JP2001177891A - オーディオ信号内の調波発生装置 - Google Patents

オーディオ信号内の調波発生装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 比較的高い下限のカットオフ周波数を有する
スピーカからのオーディオ信号を利く際に、改善された
聴取印象を発生する回路を提供すること。 【解決手段】 加算段を有するオーディオ信号内の調波
発生装置であって、前記加算段によって第１信号区間お
よび第２信号区間の信号が加算され、加算段の出力端で
調波が付着したオーディオ信号をチェック可能であり、
第２信号区間の中でフィルタ装置および非線形回路装置
が配置されているものにおいて、フィルタ装置のカット
オフ周波数が調整可能である装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、請求項１の序文の
特徴によるオーディオ信号内の調波発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】前記のような方法および回路装置は、た
とえばテレビ受像器、無線受信器またはステレオ装置の
ような音響再生用機器の中で、スピーカの周波数応答を
補償するために、音響再生を改善するために、ならびに
機器もしくは装置の過剰制御を阻止するために使用され
る。
【０００３】音響再生機器の中で最も重要な構成要素
は、スピーカの音圧がデケードあたり約４０ｄｂを有す
る構造に制約されたカットオフ周波数以下に低下するス
ピーカであり、これは２次のフィルタの伝達関数に相当
する。低音反射および伝送回線スピーカは、それに対し
より高次のフィルタに相当する伝達関数を有する。下限
のカットオフ周波数は、典型的に約５０Ｈｚ〜２００Ｈ
ｚの間にある。スピーカのカットオフ周波数が低くなれ
ばなるほど、その製造コストはますます高くなる。たと
えばテレビ受像器または携帯可能の無線受信器のような
廉価な機器は、そのためより単純なスピーカを装備して
いて、その下限のカットオフ周波数は比較的高くなる。
下限の周波数領域内での音響再生を改善するために、カ
ットオフ周波数は低周波数の前増幅によって下方へ移動
されるが、これは出力増幅器とスピーカの過剰制御を引
き起こす可能性がある。過剰制御と場合によりそれに制
約された出力増幅器またはスピーカの破壊を阻止するた
めに、低音増幅器の出力信号は、大きい出力信号で低周
波数の増幅が低減されるようにフィードバックされる。
こののような方法は、米国特許公報第５，３０５，３８
８号から既に知られている。
【０００４】米国特許公報第５，３５９，６６５号に回
路配列が記載されていて、該配列の中でオーディオ信号
が直接第１パスを介して加算器の第１入力に供給され、
それに対し該オーディオ信号は同時に低域フィルタと可
変増幅式の増幅器とを介した第２パスを介して加算器の
第２入力に供給される。増幅器の出力は、信号レベル検
出器を介して該検出器の制御入力にフィードバックされ
る。この措置によって、出力増幅器の過剰制御が低減さ
れる。
【０００５】音響心理学から、人間はある音の基本音高
を、基本周波数がスペクトルの中に全く存在せず、基本
周波数の高調波だけが存在する場合でもまだ明確に決定
できることが知られている。この音響心理学的効果は、
基本周波数の高調波が発生され、スピーカの基本周波数
が前記基本周波数の上方にある該スピーカに供給される
ことに利用される。それによって、聴取者は、基本周波
数をスピーカが全く放射していないにもかかわらず、こ
の低基本周波数を聞いていると信ずる。聴取者は、たと
えばスピーカがたしかにこの低音を全く伝送せず、単に
２５０Ｈｚの音と３００Ｈｚの音を伝送する場合、５０
Ｈｚの音を聞いていると思い込む。この５０Ｈｚの差
は、主観的に聴取者によって知覚される。
【０００６】前記効果は、品質的に、たとえば１２０Ｈ
ｚの高い下限のカットオフ周波数を有する単純なスピー
カがより低い音、たとえば６０Ｈｚの信号を伝送すべき
場合に利用される。その場合、該調波が６０Ｈｚ信号か
ら発生され、その差が相互に６０Ｈｚになる。聴取者
は、その場合に実際にこの音がスピーカから全く放射さ
れていないにもかかわらず、６０Ｈｚの音を聞いている
と思い込む。
【０００７】調波を発生させるには、一方でオーディオ
複合信号の中の基本周波数を決定および抽出しならびに
この基本周波数の調波を発生するために、電子回路が必
要になる。
【０００８】米国特許第５，６６８，８８５号および米
国特許第５，７７１，２９６号は、高調波すなわち整流
器配列による絶対値の形成による調波発生を記述してい
る。
【０００９】米国特許第４，１５０，２５３号および米
国特許第４，７００，３９０号は、クリッピングによる
高調波の発生、すなわち一定値を超えるオーディオ信号
の基本周波数の振幅のクリッピングを記述している。
【００１０】前記の全文書では、調波が発生されるべき
信号を選択するための一定のカットオフ周波数を有する
フィルタが使用される。
【００１１】その場合の決定は次に挙げるものである。
選択された周波数領域の中に１つ以上の信号があり、か
つ該信号が１つの周波数スペクトルから構成される実際
のオーディオ信号である場合、存在する信号の調波のみ
が発生されるだけでなく、常に全ての存在する信号周波
数の合計とその倍数とから成る望ましくない周波数を有
する調波も発生される。これは、スピーカから最後に放
射された音を非常に汚く響かせる。
【００１２】ここに本発明が投入される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ある
聴取者において、比較的高い下限のカットオフ周波数を
有するスピーカから放射されるオーディオ信号を聞く際
に改善された聴取印象を発生する回路配列を提示するこ
とである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】この課題は、請求項１ま
たは請求項２の特徴を有する回路配列によって解決され
る。
【００１５】好ましくは、両方の回路配列が相互に組合
せて使用される。
【００１６】第１の解決策は、本発明によって調波が発
生されるべき信号周波数を可変フィルタ、特に帯域通過
フィルタによって可能な限り正確に制限することであ
る。
【００１７】第２の解決策は、先行技術の場合よりも本
質的に少ない望ましくない周波数を生産する方法によっ
て調波を発生することである。これは、入力信号のｎ乗
の使用によって達成される。それによって、（ｎ−１）
乗の調波を発生させることができる。ｎは、本発明によ
って２より大きく又は等しく選択される。ｎ＝２の場
合、つまり入力信号の基本周波数の２乗の場合、第１調
波が発生される。その場合、基本周波数によって、オー
ディオ信号の中に含まれる、たとえば１２０Ｈｚ以下の
周波数領域内の支配的な周波数が表される。調波を累乗
によって発生することは公知のクリッピングまたは整流
に比べて本質的に“より鮮明”である。本発明により、
信号は累乗の後または前に振幅修正される。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明は実施の形態を利用
してブロック回路図との関連でより詳しく説明する。
【００１９】第１図に、オーディオ入力信号ｓｉが加算
段ＡＤの入力端子に供給される回路配列が示されてい
る。加算段ＡＤの出力端は、たとえばスピーカまたは該
スピーカに前置した増幅器に接続されている。信号ｓｉ
は、フィルタ装置、ここでは低域フィルタＴＰまたは帯
域フィルタを介しても、調波をフィルタ処理した信号か
ら発生する非線形回路装置ＮＬ１に供給される。フィル
タ配列は、信号ｓｉの中の支配的な基本周波数の正確な
決定に利用される。装置ＮＬ１はそこから調波を発生
し、該調波を加算段ＡＤの第２入力端子に供給する。フ
ィルタＴＰのカットオフ周波数ｆｃが調整可能であるこ
とが重要である。
【００２０】第２図に、第１図に対して多少より詳しい
回路図が示されている。このフィルタは、全体として第
１低域フィルタＴＰ１、後置された第２低域フィルタＴ
Ｐ２および後置された高域フィルタＨＰ１の直列回路か
ら成る。各入力の信号は、ｓ１、ｓ２およびｓ３で表し
ている。高域フィルタＨＰ１の出力端に、装置ＮＬ１に
供給される信号ｓ４が印加される。出力側では装置ＮＬ
１が帯域フィルタＢＰ２に接続されていて、これに信号
ｓ５が供給される。帯域フィルタの出力端の信号はｓ６
と呼ばれ、必要がある場合は係数ｇ分増幅して加算段Ａ
Ｄに印加される。
【００２１】低域フィルタＴＰ１は、一定の、たとえば
２００Ｈｚのカットオフ周波数を有する。低域フィルタ
ＴＰ２は可変カットオフ周波数ｆｃを有する。高域フィ
ルタＨＰ１は、たとえば一定の５０Ｈｚまたはｋ＊ｆｃ
のカットオフ周波数を有し、式中ｋ＜１が選択されてい
る。帯域フィルタＢＰ２は、たとえばｆｃに比例する中
間周波数を有する。
【００２２】低域フィルタＴＰ２のカットオフ周波数ｆ
ｃは、たとえば、信号ｓ２およびｓ３を比較のために供
給するコンパレータＫＯが、低域フィルタＴＰ２のカッ
トオフ周波数を決定する制御信号を提供することによっ
て調整可能である。
【００２３】第２図の回路配列の機能は次のようにな
る。低域フィルタＴＰ１の中で、低周波数の前選択が行
われる。低域フィルタＴＰ２の中でもう１つのフィルタ
処理が行われる。カットオフ周波数ｆｃは、その場合、
次式が当てはまるように調整される。
【００２４】ｓ３＝ｑ＊ｓ２ 式中０＜ｑ＜１
（備考：“＊”は掛け算を表す。）
【００２５】ｓ３およびｓ２で、上式における信号ｓ３
およびｓ２の信号振幅またはその信号エネルギーを表し
てもよい。
【００２６】つまり、カットオフ周波数ｆｃは、低域フ
ィルタＴＰ２の出力端で信号ｓ２の一定の成分ｑが印加
されるように調整される。それによって、信号ｓｉ＝ｓ
１の最低周波数成分のみを通過させることができる。そ
の他の妨害する信号周波数が除去される。
【００２７】カットオフ周波数ｆｃの決定は、たとえば
次の調整アルゴリズムによって行うことができる。
【００２８】 ｆｃ＝ｆｃ＋ｄｆ ｓ３＜ｑ＊ｓ２の場合 ｆｃ＝ｆｃ−ｄｆ ｓ３＞ｑ＊ｓ２の場合 （式中、ｄｆは調整のコンバージェンス速度を決定し、
好ましくは１Ｈｚ以下または等しく選択される）。
【００２９】つまり換言すれば、オーディオ信号ｓｉ＝
ｓ１の低周波数領域は、たとえば１Ｈｚステップで照会
され、その際、どの周波数で信号が最大の振幅またはエ
ネルギーを有するかが決定される。その場合、この周波
数が求められていた基本周波数であり、そのために調波
が非線形装置ＮＬ１の中で発生される。
【００３０】信号ｓ３は、高域フィルタＨＰ１の中で減
衰され、カットオフ周波数は一定にまたはｆｃの関数と
して選択してもよい。信号ｓ５の中の望ましくない周波
数は、帯域フィルタＢＰ２によって除去される。好まし
くは、その場合に帯域フィルタＢＰ１の中間周波数がカ
ットオフ周波数ｆｃに依存しても変化される。
【００３１】たとえば装置ＮＬ１によって主に第１調波
を有する信号が発生される場合、すなわち基本波の信号
周波数が２倍になる場合、中間周波数はｆｂｐ＝２＊ｆ
ｃを選択してもよい。
【００３２】帯域フィルタＢＰ２の出力端の信号ｓ６
は、好ましくは係数ｇで増幅されて加算段Ａｄの中の信
号ｓｉに加算される。
【００３３】第３図に、加算段ＡＤに直接供給されない
信号分枝の中でフィルタ配列、たとえば低域フィルタＴ
Ｐと後置された高域フィルタＨＰとを有する帯域フィル
タＢＰ１が配置されている回路配列を示している。フィ
ルタ配列ＢＰ１の出力端には、任意の方式で算出された
基本周波数を表す信号ｓ４が供給される。好ましくはフ
ィルタ配列ＢＰ１は第１図および第２図との関連で紹介
したものである。
【００３４】信号ｓ４は、非線形装置ＰＸの中で２乗さ
れ、それによって第１調波が発生される。その際に生じ
る信号ｓ５がもう１つのフィルタ、ここでは帯域フィル
タＢＰ２に達する。最後に信号ｓ６が帯域フィルタＢＰ
２の出力端に直接または係数ｇを乗じられて加算段ＡＤ
に供給される。２乗の代わりに、３または４またはより
高い整数によって信号の累乗を行ってもよい。
【００３５】第４図および第５図には、そこで信号の規
格化が累乗の後（第４図）もしくはその前（第５図）に
考慮されているため、第３図に対して改善された回路配
列を示している。
【００３６】第４図では、そのために信号ｓ２が付加的
にＲＭＳ検出器ＲＭＳに供給されている。これは割算段
１／ＲＭＳに接続され、該割算段が装置ＰＸの出力端に
接続されていて、その出力信号ｓ３が値ＲＭＳによって
割られる。割算段１／ＲＭＳはリミッタＬＩＭによって
行われていて、該リミッタは出力側で帯域フィルタＢＰ
２に接続されている。
【００３７】検出器ＲＭＳによって計算される信号のＲ
ＭＳ値による規格化によって、信号ｓ３が再び次式によ
って該信号の元の振幅を得る。
【００３８】ｓ４＝（ｓ２∧２）／ＲＭＳ（ｓ２） （備考：”∧”はべき算を表す。）
【００３９】検出器ＲＭＳは、たとえば０．２秒の時定
数τを有する。ｓ３の振幅は事情によってより高い時定
数を有するＲＭＳ値より非常に速く立上るため、信号ｓ
４の中に非常に高い値を発生する可能性がある。従っ
て、信号ｓ４の値は、リミッタＬＩＭの中で許容値に制
限される。発生した調波は、再度中間周波数ｆｂｐ２を
有する帯域フィルタＢＰ２の中で制限されて、次いで加
算段ＡＤの中でオーディオ信号ｓｉにミキシングされ
る。
【００４０】上記において、装置ＰＸが信号ｓ２を２乗
し、つまり第１次の調波を発生することを前提とした。
この選択において、第２帯域フィルタＢＰ２の中間周波
数ｆｂｐ２が２回第１帯域フィルタの中間周波数ｆｂｐ
１のために選択する必要がある。
【００４１】しかし同様に、装置ＰＸがそのために好適
に形成されている場合、より高次の調波を発生させるこ
ともできる。係数３の累乗の場合、周波数が３倍にされ
たため、ｆｂｐ２＝ｆｂｐ１＊３を選択する必要があ
る。
【００４２】本発明の枠内には、複数の上記の回路が、
複数の調波、たとえば第１および第２の調波を同時に発
生させるために、平行に接続されることも含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】下限の基本周波数の制限用の装置を有する本発
明による第１回路配列のブロック回路図。
【図２】第１図のより詳細なブロック回路図。
【図３】基本周波数信号の累乗用の装置を有する本発明
による第２回路配列のブロック回路図。
【図４】第３図のより詳細なブロック回路図。
【図５】第４図の回路のための回路詳細変形図。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 加算段（ＡＤ）を有するオーディオ信号
    内の調波発生装置であって、前記加算段によって第１信
    号区間および第２信号区間の信号が加算され、加算段
    （ＡＤ）の出力端で調波が付着したオーディオ信号をチ
    ェック可能であり、第２信号区間の中でフィルタ装置
    （ＴＰ）および非線形回路装置（ＮＬ）が配置されてい
    るものにおいて、 フィルタ装置（ＴＰ）のカットオフ周波数（ｆｃ）が調
    整可能であること、を特徴とするオーディオ信号内の調
    波発生装置。
  2. 【請求項２】 フィルタ装置（ＴＰ）が低域フィルタで
    ある、請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】 フィルタ装置（ＴＰ）に高域フィルタ
    （ＨＰ）が前置または後置されている、請求項１記載の
    装置。
  4. 【請求項４】 フィルタ装置（ＴＰ）が一定のカットオ
    フ周波数を有する第１低域フィルタ（ＴＰ１）の直列回
    路と可変カットオフ周波数を有する第２低域フィルタ
    （ＴＰ２）とから形成されている、請求項１ないし３の
    いずれか１項に記載の装置。
  5. 【請求項５】 非線形回路装置（ＮＬ）が指数段（Ｐ
    Ｘ）であり、この指数段（ＰＸ）に帯域フィルタ（ＢＰ
    ２）が後置されている、請求項１ないし４のいずれか１
    項記載の装置。
  6. 【請求項６】 加算段（ＡＤ）を有するオーディオ信号
    内の調波発生装置であって、前記加算段によって第１信
    号区間および第２信号区間の信号が加算され、加算段
    （ＡＤ）の出力端で調波が付着したオーディオ信号をチ
    ェック可能であり、第２信号区間の中でフィルタ装置
    （ＴＰ）および非線形回路装置（ＮＬ）が配置されてい
    るものにおいて、 非線形回路装置（ＮＬ）が指数段（ＰＸ）であり、この
    指数段（ＰＸ）に帯域フィルタ（ＢＰ２）が後置されて
    いるオーディオ信号内の調波発生装置。
  7. 【請求項７】 指数段（ＰＸ）が入力側の信号の累乗を
    ２より大きい又は等しい整数係数分実施する、請求項５
    または６に記載の装置。
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