JPH07107971B2 - エコ−キャンセラ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電話回線における２線
４線変換のためのハイブリッド回路に基づいて生じる回
り込みを消去するエコーキャンセラに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】電話回線における２線回線と４線回線と
の間に接続されている２線４線変換を行うためのハイブ
リッド回路と回線とのインピーダンス不整合により送話
信号の一部が受信側に回り込む。この回り込みを消去す
ることによって通話品質の改善をはかるためにエコーキ
ャンセラを使用することが知られている。エコーキャン
セラは、周知のように、回り込み経路の特性を同定し、
この特性と送話信号から回り込み信号の推定信号である
疑似回り込み信号を生成し、受話信号から疑似回り込み
信号を差し引くように構成されている。即ちエコーキャ
ンセラはタップ係数可変型のトランサバーサル・フィル
タ（適応フィルタ）によって構成され、回り込み経路の
特性を同定する際には適応フィルタの特性が回り込み経
路の特性と等しくなるようにタップ係数を修正する。ま
た、この適応フィルタに送話信号を通すことで疑似回り
込み信号を生成する。従って、適応フィルタのタップ係
数の値は回り込み経路のインパルス応答に相当する。

【０００３】また、前記同定を行う方法として、通話開
始初期に行うプリセット方式がしばしば用いられる。こ
の方式は通話を開始する前にトレーニング期間を設け、
この期間にトレーニング信号をハイブリッド回路の４線
入力端から送出し、その４線出力端に現れるトレーニン
グ信号の回り込み量を監視し、前記適応フィルタのタッ
プ係数を最適化する。このトレーニングが終了後、タッ
プ係数を保持し以後通話が可能となる。なお、トレーニ
ング期間をできるだけ短くするためには、自己相関の少
ないホワイトノイズ等の信号をトレーニング信号として
用いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】エコーキャンセラはデ
ィジタル信号処理（四則演算などの数値演算処理）で行
う必要があり、その入出力信号はディジタル信号（例え
ばＰＣＭ信号）でなければならない。従って、ハイブリ
ッド回路の４線部分とのインタフェースにはＡ／Ｄ変換
器、Ｄ／Ａ変換器を要し、ディジタル信号である送話信
号はＤ／Ａ変換器でアナログ信号に変換してハイブリッ
ド回路の４線入力端に出力し、ハイブリッド回路の４線
出力端からの信号はＡ／Ｄ変換器でディジタル信号に変
換して受話信号とする。

【０００５】このような構成では、回り込み経路の特性
は、Ａ／Ｄ変換器、ハイブリッド回路、Ｄ／Ａ変換器の
縦続接続したものの特性となり、エコーキャンセラはこ
の特性即ちインパルス応答を推定することになる。

【０００６】Ａ／Ｄ変換器は折り返しを防ぐための急峻
な遮断特性をもつローパスフィルタ、電話回線に混入す
るハム（商用電源からのノイズ）を除去するための急峻
な遮断特性をもつハイパスフィルタを内蔵しており、Ｄ
／Ａ変換器では不要帯域を除去するための急峻な遮断特
性をもつローパスフィルタを内蔵している。このよう
に、回り込み経路に介在している急峻な遮断特性をもつ
フィルタは一般にそのインパルス応答が非常に長い。こ
のため、エコーキャンセラの適応フィルタで予め用意す
べきタップ数は、ハイブリッド回路のインパルス応答の
長さよりも、むしろＡ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器に内蔵
されたフィルタのインパルス応答の長さによって決ま
る。この結果、エコーキャンセラの適応フィルタのタッ
プ数を長くしなければならないので、エコーキャンセラ
をハードウェアで構成した場合には回路規模が大きくな
り、また、エコーキャンセラをディジタルシグナルプロ
セッサで構成した場合には、処理量およびメモリが増え
るといった問題があった。

【０００７】そこで、本発明の目的は適応フィルタのタ
ップ数を低減することができるエコーキャンセラを提供
することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、適応フィルタによって疑似回り込み信号を
作成し、受話信号から前記疑似回り込み信号を差し引く
ことによって回り込み信号を消去するエコーキャンセラ
において、ホワイトノイズを発生するためのホワイトノ
イズ発生手段と、音声帯域外の周波数成分を抑圧するフ
ィルタ手段とを具備し、前記フィルタ手段にて前記ホワ
イトノイズの音声帯域外の周波数成分を抑圧した信号を
トレーニング信号として前記適応フィルタに供給して適
応動作を行うことを特徴とするエコ−キャンセラに係わ
るものである。なお、請求項２に示すように更に、前記
適応動作の完了後に、前記フィルタ手段にて送話信号の
音声帯域外の周波数成分を抑圧することが望ましい。

【０００９】

【作用】本発明における音声帯域外の周波数成分を抑圧
するフィルタ手段は、例えば実施例の周波数重み付けフ
ィルタ１３であり、音声帯域（例えば３００Hz〜３４０
０Hz）を通過帯域とする。ホワイトノイズ発生手段は、
ディジタル又はアナログのホワイトノイズ（白色雑音）
を発生する。ホワイトノイズ発生手段がディジタルのホ
ワイトノイズを発生する場合には、フィルタ手段をディ
ジタルの周波数重み付けフィルタとすることが望まし
い。適応フィルタはフィルタ手段で周波数帯域が抑制さ
れた信号をトレーニング信号として適応動作を行う。ま
た、請求項２に示すよう送話信号もフィルタ手段を通し
て適応フィルタに入力させる。これにより、適応フィル
タは音声帯域のみで適応動作をすればよいことになり、
タップ数を低減させることが可能になる。

【００１０】

【実施例】本発明の一実施例に係わるエコーキャンセラ
を含む電話回線を図１及び図２を参照して説明する。図
１において、ハイブリッド回路（ＨＹＢ）１は２線４線
変換のために２線回線２と４線回線の受信線３及び送信
線４に接続されている。受信線３と受話信号出力端子５
との間にはＡ／Ｄ変換器（アナログ・ディジタル変換
器）６とエコーキャンセラ７とが接続されている。送話
信号入力端子８とハイブリッド回路１との間にはエコー
キャンセラ７を介してＤ／Ａ変換器（ディジタル・アナ
ログ変換器）９が接続されている。

【００１１】エコーキャンセラ７は、適応フィルタ１０
と、減算器１１と、ホワイトノイズ発生器１２と、周波
数重み付けフィルタ１３と、第１及び第２のスイッチ１
４、１５とから成る。減算器１１はＡ／Ｄ変換器６の出
力ラインと適応フィルタ１０の出力ラインに接続され、
Ａ／Ｄ変換器６から送出されるディジタルの受話信号Ｙ
（ｎ）から適応フィルタ１０から送出されるディジタル
の疑似エコー信号Ｙp（ｎ）を減算してエコー残差信号
Ｅ（ｎ）を得、これをエコーキャンセル後の受話信号
（遠端話者信号）Ｒ（ｎ）として出力端子５に送る。ホ
ワイトノイズ発生器１２はディジタル形式でホワイトノ
イズデータを発生するものであり、第２のスイッチ１５
の接点ａを介してディジタル形式の周波数重み付けフィ
ルタ１３に接続されている。周波数重み付けフィルタ１
３の入力端子は第２のスイッチ１５の接点ｂを介して送
信入力端子８に接続されている。周波数重み付けフィル
タ１３の出力端子は適応フィルタ１０及びＤ／Ａ変換器
９に接続されている。第１のスイッチ１４の一端はグラ
ンドに接続され、他端は適応フィルタ１０とスイッチ１
５に接続されている。第１及び第２のスイッチ１４、１
５は図示を簡単にするために機械的スイッチとして示さ
れているが、実際には電子スイッチから成る。

【００１２】次に、図１の回路の動作を説明する。Ａ／
Ｄ変換器６は、ハイブリッド回路１から得られた受話信
号としてのアナログ信号Ｙa （ｔ）をディジタル信号に
変換し、一定のサンプリング周期を有して受話信号Ｙ
（ｎ）を出力する。Ｄ／Ａ変換器９は、一定のサンプリ
ング周期を有するディジタル信号である送話信号Ｕ
（ｎ）をアナログ信号Ｕa （ｔ）に変換して出力する。
ハイブリッド回路１は、２線４線変換を行う。ただし、
回線とのインピーダンス整合が完全にとれないので、受
話信号Ｙ（ｎ）には、送話信号Ｕ（ｎ）の回り込み成分
も含まれる。第１のスイッチ１４はエコーキャンセラの
動作状態を制御するもので、閉じた状態で適応許可を示
す制御信号ＩＮＨを出力し、適応フィルタ１０を適応動
作させ、開いた状態で適応禁止を示す制御信号ＩＮＴを
出力して適応フィルタ１０の適応動作を停止させ、推定
動作のみを行わせる。適応フィルタ１０は、送話信号Ｕ
（ｎ）を入力とし、受話信号Ｙ（ｎ）に含まれる回り込
み成分を推定し、この推定値を疑似エコー信号Ｙp
（ｎ）として出力するフィルタ動作と、スイッチ１４の
閉成による適応許可信号、送話信号Ｕ（ｎ）、エコー残
差信号Ｅ（ｎ）を入力とし疑似エコー信号Ｙp （ｎ）が
回り込み成分に近づくようにフィルタ係数を最適化する
適応動作とを行う。第１のスイッチ１４をオンにして適
応許可動作させる時間長は適当に決定される。減算器１
１は、受話信号Ｙ（ｎ）から疑似エコー信号Ｙp（ｎ）
を減算し、エコー残差信号Ｅ（ｎ）を出力する。従っ
て、エコー残差信号Ｅ（ｎ）においては、回線からの受
話信号（遠端話者信号）成分はそのまま保存され、一方
回り込み成分は消去される。ホワイトノイズ発生器１２
は、分散σN2の無相関な信号をホワイトノイズＮ（ｎ）
として出力する。ホワイトノイズ発生器１２はディジタ
ルデイザ発生器であって、例えばＲＯＭに予め分散σN2
の無相関な信号を蓄えておき、これを逐次読み出すこと
で実現される。第２のスイッチ１５は第１のスイッチ１
４によって制御され、第１のスイッチ１４から発生する
適応許可を示す信号に応答して接点ａがオンになり、ホ
ワイトノイズＮ（ｎ）を周波数重み付けフィルタ１３の
入力信号ｘ（ｎ）として出力する。第１のスイッチ１４
のオフ時の適応禁止時には第２のスイッチ１５の接点ｂ
がオンになり、近端話者信号Ｓ（ｎ）を周波数重み付け
フィルタ１３の入力信号ｘ（ｎ）として出力する。周波
数重み付けフィルタ１３はバンドパスフィルタで構成さ
れ、周波数重み付けフィルタ入力信号ｘ（ｎ）を入力と
し、周波数重み付けフィルタ入力信号ｘ（ｎ）における
音声帯域（通話に寄与する周波数帯で電話の場合３００
Hz〜３．４kHz ）は通過させ、音声帯域外の信号を抑圧
し送話信号Ｕ（ｎ）に出力する。

【００１３】図２は、適応フィルタ１０の一構成例とし
て、学習同定法に基づく構成を機能的に示す。図２にお
いて、適応フィルタ１０はフィルタ動作を行うＦＩＲ
（有限長インパルス応答）フィルタ回路２１と適応動作
を行うタップ係数修正回路２２によって構成される。Ｆ
ＩＲフィルタ回路２１は縦続接続された複数の遅延素子
２３、複数の乗算器２４、複数の加算器２５で構成され
ている。なお、遅延素子２３は単位遅延時間Ｔを表すＺ
-1で示されている。疑似エコー信号Ｙp （ｎ）は、次式
で示される畳み込み演算を行った出力である。

【００１４】

【数１】

【００１５】前記（１）式において、ｎは単位遅延時間
Ｔを信号のサンプル間隔とすると時間ｎＴを表し、ｋは
同じく時間ｋＴを表し、ｈk （ｎ）は時刻ｎＴにおいて
ｋＴ時間遅延した信号に乗ずべき係数であり、ＦＩＲフ
ィルタのタップ係数を表し、ＮはＦＩＲフィルタのタッ
プ数を表す。なお、ｈk （ｎ）の値は、Ｄ／Ａ変換器
９、ハイブリッド回路１、Ａ／Ｄ変換器６の縦続接続で
構成される回り込み経路のインパルス応答の時刻ｋＴの
推定値に相当する。タップ係数修正回路２２は演算回路
で構成され、制御信号ＩＮＨが“適応禁止”のときは、
適応動作を停止させるために、タップ係数の修正を行わ
ずに次式に示す係数を出力する。 ｈk （ｎ＋１）＝ｈk （ｎ） （ｋ＝０〜Ｎ−１） (2) 制御信号ＩＮＨが“適応許可”のときは適応動作を行
い、エコー残差信号Ｅ（ｎ）の２乗平均値が小さくなる
ようにタップ係数の修正を次式に従って行う。 ｈk （ｎ＋１）＝ｈk （ｎ）＋μ［Ｕ（ｎ−ｋ）／Ｎ・σN2］Ｅ（ｎ） (3) ただし、ｋ＝０〜Ｎ−１、０＜μ＜２であり、μは修正
係数、σN2はホワイトノイズＮ（ｎ）の分散を表す。
（３）式の右辺第２項はタップ係数の修正量を表し、Ｎ
・σN2で送話信号Ｕ（ｎ−ｋ）を正規化し残差信号Ｅ
（ｎ）に比例させる。

【００１６】以上のように構成されたエコーキャンセラ
の動作を説明する。まず、エコーキャンセラにトレーニ
ングを行わせるため、第１のスイッチ１４を閉じ“適応
許可”を示す制御信号ＩＮＨを出力する。これにより、
第２のスイッチ１５はホワイトノイズＮ（ｎ）をフィル
タ入力信号ｘ（ｎ）として出力する。周波数重み付けフ
ィルタ１３では、周波数重み付けフィルタ入力信号ｘ
（ｎ）に含まれる音声帯域外の信号成分を抑圧（周波数
重み付け）し、送話信号Ｕ（ｎ）を出力する。適応フィ
ルタ１０は、エコー残差信号Ｅ（ｎ）の２乗平均値が最
小となるようにタップ係数を修正する。このとき、エコ
ー算差信号Ｅ（ｎ）の２乗平均値εは、次式で示すこと
ができる。

【００１７】

【数２】

【００１８】ただし、Ωは周波数をｆとするとΩ＝２π
ｆＴを表し、Ｈd （Ω）はＤ／Ａ変換器９、ハイブリッ
ド回路１、Ａ／Ｄ変換器６の縦続接続で構成される回り
込み経路の周波数応答を表し、Ｈ（Ω）は適応フィルタ
の周波数応答を表し、Ｗ（Ω）は周波数重み付けフィル
タ１３の周波数応答を表し、｜Ｘ（Ω）｜2 はホワイト
ノイズの電力スペクトルを表し｜Ｘ（Ω）｜2 ＝σN2で
ある。（４）式を書き直すと次式になる。

【００１９】

【数３】

【００２０】ここで、Ｗ（Ω）は音声帯域外成分を抑圧
するフィルタであるから、｜Ｗ（Ω）｜2 は音声帯域に
おいては１、音声帯域外においては１より十分小さい値
である。従って、エコー残差信号Ｅ（ｎ）の２乗平均値
εは、Ωが音声帯域のときの｜Ｈd （Ω）−Ｈ（Ω）｜
2 の値によって大きく支配される。このように、Ｗ
（Ω）で音声帯域に重みを付けることにより、適応フィ
ルタ１０は音声帯域において望みの応答Ｈd （Ω）にあ
うようにタップ係数を修正し、Ａ／Ｄ変換器６及びＤ／
Ａ変換器９の高次フィルタの急峻な遮断特性に対しては
適応しない。従って、適応フィルタ１０はハイブリッド
１の回り込みのインパルス応答を主に推定することにな
るので、適応フィルタ１０のタップ長を低減することが
できる。

【００２１】適応動作の終了後、第１のスイッチ１４を
開き、“適応禁止”を示す制御信号ＩＮＨを出力し通話
状態とする。これにより、第２のスイッチ１５は近端話
者信号Ｓ（ｎ）を周波数重み付けフィルタ入力信号ｘ
（ｎ）として出力し、適応フィルタ１０は適応動作を停
止し推定動作のみを行い、回り込み信号を疑似エコー信
号Ｙp （ｎ）を用いて減算器１１にて相殺する。適応フ
ィルタ１０は、前記適応動作で周波数重み付けによる適
応動作を行っており周波数重み付けフィルタ１３の阻止
域での回り込みが劣化しているので、近端話者信号Ｓ
（ｎ）についても前記阻止域の信号を抑圧する。なお、
周波数重み付けフィルタ１３は、回り込み経路の他に、
回線への送話経路にも入るが、音声帯域外の信号はもと
もと通話に寄与しない周波数帯であるから、回線への送
話経路に入っても何ら差し支えない。

【００２２】以上、述べたように周波数重み付けフィル
タ１３は、適応動作許可時には周波数重み付けを行い適
応フィルタ１０のタップ数を低減する効果をもち、適応
動作禁止時には、周波数重み付けによる適応動作によっ
て回り込み消去性能が劣化した周波数帯での信号成分を
抑圧する効果をもつ。

【００２３】以上の説明において、周波数重み付けフィ
ルタ１３は音声帯域外の信号成分を抑圧するバンドパス
フィルタによって構成されるとしたが、音声帯域を通過
帯域とするハイパスフィルタあるいはローパスフィルタ
で構成しても良い。即ち、Ａ／Ｄ変換器６、Ｄ／Ａ変換
器９の高次フィルタのうち回り込み経路のインパルス応
答を最も長くする要因がハイパスフィルタである場合に
は、周波数重み付けフィルタ１３をハイパスフィルタ
に、また回り込み経路のインパルス応答を最も長くする
要因がローパスフィルタである場合には、周波数重み付
けフィルタ１３をローパスフィルタにしても周波数重み
付けによる効果がある。

【００２４】Ａ／Ｄ変換器６、Ｄ／Ａ変換器９の高次フ
ィルタの遮断周波数と周波数重み付けフィルタ１３の遮
断周波数の関係について説明する。周波数重み付けフィ
ルタ１３によるタップ数の低減効果を発揮するために
は、周波数重み付けフィルタ１３の遮断周波数はＡ／Ｄ
変換器６、Ｄ／Ａ変換器９の高次フィルタを縦続した特
性の遮断周波数に等しいかそれより音声帯域側（内側）
になければならない。これは、（５）式から明らかなよ
うに、Ａ／Ｄ変換器６、Ｄ／Ａ変換器９を縦続した特性
の阻止域で｜Ｗ（Ω）｜2 が０に近いとき重み付けによ
る効果があらわれるためである。

【００２５】図３は図１において周波数重み付けフィル
タ１３を削除した場合（従来技術）の適応フィルタ１０
の適応動作後のタップ係数の値を、図４は図１において
周波数重み付けフィルタ１３をハイパスフィルタとした
場合の適応フィルタ１０の適応動作後のタップ係数の値
をそれぞれ示したものである。両図を比較すると、周波
数重み付けフィルタ１３を用いた場合の方が、適応フィ
ルタ１０のタップ長が少なくてすむことがわかる。

【００２６】

【変形例】本発明は上述の実施例に限定されるものでは
なく、例えば次の変形が可能なものである。 （１） 実施例では適応フィルタ１０における遅延素子
２３がディジタルメモリによって構成されているが、ア
ナログの遅延素子で構成することができる。 （２） 適応フィルタ１０における加算器２５を複数個
設ける代りに、複数の乗算器２４の出力を同時に加算す
る１つの加算器を設けることができる。 （３） 適応フィルタ１０における乗算器２４、加算器
２５、タップ係数修正回路２２及び第１図の減算器１１
から選択された複数個又は全部の回路を共通のデータ処
理装置で構成することができる。

【００２７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明に
よれば、エコーキャンセラに周波数重み付けフィルタを
新たに設けることでタップ長を低減でき、回路規模を小
さくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係わるエコーキャンセラを
備えた電話回線を示すブロック図である。

【図２】図１の適応フィルタを機能的に示すブロック図
である。

【図３】図１から周波数重み付けフィルタを除去した従
来回路における適応フィルタのタップ数と係数値を示す
図である。

【図４】周波数重み付けフィルタを設けた図１の回路に
おける適応フィルタのタップ数と係数値を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ ハイブリッド回路 ７ エコーキャンセラ １０ 適応フィルタ １２ ホワイトノイズ発生器 １３ 周波数重み付けフィルタ

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−280935（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−248226（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−83036（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−8755（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−294020（ＪＰ，Ａ) 特公 昭62−53974（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 適応フィルタによって疑似回り込み信号
   を作成し、受話信号から前記疑似回り込み信号を差し引
   くことによって回り込み信号を消去するエコーキャンセ
   ラにおいて、 ホワイトノイズを発生するためのホワイトノイズ発生手
   段と、音声帯域外の周波数成分を抑圧するフィルタ手段
   とを具備し、 前記フィルタ手段にて前記ホワイトノイズの音声帯域外
   の周波数成分を抑圧した信号をトレーニング信号として
   前記適応フィルタに供給して適応動作を行うことを特徴
   とするエコ−キャンセラ。
2. 【請求項２】 更に、前記適応動作の完了後に、前記フ
   ィルタ手段にて送話信号の音声帯域外の周波数成分を抑
   圧することを特徴とする請求項１記載のエコーキャンセ
   ラ。