JP2006098717A - デジタル信号処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
もとのオーディオデータに対して、高域成分をその劣化を伴うことなく付加することにより、作成された高域成分に忠実な音質調整を行う。
【解決手段】
周波数帯域が制限されたデジタルオーディオデータに対して、高域データを付加して高域補償を行うデジタル信号処理装置であって、サンプル信号間に、多項式による演算をもとに複数のサンプルを用いて生成した補完データを挿入する補完処理部２と、サンプル信号の中央に零次補完を行い、さらに高調波除去を行うオーバサンプリング処理部３と、補完処理部出力のＫ倍とオーバサンプリング処理部出力の（１−Ｋ）倍（但し、０＜Ｋ＜１）を加算する加算器６を備え、加算器出力側から高域補償されたオーディオ信号を得る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、デジタル信号処理装置に係り、特に、サンプリング周波数によって高域の周波数が制限されているオーディオデータに対して高域の周波数を付加するディジタル信号処理装置に関する。

帯域制限されたオーディオデータに対して高域成分を付加することにより、帯域を広げ、これにより音質を改善する方法が知られている。

高域成分を付加する方法としては、オーディオデータをオーバーサンプリングする際のカットオフフィルタの帯域制限をオーディオデータの帯域より広くして、エンベロープ処理する方法がある（例えば、特許文献１参照）。

また、非線形回路によってオーディオデータから高域成分のデータを生成し、オーディオデータの帯域より高い周波数帯域のデータをフィルタによって選択し、選択したデータをオーディオデータに付加することによって高域成分を付加する方法がある（例えば、特許文献２参照）。
特開平０９−２３１２７号公報 特開平０９−５５６３４号公報

しかしながら、高域成分を付加したオーディオデータに対して、さらにその音質を調整する場合には、付加した高域成分の出力レベル（振幅）を調整することが必要となる。この場合には、高域成分を付加したオーディオデータからフィルタを介して前記付加された高域成分のデータを取り出すことが必要となる。例えば、付加された高域成分として２０ＫＨｚ以上のデータをフィルタを介して取り出す場合、該フィルタの影響により２０ＫＨｚ付近のオーディオデータの出力レベルが低くなる。また、この際に高域成分の位相が変化する。

また、高域成分のデータを生成し、生成したデータをもとのオーディオデータに付加する場合には、付加するデータの帯域にもとの信号成分が残らないようにするため、高域成分のデータのみを通過させるフィルタを通さなければならない。しかし、このようにフィルタを通過させると、高域成分のデータの出力レベルや位相はもとのオーディオデータに対して変化することになる。このため、再生されたオーディオデータの音質が変化する。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、もとのオーディオデータに対して、生成された高域成分をその劣化を伴うことなく付加して音質を調整することのできるデジタル信号処理装置を提供するものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

周波数帯域が制限されたもとのデジタルオーディオデータに対して、高域データを付加して高域補償を行うデジタル信号処理装置であって、サンプル信号間に、多項式による演算をもとに複数のサンプルを用いて生成した補完データを挿入する補完処理部と、サンプル信号の中央に零次補完を行い、さらにもとのデジタルオーディオデータと同じ帯域に周波数を制限するオーバサンプリング処理部と、前記補完処理部の出力をＫ倍した値と前記オーバサンプリング処理部の出力を（１−Ｋ）倍（但し、０＜Ｋ＜１）した値を加算する加算器を備え、前記加算器の出力側から高域補償されたデジタルオーディオ信号を得る。

本発明は、以上の構成を備えるため、もとのオーディオデータに対して、生成された高域成分をその劣化を伴うことなく付加することができる。これにより生成された高域データに忠実な音質調整を付与することができる。

以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係るデジタル信号処理装置を説明する図である。図において、１はＣＤ(Compact Disc)等の記録媒体を再生する再生装置である。記録媒体がＣＤフォーマットの場合、サンプリング周波数は４４．１ＫＨｚであり、略２０ＫＨｚまでのディジタルオーディオデータを再生することができる。このように、ＣＤ等の記録媒体を再生する再生装置は、可聴帯域とされている２０Ｈｚから２０ＫＨｚのオーディオデータを再生することができる。

一般にＣＤに記録する対象となる音源の帯域は２０ＫＨｚ以上に拡がっている。しかし、前記サンプリング周波数の制限から、前記音源のデータのうち２０ＫＨｚ以上の帯域はＣＤに記録する際にフィルタによりカットされることになる。

しかし、人間の脳は、２０ＫＨｚ以上の音に対しても反応することが知られている。このため、前記カットされた帯域のオーディオデータを復元することができれば良好な音質を得ることができる。一般に前記カットされた帯域の信号を復元することは困難である。 しかし、音波が空気中を伝搬するとき、その波形は急激な変化をすることなく滑らかな変化をしているものと仮定することはできる。

このような仮定のもとに、Ｎ個のサンプルポイントのサンプル値をそれぞれ結ぶ滑らかな曲線の変換式を求め、該変換式をもとに任意のサンプルポイントにおけるサンプル値を求める方法として、例えばラグランジェ補間処理方法がある。

ラグランジェ補間公式は、（１）式で表すことができる。

この式を用いることにより、（ｎ＋１）個のサンプルポイントの各サンプル値から、任意のサンプルポイントｘのサンプル値ｆ（ｘ）値を求めることができる。

図１において、２はラグランジェ補間処理部であり、前記補間公式に従って２０ＫＨｚ以上の帯域が含まれるオーディオデータを生成する。また、３はオーバサンプリング処理部であり、もとのオーディオデータと同様な帯域のオーディオデータを生成する。

４はラグランジェ補間処理部２の出力をＫ倍する掛け算器、５はオーバサンプリング処理部３の出力を（１−Ｋ）倍する掛け算器、６は加算器である。図に示すようにラグランジェ補間処理部２の出力及びオーバサンプリング処理部３の出力はそれぞれ所定の比率で加算した後、高域データが付加された処理音声データとしてスピーカ７に供給する。

図２は、ラグランジェ補間処理を説明する図である。ここで、図２（ａ）は、サンプリングされたオーディオデータを示す図である。図において、ｔ１ないしｔｎはサンプリングポイントを示し、白丸は各サンプルポイントにおけるサンプル値を示している。サンプリング周波数４４．１ＫＨｚのＣＤの場合、白丸の周期は４４．１ＫＨｚになる。

ここで、ラグランジェ補間すべき任意のポイントとして、オーディオデータのサンプリングポイントの中間点を設定すると、図２（ｂ）に示すように、黒丸で示すオーディオデータが生成される。補完すべきポイントとして中間ポイントを設定するとサンプリング周波数は２倍になり、ＣＤフォーマットの記録媒体を音源とする場合、サンプリング周波数は８８．２ＫＨｚに高められる。更に各ポイントの中間ポイントを補完すべきポイントとして設定すれば、４倍のサンプリング周波数を得ることができる。

図３は、オーバサンプリング処理部３の処理を説明する図である。ここで、図３（ａ）は、サンプリングされたオーディオデータを示す図である。図において、ｔ１ないしｔｎはサンプリングポイントを示し、白丸は各サンプルポイントにおけるサンプル値を示している。サンプリング周波数４４．１ＫＨｚのＣＤの場合、白丸の周期は４４．１ＫＨｚになる。

ここで、２倍のオーバサンプリングを行う場合、まず、図３（ｂ）に示すように、もとのオーディオデータのサンプリングポイントｔ１ないしｔｎの中間に値ゼロを埋める。次に、オーディオデータと同様な帯域に制限するローパスフィルタを通すと、時間領域の波形を滑らかにする処理が行われて、図３（ｃ）に示すような信号を生成する。２倍のオーバサンプリングを行う場合、ローパスフルタを通過したところで振幅が１／２になってしまうので、全体を２倍に増幅して、図３（ｄ）に示すような信号を得る。

４倍のオーバサンプリングの場合には、例えばオーディオデータのサンプリングポイントｔ１ないしｔ２の間に３ポイントのゼロデータを埋め、次いで、オーディオデータと同様な帯域に制限するローパスフィルターを通す。この場合、振幅は１／４になってしまうので、全体を４倍に増幅する。

２進データの場合、値を２倍にするには、位を１つシフトさせれば良く、同様に、値を４倍にするには、位を２つシフトさせれば良い（例えば、２進データが「００１１」の場合、位を１シフトすると「０１１０」となり、値は「３」から「６」になる。さらに位を１シフトすると、「１１００」となり値が「３」から「１２」になる）。また、符号付き２進データのとき、処理を行った値がオーバフローして、正負の極性が反転することがあるため、オーバフローをした場合には、最大値（４ビットのときは、７（０１１１））、または最小値（４ビットのときは−８（１０００））に制限するとよい。

加算器６は、ラグランジェ補間処理部２によりオーバサンプリングされたオーディオデータを掛算器４によりＫ倍（０≦Ｋ≦１）したオーディオデータと、オーバサンプリング処理部３によりオーバサンプリングされたオーディオデータを掛算器５により（１−Ｋ）倍したオーディオデータを加算して出力する。加算処理されたオーディオデータは、図示しないＤＡコンバータを介してスピーカ７を駆動する。

利用者は、前記掛け算部の係数（Ｋ）の値を、例えば図示しない計数調整器を操作して調整することにより様々な音質の再生音を聴取することができる（例えば、係数Ｋを大きく設定することにより、拡がり感、奥行き感のある音質を、また、係数Ｋを小さく設定することにより明瞭感のある音質を得ることができる）。このように、Ｋの値を調整することによって、高域成分の出力レベルを制御することができる。このため、音楽ソースによって好みの音質になるよう処理を選択することができる。

なお、図１に示すデジタル信号処理装置による処理、すなわちラグランジェ補間処理部出力（Ｂ）のＫ倍と、オーバサンプリング処理部出力（Ａ）の（１−Ｋ）倍を加算する処理は、｛ラグランジェ補間処理部出力（Ｂ）−オーバサンプリング処理部出力（Ａ）｝×Ｋ＋オーバサンプリング処理部出力（Ａ）に等しい。

すなわち、もとのディジタルオーディオデータの帯域を超えた高域を含む出力Ｂから、サンプリング周波数を上げたもとデータＡの差分を求める操作、及び求めた差分に係数Ｋを掛け、サンプリング周波数を上げた元のデータＡに足す操作を、高域成分のみを単独で抽出する操作を加えることなく達成することができる。このため、従来例のように高域成分のデータのみを通過させるフィルタを必要としない。

なお、Ｋ＝０．５とすることによって、ラグランジェ補間処理部出力をＫ倍する処理及びオーバーサンプリング処理部出力を（１−Ｋ）倍する処理を１／２倍の処理とすることができる。この処理は、２進データの場合、位を１つシフトさせる処理になる（例えば（０１１０）→（００１１））ため、ハードの規模やソフトの処理量を削減することができる。

以上説明したように、高域成分を含んだ信号を抽出するフィルタを用いることなく、出力レベルの調整された高域付加成分をオーディオデータに付加することができる。このため、もとのオーディオデータの劣化あるいは高域成分の劣化を伴うことなく付加される高域成分の量を調整することができる。

本発明の実施形態に係るデジタル信号処理装置を説明する図である。 ラグランジェ補間処理を説明する図である。 オーバサンプリング処理部の処理を説明する図である。

符号の説明

１ 再生装置
２ ラグランジェ補間処理部
３ オーバサンプリング処理部
４，５ 掛け算部
６ 加算器
７ スピーカ

Claims (4)

1. 周波数帯域が制限されたもとのデジタルオーディオデータに対して、高域データを付加して高域補償を行うデジタル信号処理装置であって、
   サンプル信号間に、多項式による演算をもとに複数のサンプルを用いて生成した補完データを挿入する補完処理部と、
   サンプル信号の中央に零次補完を行い、さらにもとのデジタルオーディオデータと同じ帯域に周波数を制限するオーバサンプリング処理部と、
   前記補完処理部の出力をＫ倍した値と前記オーバサンプリング処理部の出力を（１−Ｋ）倍（但し、０＜Ｋ＜１）した値を加算する加算器を備え、前記加算器の出力側から高域補償されたデジタルオーディオ信号を得ることを特徴とするデジタル信号処理装置。
2. 請求項１記載のデジタル信号処理装置において、
   前記補完処理部は、ラグランジェ補完により補完データを生成することを特徴とするデジタル信号処理装置。
3. 請求項１記載のデジタル信号処理装置において、
   前記補完処理部の出力をＫ倍する掛け算器と前記オーバサンプリング処理部の出力を（１−Ｋ）倍する掛け算器を備え、かつこれらの掛け算器の係数を調整する調整部を備えたことを特徴とするデジタル信号処理装置。
4. 請求項３記載のデジタル信号処理装置において、
   Ｋの値は０．５に設定したことを特徴とするデジタル信号処理装置。

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