JP4141736B2

JP4141736B2 - 音声を含むオーディオ信号の了解度を向上させるための回路

Info

Publication number: JP4141736B2
Application number: JP2002143204A
Authority: JP
Inventors: フィーァターラーマティアス
Original assignee: TDK Micronas GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 2001-05-18
Filing date: 2002-05-17
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2022-05-17
Also published as: EP1258865A2; US7418379B2; DE10124699C1; DE50208467D1; EP1258865A3; EP1258865B1; US20020173950A1; JP2003018691A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オーディオ信号の周波数及び振幅の少なくともいずれか一方が所定の変数によって修正されることを特徴とする、音声を含むオーディオ信号の了解度を向上するための回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
オーディオ信号の音声了解度を向上するための提案は多数存在する。提案の１つにはノイズ信号を改善することが含まれ、別の提案には残響やエコー等によって減衰されたそれらの信号を改善することが含まれる。最終的には、優良なオーディオ信号は、例えば補聴器を使用した方法により、聴覚障害者に対して信号の了解度を更に向上させるように修正され得る。結果的に、たくさんの雑音が存在する状況であっても信号の了解度を更に向上させるように、優良な信号を修正することが可能になる。
【０００３】
本発明の目的は、音量を修正することなく比較的優良なオーディオ信号の音声了解度を向上させることである。これは、音量が低い場合であっても了解度が同等に維持されるか、周囲騒音が存在する状況であっても了解度が向上されることを意味する。
【０００４】
米国特許第５，４５９，８１３号を参照すると、いわゆる「無声音」（例えば、子音）は、より大きな音量の「有声音」（例えば、母音）によってマスクされることが知られている。無声音が音声の了解度に対して重要であるため、上記の公開文献は例えばクリッピング又は振幅圧縮によりこれらの音声の改善を提案している。
【０００５】
「ピーククリッピング」の概念は、１９４６年１０月の「Journal of the Acoustical Society of America」に掲載されたＪ．Ｃ．リクリダー（J.C. Liqulider ）による「Effects of Amplitude Distortion upon Intelligibility of Speech」により知られている。周囲騒音が存在しない状況での上記のピーククリッピングは、音声の了解度に対する影響がほとんど見られない。−２０ｄＢでのピーククリッピングは尚も約９６％の了解度をもたらす。いわゆる「センタークリッピング」は、了解度に対して特に重要である子音が削除されるために大幅に劣る。−２４ｄＢでのピーククリッピングは、同等の了解度を得るために約１４ｄＢの増幅しか必要としない。１９６０年３月の「Speech Monographs 」に掲載されたエルウッド・クリスティンガー（Elwood Kretsinger ）等による「The Use of Fast Limiting to Improve the Intelligibility of Speech in Noise」と題された文献は、子音は母音より約１２ｄＢ弱いことを開示している。従って、母音に対して子音を増幅することにより、オーディオ信号における音声の了解度が上昇する。クリッパを高速ピークリミッタ（２２msec）に交換することにより、了解度を更に向上させることが可能となる。−１０ｄＢでの制限においては、了解度は５６％から８４％に増大する。
【０００６】
１９７０年６月の「Journal of the Audio Engineering Society」に掲載されたイアン・トーマス（Ian Thomas）等による「The Intelligibility of Filtered-Clipped Speech in Noise 」と題された文献を参照すると、第１の共振周波数が非常に重要である一方、音声を含むオーディオ信号の基本波は音声了解度に対してほとんど寄与しないことが知られる。このため、信号はクリッピングの前に高域通過フィルタによりフィルタリングされるべきである。
【０００７】
音声通信と処理に関する１９７２年のＩＥＥＥ会議の議事録においてイアン・トーマス等による「Intelligibility Enhancement Through Spectral Weighting」と題された文献を参照すると、クリッピングは音声の了解度を向上すると同時に信号品質を低下させることが知られている。従って、上記の公開文献は、信号エネルギーを有効な周波数範囲に変換することを提案している。
【０００８】
米国特許第５，４７９，５６０号は、オーディオ信号を多数の周波数帯域へ分割し、且つ高域周波数帯域を比較的強く増幅する一方、他の周波数帯域を低下させる提案を開示している。上記の方法は、音声が一連の音素から構成されるという事実に基づいて提案されている。音素は、口腔や喉頭の共振周波数でかなりの増幅を受けた複数の周波数から成る。この種のスペクトルピークを有する周波数帯域はフォルマントと呼ばれる。フォルマントは音素すなわち音声を認識する上で特に重要である。従って、音声了解度を向上させる提案の１つには、中域の谷間を減衰する一方でオーディオ信号の周波数スペクトルのピーク（フォルマント）を増幅することである。成人男性の場合、音声の基本周波数は約６０Ｈｚ〜２５０Ｈｚの範囲であり、最初の４つのフォルマントは、５００Ｈｚ、１，５００Ｈｚ、２，５００Ｈｚ及び３，５００Ｈｚに存在する（米国特許第５，４５９，８１３号参照）。
【０００９】
米国特許第４，４５４，６０９号において開示された提案は、主に子音を増幅させることである。
最後に、米国特許第５，５５３，１５１号はいわゆる「順向マスキング」を説明している。ここでは、弱い子音は先行の強い母音によって一時的にマスクされる。上記の公開文献は、約１０ミリ秒の「立ち上り時間」と約７５〜１５０ミリ秒の「立ち下り時間」による比較的高速のコンプレッサを提案する。
【００１０】
オーディオ信号中の音声の了解度を向上するための既知のシステムにおける本来の問題はそれらのシステムの複雑性が比較的高く、個々のアルゴリズムを計算するソフトウェア及びハードウェアの双方の要件における高度な複雑性が存在することを意味する。これに対して、より単純なシステムでは、オーディオ信号は音声がもはや自然に聞こえない程修正されてしまう。更に、向上した了解度に対しても機能し得るより単純なシステムでは、特定の妨害が音声信号に付与され得る。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、複雑性を軽減する一方、音声が自然に聞こえることを可能にする、オーディオ信号の音声品質を向上させるための回路を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、請求項１に記載の発明は、オーディオ信号の周波数成分及び振幅成分の少なくともいずれか一方が所定の変数によって修正され、音声を含むオーディオ信号の了解度を向上するための回路であって、前記オーディオ信号は高域通過フィルタを通過した後、特定の処理セグメントにおいて所定の係数ｇにより増幅され、前記高域通過フィルタのコーナー周波数ｆ_cは、前記処理セグメントの後のオーディオ信号の振幅が前記処理セグメントの前のオーディオ信号の振幅と同等であるか又は比例するように、調整可能であり、前記コーナー周波数ｆ _c は、入力信号の振幅が処理セグメントの出力における出力信号の振幅より大きい場合は常に低下させられ、小さい場合は常に上昇させられることを要旨とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の回路において、前記係数はｇ＞＝１であるように選択されることを要旨とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の回路において、前記係数ｇは１．５〜４．０の範囲に概ね入るように選択されることを要旨とする。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の回路において、前記コーナー周波数ｆｃの変化は、好適にはＨｚきざみで増分的に進行することを要旨とする。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の回路において、前記コーナー周波数ｆｃは、約１００Ｈｚ〜１ＫＨｚの範囲で可変的であることを要旨とする。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の回路において、低域コーナー周波数ｆｃは約１００Ｈｚ〜１２０Ｈｚの範囲内にあることを要旨とする。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の回路において、低域通過フィルタは可変高域通過フィルタの前に接続されることを要旨とする。
【００１９】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の回路において、前記低域通過フィルタは約６ＫＨｚのコーナー周波数を有することを要旨とする。
請求項９に記載の発明は、オーディオ信号の周波数成分及び振幅成分の少なくともいずれか一方が所定の変数によって修正され、音声を含むオーディオ信号の了解度を向上するための回路であって、前記オーディオ信号は高域通過フィルタ（２０）を通過した後、特定の処理セグメントにおいて所定の係数ｇにより増幅され、前記高域通過フィルタ（２０）のコーナー周波数ｆ _c は、前記処理セグメントの後のオーディオ信号（２）の振幅が前記処理セグメントの前のオーディオ信号の振幅と同等であるか又は比例するように、調整可能であり、比較器は前記コーナー周波数ｆｃを修正するために可変高域通過フィルタの１つの制御入力に接続され、処理セグメントの入力信号は前記比較器の一方の入力に印加され且つ処理セグメントの出力信号は前記比較器の他方の入力に印加されることを要旨とする。
【００２０】
請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の回路において、可変高域通過フィルタと比較器の出力との間に積算器が接続されることを要旨とする。
請求項１１に記載の発明は、請求項９に記載の回路において、コーナー周波数ｆｃをステップだけ増分するためのデジタル回路が可変高域通過フィルタの制御入力と比較器の出力との間に設けられることを要旨とする。
【００２２】
請求項１２に記載の発明は、請求項９乃至請求項１１のいずれか一項に記載の回路において、前記オーディオ信号はステレオ信号であり、左右のチャンネルに対応する入力信号の和が比較器の第１入力に伝送され、左右のチャンネルに対応する出力信号の和は比較器の第２入力に伝送されることを要旨とする。
【００２３】
本発明は本質的に、オーディオ信号を所定の係数により増幅し、且つオーディオ信号を高域通過フィルタによりフィルタリングすることによる提案に基づく。高域通過フィルタのコーナー周波数は、処理セグメントの終了時におけるオーディオ信号の振幅が処理セグメントの入力におけるオーディオ信号の振幅と同等であるか比例するように調整される。
【００２４】
本回路は、了解度にほとんど寄与しないが最も高いエネルギーを有する音声信号の基本波を減衰させ且つオーディオ信号の残りの信号スペクトルを相対的に上昇させることを可能にする。更に、いわゆる「逆向マスキング」を低減させるために、子音から母音への遷移範囲（低振幅及び高周波）において、（高振幅及び低周波である）母音の振幅を低下させることが可能である。これを達成するために、全信号は係数ｇだけ上昇される。この係数は信号改善効果の強度を制御し、係数ｇに使用可能な値は約１．５〜４．０の間の範囲にある。本発明に従った回路は、オーディオ信号の振幅（又はエネルギー）が変化しないように、高域周波数成分を上昇させる一方、低周波の基本波を同じ程度で低減する。小さい振幅、即ち子音の信号成分に関連して、本発明に従った回路は、可変高域通過フィルタのコーナー周波数を低下させることが可能である。このために、入力信号に対する制御要素にオフセットが加えてもよく、同オフセットは入力側オーディオ信号のピーク振幅に対して一定であるか又は比例している。
【００２５】
本発明による別例では、オーディオ信号における高域周波数の信号成分が低下される。可変高域通過フィルタの前の低域通過フィルタは信号の妨害を抑制することが可能になる。
【００２６】
本発明による別例では、音声の最低周波数が約２００Ｈｚであるため、可変高域通過フィルタのコーナー周波数ｆｃは低域に制限される。約１００Ｈｚ〜１２０Ｈｚの範囲の低域コーナー周波数は有用であると証明された。
【００２７】
以下の説明は、図に示した例に基づく本発明に従った回路を説明する。
添付の図面に記載された参照番号は、他の提示がない限り、同意義である同じ成分を示す。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に従った回路の機能的な原理を示す。同回路は、そのコーナー周波数ｆ_cが修正可能である可変高域通過フィルタ２０を有する。このために、可変高域通過フィルタ２０は、制御信号が印加される制御入力２１を有し、コーナー周波数ｆ_cを修正する。修正されるべきオーディオ信号は、低域通過フィルタ１０を通り上記の可変高域通過フィルタ２０に伝送されることが好適である。入力端子１はオーディオ信号を印加するために設けられる。低域通過フィルタ１０は必ずしも必要ではないが、オーディオ信号の信号妨害を除去するという点で有効である。増幅器３０は可変高域通過フィルタ２０の出力に位置し、同増幅器は可変高域通過フィルタ２０の出力信号を係数ｇだけ増幅する。この係数ｇは調整可能であり、約１．５〜４．０の間の範囲であることが好適である。増幅係数は一度設定されたならば、変更されないことが好適である。可変高域通過フィルタ２０、増幅器３０及び任意の低域通過フィルタ１０から構成される全体的な処理セグメントは出力端子２を有し、その出力端子２からは処理されたオーディオ信号が出力信号として受信され得る。
【００２９】
本発明によると、可変高域通過フィルタ２０のコーナー周波数ｆ_cの制御は、オーディオ信号の音声了解度を向上させるための以下の方法で実施される。同回路の入力１における入力信号の振幅（即ちエネルギー）が送信パスの出力２における振幅（即ちエネルギー）より大きい場合、コーナー周波数ｆ_cは低下し、逆の場合は上昇する。入力１及び出力２における振幅が同等であるか所定の係数で比例している場合、コーナー周波数の更なる修正は実行されない。
【００３０】
図２は図１の回路の別例である。図２では、出力側に接続された積算器４０を備えた比較器３６が設けられ、スケール係数Ｋｉは積算器４０の入力側に接続されている。積算器４０の出力端子は、可変高域通過フィルタ２０の制御入力２１に接続される。比較器３６は２つの入力端子３４，３５を有し、伝送経路の入力信号は第１端子３４に印加され、伝送経路の出力信号は第２端子３５に印加される。
【００３１】
図３の回路は、積算器４０がデジタル回路６０に置き換えられている点で図２の回路とは異なる。デジタル回路６０では、コーナー周波数ｆ_cは、比較器３６の出力における出力信号ｘｃが０未満であるか０を超えるかに依存して、比較器３６からの出力信号の関数とした増分ｄだけ上昇又は低下される。
【００３３】
図１〜３における本発明に従った回路は、オーディオ信号の基本波を低減し、残りの信号成分を増大することを可能にする。この機能は可変高域通過フィルタ２０によって達成される。
【００３４】
音声信号において子音が母音に後続する事象では、回路は以下のように機能する。母音は低周波及び高振幅を有し、反対に、子音は高周波及び低振幅を有する。本発明による回路では、増幅係数ｇが６ｄＢの増幅を達成するように調整される。上記の低周波の母音に基づき、可変高域通過フィルタ２０のコーナー周波数はこの低周波に合わせて調整される。従って、選択された増幅は６ｄＢであるが、基本波は出力振幅がオーディオ信号の入力振幅と等しくなる点まで低下される。そして（より高い周波数である）子音が母音に後続する場合、高域通過フィルタ２０のコーナー周波数が母音の低周波に設定されているため、子音は６ｄＢ上昇される。子音が母音によってマスクされる度合いが小さくなる。数ミリ秒が経過した時のみコーナー周波数ｆ_cが増加し、それによって子音も同時に低下し、その結果、入力信号の振幅は処理セグメントの出力信号の振幅と等しくなる。
【００３５】
子音から母音への遷移の間、図１における本発明に従った回路は以下のように機能する。高域通過フィルタ２０は子音の周波数に合わせて調整される。入力信号の振幅は出力信号の振幅に対応する。そして母音（低周波）が後続する場合、一時的な遷移の間に、母音は高域通過フィルタ２０の比較的高いコーナー周波数ｆ_cにより減衰され、子音は結果的にマスクされない。数ミリ秒が経過した時のみ、コーナー周波数ｆ_cは入力信号の振幅が出力信号の振幅に相当するようにループの動作時間に基づいて調整される。
【００３６】
最後に、以下のことに留意されたい。ステレオ信号では、上記に説明したようにそれ自体の制御に使用する各々のチャンネルを有することや、共通の制御を使用し得る複数のチャネルを有することも可能である。この場合、例えば（図５を参照すると）、Ａｂｓ（Ｉｎｐｕｔ＿Ｌｅｆｔ）＋Ａｂｓ（Ｉｎｐｕｔ＿Ｒｉｇｈｔ）が入力３４に印加され、Ａｂｓ（Ｏｕｔｐｕｔ＿Ｌｅｆｔ）＋Ａｂｓ（Ｏｕｔｐｕｔ＿Ｌｅｆｔ）が入力３５に印加される。オーディオ経路（高域、低域、ゲイン）は、左右別々に算出されるが、高域通過フィルタは同じコーナー周波数ｆ_cを有する。
【００３７】
【発明の効果】
複雑性を軽減し且つ音声が自然に聞こえることを可能にするオーディオ信号の音声品質を向上させるための回路を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】オーディオ信号の音声了解度を向上するための回路の機能的な原理を示す図。
【図２】図１の回路の別例を示す図。
【図３】図１の回路の別の別例を示す図。
【図５】本発明に従った回路の第４の別例を示す図。
【符号の説明】
１…入力、２…出力、１０…低域通過フィルタ、２０…高域通過フィルタ、２１…制御入力、３４…第１入力、３５…第２入力、３６…比較器、４０…積算器、６０…デジタル回路。

Claims

オーディオ信号の周波数成分及び振幅成分の少なくともいずれか一方が所定の変数によって修正され、音声を含むオーディオ信号の了解度を向上するための回路であって、
前記オーディオ信号は高域通過フィルタ（２０）を通過した後、特定の処理セグメントにおいて所定の係数ｇにより増幅され、前記高域通過フィルタ（２０）のコーナー周波数ｆ_cは、前記処理セグメントの後のオーディオ信号（２）の振幅が前記処理セグメントの前のオーディオ信号の振幅と同等であるか又は比例するように、調整可能であり、前記コーナー周波数ｆ _c は、入力信号の振幅が処理セグメントの出力における出力信号の振幅より大きい場合は常に低下させられ、小さい場合は常に上昇させられることを特徴とする回路。
前記係数はｇ＞＝１であるように選択されることを特徴とする請求項１に記載の回路。
前記係数ｇは１．５〜４．０の範囲に入るように選択されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回路。
前記コーナー周波数ｆ _c の変化は、好適にはＨｚきざみで増分的に進行することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の回路。
前記コーナー周波数ｆ _c は、約１００Ｈｚ〜１ＫＨｚの範囲で可変的である請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の回路。
低域コーナー周波数ｆ _c は約１００Ｈｚ〜１２０Ｈｚの範囲内にあることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の回路。
低域通過フィルタ（１０）は可変高域通過フィルタ（２０）の前に接続されることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の回路。
前記低域通過フィルタ（１０）は約６ＫＨｚのコーナー周波数を有することを特徴とする請求項７に記載の回路。
オーディオ信号の周波数成分及び振幅成分の少なくともいずれか一方が所定の変数によって修正され、音声を含むオーディオ信号の了解度を向上するための回路であって、
前記オーディオ信号は高域通過フィルタ（２０）を通過した後、特定の処理セグメントにおいて所定の係数ｇにより増幅され、前記高域通過フィルタ（２０）のコーナー周波数ｆ _c は、前記処理セグメントの後のオーディオ信号（２）の振幅が前記処理セグメントの
前のオーディオ信号の振幅と同等であるか又は比例するように、調整可能であり、
比較器（３６）は前記コーナー周波数ｆ _c を修正するために可変高域通過フィルタ（２０）の１つの制御入力（２１）に接続され、処理セグメントの入力信号は前記比較器（３６）の一方の入力（３４）に印加され且つ処理セグメントの出力信号は前記比較器（３６）の他方の入力（３５）に印加されることを特徴とする回路。
可変高域通過フィルタ（２０）と比較器（３６）の出力との間に積算器（４０）が接続されることを特徴とする請求項９に記載の回路。
コーナー周波数ｆ _c をステップ（ｄ）だけ増分するためのデジタル回路（６０）が可変高域通過フィルタ（２０）の制御入力（２１）と比較器（３６）の出力との間に設けられることを特徴とする請求項９に記載の回路。
前記オーディオ信号はステレオ信号であり、左右のチャンネルに対応する入力信号の和が比較器（３６）の第１入力（３４）に伝送され、左右のチャンネルに対応する出力信号の和は比較器（３６）の第２入力（３５）に伝送されることを特徴とする請求項９乃至請求項１１のいずれか一項に記載の回路。