JP2008104001A - 聴感改善回路 - Google Patents

Abstract

【課題】音声信号のノイズレベルを抑えて聴感を改善すると共に聴感特性に合わせた聴感改善回路の提供にある。
【解決手段】聴感改善装置は、入力音声信号の周波数特性を所定の聴感特性に成形して出力するイコライザー回路と、イコライザー回路からの音声信号の隣接するサンプリング点のレベル差より主成分信号の位相差、振幅値、周波数を求め、それにより主成分信号付近の周波数を中心としたフィルター処理を行ってノイズ成分を除去し、主成分信号を出力する瞬時周波数分析回路と、聴感特性を備えた聴感補正フィルターと、瞬時周波数分析回路の出力信号と聴感補正フィルターの出力信号の誤差を求めイコライザー回路の聴感特性を補正するイコライザー制御回路と、瞬時周波数分析回路のＳ／Ｎ比に基づいて入力音声信号とイコライザー回路の出力信号と瞬時周波数分析回路の出力信号のうちのいずれかの信号を選択する音声切替スイッチとを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、デジタル放送の音声回路等のデジタル音声信号を対象とした回路で、ノイズレベルの低減と信号レベルの強調、および、音声スペクトラムの補正を行うことにより、音声情報の聴感特性を改善する聴感改善回路に関する。

従来、テレビ放送等の受信では、音声信号の聴感を改善するために、音声信号レベルを測り、その平均レベル、またはピークレベルを検出して、そのレベルが常に一定になるように音声アンプのゲインを調整することにより、常に聴くレベルが変化しないように制御して聴感を改善していた（特許文献１参照）。
特開平６−１２１３９３号公報

しかしながら、デジタル放送受信機やＤＶＤプレーヤでは、臨場感を高めることを目的として音声信号をいろいろな方向から出力するように複数のスピーカーを設置したり、ダイナミックレンジが確保されていることを前提に、繊細な微小信号から、大音響の信号まで出力していた。

このような音響装置が整った環境では、臨場感ある映画の視聴やオーケストラの鑑賞ができ極めて有用であるが、人の声の聴感等には必ずしも適していない。

通常、耳の聴感特性は、２〜４ＫＨｚの周波数帯域で最も高く、高周波帯域や低周波帯域で低くなるが、音の大きさのレベルが小さくなるほど感度の低下の傾向が強調される。

広い音域では、確度の高さが求められるニュース番組では正確に番組内容を把握する妨げとなることが少なくなかった。これは、若年健聴者の聴感特性に比べると老人は聴感できる音圧レベルが低下し、また、聞こえる音声の帯域が狭くなるので問題は顕著である。

また、従来の常に音声信号の出力レベルを一定にする方式では、周波数の高いレベルや低いレベルで回路が動作し、必ずしも聴感する周波数帯域でのレベルが一定にはならなかった。

本発明の目的は、このような問題に鑑み、音声信号のノイズレベルを抑えて聴感を改善すると共に音声信号を聴感特性に合わせるようにした聴感改善回路の提供にある。

上記課題を解決するために、本発明の第１の技術手段は、入力音声信号の周波数特性を所定の聴感特性に成形して出力するイコライザー回路と、前記イコライザー回路からの音声信号の隣接するサンプリング点の信号のレベル差より主成分信号の位相差、振幅値、周波数を求め、それにより主成分信号付近の周波数を中心としたフィルター処理を行ってノイズ成分を除去し、主成分信号を出力するとともにＳ／Ｎ比を求める瞬時周波数分析回路と、前記聴感特性を備えた聴感補正フィルターと、前記瞬時周波数分析回路の出力信号と前記聴感補正フィルターの出力信号との誤差を求め前記イコライザー回路の前記聴感特性を補正するイコライザー制御回路とを備えたことを特徴としたものである。

第２の技術手段は、第１の技術手段において、前記ノイズ成分の除去を、前記イコライザー回路からの音声信号をヒルベルト変換により複素信号に変換し、該複素信号の複素平均化処理を行うことにより前記音声信号から前記周波数と振幅が絶えず変化する調波成分を取り除くフィルター処理としたことを特徴としたものである。

第３の技術手段は、第１の技術手段または第２の技術手段において、前記瞬時周波数分析回路のＳ／Ｎ比に基づいて前記入力音声信号と前記イコライザー回路の出力信号と前記瞬時周波数分析回路の出力信号のうちのいずれかの信号を選択する音声切替スイッチを備えたことを特徴としたものである。

本発明の聴感改善回路は、音声信号については聴感補正フィルターを通した信号に補正することができ、ノイズとなる調波成分については複素平均化処理により取り除くことができ、デジタル放送における音声信号を、臨場感溢れるオーディオ効果よりも、ニュースのような聞き取りやすさを優先する番組の視聴において、聞き取り易い音声スペクトラムに変換したり、バックグラウンドノイズを低減して音声内容を確実に聞き取れるようにできる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳細に説明する。
図１に、本考案の聴感改善回路をデジタル放送受信機に用いた場合について説明する。
デジタル放送受信機１は、アンテナから受信した受信信号をチューナ（選局）２を介して復調部３で復調し、この復調した信号を分離部（ＤＭＵＸ）４で映像信号と音声信号に分離し、映像信号を映像信号デコード部５で出力用の映像信号にデコードして出力し、音声信号を音声信号デコード部６で音声信号にデコードした後、聴感改善回路７において後記するノイズ低減のフィルター処理を行って音声出力として出力する。

この聴感改善回路７を図２に基づいて詳細に説明する。
音声信号は、常に時間と共に変化しており、複素平面で表すと図６に示すように、実数部と虚数部に分けることができる。この音声信号には主成分信号の基本周波数成分とノイズ成分である調波成分が存在する。基本周波数成分は瞬時の周波数も瞬時の振幅も安定（略一定）であるが、調波成分は瞬時周波数、瞬時振幅ともに不安定（変動）である。

本発明では、この調波成分が瞬時周波数、瞬時振幅ともに不安定である性質を用いて、信号を重ね合わせることにより、ノイズ成分である調波成分を打ち消しＳ／Ｎ比の改善を行う。そのためには、時間と共に変動する瞬時周波数、瞬時振幅の検出を素早く行う必要がある。

聴感改善回路７では、入力として、音声信号デコード部６からの信号を受ける。また、聴感改善回路７の出力は音声切替スイッチ４９により切り替えて出力する。音声切替スイッチ４９は、最も状態のよい音声信号を３種類の信号の中から条件に応じて切り替えるようになっている。

１つ目は音声信号デコード部６の出力信号をそのまま使うように音声切替スイッチ４９の端子Ａに直接接続している。音声切替スイッチ４９の端子Ａに入力される信号は、音響効果が優れた映画やオーケストラなどの音声を視聴する際に聴感改善回路７をバイパスさせるためのものである。

２つ目は、イコライザー回路４１の出力信号を音声切替スイッチ４９の端子Ｂに出力する。これは、イコライザー回路４１の出力信号がＳ／Ｎ比が良好の場合、このイコライザー回路４１の出力信号を音声切替スイッチ４９の端子Ｂに出力する。

３つ目は、瞬時周波数分析回路４４の出力信号ｙ［ｋ］を音声切替スイッチ４９の端子Ｃに出力している。これは、イコライザー回路４１の出力信号からノイズとなる調波成分を除去した音声信号の主成分信号を音声切替スイッチ４９の端子Ｃに出力する。

この聴感改善回路７の基準特性を構成する聴感補正フィルター４２は、例えば図４に示すような規格として定められた周波数特性（ＪＩＳ−Ａ特性）を持つフィルターである。この聴感補正フィルター４２のフィルター特性は人間の耳の聴感に合わせてある。人間の聴感は、低い周波数の音声信号は聞き取りにくく、また、５ｋＨｚ以上の高い周波数の音声信号に対しても聞き取りにくいが、それらの周波数の間の２ｋＨｚから４ｋＨｚ位の周波数の信号が最も聞き取り易い。例えば、図４の周波数特性は、２ｋＨｚ−４ｋＨｚ間を＋１〜２ｄＢ程度のピークとし、低域側は３０Ｈｚで−３７ｄＢ、高域側は１６ｋＨｚ程度で−７ｄＢ低下する特性である。この聴感補正フィルター４２の出力信号は、イコライザー制御回路４５に基準信号として入力される。

次に、イコライザー回路４１は、音声信号デコード部６より入力した信号の周波数特性の調整を行っている。このイコライザー回路４１は、図５に示すような周波数特性を持つバンドパスフィルターが、中心周波数を変えて図３に示すように並列に複数接続配置されたものである。そのバンドパスフィルターの周波数特性は、例えば図５に示すように、センター周波数が１ｋＨｚの例で、略８００Ｈｚ−１３００Ｈｚ間を０ｄＢのピークとし、低域側は略４３０Ｈｚで−４０ｄＢ、高域側は２１００Ｈｚで−４０ｄＢ低下する特性となっている。

イコライザー回路４１は、センター周波数（ｆｃ）が１ｋＨｚ、カットオフ周波数がそれぞれ７０７Ｈｚ、１４１４Ｈｚの２次のバターワースフィルターである。図３のバンドパスフィルター５０〜５９の特性はセンター周波数（ｆｃ）として、それぞれ３１．５Ｈｚ、６３Ｈｚ、１２５Ｈｚ、２５０Ｈｚ、５００Ｈｚ、１ｋＨｚ、２ｋＨｚ、４ｋＨｚ、８ｋＨｚ、１６ｋＨｚのものを備えているが、いずれも、カットオフ周波数はセンター周波数との比で定めており、特性はいずれも２次のバターワースフィルターのものを用いている。

イコライザー回路４１は、図３に示すように、中心周波数を変えたバンドパスフィルターＢＰＦ５０〜５９をアンプ６０〜６９を介して増幅した後、調節可能なレベル調整回路７０〜７９によって出力信号レベルを変えてそれぞれ個別に加算回路８０へ入力するように構成している。イコライザー回路４１は、直列接続したＢＰＦとアンプとレベル調整回路により１セットを構成し、各周波数毎にレベル調整して出力音声信号を聴感特性に合うようにする。加算回路８０の出力は瞬時周波数分析回路４４などへ出力される。

瞬時周波数分析回路４４では、図７に示すフローチャートに基づき信号処理を行う。
以下、ステップＳｎは「Ｓｎ」と表記する。但し、「ｎ」は任意の正の整数を意味する。

まず、入力データの平均化（ＬＰＦ，ローパスフィルター）のステップ（Ｓ１）で、入力音声信号から可聴領域より高い周波数帯域の信号を取り除き、入力信号を平均化する（ステップＳ１）。
この時のフィルターの特性は、主成分信号のレベルを下げないように、また、処理に時間がかかり過ぎて瞬時周波数、瞬時振幅を取り出すことができなくならないよう、少ないタップ数で、効率良く音声帯域外の信号を取り除く必要がある。そのため、周波数の算出のステップ（Ｓ７）で求めた主成分信号の周波数情報を、フィードバックして主成分信号付近の周波数を中心に平均化を含めた信号処理を行う。

次に、複素信号処理を行うため、Ｓ１で可聴周波数より高い周波数領域のノイズ成分を取り除いた信号にヒルベルト変換（ヒルベルト変換−１）を行う（Ｓ２）。
このヒルベルト変換で、信号の遅れを生じないようにすぐに処理するため複素信号に変換し、位相が進んだ信号成分を取り出す。
これにより、図８に示すような位相が９０度ずれた２つの信号（Ｉ１：同相成分、Ｑ１：直交成分）が得られる。また、このヒルベルト変換は、一種のバンドパスフィルターであるから周波数の高域だけでなく、かなり低い、音声信号というよりも信号のレベル変動のような成分も取り除かれる。

この場合、１回のヒルベルト変換だけでは、ノイズ成分が残っているという場合には、任意の回数、例えば、さらに、もう一度ヒルベルト変換（ヒルベルト変換−２）を行う（Ｓ３）。これにより、図９（Ａ）に示すようにＳ２の同相成分Ｉ１より、さらにその同相成分Ｉ１１と直交成分Ｑ１２が生成され、Ｓ２の直交成分Ｑ１より図９（Ｂ）に示すように、その同相成分Ｑ２１と直交成分Ｉ２２が生成される。
直交成分Ｑ１は位相が９０度進むため同相成分Ｉ１から位相が９０度進んだＱ２１と直交成分Ｑ１２と同相となり、直交成分Ｑ１から位相がさらに９０度進んだＩ２２とＩ１１とは負の同相成分となる。
この処理により、それぞれの同相成分と直交成分が加算される。これにより、同相成分Ｉ１１と直交成分Ｉ２２は位相が１８０度反転するので、加算により打ち消される。また、直交成分Ｑ１２と同相成分Ｑ２１とは、位相が同じになる。

このような演算を、ノイズの影響を取り除くために数サンプリングクロック分行い平均化する（Ｓ４）。但し、同相成分と直交成分との間では、位相差が生じている。そのため、同相成分、直交成分の加算では、各成分のサンプリングポイントのずれた信号で信号処理を行うことにより位相補正を行い、その後、加算を行う必要がある。

基本的には、音声信号の隣接するサンプリング点のレベル差より主成分信号の位相差（Ｓ６）、振幅値、周波数（Ｓ７）を求め、それにより主成分信号付近の周波数を中心としたフィルター処理（Ｓ１）を行うことにより、ノイズ成分を除去し、主成分信号のみを
出力することができる。また、ノイズレベルを算出し（Ｓ８）、その主成分信号とノイズレベルの比（Ｓ１０）によって出力信号を切り替える。

平均化された信号はイコライザー制御回路４５と音声切替スイッチ４９にも出力する。
この瞬時周波数分析回路４４への信号は、ほとんど、主成分信号であるので、音声信号デコード部６の出力信号にノイズが多い場合は、この信号を音声切替スイッチ４９を通して音声信号デコード部６の代わりの音声出力として出力する。

さらに、瞬時周波数分析回路４４では同相成分と直交成分が平均化された複素信号の
実数部と虚数部を算出する（Ｓ５）。この算出された複素信号のレベル（振幅の値）を
Ｓ／Ｎ比を算出する場合の信号レベル（Ｓ）とする。
その後、その算出された複素信号の実数部のレベルと虚数部のレベルより位相角を算出する（Ｓ６）。

このように、位相角が求まるので、隣接するサンプリングポイントの信号の位相角の差から位相差を求め、それにより主成分信号の周波数を求める（Ｓ７）ことができる。
この周波数の情報は平均化してＳ１へフィードバックして、主成分信号を取得するためにＬＰＦ（ローパスフィルター、Ｓ１）の周波数特性を調整する。

また、瞬時周波数分析回路４４に入力された信号は、入力信号の平均化ステップ（Ｓ１）のほか、主成分信号との差分検出ステップ（Ｓ８）にも入力される。また、同相成分、直交成分の平均化ステップ（Ｓ４）で生成された主成分信号と比較され、差分検出が行われる。

さらに、この差分信号は数サンプリング毎に最小値と最大値が検出される（Ｓ９）。これにより、主成分信号に載っている高周波成分のノイズレベル（調波成分）を検出することができる。

さらに、実数部、虚数部の算出ステップ（Ｓ５）で求められた主信号の算出結果を平均と比較してＳ／Ｎ比を算出する（Ｓ１０）。

このＳ／Ｎ比のデータは、音声切替スイッチ４９に出力されてＳ／Ｎ比がある程度ある場合には主信号成分と明確に判別することができるのでイコライザー回路４１からの音声信号を音声切替スイッチ４９が選定し、Ｓ／Ｎ比が小さい場合は主信号成分と調波成分を明確に判別することができないので、瞬時周波数分析回路４４からの音声信号を音声切替スイッチ４９が選定する切替制御に用いられる。

上記瞬時周波数分析回路４４におけるＳ４の処理が済んだ段階で、同相成分、直交成分の平均化処理（Ｓ４）の出力信号は、イコライザー制御回路４５にも入力される。
イコライザー制御回路４５では、この入力信号と、聴感補正フィルター回路４２からの信号とが比較され、その誤差信号が検出され、ＬＭＳ(Least Mean Square)法により図３の各レベル調整回路７０〜７９の出力レベルを決定する。

すなわち、瞬時周波数分析回路４４の出力信号をｙ［ｋ］とし、イコライザー回路４１の入力をｘ［ｋ］、レベル調整回路７０〜７９の係数をａｍ（ａ０〜ａ９）とすると
ｙ［ｋ］＝Σａｍ・ｘ［ｋ−ｍ］
となる。これをＬＭＳ法で係数ａｍを求める。聴感補正フィルター４２の出力をｄ［ｋ］とすると、イコライザー制御回路４５の出力のエラー信号ｅ［ｋ］は
ｅ［ｋ］＝ｙ［ｋ］−ｄ［ｋ］
となる。これにより、ある時刻ｋ＋１におけるｍ番目のレベル調整回路（７０〜７９のいずれか）の係数ａｍは、ステップサイズをαとしてある一定の値とすると
ａｍ［ｋ＋１］＝ａｍ［ｋ］−２α・ｅ［ｋ］・ｘ［ｋ−ｍ］
として求めることが出来る。

このようにして、レベルを調整することにより、強調する周波数帯域や減衰させる周波数帯域を選定している。そして、加算回路８０でそれぞれの周波数成分の信号を合成する。

イコライザー回路４１は入力信号の周波数成分がフラットな場合、イコライザー回路４１の出力が、およそ

となる。

イコライザー制御回路４５は、入力された信号ｙ［ｋ］とｄ［ｋ］の差に応じた誤差信号ｅ［ｋ］をイコライザー回路４１へフィードバックし各レベル調整回路の出力レベルをそれぞれ決定する。

以上の要素により構成された聴感改善回路は、入力される音声信号は、その聴感特性が良好なオーケストラの演奏音声のような場合には、そのまま音声切替スイッチ４９の端子Ａに入力される。

また、入力される音声信号は、イコライザー回路４１でレベル調整され、音声切替スイッチ４９の端子Ｂに入力される。

また、音声信号の複素成分の平均化処理により調波成分を除去した信号は、ほとんど、主成分信号であるので、音声信号デコード部６の出力信号にノイズが多い場合は、この信号を音声切替スイッチ４９を通して音声信号デコード部６の代わりの音声出力として出力する。

本発明はこのように構成されているので、音声信号のスペクトラムを、人間の聞きやすい周波数帯域に変換したり、音声信号の主成分信号を検出して出力することができるようになる。

また、本発明では、音声信号のスペクトラムに対しては聴感補正フィルターを通した信号との差分を取り、常に聴感の良いようにスペクトラムを補正すると共に、周波数と振幅が絶えず変化する調波成分には、ヒルベルト変換を行うことにより複素信号に変換し、複素平均を行うことにより取り除き、さらに、主成分信号のレベルと調波成分信号のレベルを検出して、イコライザー出力と主成分信号出力とを切り替えることにより、聴感特性を改善することができるようになる。

また、ヒルベルト変換器は、振幅特性は周波数によらず一定で、位相特性は正の周波数領域では位相がπ／２遅れ、負の周波数領域では位相がπ／２進むようなフィルターであるので、このフィルターを用いて、周波数と振幅が絶えず変化する調波成分をヒルベルト変換した複素信号の複素平均を行うことにより、取り除くことができる。

さらに、主成分信号のレベルと調波成分信号のレベルを検出して、イコライザー出力と主成分信号出力とを切り替える。
以上の解決手段を有効に組み合わせて用いて、目的を達成する。

本発明のデコーダ回路の簡略図である。 本発明の聴感改善回路のブロック図である。 本発明のイコライザー回路のブロック図である。 本発明の聴感補正フィルターの周波数特性である。 本発明のバンドパスフィルターの周波数特性例である。 複素平面上における主成分信号と調波成分との位相関係を示した模式図である。 本発明の瞬時周波数分析回路における信号処理のフローチャートである。 本発明の場合のヒルベルト変換による複素信号化の模式図である。 本発明の場合のヒルベルト変換を２度行うことによる信号の位相関係の模式図である。

符号の説明

７…聴感改善回路、４１…イコライザー回路、４２…聴感補正フィルター、４４…瞬時周波数分析回路、４５…イコライザー制御回路、５０〜５９…ＢＰＦ（ｆｃが異なる）、６０〜６９…アンプ、７０〜７９…レベル調整回路、８０…加算回路。

Claims (3)

1. 入力音声信号の周波数特性を所定の聴感特性に成形して出力するイコライザー回路と、前記イコライザー回路からの音声信号の隣接するサンプリング点の信号のレベル差より主成分信号の位相差、振幅値、周波数を求め、それにより主成分信号付近の周波数を中心としたフィルター処理を行ってノイズ成分を除去し、主成分信号を出力するとともにＳ／Ｎ比を求める瞬時周波数分析回路と、前記聴感特性を備えた聴感補正フィルターと、前記瞬時周波数分析回路の出力信号と前記聴感補正フィルターの出力信号の誤差を求め前記イコライザー回路の前記聴感特性を補正するイコライザー制御回路とを備えたことを特徴とする聴感改善回路。
2. 前記ノイズ成分の除去を、前記イコライザー回路からの音声信号をヒルベルト変換により複素信号に変換し、該複素信号の複素平均化処理を行うことにより前記音声信号から前記周波数と振幅が絶えず変化する調波成分を取り除くフィルター処理としたことを特徴とする請求項１記載の聴感改善回路。
3. 前記瞬時周波数分析回路のＳ／Ｎ比に基づいて前記入力音声信号と前記イコライザー回路の出力信号と前記瞬時周波数分析回路の出力信号のうちのいずれかの信号を選択する音声切替スイッチを備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の聴感改善回路。

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