エコー除去

エコー除去とは

エコー除去は、音声通信において、話者の声が受話器から再び話者に返ってくる反響（エコー）を解消する技術です。これにより、より自然な通話や、ハウリングの防止が実現します。また、音楽分野においては、録音された音源から残響を取り除く技術全般を指します。

エコー除去の原理

エコー除去は、元の信号から遅延を伴う繰り返しパターン、つまりエコーを検出し、そのエコーを元の信号から差し引くことで除去します。リアルタイム処理のためには、一般的にデジタルシグナルプロセッサ（DSP）が使用されますが、汎用プロセッサ上のソフトウェアで実装されることもあります。

エコー除去には、エコーサプレッサとエコーキャンセラ、またはその両方が利用されます。エコーには、音響エコーとハイブリッドエコーの2種類が存在します。

エコー除去の歴史

電話におけるエコーは、一般的な反響と同様の現象です。話者の声が反射して話者に返ってくることで、不快な雑音として認識されます。反射には遅延の大きいものと小さいものがあり、遅延が大きいほど不快感が増します。

初期の電気通信では、人間の会話の特性を利用したエコーサプレッサがエコー除去に用いられていました。これは、会話中に両者が同時に話すことが少ないという特性に基づき、信号レベルの大きい方の通信路を優先し、逆方向の通信路の信号を減衰させる方式でした。しかし、この方式では完全なエコー除去は難しく、両方向で同時に話した場合や、相手の返答が早い場合には、減衰によって音声が途切れてしまうという問題がありました。

1950年代には、エコーサプレッサの問題点を解決するためにエコーキャンセラが開発されました。当初は人工衛星通信の長い遅延に対応するために開発され、理論的には1960年代初頭に完成しましたが、実際に実用化されたのは1970年代後半、電子工学技術が進歩してからでした。エコーキャンセラのコンセプトは、話者の信号からエコーを予測して合成し、逆方向の通信路の信号から差し引くというものです。

デジタル信号処理の進化により、エコーキャンセラは小型化・低価格化され、1990年代には電話交換機に組み込まれるようになりました。これにより、通話ごとにエコー除去の有無を自動的に選択できるようになり、音声とデータの区別も不要になりました。

音響エコー

音響エコーは、スピーカーから出力された音声が、近くにあるマイクロフォンに拾われてしまうことで発生します。例えば、受話器のスピーカーからの音声が、同じ受話器のマイクに拾われるケースなどがあります。音響エコーは、直接音響経路エコーと、周囲の環境によって特性が変化したエコーに分類されます。

周囲の環境によって変化するエコーは、音の周波数成分が吸収されたり、反射の強さが異なったりすることで、元の信号とは音色が変化してしまいます。また、部屋での音の反射は様々な遅延を生じさせ、残響の原因となります。

音響エコーは、常に遅延を伴うため、耳障りなものとして認識されます。

ハイブリッドエコー

ハイブリッドエコーは、公衆交換[[電話網]]において、ハイブリッドと呼ばれる機器での電気エネルギーの反射によって生じます。ハイブリッドは、電話機への2線式リンクと網内の4線式リンクのインターフェースとなる変換器です。ハイブリッドは通信経路に2つ存在し、近い方で生じるエコーは遅延が小さく、遠い方で生じるエコーは遅延が大きいという特徴があります。

エコーサプレッサ

エコーサプレッサは、音声信号が流れている方向を検出し、逆方向の通信路を減衰させることでエコーを抑制します。一般的には、近い方で音声が発生したとき、遠い方の通信路を減衰させます。これにより、話者が自分の音声を聞くことを防ぐことができます。

しかし、エコーサプレッサには以下のような問題点があります。

同時会話：双方が同時に話した場合、両方の通信路が減衰されてしまう。
クリッピング：音声の立ち上がりが減衰されてしまい、最初の音が聞こえなくなることがある。
環境音：相手が騒がしい環境にいる場合、相手の音声だけでなく騒音も減衰させてしまうため、通話が途切れたように感じることがある。

エコーキャンセラ

エコーキャンセラは、受信音声信号をデジタル的に標本化し、参照信号とします。そして、マイクロフォンが拾った音声をエコー信号としてデジタル標本化し、参照信号と比較することでエコーを特定し、除去します。理想的な状態では、参照信号とエコー信号は同じになるため、180°位相をずらしたエコー信号を合成することで、エコー信号を完全に除去できます。

しかし、エコーキャンセラには以下の2つの大きな問題があります。

エコー信号の変質：スピーカー、マイクロフォン、周囲の空間などの特性によってエコー信号が変化する。
* エコー信号の特性変化：エコー信号の変質特性は時間とともに変化する。

これらの問題に対処するために、音響空間を時系列領域と周波数領域でモデル化し、音響エコー除去アルゴリズムを適用することで、次のサンプルを予測します。さらに、非線形処理（NLP）を用いることで、より高度なエコー除去を実現します。

エコー除去の欠点

エコーサプレッサは、正しい信号まで削除してしまうという副作用があり、クリッピングという現象を引き起こします。理想的な状態ではエコーキャンセラだけで十分なエコー除去が可能ですが、現実にはエコーサプレッサとエコーキャンセラを組み合わせて使用することで、より効果的なエコー除去を実現しています。

モデムにおけるエコー除去

電話回線を使ったモデム通信では、エコー除去機能が働くとデータが破損する可能性があります。そのため、一部の電話機器では、特定の周波数のトーンを検出するとエコー除去機能を停止させるようになっています。しかし、近年のモデムでは内部にエコーキャンセラが搭載されており、より効率的なデータ通信が可能になっています。

デジタル加入者線（DSL）においても、自動的なエコー除去が行われています。特に、スペクトルオーバーラップ伝送方式では、エコーキャンセラによる信号の分離が不可欠です。

まとめ

エコー除去技術は、音声通信の品質を向上させるために不可欠な技術です。エコーサプレッサとエコーキャンセラはそれぞれ特徴があり、組み合わせることでより効果的なエコー除去が可能になります。また、モデム通信においても、エコー除去は重要な役割を果たしています。これらの技術を理解することで、より快適な通信環境を構築することができます。

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