WO2007029796A1 - Band extending device, band extending method, band extending program - Google Patents

Band extending device, band extending method, band extending program Download PDF

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WO2007029796A1
WO2007029796A1 PCT/JP2006/317795 JP2006317795W WO2007029796A1 WO 2007029796 A1 WO2007029796 A1 WO 2007029796A1 JP 2006317795 W JP2006317795 W JP 2006317795W WO 2007029796 A1 WO2007029796 A1 WO 2007029796A1
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WO
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band
frequency
signal
spectrum
extension
Prior art date
Application number
PCT/JP2006/317795
Other languages
French (fr)
Japanese (ja)
Inventor
Mitsuya Komamura
Takashi Mitsuhashi
Original Assignee
Pioneer Corporation
Techexperts Incorporation
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pioneer Corporation, Techexperts Incorporation filed Critical Pioneer Corporation
Priority to JP2007534478A priority Critical patent/JP4627548B2/en
Publication of WO2007029796A1 publication Critical patent/WO2007029796A1/en

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    • GPHYSICS
    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10LSPEECH ANALYSIS TECHNIQUES OR SPEECH SYNTHESIS; SPEECH RECOGNITION; SPEECH OR VOICE PROCESSING TECHNIQUES; SPEECH OR AUDIO CODING OR DECODING
    • G10L21/00Speech or voice signal processing techniques to produce another audible or non-audible signal, e.g. visual or tactile, in order to modify its quality or its intelligibility
    • G10L21/02Speech enhancement, e.g. noise reduction or echo cancellation
    • G10L21/038Speech enhancement, e.g. noise reduction or echo cancellation using band spreading techniques

Definitions

  • the present invention relates to a band extension that extends the frequency band of a digital signal such as an audio signal.
  • the oversampling type low-pass filter is used as the original audio signal. Filters to attenuate components above the sampling frequency f S of approximately 12 or more.
  • the nonlinear processing circuit generates a harmonic component by applying nonlinear processing to the output of the oversampling mouth-and-mouth pass-fill, and outputs a digital 'audio signal containing this harmonic component.
  • a high pass filter filters the digital audio signal to generate a high frequency component, ie, an extended band component. This high-frequency component is added to the output of the oversampling low-pass filter, thereby generating a signal with an expanded frequency band.
  • the nonlinear processing circuit since the nonlinear processing circuit performs non-linear processing, it generates not only harmonic components but also cross modulation components such as chord components and difference sound components of a plurality of frequency components. There is a problem that it is a component unrelated to the frequency component of the original signal and degrades the signal quality.
  • non-patent literature H. Yasukawa, “Spectrum Broadening of Telephone Band Signals Using Multirate Processing for Speech Quality Enhancement,” IEICE Transactions on
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of the bandwidth extension device 100 disclosed in this non-patent document.
  • This band extension device 100 is composed of an up sam- pler 10 1, a high-pass filter (HPF) 1 0 2 A, a shaping filter 1 0 3 A, a level adjuster 1 0 4 A, a low-pass filter ( LPF) 1 0 2 B, delay unit 1 0 3 B, level adjuster 1 0 4 B and adder 1 0 5
  • Upsampler 1 ⁇ 1 upsamples the input signal at twice the rate. For example, if upsampling is performed on an input signal with the frequency spectrum ( ⁇ : angular frequency) shown in Fig. 2A at a double rate, the upsampling signal with the frequency spectrum shown in Fig. 2 Generated.
  • Low pass filter 1 0 2 B generates a baseband component by filtering the up-sampling signal supplied from the up-sampler 10 1.
  • the base spanned component is delayed by the delay unit 1 0 3 B, level-adjusted by the level adjuster 1 0 4 B, and then supplied to the adder 1 0 5.
  • a low-pass filter with a passband of I ⁇ ⁇ 2 1 0 2 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ filters the upsampling signal shown in Fig. 2 ⁇
  • the spectrum shown in Fig. The baseband component possessed is obtained.
  • the high-pass filter 10 2 ⁇ filters the up-sampling signal supplied from the up-sampler 1 0 1 to generate an extended band component.
  • This extended band component is shaped by the shaping filter 10 3 A, level-adjusted by the level adjuster 1 0 4 A, and then supplied to the adder 1 0 5.
  • the adder 1 0 5 generates a band extension signal by adding the extension band component supplied from the level adjuster 1 0 4 A to the baseband component supplied from the level adjuster 1 0 4 B.
  • a high-pass filter with a passband of I ⁇ I> ⁇ 2 1 0 2 ⁇ filters the upsampling signal shown in Fig. 2 ⁇ , the spectrum shown in Fig. 2D
  • this extended band component and the baseband component of FIG. 2C are added, a band extended signal having the spectrum shown in FIG. 2E is generated.
  • the extended band component is not smoothly connected. Since the spectrum of the extended band component is inverted with respect to the spectrum of the base band component, the level adjusters 1 0 4 ⁇ and 1 0 4 ⁇ There is also a problem that it is difficult to adjust each level of the component and the extended band component to an appropriate level. Therefore, it is difficult to generate a high-quality, natural sound quality band extension signal with the technology of the above non-patent document.
  • an object of the present invention is to provide a bandwidth extension device, a bandwidth extension method, and a bandwidth extension program that can generate a high-quality bandwidth extension signal without using nonlinear processing.
  • the band extending apparatus extends the frequency band of an input signal.
  • the band extension apparatus performs baseband processing on the input signal, generates a baseband signal limited to a predetermined frequency band by filtering the upsampled signal, and the input band.
  • An extension band processing unit that generates an extension band component from a force signal; and a mixing unit that mixes the baseband signal with the extension band component.
  • the extension band processing unit includes the input signal or the input signal.
  • a spectrum inversion unit that inverts the spectrum of the band signal obtained from the above to generate an inverted signal, an upsampling unit that performs a cap sampling on the inverted signal, and a filter that filters the output of the upsampler as described above.
  • the component of the frequency band whose lower end is the same frequency as the frequency of the upper end of the frequency band of the baseband signal And a band pass filter generated as an extended band component.
  • the band extending method extends the frequency band of the input signal.
  • (a) upsampling is performed on the input signal, and fill-up ringing is performed on the upsampled signal.
  • the step (b) includes: (b 1 1) generating an inverted signal by inverting the spectrum of the input signal or a band signal obtained from the input signal, and (b-2) (B-3) Applying up-sampling to the inverted signal up-sampled in step (b_2), and applying the fill-up to the inverted signal up-sampled in step (b_2).
  • Generating, as the extension band component a frequency band component having a frequency that is substantially the same as the end frequency as a low frequency end.
  • the bandwidth extension program causes a processor to execute bandwidth extension processing for extending the frequency bandwidth of an input signal.
  • the band extension processing includes baseband processing for generating a baseband signal limited to a predetermined frequency band by performing upsampling on the input signal and filtering the upsampled signal, and the input An extension band process for generating an extension band component from a signal, and a mixing process for mixing the extension band component with the base spanned signal, wherein the extension band process is obtained from the input signal or the input signal.
  • Spectral inversion processing that inverts the spectrum of the band signal to generate an inverted signal
  • up-sampling processing that performs up-sampling on the inverted signal
  • filtering the output of the up-sampler results in the baseband.
  • the component of the frequency band that has the same frequency as the low frequency end of the high frequency end of the signal frequency band.
  • Serial includes a filter processing for generating as an extended band component, a.
  • Fig. 1 is a diagram schematically showing the configuration of a conventional bandwidth extension device.
  • 2A to 2E are diagrams schematically showing a frequency spectrum for explaining a conventional band extension method.
  • FIG. 3 is a functional block diagram schematically showing the configuration of the bandwidth extension apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • 4A to 4C are diagrams schematically showing a frequency spectrum for explaining the band expansion method of the first embodiment.
  • FIG. 5A to FIG. 5E are diagrams schematically showing a frequency spectrum for explaining the band expansion method of the first embodiment.
  • 6A and 6B are diagrams schematically showing a frequency spectrum for explaining the bandwidth extension method of the first embodiment.
  • FIGS. 7A and 7B are diagrams showing the frequency spectrum of the band extension signal generated according to the band extension method of the first embodiment and the frequency spectrum of the original signal
  • FIG. FIG. 5 is a diagram showing a frequency spectrum for explaining another example of a method for calculating a mixing coefficient
  • FIG. 9 is a diagram for explaining still another example of the calculation method of the mixing coefficient
  • FIG. 10 is a functional block diagram schematically showing the configuration of the bandwidth extension apparatus according to the second embodiment of the present invention.
  • FIGS. 11-8 to 11D are diagrams schematically showing a frequency spectrum for explaining the bandwidth expansion method of the second embodiment.
  • FIGS. 12A and 12B are diagrams schematically showing a frequency spectrum for explaining the bandwidth expansion method of the second embodiment.
  • FIG. 13 is a functional block diagram schematically showing the configuration of the bandwidth extension apparatus according to the third embodiment of the present invention.
  • FIGS. 14A to 14F are diagrams schematically showing a frequency spectrum for explaining the band extending method of the third embodiment.
  • FIG. 15 is a functional block diagram schematically showing the configuration of the bandwidth extension apparatus according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a diagram schematically showing the configuration of the mixing unit used in the bandwidth extension apparatus of the fourth embodiment.
  • FIGS. 17-8 to 17D are diagrams schematically showing frequency vectors for explaining the bandwidth extension method of the fourth embodiment.
  • FIGS. 18A to 18G are diagrams schematically showing a frequency spectrum for explaining the band expansion method of the fourth embodiment.
  • 19A to 19C are diagrams showing various application examples.
  • FIG. 3 is a functional block diagram schematically showing the configuration of the bandwidth extension apparatus 1 of the first embodiment according to the present invention.
  • the bandwidth expansion device 1 includes a baseband processing unit 10, a coefficient determination unit 20, an expansion bandwidth processing unit 30, and a mixing unit 40.
  • the baseband processing unit 10 performs upsampling on the sequence of the input signal X (n) (n is an integer)
  • a baseband signal x L (n) limited to a predetermined frequency band is generated by filtering the upsampled signal sequence.
  • the input signal X (n) is a digital signal such as an audio signal.
  • the basepand processing unit 10 includes an upsampler 11, a low-pass filter (LPF) 12, and a delay device 13.
  • Upsampler 1 1 generates a sequence of upsampled signals xu (n) by upsampling the sequence of input signals X (n) at a rate N times (N is an integer greater than or equal to 2), ie a factor of N .
  • the low-pass filter 12 has a pass band of I ⁇ I ⁇ / ⁇ ( ⁇ is the angular frequency), and the filter sequence is applied to the sequence of the up-sampling signal xu (n).
  • a sequence of filter signals x L (n) limited to the frequency band of ⁇ ⁇ is generated.
  • Delay device 13 delays filter signal x L (n) by a predetermined delay time and outputs the delayed signal as a baseband signal.
  • Figures 4A to 4C illustrate the frequency spectrum when N is "2".
  • the upsampler 1 1 upsamples the input signal X (n) at a double rate, or a factor of 2, and An upsampling signal x u (n) having a frequency spectrum shown in FIG.
  • the low-pass filter 12 filters the upsampling signal xu (n) in Fig. 4B to generate a filter signal (n) limited to the frequency band of ⁇ 2 to 10 Tt / 2. .
  • the extended band processing unit 30 has a function of generating an extended band component z B (n) from the sequence of the input signal X (n).
  • the extended band processing unit 30 includes a high-pass filter (HPF) 31, a down sampler 32, a spectrum inversion unit 33, and an up sampler. 34 and a band pass filter (BPF) 35.
  • the high-pass filter 31 has a pass band (second frequency band) of I ⁇ ⁇ > ⁇ 2, and filters the sequence of the input signal X ( ⁇ ) to generate a sequence of the filter signal ⁇ ( ⁇ ) .
  • the downsampler 32 then downsamples the sequence of fill signals x H (n) at a rate of 2 or a factor of 2 and converts the downsampled signal or sequence of band signals x D (n). Generate.
  • Figures 5A to 5B illustrate frequency spectra.
  • the high-pass filter 31 with a pass band of I ⁇ I> ⁇ 2 is a filter with the frequency spectrum shown in Fig. 5 ⁇ .
  • An evening signal x H (n) is generated.
  • the downsampler 32 also performs downsampling on the filter signal x H (n) at a rate of 1/2, that is, a factor of 2, so that the downsampling signal x having the frequency spectrum shown in FIG. D (n) is generated.
  • Spectrum inverter 33 inverts the spectrum of the down-sampling signal x D (n) to generate an inverted signal z D (n).
  • “spectrum inversion” means that the frequency spectrum of a signal is shifted by an angular frequency of 7T. Since the signal obtained by inverting the polarity of every other downsampling signal x D (n) becomes the inverted signal z D (n), the signal between the down sampling signal x D (n) and the inverted signal z D (n) Is expressed by the following equation (1).
  • Equation (2) Z D (k) is obtained by shifting X D (k) by LZ2 point, that is, angular frequency 7C in the frequency domain. Therefore, “spectrum inversion” means that the frequency spectrum of the signal is shifted by the angular frequency ⁇ .
  • the upsampler 34 performs upsampling on the series of the inverted signal z D (n) at a rate of 2 ⁇ , that is, a factor of 2 ⁇ , so that the upsampled signal z u (n) Generate a series.
  • the bandpass filter evening 35 has a passband of 2 ⁇ / (2 XN) ⁇ I ⁇ I ⁇ 3 ⁇ no (2 XN), and fills the sequence of the upsampling signal zu (n). To generate a sequence of extended band components z B (n).
  • the frequency at the low band end (low band side end) of the band of this extended band component z B (n) is approximately equal to the frequency at the high band edge (high band side end) of the band of the baseband signal x L (n).
  • the filter characteristics of the bandpass filter 35 (passband Zone, stopband and cut-off frequency).
  • the frequency of the low band end of the extended band component z B (n) is approximately ⁇ 2 ⁇ (2 ⁇ )
  • the frequency of the high band end of the baseband signal x L (n) is also ⁇ Since the frequency is / ⁇ , both frequencies are almost the same.
  • Fig. 5 C to Fig. 5 ⁇ ⁇ illustrate frequency spectra when ⁇ is “2”.
  • the spectrum inversion unit 33 inverts the spectrum of the downsampling signal x D (n) shown in FIG. 5 to generate an inverted signal z D (n) having the spectrum shown in FIG. 5C.
  • the upsampler 34 upsamples the inverted signal z D (n) at a rate of 4 times, that is, a factor of 4, and generates the up sampled signal zu (n) having the spectrum shown in Fig. 5D. Generate.
  • ⁇ 3 4 applies an extended band with the spectrum shown in Fig.
  • the coefficient determination unit 20 is a processing block that calculates the frequency spectrum of the input signal X (n) and determines the mixing coefficient to be multiplied by the extension band component z B (n) based on the frequency spectrum.
  • the coefficient determination unit 20 includes an FFT unit (fast Fourier transform unit) 21, a spectrum calculation unit 22, and a coefficient calculation unit 23.
  • the FFT unit 21 calculates a signal sequence in the frequency domain by performing a fast Fourier transform on the sequence of the input signal X (n).
  • the spectrum calculation unit 22 calculates the frequency spectrum of the input signal X (n) based on the frequency domain signal sequence supplied from the FFT unit 21.
  • the coefficient calculation unit 23 calculates a linear or non-linear regression curve in the range of% / 2 to redundant frequency based on the frequency spectrum calculated by the spectrum calculation unit 22, and uses this regression curve.
  • the mixing coefficient can be calculated.
  • a linear regression line expressed by a linear function may be used as the regression curve.
  • components in the frequency band (second frequency band ⁇ 2 to ⁇ ) as shown in FIG. 5A are extracted from the input signal X (n), and these components are down-sampled and scanned.
  • the mixing unit 40 includes a multiplier 41 and an adder 42.
  • the multiplier 41 multiplies the mixing coefficient C (n) supplied from the coefficient determination unit 20 by the extension band component z B (n), and the adder 42 supplies the multiplication result from the baseband processing unit 10. Supplied Add to baseband signal.
  • a band extension signal y (n) is generated.
  • Figure 6B shows the frequency spectrum of the band extension signal y (n) when N is “2”.
  • This band extension signal y (n) is a signal obtained by mixing the baseband signal x L (n) of FIG. 4C with the extension band component z B (n) of FIG. 5E.
  • Fig. 7A is a graph illustrating the measured value of the frequency spectrum (horizontal axis: Hz) of the original signal when the sampling frequency fs is 1 1025 Hz
  • Fig. 7B is the band extension of the first embodiment
  • 5 is a graph illustrating the measured value of the frequency spectrum of the band extension signal obtained as a result of extending the frequency band of the original signal using the device 1.
  • Figure 7B shows that the baseband signal and the extended band component are smoothly connected.
  • the band extending apparatus 1 of the first embodiment inverts the spectrum of the band signal x D (n) obtained by down-sampling the band signal x H (n) whose frequency band is limited. . Further, the bandwidth extension device 1 up-samples the inverted signal z D (n) and filters the up-sampled signal zu (n) so that the frequency of the baseband signal x L (n) is obtained.
  • frequency [pi / New substantially the same frequency of the high frequency end of the band and to generate a component of extension band zeta to a low pass end beta (eta), such extension band component zeta beta (eta) is a baseband signal x Mixed with L (n).
  • band extension device 1 Since such a band extension device 1 inverts the spectrum of the band signal x D (n), compared to the conventional technology that does not perform spectrum inversion, the extension band component z B (n) and the baseband signal The connectivity with X! _ (N) is improved and the quality of the output signal y (n) can be improved.
  • the bandwidth extension device 1 is based on the frequency spectrum of the input signal X (n). Since the mixing coefficient C (n) to be multiplied by the extended band component z B (n) is calculated, the extended band component can be smoothly connected to the baseband signal and has a high-quality and natural frequency spectrum.
  • the band extension signal y (n) can be generated.
  • the second average L B > of the spectral values at multiple points in ⁇ ⁇ is calculated, and then the ratio between the first average L A > and the second average L B > is the mixing coefficient C (n). 1 is calculated.
  • FIG. 8 is a graph illustrating a frequency spectrum for explaining the calculation method.
  • the coefficient calculation unit 23 does not require a regression curve of the frequency spectrum, so the mixing coefficient C (n) can be calculated with a small amount of computation, and low power consumption is also realized. it can.
  • FIG. 9 is a functional block diagram schematically showing a configuration of a coefficient determination unit 20D that replaces the coefficient determination unit 20 shown in FIG.
  • the coefficient determination unit 20D includes band pass filters (BP F) 24A and 24B, square sum calculation units 25 A and 25 B, and a coefficient calculation unit 26.
  • the square sum calculators 25 ⁇ and 25 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ repeatedly calculate the square sums ⁇ 2 > and ⁇ 2 > of the outputs of the bandpass filters 24 ⁇ and 24 ⁇ , respectively, every predetermined sampling period ⁇ . For example, if the series of output values of the bandpass filter 24 A is A 1, A 2, A 3,..., the sum of squares A 2 > is (Al) 2 + (A2) 2 + (A3) 2 + ... Then, the coefficient calculation unit 26 calculates the square root value of the ratio of the sum of squares ( ⁇ 8 2 > ⁇ 8 2 » (1 is the mixing coefficient C (n).
  • the coefficient determination unit 20D does not require a Fourier transform and a frequency spectrum, and the bandpass filters 24 A and 24B do not necessarily have to be configured with an FIR filter (finite-length impulse response filter). It can be configured with an IIR filter (infinite length impulse response filter) with a small number of taps. Therefore, the coefficient determination unit 20D can calculate the mixing coefficient C (n) with a smaller amount of computation than the coefficient determination unit 20 of FIG. 3, and can realize low power consumption.
  • FIR filter finite-length impulse response filter
  • FIG. 10 is a functional block diagram schematically showing the configuration of the band extending apparatus 2 of the second embodiment. It should be noted that the components denoted by the same reference numerals in FIG. 10 and FIG. 3 are assumed to have the same function or the same configuration, and detailed description thereof is omitted.
  • the bandwidth expansion device 2 of the second embodiment includes a baseband processing unit 10, a coefficient determination unit 2 OA, and an expansion bandwidth processing unit 3 OA.
  • the baseband processing unit 10 performs upsampling on the sequence of the input signal X (n), and performs filtering on the upsampled signal sequence.
  • the baseband signal x L (n) limited to the frequency band of is generated.
  • the extension band processing unit 3 OA has a function of generating an extension band component z H (n) from the sequence of the input signal X (n).
  • the extended band processing unit 3 OA includes a spectrum inversion unit 33, an upsampler 36, and a band pass filter 37.
  • the spectrum inversion unit 33 inverts the spectrum of the input signal X (n) to generate an inverted signal z (n).
  • Upsampler 36 has an inverted signal Z at a rate N times or a factor of N
  • the sequence of (n) is upsampled to generate a sequence of upsampled signal zu (n).
  • the band pass filter 37 has a pass band of ⁇ / ⁇ ⁇ I ⁇ I ⁇ 2 TCZN, and the filter signal z which is an extended band component by filtering the sequence of the upsampling signal zu (n).
  • Generate a sequence of B (n). This extended band component z B (n) is supplied to the mixing unit 40.
  • FIG. 1 18 to FIG. 11 1D illustrate frequency spectra when N is “2”.
  • the spectrum inversion unit 33 inverts the spectrum of the input signal X (n), and the result shown in FIG. Generate an inverted signal z (n) with the frequency spectrum to be controlled.
  • the upsampler 36 performs upsampling on the series of the inverted signal z (n) at twice the rate, that is, a factor of 2, and the upsampling signal zu (n ) Is generated.
  • the band pass filter 37 has a pass band of ⁇ / l ⁇ ⁇ ⁇ , and generates an extended band component ⁇ ⁇ ( ⁇ ) having a frequency spectrum shown in FIG. 11D .
  • the coefficient determining unit 20 ⁇ has an FFT unit 21, a spectrum calculating unit 22, and a coefficient calculating unit 23 ⁇ .
  • the coefficient calculation unit 23 A is calculated by the spectrum calculation unit 22
  • a linear or non-linear regression curve can be calculated in the frequency range of 0 to 7 mm, and the mixing coefficient can be calculated using this regression curve.
  • a linear regression line expressed by a linear function may be used as the regression curve.
  • Figure 12A is a diagram you illustrate a frequency spectrum and regression curve L R of the input signal X (n).
  • the mixing coefficient C (n) may be calculated by applying the calculation methods shown in FIGS. 8 and 9 instead of the calculation method of the coefficient determining unit 20A.
  • the multiplier 41 multiplies the extension coefficient band component z B (n) by the mixing coefficient C (n) supplied from the coefficient determining unit 2OA, and the adder 42 This is added to the baseband signal supplied from the baseband processing unit 10.
  • a band extension signal y (n) is generated.
  • This band extension signal y (n) is a signal obtained by mixing the baseband signal with the extension band component z B (n) of FIG. 11D.
  • the band extending apparatus 2 of the second embodiment inverts the spectrum of the input signal X (n), up-samples the inverted signal z (n), and performs the up-sampled signal zu (n) Is applied to the baseband signal (n) to generate an extended band component ⁇ ⁇ ( ⁇ ) with the same frequency as the high frequency ⁇ of the baseband signal (n).
  • Such an extended band component ⁇ ⁇ ( ⁇ ) is mixed with the base spanned signal x L (n).
  • the band extension device 2 calculates the mixing coefficient C (n) to be multiplied by the extension band component z B. (N) based on the frequency spectrum of the input signal X (n), the band extension device 2 It can be smoothly connected to the baseband signal, and it is possible to generate a band extension signal y (n) with a high-quality and natural frequency spectrum.
  • FIG. 13 is a functional block diagram schematically showing the configuration of the bandwidth extension device 3 of the third exemplary embodiment. It should be noted that the components denoted by the same reference numerals in FIGS. 13 and 3 are assumed to have the same function or the same configuration, and detailed description thereof is omitted.
  • the bandwidth expansion device 3 of the third embodiment includes a baseband processing unit 10, a coefficient determination unit 20 B, a first expansion band processing unit 30, and a second expansion band processing unit 50. is doing.
  • the baseband processing unit 10 performs upsampling on the system of the input signal X (n) and filters the upsampled signal sequence to limit the baseband limited to a predetermined frequency band.
  • a panda signal x L (n) is generated.
  • the first extension band processing unit 30 has a function of generating a first extension band component z B (n) from the sequence of the input signal X (n).
  • the second extension band processing unit 50 includes an upsampler 51 and a band pass filter (BPF) 52.
  • the upsampler 5 1 upsamples the downsampling signal x D (n) sequence supplied from the downsampler 3 2 of the first extension band processing unit 30 at a rate of 2 XN times, that is, a factor of 2 XN.
  • the bandpass filter (BPF) 5 2 has a passband of 3% / (2 XN) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 4% / (2 ⁇ ) and filters the sequence of upsampled signals x U2 (n) To generate the second extended band component x B (n).
  • the baseband processing unit 10 outputs the baseband signal (n) having the spectrum shown in Fig. 14A.
  • the first extension band processing unit 30 outputs the first extension band component z B (n) having the spectrum shown in FIG. 14B.
  • the downsampler 3 2 of the first extension band processing unit 30 uses the downsampling signal x D (n) having the spectrum shown in FIG. 14C as the upsampler 5 1 of the second extension band processing unit 50.
  • the upsampler 51 generates the upsample signal x U2 (n) having the spectrum shown in FIG. 14D.
  • the band pass filter 52 has a pass band of 3 ⁇ 4 ⁇
  • the coefficient determination unit 20 ⁇ has substantially the same configuration and function as the coefficient calculation unit 23 in FIG. 3, and includes a first mixing coefficient C ( ⁇ ) and a second mixing coefficient C ( ⁇ ) 2 that is a square value thereof.
  • the first multiplier 41 ⁇ ⁇ multiplies the first extension band component z B (n) by the first mixing coefficient C (n) and supplies the multiplication result to the adder 43.
  • the second multiplier 41 B multiplies the second extension band component x B (n) by the second mixing coefficient C (n) 2 and supplies the multiplication result to the adder 43.
  • the adder 43 generates a band extension signal y (n) by adding the multiplication results to the baseband signal supplied from the base processing unit 10.
  • the band extension signal y (n) in Fig. 14F is replaced with the baseband signal x L (n) in Fig. 14A by the first extension band component z B (n) in Fig. 14B and the second extension in Fig. 14E.
  • This signal is a mixture of the band components B (n).
  • the band extension device 3 of the third embodiment adds the second extension band component x B (n) to the second extension band component x B (n) in addition to the configuration of the band extension device 1 (FIG. 3) of the first embodiment. Since the extended band processing unit 50 is provided, it is possible to obtain an output signal y (n) whose frequency band is further expanded.
  • FIG. 15 is a functional block diagram schematically showing the configuration of the bandwidth extension device 4 of the fourth exemplary embodiment. It should be noted that the components denoted by the same reference numerals in FIG. 15 and FIG. 3 are assumed to have the same function or the same configuration, and detailed description thereof is omitted.
  • the bandwidth extension device 4 of the fourth embodiment includes a baseband processing unit 10, a coefficient determination unit 20 C, a first extension band processing unit 30 C, a second extension band processing unit 50 C and a mixing unit.
  • FIG. 16 schematically shows the configuration of the mixing section 40C.
  • the baseband processing unit 10 performs upsampling on the sequence of the input signal X (n), and performs filtering on the upsampled signal sequence to limit the baseband to a predetermined frequency band.
  • the signal x L (n) is generated.
  • the first extension band processing unit 30C has a function of generating a plurality of first sub-band components..., Z N-1 as extension band components from the sequence of the input signal X (n).
  • the first extended band processing unit 30C includes a high-pass filter (HPF) 31, a down sam- ber 32, a spectrum inversion unit 33, and an up sam- ber 34, and a plurality of band pass filters each having a different pass band ( BPF) 35 1; .., 35 N-1 has a filter bank.
  • the k th (k is an integer from 1 to N—1) band pass filter 35 k has a pass band of 2 k TCZ (2N) ⁇ I ⁇ I ⁇ (2 k + 1) ⁇ / (2N) Yes.
  • These band-pass filters 35... 35 ⁇ -1 filter the upsampling signal z u (n) from the upsampler 34 to obtain a plurality of first subband components z, ..., z N-1 is generated and
  • the second expansion band processing unit 50C has an upsammbler 51, and each Have a filter bank composed of a plurality of band pass filter (BPF) 52 1; ..., 52 N ⁇ 1 .
  • the kth (k is an integer from 1 to N—1) bandpass filter 52 k has a passband of (2 k + 1) t / (2N) ⁇ I ⁇ I ⁇ (2 k + 2)% / (2N) Have.
  • the upsampler 5 1 applies the upsampling signal x U2 (n) to the series of downsampling signal x D (n) from downsampler 32 by upsampling by a factor of 2 XN, that is, a factor of 2 XN.
  • the bandpass filter 52 1; 52 N-1 applies a filter ring to the sequence of the up-sampling signal x U2 (n) to obtain a plurality of second subband components X, ..., x N whose frequency band is limited. ⁇ 1 is generated and supplied to the multiplication unit 44.
  • Bandpass filter 35 1? ..., 35 N-1 filter characteristics and bandpass filter 52 1; ..., 52 N-1 filter characteristics are the first and second subband components Z1 , z N-1 , X 15 ..., x N-1 are configured to be substantially continuous.
  • Band-pass filter 35 15 5 352, 52 2 ,..., 35 N-1 and 52 N-1 passbands are continuous. As a result, the frequency band of the band extension signal y (n) is not discontinuous and is continuously continuous.
  • the baseband processing unit 10 When an input signal X (n) having a spectrum is supplied as shown in Fig. 17 ⁇ , the baseband processing unit 10 generates a spectrum limited in the band from 0 to ⁇ 4 as shown in Fig. 17B.
  • the baseband signal x L (n) is output.
  • the downsampler 32 outputs a downsampling signal XD (n) having the spectrum shown in FIG.
  • the spectrum inversion unit 33 has the spectrum shown in FIG. Output inverted signal z D (n) with.
  • Coefficient determination unit 20 Also generates the same mixing coefficient C as the mixing coefficient C (n) given by the coefficient determination unit 20 in Fig. 3, and calculates the mixing coefficient of C 2 , C 3 , ..., C 2N — 2 To do. These mixing coefficient data CDs are supplied to the mixing section 40C.
  • the mixing unit 40 C includes first subband component multipliers 4 5 1; ..., 45 N ⁇ 1 and second subband component multipliers 46 1; ⁇ , With 46 ⁇ .
  • the first sub-band component multipliers 45 ⁇ 45 2 ,..., 45 N-1 are respectively input to the first sub-band components z l5 z 2 ,. 2> ⁇ , 45 N-1 is given multiplication coefficients C, C 3 , ⁇ , C 2N — 3 , respectively.
  • the multiplier 46 46 2 of the second sub-band components, ..., the 46 N-1, respectively, the second sub-band component x, x 2, ⁇ , x N-1 inputs and, the multipliers 46 46 2, ⁇ ⁇ ⁇ , the 46 N-1, respectively, the multiplication factor C 2, C 4, ⁇ , C 2N - 2 are given.
  • the adder 43 adds all outputs of the multipliers 45... 45 N ⁇ 1 , 46..., 46 N ⁇ 1 to the baseband signal to generate a band extension signal y (n).
  • an extended band component in which the first subband component and the second subband component are alternately arranged is formed in the frequency spectrum of the band extension signal y (n). Will be.
  • the first expansion bandwidth processing unit 30 C and the second expansion bandwidth processing unit 50 C have filter banks 35 to 35 N-1 and 5 2 19 . Since it has N-1 , it is possible to generate a band extension signal y (n) having a high-quality and natural frequency spectrum.
  • FIG. 19A to FIG. 19C are diagrams schematically showing an application example of the band extension device 1.
  • the bandwidth extension device 1 (or bandwidth extension devices 2 to 4) is connected between the audio signal processing unit 60 and the D / A converter (DAC) 61.
  • the audio signal processing unit 60 is a block that performs audio signal processing such as PCM encoding, for example.
  • the band extension device 1 can extend the frequency band of the signal supplied from the audio signal processing unit 60 and supply the band extension signal to the DZA converter 61.
  • FIG. 19A the bandwidth extension device 1 (or bandwidth extension devices 2 to 4) is connected between the audio signal processing unit 60 and the D / A converter (DAC) 61.
  • the audio signal processing unit 60 is a block that performs audio signal processing such as PCM encoding, for example.
  • the band extension device 1 can extend the frequency band of the signal supplied from the audio signal processing unit 60 and supply the band extension signal to the DZA converter 61.
  • FIG. 19A the bandwidth extension device 1 (or bandwidth extension devices 2 to
  • the bandwidth extension device 1 (or bandwidth extension devices 2 to 4) is connected between a decoder 62 incorporated in a mobile phone or an optical disk playback device and a DZA converter (DAC) 63. ing.
  • the band extension device 1 can extend the frequency band of the decoded signal supplied from the decoder 62 and supply the band extension signal to the D-no A converter 63.
  • the bandwidth extension device 1 (or bandwidth extension devices 2 to 4) is connected between a tuner 64 such as an AM tuner or FM tuner, and a DZA converter (DAC) 67. Connected between.
  • the output of the tuner 64 is filtered by a low-pass filter (LPF) 6 5 and converted to 8/0 by an AZD converter (AD C) 6 6.
  • the band extension device 1 extends the frequency band of the digital output of the A / D converter 66 and supplies the band extension signal to the DZA converter 67.
  • bandwidth extension apparatuses 1 to 4 of the first to fourth embodiments may be realized by hardware, or may be realized by a program executed by a processor such as a CPU. May be.

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Abstract

There is disclosed a band extending device generating a high-quality band extending signal without using a non-linear processing. The band extending device includes a baseband processing unit, an extended band processing unit, and a mixing unit. The baseband processing unit supplies a baseband signal limited to a predetermined frequency band. The extended band processing unit includes a spectrum reversing unit for reversing the spectrum of the band signal obtained from an input signal, an up-sampler for subjecting the reversed signal to up-sampling, and a band pass filter for subjecting the output of the up-sampler to filtering so as to generate, as an extended band component, a frequency band component having a frequency substantially identical to the frequency of the high frequency end of the frequency band of the baseband signal as a low band end. The mixing unit mixes the baseband signal with the extended band component.

Description

帯域拡張装置、 帯域拡張方法および帯域拡張プログラム  Bandwidth expansion device, bandwidth expansion method, and bandwidth expansion program
技術分野 本発明は、オーディォ信号などのデジタル信号の周波数帯域を拡張する帯域拡 明 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a band extension that extends the frequency band of a digital signal such as an audio signal.
張技術に関する。 背景技術 書 帯域制限されたオーディオ信号や圧縮符号化信号などのデジタル信号の周波 数帯域を拡張して高品質の広帯域信号を生成するための帯域拡張技術が多数提 案されている。 このような帯域拡張技術は、 たとえば、 狭い電話帯域にある音声 信号の周波数帯域を拡張して高品質の音声信号を再生したり、 M P 3 ( PEG-1 Audio Layer 3) などの圧縮方式で圧縮符号化された低品質のオーディオ信号の 帯域を拡張して高音域を持つ信号を再生したりする場合に適用され得るもので ある。 オーディオ信号の帯域拡張技術として非線形処理を用いた技術が知られてい る。 たとえば、 特許文献(国際公開番号 W〇0 0 / 7 0 7 6 9 ) に開示されてい る非線形処理を用いた帯域拡張技術においては、オーバサンプリング型ローパス フィル夕が、原信号であるオーディォ信号にフィルタリングを施してサンプリン グ周波数 f Sの略 1 2の周波数以上の成分を減衰させる。次いで、非線形処理 回路が、オーバサンプリング型口一パスフィル夕の出力に非線形処理を施すこと で高調波成分を生成し、 この高調波成分を含むデジタル 'オーディオ信号を出力 する。 さらに、 高域通過フィルタが、 前記デジタル 'オーディオ信号にフィルタ リングを施して高周波数成分すなわち拡張帯域成分を生成する。この高周波数成 分は、 オーバサンプリング型ローパスフィルタの出力に加算され、 これにより、 周波数帯域が拡張された信号が生成されることとなる。 しかしながら、前記非線 形処理回路は、 非線形処理を行うので、 高調波成分だけでなく、複数の周波数成 分の和音成分や差音成分などの混変調成分も発生させるが、 この混変調成分は、 原信号の周波数成分とは無関係な成分であり信号品質を低下させるという問題 がある。 ,- 非線形処理を使用しない帯域拡張技術としては、 たとえば、 非特許文献 (H. Yasukawa, "Spectrum Broadening of Telephone Band Signals Using Multirate Processing for Speech Quality Enhancement," IEICE Transactions on Zhang technology. Background Art A number of band expansion techniques have been proposed for expanding the frequency band of digital signals such as band-limited audio signals and compression-coded signals to generate high-quality wideband signals. Such band expansion technology, for example, expands the frequency band of audio signals in a narrow telephone band to reproduce high-quality audio signals, or compresses with a compression method such as MP 3 (PEG-1 Audio Layer 3) This can be applied to the case where the band of the encoded low quality audio signal is expanded to reproduce a signal having a high sound range. A technique using nonlinear processing is known as a technique for extending the bandwidth of an audio signal. For example, in the band expansion technology using nonlinear processing disclosed in the patent document (International Publication No. WO00 / 0 0 7 6 9), the oversampling type low-pass filter is used as the original audio signal. Filters to attenuate components above the sampling frequency f S of approximately 12 or more. Next, the nonlinear processing circuit generates a harmonic component by applying nonlinear processing to the output of the oversampling mouth-and-mouth pass-fill, and outputs a digital 'audio signal containing this harmonic component. To do. In addition, a high pass filter filters the digital audio signal to generate a high frequency component, ie, an extended band component. This high-frequency component is added to the output of the oversampling low-pass filter, thereby generating a signal with an expanded frequency band. However, since the nonlinear processing circuit performs non-linear processing, it generates not only harmonic components but also cross modulation components such as chord components and difference sound components of a plurality of frequency components. There is a problem that it is a component unrelated to the frequency component of the original signal and degrades the signal quality. ,-Non-patent literature (H. Yasukawa, “Spectrum Broadening of Telephone Band Signals Using Multirate Processing for Speech Quality Enhancement,” IEICE Transactions on
Fundamentals Electronics, Communications and Computer Sciences, Vol. Fundamentals Electronics, Communications and Computer Sciences, Vol.
E78-A, No. 8, pp. 996-998, 1995.) に開示されている技術が知られている。 図 1 は、この非特許文献に開示される帯域拡張装置 1 0 0の構成を概略的に示す図で ある。この帯域拡張装置 1 0 0は、アップサンブラ 1 0 1、高域通過フィル夕(H P F ) 1 0 2 A、 整形フィルタ 1 0 3 A、 レベル調整器 1 0 4 A、 低域通過フィ ル夕 (L P F ) 1 0 2 B、 遅延器 1 0 3 B、 レベル調整器 1 0 4 Bおよび加算器 1 0 5で構成されている。 E78-A, No. 8, pp. 996-998, 1995.) is known. FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of the bandwidth extension device 100 disclosed in this non-patent document. This band extension device 100 is composed of an up sam- pler 10 1, a high-pass filter (HPF) 1 0 2 A, a shaping filter 1 0 3 A, a level adjuster 1 0 4 A, a low-pass filter ( LPF) 1 0 2 B, delay unit 1 0 3 B, level adjuster 1 0 4 B and adder 1 0 5
アップサンブラ 1◦ 1は、入力信号に 2倍のレートでアップサンプリングを嗨 す。 たとえば、 図 2 Aに示される周波数スペクトル (ω:角周波数) を持つ入力 信号に 2倍のレートでァップサンプリングを施した場合、図 2 Βに示される周波 数スぺクトルを持つアップサンプリング信号が生成される。低域通過フィルタ 1 0 2 Bは、アップサンブラ 1 0 1から供給されるアップサンプリング信号にフィ ル夕リングを施してベースバンド成分を生成する。ベ一スパンド成分は遅延器 1 0 3 Bで遅延され、レベル調整器 1 0 4 Bでレベル調整された後に加算器 1 0 5 に供給される。たとえば、 I ω ) < ττΖ 2の通過帯域を有する低域通過フィル夕 1 0 2 Βが、図 2 Βに示されるアップサンプリング信号にフィルタリングを施し た場合、 図 2 Cに示されるスぺクトルを持つベ一スバンド成分が得られる。 他方、高域通過フィルタ 1 0 2 Αは、 アップサンブラ 1 0 1から供給されるァ ップサンプリング信号にフィルタリングを施して拡張帯域成分を生成する。この 拡張帯域成分は、整形フィルタ 1 0 3 Aで整形され、 レベル調整器 1 0 4 Aでレ ベル調整された後に加算器 1 0 5に供給される。加算器 1 0 5は、 レベル調整器 1 0 4 Bから供給されたベースバンド成分に、レベル調整器 1 0 4 Aから供給さ れた拡張帯域成分を加算して帯域拡張信号を生成することとなる。たとえば、 I ω I > ττΖ 2の通過帯域を有する高域通過フィル夕 1 0 2 Αが、図 2 Βに示され るアツプサンプリング信号にフィルタリングを施した場合、図 2 Dに示されるス ぺクトルを持つ拡張帯域成分が得られる。この拡張帯域成分と図 2 Cのベースバ ンド成分とを加算すると、図 2 Eに示されるスぺクトルを持つ帯域拡張信号が生 成されることとなる。 Upsampler 1◦1 upsamples the input signal at twice the rate. For example, if upsampling is performed on an input signal with the frequency spectrum (ω: angular frequency) shown in Fig. 2A at a double rate, the upsampling signal with the frequency spectrum shown in Fig. 2 Generated. Low pass filter 1 0 2 B generates a baseband component by filtering the up-sampling signal supplied from the up-sampler 10 1. The base spanned component is delayed by the delay unit 1 0 3 B, level-adjusted by the level adjuster 1 0 4 B, and then supplied to the adder 1 0 5. For example, if a low-pass filter with a passband of I ω) <ττΖ 2 1 0 2 フ ィ ル タ リ ン グ filters the upsampling signal shown in Fig. 2 を, the spectrum shown in Fig. The baseband component possessed is obtained. On the other hand, the high-pass filter 10 2 Α filters the up-sampling signal supplied from the up-sampler 1 0 1 to generate an extended band component. This extended band component is shaped by the shaping filter 10 3 A, level-adjusted by the level adjuster 1 0 4 A, and then supplied to the adder 1 0 5. The adder 1 0 5 generates a band extension signal by adding the extension band component supplied from the level adjuster 1 0 4 A to the baseband component supplied from the level adjuster 1 0 4 B. Become. For example, if a high-pass filter with a passband of I ω I> ττΖ 2 1 0 2 Α filters the upsampling signal shown in Fig. 2 Β, the spectrum shown in Fig. 2D An extended band component having is obtained. When this extended band component and the baseband component of FIG. 2C are added, a band extended signal having the spectrum shown in FIG. 2E is generated.
しかしながら、 図 2 Eに示す通り、 帯域拡張信号は、 ベースバンド成分のスぺ クトルに対してスぺクトルが反転した拡張帯域成分を含むので、 ω = ± ττ/ 2の 周波数でベースバンド成分と拡張帯域成分とが滑らかに接続しないという問題 点がある。 また、 拡張帯域成分のスペクトルは、 ベースパンド成分のスペクトル に対して反転しているので、 レベル調整器 1 0 4 Α, 1 0 4 Βは、 ベースバンド 成分と拡張帯塽成分の各レベルを適切なレベルに調整するのが難しいという問 題点もある。 したがって、 上記非特許文献の技術では、 高品質で自然な音質の帯 域拡張信号を生成することが難しい。 However, as shown in Fig. 2E, the band extension signal includes an extension band component whose spectrum is inverted with respect to the spectrum of the base band component, so that the baseband component and the frequency are ω = ± ττ / 2. There is a problem that the extended band component is not smoothly connected. Since the spectrum of the extended band component is inverted with respect to the spectrum of the base band component, the level adjusters 1 0 4 Α and 1 0 4 Β There is also a problem that it is difficult to adjust each level of the component and the extended band component to an appropriate level. Therefore, it is difficult to generate a high-quality, natural sound quality band extension signal with the technology of the above non-patent document.
発明の開示 Disclosure of the invention
上記に鑑みて本発明の目的は、非線形処理を使用せずに高品質の帯域拡張信号 を生成し得る帯域拡張装置、帯域拡張方法および帯域拡張プログラムを提供する 点にある。  In view of the above, an object of the present invention is to provide a bandwidth extension device, a bandwidth extension method, and a bandwidth extension program that can generate a high-quality bandwidth extension signal without using nonlinear processing.
本発明の第 1の態様による帯域拡張装置は、入力信号の周波数帯域を拡張する ものである。 この帯域拡張装置は、 前記入力信号にアップサンプリングを施し、 当該アップサンプリングされた信号にフィルタリングを施すことで所定の周波 数帯域に制限されたべ一スバンド信号を生成するベースバンド処理部と、前記入 力信号から拡張帯域成分を生成する拡張帯域処理部と、前記べ一スバンド信号に 前記拡張帯域成分を混合する混合部と、 を備え、 前記拡張帯域処理部は、 前記入 力信号または前記入力信号から得られる帯域信号のスぺクトルを反転して反転 信号を生成するスぺクトル反転部と、前記反転信号にァヅプサンプリングを施す ァップサンブラと、前記ァップサンブラの出力にフィルタリングを施すことで前 記ベースバンド信号の周波数帯域の高域端の周波数と略同一の周波数を低域端 とする周波数帯域の成分を前記拡張帯域成分として生成する帯域通過フィル夕 と、 を含む。  The band extending apparatus according to the first aspect of the present invention extends the frequency band of an input signal. The band extension apparatus performs baseband processing on the input signal, generates a baseband signal limited to a predetermined frequency band by filtering the upsampled signal, and the input band. An extension band processing unit that generates an extension band component from a force signal; and a mixing unit that mixes the baseband signal with the extension band component. The extension band processing unit includes the input signal or the input signal. A spectrum inversion unit that inverts the spectrum of the band signal obtained from the above to generate an inverted signal, an upsampling unit that performs a cap sampling on the inverted signal, and a filter that filters the output of the upsampler as described above. The component of the frequency band whose lower end is the same frequency as the frequency of the upper end of the frequency band of the baseband signal And a band pass filter generated as an extended band component.
本発明の第 2の態様による帯域拡張方法は、入力信号の周波数帯域を拡張する ものである。 この帯域拡張方法は、 (a ) 前記入力信号にアップサンプリングを 施し、当該アップサンプリングされた信号にフィル夕リングを施すことで所定の 周波数帯域に制限されたベースバンド信号を生成するステップと、 (b )前記入 力信号から拡張帯域成分を生成するステップと、 (c )前記ベースバンド信号に 前記拡張帯域成分を混合するステップと、 を備え、 前記ステップ(b ) は、 (b 一 1 )前記入力信号または前記入力信号から得られる帯域信号のスぺクトルを反 転して反転信号を生成するステップと、 (b— 2 )前記反転信号にアップサンプ リングを施すステップと、 (b— 3 ) 前記ステップ(b _ 2 ) でアップサンプリ ングされた反転信号にフィル夕リングを施すことで前記ベースバンド信号の周 波数帯域の高域端の周波数と略同一の周波数を低域端とする周波数帯域の成分 を前記拡張帯域成分として生成するステップと、 を含む。 The band extending method according to the second aspect of the present invention extends the frequency band of the input signal. In this band extension method, (a) upsampling is performed on the input signal, and fill-up ringing is performed on the upsampled signal. Generating a baseband signal limited to a frequency band; (b) generating an extension band component from the input signal; and (c) mixing the extension band component with the baseband signal; The step (b) includes: (b 1 1) generating an inverted signal by inverting the spectrum of the input signal or a band signal obtained from the input signal, and (b-2) (B-3) Applying up-sampling to the inverted signal up-sampled in step (b_2), and applying the fill-up to the inverted signal up-sampled in step (b_2). Generating, as the extension band component, a frequency band component having a frequency that is substantially the same as the end frequency as a low frequency end.
本発明の第 3の態様による帯域拡張プログラムは、.入力信号の周波数帯域を拡 張する帯域拡張処理をプロセッサに実行させるものである。前記帯域拡張処理は、 前記入力信号にアップサンプリングを施し、当該アップサンプリングされた信号 にフィルタリングを施すことで所定の周波数帯域に制限されたベースバンド信 号を生成するべ一スバンド処理と、前記入力信号から拡張帯域成分を生成する拡 張帯域処理と、前記べ一スパンド信号に前記拡張帯域成分を混合する混合処理と、 を備え、前記拡張帯域処理は、前記入力信号または前記入力信号から得られる帯 域信号のスぺクトルを反転して反転信号を生成するスぺクトル反転処理と、前記 反転信号にァップサンプリングを施すァップサンプリング処理と、前記アツプサ ンブラの出力にフィルタリングを施すことで前記ベースバンド信号の周波数帯 域の高域端の周波数と略同一の周波数を低域端とする周波数帯域の成分を前記 拡張帯域成分として生成するフィルタ処理と、 を含む。  The bandwidth extension program according to the third aspect of the present invention causes a processor to execute bandwidth extension processing for extending the frequency bandwidth of an input signal. The band extension processing includes baseband processing for generating a baseband signal limited to a predetermined frequency band by performing upsampling on the input signal and filtering the upsampled signal, and the input An extension band process for generating an extension band component from a signal, and a mixing process for mixing the extension band component with the base spanned signal, wherein the extension band process is obtained from the input signal or the input signal. Spectral inversion processing that inverts the spectrum of the band signal to generate an inverted signal, up-sampling processing that performs up-sampling on the inverted signal, and filtering the output of the up-sampler results in the baseband. The component of the frequency band that has the same frequency as the low frequency end of the high frequency end of the signal frequency band. Serial includes a filter processing for generating as an extended band component, a.
図面の簡単な説明 図 1は、 従来の帯域拡張装置の構成を概略的に示す図であり、 Brief Description of Drawings Fig. 1 is a diagram schematically showing the configuration of a conventional bandwidth extension device.
図 2 A〜図 2 Eは、従来の帯域拡張方法を説明するための周波数スぺクトルを 概略的に示す図であり、  2A to 2E are diagrams schematically showing a frequency spectrum for explaining a conventional band extension method.
図 3は、本発明に係る第 1実施例の帯域拡張装置の構成を概略的に示す機能ブ ロック図であり、  FIG. 3 is a functional block diagram schematically showing the configuration of the bandwidth extension apparatus according to the first embodiment of the present invention.
図 4 A〜図 4 Cは、第 1実施例の帯域拡張方法を説明するための周波数スぺク トルを概略的に示す図であり、  4A to 4C are diagrams schematically showing a frequency spectrum for explaining the band expansion method of the first embodiment.
図 5 A〜図 5 Eは、第 1実施例の帯域拡張方法を説明するための周波数スぺク トルを概略的に示す図であり、  FIG. 5A to FIG. 5E are diagrams schematically showing a frequency spectrum for explaining the band expansion method of the first embodiment.
図 6 Aおよび図 6 Bは、第 1実施例の帯域拡張方法を説明するための周波数ス ぺクトルを概略的に示す図であり、  6A and 6B are diagrams schematically showing a frequency spectrum for explaining the bandwidth extension method of the first embodiment.
図 7 Aおよび図 7 Bは、第 1実施例の帯域拡張方法に従つて生成された帯域拡 張信号の周波数スぺクトルと原信号の周波数スぺクトルとを示す図であり、 図 8は、混合係数の算出方法の他の例を説明するための周波数スぺクトルを示 す図であり、  7A and 7B are diagrams showing the frequency spectrum of the band extension signal generated according to the band extension method of the first embodiment and the frequency spectrum of the original signal, and FIG. FIG. 5 is a diagram showing a frequency spectrum for explaining another example of a method for calculating a mixing coefficient,
図 9は、 混合係数の算出方法のさらに他の例を説明するための図であり、 図 1 0は、本発明に係る第 2実施例の帯域拡張装置の構成を概略的に示す機能 ブロック図であり、  FIG. 9 is a diagram for explaining still another example of the calculation method of the mixing coefficient, and FIG. 10 is a functional block diagram schematically showing the configuration of the bandwidth extension apparatus according to the second embodiment of the present invention. And
図 1 1八〜図1 1 Dは、第 2実施例の帯域拡張方法を説明するための周波数ス ぺクトルを概略的に示す図であり、  FIGS. 11-8 to 11D are diagrams schematically showing a frequency spectrum for explaining the bandwidth expansion method of the second embodiment.
図 1 2 Aおよび図 1 2 Bは、第 2実施例の帯域拡張方法を説明するための周波 数スぺクトルを概略的に示す図であり、 図 13は、本発明に係る第 3実施例の帯域拡張装置の構成を概略的に示す機能 ブロック図であり、 FIGS. 12A and 12B are diagrams schematically showing a frequency spectrum for explaining the bandwidth expansion method of the second embodiment. FIG. 13 is a functional block diagram schematically showing the configuration of the bandwidth extension apparatus according to the third embodiment of the present invention.
図 14A〜図 14 Fは、第 3実施例の帯域拡張方法を説明するための周波数ス ぺクトルを概略的に示す図であり、  FIGS. 14A to 14F are diagrams schematically showing a frequency spectrum for explaining the band extending method of the third embodiment.
図 15は、本発明に係る第 4実施例の帯域拡張装置の構成を概略的に示す機能 ブロック図であり、  FIG. 15 is a functional block diagram schematically showing the configuration of the bandwidth extension apparatus according to the fourth embodiment of the present invention.
図 16は、第 4実施例の帯域拡張装置で使用される混合部の構成を概略的に示 す図であり、  FIG. 16 is a diagram schematically showing the configuration of the mixing unit used in the bandwidth extension apparatus of the fourth embodiment.
図 17八〜図17 Dは、第 4実施例の帯域拡張方法を説明するための周波数ス ベクトルを概略的に示す図であり、  FIGS. 17-8 to 17D are diagrams schematically showing frequency vectors for explaining the bandwidth extension method of the fourth embodiment,
図 18A〜図 18 Gは、第 4実施例の帯域拡張方法を説明するための周波数ス ぺクトルを概略的に示す図であり、  FIGS. 18A to 18G are diagrams schematically showing a frequency spectrum for explaining the band expansion method of the fourth embodiment.
図 19A〜図 19Cは、 種々の適用例を示す図である。  19A to 19C are diagrams showing various application examples.
発明を実施するための形態  BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
本出願は、 日本国特許出願第 2005-260541号を基礎とし、 この基礎 ' 出願の内容を引用して援用するものである。  This application is based on Japanese Patent Application No. 2005-260541 and is incorporated herein by reference.
以下、 本発明に係る種々の実施例について説明する。  Various embodiments according to the present invention will be described below.
1. 第 1実施例  1. First example
図 3は、本発明に係る第 1実施例の帯域拡張装置 1の構成を概略的に示す機能 ブロック図である。帯域拡張装置 1は、 ベ一スバンド処理部 10、 係数決定部 2 0、拡張帯域処理部 30および混合部 40で構成されている。ベースバンド処理 部 10は、 入力信号 X (n) (nは整数) の系列にアップサンプリングを施し、 当該アップサンプリングされた信号系列にフィルタリングを施すことで所定の 周波数帯域に制限されたベースバンド信号 xL(n)を生成する。入力信号 X (n) は、 オーディオ信号などのデジタル信号である。 FIG. 3 is a functional block diagram schematically showing the configuration of the bandwidth extension apparatus 1 of the first embodiment according to the present invention. The bandwidth expansion device 1 includes a baseband processing unit 10, a coefficient determination unit 20, an expansion bandwidth processing unit 30, and a mixing unit 40. The baseband processing unit 10 performs upsampling on the sequence of the input signal X (n) (n is an integer) A baseband signal x L (n) limited to a predetermined frequency band is generated by filtering the upsampled signal sequence. The input signal X (n) is a digital signal such as an audio signal.
ベースパンド処理部 10は、アップサンブラ 1 1、低域通過フィルタ(LPF) 12および遅延器 13を有している。 アップサンブラ 1 1は、 N倍のレート (N は 2以上の整数)すなわち Nのファクタで入力信号 X (n) の系列にアップサン プリングを施してアップサンプリング信号 xu (n) の系列を生成する。 低域通 過フィル夕 12は、 I ω I <π/Ν (ωは角周波数) の通過帯域を有し、 アップ サンプリング信号 xu (n) の系列にフィル夕リングを施して、 一 ττΖΝ〜十 π ΖΝの周波数帯域に制限されたフィルタ信号 xL (n) の系列を生成する。 遅延 器 13は、 所定の遅延時間だけフィルタ信号 xL (n) を遅延させ、 その遅延信 号をベースバンド信号として出力する。 図 4 A〜図 4 Cに、 Nが「2」 である場 合の周波数スペクトルを例示する。 図 4Aに示される入力信号 X (n)が供給さ れた場合、アップサンブラ 1 1は、 2倍のレートすなわち 2のファクタで入力信 号 X (n) にアップサンプリングを施して、 図 4 Bに示される周波数スペクトル を有するアップサンプリング信号 xu (n) を生成する。 低域通過フィル夕 12 は、 図 4Bのアップサンプリング信号 xu (n) にフィルタリングを施して、 ― πΖ2〜十 Tt/2の周波数帯域に制限されたフィル夕信号 (n) を生成する こととなる。 The basepand processing unit 10 includes an upsampler 11, a low-pass filter (LPF) 12, and a delay device 13. Upsampler 1 1 generates a sequence of upsampled signals xu (n) by upsampling the sequence of input signals X (n) at a rate N times (N is an integer greater than or equal to 2), ie a factor of N . The low-pass filter 12 has a pass band of I ω I <π / Ν (ω is the angular frequency), and the filter sequence is applied to the sequence of the up-sampling signal xu (n). A sequence of filter signals x L (n) limited to the frequency band of π ΖΝ is generated. Delay device 13 delays filter signal x L (n) by a predetermined delay time and outputs the delayed signal as a baseband signal. Figures 4A to 4C illustrate the frequency spectrum when N is "2". Given the input signal X (n) shown in Figure 4A, the upsampler 1 1 upsamples the input signal X (n) at a double rate, or a factor of 2, and An upsampling signal x u (n) having a frequency spectrum shown in FIG. The low-pass filter 12 filters the upsampling signal xu (n) in Fig. 4B to generate a filter signal (n) limited to the frequency band of πΖ2 to 10 Tt / 2. .
他方、 拡張帯域処理部 30は、 入力信号 X (n) の系列から拡張帯域成分 zB (n) を生成する機能を有する。 この拡張帯域処理部 30は、 高域通過フィルタ (HPF) 3 1、 ダウンサンブラ 32、 スペクトル反転部 33、 アップサンブラ 34および帯域通過フィルタ (BPF) 35を有している。 高域通過フィルタ 3 1は、 I ω Ι >ττΖ2の通過帯域 (第 2周波数帯域) を有し、 入力信号 X (η) の系列にフィルタリングを施してフィルタ信号 ΧΗ (η) の系列を生成する。 次 いで、ダウンサンブラ 32は、 1 2倍のレートすなわち 2のファクタでフィル 夕信号 xH (n) の系列にダウンサンプリングを施して、 ダウンサンプリング信 号すなわち帯域信号 xD (n) の系列を生成する。 図 5 A〜図 5 Bに周波数スぺ クトルを例示する。 図 4Aに示される入力信号 X (n) が供給された場合、 I ω I >ττΖ 2の通過帯域を有する高域通過フィル夕 31は、図 5 Αに示される周波 数スぺクトルを持つフィル夕信号 xH (n) を生成する。 また、 ダウンサンブラ 32は、 1/2倍のレートすなわち 2のファクタでフィルタ信号 xH (n) にダ ゥンサンプリングを施して、図 5 Bに示される周波数スぺクトルを持つダウンサ ンプリング信号 xD (n) を生成することとなる。 On the other hand, the extended band processing unit 30 has a function of generating an extended band component z B (n) from the sequence of the input signal X (n). The extended band processing unit 30 includes a high-pass filter (HPF) 31, a down sampler 32, a spectrum inversion unit 33, and an up sampler. 34 and a band pass filter (BPF) 35. The high-pass filter 31 has a pass band (second frequency band) of I ω Ι> ττΖ2, and filters the sequence of the input signal X (η) to generate a sequence of the filter signal ΧΗ (η) . The downsampler 32 then downsamples the sequence of fill signals x H (n) at a rate of 2 or a factor of 2 and converts the downsampled signal or sequence of band signals x D (n). Generate. Figures 5A to 5B illustrate frequency spectra. When the input signal X (n) shown in Fig. 4A is supplied, the high-pass filter 31 with a pass band of I ω I> ττΖ 2 is a filter with the frequency spectrum shown in Fig. 5Α. An evening signal x H (n) is generated. The downsampler 32 also performs downsampling on the filter signal x H (n) at a rate of 1/2, that is, a factor of 2, so that the downsampling signal x having the frequency spectrum shown in FIG. D (n) is generated.
スペクトル反転部 33は、 ダウンサンプリング信号 xD (n) のスペクトルを 反転して反転信号 zD (n) を生成する。 以下に数式を用いて説明するように、 「スぺクトル反転」 とは、信号の周波数スぺクトルを角周波数 7Tだけシフトさせ ることを意味する。 ダウンサンプリング信号 xD (n) の極性を 1つ置きに反転 させた信号が反転信号 zD (n) となるので、 ダウンサンプリング信号 xD (n) と反転信号 zD (n) との間の関係は、 次式 (1) で表現される。 Spectrum inverter 33 inverts the spectrum of the down-sampling signal x D (n) to generate an inverted signal z D (n). As will be explained below using mathematical formulas, “spectrum inversion” means that the frequency spectrum of a signal is shifted by an angular frequency of 7T. Since the signal obtained by inverting the polarity of every other downsampling signal x D (n) becomes the inverted signal z D (n), the signal between the down sampling signal x D (n) and the inverted signal z D (n) Is expressed by the following equation (1).
zD (n) = xD (n) x (一 I)"
Figure imgf000011_0001
( 1 ) ここで、 jは、 虚数単位 (j 2=— 1) であり、 Lは、 フーリエ変換のサンプ ル数であり正整数である。 よって、 反転信号 zD (n) の離散フーリエ変換 ZD (k) は次のように展開される。 ZD (k) = ^ zD (n) exp(-;*2^r½ / L)
z D (n) = x D (n) x (one I) "
Figure imgf000011_0001
(1) where j is the imaginary unit (j 2 = — 1), and L is the number of Fourier transform samples and is a positive integer. Therefore, the discrete Fourier transform Z D (k) of the inverted signal z D (n) is developed as follows. Z D (k) = ^ z D (n) exp (-; * 2 ^ r½ / L)
L-l  L-l
= ^xD (n) exp (- jn π) exp (- j 2π1σι / L)
Figure imgf000012_0001
したがって、 XD (k) をダウンサンプリング信号 xD (n) の離散フーリエ変 換としたとき、 次式 (2) が成立する。
Figure imgf000012_0002
= ^ x D (n) exp (-jn π) exp (-j 2π1σι / L)
Figure imgf000012_0001
Therefore, when X D (k) is the discrete Fourier transform of the downsampled signal x D (n), the following equation (2) holds.
Figure imgf000012_0002
式(2) によれば、 周波数領域(frequency domain) において、 ZD (k) は、 XD (k) を LZ2点すなわち角周波数 7Cだけシフトさせたものである。 したが つて、 「スペクトル反転」 とは、 信号の周波数スペクトルを角周波数 πだけシフ 卜させることを意味する。 According to Equation (2), Z D (k) is obtained by shifting X D (k) by LZ2 point, that is, angular frequency 7C in the frequency domain. Therefore, “spectrum inversion” means that the frequency spectrum of the signal is shifted by the angular frequency π.
次に、 図 3を参照すると、 アップサンブラ 34は、 2 ΧΝ倍のレートすなわち 2 ΧΝのファクタで反転信号 zD (n) の系列にアップサンプリングを施して、 アップサンプリング信号 zu (n) の系列を生成する。 さらに、 帯域通過フィル 夕 35は、 2 τι/ (2 XN) < I ω I <3兀ノ (2 XN) の通過帯域を有し、 ァ ップサンプリング信号 zu (n) の系列にフィル夕リングを施すことで拡張帯域 成分 zB (n)の系列を生成する。 この拡張帯域成分 zB (n)の帯域の低域端(低 域側端部) の周波数がベースバンド信号 xL (n) の帯域の高域端 (高域側端部) の周波数と略同一になるように、帯域通過フィル夕 35のフィルタ特性(通過帯 域、 阻止域および遮断周波数など) が構成されている。 本実施例の場合、 拡張帯 域成分 zB (n) の低域端の周波数は略 ± 2 πΖ (2 ΧΝ) であり、 ベースバン ド信号 xL (n) の高域端の周波数も土 π/Νであるので、 両周波数は略一致す ることとなる。 Next, referring to FIG. 3, the upsampler 34 performs upsampling on the series of the inverted signal z D (n) at a rate of 2 ×, that is, a factor of 2 ×, so that the upsampled signal z u (n) Generate a series. Furthermore, the bandpass filter evening 35 has a passband of 2 τι / (2 XN) <I ωI <3 兀 no (2 XN), and fills the sequence of the upsampling signal zu (n). To generate a sequence of extended band components z B (n). The frequency at the low band end (low band side end) of the band of this extended band component z B (n) is approximately equal to the frequency at the high band edge (high band side end) of the band of the baseband signal x L (n). The filter characteristics of the bandpass filter 35 (passband Zone, stopband and cut-off frequency). In this example, the frequency of the low band end of the extended band component z B (n) is approximately ± 2 πΖ (2 ΧΝ), and the frequency of the high band end of the baseband signal x L (n) is also π Since the frequency is / Ν, both frequencies are almost the same.
図 5 C〜図 5 Εに Νが「2」である場合の周波数スペクトルを例示する。 この とき、 スペクトル反転部 33は、 図 5 Βのダウンサンプリング信号 xD (n) の スペクトルを反転して、 図 5 Cに示されるスペクトルを持つ反転信号 zD (n) を生成する。 また、 アップサンプラ 34は、 4倍のレートすなわち 4のファクタ で反転信号 zD (n) にアップサンプリングを施して、 図 5 Dに示されるスぺク トルを持つアップサンプリング信号 zu (n) を生成する。 そして、 2 πΖ4く I ω | < 3 4の通過帯域を有する帯域通過フィル夕 35は、アップサンプリ ング信号 zu (n) にフィルタリングを施して、 図 5 Eに示されるスぺクトルを 持つ拡張帯域成分からなるフィル夕信号 zB (n) を生成することとなる。 かか る場合、 図 4Cに示したベースパンド信号 xL (n) の帯域の高域端の周波数土 7TZ2は、 図 5 Εの拡張帯域成分 ζΒ (η) の低域端の周波数 ± ττΖ 2と一致す る。 Fig. 5 C to Fig. 5 例 示 illustrate frequency spectra when Ν is “2”. At this time, the spectrum inversion unit 33 inverts the spectrum of the downsampling signal x D (n) shown in FIG. 5 to generate an inverted signal z D (n) having the spectrum shown in FIG. 5C. Also, the upsampler 34 upsamples the inverted signal z D (n) at a rate of 4 times, that is, a factor of 4, and generates the up sampled signal zu (n) having the spectrum shown in Fig. 5D. Generate. The bandpass filter 35 with a passband of 2 πΖ4 <I ω | <3 4 applies an extended band with the spectrum shown in Fig. 5E by filtering the upsampling signal zu (n). A fill signal z B (n) consisting of components is generated. In this case, the frequency band 7TZ2 at the high end of the band of baseband signal x L (n) shown in Fig. 4C is the frequency ± ττΖ of the low band end of the extended band component ζ Β (η) in Fig. 5 Matches 2.
上記のベースバンド信号 xL (n) と拡張帯域成分 zB (n) とは、 混合部 40 で混合される。 係数決定部 20は、 入力信号 X (n) の周波数スペクトルを算出 しこれに基づいて拡張帯域成分 zB (n) に乗ずるべき混合係数を決定する処理 ブ Pックである。 係数決定部 20は、 FFT部 (高速フーリエ変換部) 21、 ス ぺクトル算出部 22および係数算出部 23を有している。 FFT部 21は、入力 信号 X (n) の系列を高速フーリエ変換して周波数領域の信号系列を算出する。 また、スぺクトル算出部 22は、 FFT部 21から供給された周波数領域の信号 系列に基づいて入力信号 X (n) の周波数スペクトルを算出する。係数算出部 2 3は、スぺクトル算出部 22で算出された周波数スぺクトルに基づいて、 %/2 〜冗の周波数範囲で線形または非線形の回帰曲線を算出し、この回帰曲線を利用 して混合係数を算出することができる。具体的には、 回帰曲線として、 1次関数 で表現された線形の回帰直線を使用すればよい。 The baseband signal x L (n) and the extended band component z B (n) are mixed by the mixing unit 40. The coefficient determination unit 20 is a processing block that calculates the frequency spectrum of the input signal X (n) and determines the mixing coefficient to be multiplied by the extension band component z B (n) based on the frequency spectrum. The coefficient determination unit 20 includes an FFT unit (fast Fourier transform unit) 21, a spectrum calculation unit 22, and a coefficient calculation unit 23. The FFT unit 21 calculates a signal sequence in the frequency domain by performing a fast Fourier transform on the sequence of the input signal X (n). In addition, the spectrum calculation unit 22 calculates the frequency spectrum of the input signal X (n) based on the frequency domain signal sequence supplied from the FFT unit 21. The coefficient calculation unit 23 calculates a linear or non-linear regression curve in the range of% / 2 to redundant frequency based on the frequency spectrum calculated by the spectrum calculation unit 22, and uses this regression curve. Thus, the mixing coefficient can be calculated. Specifically, a linear regression line expressed by a linear function may be used as the regression curve.
第 1実施例の場合、 入力信号 X (n) から、 図 5Aに示されるような周波数帯 域 (第 2周波数帯域 ττΖ 2〜兀) の成分が抽出され、 かかる成分が、 ダウンサン プリング、スぺクトル反転、アップサンプリングおよびフィルタリングを施され ることで、 図 5 Εに示されるような拡張帯域成分 ζΒ (η) が生成される。 よつ て、 混合係数 C (η) は、 低域端の周波数 ω = ττΖ 2またはその近傍の点での回 帰曲線のスぺクトル値 LAに対する、 高域端の周波数 ω = ττまたはその近傍の点 での回帰曲線のスぺクトル値 LBの比率 LBZLAで与えられる。 In the case of the first embodiment, components in the frequency band (second frequency band ττΖ 2 to 兀) as shown in FIG. 5A are extracted from the input signal X (n), and these components are down-sampled and scanned. By applying spectrum inversion, upsampling and filtering, an extended band component ζ Β (η) as shown in Fig. 5 生成 is generated. Therefore, the mixing coefficient C (η) is equal to or lower than the frequency ω = ττ at the high end relative to the spectrum value L A of the regression curve at the frequency ω = ττΖ 2 at or near the low end. It is given by the ratio L B ZL A of the spectral value L B of the regression curve at nearby points.
図 6 Aは、 入力信号 X (n) の周波数スペクトルと回帰曲線 LRとを例示する 図である。スぺクトル曲線 Csに基づいて πΖ2 πの周波数範囲の回帰曲線 LR が算出されている。 この周波数スペクトルはデシベル(dB) で示されているの で、 ω = π/2の点での振幅を VA ω = ττの点での振幅を VBで表すとき、 混 合係数 C (η) は、 C (η) LBZLA LB= 10(VB2W LA= 10(VA/20 で 与えられる。 FIG 6 A is a diagram illustrating the frequency spectrum of the input signal X (n) and the regression curve L R. Based on the spectrum curve C s , the regression curve L R in the frequency range of πΖ2 π is calculated. Since this frequency spectrum is expressed in decibels (dB), when the amplitude at the point of ω = π / 2 is expressed in VB as the amplitude at the point of VA ω = ττ, the mixing coefficient C (η) is , C (η) L B ZL A L B = 10 ( VB2 WL A = 10 (VA / 20 is given.
混合部 40は、 乗算器 41と加算器 42とで構成されている。 乗算器 41は、 係数決定部 20から供給された混合係数 C (n) を拡張帯域成分 zB (n) に乗 算し、 加算器 42は、 その乗算結果を、 ベースバンド処理部 1 0から供給された ベースバンド信号に加算する。その加算結果として帯域拡張信号 y (n)が生成 される。 図 6Bに、 Nが 「2」 である場合の帯域拡張信号 y (n) の周波数スぺ クトルを示す。 この帯域拡張信号 y (n)は、図 4Cのべ一スバンド信号 xL(n) に図 5 Eの拡張帯域成分 zB (n) を混合した信号である。 The mixing unit 40 includes a multiplier 41 and an adder 42. The multiplier 41 multiplies the mixing coefficient C (n) supplied from the coefficient determination unit 20 by the extension band component z B (n), and the adder 42 supplies the multiplication result from the baseband processing unit 10. Supplied Add to baseband signal. As a result of the addition, a band extension signal y (n) is generated. Figure 6B shows the frequency spectrum of the band extension signal y (n) when N is “2”. This band extension signal y (n) is a signal obtained by mixing the baseband signal x L (n) of FIG. 4C with the extension band component z B (n) of FIG. 5E.
図 7 Aは、サンプリング周波数 f sが 1 1025 H zである場合の原信号の周 波数スペクトル (横軸: Hz) の測定値を例示するグラフであり、 図 7Bは、 第 1実施例の帯域拡張装置 1を用いてこの原信号の周波数帯域を拡張し、その結果 得た帯域拡張信号の周波数スぺクトルの測定値を例示するグラフである。図 7 B によれば、ベースバンド信号と拡張帯域成分とが滑らかに接続していることが分 かる。  Fig. 7A is a graph illustrating the measured value of the frequency spectrum (horizontal axis: Hz) of the original signal when the sampling frequency fs is 1 1025 Hz, and Fig. 7B is the band extension of the first embodiment. 5 is a graph illustrating the measured value of the frequency spectrum of the band extension signal obtained as a result of extending the frequency band of the original signal using the device 1. Figure 7B shows that the baseband signal and the extended band component are smoothly connected.
上記の通り、第 1実施例の帯域拡張装置 1は、周波数帯域が制限された帯域信 号 xH (n) をダウンサンプリングして得られる帯域信号 xD (n) のスペクトル を反転している。 帯域拡張装置 1は、 さらに、 その反転信号 zD (n) をアップ サンプリングし、 当該アップサンプリングされた信号 zu (n) にフィルタリン グを施すことで、 ベースバンド信号 xL (n) の周波数帯域の高域端の周波数 π /Νと略同一の周波数を低域端とする拡張帯域の成分 ζ Β(η)を生成しており、 かかる拡張帯域成分 ζΒ (η) がベースバンド信号 xL (n) に混合される。 この ような帯域拡張装置 1は、帯域信号 xD(n)のスぺクトルを反転しているので、 スペクトル反転を行わない従来技術と比べると、 拡張帯域成分 zB (n) とべ一 スバンド信号 X!_ (n) との接続性が良好になり、 出力信号 y (n) の品質向上 が可能になる。 As described above, the band extending apparatus 1 of the first embodiment inverts the spectrum of the band signal x D (n) obtained by down-sampling the band signal x H (n) whose frequency band is limited. . Further, the bandwidth extension device 1 up-samples the inverted signal z D (n) and filters the up-sampled signal zu (n) so that the frequency of the baseband signal x L (n) is obtained. frequency [pi / New substantially the same frequency of the high frequency end of the band and to generate a component of extension band zeta to a low pass end beta (eta), such extension band component zeta beta (eta) is a baseband signal x Mixed with L (n). Since such a band extension device 1 inverts the spectrum of the band signal x D (n), compared to the conventional technology that does not perform spectrum inversion, the extension band component z B (n) and the baseband signal The connectivity with X! _ (N) is improved and the quality of the output signal y (n) can be improved.
さらに、帯域拡張装置 1は、入力信号 X (n)の周波数スぺクトルに基づいて、 拡張帯域成分 zB (n) に乗ずるべき混合係数 C (n) を算出しているので、 拡 張帯域成分をベースバンド信号に滑らかに接続することができ、高品質で自然な 周波数スペクトルを持つ帯域拡張信号 y (n) を生成することが可能になる。 次に、 混合係数 C (n) の算出方法の他の例について説明する。 この算出法で は、 低域端の周波数 ω = ττΖ2を含む狭帯域 ΔωΑにおける複数点のスぺクトル 値の第 1平均 <LA>と、高域端の周波数 ω== を含む狭帯域 ΔωΒにおける複数 点のスペクトル値の第 2平均ぐ LB>とが算出され、 次いで、 これら第 1平均ぐ LA>と第 2平均く LB>との比率が混合係数 C(n)とし 1算出される。図 8は、 算出方法を説明するための周波数スぺクトルを例示するグラフである。かかる場 合、狭帯域 ΔωΑにおけるスペクトル値の第 1平均く VA>と、狭帯域 ΔωΒにお けるスぺクトル値の第 2平均 <VB>とが算出される。周波数スぺクトルはデシ ベル (dB) で示されているので、 混合係数 C (n) は、 C (n) =<LB>/ <LA〉、 <LB>=10(<VB>/20)、 <LA>=10(<VA>/20)、 で与えられる。 Furthermore, the bandwidth extension device 1 is based on the frequency spectrum of the input signal X (n). Since the mixing coefficient C (n) to be multiplied by the extended band component z B (n) is calculated, the extended band component can be smoothly connected to the baseband signal and has a high-quality and natural frequency spectrum. The band extension signal y (n) can be generated. Next, another example of the method for calculating the mixing coefficient C (n) will be described. Narrowband This calculation method, which includes a first average of the scan Bae spectrum values at a plurality of points in the narrow band [Delta] [omega Alpha including the frequency ω = ττΖ2 the low frequency end and the <L A>, the frequency omega == high frequency end The second average L B > of the spectral values at multiple points in Δω 算出 is calculated, and then the ratio between the first average L A > and the second average L B > is the mixing coefficient C (n). 1 is calculated. FIG. 8 is a graph illustrating a frequency spectrum for explaining the calculation method. Such case, narrowband [Delta] [omega first average rather VA> spectral values in Alpha, second average in our Kerusupe vector value to a narrow band [Delta] [omega beta <VB> and is calculated. Since the frequency spectrum is expressed in decibels (dB), the mixing coefficient C (n) is C (n) = <L B > / <L A >, <L B > = 10 ( <VB> / 20 ), <L A > = 10 ( <VA> / 20 ),
上記算出法を採用すれば、係数算出部 23は、周波数スぺクトルの回帰曲線を 必要としないので、 少ない演算量で混合係数 C (n) を算出することができ、 低 消費電力化も実現できる。  If the above calculation method is used, the coefficient calculation unit 23 does not require a regression curve of the frequency spectrum, so the mixing coefficient C (n) can be calculated with a small amount of computation, and low power consumption is also realized. it can.
また.、 混合係数 C (n) のさらに他の算出法を図 9を参照しつつ説明する。 図 9は、図 3に示した係数決定部 20に代わる係数決定部 20Dの構成を概略的に 示す機能ブロック図である。 この係数決定部 20Dは、 帯域通過フィルタ (BP F) 24A, 24Bと、 2乗和算出部 25 A, 25 Bと、 係数演算部 26とで構 成されている。一方の帯域通過フィルタ 24 Aは、低域端の周波数 ニ兀 ?を 含む所定の狭帯域のみを通過帯域として有し、他方の帯域通過フィルタ(BP F) 24 Bは、高域端の周波数 ω == πを含む所定の狭帯域のみを通過帯域して有して いる。 2乗和算出部 25 Α, 25Βは、 それぞれ、 帯域通過フィルタ 24 Α, 2 4Βの出力の 2乗和 <Α2>, <Β2>を所定のサンプル期間 Τ毎に繰り返し算出 する。 たとえば、 帯域通過フィルタ 24 Αの出力値の系列が A 1, A 2, A3, …であれば、 2乗和く A2〉は、 (Al) 2+ (A2) 2+ (A3) 2+…となる。 そして、 係数演算部 26は、 それら 2乗和の比率の平方根値 (<82> <八2 » (1 を混合係数 C (n) として算出することとなる。 Further, another method for calculating the mixing coefficient C (n) will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a functional block diagram schematically showing a configuration of a coefficient determination unit 20D that replaces the coefficient determination unit 20 shown in FIG. The coefficient determination unit 20D includes band pass filters (BP F) 24A and 24B, square sum calculation units 25 A and 25 B, and a coefficient calculation unit 26. One band-pass filter 24 A has a low-frequency end frequency n? Only the specified narrow band including the pass band, and the other band pass filter (BP F) 24 B has only a predetermined narrow band including the frequency ω == π at the high band end as a pass band. The square sum calculators 25 Α and 25 繰 り 返 し repeatedly calculate the square sums <Α 2 > and <Β 2 > of the outputs of the bandpass filters 24 Α and 24 Β, respectively, every predetermined sampling period Τ. For example, if the series of output values of the bandpass filter 24 A is A 1, A 2, A 3,…, the sum of squares A 2 > is (Al) 2 + (A2) 2 + (A3) 2 + ... Then, the coefficient calculation unit 26 calculates the square root value of the ratio of the sum of squares (<8 2 ><8 2 » (1 is the mixing coefficient C (n).
上記係数決定部 20Dは、 フ一リエ変換と周波数スぺクトルとを必要とせず、 帯域通過フィルタ 24 A, 24Bは、 必ずしも F I Rフィル夕 (有限長インパル ス応答フィルタ) で構成する必要はないのでタップ数の少ない I I Rフィルタ (無限長インパルス応答フィル夕) で構成することが可能である。 したがって、 係数決定部 20Dは、図 3の係数決定部 20と比べて少ない演算量で混合係数 C (n) を算出することができ、 低消費電力化を実現できる。  The coefficient determination unit 20D does not require a Fourier transform and a frequency spectrum, and the bandpass filters 24 A and 24B do not necessarily have to be configured with an FIR filter (finite-length impulse response filter). It can be configured with an IIR filter (infinite length impulse response filter) with a small number of taps. Therefore, the coefficient determination unit 20D can calculate the mixing coefficient C (n) with a smaller amount of computation than the coefficient determination unit 20 of FIG. 3, and can realize low power consumption.
2. 第 2実施例  2. Second embodiment
次に、本発明に係る第 2実施例の帯域拡張装置および帯域拡張方法を説明する。 図 1 0は、第 2実施例の帯域拡張装置 2の構成を概略的に示す機能プロック図で ある。 なお、 図 10と図 3とで同一符号を付された構成要素は、 同一機能または 同一構成を有するものとして、 その詳細な説明を省略する。  Next, a band extending apparatus and a band extending method according to the second embodiment of the present invention will be described. FIG. 10 is a functional block diagram schematically showing the configuration of the band extending apparatus 2 of the second embodiment. It should be noted that the components denoted by the same reference numerals in FIG. 10 and FIG. 3 are assumed to have the same function or the same configuration, and detailed description thereof is omitted.
図 10を参照すると、第 2実施例の帯域拡張装置 2は、ベースバンド処理部 1 0、係数決定部 2 OAおよび拡張帯域処理部 3 OAを有している。ベ一スバンド 処理部 1 0は、 上記の通り、 入力信号 X (n) の系列にアップサンプリングを施 し、当該アップサンプリングされた信号系列にフィルタリングを施すことで所定 の周波数帯域に制限されたベースバンド信号 xL (n) を生成する。 Referring to FIG. 10, the bandwidth expansion device 2 of the second embodiment includes a baseband processing unit 10, a coefficient determination unit 2 OA, and an expansion bandwidth processing unit 3 OA. As described above, the baseband processing unit 10 performs upsampling on the sequence of the input signal X (n), and performs filtering on the upsampled signal sequence. The baseband signal x L (n) limited to the frequency band of is generated.
拡張帯域処理部 3 OAは、 入力信号 X (n) の系列から拡張帯域成分 zH (n) を生成する機能を有する。この拡張帯域処理部 3 OAは、スぺクトル反転部 33、 アップサンプラ 36および帯域通過フィル夕 37を有している。スぺクトル反転 部 33は、 入力信号 X (n) のスペクトルを反転して反転信号 z (n) を生成す る。 アップサンブラ 36は、 N倍のレートすなわち Nのファクタで反転信号 ZThe extension band processing unit 3 OA has a function of generating an extension band component z H (n) from the sequence of the input signal X (n). The extended band processing unit 3 OA includes a spectrum inversion unit 33, an upsampler 36, and a band pass filter 37. The spectrum inversion unit 33 inverts the spectrum of the input signal X (n) to generate an inverted signal z (n). Upsampler 36 has an inverted signal Z at a rate N times or a factor of N
(n) の系列をアップサンプリングしてアップサンプリング信号 zu (n) の系 列を生成する。帯域通過フィル夕 37は、 π/Ν< I ω I <2 TCZNの通過帯域 を有し、 アップサンプリング信号 zu (n) の系列にフィルタリン'グを施して拡 張帯域成分であるフィルタ信号 zB (n) の系列を生成する。 この拡張帯域成分zB (n) は混合部 40に供給される。 The sequence of (n) is upsampled to generate a sequence of upsampled signal zu (n). The band pass filter 37 has a pass band of π / Ν <I ω I <2 TCZN, and the filter signal z which is an extended band component by filtering the sequence of the upsampling signal zu (n). Generate a sequence of B (n). This extended band component z B (n) is supplied to the mixing unit 40.
図 1 1八〜図1 1Dに、 Nが「2」である場合の周波数スペクトルを例示する。 かかる場合、 図 1 1 Aに示される入力信号 X (n) が供給された場合、 スぺクト ル反転部 33は、 入力信号 X (n) のスペクトルを反転して、 図 1 1 Bに示され る周波数スぺクトルを持つ反転信号 z (n)を生成する。アップサンブラ 36は、 2倍のレ一トすなわち 2のファクタで反転信号 z (n)の系列にアップサンプリ ングを施して、図 1 1 Cに示されるスぺクトルを持つアップサンプリング信号 z u (n) を生成する。 また、 帯域通過フィルタ 37は、 π/lく \ ω \ <兀の通 過帯域を有し、 図 1 1Dに示される周波数スペクトルを持つ拡張帯域成分 ζΒ (η) を生成することとなる。 FIG. 1 18 to FIG. 11 1D illustrate frequency spectra when N is “2”. In such a case, when the input signal X (n) shown in FIG. 11A is supplied, the spectrum inversion unit 33 inverts the spectrum of the input signal X (n), and the result shown in FIG. Generate an inverted signal z (n) with the frequency spectrum to be controlled. The upsampler 36 performs upsampling on the series of the inverted signal z (n) at twice the rate, that is, a factor of 2, and the upsampling signal zu (n ) Is generated. In addition, the band pass filter 37 has a pass band of π / l <\ ω \ <、, and generates an extended band component ζ Β (η) having a frequency spectrum shown in FIG. 11D .
一方、 係数決定部 20Αは、 FFT部 2 1、 スペクトル算出部 22および係数 算出部 23 Αを有している。係数算出部 23 Aは、スぺクトル算出部 22で算出 された周波数スぺクトルに基づいて、 0〜7Τの周波数範囲で線形または非線形の 回帰曲線を算出し、 この回帰曲線を利用して混合係数を算出することができる。 具体的には、 回帰曲線として、 1次関数で表現された線形の回帰直線を使用すれ ばよい。 On the other hand, the coefficient determining unit 20 Α has an FFT unit 21, a spectrum calculating unit 22, and a coefficient calculating unit 23 Α. The coefficient calculation unit 23 A is calculated by the spectrum calculation unit 22 Based on the obtained frequency spectrum, a linear or non-linear regression curve can be calculated in the frequency range of 0 to 7 mm, and the mixing coefficient can be calculated using this regression curve. Specifically, a linear regression line expressed by a linear function may be used as the regression curve.
第 2実施例の場合、入力信号 X (η) の全周波数帯域の成分にアップサンプリ ングおよびフィルタリングを施すことで、図 1 1 Dに示されるような拡張帯域成 分 ζΒ (η) が生成される。 よって、 混合係数 C (η) は、 入力信号 X (η) の 周波数帯域の低域端の周波数 ω= 0またはその近傍の点での回帰曲線のスぺク トル値 LAに対する、 高域端の周波数 ω = ττまたはその近傍の点での回帰曲線の スぺクトル値 LBの比率 LB/LAで与えられる。 In the case of the second embodiment, by applying upsampling and filtering to the components of the entire frequency band of the input signal X (η), an extended band component ζ Β (η) as shown in Fig. 11 D is generated. Is done. Therefore, the mixing coefficient C (η) is equal to the low end frequency ω = 0 of the frequency band of the input signal X (η) or the spectral value L A of the regression curve at a point near it. Is given by the ratio L B / L A of the spectral value L B of the regression curve at or near the frequency ω = ττ.
図 12Aは、 入力信号 X (n) の周波数スペクトルと回帰曲線 LRとを例示す る図である。スペクトル曲線 Csのうち、 0〜冗の周波数範囲の回帰曲線 LRが算 出されている。 この周波数スペクトルはデシベル (dB) で示されているので、 ω=0の点での振幅を VA、 ω = ττの点での振幅を VBで表すとき、混合係数 C (η) は、 C (n) =LBZLA、 LB= 10 ^/20)、 LA= 10 (VA/20)、 で与えられ る。 Figure 12A is a diagram you illustrate a frequency spectrum and regression curve L R of the input signal X (n). Of the spectrum curve C s , the regression curve L R in the 0 to redundant frequency range is calculated. Since this frequency spectrum is expressed in decibels (dB), when the amplitude at the point of ω = 0 is expressed as VA and the amplitude at the point of ω = ττ is expressed as VB, the mixing coefficient C (η) is C ( n) = L B ZL A , L B = 10 ^ / 20 ), L A = 10 ( VA / 20 ).
なお、上記係数決定部 20 Aの算出方法の代わりに、図 8および図 9でそれぞ れ示した算出法を適用して混合係数 C (n) を算出してもよい。 かかる場合、 低 域端の周波数を ω=0に設定し、高域端の周波数を ω = πに設定して、図 8およ び図 9で示した算出法を適用すればよい。  Note that the mixing coefficient C (n) may be calculated by applying the calculation methods shown in FIGS. 8 and 9 instead of the calculation method of the coefficient determining unit 20A. In such a case, the calculation method shown in FIGS. 8 and 9 may be applied by setting the frequency at the low end to ω = 0 and the frequency at the high end to ω = π.
混合部 40では、乗算器 41は、係数決定部 2 OAから供給された混合係数 C (n) を拡張帯域成分 zB (n) に乗算し、 加算器 42は、 その乗算結果を、 ベ ースバンド処理部 10から供給されたべ一スバンド信号に加算する。その加算結 果として帯域拡張信号 y (n) が生成される。 図 12Bに、 N= 2の場合の帯域 拡張信号 y (n) の周波数スペクトルを示す。 この帯域拡張信号 y (n) は、 ベ —スパンド信号に図 1 1Dの拡張帯域成分 zB (n) が混合された信号である。 上記の通り、 第 2実施例の帯域拡張装置 2は、 入力信号 X (n) のスペクトル を反転し、 その反転信号 z (n) をアップサンプリングし、 当該アップサンプリ ングされた信号 zu (n) にフィルタリングを施すことで、 ベースバンド信号 (n)の周波数帯域の高域端の周波数 ττΖΝと略同一の周波数を低域端とする拡 張帯域の成分 ζΒ (η) を生成しており、 かかる拡張帯域成分 ζΒ (η) がべ一ス パンド信号 xL (n) に混合される。 このような帯域拡張装置 2は、 入力信号 X (n)のスぺクトルを反転しているので、スぺクトル反転を行わない従来技術と 比べると、 拡張帯域成分 zB (n) とベースバンド信号 xL (n) との接続性が良 好になり、 出力信号 y (n) の品質向上が可能になる。 In the mixing unit 40, the multiplier 41 multiplies the extension coefficient band component z B (n) by the mixing coefficient C (n) supplied from the coefficient determining unit 2OA, and the adder 42 This is added to the baseband signal supplied from the baseband processing unit 10. As a result of the addition, a band extension signal y (n) is generated. Figure 12B shows the frequency spectrum of the band extension signal y (n) when N = 2. This band extension signal y (n) is a signal obtained by mixing the baseband signal with the extension band component z B (n) of FIG. 11D. As described above, the band extending apparatus 2 of the second embodiment inverts the spectrum of the input signal X (n), up-samples the inverted signal z (n), and performs the up-sampled signal zu (n) Is applied to the baseband signal (n) to generate an extended band component ζ Β (η) with the same frequency as the high frequency ττΖΝ of the baseband signal (n). Such an extended band component ζ Β (η) is mixed with the base spanned signal x L (n). Since such a band extension device 2 inverts the spectrum of the input signal X (n), compared to the conventional technique that does not perform spectrum inversion, the extension band component z B (n) and the baseband The connectivity with the signal x L (n) is improved, and the quality of the output signal y (n) can be improved.
さらに、 帯域拡張装置 2は、 入力信号 X (n) の周波数スペクトルに基づいて 拡張帯域成分 zB.(n) に乗ずるべき混合係数 C (n) を算出しているので、 拡 張帯域成分をベースバンド信号に滑らかに接続することができ、高品質で自然な 周波数スペクトルを持つ帯域拡張信号 y (n) を生成することが可能である。 Furthermore, since the band extension device 2 calculates the mixing coefficient C (n) to be multiplied by the extension band component z B. (N) based on the frequency spectrum of the input signal X (n), the band extension device 2 It can be smoothly connected to the baseband signal, and it is possible to generate a band extension signal y (n) with a high-quality and natural frequency spectrum.
3. 第 3実施例  3. Third Example
次に、本発明に係る第 3実施例の帯域拡張装置および帯域拡張方法を説明する。 図 13は、第 3実施例の帯域拡張装置 3の構成を概略的に示す機能プロック図で ある。なお、 図 13と図 3とで同一符号を付された構成要素は、 同一機能または 同一構成を有するものとして、 その詳細な説明を省略する。 図 1 3を参照すると、第 3実施例の帯域拡張装置 3は、ベースバンド処理部 1 0、係数決定部 20 B、第 1拡張帯域処理部 3 0および第 2拡張帯域処理部 5 0 を有している。 ベースバンド処理部 1 0は、 上記の通り、 入力信号 X (n) の系 列にアップサンプリングを施し、当該アップサンプリングされた信号系列にフィ ルタリングを施すことで所定の周波数帯域に制限されたベースパンド信号 xL (n) を生成するものである。 第 1拡張帯域処理部 3 0は、 入力信号 X (n) の 系列から第 1の拡張帯域成分 zB (n) を生成する機能を有する。 Next, a bandwidth extension apparatus and a bandwidth extension method according to a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 13 is a functional block diagram schematically showing the configuration of the bandwidth extension device 3 of the third exemplary embodiment. It should be noted that the components denoted by the same reference numerals in FIGS. 13 and 3 are assumed to have the same function or the same configuration, and detailed description thereof is omitted. Referring to FIG. 13, the bandwidth expansion device 3 of the third embodiment includes a baseband processing unit 10, a coefficient determination unit 20 B, a first expansion band processing unit 30, and a second expansion band processing unit 50. is doing. As described above, the baseband processing unit 10 performs upsampling on the system of the input signal X (n) and filters the upsampled signal sequence to limit the baseband limited to a predetermined frequency band. A panda signal x L (n) is generated. The first extension band processing unit 30 has a function of generating a first extension band component z B (n) from the sequence of the input signal X (n).
第 2拡張帯域処理部 5 0は、ァップサンブラ 5 1と帯域通過フィル夕(B P F ) 5 2とを有している。アップサンブラ 5 1は、第 1拡張帯域処理部 3 0のダウン サンブラ 3 2から供給されたダウンサンプリング信号 xD (n) の系列に、 2 X N倍のレ一トすなわち 2 XNのファクタでアップサンプリングを施してアップ サンプリング信号 xU2 (n) の系列を生成する。 帯域通過フィル夕 (BPF) 5 2は、 3 %/ (2 XN) < \ ω \ <4 %/ {2 ΧΝ) の通過帯域を有し、 アップ サンプリング信号 xU2 (n) の系列にフィルタリングを施して第 2の拡張帯域成 分 xB (n) を生成する。 The second extension band processing unit 50 includes an upsampler 51 and a band pass filter (BPF) 52. The upsampler 5 1 upsamples the downsampling signal x D (n) sequence supplied from the downsampler 3 2 of the first extension band processing unit 30 at a rate of 2 XN times, that is, a factor of 2 XN. To generate a sequence of up-sampled signals x U2 (n). The bandpass filter (BPF) 5 2 has a passband of 3% / (2 XN) <\ ω \ <4% / (2 ΧΝ) and filters the sequence of upsampled signals x U2 (n) To generate the second extended band component x B (n).
図 1 4八〜図14Eに、 N= 2の場合の周波数スぺクトルを例示する。図 4 A に示されるスペクトルを持つ入力信号 X (n)が供給された場合、 ベースバンド 処理部 1 0は、 図 14 Aに示されるスぺクトルを持つベ一スバンド信号 (n) を出力し、第 1拡張帯域処理部 3 0は、図 1 4 Bに示されるスぺクトルを持つ第 1の拡張帯域成分 zB (n) を出力する。 第 1拡張帯域処理部 3 0のダウンサン ブラ 3 2は、 図 14 Cに示されるスぺクトルを持つダウンサンプリング信号 xD (n) を、 第 2拡張帯域処理部 5 0のアップサンブラ 5 1に供給する。 よって、 アップサンプラ 5 1は、図 14 Dに示されるスぺクトルを持つアップサンプリン グ信号 xU2 (n) を生成する。 帯域通過フィル夕 52は、 3 ττΖ4< | ω | <π の通過帯域を有し、図 14Εに示されるスぺクトルを持つ第 2の拡張帯域成分 X Β (η) を出力することとなる。 Figures 14-8 to 14E illustrate frequency spectra for N = 2. When the input signal X (n) having the spectrum shown in Fig. 4A is supplied, the baseband processing unit 10 outputs the baseband signal (n) having the spectrum shown in Fig. 14A. The first extension band processing unit 30 outputs the first extension band component z B (n) having the spectrum shown in FIG. 14B. The downsampler 3 2 of the first extension band processing unit 30 uses the downsampling signal x D (n) having the spectrum shown in FIG. 14C as the upsampler 5 1 of the second extension band processing unit 50. To supply. Therefore, The upsampler 51 generates the upsample signal x U2 (n) having the spectrum shown in FIG. 14D. The band pass filter 52 has a pass band of 3 ττΖ4 <| ω | <π, and outputs the second extension band component X Β (η) having the spectrum shown in FIG.
係数決定部 20Βは、図 3の係数算出部 23と略同一の構成および機能を有し、 第 1混合係数 C (η) と、 その 2乗の値である第 2混合係数 C (η) 2とを混合 部 40Βに供給する。混合部 40Βにおいて、 第 1乗算器 41 Αは、 第 1の拡張 帯域成分 zB (n) に第 1混合係数 C (n) を乗算してその乗算結果を加算器 4 3に供給する一方、 第 2乗算器 41 Bは、 第 2の拡張帯域成分 xB (n) に第 2 混合係数 C (n) 2を乗算してその乗算結果を加算器 43に供給する。 加算器 4 3は、ベ一スパンド処理部 10から供給されたベースバンド信号にそれら乗算結 果を加算することで帯域拡張信号 y (n) を生成する。 図 14Fに、 N=2の場 合の帯域拡張信号 y (n) の周波数スペクトルを示す。 図 14Fの帯域拡張信号 y (n) は、 図 14Aのべ一スバンド信号 xL (n) に、 図 14Bの第 1の拡張 帯域成分 zB (n) と図 14 Eの第' 2の拡張帯域成分ズ B (n) とが混合された信 号である。 The coefficient determination unit 20Β has substantially the same configuration and function as the coefficient calculation unit 23 in FIG. 3, and includes a first mixing coefficient C (η) and a second mixing coefficient C (η) 2 that is a square value thereof. To the mixing unit 40 部. In the mixing unit 40, the first multiplier 41 乗 算 multiplies the first extension band component z B (n) by the first mixing coefficient C (n) and supplies the multiplication result to the adder 43. The second multiplier 41 B multiplies the second extension band component x B (n) by the second mixing coefficient C (n) 2 and supplies the multiplication result to the adder 43. The adder 43 generates a band extension signal y (n) by adding the multiplication results to the baseband signal supplied from the base processing unit 10. Figure 14F shows the frequency spectrum of the band extension signal y (n) when N = 2. The band extension signal y (n) in Fig. 14F is replaced with the baseband signal x L (n) in Fig. 14A by the first extension band component z B (n) in Fig. 14B and the second extension in Fig. 14E. This signal is a mixture of the band components B (n).
上記の通り、第 3実施例の帯域拡張装置 3は、第 1実施例の帯域拡張装置 1 (図 3) の構成に加えて、 第 2の拡張帯域成分 xB (n) を生成する第 2拡張帯域処 理部 50を有するので、 周波数帯域がさらに拡張された出力信号 y (n) を得る ことが可能になる。 As described above, the band extension device 3 of the third embodiment adds the second extension band component x B (n) to the second extension band component x B (n) in addition to the configuration of the band extension device 1 (FIG. 3) of the first embodiment. Since the extended band processing unit 50 is provided, it is possible to obtain an output signal y (n) whose frequency band is further expanded.
4. 第 4実施例  4. Fourth example
次に、本発明に係る第 4実施例の帯域拡張装置および帯域拡張方法を説明する。 図 15は、第 4実施例の帯域拡張装置 4の構成を概略的に示す機能プロック図で ある。 なお、 図 15と図 3とで同一符号を付された構成要素は、 同一機能または 同一構成を有するものとして、 その詳細な説明を省略する。 Next, a band extending apparatus and a band extending method according to the fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 15 is a functional block diagram schematically showing the configuration of the bandwidth extension device 4 of the fourth exemplary embodiment. It should be noted that the components denoted by the same reference numerals in FIG. 15 and FIG. 3 are assumed to have the same function or the same configuration, and detailed description thereof is omitted.
図 15を参照すると、第 4実施例の帯域拡張装置 4は、ベースバンド処理部 1 0、係数決定部 20 C、 第 1拡張帯域処理部 30 C、 第 2拡張帯域処理部 50 C および混合部 40Cを有している。図 16には混合部 40 Cの構成が概略的に示 されている。 ベースバンド処理部 10は、 上記の通り、 入力信号 X (n) の系列 にアップサンプリングを施し、当該アツプサンプリングされた信号系列にフィル 夕リングを施すことで所定の周波数帯域に制限されたベースバンド信号 xL (n) を生成するものである。 Referring to FIG. 15, the bandwidth extension device 4 of the fourth embodiment includes a baseband processing unit 10, a coefficient determination unit 20 C, a first extension band processing unit 30 C, a second extension band processing unit 50 C and a mixing unit. Has 40C. FIG. 16 schematically shows the configuration of the mixing section 40C. As described above, the baseband processing unit 10 performs upsampling on the sequence of the input signal X (n), and performs filtering on the upsampled signal sequence to limit the baseband to a predetermined frequency band. The signal x L (n) is generated.
第 1拡張帯域処理部 30Cは、 入力信号 X (n) の系列から、 複数の第 1サブ 帯域成分 …, zN-1を拡張帯域成分として生成する機能を有する。 第 1拡張 帯域処理部 30Cは、 高域通過フィルタ (HPF) 31、 ダウンサンブラ 32、 スペクトル反転部 33およびアップサンブラ 34を有し、 さらに、各々が互いに 異なる通過帯域を有する複数の帯域通過フィルタ (BPF) 351; ···, 35 N-1 からなるフィルタバンクを有している。 k番目 (kは 1〜N— 1の整数) の帯域 通過フィル夕 35kは、 2 k TCZ (2N) < I ω I < (2 k+ 1) κ/ (2N) の通過帯域を有している。 これら帯域通過フィルタ 35 ···, 35Ν-1は、 アツ プサンブラ 34からのアップサンプリング信号 zu (n) にフィルタリングを施 して、 周波数帯域が制限された複数の第 1サブ帯域成分 z , …, zN-1を生成し 乗算部 44に供給する。 The first extension band processing unit 30C has a function of generating a plurality of first sub-band components..., Z N-1 as extension band components from the sequence of the input signal X (n). The first extended band processing unit 30C includes a high-pass filter (HPF) 31, a down sam- ber 32, a spectrum inversion unit 33, and an up sam- ber 34, and a plurality of band pass filters each having a different pass band ( BPF) 35 1; .., 35 N-1 has a filter bank. The k th (k is an integer from 1 to N—1) band pass filter 35 k has a pass band of 2 k TCZ (2N) <I ω I <(2 k + 1) κ / (2N) Yes. These band-pass filters 35... 35 Ν-1 filter the upsampling signal z u (n) from the upsampler 34 to obtain a plurality of first subband components z, ..., z N-1 is generated and supplied to the multiplier 44.
一方、第 2拡張帯域処理部 50Cは、アップサンブラ 51を有し、さらに、各々 が互いに異なる通過帯域を有する複数の帯域通過フィル夕(BPF) 521;…, 52N-1からなるフィルタバンクを有している。 k番目 (kは 1〜N— 1の整数) の帯域通過フィルタ 52kは、 (2 k+ 1) t/ (2N) < I ω I < (2 k+ 2) %/ (2N) の通過帯域を有している。 アップサンブラ 5 1は、 ダウンサンブラ 32からのダウンサンプリング信号 xD (n) の系列に、 2 XN倍のレートすな わち 2 XNのファクタでアップサンプリングを施してアップサンプリング信号 xU2 (n) の系列を生成する。 帯域通過フィルタ 521; 52N-1は、 アップ サンプリング信号 xU2 (n) の系列にフィル夕リングを施して、 周波数帯域が制 限された複数の第 2サブ帯域成分 X ,…, xN-1を生成し乗算部 44に供給する。 帯域通過フィルタ 351? ···, 35N-1のフィルタ特性と帯域通過フィルタ 521; …, 52N-1のフィルタ特性とは、 第 1および第 2サブ帯域成分 Z1, ···, zN-1, X15 ···, xN-1の周波数帯域が略連続するように構成される。 帯域通過フィル夕 3515 5 352, 522, …, 35 N-1および 52 N-1の通過帯域は連続してい る。 これより、 帯域拡張信号 y (n) の周波数帯域が不連続にならず、 滑らかに 連続することとなる。 On the other hand, the second expansion band processing unit 50C has an upsammbler 51, and each Have a filter bank composed of a plurality of band pass filter (BPF) 52 1; ..., 52 N−1 . The kth (k is an integer from 1 to N—1) bandpass filter 52 k has a passband of (2 k + 1) t / (2N) <I ω I <(2 k + 2)% / (2N) Have. The upsampler 5 1 applies the upsampling signal x U2 (n) to the series of downsampling signal x D (n) from downsampler 32 by upsampling by a factor of 2 XN, that is, a factor of 2 XN. Generate a series of The bandpass filter 52 1; 52 N-1 applies a filter ring to the sequence of the up-sampling signal x U2 (n) to obtain a plurality of second subband components X, ..., x N whose frequency band is limited. −1 is generated and supplied to the multiplication unit 44. Bandpass filter 35 1? ..., 35 N-1 filter characteristics and bandpass filter 52 1; …, 52 N-1 filter characteristics are the first and second subband components Z1 , z N-1 , X 15 ..., x N-1 are configured to be substantially continuous. Band-pass filter 35 15 5 352, 52 2 ,…, 35 N-1 and 52 N-1 passbands are continuous. As a result, the frequency band of the band extension signal y (n) is not discontinuous and is continuously continuous.
図 17 A〜図 17 Dおよび図 18 A〜図 18 Gに、 N= 4の場合の周波数スぺ クトルを例示する。 これら周波数スペクトルは、 0〜冗の周波数範囲でのみ示さ れているが、 — 71:〜 0の周波数範囲においても、それら周波数スペクトルと ω = 0の点に関して鏡像関係にある周波数スぺクトル(図示せず)が存在するものと する。 図 17 Αに示されるようにスペクトルを持つ入力信号 X (n) が供給され た場合、ベースパンド処理部 10は、 図 1 7Bに示されるように 0〜兀 4に帯 域制限されたスペクトルを持つベースバンド信号 xL (n) を出力する。 第 1拡 張帯域処理部 30 Cにおいて、ダウンサンブラ 32は、図 1 7 Cに示されるスぺ クトルを持つダウンサンプリング信号 XD (n) を出力し、 スペクトル反転部 3 3は、 図 1 7Dに示されるスペクトルを持つ反転信号 zD (n) を出力する。 かかる場合、 帯域通過フィルタ 351; 352, 353は、 それぞれ、 図 18A, I 8B, 図 18 Cに示されるスペクトルを持つ第 1サブ帯域成分 Z1, z2, z 3を出力する。 他方、 帯域通過フィルタ 52 522, 523は、 それぞれ、 図 1 8D, 図 1 8E, 図 18 Fに示されるスペクトルを持つ第 2サブ帯域成分 X1, 2) x3を出力する。 図 18 A〜図 18 Fに示される第 1 よび第 2サブ帯域成 分 z , x z2, x2, z3, x3の周波数帯域は連続していることが分かる。 係数決定部 20 ま、 図 3の係数決定部 20が与える混合係数 C (n) と同じ 混合係数 Cを生成するとともに、 C2, C3, ···, C2N2の混合係数を算出する。 これら混合係数のデータ CDは混合部 40 Cに供給される。 Figures 17A to 17D and 18A to 18G illustrate frequency spectra for N = 4. These frequency spectra are shown only in the 0 to redundant frequency range. — 71: Even in the frequency range of 0 to 0, frequency spectra that are mirror images of the frequency spectrum and the point at ω = 0 (Fig. Not shown) exists. When an input signal X (n) having a spectrum is supplied as shown in Fig. 17 Α, the baseband processing unit 10 generates a spectrum limited in the band from 0 to 兀 4 as shown in Fig. 17B. The baseband signal x L (n) is output. First expansion In the bandwidth processing unit 30 C, the downsampler 32 outputs a downsampling signal XD (n) having the spectrum shown in FIG. 17 C, and the spectrum inversion unit 33 has the spectrum shown in FIG. Output inverted signal z D (n) with. In this case, the bandpass filter 35 1; 35 2, 35 3, respectively, and outputs the FIG 18A, I 8B, the first sub-band component having a spectrum shown in Figure 18 C Z1, z 2, z 3. On the other hand, the band-pass filter 52 52 2, 52 3, respectively, and outputs the Figure 1 8D, FIG. 1 8E, a second sub-band component X1 having a spectrum shown in FIG. 18 F, 2) x 3. It can be seen that the frequency bands of the first and second subband components z 1, xz 2 , x 2 , z 3 , and x 3 shown in FIGS. 18A to 18F are continuous. Coefficient determination unit 20 Also generates the same mixing coefficient C as the mixing coefficient C (n) given by the coefficient determination unit 20 in Fig. 3, and calculates the mixing coefficient of C 2 , C 3 , ..., C 2N2 To do. These mixing coefficient data CDs are supplied to the mixing section 40C.
混合部 40 Cは、図 16に例示されるように、第 1サブ帯域成分用の乗算器 4 51; …, 45N-1と、第 2サブ帯域成分用の乗算器 461; ···, 46^とを有する。 第 1サブ帯域成分用の乗算器 45 ^ 452, ···, 45N-1には、 それぞれ、 第 1サ ブ帯域成分 zl5 z2, …, 入力し、 且つ、 これら乗算器 45 452> ···, 45N-1には、 それぞれ、 乗算係数 C, C3, ···, C2N3が与えられている。 他方、 第 2サブ帯域成分用の乗算器 46 462, ···, 46N-1には、 それぞれ、 第 2サ ブ帯域成分 x , x2, ···, xN-1が入力し、 且つ、 これら乗算器 46 462, ·■·, 46N-1には、 それぞれ、 乗算係数 C2, C4, ···, C2N-2が与えられている。 加算 器 43は、 乗算器 45 ···, 45N-1, 46 ···, 46 N-1の全出力をベースバン ド信号に加算して帯域拡張信号 y (n) を生成する。 結果として、 図 18 Gに例示されるように、 帯域拡張信号 y (n) の周波数ス ぺクトルにおいて、第 1サブ帯域成分と第 2サブ帯域成分とが交互に配列した拡 張帯域成分が形成されることとなる。 As illustrated in FIG. 16, the mixing unit 40 C includes first subband component multipliers 4 5 1; ..., 45 N−1 and second subband component multipliers 46 1; ·, With 46 ^. The first sub-band component multipliers 45 ^ 45 2 ,..., 45 N-1 are respectively input to the first sub-band components z l5 z 2 ,. 2> ···, 45 N-1 is given multiplication coefficients C, C 3 , ···, C 2N3 , respectively. On the other hand, the multiplier 46 46 2 of the second sub-band components, ..., the 46 N-1, respectively, the second sub-band component x, x 2, ···, x N-1 inputs and, the multipliers 46 46 2, · ■ ·, the 46 N-1, respectively, the multiplication factor C 2, C 4, ···, C 2N - 2 are given. The adder 43 adds all outputs of the multipliers 45... 45 N−1 , 46..., 46 N−1 to the baseband signal to generate a band extension signal y (n). As a result, as illustrated in FIG. 18G, an extended band component in which the first subband component and the second subband component are alternately arranged is formed in the frequency spectrum of the band extension signal y (n). Will be.
上記の通り、第 4実施例の帯域拡張装置 4は、第 1拡張帯域処理部 30 Cおよ び第 2拡張帯域処理部 50Cがそれぞれフィルタバンク 35 〜35N-1および 5 219 …, 52N-1を有するので、 高品質で自然な周波数スペクトルを持つ帯域拡 張信号 y (n) を生成することが可能である。 As described above, in the bandwidth expansion device 4 of the fourth embodiment, the first expansion bandwidth processing unit 30 C and the second expansion bandwidth processing unit 50 C have filter banks 35 to 35 N-1 and 5 2 19 . Since it has N-1 , it is possible to generate a band extension signal y (n) having a high-quality and natural frequency spectrum.
5. 適用例 .  5. Application examples
上記第 1〜第 4実施例の帯域拡張装置 1〜4を種々の機器に適用することが できる。図 1 9 A〜図 19 Cは、帯域拡張装置 1の適用例を概略的に示す図であ る。 図 19Aを参照すると、 帯域拡張装置 1 (または帯域拡張装置 2〜 4) は、 音声信号処理部 60と D/A変換器 (DAC) 6 1との間に接続されている。音 声信号処理部 60は、たとえば、 P CM符号化などの音声信号処理を行うブロッ クである。帯域拡張装置 1は、音声信号処理部 60から供給された信号の周波数 帯域を拡張し、 その帯域拡張信号を DZA変換器 61に供給することができる。 図 19Bの例では、 帯域拡張装置 1 (または帯域拡張装置 2〜4) は、 携帯電 話機や光ディスク再生装置などに組み込まれたデコーダ 62と、 DZA変換器 (DAC) 63との間に接続されている。帯域拡張装置 1は、 デコーダ 62から 供給された復号化信号の周波数帯域を拡張し、その帯域拡張信号を Dノ A変換器 63に供給することができる。  The band extension apparatuses 1 to 4 of the first to fourth embodiments can be applied to various devices. FIG. 19A to FIG. 19C are diagrams schematically showing an application example of the band extension device 1. FIG. Referring to FIG. 19A, the bandwidth extension device 1 (or bandwidth extension devices 2 to 4) is connected between the audio signal processing unit 60 and the D / A converter (DAC) 61. The audio signal processing unit 60 is a block that performs audio signal processing such as PCM encoding, for example. The band extension device 1 can extend the frequency band of the signal supplied from the audio signal processing unit 60 and supply the band extension signal to the DZA converter 61. In the example of FIG. 19B, the bandwidth extension device 1 (or bandwidth extension devices 2 to 4) is connected between a decoder 62 incorporated in a mobile phone or an optical disk playback device and a DZA converter (DAC) 63. ing. The band extension device 1 can extend the frequency band of the decoded signal supplied from the decoder 62 and supply the band extension signal to the D-no A converter 63.
図 19 Cの例では、 帯域拡張装置 1 (または帯域拡張装置 2〜4) は、 AMチ ュ一ナや FMチューナなどのチューナ 64と、 DZA変換器 (DAC) 67との 間に接続されている。 チューナ 6 4の出力は、 低域通過フィル夕 (L P F) 6 5 でフィルタリングを施され、 AZD変換器 (AD C) 6 6で八/0変換される。 帯域拡張装置 1は、 A/D変換器 6 6のデジタル出力の周波数帯域を拡張し、そ の帯域拡張信号を DZA変換器 6 7に供給する。 In the example of Fig. 19C, the bandwidth extension device 1 (or bandwidth extension devices 2 to 4) is connected between a tuner 64 such as an AM tuner or FM tuner, and a DZA converter (DAC) 67. Connected between. The output of the tuner 64 is filtered by a low-pass filter (LPF) 6 5 and converted to 8/0 by an AZD converter (AD C) 6 6. The band extension device 1 extends the frequency band of the digital output of the A / D converter 66 and supplies the band extension signal to the DZA converter 67.
また、上記の第 1〜第 4実施例の帯域拡張装置 1〜 4の全構成または一部構成 をハードウェアで実現してもよいし、或いは、 C P Uなどのプロセッサで実行さ れるプログラムで実現してもよい。  Further, all or a part of the bandwidth extension apparatuses 1 to 4 of the first to fourth embodiments may be realized by hardware, or may be realized by a program executed by a processor such as a CPU. May be.

Claims

請 求 の 範 囲 The scope of the claims
1 . 入力信号の周波数帯域を拡張する帯域拡張装置であって、 1. A bandwidth expansion device for expanding the frequency band of an input signal,
前記入力信号にアップサンプリングを施し、当該アップサンプリングされた信 号にフィル夕リングを施すことで所定の周波数帯域に制限されたべ一スバンド 信号を生成するべ一スバンド処理部と、  A baseband processing unit that performs upsampling on the input signal and fills the upsampled signal to generate a baseband signal limited to a predetermined frequency band; and
前記入力信号から拡張帯域成分を生成する拡張帯域処理部と、  An extension band processing unit that generates an extension band component from the input signal;
前記ベースバンド信号に前記拡張帯域成分を混合する混合部と、 を備え、 前記拡張帯域処理部は、  A mixing unit that mixes the extension band component with the baseband signal, and the extension band processing unit includes:
前記入力信号または前記入力信号から得られる帯域信号のスぺクトルを反転 して反転信号を生成するスぺク卜ル反転部と、  A spectrum inversion unit that inverts a spectrum of the input signal or a band signal obtained from the input signal to generate an inverted signal;
前記反転信号にァップサンプリングを施すァップサンブラと、  An upsampling unit for upsampling the inverted signal;
前記アップサンブラの出力にフィル夕リングを施すことで前記ベースバンド 信号の周波数帯域の高域端の周波数と略同一の周波数を低域端とする周波数帯 域の成分を前記拡張帯域成分として生成する帯域通過フィル夕と、  By performing fill-up ringing on the output of the upsampler, a frequency band component having a frequency that is substantially the same as the frequency at the high frequency end of the frequency band of the baseband signal is generated as the expansion band component. Bandpass fill and
を含むことを特徴とする帯域拡張装置。 A band extending apparatus comprising:
2 . 請求項 1記載の帯域拡張装置であって、 2. The bandwidth extension apparatus according to claim 1,
前記スぺクトル反転部は、前記帯域信号のスぺクトルを反転して前記反転信号 を生成し、  The spectrum inversion unit inverts the spectrum of the band signal to generate the inverted signal,
前記拡張帯域処理部は、  The extended bandwidth processing unit
前記入力信号にフィルタリングを施して第 2周波数帯域に制限されたフィル 夕信号を生成する第 2の帯域通過フィル夕と、 A filter limited to the second frequency band by filtering the input signal. A second bandpass filter that generates an evening signal, and
前記フィル夕信号にダウンサンプリングを施して前記帯域信号を得るダウン サンブラと、 を含むことを特徴とする帯域拡張装置。  A band extender comprising: a down sampler for down-sampling the fill signal to obtain the band signal.
3 . 請求項 2記載の帯域拡張装置であって、 前記ダウンサンブラは、 2のファ クタで前記ダウンサンプリングを実行することを特徴とする帯域拡張装置。 3. The band extending apparatus according to claim 2, wherein the downsampler performs the downsampling with two factors.
4. 請求項 2または 3記載の帯域拡張装置であって、前記入力信号の周波数ス ぺクトルと前記周波数スぺクトルの回帰曲線とを算出し、前記回帰曲線を用いて 前記拡張帯域成分に乗じるべき混合係数を決定する係数決定部をさらに備え、 前記混合部は、前記拡張帯域成分に前記混合係数を乗算して当該乗算結果を前 記ベースバンド信号に加算することを特徴とする帯域拡張装置。 4. The band extending apparatus according to claim 2 or 3, wherein a frequency spectrum of the input signal and a regression curve of the frequency spectrum are calculated, and the extension band component is multiplied using the regression curve. And a coefficient determination unit that determines a power mixing coefficient, wherein the mixing unit multiplies the extension band component by the mixing coefficient and adds the multiplication result to the baseband signal. .
5 . 請求項 4記載の帯域拡張装置であって、 前記係数決定部は、 前記回帰曲線 を用いて、前記第 2周波数帯域の高域端の周波数またはその近傍の周波数での第5. The band extending apparatus according to claim 4, wherein the coefficient determining unit uses the regression curve to calculate a frequency at a frequency at a high frequency end of the second frequency band or a frequency in the vicinity thereof.
1のスぺク卜ル値と、前記第 2周波数帯域の低域端の周波数またはその近傍の周 波数での第 2のスぺク卜ル値とを取得し、前記第 1および第 2のスぺクトル値の 比率を前記混合係数として算出することを特徴とする帯域拡張装置。 Obtaining a first spectral value and a second spectral value at a frequency at or near the lower end of the second frequency band, and obtaining the first and second spectral values. A band extending apparatus for calculating a ratio of spectrum values as the mixing coefficient.
6 . 請求項 2または 3記載の帯域拡張装置であって、 前記入力信号の周波数ス ぺクトルを算出し、前記周波数スぺクトルを用いて前記拡張帯域成分に乗じるベ き混合係数を決定する係数決定部をさらに備え、 前記係数決定部は、前記周波数スぺクトルを用いて、前記第 2周波数帯域の高 域端の周波数またはその近傍の周波数での第 1のスぺクトル値と、前記第 2周波 数帯域の低域端の周波数またはその近傍の周波数での第 2のスぺクトル値とを 取得し、前記第 1および第 2のスぺクトル値の比率を前記混合係数として算出す るものであり、 6. The band extending apparatus according to claim 2 or 3, wherein a frequency spectrum of the input signal is calculated, and a coefficient for determining a mixing coefficient to be multiplied by the extended band component using the frequency spectrum. A decision unit; The coefficient determination unit uses the frequency spectrum to reduce the first spectrum value at a frequency at or near the high frequency end of the second frequency band and the low frequency band of the second frequency band. Obtaining a second spectrum value at a frequency at or near the band edge, and calculating a ratio between the first and second spectrum values as the mixing coefficient,
前記混合部は、前記拡張帯域成分に前記混合係数を乗算して当該乗算結果を前 記べ一スパンド信号に加算することを特徴とする帯域拡張装置。  The band expanding device, wherein the mixing unit multiplies the expansion band component by the mixing coefficient and adds the multiplication result to the one spanned signal.
7. 請求項 2または 3記載の帯域拡張装置であって、 前記入力信号の周波数ス ぺクトルを算出し、前記周波数スぺクトルを用いて前記拡張帯域成分に乗じるベ き混合係数を決定する係数決定部をさらに備え、 7. The band extending apparatus according to claim 2, wherein a frequency spectrum of the input signal is calculated, and a coefficient for determining a mixing coefficient to be multiplied by the extended band component using the frequency spectrum. A decision unit;
前記係数決定部は、前記周波数スぺクトルを用いて、前記第 2周波数帯域の高 域端の周波数を含む所定の狭帯域におけるスぺクトル値の第 1平均と、前記第 2 周波数帯域の低域端の周波数を含む所定の狭帯域におけるスぺクトル値の第 2 平均とを算出し、前記第 1および第 2平均の比率を前記混合係数として算出する ものであり、  The coefficient determination unit uses the frequency spectrum to calculate a first average of spectrum values in a predetermined narrow band including a frequency at a high frequency end of the second frequency band, and a low value of the second frequency band. Calculating a second average of spectrum values in a predetermined narrow band including a frequency at a band edge, and calculating a ratio of the first and second averages as the mixing coefficient;
前記混合部は、前記摅張帯域成分に前記混合係数を乗算して当該乗算結果を前 記ベースパンド信号に加算することを特徴とする帯域拡張装置。  The band expanding device, wherein the mixing unit multiplies the tension band component by the mixing coefficient and adds the multiplication result to the base spanned signal.
8. 請求項 2または 3記載の帯域拡張装置であって、 前記拡張帯域成分に乗ず るべき混合係数を決定する係数決定部をさらに備え、 8. The band extending apparatus according to claim 2, further comprising a coefficient determining unit that determines a mixing coefficient to be multiplied by the extended band component,
前記係数決定部は、 前記第 2周波数帯域の高域端の周波数を含む所定の狭帯域を通過帯域として 有し前記入力信号にフィルタリングを施す第 1帯域通過フィル夕と、 The coefficient determination unit A first band pass filter for filtering the input signal having a predetermined narrow band including a frequency at a high end of the second frequency band as a pass band;
前記第 2周波数帯域の低域端の周波数を含む所定の狭帯域を通過帯域として 有し前記入力信号にフィル夕リングを施す第 2帯域通過フィル夕と、  A second band pass filter that has a predetermined narrow band including a frequency at a lower end of the second frequency band as a pass band and applies a filter ring to the input signal;
前記第 1帯域通過フィル夕の出力の 2乗和を所定のサンプル期間に亘つて算 出し且つ前記第 2帯域通過フィルタの出力の 2乗和を前記サンプル期間に亘っ て算出して前記 2乗和の比率の平方根値を前記混合係数として算出する演算部 と、 を含み、  The sum of squares of the output of the first bandpass filter is calculated over a predetermined sample period, and the sum of squares of the output of the second bandpass filter is calculated over the sample period to calculate the sum of squares. An arithmetic unit that calculates a square root value of the ratio of
前記混合部は、前記拡張帯域成分に前記混合係数を乗算して当該乗算結果を前 記ベースバンド信号に加算することを特徴とする帯域拡張装置。  The mixing unit multiplies the extension band component by the mixing coefficient and adds the multiplication result to the baseband signal.
9 . 請求項 1記載の帯域拡張装置であって、 前記入力信号の周波数スペクトル と前記周波数スぺクトルの回帰曲線とを算出し、前記回帰曲線を用いて前記拡張 帯域成分に乗じるべき混合係数を決定する係数決定部をさらに備え、 9. The band extending apparatus according to claim 1, wherein a frequency spectrum of the input signal and a regression curve of the frequency spectrum are calculated, and a mixing coefficient to be multiplied by the extension band component is calculated using the regression curve. A coefficient determination unit for determining,
前記スぺクトル反転部は、前記入力信号のスぺクトルを反転して前記反転信号 を生成し、  The spectrum inversion unit inverts the spectrum of the input signal to generate the inverted signal,
前記混合部は、前記拡張帯域成分に前記混合係数を乗算して当該乗算結果を前 記ベースバンド信号に加算することを特徴とする帯域拡張装置。 .  The mixing unit multiplies the extension band component by the mixing coefficient and adds the multiplication result to the baseband signal. .
1 0 . 請求項 9記載の帯域拡張装置であって、 前記係数決定部は、 前記回帰曲 線を用いて、前記入力信号の周波数帯域の高域端の周波数またはその近傍の周波 数での第 1のスぺクトル値と、前記入力信号の周波数帯域の低域端の周波数また はその近傍の周波数での第 2のスぺクトル値とを取得し、前記第 1および第 2の スぺクトル値の比率を前記混合係数として算出することを特徴とする帯域拡張 装置。 10. The band extending apparatus according to claim 9, wherein the coefficient determination unit uses the regression curve to calculate a first frequency at a frequency at a high frequency end of the frequency band of the input signal or a frequency in the vicinity thereof. The spectral value of 1 and the frequency or frequency at the lower end of the frequency band of the input signal. Obtains a second spectral value at a frequency in the vicinity thereof, and calculates a ratio of the first and second spectral values as the mixing coefficient.
1 1 . 請求項 1記載の帯域拡張装置であって、 前記入力信号の周波数スぺクト ルを算出し、前記周波数スぺクトルを用いて前記拡張帯域成分に乗じるべき混合 係数を決定する係数決定部をさらに備え、 1 1. The band extending apparatus according to claim 1, wherein a frequency spectrum of the input signal is calculated, and a coefficient determination is performed to determine a mixing coefficient to be multiplied by the extended band component using the frequency spectrum. Further comprising
前記スぺクトル反転部は、前記入力信号のスぺクトルを反転して前記反転信号 を生成し、  The spectrum inversion unit inverts the spectrum of the input signal to generate the inverted signal,
前記係数決定部は、前記周波数スぺクトルを用いて、前記入力信号の周波数帯 域の高域端の周波数またはその近傍の周波数での第 1のスぺクトル値と、前記入 力信号の周波数帯域の低域端の周波数またはその近傍の周波数での第 2のスぺ クトル値とを取得し、前記第 1および第 2のスぺクトル値の比率を前記混合係数 として算出するものであり、  The coefficient determination unit uses the frequency spectrum to set a first spectrum value at a frequency at or near a high frequency end of the frequency band of the input signal and a frequency of the input signal. Obtaining a second spectrum value at a frequency at the lower end of the band or a frequency in the vicinity thereof, and calculating a ratio of the first and second spectrum values as the mixing coefficient,
前記混合部は、前記拡張帯域成分に前記混合係数を乗算して当該乗算結果を前 記べ一スパンド信号に加算することを特徴とする帯域拡張装置。  The band expanding device, wherein the mixing unit multiplies the expansion band component by the mixing coefficient and adds the multiplication result to the one spanned signal.
1 2 . 請求項 1記載の帯域拡張装置であって、 前記入力信号の周波数スぺクト ルを算出し、前記周波数スぺクトルを用いて前記拡張帯域成分に乗じるべき混合 係数を決定する係数決定部をさらに備え、 . 1 2. The band extension apparatus according to claim 1, wherein a frequency spectrum of the input signal is calculated, and a coefficient determination is performed to determine a mixing coefficient to be multiplied by the extension band component using the frequency spectrum. Further comprising:
前記スぺクトル反転部は、前記入力信号のスぺクトルを反転して前記反転信号 を生成し、 前記係数決定部は、前記周波数スぺクトルを用いて、前記入力信号の周波数帯 域の高域端の周波数を含む所定の狭帯域におけるスぺクトル値の第 1平均と、前 記入力信号の周波数帯域の低域端の周波数を含む所定の狭帯域におけるスぺク トル値の第 2平均とを算出し、前記第 1および第 2平均の比率を前記混合係数と して算出するものであり、 The spectrum inversion unit inverts the spectrum of the input signal to generate the inverted signal, The coefficient determination unit uses the frequency spectrum to calculate a first average of spectrum values in a predetermined narrow band including a frequency at a high frequency end of the frequency band of the input signal, and the input signal. The second average of the spectrum values in a predetermined narrow band including the frequency at the lower end of the frequency band is calculated, and the ratio of the first and second averages is calculated as the mixing coefficient. ,
前記混合部は、前記拡張帯域成分に前記混合係数を乗算して当該乗算結果を前 記ベースバンド信号に加算することを特徴とする帯域拡張装置。  The mixing unit multiplies the extension band component by the mixing coefficient and adds the multiplication result to the baseband signal.
1 3. 請求項 1記載の帯域拔張装置であって、 前記拡張帯域成分に乗ずるべき 混合係数を決定する係数決定部をさらに備え、 1 3. The band stretching apparatus according to claim 1, further comprising a coefficient determination unit that determines a mixing coefficient to be multiplied by the extended band component,
前記スぺクトル反転部は、前記入力信号のスぺクトルを反転して前記反転信号 を生成し、  The spectrum inversion unit inverts the spectrum of the input signal to generate the inverted signal,
前記係数決定部は、  The coefficient determination unit
前記入力信号の周波数帯域の高域端の周波数を含む所定の狭帯域を通過帯域 として有し前記入力信号にフィルタリングを施す第 1帯域通過フィルタと、 前記入力信号の周波数帯域の低域端の周波数を含む所定の狭帯域を通過帯域 として有し前記入力信号にフィル夕リングを施す第 2帯域通過フィルタと、 前記第 1帯域通過フィル夕の出力の 2乗和を所定のサンプル期間に亘って算 出し且つ前記第 2帯域通過フィルタの出力の 2乗和を前記サンプル期間に亘っ て算出して前記 2乗和の比率の平方根値を前記混合係数として算出する演算部 と、 を含み、  A first band pass filter having a predetermined narrow band including a frequency at a high frequency end of the frequency band of the input signal as a pass band and filtering the input signal; and a frequency at a low frequency end of the frequency band of the input signal A second band-pass filter that has a predetermined narrow band including a pass band as a pass band and filters the input signal, and sums the squares of the outputs of the first band-pass filter over a predetermined sample period. And calculating a square sum of the output of the second bandpass filter over the sample period and calculating a square root value of the ratio of the square sum as the mixing coefficient, and
前記混合部は、前記拡張帯域成分に前記混合係数を乗算して当該乗算結果を前 記べ一スパンド信号に加算することを特徴とする帯域拡張装置。 The mixing unit multiplies the extension band component by the mixing coefficient and outputs the multiplication result. A band expanding device characterized by adding to a spanned signal.
1 4. 請求項 2または 3記載の帯域拡張装置であって、 前記入力信号から第 2 の拡張帯域成分を生成する第 2の拡張帯域処理部をさらに備え、 1 4. The band extending apparatus according to claim 2 or 3, further comprising a second extension band processing unit that generates a second extension band component from the input signal,
前記第 2の拡張帯域処理部は、  The second extension bandwidth processing unit
前記拡張帯域処理部に含まれる前記ダウンサンブラから供給された前記帯域 信号にァップサンプリングを施すァップサンブラと、  An up-sampling unit for up-sampling the band signal supplied from the down-sampling unit included in the extended band processing unit;
前記アップサンブラの出力にフィルタリングを施すことで、前記拡張帯域成分 の高域端の周波数と略同一の周波数を低域端とする周波数帯域の成分を前記第 2の拡張帯域成分として生成する帯域通過フィルタと、 を含み、  By performing filtering on the output of the up-sampler, a band pass that generates a frequency band component having a frequency that is substantially the same as the high-frequency end frequency of the extension band component as the second extension band component is generated. A filter, and
前記混合部は、前記ベースパンド信号に前記拡張帯域成分と前記第 2の拡張帯 域成分とを混合することを特徴とする帯域拡張装置。  The mixing unit mixes the extension band component and the second extension band component with the baseband signal.
1 5 . 請求項 1 4記載の帯域拡張装置であって、 前記入力信号の周波数スぺク トルと前記周波数スぺクトルの回帰曲線とを算出し、前記回帰曲線を用いて、前 記拡張帯域成分に乗ずるべき第 1混合係数と前記第 2の拡張帯域成分に乗ずる べき第 2混合係数とを決定する係数決定部をさらに備え、 15. The band extending apparatus according to claim 14, wherein a frequency spectrum of the input signal and a regression curve of the frequency spectrum are calculated, and the extended band is calculated using the regression curve. A coefficient determining unit that determines a first mixing coefficient to be multiplied by a component and a second mixing coefficient to be multiplied by the second extension band component;
前記混合部は、前記拡張帯域成分に前記第 1混合係数を乗算し且つ前記第 2の 拡張帯域成分に前記第 2混合係数を乗算して当該乗算結果を前記ベースバンド 信号に加算することを特徴とする帯域拡張装置。  The mixing unit multiplies the extension band component by the first mixing coefficient and multiplies the second extension band component by the second mixing coefficient and adds the multiplication result to the baseband signal. Bandwidth expansion device.
1 6 . 請求項 1 4記載の帯域拡張装置であって、 前記入力信号の周波数スぺク トルを算出し、前記周波数スぺクトルを用いて、前記拡張帯域成分に乗ずるべき 第 1混合係数と前記第 2の拡張帯域成分に乗ずるべき第 2混合係数とを決定す る係数決定部をさらに備え、 16. The band extending apparatus according to claim 14, wherein a frequency spectrum of the input signal is obtained. And a coefficient determining unit that determines a first mixing coefficient to be multiplied by the extension band component and a second mixing coefficient to be multiplied by the second extension band component using the frequency spectrum. Prepared,
前記混合部は、前記拡張帯域成分に前記第 1混合係数を乗算し且つ前記第 2の 拡張帯域成分に前記第 2混合係数を乗算して当該乗算結果を前記べ一スパンド 信号に加算することを特徴とする帯域拡張装置。  The mixing unit multiplies the extension band component by the first mixing coefficient and multiplies the second extension band component by the second mixing coefficient and adds the multiplication result to the total spanned signal. A bandwidth extension device.
1 7. 請求項 2または 3記載の帯域拡張装置であって、 前記入力信号から第 2 の拡張帯域成分を生成する第 2の拡張帯域処理部をさらに備え、 1 7. The band extending apparatus according to claim 2 or 3, further comprising a second extension band processing unit that generates a second extension band component from the input signal,
前記拡張帯域処理部に含まれる前記帯域通過フィル夕は、前記ァップサンブラ の出力にフィルタリングを施すことで、互いに異なる周波数帯域に制限された複 数の第 1サブ帯域成分を前記拡張帯域成分として生成するフィル夕バンクで構 成されており、  The bandpass filter included in the extension band processing unit generates a plurality of first subband components limited to different frequency bands as the extension band components by filtering the output of the upsampler. It is made up of Phil Yubank,
前記第 2の拡張帯域処理部は、  The second extension bandwidth processing unit
前記拡張帯域処理部に含まれる前記ダウンサンブラから供給された前記帯域 信号にアップサンプリングを施すアップサンブラと、  An upsampler for upsampling the band signal supplied from the downsampler included in the extended band processing unit;
前記アップサンブラの出力にフィルタリングを施すことで、互いに異なる周波 数帯域に制限された複数の第 2サブ帯域成分を前記第 2の拡張帯域成分として 生成するフィルタパンクと、 を含み、  A filter puncture that generates a plurality of second sub-band components limited to different frequency bands as the second extension band components by filtering the output of the up-sampler, and
前記混合部は、前記ベースバンド信号に前記第 1サブ帯域成分と前記第 2サブ 帯域成分とを混合することを特徴とする帯域拡張装置。 The band extending device, wherein the mixing unit mixes the first sub-band component and the second sub-band component with the baseband signal.
1 8. 請求項 1 7記載の帯域拡張装置であって、 前記第 1サブ帯域成分の周波 数帯域と前記第 2サブ帯域成分の周波数帯域とは連続することを特徴とする帯 域拡張装置。 1 8. The band extending apparatus according to claim 17, wherein the frequency band of the first subband component and the frequency band of the second subband component are continuous.
1 9 . 請求項 1 7または 1 8記載の帯域拡張装置であって、 前記入力信号の周 波数スぺクトルと前記周波数スぺクトルの回帰曲線とを算出し、前記回帰曲線を 用いて、前記第 1サブ帯域成分にそれぞれ乗ずるべき複数の第 1混合係数と前記 第 2サブ帯域成分にそれぞれ乗ずるべき複数の第 2混合係数とを決定する係数 決定部をさらに備え、 19. The band extending apparatus according to claim 17 or 18, wherein a frequency spectrum of the input signal and a regression curve of the frequency spectrum are calculated, and the regression curve is used to calculate the frequency spectrum. A coefficient determination unit for determining a plurality of first mixing coefficients to be multiplied by the first sub-band components and a plurality of second mixing coefficients to be multiplied by the second sub-band components, respectively;
前記混合部は、前記第 1サブ帯域成分にそれぞれ前記第 1混合係数を乗算し且 つ前記第 2サブ帯域成分にそれぞれ前記第 2混合係数を乗算して当該乗算結果 を前記ベースバンド信号に加算することを特徴とする帯域拡張装置。  The mixing unit multiplies the first subband component by the first mixing coefficient, and multiplies the second subband component by the second mixing coefficient, and adds the multiplication result to the baseband signal. A bandwidth expansion apparatus characterized by:
2 0 . 請求項 1 7または 1 8記載の帯域拡張装置であって、 前記入力信号の周 波数スぺクトルを算出し、前記周波数スぺクトルを用いて、前記第 1サブ帯域成 分にそれぞれ乗ずるべき複数の第 1混合係数と前記第 2サブ帯域成分にそれぞ れ乗ずるべき複数の第 2混合係数とを決定する係数決定部をさらに備え、 前記混合部は、前記第 1サブ帯域成分にそれぞれ前記第 1混合係数を乗算し且 つ前記第 2サブ帯域成分にそれぞれ前記第 2混合係数を乗算して当該乗算結果 を前記ベースバンド信号に加算することを特徴とする帯域拡張装置。 20. The band extending apparatus according to claim 17 or 18, wherein a frequency spectrum of the input signal is calculated, and each of the first subband components is calculated using the frequency spectrum. A coefficient determining unit that determines a plurality of first mixing coefficients to be multiplied and a plurality of second mixing coefficients to be multiplied by the second subband component, respectively, and the mixing unit includes the first subband component; A band extending apparatus characterized by multiplying the first mixing coefficient and multiplying the second subband component by the second mixing coefficient, respectively, and adding the multiplication result to the baseband signal.
2 1 . 入力信号の周波数帯域を拡張する帯域拡張方法であって、 (a)前記入力信号にアップサンプリングを施し、 当該アップサンプリングさ れた信号にフィルタリングを施すことで所定の周波数帯域に制限されたベース バンド信号を生成するステップと、 2 1. A bandwidth expansion method for extending the frequency bandwidth of an input signal, (a) performing upsampling on the input signal and filtering the upsampled signal to generate a baseband signal limited to a predetermined frequency band; and
( b ) 前記入力信号から拡張帯域成分を生成するステップと、  (b) generating an extended band component from the input signal;
(c)前記べ一スバンド信号に前記拡張帯域成分を混合するステップと、 を備 え、  (c) mixing the extension band component with the baseband signal, and
前記ステップ (b) は、  Step (b)
(b— 1)前記入力信号または前記入力信号から得られる帯域信号のスぺクト ルを反転して反転信号を生成するステップと、  (b-1) inverting the spectrum of the input signal or a band signal obtained from the input signal to generate an inverted signal;
(b-2) 前記反転信号にアップサンプリングを施すステップと、  (b-2) performing upsampling on the inverted signal;
(b-3) 前記ステップ(b— 2) でアップサンプリングされた反転信号にフ ィル夕リングを施すことで前記ベースバンド信号の周波数帯域の高域端の周波 数と略同一の周波数を低域端とする周波数帯域の成分を前記拡張帯域成分とし て生成するステップと、 を含むことを特徴とする帯域拡張方法。  (b-3) By applying filtering to the inverted signal up-sampled in step (b-2), the frequency substantially the same as the frequency at the high end of the frequency band of the baseband signal is reduced. Generating a frequency band component as a band edge as the extended band component; and a band extending method comprising:
22. 入力信号の周波数帯域を拡張する帯域拡張処理をプロセッサに実行させ る帯域拡張プログラムであって、 22. A bandwidth extension program for causing a processor to execute bandwidth extension processing for extending a frequency bandwidth of an input signal,
前記帯域拡張処理は、  The bandwidth extension process includes:
前記入力信号にアップサンプリングを施し、当該アップサンプリングされた信 号にフィル夕リングを施すことで所定の周波数帯域に制限されたベースバンド 信号を生成するべ一スバンド処理と、  Baseband processing for generating a baseband signal limited to a predetermined frequency band by performing upsampling on the input signal and performing fill-up on the upsampled signal;
前記入力信号から拡張帯域成分を生成する拡張帯域処理と、 前記ベースバンド信号に前記拔張帯域成分を混合する混合処理と、 を備え、 前記拡張帯域処理は、 Extended band processing for generating an extended band component from the input signal; Mixing processing for mixing the tension band component to the baseband signal, and the extension band processing comprises:
前記入力信号または前記入力信号から得られる帯域信号のスぺクトルを反転 して反転信号を生成するスぺクトル反転処理と、  A spectrum inversion process for generating an inverted signal by inverting the spectrum of the input signal or a band signal obtained from the input signal;
前記反転信号にアップサンプリングを施すアップサンプリング処理と、 前記アップサンブラの出力にフィルタリングを施すことで前記ベースバンド 信号の周波数帯域の高域端の周波数と略同一の周波数を低域端とする周波数帯 域の成分を前記拡張帯域成分として生成するフィル夕処理と、を含むことを特徴 とする帯域拡張プログラム。  Up-sampling processing for up-sampling the inverted signal, and a frequency band having a low-frequency end that is substantially the same as the high-frequency end frequency of the baseband signal by filtering the output of the up-sampler And a band expansion program for generating a band component as the expansion band component.
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