より得られるので、T1は利得がピー
ク時の0.7倍(−3dB)に低下する点であり、T2
は利得がピーク時の1/100倍(−40dB)に低下
する点である。30%以下の利得低下は耳で聞いていて
低下を殆ど感じられない範囲であるので、T1はホール
ドタイムの下限と考えられる。
【0029】一方、T2はこの時間まで利得を維持すれ
ば直前のピーク波形の影響が殆どなくなる時点まで維持
したことになるので、ホールドタイムの上限と考えられ
る。よってホールドタイムThは、 T1≦Th≦T2=13T1 と設定することが実用上最適と考えられる。前述したよ
うに言語音声は、略母音の集合体であり、母音は最長周
期Tmが約5msecである周期性波形であることを考
慮すると、Tm=T1とすることがホールド回路の設計
上最も妥当である。
【0030】従って、ホールドタイムTh は両方向ピー
ク検出では周期が1/2になることを考慮すると、片方
向ピーク検出回路では Tm≦Th≦13Tm(5msec
≦Th≦65msec)両方向ピーク検出回路では 1/2
・Tm≦Th≦6.5Tm(2.5 msec≦Th≦32.5
msec)と設定するのが実用上最適である。
【0031】このように、保持時間をセットしたピーク
ホールド回路3の出力で利得制御回路4を制御すると
(図7参照)、会話中の利得が会話者の声の大きさに比
例して略一定となるため、途中で音声が断続することが
ない。また、ピークホールド回路3の立ち上がりは非常
に速いので、会話の最初から高利得動作、すなわち、十
分な音量を送出することができ、従って、前記した重要
課題の(4)を達成できる。
【0032】本実施例のピークホールド回路3の減衰を
実用上、略ホールド範囲から外れたと考えてよい99%
減衰までの時間Tfで調べることにすると、 Tf=13Th となる。前述の関係式よりこの時間Tfは1秒以下とな
り、実用会話上十分短時間の減衰となる。従って、言語
通話が終了するとピークホールド回路3は十分短時間の
内に無発声区間動作のピーク値に追随して減衰するの
で、速やかに周囲雑音を抑制できる。
【0033】そして、ピークホールド回路3における保
持時間を、ピーク値からの減衰率が30%以内に止まる
時間と定義した時に該保持時間を、前記ピーク検出器3
1が片方向検出型の時は5〜65msec、両方向検出型の
時は2.5 〜32.5msecとすることにより、保持時間が短す
ぎることで送話が不自然に途切れるのを防止でき、ま
た、長すぎることによる送話が終了したのに何時までも
送話出力が大きいままで周囲雑音抑制効果が薄れてしま
うのを防止できることとなり、従って、前記した重要課
題の(3)を達成できる。
【0034】すなわち、保持時間を送話エネルギーの最
大構成要素である母音の第1フォルマントの最低周波数
200Hzに対応する時間周期5msecの1〜13倍に設定
すると、送話が滑らかさを損なうことなく送話終了後の
利得を素早く低下させることができて、実用上最適な制
御が行える。なお、両方向検出型では、片方向検出型と
比較して1/2周期でピーク検出がおこなわれるので、
2.5msec の1〜13倍が最適保持時間となるものであ
る。
【0035】さらに、本実施例のピークホールド回路3
のピークホールド値は、所定の保持時間内のピーク値で
あり、これは時間的に平均すると送話器1の交流出力の
実効値VIrmsに略比例した値である。つまり、ピークホ
ールド値=振幅値∝実効値と略考えてよいので、 Vc2=A2 =kVI2rms (1) Vc1=A1 =kVI1rms (2) ここで、VI2rms は発声区間内送話出力の実効値、V
I1rms は無発声区間内送話出力の実効値であり、kは振
幅値と実効値の間の比例定数(サイン波ではk≒1.4
である)。
【0036】利得制御器4の利得は前述したように振幅
値に比例し、V0=K・V1・VCの関係があり、この
関係と前記した(1)、(2)式から、 V02rms/V01rms=KV12rms・kV12rms/KV11r ms ・kV11rms=(V12rms/V11rms)2 (3) となる。平均SN比は実効値のSN比と略等しいと考え
てよいので、前記した式(3)より制御出力V0の(S
/N)0と送話器1の交流出力のS/N比(S/N)1
とは次式で示す関係となる。 (S/N)0=(S/N)1 2
【0037】すなわち、入力SN比が出力側では2乗特
性で改善される。この関係は、入力SN比が3倍であれ
ば出力SN比は9倍に、5倍であれば25倍に改善され
ることを意味している。ただし、(S/N)I <1 と
なった時は、逆にSN比は劣化する。つまり、この回路
の使用条件は、周囲雑音による送話器出力が発声による
送話器出力より小さいことであり、これは通常十分満足
されている(通常周囲雑音が80dBSPLに近い高騒音
下では大きい声を出し、雑音が90dBSPLを越えると
不快で耳に耐えられなくなるので、通話で(S/N)I
<2となることは殆どない。)
【0038】なお、前記したピークホールド回路3にお
けるピーク検出器31としては片方向と両方向のものが
あるが、正負両方向とすることでピーク検出の立ち上が
り応答時間が片方向検出型の平均1/2に縮小され応答
特性が著しく改善される(会話の最初の音声信号は正負
何れにふれるか確率は1/2であるから)と共に、ピー
ク検出器31の出力の周期が片方向型の1/2になるた
め、保持時間を1/2に短縮でき、送話終了後の周囲雑
音抑制までの時間も1/2に短縮できる。
【0039】また、前記した帯域増幅器2に、周囲雑音
レベルが大の時は利得が小となり、周囲雑音レベルが小
の時は利得が大となるような利得切換手段を設けること
により、周囲雑音が大きく送話者が必然的に大きな声と
なっても帯域増幅器2の利得が下げられることで、利得
制御器4や帯域増幅器2の飽和が防がれ周囲雑音抑制効
果が低雑音域から高雑音域までの幅広いレンジで実現で
きて、重要課題(5)が達成できる。
【0040】さらに、本実施例の周囲雑音抑制回路は、
特に、送話器1が口元から離れているものについて特に
有効であるが、通常の電話機に応用しても周囲雑音を抑
制するという点では有効である。一方、片耳装着のハン
ズフリー型の送受話器に、この周囲雑音抑制回路を使用
すると、手で耳を覆ったりした時に起こるハウリングが
送話器の利得増幅が通常低く制御されているので起こり
にくいという効果も得られる。
【0041】
【発明の効果】本発明は前記したように、送話器の交流
出力から特定周波数の出力のみを帯域増幅器で増幅し、
この増幅した交流出力のピーク値をピーク検出器で検出
した後、ホールド回路において出力レベルの減衰を所定
の保持時間抑制し、この制御出力レベルによって利得制
御器を制御するようにしたので、周囲雑音の大きな使用
環境下で、かつ、マイクロホンが口元から相当離れてい
ても良好な通話を実現することができ、また、エコーが
生じるような場所(例えば、反響の大きな室内等)で
も、エコーも周囲雑音の一部として抑制できる。
【0042】また、帯域増幅器の通過中心周波数に対す
る振幅減衰が3dB以内の通過周波数帯域が0.2 〜2KH
z、または、0.2 〜1KHzとすることで、人間の通話音
声エネルギーの大半を占有する母音の第1、第2フォル
マントの周波数を選択的に取り出すことができ、従っ
て、有効に通話音声以外の周囲雑音を抑制することがで
きる。通話者以外の人の声は通常、送話者の音声レベル
より低い(少し離れているから)ことが仮定できるの
で、その信号レベル差により、前記の回路で抑制でき
る。
【0043】さらに、ピーク検出器を正負両方向検出型
とすることにより、ピーク検出器出力の立ち上がり応答
時間を縮小して応答特性を改善でき、送話終了後の周囲
雑音抑制までの時間を片方向検出型に比して1/2に短
縮できる。
【0044】また、保持時間を前記ピーク検出器が片方
向型の時は5〜65msecで、両方向型の時は2.5 〜3.25
msecとすることで、不自然に途切れたり、送話が終了し
たのに何時までも送話出力が大きいままで周囲雑音の抑
制効果が薄れたりすることがない。
【0045】さらに、帯域増幅器に、周囲雑音レベルが
大の時は利得が小となり、周囲雑音レベルが小の時は利
得が大となるような利得切換手段を設けることにより、
周囲雑音が大きく送話者が必然的に大きな声となっても
帯域増幅器2の利得が下げられることで、利得制御器や
帯域増幅器の飽和が防がれ、周囲雑音抑制効果を低雑音
域から高雑音域まで幅広いレンジで実現できるようにな
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示すブロック回路図であ
る。
【図2】帯域増幅器の周波数特性を示す特性図である。
【図3】日本語母音(発声)のフォルマントを示す特性
図である。
【図4】アナログ乗算器による利得制御器である。
【図5】ピークホールド回路の具体例を示す回路図であ
る。
【図6】他の実施例のピークホールド回路の具体例を示
す回路図である。
【図7】送話器出力の振幅値に対する利得制御器の利得
を示す特性図である。
【図8】従来の送受話器を示す斜視図である。
【図9】他の実施例の送受話器を示す斜視図である。
【図10】他の実施例の送受話器を示す斜視図である。
【図11】他の実施例の送受話器を示す斜視図である。
【図12】他の実施例の送受話器を示す斜視図である。
【符号の説明】
1 送話器 2 帯域増幅器 3 ピークホールド回路 31 ピーク検出器 32 ホールド回路 4 利得制御器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−79450(JP,A) 特開 昭63−93249(JP,A) 特開 平4−252253(JP,A) 実開 昭64−44737(JP,U) 特表 平6−510889(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H04M 1/00 H04M 1/24 H04M 1/58 - 1/62 H04M 1/66 - 1/78

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 送話器からの交流出力を入力とする利得
    制御器と、前記送話器からの交流出力の特定周波数帯域
    の周波数のみを通過させる帯域増幅器と、該帯域増幅器
    を通過した交流出力のピーク値に対応した出力を取り出
    すピーク検出器および該ピーク検出器の出力レベルの減
    衰を所定の保持時間抑制するホールド回路とからなるピ
    ークホールド回路とを具備し、該ピークホールド回路の
    出力信号レベルにより前記利得制御器の利得を制御する
    ようにしたことを特徴とする音声通信端末器用周囲雑音
    抑制回路。
  2. 【請求項2】 前記帯域増幅器の通過中心周波数に対す
    る振幅減衰が3dB以内の通過周波数帯域が0.2 〜2KHz
    であることを特徴とする前記請求項1記載の音声通信端
    末器用周囲雑音抑制回路。
  3. 【請求項3】 前記帯域増幅器の通過中心周波数に対す
    る振幅減衰が3dB以内の通過周波数帯域が0.2 〜1KHz
    としたことを特徴とする前記請求項1記載の音声通信端
    末器用周囲雑音抑制回路。
  4. 【請求項4】 前記ピーク検出器を正負両方向検出型と
    したことを特徴とする前記請求項1記載の音声通信端末
    器用周囲雑音抑制回路。
  5. 【請求項5】 前記ピークホールド回路における保持時
    間をピーク値からの減衰率が30%以内に留まる時間と
    定義したときに、該保持時間を前記ピーク検出器が片方
    向型の時は5〜65msecの範囲内で選択し、両方向
    型の時は2.5〜32.5msecの範囲内で選択した
    ことを特徴とする前記請求項1記載の音声通信端末器用
    周囲雑音抑制回路。
  6. 【請求項6】 前記帯域増幅器が、周囲雑音レベルが大
    きい時は利得が小となり、周囲雑音レベルが小さい時は
    利得が大きくなるような利得切換手段を備えていること
    を特徴とする前記請求項1記載の音声通信端末器用周囲
    雑音抑制回路。
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