JP2007065091A

JP2007065091A - 音声信号遅延装置及び音声信号処理装置

Info

Publication number: JP2007065091A
Application number: JP2005248319A
Authority: JP
Inventors: Hajime Ichimura; 元市村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-08-29
Filing date: 2005-08-29
Publication date: 2007-03-15

Abstract

【課題】櫛状フィルタ効果の生じない音声信号遅延装置を提供する。
【解決手段】位相推移装置１２は、従来用いられていた遅延装置に代わるものであり、入力音声信号S0の周波数ごとに位相を推移する。ミキサ１３は、入力される音声信号S0と、位相推移装置１２の位相推移出力信号S1とを混合する。これにより、従来の遅延音ミックスにおける櫛状フィルタ効果を除去する。
【選択図】図１

Description

本発明は、入力された音声信号を遅延する音声信号遅延装置及び入力される音声信号に、当該音声信号の位相を推移した信号を混合して混合信号を出力する音声信号処理装置に関する。

音声信号遅延装置は一般に広く用いられており簡単にはディレイと呼ばれている。また、単発の遅延のみならず、複数の遅延を可能とし、ミックス出力する装置や残響（リバーブ）効果を可能とする装置などがある。

下記特許文献１には、遅延素子と、混合回路とを用いた残響付加装置の構成が複数記載されている。特に、入力音声信号をＡ／Ｄ変換器でディジタル化し、メモリ回路で遅延させた後、Ｄ／Ａ変換器でアナログ化し、帰還利得調整回路を介して入力側に帰還し、混合回路で入力音声信号と混合することによって残響効果を付加する構成の残響付加装置が記載されている。

特開平０６−６７６８３号公報

ところで、従来、残響効果を得るような音声信号処理装置において、遅延した信号と原信号をミックスする場合、櫛状フィルタ効果が生じ、再生周波数帯域に音量レベルの凹凸やディップが生じ品位が劣化してしまう。

図１４には、櫛状フィルタ効果が生じてしまう従来の音声信号処理装置１００の構成例を示す。入力端子１０１からの入力信号S0はふたつに分岐され一方は遅延装置１０２に、他方はミキサ（混合器）１０３に入力される。遅延装置１０２での遅延出力S1もミキサ１０３に入力され、ふたつの信号（S0とS1）がミックスされて出力信号S2が得られる。

図１５に図１４で示した音声信号処理装置１００の出力信号S2の周波数特性を示す。遅延装置１０２における遅延量をΔt秒とすると、もとの信号S0と、遅延装置１０２によって遅延された信号S1がミックスされた出力S2の周波数特性は１／（２＊Δt）Hzごとにディップ特性をなしておりその前後は凸型のレベルカーブをなしている。これは周期がΔtの信号はΔt秒遅延されたものとはミックス時点で正相関係にあり強め合うが、周期が２＊Δtの信号はΔt秒遅延されたものとはミックス時点で逆相関係にありお互いに打ち消し合いレベルがゼロとなるためである。この形が櫛に似ている事から櫛状フィルタ効果と呼ばれている。

これを避けるためには、複数の遅延信号を使用し、各遅延量をバラバラにすることにより再生周波数帯域におけるレベルを平滑化することが考えられる。しかし、遅延装置の構成が大きくなり、かつ演算処理も複雑になってしまう。もちろん、音声信号処理装置の構成も大規模になってしまう。

また、この櫛状フィルタ効果は電気的にミックスする場合のみならず、それぞれの信号を別のスピーカで再生する場合でもその再生空間において生じている。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、櫛状フィルタ効果の生じない音声信号遅延装置の提供を目的とする。また、再生周波数帯域における音量レベルの凹凸のない遅延付加再生を可能とする音声信号処理装置の提供を目的とする。

本発明に係る音声信号遅延装置は、上記課題を解決するために、音声信号遅延装置において、位相推移手段を用いて、入力される音声信号の周波数ごとに位相を推移する。

本発明に係る音声信号処理装置は、上記課題を解決するために、入力される音声信号に、当該音声信号の位相を推移した信号を混合して混合信号を出力する音声信号処理装置において、位相推移手段を用いて、上記入力される音声信号の周波数ごとに位相を推移し、混合手段により、上記入力される音声信号と、上記位相推移手段の位相推移出力信号とを混合する。

本発明に係る音声信号遅延装置は、櫛状フィルタ効果を生じさせない。また、音声信号処理装置は、再生周波数帯域における音量レベルの凹凸のない遅延付加再生を可能とする。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の音声信号遅延装置の具体例と混合器（ミキサ）とを用いてなる音声信号処理装置１０の構成図である。この音声信号処理装置１０に入力端子１１から供給された入力信号S0は、二つに分岐され、一方は位相推移装置１２に、他方はミキサ１３に入力される。

位相推移装置１２は、従来用いられていた遅延装置に代わるものであり、入力音声信号S0の周波数ごとに位相を推移する。ミキサ１３は、入力される音声信号S0と、位相推移装置１２の位相推移出力信号S1とを混合する。これにより、従来の遅延音ミックスにおける櫛状フィルタ効果を除去する。

この位相遅延装置１２はアナログで構成される場合は、多段の全帯域通過フィルタ（All pass filter:APF）で構成される。また、デジタルで構成される場合は、多段の巡回形ディジタルフィルタ（Infinite Impulse Response:IIR）フィルタまたは十分なタップ数をもった非巡回形（Finite Impulse Response:FIR）フィルタで構成される。

図２は、IIRフィルタを１０段接続した位相推移装置１２を示す図である。入力端子１５を介して入力された入力音声信号S0を、１０段接続したIIRフィルタ１６_１、１６_２、１６_３・・・１６_９及び１６_１０を通してフィルタリングする構成である。各IIRフィルタは、全帯域通過フィルタ（APF）として設計された、例えば２次のIIRである。振幅（ゲイン）特性は周波数によらず一定であるが、位相は周波数に応じてシフトすることを特徴としている。このため、個々に異なる位相特性を持つIIRフィルタを多段、例えば１０段接続することにより、周波数ごとに位相を推移することができ、出力端子１７からこの位相推移出力S1をミキサ１３に供給することができる。

図３及び図４には例えばIIRフィルタ１６_１及びIIRフィルタ１６_２の振幅特性、位相特性を示す。縦軸は左側が振幅Gain[dB]であり、右側が０°からπ（pi）までの位相シフト量[rad］である。

図３及び図４には、それぞれIIRフィルタ１６_１及びIIRフィルタ１６_２の伝達関数H(s)の式を示している。これらの例では、A3,A4,B3,B4の係数を０としている。つまり、前述したように２次のIIRフィルタの例である。

図３に示す例えばIIRフィルタ１６_１の各特性では、振幅特性Gainが０［dB］一定であり、位相特性phaseが周波数によって変化している。つまり、振幅は一定であるが、位相のシフト量が変化していることがわかる。位相シフト量は、周波数10Hzでπ*(9/10)[rad］、100Hzでπ*（6/10）[rad]、1000Hzでπ*(1/10)[rad]、10000Hzで0[rad]である。また、図４に示す例えばIIRフィルタ１６_２の各特性でも、振幅特性Gainが０［dB］一定であり、位相特性phaseが周波数によって変化している。位相シフト量は、周波数10Hzでπ[rad］、100Hzでπ*（9/10）[rad]、1000Hzでπ*(6/10)[rad]、10000Hzでπ*(1/10)[rad]である。よって、IIRフィルタ１６_１とIIRフィルタ１６_２とでは、位相特性が相互に異なっていることがわかる。

もちろん、IIRフィルタによるAPFは２次であることに限定されるものではなく、１次でも、３次以上の高次でもよく、多段接続することにより、例えば図３及び図４のような位相特性を重ねていき、所望の位相特性を設計するようにすればよい。

図５は、上記図３及び図４に示した、それぞれIIRフィルタ１６_１及びIIRフィルタ１６_２のように周波数に対して相互に異なった位相特性を有する、複数のIIRフィルタを、図２に示したように１０段接続することによって、得られる位相推移装置の遅延特性を示す。図３及び図４の位相特性をはじめ、各IIRフィルタ１６_３・・・１６_９及び１６_１０の位相特性を重ね合わせることにより形成できる。図５の縦軸に示した群遅延時間[t]は、横軸の周波数[HZ]によって略リニアに変化する。この場合、周波数が高くなるにつれ、遅延時間はリニアに減っている。つまり、群遅延量（時間）は、周波数に応じて変化していく。この特性を用いることにより、音声信号処理装置１０は、ミキサ１５に入力する時点での、入力信号S0と位相推移装置１２の位相推移出力信号S1との位相差を補正しつつ遅延効果を得ることができる。

図５に示した位相推移装置の特性における群遅延gと周波数fの関係は、理想的にはg＝n／fとなる。ここでnは整数である。n=1の場合、それぞれの周波数は1/f秒だけ遅延されることになるが、これはそれぞれの周波数fにおける1波長分にあたり、正相関係となり櫛状フィルタ効果は生じない。具体的には、群遅延の式g＝n／fはミキサ１３に入る入力音声信号S0及び位相推移出力信号S1が、正確に同相になるための条件となる。nは整数であり、遅延量を大きくしたい場合はこれをより大きい整数値にすればよい。この場合もミックス時点の各周波数における時間差はその周波数の周期のn倍となっており、正相関係にあり櫛状フィルタ効果は生じない。ただし、遅延効果としては群遅延量の大きい低域成分に対して遅延効果があり、高域に対しては１波長あたりの周期が短いので遅延効果は少ない。

なお、上記群遅延g＝n／fのnが正確に整数でなく、入力信号S0と位相推移装置１２の位相推移出力信号S1との位相差が10°、20°のように多少ずれても、実用上問題のない場合もある。

図６には、図１に示した音声信号処理装置１０における出力信号S2の周波数特性を実線で示す。比較のため、櫛状フィルタ効果が表れた従来例の周波数特性も破線で示す。音声信号処理装置１０における出力信号S2の周波数特性には、ディップが見られない。周波数が変化しても、振幅レベルは一定となる。

図７には、ｎ次のIIRフィルタの構成例を示す。入力端子２１からの入力信号Xは係数乗算器２２で係数ｃが乗算されてから、加算器２３に供給される。加算器２３には後述する加算器３６からの加算出力も供給される。加算器２３の加算出力Tは、1クロック周期分の遅延器２６及び後述の加算器２４に供給される。遅延器２６は、１クロック周期分の遅延した出力信号を係数乗算器２７、係数乗算器２８及び遅延器２９に供給する。係数乗算器２７は、遅延器２６の遅延出力信号に係数a1を乗算し加算器３６に供給する。加算器３６には後述の加算器３５からの加算出力も供給されている。係数乗算器２８は、遅延器２６の遅延出力信号に係数b1を乗算し加算器３８に供給する。加算器３８には後述の加算器３７からの加算出力も供給されている。遅延器２９は、遅延器２６の遅延出力信号をさらに１クロック周期分遅延し、遅延出力信号を係数乗算器３０、係数乗算器３１及び次段の遅延器・に供給する。係数乗算器３０は、遅延器２９の遅延出力信号に係数a2を乗算し加算器３５に供給する。加算器３５には加算器・からの加算出力も供給されている。係数乗算器３１は、遅延器２９の遅延出力信号に係数b2を乗算し加算器３７に供給する。加算器３７には加算器・からの加算出力も供給されている。同様にして、遅延器３２には前段の遅延器の遅延出力信号が供給される。遅延器３２はさらに１クロック周期分遅延した遅延出力信号を係数乗算器３３及び係数乗算器３４に供給する。係数乗算器３３は、遅延器３２の遅延出力信号に係数anを乗算したのち、前段の加算器に戻す。また、係数乗算器３４は、遅延器３２の遅延出力信号に係数bnを乗算したのち、前段の加算器に戻す。そして、加算器・・、加算器３５及び加算器３６からの加算出力は加算器２３に戻される。また、加算器・・、加算器３７及び加算器３８からの加算出力は加算器２４に戻される。加算器２４は出力端子２５に接続しており、出力端子２５からは出力信号Yが出力される。このn次のIIRフィルタは、次数（n）の分だけ深くなるのはもちろんである。

図８には、図７に構成を示したn次のIIRフィルタを基本とした、２次のIIRフィルタ４１_１、４１_２・・・及び４１_mを多段（m段）接続した構成を示す。この２次IIRフィルタの多段接続構成によれば、図５に示したような群遅延特性を得ることができる。また、伝達関数を部分分数分解してIIRフィルタを並列に接続する構成としてもよい。

次に、図９には他の構成の音声信号処理装置５０を示す。この音声信号処理装置５０にあっても、入力端子５１から入力された入力信号S0は、二つに分岐され、一方は位相推移装置５２に、他方はミキサ５３に入力される。

この音声信号処理装置５０では、位相推移装置５２の位相推移量（nの値）が動的に変更可能である。コントローラ５５が位相推移装置５２をコントロールして、その量を変化させる。

コントローラ５５によって位相推移装置５２の位相推移量が動的に制御されることにより、ミキサ５３への入力時点で、入力音声信号S0及び位相推移出力信号S1は、より細かに制御できる。つまり、上記群遅延g＝n／fにおけるnを細かに調整できるので、遅延時間の調整が細かにできる。

次に、図１０には、さらに他の構成の音声信号処理装置６０を示す。この音声信号処理装置６０にあっては、複数の位相推移装置６２_１、６２_２、６２_３が存在し、それぞれの位相推移量が設定可能である。入力端子６１から入力された入力信号S0は、複数の位相推移装置６２_１、６２_２、６２_３とミキサ６３に供給される。複数の位相推移装置６２_１、６２_２、６２_３は、それぞれ位相推移量を設定可能である。

位相推移装置６２_１は、入力信号S0に対して周波数に基づいて所定の値だけ位相を推移し、位相推移出力信号S11をミキサ６３に供給する。位相推移装置６２_２は、入力信号S0に対して周波数に基づいて所定の値だけ位相を推移し、位相推移出力信号S12をミキサ６３に供給する。位相推移装置６２_３も、入力信号S0に対して周波数に基づいて所定の値だけ位相を推移し、位相推移出力信号S13をミキサ６３に供給する。上述したように複数の位相推移装置６２_１、６２_２、６２_３は、位相推移量を設定可能であり、よって、ミキサ６３に入力する時点での、入力信号S0と各位相推移出力信号S11,S12,S13との位相差を補正しつつ遅延効果を得ることができる。

最終段のミキサがこれらの出力値（入力信号S0と各位相推移出力信号S11,S12,S13）をミックスすることにより、複数の遅延音を付加した出力信号が合成可能となる。

次に、図１１には、さらに他の構成の音声信号処理装置７０を示す。この音声信号処理装置７０にあって位相推移装置７３の前段にミキサ７２を設け、位相推移装置７３の位相推移出力信号S15をミキサ７２の入力端子に戻してミックスすることにより、フィードバックループを構成する。このフィードバックループによって生成された位相推移出力信号S15はミキサ７４に入力する。ミキサ７４には、入力端子７１からの入力信号S0が入力されており、位相推移出力信号S15と入力信号S0とをミックスし、出力信号S2を出力端子７５から出力する。これにより、遅延音の時間間隔は一定ながら複数の遅延音を付加した出力信号が合成可能である。

ここまでに説明した、図１、図９、図１０及び図１１に示した音声信号処理装置１０、５０、６０及び７０は、適宜組み合わせて構成してもよい。

例えば、図１１の音声信号処理装置７０の位相推移装置７３の位相推移量を動的に制御するように、コントローラを位相推移装置７３に接続してもよい。コントローラが位相推移量を動的に制御し位相推量を変化させる。この場合、位相推移量は、ミキサ７２にフィードバックされながら、位相推移装置７３から出力されている。

また、図１０の複数の位相推移装置６２_１、６２_２、６２_３の各前段にミキサを設けてもよい。さらに、複数の位相推移装置６２_１、６２_２、６２_３の位相推移量をコントローラによって動的に変更するような構成にしてもよい。

さらに、複数出力をミックスせずに再生可能なシステムにおいては、最終段のミキサは必要なく、各遅延音を独立したシステムで再生すればよい。

次に、図１２にはさらに他の構成の音声信号処理装置８０を示す。これは図１に示した音声信号処理装置１０に対してさらに遅延装置８２を位相推移装置８３の前段に設けたものである。この遅延装置８２は周波数にわたって一定の遅延を加えるものであり、一般的にRAMを使用したデジタルディレイがある。この場合一定の遅延が加わってしまうので後段の位相推移装置８３の特性には配慮する必要がある。

図１３には、図１２における位相推移装置８３の特性を示す。前段の遅延装置８２の遅延量をΔtとするとn=1の場合はf１以下、n=2の場合はf２以下で本発明の効果が得られる。f１、f２以上の周波数に関しては櫛状フィルタを生じてしまうので、それが問題となる場合は位相推移装置８３内にローパスフィルタを設け、f１、f２以上の周波数を遮断すればよく再生周波数帯域としては低音に限定されることとなる。実用上問題とならない場合は遮断する必要はない。

また図１２に示した音声信号処理装置８０に対して、音声信号処理装置１０（図１）の音声信号処理装置５０（図９）、６０（図１０）、７０（図１１）への拡張のような実施例及びそれらの組み合わせも可能である。

例えば、図１２の音声信号処理装置８０の位相推移装置８３の位相推移量をコントローラによって制御する構成や、遅延装置と位相推移装置という接続を、入力信号に対して複数並列に設けるような図１０の変形構成などである。

音声信号処理装置の構成図である。 IIRフィルタを１０段接続した位相推移装置を示す図である。 IIRフィルタ１６_１の振幅特性及び位相特性を示す図である。 IIRフィルタ１６_２の振幅特性及び位相特性を示す図である。位相推移装置の遅延特性を示す図である。音声信号処理装置における出力信号S2の周波数特性を示す図である。ｎ次のIIRフィルタの構成例を示す図である。２次のIIRフィルタを多段（m段）接続した構成を示す図である。他の音声信号処理装置の構成図である。他の音声信号処理装置の構成図である。他の音声信号処理装置の構成図である。他の音声信号処理装置の構成図である。他の音声信号処理装置に含まれる位相推移装置の特性図である。従来の音声信号処理装置の構成図である。従来の音声信号処理装置の出力信号の周波数特性を示す図である。

符号の説明

１０，５０，６０，７０，８０音声信号処理装置、１２，５２，６２，７３，８３，位相推移装置、１３，５３，６３，７４，８４ミキサ

Claims

音声信号遅延装置において、
入力される音声信号の周波数ごとに位相を推移する位相推移手段を
備えることを特徴とする音声信号遅延装置。
上記位相推移手段に上記音声信号の周波数ごとに位相を動的に変化させる制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の音声信号遅延装置。
上記位相推移手段を複数備えることを特徴とする請求項１記載の音声信号遅延装置。
上記位相推移手段の位相推移出力をフィードバックするフィードバック経路を備えることを特徴とする請求項１記載の音声信号遅延装置。
上記位相推移手段の前段に、入力される音声信号を一定時間遅延する遅延手段を備え、上記位相推移手段は上記遅延手段の遅延出力信号の周波数毎に位相を推移することを特徴とする請求項１記載の音声信号遅延装置。
入力される音声信号に、当該音声信号の位相を推移した信号を混合して混合信号を出力する音声信号処理装置において、
上記入力される音声信号の周波数ごとに位相を推移する位相推移手段と、
上記入力される音声信号と、上記位相推移手段の位相推移出力信号とを混合する混合手段と
を備えることを特徴とする音声信号処理装置。