JPH0983413A - 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
求めて、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周期の正弦波成分を前記入
力信号から除いて得られる信号を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
きに前記残差量が最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と前記残差量が極小となる周期
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
差波形に前記残差量が極小となる１つの周期の一定振幅
正弦波形および一定振幅余弦波形をそれぞれ掛けてその
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その周期の
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周期の
第２の正弦波形および前期余弦波形の振幅をもった前期
周期の第２の余弦波形を求め、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、第２の残差波形から前記
残差量が極小となる他の１つの周期の正弦波成分を表わ
す第３の正弦波形および余弦波形を求めるという手順に
よって、前記波形データの周波数成分を検出することを
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）の作用を説明するプロック図
である。同図において、１は受信側の非調和的周波数分
析法を用いた分析部、２は送信側の非調和的周波数分析
法を用いた分析合成部、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の分析合成部に送る。一方、２の分析合成部では入力
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の分析合成部の入力信
号となったときに周期Ｔ_ｋが送り込まれるように、時間
調整のための遅延を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の分析合成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】次に、非調和的周波数分析法による波形デ
ータの分析および合成について数式を用いて説明を行な
う。波形データをＷ_０（ｍ）（ｍ＝１，２，…，Ｍ）と
すると、所定周期Ｔの正弦波形および余弦波形の振幅Ｘ
（Ｔ）およびＹ（Ｔ）は、ｎを整数、ｎＴ≦Ｍとして、
それぞれ

【数１】 で与えられる。残差波形データＲ（ｍ，Ｔ）は

【数２】 で表わされ、残差量（二乗の場合）Ｉ（Ｔ）はｍ＝１か
らＭを一定区間とすると

【数３】 となる。Ｉ（Ｔ）を所定周期Ｔの関数として、その最小
となる周期をＴ_１、極小となる周期をＴ_２、Ｔ_３、…と
すると、第１の正弦波形および余弦波形の振幅はそれぞ
れＸ（Ｔ_１）およびＹ（Ｔ_１）で表わされ、第１の残差
波形Ｗ_１（ｍ）は

【数４】 となる。（数１）のＷ_０（ｍ）をＷ_１（ｍ）に変えれ
ば、残差量が極小となる１つの周期Ｔ_２の正弦波成分を
表わす第２の正弦波形および余弦波形の振幅はそれぞれ
Ｘ（Ｔ_２）およびＹ（Ｔ_２）で与えられ、第２の残差波
形Ｗ_２（ｍ）は

【数５】 となる。以下同様にして、第２の残差波形から第３の正
弦波形および余弦波形が求められる。こうした手順によ
り求められた第１ないし第Ｎの正弦波形および余弦波形
の振幅をそれぞれＡ_１，Ａ_２，…，Ａ_ＮおよびＢ_１，Ｂ
_２，…，Ｂ_Ｎ、それらの周期をＴ_１，Ｔ_２，…，Ｔ_Ｎと
すれば、波形Ｗ_ｏ（ｍ）はこれらの量を用いて次式で示
されるように合成することができる。

【数６】 一般にＮが大きいほど（数６）の近似はよい。第Ｎの残
差波形Ｗ_Ｎ（ｍ）を加えると、

【数７】 となる。

【００１２】図１において、分析部１で検出された正弦
波形の周期と一致する周期の正弦波形および余弦波形の
振幅を、分析合成部２における（数６）もしくは（数
７）に従った波形合成において０とすれば、受信側で検
出された正弦波成分を送信側での入力信号Ｗ_０（ｍ）か
ら除去した波形を波形合成部２で出力することができ
る。なお、（数１）の振幅Ｘ（Ｔ）、Ｙ（Ｔ）の計算に
おいて和（サムメーション）の範囲ｍ＝１からｎＴは、
ｍ＝Ｍ＝ｎＴ＋１からＭとしてもよい。また上記の二つ
の範囲で求めた振幅の平均値をそれぞれＸ（Ｔ）、Ｙ
（Ｔ）としてもよい。

【００１３】

【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。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】上記実施例における諸量の具体的な値は以
下のとおりである。所定時間（波形データ長）は１０ｍ
ｓないし２０ｍｓ、分析で検出する正弦波成分の数Ｎ
は、分析部１で１０ないし２０、分析合成部２で１５な
いし３０、遅延部Ｄの遅延時間は拡声スピーカからマイ
クロホンまで音波が到達するに要する時間で、拡声スピ
ーカとマイクロホンの距離がおよそ０．５ｍ以下ならば
Ｄは省くことができる。また一定区間は通常波形データ
長とすることができる。

【００１８】図４は非調和的周波数分析法を用いた分析
部１あるいは分析合成部２での信号処理をＤＳＰを用い
たハードウェアで実現する場合の回路のブロック図であ
る。

【００１９】

【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。

【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】分析部１あるいは分析合成部２をハードウェア
で実現する場合の信号処理回路のブロック図である。

【符号の説明】

１ 分析部 ２ 分析合成部 Ｄ 遅延部 Ｐ 増幅器 Ｑ 加算部

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【手続補正書】

【提出日】平成７年１０月３日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１２】図１において、分析部１で検出された正弦
波成分の周期と一致する周期の正弦波形および余弦波形
の振幅を、分析合成部２における（数６）もしくは（数
７）に従った波形合成において０とすれば、受信側で検
出された正弦波成分を送信側での入力信号Ｗ_０（ｍ）か
ら除去した波形を波形合成部２で出力することができ
る。また、分析部１で検出された正弦波成分の周期を分
析合成部２における周期Ｔ_１、Ｔ_２、Ｔ_３、…として残
差波形を求めれば、波形の合成を行なわずにそれら正弦
波成分を除去した波形が得られることは上記非調和的周
波数分析法の原理から明らかである。なお、（数１）の
振幅Ｘ（Ｔ）、Ｙ（Ｔ）の計算において和（サムメーシ
ョン）の範囲ｍ＝１からｎＴは、ｍ＝Ｍ−ｎＴ＋１から
Ｍとしてもよい。また上記の二つの範囲で求めた振幅の
平均値をそれぞれＸ（Ｔ）、Ｙ（Ｔ）としてもよい。ま
た、正弦波成分を差し引いた残差波形データのパワーで
あるところの残差量の最小および極小となる周期を求め
る代りに、正弦波成分のパワーに対応する量、たとえば
Ｘ（Ｔ）、Ｙ（Ｔ）それぞれの二乗の和の最大および極
大となる周期を求め、これをＴ_１、Ｔ_２、Ｔ_３、…の代
用としてもよい。この場合は（数８）と（数９）の計算
を省くために計算量は少なくなるが、分析の精度は下が
り、一般に周期が大きいほど誤差は大きくなる。

【手続補正書】

【提出日】平成７年１０月１７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項２

【補正方法】変更

【補正内容】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００４

【補正方法】変更

【補正内容】

【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
求めて、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周期の正弦波成分を前記入
力信号から除いて得られる信号を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記
余弦波形の振幅をもった前記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
きに前記残差量が最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と前記残差量が極小となる周期
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
差波形に前記残差量が極小となる１つの周期の一定振幅
正弦波形および一定振幅余弦波形をそれぞれ掛けてその
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その周期の
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周期の
第２の正弦波形および前記余弦波形の振幅をもった前記
周期の第２の余弦波形を求め、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、第２の残差波形から前記
残差量が極小となる他の１つの周期の正弦波成分を表わ
す第３の正弦波形および余弦波形を求めるという手順に
よって、前記波形データの周波数成分を検出することを
特徴とする分析法である。

Claims (2)

【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析で得られる正弦波成分の周期を求
   めて、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周期の正弦波成分を前記入力
   信号から除いて得られる信号を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。
2. 【請求項２】前記非調和的周波数分析法は、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最小となる周期と
   振幅をもった第１の正弦波形および余弦波形と前記残差
   量が極小となる周期を求め、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の残差波形に前記残差量が極小となる１
   つの周期の一定振幅正弦波形および一定振幅余弦波形を
   それぞれ掛けてその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
   れているその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
   をもった前記周期の第２の正弦波形および前期余弦波形
   の振幅をもった前期周期の第２の余弦波形を求め、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、第２
   の残差波形から前記残差量が極小となる他の１つの周期
   の正弦波成分を表わす第３の正弦波形および余弦波形を
   求めるという手順によって、前記波形データの周波数成
   分を検出することを特徴とする請求項１に記載の非調和
   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。