CN104137568B - 频率特性变形装置 - Google Patents

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Abstract

具备：HPF(702)，使作为对象的信号的频率特性变形；相位校正部(701)，校正作为对象的信号的相位特性，而设为与HPF(702)的相位特性大致相同；第一乘法器(705)，调整从相位校正部(701)输出的信号的增益；第二乘法器(706)，调整从HPF(702)输出的信号的增益；系数决定部，决定所述第一以及第二乘法器(705、706)的增益系数以使第一乘法器(705)的增益系数和第二乘法器(706)的增益系数的合计成为固定值；以及加法器(713)，将从第一乘法器(705)以及第二乘法器(706)输出的2个信号相加。

Description

频率特性变形装置
技术领域
本发明涉及改善声音信号再生中的失真、破音的信号处理技术。
背景技术
在用扬声器再生音乐、播音等声音信号的扬声器再生系统中，音质有时由于失真、破音而变差。失真、破音的原因大致分为2个。第一是向扬声器的输入信号发生了失真的情形，第二是即使输入信号未失真但由于超过扬声器的再生界限而发生失真、破音的情形。
关于第一情形，能够如以下那样说明。在最近的声音信号再生系统中，通过数字处理来校正频率特性或者调整音量的装置正在增加。在频率特性的校正中，例如如果使高频分量增强10dB，则有数字信号以-10dBFS以上的音量值而饱和的可能性。另外，0dBFS表示数字信号的最大振幅值。因此，在大音量时再生声音数字性地发生失真，导致音质变差。图2示出其情况。
在图2中，纵轴表示数字信号的振幅强度，横轴表示频率。另外，用灰色来表示信号饱和而发生破音的区域，用粗线表示其边界。201、202、203表示频率特性被校正了的数字声音信号的频率特性的一个例子，201是音量值小时的特性、202是音量值为中等程度时的特性、203是音量值大时的特性。在201、202的音量值中，声音信号不超过0dBFS，所以不发生破音，能够以本来的音质来享受。但是，如果如203那样提高音量，则高频分量的一部分信号强度超过0dBFS，数字性地饱和。如果信号饱和，则发生失真、破音而音质变差。
这样，如果想要以大音量来再生频率特性被校正了的数字信号，则存在特定的频率分量超过成为数字信号的最大振幅值的0dBFS的情形，所以由此信号饱和而发生失真、破音。
接下来，说明第二情形、即由于超过扬声器的再生界限而发生失真、破音的情形。
在扬声器再生中，有扬声器的振动板能够振动的最大的位移幅度，如果输入了超过最大的位移幅度那样的信号，则扬声器振动板无法良好地振动，而发生失真、破音。此处，扬声器振动板的位移幅度依赖于输入信号的频率。图3示出其关系。图3示出不使电压(V)变化而仅使信号的频率变化从而输入到扬声器时的扬声器振动板的位移幅度。另外，在图3中，实际上由于表示扬声器的制动程度的Q值等的差异，F0附近的特性比图3更凸起或者平滑，但大致的倾向不变化。另外，由于对于位移幅度的特性与图3所示的特性不同的扬声器也能够应用本发明，所以为了便于说明，将扬声器振动板的位移幅度的特性看作图3而进行以下的说明。
在图3中，扬声器振动板的位移幅度在比F0(扬声器的最低共振频率)低的频率分量中成为大致恒定值，在比F0高的频率分量中，位移幅度以大致-12dB/oct的斜率而减少。这表示，在将F0附近以下的低的频率分量输入到扬声器时，相比于输入高的频率分量，扬声器振动板以更大的位移幅度进行振动。因此，如果将包含大量的低的频率分量的信号输入到扬声器，并提高其电压，则在某个电压以上会超过振动板的最大位移幅度。即，可以说越是包含大量的低的频率分量的信号，另外越提高电压，越易于超过扬声器的再生界限。图4示出其情况。
在图4中，纵轴表示信号的振幅强度，横轴表示频率。另外，用灰色来表示超过扬声器振动板的位移界限而发生破音的区域，用粗线来表示其边界。此处，图4的特性是针对声音信号的振幅值的特性，所以与图3所示的扬声器的位移幅度的特性不同，扬声器振动板的位移界限成为+12dB/oct的斜率。
另外，401、402、403表示由扬声器再生的声音信号的频率特性，特别是设想包含大量的低频分量的情形。401是音量值小时的特性、402是音量值为中等程度时的特性、403是音量值大时的频率特性。在如401那样以小的音量值进行再生的部分中，即使是包含大量的低频分量的声音信号，也不会超过扬声器振动板的最大位移幅度，所以不发生破音，能够以本来的音质来享受。但是，如果如402、403那样提高音量，则会超过扬声器振动板的最大位移幅度，所以发生失真、破音而音质变差。
这样，如果输入了超过振动板的最大位移幅度那样的信号，则振动板无法良好地振动而发生失真、破音。
失真、破音是在本来的声音信号中未包含的音，所以成为想要享受音乐时造成妨碍的大的要因。
对于这个问题，以往通过图17所示的处理结构来缓和了失真、破音。在图17中，构成为针对输入信号1301，使其通过抑制低频分量的HPF(高通滤波器)1302之后输出信号1303。通过设成这样的结构，在输入到扬声器之前就能够抑制成为破音的原因的低频分量，所以能够减少发生失真、破音的比例。但是，在以往的技术中，存在如下课题：由于利用HPF1302来抑制低频分量，所以即使在例如再生的信号的低频分量少且以大电压驱动扬声器也不发生破音那样的情况下，也始终抑制低频带分量而无法再生本来的音。另外，还存在如下课题：即使在不以那么大的电压来驱动，而不通过高通滤波器1302也不会发生破音的情形下，也始终抑制低频分量，所以无法再生本来的音。即，在以往的技术中，存在如下课题：为了防止大电压驱动时(大音量时)的破音，过度地抑制低频分量而不能享受本来的音质。
作为缓和该课题的技术，例如有专利文献1公开的技术。图18是专利文献1公开的振幅限制装置的处理模块。根据专利文献1，在用于抑制过大输入的振幅限制中，通过检测振幅限制特性所致的失真的量，并根据该值来控制每个频带的增益，从而缓和振幅限制所致的音质变差。
专利文献1：日本特开2009-147701号公报
发明内容
但是，在上述专利文献1公开的技术中，要抑制的频率分量被限制为分割的频带宽度，所以存在如下课题：连本来不抑制也可以的频率分量也被过度地抑制而音质变差。例如，考虑通过BPF(带通滤波器)分割为子带的频带宽度是100Hz的情况。此时，如果输入在60Hz以下的频率分量中具有大的强度的信号，则本来仅抑制60Hz以下的信号分量就不会发生破音。然而，在该技术中，抑制0～100Hz的信号分量全体的强度，所以应抑制的频率分量以外的分量(60～100Hz的分量)也被抑制。另外，如图3所示，扬声器振幅板的位移幅度具有频率特性，但在专利文献1公开的振幅限制装置中，并未成为反映了位移幅度的频率特性的处理结构。因此，可以说不具有防止由于超过扬声器振动板的最大位移而发生的破音的功能。
本发明是为了解决上述那样的课题而完成的，其目的在于提供一种能够在保持了音质的状态下防止扬声器再生中的失真、破音的频率特性变形装置。
本发明的频率特性变形装置具备：滤波器，使作为对象的信号的频率特性变形；相位校正部，对作为对象的信号的相位特性进行校正，而设为与滤波器的相位特性大致相同；第一乘法器，调整从相位校正部输出的信号的增益；第二乘法器，调整从滤波器输出的信号的增益；系数决定部，决定第一以及第二乘法器的增益系数以使第一乘法器的增益系数和第二乘法器的增益系数的合计成为固定值；以及加法器，将从第一乘法器以及第二乘法器输出的2个信号相加。
根据本发明，能够提供在保持了音质的状态下防止扬声器再生中的失真、破音的频率特性变形装置。
附图说明
图1是实施方式1的频率特性变形装置的原理说明图。
图2是示出数字信号的振幅界限与音源的频率特性的关系的图。
图3是示出扬声器振动板的位移特性的图。
图4是示出扬声器的振动界限与音源的频率特性的关系的图。
图5是示出实施方式1的频率特性变形装置的2个增益所致的频率特性的变化的说明图。
图6是实施方式2的频率特性变形装置的原理说明图。
图7是示出实施方式2的频率特性变形装置的2个增益所致的频率特性的变化的说明图。
图8是实施方式3的频率特性变形装置的原理说明图。
图9是示出实施方式3的频率特性变形装置的3个增益所致的频率特性的变化的说明图。
图10是实施方式4的频率特性变形装置的原理说明图。
图11是示出实施方式4的频率特性变形装置的低频抽出部的实施例的图。
图12是示出实施方式4的频率特性变形装置的低频抽出部的其他实施例的图。
图13是示出与实施方式4的低频衰减效果对应的高次谐波的相加影像的图。
图14是实施方式5的频率特性变形装置的原理说明图。
图15是示出与实施方式5的低频衰减效果对应的高次谐波的相加影像的图。
图16是实施方式6的频率特性变形装置的原理说明图。
图17是以往技术的原理说明图。
图18是以往技术的振幅限制装置的处理模块图。
(符号说明)
101：输入信号；102：过大输入推测部；103：频率特性变形部；105：控制部；107：输出信号；501：扬声器振动板位移推测部；502：信息；701：相位校正部；702：HPF；705：第一乘法器；706：第二乘法器；713、2003、2125、2126、2127、2204：加法器；901、2012：LPF；1101：第一HPF；1102：第二HPF；1103：第三HPF；1107：第一相位校正部；1108：第二相位校正部；1109：第三相位校正部；1113：第一乘法器；1114：第二乘法器；1115：第三乘法器；2001：高次谐波信号生成部；2004：低频抽出部；2006：高次谐波生成部；2008、2119、2120、2121、2201：乘法器；2011：差分器；2101：第一LPF；2102：第二LPF；2103：第三LPF；2107：第四相位校正部；2108：第五相位校正部；2109：第六相位校正部；2113：第一高次谐波生成部；2114：第二高次谐波生成部；2115：第三高次谐波生成部。
具体实施方式
以下，为了更详细地说明本发明，依照附图来说明用于实施本发明的方式。
实施方式1.
图1是示出本发明的实施例的图。以下，说明本实施例的动作。
输入到本发明的频率特性变形装置的输入信号101被分支，而被送到相位校正部701和HPF702。
相位校正部701不改变输入信号的频率振幅特性，而仅校正相位特性以使得成为与HPF702的相位特性大致相同的特性，将所得到的信号703输出到第一乘法器705和过大输入推测部102。
HPF702对输入信号101进行滤波处理，将所得到的信号704输出到第二乘法器706和过大输入推测部102。
此处，说明以使得成为与HPF702大致相同的相位特性的方式校正相位的相位校正部701的实现方法。在用1级的2阶IIR滤波器来实现HPF702的情况下，其相位特性在截止频率下正好旋转90度，在其以后的频率分量中逐渐旋转至180度。实现这样的相位特性的相位校正部701能够由利用1阶IIR滤波器的全通滤波器构成。另外，在用2级的2阶IIR滤波器实现HPF的情况下，相位特性在截止频率下正好旋转180度，在其以后的频率分量中，逐渐旋转至360度。实现这样的相位特性的相位校正部能够由利用2阶IIR滤波器的全通滤波器构成。另外，在用N级的2阶IIR滤波器实现HPF的情况下，通过适当地串联连接1阶IIR和2阶IIR的全通滤波器，能够实现相同的相位特性。另外，在用FIR滤波器来实现HPF的情况下，相位特性成为直线相位，所以相位校正部701能够通过采样延迟处理构成。这样能够实现成为与HPF702相同的相位特性那样的相位校正部701。
本实施例的过大输入推测部102由扬声器振动板位移推测部501构成。在扬声器振动板位移推测部501中，使用音量值、对象扬声器的F0等信息502，推测再生了信号703时的扬声器振动板的位移值，求出第一扬声器振动板位移值707。同样地，推测再生了信号704时的扬声器振动板的位移值，求出第二扬声器振动板位移值708。作为位移值推测的具体例，准备利用将F0设为截止频率的2阶IIR滤波器的LPF，使输入信号通过了该LPF之后乘以音量值，从而求出与对象扬声器的位移幅度大致成比例的值。另外，在利用2阶IIR滤波器的LPF中，也能够变更Q值，所以还能够根据对象扬声器的制动程度来改变Q值而提高推测精度。当然也可以用其他方法、例如FIR滤波器来模拟对象扬声器的振动板位移特性。
将这样求出了的2个扬声器振动板位移值707、708输出到控制部105。
在控制部105中，求出在对所输入的2个扬声器振动板位移值707、708分别乘以不同的增益系数之后进行了相加时振幅值的绝对值收敛于规定的阈值以内那样的2个增益系数。其中，使2个增益系数的合计成为1。
如果在这样的条件下改变2个增益系数，则能够实现不同的低频衰减效果。图5示出用截止频80Hz的2级的2阶IIR滤波器实现HPF702、并用截止频率80Hz的1级的2阶IIR的全通滤波器实现相位校正部701时的基于2个增益系数的频率特性的变化。另外，在图5中，在将针对扬声器振动板位移值707的增益系数设为A1、将针对扬声器振动板位移值708的增益系数设为A2时，301表示A1＝1.0、A2＝0.0的特性，302表示A1＝0.1、A2＝0.9的特性，303表示A1＝0.0、A2＝1.0的特性。这样，可知根据完全平坦的特性(A1＝1.0、A2＝0.0)，在成为与截止频率80Hz的2级的2阶IIR滤波器相同的特性(A1＝0.0、A2＝1.0)的期间，能够实现不同的低频衰减特性。另外，关于截止频率以上的频率分量，以合计成为1的比例相加使相位一致的分量，所以强度不会增减而能够保持平坦的特性。
作为这样的2个增益系数的具体的计算方法，如果将扬声器振动板位移值707设为X1、将扬声器振动板位移值708设为X2、将针对X1的增益系数设为A1、将针对X2的增益系数设为A2、将规定的阈值设为T，则能够通过求出满足以下的式(1)的A1、A2来实现。
T>ABS(X1×A1+X2×A2)···(1)
A1+A2＝1
另外，ABS(x)表示x的绝对值。
另外，为了将频率特性的变形抑制为必要最小限，在满足上述式(1)的A1、A2的组合中，优选求出A1的值接近1的组合。这是因为，A1是以仅校正相位特性而得到的信号为基础的信号，使A1越接近1，频率特性的变形越少。为了求出这样的增益系数，首先，设为A1＝1，一边使A1的值逐渐变小一边求出ABS(X1×A1+X2×A2)的值，采用比T小的时刻的A1、A2即可。
将这样求出的A1作为增益系数709而输出到第一乘法器705。另外，将A2作为增益系数710而输出到第二乘法器706。
在第一乘法器705中，将所输入的信号703和增益系数709相乘，将所得到的信号711输出到加法器713。
在第二乘法器706中，将所输入的信号704和增益系数710相乘，将所得到的信号712输出到加法器713。
在加法器713中，将所输入的2个信号711、712相加，将所得到的信号作为输出信号107输出。
如以上那样，通过实施方式1的处理结构，能够防止再生声音信号成为过大输入。因此，通过本发明，可得到能够抑制失真、破音这样的效果。另外，利用控制部尽可能降低截止频率，从而还可得到能够以必要最小限的频率特性变化来防止失真、破音这样的效果。
实施方式2.
通过将在实施例1中说明的HPF702置换为LPF，在实施了高频分量的校正多那样的频率特性校正的数字声音信号中，还能够以不超过数字信号的最大振幅的方式使信号的频率特性变形。图6是示出将HPF702置换为LPF时的实施例的处理结构。
输入到本发明的频率特性变形装置的输入信号101被分支，而被送到相位校正部701和LPF901。
相位校正部701不改变输入信号的频率振幅特性，而仅校正相位特性以使得成为与LPF901的相位特性大致相同的特性，将所得到的信号703输出到第一乘法器705和过大输入推测部102。
LPF901对输入信号101进行滤波处理，将所得到的信号902输出到第二乘法器706和过大输入推测部102。
此处，相位校正部701与实施例1同样地能够通过全通滤波器或者采样延迟处理来实现，所以省略详细的说明。
本实施例的过大输入推测部102由数字信号振幅计算部601构成。在数字信号振幅计算部601中，将音量值602和输入信号703相乘而求出第一振幅值707。同样地，将音量值602和输入信号902相乘而求出第二振幅值708。
将这样求出了的2个振幅值707、708输出到控制部105。
在控制部105中，分别求出在对所输入的2个振幅值707、708乘以2个不同的增益系数后进行了相加时振幅值的绝对值收敛于规定的阈值以内那样的2个增益系数。其中，使2个增益系数的合计成为1。另外，规定的阈值通常是指设定0dBFS，但不限于此，也可以不取得扬声器输入阻抗和放大器输出的匹配，在希望限制放大器的输出的情况下等，设定比其小的值。
如果在这样的条件下改变2个增益系数，则能够实现不同的高频衰减效果。图7示出用截止频率6000Hz的2级的2阶IIR滤波器来实现LPF702、并用截止频率6000Hz的1级的2阶IIR的全通滤波器来实现相位校正部701时的基于2个增益系数的频率特性的变化。另外，在图7中，在将针对扬声器振动板位移值707的增益系数设为A1、将针对扬声器振动板位移值708的增益系数设为A2时，801表示A1＝1.0、A2＝0.0的特性，802表示A1＝0.1、A2＝0.9的特性，803表示A1＝0.0、A2＝1.0的特性。这样，可知从完全平坦的特性(A1＝1.0、A2＝0.0)至截止频率6000Hz的2级的2阶IIR滤波器的特性(A1＝0.0、A2＝1.0)，能够实现不同的高频衰减特性。另外，关于截止频率以下的频率分量，以合计成为1的比例来相加使相位一致的分量，所以强度没有增减而能够保持平坦的特性。作为这样的2个增益系数的具体的计算方法，与实施例1同样地求出，所以省略说明。
将这样求出了的A1作为增益系数709而输出到第一乘法器705。另外，将A2作为增益系数710而输出到第二乘法器706。
在第一乘法器705中，将所输入的信号703和增益系数709相乘，将所得到的信号711输出到加法器713。
在第二乘法器706中，将所输入的信号902和增益系数710相乘，将所得到的信号712输出到加法器713。
在加法器713中，将所输入的2个信号711、712相加，将所得到的信号作为输出信号107而输出。
如以上那样，通过实施方式2的处理结构，能够抑制较多地校正高频分量那样的数字声音信号的振幅值，可得到能够抑制失真、破音这样的效果。另外，在本实施例的控制部中，能够使LPF的截止频率成为尽可能大的值，所以还可得到能够通过必要最小限的频率特性的变化来防止失真、破音这样的效果。
实施方式3.
在实施例1、2中，通过1个相位校正部和1个HPF或者LPF实现了频率特性变形部，但不限于此，也可以通过多个相位校正部和多个HPF或者LPF实现频率特性变形部。
图8是示出通过3个相位校正部和3个HPF实现了频率特性变形部的例子的图。以下，说明本实施例的动作。
输入到本发明的频率特性变形装置的输入信号101被分支为3个，而被送到第一HPF1101和第二HPF1102、第三HPF1103。
在第一HPF1101中，对输入信号进行滤波处理，将所得到的信号1104输出到第一相位校正部1107。
在第二HPF1102中，对输入信号进行滤波处理，将所得到的信号1105输出到第二相位校正部1108。
在第三HPF1103中，对输入信号进行滤波处理，将所得到的信号1106输出到第三相位校正部1109。
在第一相位校正部1107中，不改变信号的频率振幅特性，而仅校正相位特性以使得成为与对第二HPF1102和第三HPF1103这两方进行了处理时的相位特性大致相同的特性，将所得到的信号1110输出到第一乘法器1113和过大输入推测部102。
在第二相位校正部1108中，不改变信号的频率振幅特性，而仅校正相位特性以使得成为与对第一HPF1101和第三HPF1103这两方进行了处理时的相位特性大致相同的特性，将所得到的信号1111输出到第二乘法器1114和过大输入推测部102。
在第三相位校正部1109中，不改变信号的频率振幅特性，而仅校正相位特性以使得成为与对第一HPF1101和第二HPF1102这两方进行了处理时的相位特性大致相同的特性，将所得到的信号1112输出到第三乘法器1115和过大输入推测部102。
此处，各相位校正部与实施例1同样地能够通过全通滤波器或者采样延迟处理来实现，所以省略详细的说明。
本实施例的过大输入推测部102由扬声器振动板位移推测部501构成。在扬声器振动板位移推测部501中，使用音量值、对象扬声器的F0等信息502，推测再生了信号1110时的扬声器振动板的位移值，求出第一扬声器振动板位移值1116。同样地，推测再生了信号1111时的扬声器振动板的位移值，求出第二扬声器振动板位移值1117。同样地，推测再生了信号1112时的扬声器振动板的位移值，求出第三扬声器振动板位移值1118。
作为位移值推测的具体例，通过与实施例1同样的方法来求出，所以省略详细说明。
将这样求出了的3个扬声器振动板位移值1116、1117、1118输出到控制部105。
在控制部105中，求出在对所输入的3个扬声器振动板位移值1116、1117、1118分别乘以不同的增益系数后进行了相加时振幅值的绝对值收敛于规定的阈值以内那样的3个增益系数。其中，使3个增益系数的合计成为1。
如果在这样的条件下改变3个增益系数，则能够实现不同的低频衰减效果。图9示出如下情况的基于3个增益系数的频率特性的变化，其中，所述情况为：用截止频率30Hz的2级的2阶IIR滤波器来实现第一HPF1101，用截止频率70Hz的2级的2阶IIR滤波器来实现第二HPF1102，用截止频率140Hz的4级的2阶IIR滤波器来实现第三HPF1103，将截止频率70Hz的1级的2阶IIR滤波器和截止频率140Hz的2级的2阶IIR滤波器串联地连接起来而实现第一相位校正部1107，将截止频率30Hz的1级的2阶IIR滤波器和截止频率140Hz的2级的2阶IIR滤波器串联地连接起来而实现第二相位校正部1108，将截止频率30Hz的1级的2阶IIR滤波器和截止频率70Hz的1级的2阶IIR滤波器串联地连接起来而实现第三相位校正部1109。
另外，在图9中，在将针对扬声器振动板位移值1116的增益系数设为A1、将针对扬声器振动板位移值1117的增益系数设为A2、将针对扬声器振动板位移值1118的增益系数设为A3时，901表示A1＝1.0、A2＝0.0、A3＝0.0的特性，902表示A1＝0.1、A2＝0.9、A3＝0.0的特性，903表示A1＝0.0、A2＝1.0、A3＝0.0的特性，904表示A1＝0.0、A2＝0.1、A3＝0.9的特性，905表示A1＝0.0、A2＝0.0、A3＝1.0的特性。这样，可知从截止频率30Hz的2级的2阶IIR滤波器的特性(A1＝1.0、A2＝0.0、A3＝0.0)至截止频率140Hz的4级的2阶IIR滤波器的特性(A1＝0.0、A2＝0.0、A3＝1.0)，能够实现不同的低频衰减特性。另外，关于截止频率以上的频率分量，以合计成为1的比例来相加使相位一致的分量，所以强度没有增减而能够保持平坦的特性。
另外，作为这样的3个增益系数的具体的计算方法，如果将扬声器振动板位移值1116设为X1，将扬声器振动板位移值1117设为X2，将扬声器振动板位移值1118设为X3，将针对X1的增益系数设为A1，将针对X2的增益系数设为A2，将针对X3的增益系数设为A3，将规定的阈值设为T，则能够通过求出满足以下的式(2)的A1、A2、A3来实现。
T>ABS(X1×A1+X2×A2+X3×A3)···(2)
A1+A2+A3＝1
另外，ABS(x)表示x的绝对值。
将这样求出了的A1作为增益系数1119而输出到第一乘法器1113。另外，将A2作为增益系数1120输出到第二乘法器1114。另外，将A3作为增益系数1121输出到第三乘法器1115。
在第一乘法器1113中，将所输入的信号1110和增益系数1119相乘，将所得到的信号1122输出到加法器713。
在第二乘法器1114中，将所输入的信号1111和增益系数1120相乘，将所得到的信号1123输出到加法器713。
在第三乘法器1115中，将所输入的信号1112和增益系数1121相乘，将所得到的信号1124输出到加法器713。
在加法器713中，将所输入的3个信号1122、1123、1124相加，将所得到的信号作为输出信号107而输出。
如以上那样，通过实施方式3的处理结构，能够利用3个相位校正和3个HPF来实现频率特性变形部，可得到能够利用频率特性变形部来实现比实施例1更接近通常的HPF的特性这样的效果。
当然，通过增加相位校正和HPF的个数，能够实现更接近通常的HPF的特性。另外，通过将本结构的HPF置换为LPF，从而在实施了高频分量的校正多那样的频率特性校正的数字声音信号中，还能够以不超过数字信号的最大振幅的方式使信号的频率特性变形。
实施方式4.
图10是示出本发明的其他实施例的图。在本实施例中，示出了针对由高通滤波器截掉的低频，生成其高次谐波并相加的例子。以下，说明本实施例的动作。
输入到本发明的信号处理装置的输入信号101被分支，而被送到相位校正部701、HPF702。
相位校正部701不改变输入信号的频率振幅特性，而仅校正相位特性以使得成为与HPF702的相位特性大致相同的特性，将所得到的信号703输出到第一乘法器705、过大输入推测部102以及高次谐波信号生成部2001。
HPF702对输入信号101进行滤波处理，将所得到的信号704输出到加法器2003。
此处，相位校正部与实施例1同样地能够通过全通滤波器或者采样延迟处理来实现，所以省略详细的说明。
高次谐波信号生成部2001由低频抽出部2004、高次谐波生成部2006以及乘法器2008构成。
在低频抽出部2004中，输入相位校正部701的输出信号703而抽出由HPF702截掉的低频，将所得到的信号2005输出到高次谐波生成部2006。此处，关于抽出由HPF702截掉的低频的低频抽出部2004的实现方法，有如下方法：如图11那样由差分器2011构成且通过将相位校正部701的输出信号703用HPF702的输出信号704相减而实现的方法；如图12那样由LPF2012构成且通过使相位校正部701的输出信号703经由与HPF702的滤波器规格同样的滤波器而实现的方法。
在高次谐波生成部2006中，将低频抽出部2004的输出信号2005的高次谐波生成至n次(n是3以上的整数)，将所得到的信号2007输出到乘法器2008。此处，关于高次谐波生成部2006的实现方法，通过峰值保持、全波整流、半波整流等波形变形、信号2005的m次相乘(m是整数)、分频等来生成，生成奇数次高次谐波以及偶数次高次谐波这两方即可。
在乘法器2008中，用用户喜好的增益系数乘以高次谐波生成部2006的输出信号2007，将所得到的信号2002输出到加法器2003。此处，关于用乘法器2008相乘的增益系数，事先准备多个固定的增益系数等，根据用户的喜好来变更。
在加法器2003中，将所输入的2个信号704、2002相加，将所得到的信号2003′输出到过大输入推测部102和第二乘法器706。
本实施例的过大输入推测部102由扬声器振动板位移推测部501构成。在扬声器振动板位移推测部501中，使用音量值、对象扬声器的F0等信息502，推测再生了信号703时的扬声器振动板的位移值，求出第一扬声器振动板位移值707。同样地，推测再生了信号2003′时的扬声器振动板的位移值，求出第二扬声器振动板位移值708。
作为位移值推测的具体例，通过与实施例1同样的方法来求出，所以省略详细说明。
将由扬声器振动板位移推测部501求出的2个扬声器振动板位移值707、708输出到控制部105。
在控制部105中，求出在对所输入的2个扬声器振动板位移值707、708分别乘以不同的增益系数之后进行了相加时振幅值的绝对值收敛于规定的阈值以内那样的2个增益系数。其中，使2个增益系数的合计成为1。
如果在这样的条件下改变2个增益系数，则能够实现不同的低频衰减效果。低频衰减效果的具体例成为与实施例1同样的特性，所以省略详细说明。
另外，能够根据低频衰减效果，使截掉的低频的高次谐波的相加量变化。图13是示出与用截止频率80Hz的2级的2阶IIR滤波器来实现HPF702、并用截止频率80Hz的1级的2阶IIR的全通滤波器来实现相位校正单元701时的低频衰减效果对应的高次谐波的相加影像的图。
在图13中，在将针对扬声器振动板位移值707的增益系数设为A1、将针对扬声器振动板位移值708的增益系数设为A2时，2021表示A1＝0.0、A2＝1.0的特性影像，2022表示A1＝0.1、A2＝0.9的特性影像，2023表示A1＝0.5、A2＝0.5的特性影像。由此，可知A2的值越大且低频的衰减量越大，80Hz以下的低频的高次谐波被相加得越多。
另外，关于增益系数A1、A2的具体的计算方法，与实施例1同样地求出，所以省略说明。
将由控制部105求出了的A1作为增益系数709输出到第一乘法器705。另外，将A2作为增益系数710输出到第二乘法器706。
在第一乘法器705中，将所输入的信号703和增益系数709相乘，将所得到的信号711输出到加法器713。
在第二乘法器706中，将所输入的信号2003′和增益系数710相乘，将所得到的信号712输出到加法器713。
在加法器713中，将所输入的2个信号711、712相加，将所得到的信号作为输出信号107输出。
如以上那样，通过实施方式4的处理结构，在高次谐波信号生成部中将由频率特性变形部截掉的低频的高次谐波生成至n次(n是3以上的整数)，可得到能够通过声音心理性特征“Missing fundamental(基频缺失)”虚拟地感受到所截掉的低频的这样的效果。另外，在控制部中，一并控制HPF的输出信号和所生成的高次谐波信号的增益，所以还能够根据低频的衰减特性，使所述低频插值效果变化。
此处Missing fundamental是指如下特征：如果收听2个以上的频率的音，则错觉地听成其差分的频率的音。
实施方式5.
在实施例5中，用1个相位校正部和1个HPF实现了频率特性变形部，但不限于此，也可以用多个相位校正部和多个HPF来实现频率特性变形部。
图14是示出通过3个相位校正部和3个HPF实现了频率特性变形部的例子的图。以下，说明本实施例的动作。
输入到本发明的信号处理装置的输入信号101被分支为6个，而被送到第一HPF1101、第二HPF1102、第三HPF1103、第一LPF2101、第二LPF2102、第三LPF2103。
在第一HPF1101中，对输入信号进行滤波处理，将所得到的信号1104输出到第一相位校正部1107。
在第二HPF1102中，对输入信号进行滤波处理，将所得到的信号1105输出到第二相位校正部1108。
在第三HPF1103中，对输入信号进行滤波处理，将所得到的信号1106输出到第三相位校正部1109。
在第一相位校正部1107中，不改变信号的频率振幅特性，而仅校正相位特性以使得成为与对第二HPF1102和第三HPF1103这两方进行了处理时的相位特性大致相同的特性，将所得到的信号1110输出到加法器2125。
在第二相位校正部1108中，不改变信号的频率振幅特性，而仅校正相位特性以使得成为与对第一HPF1101和第三HPF1103这两方进行了处理时的相位特性大致相同的特性，将所得到的信号1111输出到加法器2126。
在第三相位校正部1109中，不改变信号的频率振幅特性，而仅校正相位特性以使得成为与对第一HPF1101和第二HPF1102这两方进行了处理时的相位特性大致相同的特性，将所得到的信号1112输出到加法器2127。
此处，各相位校正部与实施例1同样地能够通过全通滤波器或者采样延迟处理来实现，所以省略详细的说明。
在第一LPF2101中，用具有与第一HPF1101同样的滤波器规格的滤波器来处理输入信号101，将所得到的信号2104输出到第四相位校正部2107。
在第二LPF2102中，用具有与第二HPF1102同样的滤波器规格的滤波器来处理输入信号101，将所得到的信号2105输出到第五相位校正部2108。
在第三LPF2103中，用具有与第三HPF1103同样的滤波器规格的滤波器来处理输入信号101，将所得到的信号2106输出到第六相位校正部2109。
在第四相位校正部2107中，不改变信号的频率振幅特性，而仅校正相位特性以使得成为与对第二LPF2102和第三LPF2103这两方进行了处理时的相位特性大致相同的特性，将所得到的信号2110输出到第一高次谐波生成部2113。
在第五相位校正部2108中，不改变信号的频率振幅特性，而仅校正相位特性以使得成为与对第一LPF2101和第三LPF2103这两方进行了处理时的相位特性大致相同的特性，将所得到的信号2111输出到第二高次谐波生成部2114。
在第六相位校正部2109中，不改变信号的频率振幅特性，而仅校正相位特性以使得成为与对第一LPF2101和第二LPF2102这两方进行了处理时的相位特性大致相同的特性，将所得到的信号2112输出到第三高次谐波生成部2115。
在第一高次谐波生成部2113中，生成信号2110的高次谐波，将所得到的信号2116输出到乘法器2119。
在第二高次谐波生成部2114中，生成信号2111的高次谐波，将所得到的信号2117输出到乘法器2120。
在第三高次谐波生成部2115中，生成信号2112的高次谐波，将所得到的信号2118输出到乘法器2121。
此处，关于各高次谐波生成部的实现方法，通过峰值保持、全波整流、半波整流等波形变形、信号的m次相乘(m是整数)、分频等来生成，生成奇数次高次谐波以及偶数次高次谐波这两方即可。
在乘法器2119中，用用户喜好的增益系数乘以信号2116，将所得到的信号2122输出到加法器2125。
在乘法器2120中，用用户喜好的增益系数乘以信号2117，将所得到的信号2123输出到加法器2126。
在乘法器2121中，用用户喜好的增益系数乘以信号2118，将所得到的信号2124输出到加法器2127。
此处，关于由乘法器2119、2120、2121相乘的增益系数，事先准备多个固定的增益系数等，根据用户的喜好来变更。
在加法器2125中，将所输入的2个信号1110、2122相加，将所得到的信号2128输出到过大输入推测部102和第一乘法器1113。
在加法器2126中，将所输入的2个信号1111、2123相加，将所得到的信号2129输出到过大输入推测部102和第二乘法器1114。
在加法器2127中，将所输入的2个信号1112、2124相加，将所得到的信号2130输出到过大输入推测部102和第三乘法器1115。
过大输入推测部102由扬声器振动板位移推测部501构成。在扬声器振动板位移推测部501中，使用音量值、对象扬声器的F0等信息502，推测再生了信号2128时的扬声器振动板的位移值，求出第一扬声器振动板位移值1116。同样地，推测再生了信号2129时的扬声器振动板的位移值，求出第二扬声器振动板位移值1117。同样地，推测再生了信号2130时的扬声器振动板的位移值，求出第三扬声器振动板位移值1118。
作为位移值推测的具体例，通过与实施例1同样的方法来求出，所以省略详细说明。
将由扬声器振动板位移推测部501求出的3个扬声器振动板位移值1116、1117、1118输出到控制部105。
在控制部105中，求出在对所输入的3个扬声器振动板位移值1116、1117、1118分别乘以不同的增益系数后进行了相加时振幅值的绝对值收敛于规定的阈值以内那样的3个增益系数。其中，使3个增益系数的合计成为1。
如果在这样的条件下改变3个增益系数，则能够实现不同的低频衰减效果。低频衰减效果的具体例成为与实施例3同样的特性，所以省略详细说明。
另外，能够根据低频衰减效果，使截掉的低频的高次谐波的相加量变化。图15是示出与如下情况的低频衰减效果对应的高次谐波的相加影像的图，其中，所述情况为：用截止频率30Hz的2级的2阶IIR滤波器来实现第一HPF1101，用截止频率70Hz的2级的2阶IIR滤波器来实现第二HPF1102，用截止频率140Hz的4级的2阶IIR滤波器来实现第三HPF1103，将截止频率70Hz的1级的2阶IIR滤波器和截止频率140Hz的2级的2阶IIR滤波器串联地连接起来而实现第一相位校正部1107，将截止频率30Hz的1级的2阶IIR滤波器和截止频率140Hz的2级的2阶IIR滤波器串联地连接起来而实现第二相位校正部1108，将截止频率30Hz的1级的2阶IIR滤波器和截止频率70Hz的1级的2阶IIR滤波器串联地连接起来而实现第三相位校正部1109。
在图15中，在将针对扬声器振动板位移值1116的增益系数设为A1，将针对扬声器振动板位移值1117的增益系数设为A2，将针对扬声器振动板位移值1118的增益系数设为A3时，2131表示A1＝1.0、A2＝0.0、A3＝0.0的特性影像，2132表示A1＝0.9、A2＝0.1、A3＝0.0的特性影像，2133表示A1＝0.0、A2＝0.0、A3＝1.0的特性影像。由此，可知用HPF截掉的低频的高次谐波被相加到截掉后的频带上的频带。
另外，关于增益系数A1、A2、A3的具体的计算方法，与实施例3同样地求出，所以省略说明。
将由控制部105求出了的A1作为增益系数1119输出到第一乘法器1113。另外，将A2作为增益系数1120输出到第二乘法器1114。另外，将A3作为增益系数1121输出到第三乘法器1115。
在第一乘法器1113中，将所输入的信号2128和增益系数1119相乘，将所得到的信号1122输出到加法器713。
在第二乘法器1114中，将所输入的信号2129和增益系数1120相乘，将所得到的信号1123输出到加法器713。
在第三乘法器1115中，将所输入的信号2130和增益系数1121相乘，将所得到的信号1124输出到加法器713。
在加法器713中，将所输入的3个信号1122、1123、1124相加，将所得到的信号作为输出信号107输出。
如以上那样，通过实施方式5的处理结构，在高次谐波信号生成部中将用频率特性变形部截掉的低频的高次谐波生成至n次(n是3以上的整数)，可得到能够通过声音心理性特征“Missing fundamental”而虚拟地感受到截掉的低频这样的效果。另外，在控制部中，一并控制HPF的输出信号和所生成的高次谐波信号的增益，所以还能够根据低频的衰减特性而使所述低频插值效果变化。
实施方式6
在实施例4、5中，构成为将高次谐波信号生成部2001的输出信号2002与HPF的输出信号相加，但也可以构成为在频率特性变形部103的后级相加高次谐波信号生成部2001的输出信号2002。
图16是示出在实施例4中将高次谐波信号生成部2001的输出信号2002的相加位置变更为频率特性变形部103的后级的结构的实施例的图。以下，说明本实施例的动作。
输入到本发明的信号处理装置的输入信号101被分支，而被送到相位校正部701、HPF702。
相位校正部701不改变输入信号的频率振幅特性，而仅校正相位特性以使得成为与HPF702的相位特性大致相同的特性，将所得到的信号703输出到第一乘法器705、过大输入推测部102以及高次谐波信号生成部2001。
HPF702对输入信号101进行滤波处理，将所得到的信号704输出到乘法器706和过大输入推测部102。
此处，相位校正部与实施例1同样地能够通过全通滤波器或者采样延迟处理来实现，所以省略详细的说明。
本实施例的过大输入推测部102由扬声器振动板位移推测部501构成。在扬声器振动板位移推测部501中，使用音量值、对象扬声器的F0等信息502，推测再生了信号703时的扬声器振动板的位移值，求出第一扬声器振动板位移值707。同样地，推测再生了信号704时的扬声器振动板的位移值，求出第二扬声器振动板位移值708。
作为位移值推测的具体例，通过与实施例1同样的方法来求出，所以省略详细说明。
将用扬声器振动板位移推测部501求出了的2个扬声器振动板位移值707、708输出到控制部105。
在控制部105中，求出在对所输入的2个扬声器振动板位移值707、708分别乘以不同的增益系数之后进行了相加时振幅值的绝对值收敛于规定的阈值以内那样的2个增益系数。其中，使2个增益系数的合计成为1。
如果在这样的条件下改变2个增益系数，则能够实现不同的低频衰减效果。低频衰减效果的具体例成为与实施例1同样的特性，所以省略详细说明。
另外，在图16中，在将针对扬声器振动板位移值707的增益系数设为A1、将针对扬声器振动板位移值708的增益系数设为A2时，关于增益系数A1、A2的具体的计算方法，与实施例1同样地求出，所以省略说明。
将由控制部105求出了的A1作为增益系数709输出到第一乘法器705。另外，将A2作为增益系数710输出到第二乘法器706和乘法器2201。
在第一乘法器705中，将所输入的信号703和增益系数709相乘，将所得到的信号711输出到加法器713。
在第二乘法器706中，将所输入的信号704和增益系数710相乘，将所得到的信号712输出到加法器713。
在加法器713中，将所输入的2个信号711、712相加，将所得到的信号2203输出到加法器2204。
高次谐波信号生成部2001由低频抽出部2004、高次谐波生成部2006和乘法器2008构成。
在低频抽出部2004中，输入相位校正部701的输出信号，抽出用HPF702截掉的低频，将所得到的信号2005输出到高次谐波生成部2006。此处，关于抽出用HPF702截掉的低频的低频抽出部2004的实现方法，与实施例4同样地求出，所以省略说明。
在高次谐波生成部2006中，将低频抽出部2004的输出信号2005的高次谐波生成至n次(n是3以上的整数)，将所得到的信号2007输出到乘法器2008。此处，关于高次谐波生成部2006的实现方法，通过峰值保持、全波整流、半波整流等波形变形、信号2005的m次相乘(m是整数)、分频等而生成，生成奇数次高次谐波以及偶数次高次谐波这两方即可。
在乘法器2008中，用用户喜好的增益系数乘以高次谐波生成部2006的输出信号2007，将所得到的信号2002输出到乘法器2201。此处，关于由乘法器2008相乘的增益系数，事先准备多个固定的增益系数等，根据用户的喜好来变更。
在乘法器2201中，将所输入的信号2002和增益系数710相乘，将所得到的信号2202输出到加法器2204。此处，在乘法器2201中，能够根据低频衰减效果，而使截掉的低频的高次谐波的相加量变化。关于与低频衰减效果对应的高次谐波的相加影像，与实施例4相同，所以省略说明。
在加法器2204中，将所输入的2个信号2202、2203相加，将所得到的信号作为输出信号107输出。
如以上那样，通过实施方式6的处理结构，在高次谐波信号生成部中将用频率特性变形部截掉的低频的高次谐波生成至n次(n是3以上的整数)，可能够得到通过声音心理性特征“Missing fundamental”而虚拟地感受到截掉的低频这样的效果。另外，在控制部中，一并控制HPF的输出信号和所生成的高次谐波信号的增益，所以还能够根据低频的衰减特性，而使所述低频插值效果变化。
另外，本申请发明能够在本发明的范围内实现各实施方式的自由的组合、或者各实施方式的任意的构成要素的变形、或者各实施方式的任意的构成要素的省略。
产业上的可利用性
如以上那样，本发明的频率特性变形装置能够改善声音信号再生中的失真、破音，能够利用于音频再生装置等。

Claims (11)

1.一种频率特性变形装置，其特征在于，具备：
滤波器，使作为对象的信号的频率特性变形；
相位校正部，对作为所述对象的信号的相位特性进行校正，而设为与所述滤波器的相位特性大致相同；
第一乘法器，调整从所述相位校正部输出的信号的增益；
第二乘法器，调整从所述滤波器输出的信号的增益；
系数决定部，决定所述第一以及第二乘法器的增益系数以使所述第一乘法器的增益系数和第二乘法器的增益系数的合计成为固定值；以及
加法器，将从所述第一乘法器以及第二乘法器输出的2个信号相加。
2.根据权利要求1所述的频率特性变形装置，其特征在于，
所述滤波器由高通滤波器构成，
在提高作为目标的特性的截止频率的情况下，所述系数决定部使所述第二乘法器的增益系数接近所述固定值，在降低作为目标的特性的截止频率的情况下，所述系数决定部使所述第二乘法器的增益系数接近0，从而使作为目标的特性的截止频率变化。
3.根据权利要求1所述的频率特性变形装置，其特征在于，
所述滤波器由低通滤波器构成，
在提高作为目标的特性的截止频率的情况下，所述系数决定部使所述第二乘法器的增益系数接近0，在降低作为目标的特性的截止频率的情况下，所述系数决定部使所述第二乘法器的增益系数接近所述固定值，从而使作为目标的特性的截止频率变化。
4.根据权利要求2所述的频率特性变形装置，其特征在于，具备：
截止频率不同的多个高通滤波器；
相位校正部，对作为所述对象的信号的相位特性进行校正，而设为与各所述高通滤波器的相位特性大致相同；
多个乘法器，调整从所述高通滤波器以及所述相位校正部输出的信号的增益；以及
系数决定部，决定各增益系数以使所述多个乘法器的增益系数的合计成为固定值，
所述频率特性变形装置使作为所述对象的信号通过所述多个高通滤波器而生成多个滤波输出信号，使用与其他高通滤波器的相位特性相当的相位校正部来校正所生成的各滤波输出信号的相位特性，将各滤波输出信号的相位特性设为大致相同，在降低作为目标的特性的截止频率的情况下，通过所述系数决定部使与来自截止频率低的滤波器的输出信号对应的乘法器的增益系数接近所述固定值，在提高作为目标的特性的截止频率的情况下，通过所述系数决定部使与来自截止频率高的滤波器的输出信号对应的乘法器的增益系数接近所述固定值，在利用所述系数决定部所决定的各增益系数对相位被校正了的各所述滤波输出信号进行了加权之后，通过所述加法器相加各信号，从而使作为目标的特性的截止频率变化。
5.根据权利要求3所述的频率特性变形装置，其特征在于，具备：
截止频率不同的多个低通滤波器；
相位校正部，对作为所述对象的信号的相位特性进行校正，而设为与各所述低通滤波器的相位特性大致相同；
多个乘法器，调整从所述低通滤波器以及所述相位校正部输出的信号的增益；以及
系数决定部，决定各增益系数以使所述多个乘法器的增益系数的合计成为固定值，
所述频率特性变形装置使作为所述对象的信号通过所述多个低通滤波器而生成多个滤波输出信号，使用与其他低通滤波器的相位特性相当的相位校正部来校正所生成的各滤波输出信号的相位特性，将各滤波输出信号的相位特性设为大致相同，在降低作为目标的特性的截止频率的情况下，通过所述系数决定部使与来自截止频率低的滤波器的输出信号对应的乘法器的增益系数接近所述固定值，在提高作为目标的特性的截止频率的情况下，通过所述系数决定部使与来自截止频率高的滤波器的输出信号对应的乘法器的增益系数接近所述固定值，在利用所述系数决定部所决定的各增益系数对相位被校正了的各所述滤波输出信号进行了加权之后，通过所述加法器相加各信号，从而使作为目标的特性的截止频率变化。
6.根据权利要求2所述的频率特性变形装置，其特征在于，具备：
低频抽出部，抽出通过所述高通滤波器会被截掉的低频；以及
高次谐波生成部，生成从所述低频抽出部输出的信号的高次谐波。
7.根据权利要求4所述的频率特性变形装置，其特征在于，具备：
低频抽出部，抽出通过所述高通滤波器会被截掉的低频；以及
高次谐波生成部，生成从所述低频抽出部输出的信号的高次谐波。
8.根据权利要求2所述的频率特性变形装置，其特征在于，具备：
低频抽出部，抽出通过所述高通滤波器会被截掉的低频；
高次谐波生成部，生成从所述低频抽出部输出的信号的高次谐波；以及
加法器，将从所述高次谐波生成部输出的信号和从所述高通滤波器输出的信号相加，
在所述第二乘法器中改变从所述加法器输出的信号的增益，根据低频的衰减特性来改变从所述高次谐波生成部输出的信号的增益。
9.根据权利要求2所述的频率特性变形装置，其特征在于，具备：
低频抽出部，抽出通过所述高通滤波器会被截掉的低频；
高次谐波生成部，生成从所述低频抽出部输出的信号的高次谐波；以及
乘法器，对从所述高次谐波生成部输出的信号乘以在所述第二乘法器中相乘的增益系数，
根据低频的衰减特性来改变从所述高次谐波生成部输出的信号的增益。
10.根据权利要求4所述的频率特性变形装置，其特征在于，具备：
多个低频抽出部，抽出通过所述高通滤波器被截掉的低频；
多个高次谐波生成部，生成从所述多个低频抽出部输出的信号的高次谐波；以及
多个加法器，将从所述高次谐波生成部输出的多个信号和从所述高通滤波器输出的多个信号相加，
在权利要求4所述的所述多个乘法器中改变从所述加法器输出的多个信号的增益，根据低频的衰减特性来改变从所述高次谐波生成部输出的多个信号的增益。
11.根据权利要求4所述的频率特性变形装置，其特征在于，具备：
多个低频抽出部，抽出通过所述高通滤波器被截掉的低频；
多个高次谐波生成部，生成从所述多个低频抽出部输出的信号的高次谐波；以及
多个乘法器，对从所述多个高次谐波生成部输出的信号乘以在权利要求4所述的所述乘法器中相乘的多个增益系数，
根据低频的衰减特性来改变从所述高次谐波生成部输出的多个信号的增益。
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