JPH0918389A - 非調和的周波数分析法を用いた拡声通話系の ハウリング防止方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目 的】伝送特性の変動や雑音による影響が少なく、
しかも同時通話（ダブルトーク）による支障のないハン
ドフリー自動車電話および会議電話に利用できるハウリ
ング防止方式を提供すること。 【構 成】非調和的周波数分析法を用いて所定時間ごと
に音声波形を分析し、送話音声と受話音声の周波数成分
の等しいものを送話音声から除去することにより、拡声
通話系での発振を防止することを特徴とした構成。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】会議電話、自動車電話、拡声電話

【０００２】

【従来の技術】会議電話において実用化されている技術
は、マイクロホンと拡声スピーカの音響的結合を電気的
に阻止するために、拡声スピーカからマイクロホンまで
の伝送特性を測定し、これを電気回路（ディジタルフィ
ルタ）で実現して、マイクロホンの出力側で拡声スピー
カからの信号を電気回路からの信号で消去するというも
ので、ハウリングサプレッサあるいはエコーキャンセラ
として知られている。通常、前述の伝送特性は人の動き
により変化するために、通話中の音声信号を利用してそ
の変化を測定し、逐次ディジタルフィルタの係数を更新
することが行われている。しかしながらこの方法は、外
部雑音による影響を受けやすいことと、同時通話（ダブ
ルトーク）が伝送特性測定の障害になるという問題があ
り、ハンドフリーの自動車電話などに利用できないとい
う欠点がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】伝送特性の変化や雑音
による影響の少ない同時通話を可能にする拡声通話系の
ハウリング防止方式を提供すること。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、所定時間ごとに、受信側の非調和的周波
数分析法による信号分析で得られる正弦波成分の周期を
送信側の非調和的周波数分析法による信号分析の所定周
期として、送信側において非調和的周波数分析法による
入力信号の分析で得られる前記所定周期をもった正弦波
成分を前記入力信号から除いて送信することにより、拡
声通話系のハウリングを防止するようにしたことを特徴
とする非調和的周波数分析法を用いた拡声通話系のハウ
リング防止方式をその手段とするものであり、前記非調
和的周波数分析法とは、ある値の時間変化を表わす波形
データに、所定周期の一定振幅正弦波形および一定振幅
余弦波形をそれぞれ掛けて前記所定周期の整数倍で定め
られるところの所定区間にわたって加算して得られる２
つの値を少なくとも用いて、前記波形データの前記所定
区間に含まれている前記所定周期の正弦波形の振幅およ
び余弦波形の振幅を求め、前記波形データから前記正弦
波形の振幅をもった前記所定周期の正弦波形および前期
余弦波形の振幅をもった前期所定周期の余弦波形を差し
引いた残差波形データを求め、該残差波形データの二乗
もしくは絶対値を一定区間にわたって加算して得られる
ところの残差量に関して、前記所定周期を変数としたと
きに前記残差量が極小となる周期と振幅をもった第１の
正弦波形および余弦波形を求め、前記波形データから前
記第１の正弦波形および余弦波形を除いて第１の残差波
形を求め、前記第１の残差波形に所定周期の一定振幅正
弦波形および一定振幅余弦波形をそれぞれ掛けて前記所
定周期の整数倍で定められるところの所定区間にわたっ
て加算して得られる２つの値を少なくとも用いて、前記
第１の残差波形の前記所定区間に含まれている前記所定
周期の正弦波形の振幅および余弦波形の振幅を求め、前
記第１の残差波形から前記正弦波形の振幅をもった前記
所定周期の正弦波形および前期余弦波形の振幅をもった
前期所定周期の余弦波形を差し引いた残差波形データを
求め、該残差波形データの二乗もしくは絶対値を一定区
間にわたって加算して得られるところの残差量に関し
て、前記所定周期を変数としたときに前記残差量が極小
となる周期と振幅をもった第２の正弦波形および余弦波
形を求め、前記第１の残差波形から前記第２の正弦波形
および余弦波形を除いて第２の残差波形を求め、以下同
様にして、一般にｎを１より大きい整数とすると、第ｎ
の残差波形から第（ｎ＋１）の正弦波形および余弦波形
を除いて第（ｎ＋１）の残差波形を求め、前記第（ｎ＋
１）の残差波形に所定周期の一定振幅正弦波形および一
定振幅余弦波形をそれぞれ掛けて前記所定周期の整数倍
で定められるところの所定区間にわたって加算して得ら
れる２つの値を少なくとも用いて、前記第（ｎ＋１）の
残差波形の前記所定区間に含まれている前記所定周期の
正弦波形の振幅および余弦波形の振幅を求め、前記第
（ｎ＋１）の残差波形から前記正弦波形の振幅をもった
前記所定周期の正弦波形および前期余弦波形の振幅をも
った前期所定周期の余弦波形を差し引いた残差波形デー
タを求め、該残差波形データの二乗もしくは絶対値を一
定区間にわたって加算して得られるところの残差量に関
して、前記所定周期を変数としたときに前記残差量が極
小となる周期と振幅をもった第（ｎ＋２）の正弦波形お
よび余弦波形を求め、前記第１の正弦波形および余弦波
形の振幅と周期あるいは周波数、前記第２の正弦波形お
よび余弦波形の振幅と周期あるいは周波数、一般に前記
第（ｎ＋２）の正弦波形および余弦波形の振幅と周期あ
るいは周波数を少なくとも分析値として求めることを特
徴とする分析法である。

【０００５】

【作用】所定時間長Ｌの時間窓で切り出された波形を、
従来のフーリエ変換（ＦＦＴあるいはＤＦＴ）で周波数
分析すると、一般に波形を実際に構成している正弦波の
周波数にかかわりなく、１／Ｌ，２／Ｌ，３／Ｌ，…な
る１／Ｌの整数倍で表わされる調和周波数成分が分析結
果として出てくる。一方、前述の非調和的周波数分析法
によれば、波形を実際に構成している正弦波あるいはそ
れに近い正弦波を高い精度で検出することができる。

【０００６】この非調和的周波数分析法を用いて所定時
間長２０ｍｓごとの音声波形の分析を行なうと、分析に
よって求まる正弦波１０個の合成で十分了解できる音声
波形が得られ、正弦波２０個の合成では原音に近い明瞭
な音声波形を得ることができる。このような特徴を持っ
た非調和的周波数分析法を用いた拡声通話系のハウリン
グ防止方式の作用を、以下図面を用いて説明する。

【０００７】図１は、本発明によるところの非調和的周
波数分析法を用いた拡声通話系のハウリング防止方式
（本ハウリング防止方式）の作用を説明するブロック図
である。同図において、１および２はそれぞれ受信側お
よび送信側の非調和的周波数分析法を用いた分析部、Ｄ
は遅延部、Ｐは増幅器、Ｑは加算部を表わす。１の分析
部は入力信号の正弦波成分を検出してその周期Ｔ_ｋ（ｋ
＝１，２，…）を出力とし、２の分析部における非調和
的周波数分析法の所定周期とする。一方、２の分析部で
は入力信号から周期Ｔ_ｋなる正弦波成分を検出し、それ
を入力から除いた波形（残差波形）を出力信号とする。
受信端子ｄに加えられた信号は、所定時間ごとに１の分
析部で分析されるが、この分析で求まる正弦波成分の周
期は、ＦＦＴ分析とは対照的に分析波形により異なった
値を示すことは前に説明したとおりである。そこでこの
周期Ｔ_ｋで表わされる正弦波成分を含んだ信号が２の分
析部の入力信号となったときに、その非調和的周波数分
析法の所定周期がＴ_ｋに設定されているように、主に１
の分析処理に要する時間相当の遅延をＤで信号に与える
ものとする。

【０００８】実際の拡声通話系では、Ｐにスピーカが接
続され、Ｑはマイクロホン、ＰとＱの接続は音響的結合
を表わすが、拡声通話系のハウリングの発生およびその
防止方法を説明する上で必要な基本的要素は同図によっ
て表わし示されている。そこで前述の条件下で、送信端
子ｃと受信端子ｄを点線で示すように直結してハウリン
グの最も生じやすい状態とした場合を想定して考察を行
なう。

【０００９】入力端子ａに加えられた信号は、仮にｂと
ｃが直結されていたとすると（ハウリング防止の手段が
無い状態）、一巡ループｂ，ｃ，ｄ，Ｄ，Ｐ，Ｑを通
り、増幅器Ｐの利得が大きくループ利得が１以上になる
とループを回り続け、系は発振状態（ハウリング発生）
になる。しかし、ループ内の信号は１の分析部でその周
波数成分が検出され、２の分析部ではその周波数成分が
除かれることになり、ループを回ることは阻止される。
一方、入力端子ａに加えられた信号は、ループを回る前
に送信端子ｃに達するので、これを伝送することができ
る。すなわち、入力端子ａに加えられた信号は、たとえ
相手側（端子ｃ，ｄ以遠）から送り返されても再び相手
側に送り出されることはなく、また相手側から送られた
信号は再び相手側に戻ることがないので、ハウリングは
防止され、相手側にとってはエコー（送話音声の戻り）
も阻止される。

【００１０】本ハウリング防止方式では、伝送路による
正弦波成分の振幅、位相の変化は問題とはならないの
で、従来法のように伝送特性の変化によるハウリング防
止効果の低下はない。更に、雑音による影響について述
べれば、従来法は伝送特性を求める必要があり、その際
に雑音が測定誤差となり、所望の効果が得られなくなる
のに対して、本ハウリング防止方式では、伝送特性を測
定する必要がなく、単にループ内の信号あるいは雑音を
含んだ信号の周波数成分を検出すればよいので、雑音に
よってハウリング防止効果が低下することはない。

【００１１】

【実施例】図２は、本ハウリング防止方式をハンドフリ
ー自動車電話に用いた実施例のブロック図を表わす。同
図において、記号（１，２，Ｄ）は図１と同じものを表
わしているので、その説明を省略する。図２の点線で囲
んだ部分はハウリング防止装置で、実際にはディジタル
回路により構成され、その場合に端子ｂとｄにはＡＤ変
換器、端子ｃとｅにはＤＡ変換器が取付けられ、それに
応じてＡＤ変換器の入力側とＤＡ変換器の出力側には低
域フィルターが取付けられることになるが、これらハー
ドウェアの実現において当然用いられるべきものはブロ
ック図で省かれている。

【００１２】図３は、本ハウリング防止方式を会議電話
に用いた実施例のブロック図を表わす。同図において記
号（１，２，Ｄ）は図１と同じものを表わしているの
で、その説明を省略する。また図２と同様に、点線で囲
んだ部分はハウリング防止装置で、ディジタル回路で構
成されるが、それに付随するＡＤ変換器、ＤＡ変換器、
低域フィルター等はブロック図で省かれている。ここ
で、同時通話（ダブルトーク）が生じた場合の影響につ
いて説明する。第一会議室、第二会議室いずれの話者の
音声も、相手側の拡声スピーカから出て、相手側のマイ
クロホンに入射すると、相手側のハウリング防止装置で
その主要な正弦波成分が除かれるので、ハウリングもエ
コー（話者に自分の発生音が返ってくる現象）も生じな
い。しかし同時通話になると、一方の話者の音声が他方
の話者の音声によって影響されることがある。例えば、
第一会議室の話者の音声と第二会議室から送られてきた
話者の音声が、主要な周波数成分において等しいものが
あると、第一会議室の話者の音声からその周波数成分が
除かれて相手側に送られるため、第二会議室での受聴音
声は音質的に劣化したものとなる。ただし、これは重大
なものとはならないことは、次の理由から明らかであ
る。

【００１３】第一の理由は、異なる話者の音声の周波数
成分が一致する確率は小さいということである。典型的
な例として、非調和的周波数分析法による分析の周波数
帯域幅を１／３２オクターブバンド、音声伝送帯域を２
５０Ｈｚから４ｋＨｚまでの４オクターブとして、音声
波形は所定時間長（約２０ｍｓ）ごとに１２８バンドの
中の不特定の１０バンドでその主要周波数成分が検出さ
れるものとする。この場合、二人の話者の音声の周波数
成分が１つのバンドで一致する確率は１０／１２８，２
つのバンドで一致する確率は１０×９／（１２８×１２
７）（約１／１８０）、…、１０の総てのバンドで一致
する確率は（１０×９×…×１）／（１２８×１２７×
…×１１９）（約１０の１４乗分の１）となる。更に、
１つのバンドで一致する状態がｎ回続く確率は１／１
２．８のｎ乗、２つのバンドで一致する状態がｎ回続く
確率は１／１８０のｎ乗、…となる。従って、同時通話
（ダブルトーク）で音声が０．２秒間、少なくとも１つ
のバンドで一致してその周波数成分が除かれる確率は１
０の１０乗分の１以下になるということを考えれば、同
時通話の状態でも音声を十分伝えられる事がわかる。

【００１４】第二の理由は、受聴者自身の音声によるマ
スキング効果である。自分が話しながら相手の話を聞く
のは困難かつ不自然であるが、短い時間にそうした同時
通話状態が生じることは、通常の会話において頻繁にあ
る。そのような状態では、自分の音声の周波数成分と一
致した相手の音声の周波数成分が除かれたとしても、マ
スキング効果によってそれを感知するのは難しい。従っ
て、たとえ同時通話で音声の周波数成分の一部が除かれ
たとしても、実用上問題にはならない。

【００１５】図４は、本発明で用いられる非調和的周波
数分析法の実施例として、その信号処理の手順をフロー
チャートで示したものである。Ｗ_１（ｍ） （ｍ＝１，
２，…，Ｍ）は標本化された波形データを表わし、Ｘ
（Ｔ）およびＹ（Ｔ）はＷ_ｋ（ｍ） （ｋ＝１，２，
…，Ｎ）とＭ≧ｎＴ（ｎは整数）で与えられた任意の周
期Ｔなる一定振幅正弦波形および一定振幅余弦波形との
積和によって得られる周期Ｔの正弦波形および余弦波形
の振幅をそれぞれ表わす。Ｒ（ｍ）は残差波形データ、
Ｉ（Ｔ）は残差量（ここではＲ（ｍ）のパワーで与えら
れている）、Ｉ（Ｔ_ｋ）は与えられたＴにおけるＩ
（Ｔ）の最小値、Ａ_ｋおよびＢ_ｋはＩ（Ｔ）が最小とな
るときのＸ（Ｔ）およびＹ（Ｔ）の値を表わし、これら
Ａ_ｋ，Ｂ_ｋ，Ｔ_ｋが第ｋの正弦波形および余弦波形の振
幅、および周期として求められる。Ｗ_ｋ＋１（ｍ）はＷ
_ｋ（ｍ）から第ｋの正弦波形および余弦波形を除いて得
られる第（ｋ＋１）の残差波形で、これをあらたな入力
波形データとすれば、同様な手順によって第（ｋ＋１）
の正弦波形および余弦波形が求まる。この方法をＮ回く
り返すことによってＮ個の正弦波形と余弦波形が分析量
として得られる。

【００１６】上記の非調和的周波数分析法は、帯域分割
して低い周波数帯域からその分析を行なうことができ
る。例えばＭ＝１００，Ｔ＝１，２，３，…，１００と
した場合、Ｗ_１（ｍ）に関してＴ＝１００，９９，…，
９１について分析を行ない第１の正弦波形および余弦波
形を求めてこれをＷ_１（ｍ）から除いてＷ_２（ｍ）を求
め、Ｗ_２（ｍ）に関してＴ＝９０，８９，…，８１につ
いて分析を行ない第２の正弦波形および余弦波形を求め
てこれをＷ_２（ｍ）から除いてＷ_３（ｍ）を求め、以下
同様にして、Ｗ_１０（ｍ）に関してＴ＝１０，９，…，
１について分析を行ない第１０の正弦波形および余弦波
形を求めてこれをＷ_１０（ｍ）から除いてＷ_１１（ｍ）
を求め、再度Ｗ_１１（ｍ）に関してＴ＝１００，９１，
…，８１について分析を行ない第１１の正弦波形および
余弦波形を求めてこれをＷ_１１（ｍ）から除いてＷ_１２
（ｍ）を求めるという手順をくり返す。ただし、各帯域
で残差量が最小になる周期が帯域の端（１００，９１，
８１，…，１１，１）となった場合は、次の帯域を含め
た範囲で最小値を求めるものとする。

【００１７】このようにして一対の正弦波形と余弦波形
で表わされた正弦波Ｎ個の中には、理論上は元の波形に
は存在しない周波数成分であるスプリアスが含まれる可
能性があるが、それは次の方法で除くことができる。

【００１８】上記第１の正弦波形および余弦波形で表わ
された第１の正弦波成分から第Ｎの正弦波形および余弦
波形で表わされた第Ｎの正弦波成分までの周期Ｎ個を、
それぞれの正弦波成分のパワーに従って大きなものから
配列した周期の値をＴ_１，Ｔ_２，…，Ｔ_Ｎとし、新たに
Ｗ_１（ｍ）からＸ（Ｔ_１）およびＹ（Ｔ_１）を求めてこ
れを新たに第１の正弦波形および余弦波形の振幅Ａ_１お
よびＢ_１とし、Ｗ_１（ｍ）から第１の正弦波形および余
弦波形を除いて新たにＷ_２（ｍ）を求め、このＷ
_２（ｍ）からＸ（Ｔ_２）およびＹ（Ｔ_２）を求めてこれ
を新たに第２の正弦波形および余弦波形の振幅Ａ_２およ
びＢ_２とし、Ｗ_２（ｍ）から第２の正弦波形および余弦
波形を除いて新たにＷ_３（ｍ）を求める、という手順で
以下第Ｎの正弦波形および余弦波形を求める。このよう
にしてスプリアスであった周期の正弦波形および余弦波
形の振幅は０もしくは非常に小さい値となり、Ｎ個の正
弦波成分から実質上それは除かれることになる。

【００１９】非調和的周波数分析法を用いた図１ないし
図３のブロック図の１の分析部は、上記のような方法で
分析を高速に行なうことができるが、これをＤＳＰで構
成する場合の一例を図５のブロック図に示す。

【００２０】なお、図１ないし図３のブロック図の２の
分析部では、所定周期は１０ないし２０個程度であるの
で、１の分析部での波形分析に比べれば分析処理時間は
１／１０程度になる。また所定周期について分析を行な
ったときに得られる最終の残差波形を求めればよいの
で、正弦波形および余弦波形の振幅や周期を分析量とし
て出力する必要はない。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、拡声スピーカとマイク
ロホン間での伝送特性の変動や雑音による影響が少な
く、しかも同時通話（ダブルトーク）による支障のない
拡声通話（ハンドフリー自動車電話、会議電話など）を
実現することができる。

【００２２】

【図面の簡単な説明】

【図１】非調和的周波数分析法を用いた拡声通話系のハ
ウリング防止方式の作用を説明する図である。

【図２】本発明によるハウリング防止方式をハンドフリ
ー自動車電話に用いた実施例のブロック図である。

【図３】本発明によるハウリング防止方式を会議電話に
用いた実施例のブロック図である。

【図４】非調和的周波数分析法の信号処理を示すフロー
チャートである。

【図５】ＤＳＰを用いた非調和的周波数分析装置の構成
例を示す図である。

【符号の説明】

１ 分析部 ２ 分析部 Ｄ 遅延部 Ｐ 増幅器 Ｑ 加算部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定時間ごとに、受信側の非調和的周波数
   分析法による信号分折で得られる正弦波成分の周期を送
   信側の非調和的周波数分析法による信号分析の所定周期
   として、送信側において非調和的周波数分析法による入
   力信号の分析で得られる前記所定周期をもった正弦波成
   分を前記入力信号から除いて送信することにより、拡声
   通話系のハウリングを防止するようにしたことを特徴と
   する非調和的周波数分析法を用いた拡声通話系のハウリ
   ング防止方式。