JP2007155843A

JP2007155843A - 信号補間装置

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Publication number: JP2007155843A
Application number: JP2005347208A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Otsu; 秀紀大津
Original assignee: Kenwood KK
Current assignee: Kenwood KK
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2007-06-21

Abstract

【課題】周波数変換により生じた下側波帯を抑圧する。
【解決手段】変調部２０のＳＳＢ変調器２２は、発振信号を生成して、入力信号と乗算することにより入力信号の周波数変換を行う。そして、ＳＳＢ変調器２２は、生成した発振信号の周波数よりも低域の下側波帯の周波数を抑圧する。このため、変調部２０は、下側波帯を抑圧するような急峻な特性を有するハイパスフィルタを備えることなく、入力信号の疑似高調波を生成することができる。また、フィルタ演算量の削減とともに良好な補間信号を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、信号補間装置に関するものである。

音楽等の音声を表す音声データを、インターネット等のネットワークを介して配信したり、ＭＤ（Mini Disk）等の記録媒体に記録して利用することが、近年盛んになっている。ネットワークで配信されたり記録媒体に記録されたりする音声データは、帯域が過度に広くなることによるデータ量の増大や占有帯域幅の広がりを避けるため、一般に、供給する対象の音楽等のうち一定の周波数以上の成分を除去されている。

例えば、ＭＰ３（MPEG1 audio Layer 3）形式の音声データでは、約１６キロヘルツ以上の周波数成分が除去されている。また、ＡＴＲＡＣ３（Adaptive TRansform Acoustic Coding 3）形式の音声データでは、約１４キロヘルツ以上の周波数成分が除去されている。

このように、一定値以上の周波数成分が除去された音楽等は通常、オリジナルの音楽等に比べて音質が劣化している。そこで、除去された周波数成分に代わる信号を加算することが考えられる。

このため、正弦波信号による変調により周波数変換を行う周波数変換部を備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。

かかる従来の信号補間装置では、周波数変換部において、正弦波による振幅変調により周波数変換を行う。このような周波数変換により周波数変換後の信号の周波数特性として、発振器の周波数の両側に、下側波帯、上側波帯が現れる。従来の信号補間装置では、この下側波帯を抑圧するハイパスフィルタを備えている。
特開２００２−１７１５８８号公報（第６頁、図１，３）

しかし、周波数変換を行う信号の帯域が低域側に広い場合には周波数変換後の信号分布は発振器の周波数に近接してしまう。このため下側波帯のみを取り除くためには急峻な特性を有するハイパスフィルタを使用しなければならず、このハイパスフィルタがＤＳＰ（Digital Signal Processor）等によって構成された場合、ＤＳＰの演算量が多くなってしまう。

また、演算量を低減するためにハイパスフィルタの特性を緩やかにすると、不要信号である下側波帯のみではなく、必要な信号成分である上側波帯の一部まで抑圧することになり、不都合が生じる。

また、より自然な聴感を得るためには、生成した疑似高調波と原信号との合成信号が、本来の信号が有する周波数特性になるように、周波数領域において合成部分が不連続にならないように連結した上で、一般に広域になるにつれてレベルが低くなるような特性を持たせる必要がある。

このため、下側波帯抑圧フィルタにその特性を合わせ持たせるか、当該フィルタの後段にフィルタを追加する必要がある。しかし、前者では、フィルタ特性が複雑になり設計が困難であり、後者では処理が加わるために装置の処理負荷が上がってしまう問題がある。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、低域側の周波数変換により生じた下側波帯を抑圧することが可能な信号補間装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る信号補間装置は、
発振信号を生成して、入力信号と乗算することにより前記入力信号の周波数変換を行う周波数変換部と、
前記周波数変換部が周波数変換を行った信号と前記入力信号とを加算することにより、疑似高調波を含む補間信号を生成する混合部と、を備え、
前記周波数変換部は、前記入力信号の周波数変換を行うことにより生成した信号の周波数のうち、生成した前記発振信号よりも低域側の下側波帯の信号レベルを抑圧する変調器を備えたことを特徴とする。

前記周波数変換部が周波数変換を行うことによって得られる疑似高調波の周波数特性が前記入力信号の周波数特性に対応するように、前記変調器の出力信号の周波数特性を調整する等化器を備えるようにしてもよい。

前記変調器は、
第１の発振信号を生成する第１の発振部と、
前記第１の発振部が生成する前記第１の発振信号と９０°位相の異なる第２の発振信号を生成する第２の発振部と、
前記入力信号と前記第１の発振部が生成した前記第１の発振信号とを乗算することにより前記入力信号を変調する第１の乗算部と、
前記入力信号の位相をずらした移相信号と前記第２の発振部が生成した前記第２の発振信号とを乗算し、前記移相信号を変調する第２の乗算部と、
前記第１の乗算部の出力信号の周波数と前記第２の乗算部の出力信号の周波数との差を取得する減算器と、を備えたものであってもよい。

前記第１の発振部と前記第２の発振部とは、
正弦波からなる正弦波信号を生成する正弦波信号発振器と、
前記正弦波信号発振器が生成した正弦波信号の信号レベルを予め設定された閾値に制限することにより、前記正弦波信号の信号レベルが前記閾値でクリップされた信号を生成する信号レベル制限部と、を備えたものであってもよい。

前記第１の発振部と前記第２の発振部とは、矩形波、鋸波又は三角波の発振信号を生成するようにしてもよい。

前記第１の発振部と前記第２の発振部とは、周波数が異なる複数の正弦波信号を合成して前記発振信号を生成するようにしてもよい。

本発明によれば、低域側の周波数変換により生じた下側波帯を抑圧することがすることができる。また、周波数変換による下側波帯の発生がないため、下側波帯除去フィルタを必要とせず、フィルタ演算量の削減とともに良好な補間信号を得ることができる。

以下、本発明の実施形態に係る信号補間装置を図面を参照して説明する。
本実施形態に係る信号補間装置の構成を図１に示す。
信号補間装置１は、ＨＰＦ（ハイパスフィルタ）１０、変調部２０と、混合部３０と、からなる。

ＨＰＦ１０は、入力信号Ｓinから、疑似高調波の元になる信号成分を取得するためのものである。

入力信号Ｓinは、例えば、ＭＤ、ＣＤに記録されたデータを再生する再生装置から供給された信号である。

このＭＤ、ＣＤに記憶されたデータは、例えば、ＭＰ３（MPeg1 audio layer 3）形式のデータや、あるいはＡＴＲＡＣ３（Adaptive TRansform Acoustic Coding 3）形式のデータからなる。

ＭＤ、ＣＤに記録されている入力音声データが表す音声信号では、元の音声のうち、周波数が予め設定された閾値以上の信号成分が除去されている。

例えば、入力音声データがＭＰ３形式のデータからなっている場合、この閾値は、約１６キロヘルツであり、また、ＡＴＲＡＣ３形式のデータからなっている場合は、約１４キロヘルツである。

ＨＰＦ１０は、この入力信号から、信号成分として、例えば、５ＫＨｚ以上の信号Ｓ１を取得し、この信号Ｓ１を変調部２０に供給する。

変調部２０は、発振信号を生成して、ＨＰＦ１０によって取得された信号成分に対する周波数変換を行うものであり、ＡＴＴ（アッテネータ）２１と、ＳＳＢ変調器２２と、を備える。

ＡＴＴ２１は、ＨＰＦ１０が取得した信号成分の信号レベルを減衰させるためのものである。

ＳＳＢ変調器２２は、ＳＳＢ変調を行うものであり、図２に示すように、正弦波発振器１０１，１０２と、π／２移相器１０３と、乗算器１０４，１０５と、加算器１０６と、からなる。

正弦波発振器１０１，１０２は、クロック信号（図示せず）に基づいて、正弦波からなる発振信号を生成するためのものであり、それぞれ、図３に示すように、遅延器２１１，２１２と、乗算器２１３，２１４と、加算器２１５と、ＡＴＴ２１６と、を備える。

遅延器２１１は、加算器２１５が出力するデータｘnを１クロック遅延させてデータｘn-1を生成するものである。遅延器２１２は、遅延器２１１が出力するデータｘn-1をさらに１クロック遅延させてデータｘn-2を生成するものである。

乗算器２１３は、遅延器２１１が出力したデータｘn-1に係数ｂ１を乗算して、データｂ１×ｘn-1を生成するものである。乗算器２１４は、遅延器２１２が出力したデータｘn-2に係数ｂ２を乗算して、データｂ２×ｘn-2するものである。

加算器２１５は、乗算器２１３，２１４がそれぞれ出力したデータｂ１×ｘn-1，ｂ２×ｘn-2を加算するものである。

従って、この正弦波信号発振器１０１，１０２の演算式は、次の数（１）式によって表される。
ｘn＝ｂ1×ｘn-1＋ｂ２×ｘn-2 ・・・・・・・・・・・・（１）

本実施形態において、係数ｂ１，ｂ２、１次遅れ初期値、２次遅れ初期値は、図４に示すように設定されるものとする。

このように係数ｂ１，ｂ２、１次遅れ初期値、２次遅れ初期値が設定されることにより、正弦波発振器１０１は、次の数（２）によって表される周波数ｆm1の正弦波信号を生成する。
ｆm1＝cos(ω)
但し、ω：角周波数
・・・・・・・（２）

また、正弦波発振器１０２は、次の数（３）によって表される周波数ｆm2の正弦波信号を生成する。
ｆm2＝cos(ω−π／２)
＝sin(ω)
・・・・・・・（３）
この数（２），（３）に示すように、正弦波発振器１０２が生成した正弦波信号の位相は、正弦波発振器１０１が生成した正弦波信号の位相よりもπ／２だけ遅れている。

図２に戻り、π／２移相器１０３は、入力された信号成分をπ／２だけ位相をずらすためのものであり、移相をずらした信号を移相信号として、乗算器１０５に出力する。

尚、図４に示すように、各定数が設定されることにより、正弦波発振器１０１が乗算器１０４に供給する発振信号の位相とπ／２移相器１０３が乗算器１０５に出力する移相信号の位相とは、ほぼ同じになる。

乗算器１０４は、入力された信号成分と正弦波発振器１０１が生成した発振信号と乗算することにより、入力された信号成分を変調するものである。乗算器１０４は、変調した信号Ｓ２を加算器１０６に供給する。

乗算器１０５は、π／２移相器１０３によってπ／２だけ位相がずらされた信号を移相信号として、この移相信号と正弦波発振器１０２が生成した発振信号とを乗算することにより、移相信号を変調するためのものである。乗算器１０５は、変調した移相信号を加算器１０６に供給する。

加算器１０６は、乗算器１０４の出力信号の周波数から乗算器１０５の出力信号の周波数を減算することにより、両周波数の差を取得するためのものである。加算器１０６は、この差を取得することにより、正弦波発振器１０１が生成した発振信号の周波数よりも低域側の下側波帯の信号レベルを抑圧する。

混合部３０は、変調部２０が取得した信号成分と入力信号Ｓinとを所定の比率で加算して、補間信号Ｓoutを生成するものであり、ＡＴＴ３１，３２と、加算器３３と、からなる。

ＡＴＴ３１，３２は、それぞれ、入力信号Ｓin、変調部２０から供給された信号の信号レベルを減衰させるものである。加算器３３は、ＡＴＴ３１，３２が信号レベルを減衰させた信号を、所定の比率で加算して、補間信号Ｓoutを生成するものである。

次に本実施形態に係る信号補間装置１の動作を説明する。
ＨＰＦ１０は、入力信号Ｓinが供給され、供給された入力信号Ｓinから、予め設定された閾値未満の周波数成分を除去する。

そして、ＨＰＦ１０は、疑似高調波の元になる信号成分として、図５（ａ）に示すような５ＫＨｚ以上の周波数特性Ｂ0を有する信号Ｓ１を取得し、取得した信号Ｓ１を変調部２０に供給する。

変調部２０において、ＡＴＴ２１は、ＨＰＦ１０が取得した信号成分の信号レベルを減衰させ、減衰させた信号Ｓ１をＳＳＢ変調器２２に供給する。

図２に示すＳＳＢ変調器２２の正弦波発振器１０１は、数（２）によって表される変調周波数ｆm1を有する正弦波信号を生成する。乗算器１０４は、正弦波発振器１０１が生成した正弦波信号と信号Ｓ１とを乗算することにより、図５（ｂ）に示すような周波数特性を有する信号Ｓ２を生成する。

この図５（ｂ）に示すように、信号Ｓ２は、変調周波数ｆm1と、下側波帯ＬＳＢ１と、下側波帯ＬＳＢの折り返し成分ＬＳＢ２と、上側波帯ＵＳＢ１と、を含んでいる。乗算器１０３は、このような周波数特性を有する信号Ｓ２を加算器１０６に供給する。

一方、π／２移相器１０３は、信号Ｓ１の位相をπ／２だけずらして移相信号を生成し、生成した移相信号を乗算器１０５に供給する。

正弦波発振器１０２は、数（３）によって表される周波数ｆm2を有する正弦波信号を生成し、生成した正弦波信号を乗算器１０５に供給する。

乗算器１０５は、正弦波発振器１０２から供給された正弦波信号とπ／２移相器１０３から供給された移相信号とを乗算する。乗算器１０５が乗算することにより生成された信号も、変調周波数ｆm2と、下側波帯ＬＳＢと、上側波帯ＵＳＢと、を含む周波数特性を有している。乗算器１０５は、生成した信号を加算器１０６に供給する。

加算器１０６は、乗算器１０４から供給された信号Ｓ２と、乗算器１０５から供給された信号と、の差を取得して、図５（ｃ）に示すような周波数特性を有する信号Ｓ３を生成する。
この図５（ｃ）に示すように、変調周波数ｆm1と、下側波帯ＬＳＢ１と、折り返し成分ＬＳＢ２とは、除去されて、加算器１０６が生成した信号Ｓ３には、周波数特性ＵＳＢ１を有する疑似高調波成分のみが含まれることになる。加算器１０６は、このような周波数特性を有する信号Ｓ２を混合器３０に供給する。

混合部３０のＡＴＴ３１，３２は、それぞれ、入力信号Ｓin、変調部２０から供給された信号の信号レベルを減衰させ、加算器３３は、ＡＴＴ３１，３２が信号レベルを減衰させた信号を、所定の比率で加算して、補間信号Ｓoutを生成する。

以上説明したように、本実施形態によれば、変調部２０は、ＳＳＢ変調器２２を備え、正弦波信号よりも低域側の変調によって生成された下側波帯成分を除去するようにした。

従って、変調後の下側波帯を抑圧する必要がなく、この下側波帯を抑圧するような急峻な特性を有するＨＰＦを備える必要もない。また、フィルタ演算量の削減とともに良好な補間信号を得ることができる。

また、下側波帯の成分を抑圧しても、上側波帯の成分を抑圧することがないため、所望の疑似高調波成分を生成することができ、より自然な聴感を得ることができる。

尚、本発明を実施するにあたっては、種々の形態が考えられ、上記実施の形態に限られるものではない。
例えば、図６に示すように、変調部２０と混合部３０との間に、イコライザ４０を備えるようにしてもよい。

このイコライザ４０は、変調部２０が周波数変換を行うことによって得られる疑似高調波の周波数特性が入力信号の周波数特性に対応するように、ＳＳＢ変調器の出力信号の周波数特性を調整するものである。

イコライザ４０は、例えば、１次のＬＰＦ（ローパスフィルタ）によって構成される。このイコライザ４０は、ＡＴＴ３２の減衰量に基づいて、変調部２０が変調した周波数変換後の信号の周波数特性を調整する。このイコライザ４０を備えることにより、信号補間装置１の出力信号の周波数特性を最適化することができる。

また、ＳＳＢ変調器２２は、発振器１０１，１０２の代わりに、図７に示すように構成された発振器１１１，１１２を備えたものであってもよい。
この発振器１１１，１１２は、正弦波信号の信号レベルを予め設定された閾値でクリップした図８に示すような波形の発振信号を生成するものである。

発振器１１１は、正弦波発振器２２１と、増幅器２２２と、リミッタ２２３と、ＡＴＴ２２４と、を備える。発振器１１２は、正弦波発振器２２５と、増幅器２２６と、リミッタ２２７と、ＡＴＴ２２８と、を備える。

正弦波発振器２２１，２２５は、それぞれ、図８に示す正弦波信号Ｓ１１を生成するものであり、図３に示す正弦波発振器１０１，１０２と同様の構成を有する。
増幅器２２２，２２６は、それぞれ、正弦波発振器２２１，２２５が生成した信号Ｓ１１を「１」以上に増幅して、増幅した正弦波信号Ｓ１２を出力するものである。

リミッタ２２３，２２７は、それぞれ、ＡＴＴ２２２，２２６が増幅した正弦波信号Ｓ１２の信号レベルを予め設定された閾値に制限することにより、クリップされた信号Ｓ１３を生成するものである。

ＡＴＴ２２４，２２８は、それぞれ、リミッタ２２３，２２７が生成した信号Ｓ１３の信号レベルを減衰させるものである。

リミッタ２２３，２２７の閾値は、例えば、図８に示すように、「１」に設定される。リミッタ２２３は、この閾値「１」を記憶する。このようにリミッタ２２３が信号レベルをクリップした信号Ｓ１３には、正弦波信号の奇数次の疑似高調波成分が含まれる。
このため、発振器１１１，１１２は、それぞれ、高調波成分を含む信号を生成することになる。

また、発振器１１１，１１２は、単一周波数ではなく周波数が異なる複数の周波数成分を含む正弦波信号を生成するようなものであってもよい。

この場合、発振器１１１，１１２は、それぞれ、図９に示すように、正弦波発振器２３１，２３２と、ＡＴＴ２３３，２３４と、加算器２３５と、ＡＴＴ２３６と、を備える。

正弦波発振器２３１，２３２は、それぞれ、図３に示す正弦波発振器１０１，１０２と同様の構成を有するものである。尚、正弦波発振器２３１，２３２の乗算器２１３，２１４のそれぞれの係数は、生成する正弦波信号の周波数が互いに異なるように設定される。

ＡＴＴ２３３，２３４は、それぞれ、正弦波発振器２３１，２３２が生成した正弦波信号の信号レベルを減衰させるためのものである。

加算器２３５は、このレベル調整された正弦波を加算するものである。
ＡＴＴ２３６は、加算器２３５が出力した信号に対して減衰処理を施すものである。

発振器１１１，１１２は、このように構成されて、複数の正弦波を加算して疑似高調波信号を含む発振信号を生成する。このため、生成された疑似高調波は、複数の周波数成分を含み、より自然な聴感を得ることができる。

また、発振器１１１，１１２は、信号補間の目的に応じて、矩形波、鋸波、三角波を生成するものであってもよい。

また、ＳＳＢ変調器２２は、図１０に示すようなPhase Sift Network型のものであってもよいし、図１１に示すようなWeaver方式のものであってもよい。

図１０に示すＳＳＢ変調器２２は、全域通過フィルタ（図中、「all pass」と記す。）１２１，１２２と、正弦波発振器１２３と、乗算器１２４，１２５と、加算器１２６と、からなる。

図１１に示すＳＳＢ変調器２２は、正弦波発振器１３１と、乗算器１３２，１３３と、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）１３４，１３５と、正弦波発振器１３６と、乗算器１３７，１３８と、加算器１３９と、からなる。

本発明の実施形態に係る信号補間装置の構成を示すブロック図である。図１に示すＳＳＢ変調器の構成を示す図である。図２に示す正弦波発振器の構成を示す図である。図２に示す正弦波発振器の定数を示す図である。図１に示す信号補間装置の各部における信号の周波数特性を示す図である。応用例として、イコライザを備えた信号補間装置の構成を示すブロック図である。応用例として、発振器にリミッタを備えたＳＳＢ変調器の構成を示す図である。図７に示す発振器が出力する信号の波形を示す図である。応用例として、複数の正弦波を生成する発振器の構成を示す図である。応用例として、Phase Sift Network型のＳＳＢ変調器の構成を示す図である。応用例として、Weaver方式のＳＳＢ変調器の構成を示す図である。

符号の説明

１信号補間装置
１０ＨＰＦ（ハイパスフィルタ）
２０変調部
２２ＳＳＢ変調器
３０混合部
１０１，１０２正弦波発振器
１０３ π／２位相器
１０４，１０５乗算器
１０６加算器

Claims

発振信号を生成して、入力信号と乗算することにより前記入力信号の周波数変換を行う周波数変換部と、
前記周波数変換部が周波数変換を行った信号と前記入力信号とを加算することにより、疑似高調波を含む補間信号を生成する混合部と、を備え、
前記周波数変換部は、前記入力信号の周波数変換を行うことにより生成した信号の周波数のうち、生成した前記発振信号よりも低域側の下側波帯の信号レベルを抑圧する変調器を備えた、
ことを特徴とする信号補間装置。
前記周波数変換部が周波数変換を行うことによって得られる疑似高調波の周波数特性が前記入力信号の周波数特性に対応するように、前記変調器の出力信号の周波数特性を調整する等化器を備えた、
ことを特徴とする請求項１に記載の信号補間装置。
前記変調器は、
第１の発振信号を生成する第１の発振部と、
前記第１の発振部が生成する前記第１の発振信号と９０°位相の異なる第２の発振信号を生成する第２の発振部と、
前記入力信号と前記第１の発振部が生成した前記第１の発振信号とを乗算することにより前記入力信号を変調する第１の乗算部と、
前記入力信号の位相をずらした移相信号と前記第２の発振部が生成した前記第２の発振信号とを乗算し、前記移相信号を変調する第２の乗算部と、
前記第１の乗算部の出力信号の周波数と前記第２の乗算部の出力信号の周波数との差を取得する減算器と、を備えたものである、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の信号補間装置。
前記第１の発振部と前記第２の発振部とは、
正弦波からなる正弦波信号を生成する正弦波信号発振器と、
前記正弦波信号発振器が生成した正弦波信号の信号レベルを予め設定された閾値に制限することにより、前記正弦波信号の信号レベルが前記閾値でクリップされた信号を生成する信号レベル制限部と、を備えた、
ことを特徴とする請求項３に記載の信号補間装置。
前記第１の発振部と前記第２の発振部とは、矩形波、鋸波又は三角波の発振信号を生成する、
ことを特徴とする請求項３に記載の信号補間装置。
前記第１の発振部と前記第２の発振部とは、周波数が異なる複数の正弦波信号を合成して前記発振信号を生成する、
ことを特徴とする請求項３に記載の信号補間装置。