JP2009124460A - Frequency converter - Google Patents

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    • G10L21/02Speech enhancement, e.g. noise reduction or echo cancellation
    • G10L21/038Speech enhancement, e.g. noise reduction or echo cancellation using band spreading techniques

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To apply an arbitrary frequency change to an arbitrary frequency component in an acoustic signal by a simple process using an FIR filter, and further to achieve an operation of an amplitude frequency characteristic and an operation of a frequency at the same time. <P>SOLUTION: A signal processing part 2 for processing a digital signal from an AD converting part 1 has a filter part 4 and a memory part 5 for storing filter coefficient data. An FIR filter 40 and an FIR filter 41 included in the filter part 4 update a filter coefficient by data supplied from the memory part 5 during one sampling cycle. An amplitude of each frequency component of the respective FIR filters fluctuates independently with time. A cycle of an amplitude fluctuation is common to the FIR filter 40 and the FIR filter 41, but a phase is different at 90 degrees. The filter part 4 outputs the difference or total of output signals of the two FIR filters. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、録音再生機器、カラオケ装置、電子楽器などにおいて、信号に任意の周波数変換を施す技術であるとともに、拡声装置や補聴器におけるハウリング低減方法として用いられる周波数変換技術としても利用でき、話速変換装置の一部としても利用できる信号処理技術である。   The present invention is a technique for performing arbitrary frequency conversion on a signal in a recording / playback device, a karaoke apparatus, an electronic musical instrument, etc., and can also be used as a frequency conversion technique used as a howling reduction method in a loudspeaker or a hearing aid. It is a signal processing technique that can also be used as part of a conversion device.

音声信号を扱う分野では、音声のピッチを変換することが広く行われている。ピッチ変換は周波数変換の一形態である。例えばカラオケ装置などでは、生演奏や歌声の音程すなわちピッチを制御する信号処理技術が普及している。音声信号のピッチは、信号の再生速度を変えることで操作できるが、再生速度を変えれば再生に要する時間長も変化してしまう。このため、音声波形を時間軸方向に伸縮した上で、データを間引く(削除する)、あるいは補間(挿入)することにより時間長を変えることなくピッチを変換する方法(特許文献1)や、音声波形の周期的な部分から周期波形を切り出してこれを伸縮し、必要な回数だけ繰り返し再合成する方法(特許文献2)が広く知られている。   In the field of handling audio signals, converting the pitch of audio is widely performed. Pitch conversion is a form of frequency conversion. For example, in a karaoke apparatus or the like, a signal processing technique for controlling a pitch of live performance or singing voice, that is, a pitch, is widespread. The pitch of the audio signal can be manipulated by changing the reproduction speed of the signal, but if the reproduction speed is changed, the length of time required for reproduction also changes. For this reason, a method of converting the pitch without changing the time length by thinning (deleting) or interpolating (inserting) data after expanding and contracting the voice waveform in the time axis direction (Patent Document 1), A method (Patent Document 2) is widely known in which a periodic waveform is cut out from a periodic portion of the waveform, expanded and contracted, and repeatedly recombined as many times as necessary.

しかし、もともと備わっているデータを削除したり、存在していないデータを挿入したりすると本来のデータとの誤差が生じる。特に信号の周波数が高い場合、間引きや補間による誤差が大きくなる。周期成分を切り出して再合成する方法では、連結部分に不連続点ができ、再生信号にノイズが加わってしまう。
これらの欠点を補うには優れた信号補間技術を用いるか、連結しようとする2つの波形の位相をそろえてからクロスフェードさせる技術(特許文献3,4)のように複雑な信号処理が求められる。
However, if data that is originally provided is deleted or data that does not exist is inserted, an error from the original data occurs. In particular, when the signal frequency is high, errors due to thinning and interpolation become large. In the method of extracting and re-synthesizing periodic components, discontinuous points are formed in the connected portions, and noise is added to the reproduction signal.
In order to compensate for these drawbacks, a complicated signal processing such as a technique of using a superior signal interpolation technique or cross-fading after aligning the phases of two waveforms to be connected (Patent Documents 3 and 4) is required. .

時間波形上の誤差や不連続をともなわない手法としては、FFTなどの周波数分析を行い、周波数軸上でスケーリング操作を行ったのち逆変換にて時間波形に戻すもの(特許文献5,6,7)があるが時間軸から周波数軸への変換と周波数軸から時間軸への変換を要するため、信号処理に伴う遅延が比較的大きくなってしまう。
カラオケ装置のピッチ変換以外にも音声信号の周波数変換は、拡声装置や補聴器のハウリング低減方法にも利用できる(特許文献9,10)。
As a method not involving an error or discontinuity in the time waveform, a frequency analysis such as FFT is performed, and after scaling operation is performed on the frequency axis, the time waveform is restored by inverse transformation (Patent Documents 5, 6, and 7). However, since the conversion from the time axis to the frequency axis and the conversion from the frequency axis to the time axis are required, the delay associated with the signal processing becomes relatively large.
In addition to the pitch conversion of the karaoke device, the frequency conversion of the audio signal can be used for a howling reduction method of a loudspeaker or a hearing aid (Patent Documents 9 and 10).

一方、無線通信の分野では、搬送波の周波数変換方法としてヒルベルト変換あるいはSSB(シングルサイドバンド)変調がしばしば用いられている(特許文献10,11)。これは信号を実部I(t)(In−phase成分)と、これと位相が90度異なる虚部Q(t)(Quadrature成分)に分け、I(t)、Q(t)にそれぞれcos(ωt)、sin(ωt)による振幅変調を施し、実部I(t)からQ(t)を減算するもので、入力信号に周波数Δf(Hz)=ω/2πに相当する周波数変化を与えることができる(非特許文献1)。
この手法は振幅変調によって信号周波数の両サイドに生じる側帯波のうち、低域側か高域側のどちらか片方だけを残すことからシングルサイドバンド変調あるいは片側変調と呼ばれるものであり、実部と虚部をそれぞれ処理する2つのFIRフィルタと振幅変調のみで実現できる。無線通信以外に光周波数変換方法としても利用が試みられている(特許文献12,13)。
しかし、一般的なヒルベルト変換による周波数変換は、入力信号のすべての周波数成分を周波数軸上で一律の周波数幅だけ移動させるものであり、周波数成分を一定の比率でシフトさせる音声のピッチ変換とは異なる。
On the other hand, in the field of wireless communication, Hilbert transform or SSB (single sideband) modulation is often used as a carrier frequency conversion method (Patent Documents 10 and 11). This divides the signal into a real part I (t) (In-phase component) and an imaginary part Q (t) (Quadrature component) that is 90 degrees out of phase with the real part I (t) and Q (t). Amplitude modulation by (ωt) and sin (ωt) is performed, and Q (t) is subtracted from the real part I (t), and a frequency change corresponding to the frequency Δf (Hz) = ω / 2π is given to the input signal. (Non-Patent Document 1).
This method is called single-sideband modulation or single-sided modulation because it leaves only one of the sidebands generated on both sides of the signal frequency due to amplitude modulation. This can be realized by only two FIR filters for processing the imaginary part and amplitude modulation. In addition to wireless communication, attempts have been made to use it as an optical frequency conversion method (Patent Documents 12 and 13).
However, frequency conversion by general Hilbert transform is to move all frequency components of the input signal by a uniform frequency width on the frequency axis, and what is pitch conversion of sound that shifts frequency components at a constant ratio? Different.

ヒルベルト変換は、音声等の瞬時周波数やエンベロープを抽出するためにも用いられている(特許文献14,15,16)。ヒルベルト変換を用いて音声のピッチを変化させる手法としては、特許文献17があるが、これはフィルタバンクで帯域分割し、帯域ごとに搬送波の周波数を変える手法であり、帯域数を増やすのにともない演算量が多くなってしまう。ヒルベルト変換により信号の絶対値(振幅情報)と位相情報を分離して位相だけを操作する手法が提案されている(特許文献18,19)が、サンプルごとに角速度を抽出するなど複雑な処理を要するものである。   The Hilbert transform is also used to extract instantaneous frequencies such as speech and envelopes (Patent Documents 14, 15, and 16). As a technique for changing the pitch of the sound using the Hilbert transform, there is Patent Document 17, but this is a technique of dividing the band by a filter bank and changing the frequency of the carrier wave for each band, and as the number of bands is increased The amount of calculation increases. A method of manipulating only the phase by separating the absolute value (amplitude information) and phase information of the signal by Hilbert transform has been proposed (Patent Documents 18 and 19), but complicated processing such as extracting the angular velocity for each sample is proposed. It is necessary.

また、音声や音楽を扱う際には、振幅周波数特性の操作、いわゆるイコライジングが頻繁に行われる。信号の再生速度を操作するピッチ変換器の場合、イコライジングを行うためには、ピッチ変換器とは別に振幅周波数特性を操作するイコライザーが必要になる。
特開平9-212193号公報 特開平9-258777号公報 特開2002-169556号公報 特開平5-297891号公報 特開平11-133996号公報 特開2006-64799号公報 特開平9-185392号公報 特開2007-258985号公報 特開昭60-28399号公報 特開平8-97751号公報 特開2007-67851号公報 特開2007-11125号公報 特開2004-85602号公報 特開2006-261787号公報 特開2000-181472号公報 特開平5-316597号公報 特開2003-330500号公報 特開平9-50293号公報 特開昭62-159196号公報 三上直樹,“はじめて学ぶディジタル・フィルタと高速フーリエ変換,”CQ出版社,2005
Further, when handling voice or music, manipulation of amplitude frequency characteristics, so-called equalization, is frequently performed. In the case of a pitch converter that operates the signal reproduction speed, an equalizer that operates the amplitude frequency characteristic is required in addition to the pitch converter in order to perform equalization.
Japanese Patent Laid-Open No. 9-212193 Japanese Patent Laid-Open No. 9-258777 Japanese Patent Laid-Open No. 2002-169556 Japanese Patent Laid-Open No. 5-97891 Japanese Patent Laid-Open No. 11-133996 JP 2006-64799 A JP-A-9-185392 JP 2007-258985 A JP-A-60-28399 JP-A-8-97751 JP 2007-67851 A JP 2007-11125 A JP 2004-85602 JP JP 2006-261787 A JP 2000-181472 A JP-A-5-316597 JP 2003-330500 A Japanese Patent Laid-Open No. 9-50293 JP 62-159196 A Naoki Mikami, “First time learning digital filters and fast Fourier transform,” CQ Publishing, 2005

上述のとおり、音質劣化が少ない音声のピッチ変換器を実現するには複雑な信号処理が求められるか周波数分析にともなう遅延が避けられない。また、ヒルベルト変換を音声等のピッチ変換に用いる手法では、帯域分割やピッチ情報の抽出をともなう複雑な処理が要求される。
本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、2つのFIRフィルタだけで任意の周波数成分に任意量の周波数変換を施すことのできる周波数変換器及びピッチ変換器を提供することである。さらに、FIRフィルタを用いることにより、周波数の操作と同時に振幅周波数特性の操作(イコライジング)も行える周波数変換器を提供することである。
As described above, in order to realize an audio pitch converter with little deterioration in sound quality, complicated signal processing is required, or delay due to frequency analysis is inevitable. Further, in the method using Hilbert transform for pitch conversion of speech or the like, complicated processing with band division and extraction of pitch information is required.
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a frequency converter and a pitch converter that can perform an arbitrary amount of frequency conversion on an arbitrary frequency component using only two FIR filters. Another object of the present invention is to provide a frequency converter that can perform an amplitude frequency characteristic operation (equalizing) simultaneously with a frequency operation by using an FIR filter.

本発明の周波数変換器は、デジタル入力信号を処理する信号処理部を有して、該デジタル入力信号の周波数成分に周波数変化を与える周波数変換を施して出力する。前記信号処理部は、フィルタ部と該フィルタ部に供給するフィルタ係数データ供給部を有し、前記フィルタ部は、互いに位相が90度異なった共通の周波数成分から構成される実部用FIRフィルタ及び虚部用FIRフィルタを有する。前記実部用FIRフィルタ及び虚部用FIRフィルタは、時変フィルタであり、1サンプリング周期中にフィルタ係数が前記フィルタ係数データ供給部から供給されるデータで更新され、かつ、更新されることにより、それぞれのFIRフィルタを構成する各周波数成分の振幅が時間とともに独立に変動し、この振幅変動の周期は前記実部用FIRフィルタ及び虚部用FIRフィルタに共通だが、位相が90度異なっている。前記フィルタ部は、前記実部用FIRフィルタ及び虚部用FIRフィルタの出力信号の差あるいは和を出力する。   The frequency converter of the present invention includes a signal processing unit that processes a digital input signal, performs frequency conversion that gives a frequency change to the frequency component of the digital input signal, and outputs the result. The signal processing unit includes a filter unit and a filter coefficient data supply unit to be supplied to the filter unit. An imaginary part FIR filter is included. The real part FIR filter and the imaginary part FIR filter are time-varying filters, and the filter coefficient is updated with data supplied from the filter coefficient data supply unit during one sampling period, and is updated. The amplitude of each frequency component constituting each FIR filter varies independently with time, and the period of this amplitude variation is common to the real part FIR filter and the imaginary part FIR filter, but the phase is 90 degrees different. . The filter unit outputs a difference or sum of output signals of the real part FIR filter and the imaginary part FIR filter.

また、時系列のアナログ音響信号をデジタル信号に変換するAD変換部を有して、該変換されたデジタル信号を前記信号処理部に入力し、かつ、前記フィルタ部から出力されるデジタル信号を時系列のアナログ音響信号に変換するDA変換部を備える。前記実部用FIRフィルタ及び虚部用FIRフィルタを構成する各周波数成分の振幅変動の周期が任意に制御可能に構成する。   In addition, an AD conversion unit that converts a time-series analog sound signal into a digital signal is input, the converted digital signal is input to the signal processing unit, and the digital signal output from the filter unit is A DA conversion unit for converting into a series of analog acoustic signals is provided. The period of amplitude fluctuation of each frequency component constituting the real part FIR filter and the imaginary part FIR filter is configured to be arbitrarily controllable.

また、前記実部用FIRフィルタ及び虚部用FIRフィルタの特性は、各周波数成分の振幅変動のタイミングが異なる少なくとも2種類のフィルタ特性をスムーズにクロスフェードさせた特性となる。前記実部用FIRフィルタ及び虚部用FIRフィルタの振幅周波数特性を任意に制御可能にして、その結果、前記フィルタ部がローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタ、櫛型フィルタなどとして使用できる。前記フィルタ係数データ供給部は、記憶したフィルタ係数データを供給するメモリー部、或いはフィルタ係数を逐次算出するフィルタ係数演算部によって構成される。
また、本発明の周波数変換器は、入力信号の振幅スペクトルが周波数軸上で伸縮される変換が行われる音声のピッチ変換器、或いはピッチを変えることなく再生速度を変える話速変換器として用いることができる。
Further, the characteristics of the real part FIR filter and the imaginary part FIR filter are characteristics in which at least two types of filter characteristics having different timings of amplitude fluctuation of the respective frequency components are smoothly cross-faded. The amplitude frequency characteristics of the real part FIR filter and the imaginary part FIR filter can be arbitrarily controlled. As a result, the filter part can be used as a low pass filter, a high pass filter, a band pass filter, a comb filter, or the like. The filter coefficient data supply unit includes a memory unit that supplies stored filter coefficient data, or a filter coefficient calculation unit that sequentially calculates filter coefficients.
In addition, the frequency converter of the present invention is used as a voice pitch converter in which the amplitude spectrum of the input signal is expanded or contracted on the frequency axis, or a speech speed converter that changes the reproduction speed without changing the pitch. Can do.

本発明により、入力信号を2つのFIRフィルタにとおし、2つのFIRフィルタの出力信号の差あるいは和を求めるだけの簡単な信号処理により、入力信号の任意の周波数成分に任意量の周波数変化を与える周波数変換器が得られる。また、周波数変化幅を周波数に対して一定の比率にすれば入力信号に任意のピッチ変化を与えるピッチ変換器が得られる。   According to the present invention, an input signal is passed through two FIR filters, and an arbitrary amount of frequency change is given to an arbitrary frequency component of the input signal by simple signal processing that simply obtains the difference or sum of the output signals of the two FIR filters. A frequency converter is obtained. Further, if the frequency change width is set to a constant ratio with respect to the frequency, a pitch converter that gives an arbitrary pitch change to the input signal can be obtained.

本発明の実施形態について図1乃至図12を用いて説明する。図1は、本発明によるピッチ変換器の構成図である。入力される音響信号は、AD変換部1にてデジタル化され信号処理部2へ送られる。信号処理部2にはフィルタ部4とメモリー部5が含まれる。信号処理部2にて周波数変換された信号がDA変換部3にてアナログ信号に変換される。補聴器や拡声器へ実装するのであれば、マイクロホンなどからの信号がAD変換部1に入力され、DA変換部3からの出力信号がスピーカや受話器などのトランスデューサに送られる。また、もともとデジタル化され、各種メディア等に記録されているデータに周波数変換を施すのであれば、AD変換部1を介さず、デジタル信号をそのまま信号処理部2に入力すればよい。   An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a block diagram of a pitch converter according to the present invention. The input acoustic signal is digitized by the AD conversion unit 1 and sent to the signal processing unit 2. The signal processing unit 2 includes a filter unit 4 and a memory unit 5. The signal frequency-converted by the signal processing unit 2 is converted to an analog signal by the DA conversion unit 3. When mounted on a hearing aid or a loudspeaker, a signal from a microphone or the like is input to the AD conversion unit 1, and an output signal from the DA conversion unit 3 is sent to a transducer such as a speaker or a receiver. Further, if frequency conversion is performed on data that is originally digitized and recorded on various media or the like, the digital signal may be directly input to the signal processing unit 2 without going through the AD conversion unit 1.

図2は、本発明における信号処理部2の構成を示す図である。信号処理部は、フィルタ部4とメモリー部5から構成される。フィルタ部4には、実部用FIR(Finite Impulse Response)フィルタ40と虚部用FIRフィルタ41が含まれる。FIRフィルタ40及びFIRフィルタ41のフィルタ係数がメモリー部から順次読み込まれることによってフィルタ特性が時間とともに変化する。   FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the signal processing unit 2 in the present invention. The signal processing unit includes a filter unit 4 and a memory unit 5. The filter unit 4 includes a real part FIR (Finite Impulse Response) filter 40 and an imaginary part FIR filter 41. As filter coefficients of the FIR filter 40 and the FIR filter 41 are sequentially read from the memory unit, the filter characteristics change with time.

FIRフィルタ40とFIRフィルタ41は、位相が90度異なった共通の周波数成分から構成される時変フィルタであり、1サンプリング周期中にフィルタ係数がメモリー部5から供給されるデータで更新される。更新されることにより、それぞれのFIRフィルタを構成する各周波数成分の振幅が時間とともに独立に変動する。この振幅変動の周期はFIRフィルタ40とFIRフィルタ41に共通だが、位相が90度異なっている。このフィルタ部4がFIRフィルタ40とFIRフィルタ41の出力信号の差あるいは和を出力する。   The FIR filter 40 and the FIR filter 41 are time-varying filters composed of common frequency components whose phases are different by 90 degrees, and the filter coefficients are updated with data supplied from the memory unit 5 during one sampling period. By being updated, the amplitude of each frequency component constituting each FIR filter varies independently with time. This period of amplitude fluctuation is common to the FIR filter 40 and the FIR filter 41, but the phase is 90 degrees different. The filter unit 4 outputs a difference or sum of output signals from the FIR filter 40 and the FIR filter 41.

図3は、ヒルベルト変換を用いた一般的な周波数変換器の構成図である。ヒルベルト変換を用いる周波数変換では、FIRフィルタ42とFIRフィルタ43に共通の信号が入力される。2つのFIRフィルタの振幅周波数特性は共通だが、位相はすべての周波数において90度異なっている。発信器7は位相が90度異なる2つの信号cos(ω(t))とsin(ω(t))を生成しており、FIRフィルタ42、FIRフィルタ43のそれぞれの出力信号にcos(ω(t))とsin(ω(t))による振幅変調が施される。変調された信号の差を求めると入力信号をΔf(Hz)=ω(t)/2πだけ周波数シフトした出力信号が得られる。 FIG. 3 is a configuration diagram of a general frequency converter using the Hilbert transform. In frequency conversion using the Hilbert transform, a common signal is input to the FIR filter 42 and the FIR filter 43. The amplitude frequency characteristics of the two FIR filters are common, but the phase is 90 degrees different at all frequencies. The transmitter 7 generates two signals cos (ω (t) ) and sin (ω (t) ) whose phases are different from each other by 90 degrees, and outputs cos (ω ( t) ) and amplitude modulation by sin (ω (t) ) is performed. When the difference between the modulated signals is obtained, an output signal obtained by shifting the frequency of the input signal by Δf (Hz) = ω (t) / 2π is obtained.

図3に示す一般的な周波数変換器は、入力信号のすべての周波数成分を一律にΔf(Hz)移動させる働きがある。FIRフィルタ42とFIRフィルタ43が、すべての周波数において1の利得をもつ全域通過フィルタのとき、この作用は図4に示されるとおりとなる。すなわち入力信号のすべての周波数成分は、その振幅を保ったままで周波数軸上をΔf(Hz)移動することになる。   The general frequency converter shown in FIG. 3 has a function of moving all frequency components of the input signal uniformly by Δf (Hz). When the FIR filter 42 and the FIR filter 43 are all-pass filters having a gain of 1 at all frequencies, this operation is as shown in FIG. That is, all frequency components of the input signal move on the frequency axis by Δf (Hz) while maintaining the amplitude.

これに対し図5は、音声等のピッチ変換器に求められる作用を示す図である。図5に示されるように音声等のピッチ変換では、入力信号の振幅スペクトルが周波数軸上で伸縮されるような変換が行われる。図5は、入力信号のスペクトルが周波数軸上で伸張された場合を描いたものである。このとき個々の周波数成分は一律の周波数幅だけシフトされるのではなく、周波数に応じて一定の比率で等比的に周波数変換されている。
本発明は、図3に示す周波数変換器と同等の演算量で、図5に示すようなピッチ変換作用を実現するための信号処理方法及び当該方法を用いた周波数変換器を提供するものである。
On the other hand, FIG. 5 is a figure which shows the effect | action calculated | required by pitch converters, such as an audio | voice. As shown in FIG. 5, in the pitch conversion of voice or the like, conversion is performed such that the amplitude spectrum of the input signal is expanded or contracted on the frequency axis. FIG. 5 illustrates a case where the spectrum of the input signal is expanded on the frequency axis. At this time, the individual frequency components are not shifted by a uniform frequency width, but are frequency-converted at a constant ratio according to the frequency.
The present invention provides a signal processing method for realizing a pitch conversion action as shown in FIG. 5 and a frequency converter using the method with the same amount of computation as the frequency converter shown in FIG. .

周波数変化幅が等比的なピッチ変換を実現するためのフィルタ部の処理について図6から図12を用いて説明する。本発明において周波数ごとに独立した周波数変化を実現するには、FIRフィルタを構成する各周波数成分にそれぞれ独立した振幅変調を与える必要がある。この結果、フィルタの特性は時々刻々と変動するものとなる。ピッチ変換を行うのであれば、振幅変調の周波数がフィルタを構成する成分の周波数に対して一定の比率になるよう設定する。よって、サンプリング周波数をf、フィルタを構成する周波数成分fに与える振幅変調の周波数をΔf×f(Hz)、フィルタのタップ長をnとすると、時間tにおけるFIRフィルタのi番目の係数Iは、式1にて得られる。
振幅変調の周波数をΔf×fとすることにより、周波数変化幅がfに対して一定の比率となるピッチ変換が行われる。
The processing of the filter unit for realizing pitch conversion with an equal frequency change width will be described with reference to FIGS. In order to realize an independent frequency change for each frequency in the present invention, it is necessary to give independent amplitude modulation to each frequency component constituting the FIR filter. As a result, the characteristics of the filter change from moment to moment. If pitch conversion is to be performed, the amplitude modulation frequency is set to a constant ratio with respect to the frequency of the components constituting the filter. Therefore, if the sampling frequency is f s , the amplitude modulation frequency applied to the frequency component f constituting the filter is Δf × f (Hz), and the filter tap length is n, the i-th coefficient I i of the FIR filter at time t. Is obtained by Equation 1.
By setting the frequency of amplitude modulation to Δf × f, pitch conversion is performed so that the frequency change width is a constant ratio to f.

このIを実部用のフィルタ係数とするなら、虚部用のフィルタ係数Qは、
である。
If this I i is a filter coefficient for the real part, the filter coefficient Q i for the imaginary part is
It is.

図6は、時間とともに変化するピッチ変換用FIRフィルタの周波数特性の例である。この例ではタップ長を128としたとき、時間tが0サンプルから255サンプルまで進むのに伴ってフィルタを構成する各周波数成分の振幅がどのように変化するかを示している。それぞれのグラフの横軸はフィルタを構成する周波数成分f(0から64)であり、縦軸は各成分の振幅を示している。   FIG. 6 is an example of frequency characteristics of a pitch conversion FIR filter that changes with time. In this example, when the tap length is set to 128, it is shown how the amplitude of each frequency component constituting the filter changes as the time t advances from 0 samples to 255 samples. The horizontal axis of each graph represents the frequency component f (0 to 64) constituting the filter, and the vertical axis represents the amplitude of each component.

例えば、f=64の成分は、時間tが4サンプル進むごとに1回(360度)振幅変調されているが、f=32の成分は、tが4サンプル進んでも1/2回(180度)しか振幅変調されていない。したがって、信号のサンプリング周波数が8kHzなら、f=64の成分は8000/4=2000Hz、f=32の成分はその半分の1000Hzだけ周波数がシフトされることになる。f=1の成分が1回振幅変調されるには256サンプルを要するため、f=1の成分には8000/256=31.25Hzの周波数変化が与えられる。
時間tが256に達してからは、t=0から255までの特性を繰り返し利用できる。フィルタ係数データは実部用と虚部用の2組必要なので、この例では、128個の係数データ×256セット×2のデータを蓄えられるメモリー容量が必要となる。メモリー部に蓄えられるフィルタ係数データにはあらかじめ振幅変調が施されているため、図3にみられる発信器は不要となる。
For example, the component of f = 64 is amplitude-modulated once (360 degrees) every time the time t advances by 4 samples, but the component of f = 32 is 1/2 times (180 degrees) even if t advances by 4 samples. Only amplitude modulated. Therefore, if the sampling frequency of the signal is 8 kHz, the frequency of the component of f = 64 is shifted by 8000/4 = 2000 Hz, and the frequency of the component of f = 32 is shifted by 1000 Hz, which is half of that. Since the component of f = 1 requires 256 samples to be amplitude-modulated once, the frequency change of 8000/256 = 31.25 Hz is given to the component of f = 1.
After the time t reaches 256, the characteristics from t = 0 to 255 can be used repeatedly. Since two sets of filter coefficient data are required for the real part and for the imaginary part, in this example, a memory capacity for storing 128 pieces of coefficient data × 256 sets × 2 is required. Since the filter coefficient data stored in the memory unit is amplitude-modulated in advance, the transmitter shown in FIG. 3 is not necessary.

このようにして周波数変化幅がフィルタを構成する成分の周波数に対して等比となるピッチ変換が行われる。なお、図6に示すのは1つのFIRフィルタの特性変化であり、これを実部用とするなら、これとペアで用いる虚部用のFIRフィルタの特性は、実部用で用いるフィルタとすべての周波数において90度位相が異なるものである。
しかし、インパルス応答(タップ長)が有限なFIRフィルタを用いる本手法には限界がある。波長がFIRフィルタのタップ数の整数分の1になる周波数の信号なら問題ないが、そうでない周波数の信号に対してピッチ変換を行うと信号の周波数の上下に側帯波が生じてしまう。この問題を解決するための手法について、図7から図12を用いて説明する。
In this way, pitch conversion is performed in which the frequency change width is equal to the frequency of the component constituting the filter. FIG. 6 shows the characteristic change of one FIR filter. If this is used for the real part, the characteristics of the FIR filter for the imaginary part used as a pair with this are all the same as the filter used for the real part. The phase is 90 degrees different at the frequency of.
However, this method using an FIR filter with a finite impulse response (tap length) has a limit. There is no problem if the signal has a frequency whose frequency is 1 / integer of the number of taps of the FIR filter. However, when pitch conversion is performed on a signal having a frequency other than that, sidebands are generated above and below the signal frequency. A method for solving this problem will be described with reference to FIGS.

図7−Aは、2kHzの正弦波を入力とし、式1及び式2で求めたフィルタ係数を用いて20%のピッチ変換を施した場合の処理前のスペクトル(左)と処理後のスペクトル(右)、図7−Bは、2.4kHzの正弦波を入力とし、式1及び式2で求めたフィルタ係数を用いて20%のピッチ変換を施した場合の処理前のスペクトル(左)と処理後のスペクトル(右)である。いずれもサンプリング周波数fを16kHz、FIRフィルタのタップ長nを1024とした場合の例である。20%のピッチ変換なので、Δfは、
となり、f=16000、n=1024なのでΔf=3.125Hzである。
FIG. 7-A shows a spectrum before processing (left) and a spectrum after processing when a 20% pitch conversion is performed using the filter coefficients obtained by Formula 1 and Formula 2 with a 2 kHz sine wave as input (Figure 7-A). (Right), FIG. 7-B shows a spectrum (left) before processing when a 20% pitch conversion is performed using a filter coefficient obtained by Equation 1 and Equation 2 using a 2.4 kHz sine wave as input. The spectrum after processing (right). Both an example in which the 16kHz sampling frequency f s, a tap length n of the FIR filter 1024. Since the pitch conversion is 20%, Δf is
Since f s = 16000 and n = 1024, Δf = 3.125 Hz.

図8は、2.4kHzの正弦波に式1及び式2で求めたフィルタ係数を用いて20%のピッチ変換を施した結果得られた波形ある。   FIG. 8 shows a waveform obtained as a result of 20% pitch conversion performed on the 2.4 kHz sine wave using the filter coefficients obtained by Equations 1 and 2.

図7−Aでは、ピッチ変換後の信号にも大きな側帯波は生じていないが、図7−Bでは、ピッチ変換後の信号の周辺に大きな側帯波が生じている。このときの波形が図8である。サンプリング周波数が16kHzのとき、2kHzの正弦波の周期は8サンプルであり、FIRフィルタのタップ長1024の128分の1となる。これに対し、2.4kHzの正弦波の周期は6.666・・・サンプルであり、FIRフィルタのタップ長の整数分の1にはならない。このため、2.4kHzの周波数成分はFIRフィルタにおいては隣接する複数の周波数成分に分解される。隣接する2つの周波数成分には異なる周波数の振幅変調がかけられているため、誤差が生じてしまう。図7−Bの例では、隣接する2つの周波数成分の間で振幅変調の周波数が3.125Hz異なっている。したがって5120サンプルごとに360度の位相差が生じている。振幅変調の位相差が0度付近及び360度付近のときには大きな側帯波は生じないが、振幅変調の位相差が180度付近のときには大きな側帯波が生じてしまう。   7A, no large sideband is generated in the pitch-converted signal, but in FIG. 7B, a large sideband is generated around the pitch-converted signal. The waveform at this time is shown in FIG. When the sampling frequency is 16 kHz, the period of the 2 kHz sine wave is 8 samples, which is 1/128 of the tap length 1024 of the FIR filter. On the other hand, the period of the 2.4 kHz sine wave is 6.666... Sample, which is not an integral fraction of the tap length of the FIR filter. For this reason, the frequency component of 2.4 kHz is decomposed into a plurality of adjacent frequency components in the FIR filter. Since two adjacent frequency components are subjected to amplitude modulation of different frequencies, an error occurs. In the example of FIG. 7-B, the frequency of amplitude modulation differs between two adjacent frequency components by 3.125 Hz. Therefore, a phase difference of 360 degrees occurs every 5120 samples. Large sidebands do not occur when the phase difference of amplitude modulation is around 0 degrees and around 360 degrees, but large sideband waves occur when the phase difference of amplitude modulation is around 180 degrees.

上記の式1及び式2で求めたフィルタ係数を用いた場合、ピッチ変換後の波形(図8)には、ほぼ5120サンプルの間隔で側帯波の影響がみられる。このとき用いたピッチ変換器を第1のピッチ変換器とすると、FIRフィルタに与える振幅変調のタイミングを2560サンプル分ずらした第2のピッチ変換器を用いて2.4kHzの正弦波に20%のピッチ変換処理を施すと図9の波形が得られる。このとき第2のピッチ変換器のフィルタ係数は以下の式4及び式5にて求められる。
When the filter coefficients obtained by the above formulas 1 and 2 are used, the waveform after the pitch conversion (FIG. 8) is influenced by sidebands at intervals of approximately 5120 samples. Assuming that the pitch converter used at this time is the first pitch converter, the second pitch converter in which the timing of the amplitude modulation applied to the FIR filter is shifted by 2560 samples is used to convert the 20% into a 2.4 kHz sine wave. When the pitch conversion process is performed, the waveform of FIG. 9 is obtained. At this time, the filter coefficient of the second pitch converter is obtained by the following equations 4 and 5.

図9は、式4及び式5において、Δt=2560として求めたフィルタ係数を用いて得られた波形である。図8同様に一定の間隔で側帯波の影響が生じているが、図8の波形と図9の波形では側帯波の影響が2560サンプルずれた位置で顕著になっている。この2つの波形から側帯波の影響が少ない部分だけを連結するような処理を行えば側帯波の影響を少なくすることが可能である。つまり、式1及び式2を用いた第1のピッチ変換器と式4及び式5を用いた第2のピッチ変換器の特性を一定周期ごとにスムーズにクロスフェードさせた時変特性をもつFIRフィルタを用意すればよい。これを第3のピッチ変換器とする。   FIG. 9 is a waveform obtained by using the filter coefficient obtained as Δt = 2560 in Equations 4 and 5. As in FIG. 8, the influence of the sideband wave is generated at a constant interval, but the influence of the sideband wave is noticeable at a position shifted by 2560 samples in the waveforms of FIG. 8 and FIG. It is possible to reduce the influence of the sideband wave by performing a process of connecting only the part where the influence of the sideband wave is small from these two waveforms. That is, an FIR having a time-varying characteristic in which the characteristics of the first pitch converter using Expressions 1 and 2 and the second pitch converter using Expressions 4 and 5 are smoothly crossfade for each fixed period. A filter should be prepared. This is the third pitch converter.

図10は、第3のピッチ変換器にて2.4kHzの正弦波に20%のピッチ変換処理を施した場合の処理前のスペクトル(左)と処理後のスペクトル(右)である。図7−Bの右図と図10の右図を比較するとあきらかに側帯波が少なくなっていることがわかる。   FIG. 10 shows a spectrum before processing (left) and a spectrum after processing (right) when a pitch conversion process of 20% is performed on a 2.4 kHz sine wave by the third pitch converter. A comparison of the right diagram in FIG. 7B and the right diagram in FIG. 10 clearly shows that the sidebands are reduced.

第3のピッチ変換器によるピッチ変換処理を施した音声信号の例を図11に示す。元の音声のスペクトル(上)とピッチを20%高くした後のスペクトル(下)である。矢印で示すように2.5kHz付近にあったピークが20%のピッチ変換により3kHz付近まで移動していること、また、音質を著しく劣化させるような側帯波は生じていないことがわかる。   An example of an audio signal that has been subjected to pitch conversion processing by the third pitch converter is shown in FIG. The spectrum of the original speech (upper) and the spectrum after increasing the pitch by 20% (lower). As shown by the arrow, it can be seen that the peak that was in the vicinity of 2.5 kHz has moved to near 3 kHz by 20% pitch conversion, and that no sideband that significantly deteriorated the sound quality has occurred.

図6から図11では、周波数変化幅を周波数に対して一定の比率とするピッチ変換手法について説明したが、本発明は、周波数ごとに独立の周波数変化量を与えることを可能にするものである。したがって、ピッチ変換以外にも、例えば特定の帯域の成分だけを周波数変化させたり、ピアノの調律のように、低域はより低く、高域はより高く周波数変化させたりするような特殊な用途にも有効である。   6 to 11, the pitch conversion method in which the frequency change width is set to a constant ratio with respect to the frequency has been described. However, the present invention makes it possible to provide an independent frequency change amount for each frequency. . Therefore, in addition to pitch conversion, for example, it can be used for special purposes such as changing the frequency of only a specific band component, or changing the frequency of the low range lower and the high range higher, such as piano tuning. Is also effective.

本発明を用いれば、既存技術(特許文献14、15)のように入力信号の位相情報を抽出しなくても、実部用、虚部用の2つのFIRフィルタを用いるだけでピッチ変換が可能になる。前述の時変フィルタの特性を得るには、あらかじめ作成しておいたフィルタ係数をメモリー部に蓄えておき、これを逐次読み出してフィルタ係数を更新するのが望ましいが、演算器を用いてサンプル周期ごとにあらたなフィルタ係数を求めて更新する方法でもよい。この場合の構成は図12のようなものとなる。これは図1におけるメモリー部5をフィルタ係数演算部6に置き換えたものである。   If the present invention is used, pitch conversion is possible by using only two FIR filters for the real part and the imaginary part without extracting the phase information of the input signal as in the existing technology (Patent Documents 14 and 15). become. In order to obtain the characteristics of the time-varying filter described above, it is desirable to store the filter coefficients created in advance in the memory unit and read them sequentially to update the filter coefficients. Alternatively, a new filter coefficient may be obtained and updated every time. The configuration in this case is as shown in FIG. This is obtained by replacing the memory unit 5 in FIG.

また、FIRフィルタを用いているので、周波数変換と同時に振幅周波数特性も自由に設定することができる。式1、式2及び式4、式5で求められるフィルタ係数で、周波数ごとに任意の係数をかけておけば、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタ、櫛形フィルタなどとしても使用できる。   Further, since the FIR filter is used, the amplitude frequency characteristic can be freely set simultaneously with the frequency conversion. The filter coefficients obtained by Expression 1, Expression 2, Expression 4, and Expression 5 can be used as a low-pass filter, a high-pass filter, a band-pass filter, a comb filter, etc. by applying an arbitrary coefficient for each frequency.

本発明の主な用途は、再生速度を変えずにピッチを変えることであり、歌声や生演奏のデータにピッチ調節を施す場合や、補聴器や拡声器のハウリング低減方法の一部として用いられるものである。しかし、これはピッチを変えることなく再生速度を変えるいわゆる話速変換手段としても有効である。この場合は、再生速度を変えたことによって変化したピッチをもとの高さに戻す手段として利用すればよい。例えば、ボイスレコーダなどで録音したデータを録音時よりも短い時間で聞く場合など、高速再生してもピッチは元のままにすることが可能となる。   The main application of the present invention is to change the pitch without changing the playback speed, and to adjust the pitch to singing voice and live performance data, or as part of the method of reducing howling of hearing aids and loudspeakers It is. However, this is also effective as so-called speech speed conversion means for changing the playback speed without changing the pitch. In this case, it may be used as means for returning the pitch changed by changing the reproduction speed to the original height. For example, when listening to data recorded by a voice recorder or the like in a shorter time than when recording, it is possible to keep the pitch unchanged even when played back at a high speed.

以上、本発明の基本的な実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、適宜の変更が可能なものである。   Although the basic embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments. Appropriate changes can be made without departing from the scope of the present invention.

本発明による周波数変換器の構成例Configuration example of frequency converter according to the present invention 本発明における信号処理部の構成例Configuration example of signal processing unit in the present invention ヒルベルト変換による一般的な周波数変換器の構成を示す図Diagram showing the configuration of a general frequency converter using the Hilbert transform 周波数変化幅が一定の等幅周波数変換処理の模式図Schematic diagram of constant width frequency conversion processing with constant frequency variation 周波数変化幅が周波数に対して一定比率になったピッチ変換処理の模式図Schematic diagram of pitch conversion processing with frequency change width at a constant ratio to frequency 本発明のフィルタ部で用いる時変FIRフィルタの特性変動を示す図The figure which shows the characteristic fluctuation | variation of the time-varying FIR filter used with the filter part of this invention. 7−Aは、2kHzの正弦波信号のスペクトル(左)と2kHzの正弦波に20%ピッチ変換を施した結果得られた信号のスペクトル(右)、及び7−Bは、2.4kHzの正弦波信号のスペクトル(左)と2.4kHzの正弦波に式1及び式2によるフィルタ係数を用いて20%ピッチ変換を施した結果得られた信号のスペクトル(右)7-A is the spectrum of the 2 kHz sine wave signal (left), and the spectrum of the signal obtained by applying 20% pitch conversion to the 2 kHz sine wave (right), and 7-B is the 2.4 kHz sine wave. Wave signal spectrum (left) and 2.4 kHz sine wave signal spectrum obtained by applying 20% pitch conversion using filter coefficients according to equations 1 and 2 (right) 2.4kHzの正弦波に式1及び式2によるフィルタ係数を用いて20%ピッチ変換を施した結果得られた信号の波形Waveform of the signal obtained as a result of 20% pitch conversion using 2.4 kHz sine wave with filter coefficients according to Equation 1 and Equation 2. 2.4kHzの正弦波に式4及び式5によるフィルタ係数を用いて20%ピッチ変換を施した結果得られた信号の波形Waveform of signal obtained as a result of 20% pitch conversion using 2.4 kHz sine wave with filter coefficients of equations 4 and 5 2.4kHzの正弦波に式1及び式2によるフィルタ係数と式4及び式5によるフィルタ係数をクロスフェードさせたフィルタ係数を用いて20%ピッチ変換を施した結果得られた信号のスペクトルA spectrum of a signal obtained as a result of 20% pitch conversion using a filter coefficient obtained by cross-fading the filter coefficient according to expressions 1 and 2 and the filter coefficient according to expressions 4 and 5 to a 2.4 kHz sine wave. ピッチ変換処理前の音声のスペクトルと処理後の音声のスペクトルの比較図Comparison of speech spectrum before pitch conversion and speech spectrum after processing メモリー部の代わりにフィルタ係数演算部を用いた周波数変換器の構成例Configuration example of frequency converter using filter coefficient calculation unit instead of memory unit

符号の説明Explanation of symbols

1 AD変換部
2 信号処理器
3 DA変換部
4 フィルタ部
40 FIRフィルタ
41 FIRフィルタ
42 FIRフィルタ
43 FIRフィルタ
5 メモリー部
6 フィルタ係数演算部
7 発信器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 AD conversion part 2 Signal processor 3 DA conversion part 4 Filter part 40 FIR filter 41 FIR filter 42 FIR filter 43 FIR filter 5 Memory part 6 Filter coefficient calculating part 7 Transmitter

Claims (7)

デジタル入力信号を処理する信号処理部を有して、該デジタル入力信号の周波数成分に周波数変化を与える周波数変換を施して出力する周波数変換器において、前記信号処理部は、フィルタ部と該フィルタ部に供給するフィルタ係数データ供給部を有し、前記フィルタ部は、互いに位相が90度異なった共通の周波数成分から構成される実部用FIRフィルタ及び虚部用FIRフィルタを有し、前記実部用FIRフィルタ及び虚部用FIRフィルタは、時変フィルタであり、1サンプリング周期中にフィルタ係数が前記フィルタ係数データ供給部から供給されるデータで更新され、かつ、更新されることにより、それぞれのFIRフィルタを構成する各周波数成分の振幅が時間とともに独立に変動し、この振幅変動の周期は前記実部用FIRフィルタ及び虚部用FIRフィルタに共通だが、位相が90度異なっており、前記フィルタ部は、前記実部用FIRフィルタ及び虚部用FIRフィルタの出力信号の差あるいは和を出力することを特徴とする周波数変換器。   A frequency converter that has a signal processing unit that processes a digital input signal, and that performs frequency conversion that gives a frequency change to the frequency component of the digital input signal and outputs the frequency component. The signal processing unit includes a filter unit and the filter unit A filter coefficient data supply unit that supplies a real part FIR filter and an imaginary part FIR filter composed of common frequency components having phases different from each other by 90 degrees. The FIR filter for imaginary part and the FIR filter for imaginary part are time-varying filters, and the filter coefficients are updated with the data supplied from the filter coefficient data supply unit during one sampling period, and each of them is updated. The amplitude of each frequency component constituting the FIR filter varies independently with time, and the period of the amplitude variation is the FIR for real part. Although it is common to the filter and the imaginary part FIR filter, the phase is 90 degrees different, and the filter part outputs the difference or sum of the output signals of the real part FIR filter and the imaginary part FIR filter. To frequency converter. 時系列のアナログ音響信号をデジタル信号に変換するAD変換部を有して、該変換されたデジタル信号を前記信号処理部に入力し、かつ、前記フィルタ部から出力されるデジタル信号を時系列のアナログ音響信号に変換するDA変換部を備える請求項1に記載の周波数変換器。   An AD conversion unit that converts a time-series analog sound signal into a digital signal, inputs the converted digital signal to the signal processing unit, and converts the digital signal output from the filter unit into a time-series The frequency converter of Claim 1 provided with the DA converter part converted into an analog acoustic signal. 前記実部用FIRフィルタ及び虚部用FIRフィルタを構成する各周波数成分の振幅変動の周期が任意に制御可能に構成した請求項1又は2に記載の周波数変換器。   3. The frequency converter according to claim 1, wherein an amplitude variation period of each frequency component constituting the real part FIR filter and the imaginary part FIR filter can be arbitrarily controlled. 前記実部用FIRフィルタ及び虚部用FIRフィルタの特性が、各周波数成分の振幅変動のタイミングが異なる少なくとも2種類のフィルタ特性をスムーズにクロスフェードさせた特性となる請求項1〜3のいずれかに記載の周波数変換器。   The characteristics of the real part FIR filter and the imaginary part FIR filter are characteristics obtained by smoothly cross-fading at least two types of filter characteristics having different timings of amplitude fluctuation of each frequency component. The frequency converter described in 1. 前記実部用FIRフィルタ及び虚部用FIRフィルタの振幅周波数特性を任意に制御可能にして、その結果、前記フィルタ部がローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタ、櫛型フィルタなどとして使用できる請求項1〜4のいずれかに記載の周波数変換器。   The amplitude frequency characteristics of the real part FIR filter and the imaginary part FIR filter can be arbitrarily controlled, and as a result, the filter part can be used as a low pass filter, a high pass filter, a band pass filter, a comb filter, or the like. The frequency converter in any one of 1-4. 前記フィルタ係数データ供給部は、記憶したフィルタ係数データを供給するメモリー部、或いはフィルタ係数を逐次算出するフィルタ係数演算部によって構成される請求項1〜5のいずれかに記載の周波数変換器。   6. The frequency converter according to claim 1, wherein the filter coefficient data supply unit includes a memory unit that supplies stored filter coefficient data, or a filter coefficient calculation unit that sequentially calculates filter coefficients. 入力信号の振幅スペクトルが周波数軸上で伸縮される変換が行われる音声のピッチ変換器、或いはピッチを変えることなく再生速度を変える話速変換器として用いられる請求項1〜6のいずれかに記載の周波数変換器。   7. The voice speed converter for converting the amplitude spectrum of the input signal to be expanded or contracted on the frequency axis, or the speech speed converter for changing the playback speed without changing the pitch. Frequency converter.
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