JP2010212887A - 信号特性変化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ディジタル信号のクリップを防止しつつ、過度な音量低下を防止可能な信号補正装置を提供する。
【解決手段】係数算出部１０２Ａによって入力信号ｘ［ｎ］に応じた係数ｐを求め、この係数ｐに応じて、ディジタルレベル補正部１０１Ａにおける信号のレベルを制御するための係数と、特性補正部１０１Ｂにおける信号の特性を変化させるための係数をバランス設定部１０２Ｂが決定することで、ディジタルレベル補正部１０１Ａと特性補正部１０１Ｂで適応処理することが可能となった。
【選択図】 図１

Description

この発明は、入力信号の特性を変化させる信号補正装置に関する。

DSP(Digital Signal Processor)などを用いて、入力信号（例えば音声信号、オーディオ信号）の特性(例えば音量、周波数特性、位相特性、トーン性)を変化させて、所望の受聴環境（例えば室内伝達特性、頭部伝達関数、音量）を提供する信号特性変化装置の開発が進められている。

一例として、イコライザ装置があり、この装置では、周波数帯域毎にレベル（例えばパワーや信号振幅）を調整することができる。ディジタル信号のレベルを変化させる場合、レベルを上げると、ディジタル信号系の最大レベルを越えて、信号がクリップしてしまう恐れがある。

このため、ディジタル信号のレベルを上げるイコライザ装置は、入力信号のレベルを全周波数帯域にわたって下げるレベル制御を行うとともに、アナログ変換した後に、ディジタル信号の処理で下げた分だけ、レベルを増幅するようにしている。

また従来は、上述のようなレベルの上げ下げに起因するＳＮ比の悪化を防止するために、入力されたディジタル信号に対して、レベル変化量の最大値に基づいて、クリップしないようにレベルを下げるようにしている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、従来は、固定した量だけレベルを下げるため、入力信号によっては過度な音量低下が生じることがあった。
特開２００２−３４５０７５公報

従来の信号特性変化装置では、ディジタル信号がクリップしてしまうことを防止するために、ディジタル信号のレベルを下げるようにしているが、固定した量だけレベルを下げるため、過度な音量低下が生じることがあるという問題があった。
この発明は上記の問題を解決すべくなされたもので、ディジタル信号のクリップを防止しつつ、過度な音量低下を防止可能な信号補正装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、この発明は、入力信号の特性を変化させる信号特性変化装置であって、入力信号のレベルを制御するレベル制御手段と、レベル制御手段によりレベル制御された入力信号の特性を変化させる特性変化手段と、入力信号の特徴量に基づいて、レベル制御手段のレベル制御を調整するレベル制御係数及び特性変化手段のレベル制御を調整する特性変化係数を算出する係数算出手段とを具備して構成するようにした。

以上述べたように、この発明では、入力信号の特性を変化させるにあたって、その前段において、入力信号の特徴量に基づいて、入力信号のレベルを制御するようにしている。 したがって、この発明によれば、入力信号に合わせた適応処理が行えるので、ディジタル信号の過度な音量低下を抑えながらクリップを防止可能な信号特性変化装置を提供できる。

以下、図面を参照して、この発明の一実施形態について説明する。
（第１の実施例）
図１は、この発明の一実施形態に係わる信号特性変化装置の構成を示すものである。この信号特性変化装置は、信号補正部１０１と、特性変化部１０２とを備えている。この信号特性変化装置は、例えば携帯電話機などの音声通話機器や、携帯型オーディオ再生機など、ディジタル音声信号をアナログ信号に変換して出力する電子機器に実装される。

例えば、音声通話機器の場合、この回路の前段に備えられた通信装置によって、通信相手の通信機器と通信リンクを確立し、通信相手と双方向通話が可能な状態となる。無線通信部によって受信された受信データは、図示しないデコーダによって、事前に決められた処理時間の単位（１フレーム=Ｎサンプル）ごとに、入力信号ｘ［ｎ］（ｎ＝１，２，３…，Ｎ）としてディジタル信号に復号される。

入力信号ｘ［ｎ］は、音声信号であってもオーディオ信号であっても良い。以下の説明では、入力信号ｘ［ｎ］は音声信号とする。Ｎの範囲については、１以上の整数であれば良く、例えばＮ＝160サンプルのフレームサイズとする。なお、オーディオ信号場合では、Ｎは１０２４, ５１２, ２５６など２のべき乗が主に使われる。

また、入力信号ｘ［ｎ］は１６ビットで表される信号とするが、これに限定されず、bビットで表される信号（ｂ＝１，２，３…）であっても、フローティング（浮動小数点）の信号であってもかまわない。以降、後述される信号（例えば図１中ｄ［ｎ］,ｙ［ｎ］など）についても同様の条件とする。

続いて、信号補正部１０１と、特性変化部１０２について説明する。信号補正部１０１は、入力信号ｘ［ｎ］を入力として、信号の特性を変化させた出力信号ｙ［ｎ］（ｎ＝１，２，３…，Ｎ）を出力する。

信号補正部１０１は、ディジタルレベル補正部１０１Ａと、特性補正部１０１Ｂを備えている。ディジタルレベル補正部１０１Ａは、後述する特性変化部１０２から入力されるレベル制御係数ＴＨを用いて入力信号ｘ［ｎ］のダイナミックレンジコントロール（ＤＲＣ）を行って信号のレベル（例えば振幅、パワー）を制御し、信号ｄ［ｎ］を出力する。具体的には、入力信号ｘ［ｎ］のレベルが上記レベル制御係数ＴＨより大きい場合、レベル制御係数ＴＨに応じて入力信号ｘ［ｎ］のレベルを減衰させて出力する。

一方、入力信号ｘ［ｎ］のレベルがレベル制御係数ＴＨより小さい場合は、入力信号ｘ［ｎ］のレベルは変化させずにそのまま出力する。以上のような制御によって、クリップしそうなレベルの大きい信号のみを予め抑えることができる。なお、ディジタルレベル補正部１０１Ａは、信号のレベルを制御するものであればよく、自動音量調整（ＡＧＣ）のようなものであってもよい。

特性補正部１０１Ｂは、後述する特性変化部１０２から入力される特性変化係数Ｇ（ω）を用いて、信号ｄ［ｎ］の周波数特性を変化させる。これによって例えば、携帯電話ハンドセット用スピーカ、携帯電話ハンズフリー用スピーカなどの特性劣化している周波数帯域を補償したり、室内伝達特性、頭部伝達関数のような特殊効果を与えたりし、所望の受聴環境を実現することができる。

具体的には、信号ｄ［ｎ］を周波数領域の信号に変換した後に特性変化係数Ｇ（ω）を乗算し、この結果を時間領域の信号に変換した信号を出力信号ｙ［ｎ］として出力する。出力信号ｙ［ｎ］は、図示しない後段のディジタルアナログ変換器（D/A変換器）によりアナログ信号に変換され、増幅器を通じてスピーカから拡声出力される。なお、特性補正部１０１Ｂは、周波数領域に変換せずに周波数特性を変化させるものであってもよい。

なお、本実施例では、信号補正部１０１が信号のレベルを制御するとして説明するが、信号補正部１０１は音声信号やオーディオ信号などの信号の特性(例えば音量、周波数特性、位相特性、トーン性)を変化させるものであればよく、上記の構成に限られない。

特性変化部１０２は、入力信号ｘ［ｎ］を入力として、フレームごとに信号の過度な音量低下を抑えながらクリップを防止するようなレベル制御係数ＴＨ、特性変化係数Ｇ（ω）（ω＝１，２，３…）を出力する。ここで、レベル制御係数ＴＨは、ディジタルレベル補正部１０１Ａによって用いられる、信号のレベル（例えば振幅、パワー）を増幅または減衰して所望の音量設定にするためのパラメータである。ここで、入力信号ｘ［ｎ］が１６ビット音声信号の場合、レベル制御係数ＴＨは０〜２^16−１の範囲内となる。

一方、特性変化係数Ｇ（ω）は特性補正部１０１Ｂによって用いられる、周波数特性を変化させるためのパラメータである。ωは周波数のビン番号を指しているが、グルーピング化された周波数バンド単位のようなものでもかまわない。これらレベル制御係数ＴＨ、特性変化係数Ｇ（ω）はフレームごとに出力される。そのため、信号補正部１０１は、入力信号に合わせた適応処理が可能となり、信号の過度な音量低下を抑えながらクリップを防止することができる。

特性変化部１０２は、係数算出部１０２Ａと、バランス設定部１０２Ｂと、ディジタルレベル調整部１０２Ｃと、特性調整部１０２Ｄとを備える。以降、各構成について説明する。

係数算出部１０２Ａは、入力信号ｘ［ｎ］を入力として、クリップを防止する必要最低限のレベル制御係数の閾値を係数ｐとして出力する。係数ｐは、フレームごとに入力信号ｘ［ｎ］の特徴量（例えば、スペクトルパワー絶対値、スペクトルパワー平均値、スペクトルパワー分散値、スペクトルパワー標準偏差値、振幅平均、振幅最大値、ゼロクロス数、振幅分散、振幅標準偏差、サンプル間の振幅差分分散、サンプル間の振幅差分標準偏差など）とクリップを防止する必要最低限のレベル制御係数の閾値とを予め回帰分析しておいた二乗誤差最小基準の式に基づいて算出される。

これにより、フレームごとに入力信号に合わせた適応処理で、係数pを求めることができるため、信号の過度な音量低下を抑えながらクリップを防止することが可能となる。係数算出部１０２Ａの具体的な構成例については後に詳述する。

バランス設定部１０２Ｂは、係数ｐを入力として、音質劣化（例えば、レベル制御による歪や、自動音量制御による音量の不自然さや、ノイズ感など）が生じないように条件判断し、その結果に基づいて、暫定レベル制御係数ＴＨ_ｐと暫定特性変化係数Ｇ_ｐ（ω）を出力する。

ここで、条件判断とは、レベル制御係数ＴＨの最小値として予め設定されている値（最小レベル制御係数α）と係数ｐとの大小関係を比較することである。なお、この最小レベル制御係数αは、信号のレベルを制御することによる音質劣化が発生しないように設定される。この最小レベル制御係数αと係数ｐとの比較結果に基づいて、暫定レベル制御係数ＴＨ_ｐと暫定特性変化係数Ｇ_ｐ（ω）を算出することで、レベル制御による音質劣化を防ぎつつ、過度な音量低下を抑えながらクリップを防止することができる。

バランス設定部１０２Ｂの具体的な動作を説明する。バランス設定部１０２Ｂは、係数ｐと最小レベル制御係数αとを比較し、係数ｐの方が最小レベル制御係数αより大きい場合（α＜ｐ）では、レベル制御による音声劣化が発生しないことを意味しているので、係数ｐをそのまま暫定レベル補正係数ＴＨ_ｐとして出力し、１フレーム前の暫定特性変化係数Ｇ_１（ω）を暫定特性変化係数Ｇ_ｐ（ω）として出力する。

ここで、１フレーム前の暫定特性変化係数Ｇ_１（ω）は、現在より１フレーム前に算出された暫定特性変化係数Ｇ_ｐ（ω）ことである。なお、１フレーム前の暫定特性変化係数Ｇ_１（ω）は、現在より１フレーム前の特性を変化させた情報であれば良く、例えば、現在より１フレーム前に算出された特性変化係数Ｇ（ω）であってもよいとする。

一方、係数ｐの方が最小レベル制御係数αより小さい場合（α＞ｐ）では、レベル制御による音声劣化が発生することを意味しているので、最小レベル制御係数αを暫定レベル補正係数ＴＨ_ｐとして出力する。また、１フレーム前の暫定特性変化係数Ｇ_１（ω）の増幅レベル及び減衰レベルを式（１）のように抑制して、暫定特性変化係数Ｇ_ｐ（ω）として出力する。

なお、式（１）中のβは、暫定特性変化係数Ｇ_ｐ（ω）の増幅レベル及び減衰レベルの抑制を重み付けるためのパラメータであり、β≦１である。最小レベル制御係数αがバランス制御係数ｐより非常に大きい（α＞＞ｐ）場合は、暫定特性変化係数Ｇ_ｐ（ω）の増幅レベル及び減衰レベルは大きく抑制され、特性をほぼ変化させないような処理となる。

なお、最小レベル制御係数αと係数ｐが同値の場合は上記どちらの条件で補正係数ＴＨ_ｐと補正係数Ｇ_ｐ（ω）を決定してもかまわない。

図２は、バランス設定部１０２Ｂによって設定される暫定レベル制御係数ＴＨ_ｐの一例を表す図である。係数ｐの方が最小レベル制御係数αより大きい場合（１）（α＜ｐ）、暫定レベル制御係数ＴＨ_ｐは、係数ｐに基づいて決定される。ここで、暫定レベル制御係数ＴＨ_ｐは、係数ｐによって求められるものであれば良く、そのまま係数ｐとして出力されなくてもよい。

一方、係数ｐの方が最小レベル制御係数αより小さい場合（２）（α＞ｐ）、暫定レベル制御係数ＴＨ_ｐは、最小レベル制御係数αに基づいて決定される。ここで、暫定レベル制御係数ＴＨ_ｐは、最小レベル制御係数αによって求められるものであれば良く、そのまま最小レベル制御係数αとして出力されなくてもよい。

図３は、バランス設定部１０２Ｂによって設定される暫定特性変化係数Ｇ_ｐ（ω）の一例を表す図である。係数ｐの方が最小レベル制御係数αより大きい場合（１）（α＜ｐ）、暫定特性変化係数Ｇ_ｐ（ω）は、１フレーム前の暫定特性変化係数Ｇ_１（ω）に基づいて決定される。

ここで、暫定特性変化係数Ｇ_ｐ（ω）は、１フレーム前の暫定特性変化係数Ｇ_１（ω）によって求められるものであれば良く、そのまま１フレーム前の暫定特性変化係数Ｇ_１（ω）として出力されなくてもよい。

一方、係数ｐの方が最小レベル制御係数αより小さい場合（２）（α＞ｐ）、暫定特性変化係数Ｇ_ｐ（ω）は、１フレーム前の暫定特性変化係数Ｇ_１（ω）の増幅レベル及び減衰レベルを抑制して出力する。ここで、暫定特性変化係数Ｇ_ｐ（ω）は、１フレーム前の暫定特性変化係数Ｇ_１（ω）の増幅レベル及び減衰レベルを抑制されるものであれば良く、式（１）に限定されない。

ディジタルレベル調整部１０２Ｃは、暫定レベル制御係数ＴＨ_ｐを入力として、隣接したフレーム間で過渡的な影響を抑制する。具体的には、ディジタルレベル調整部１０２Ｃは、式（２）によって暫定レベル制御係数ＴＨ_ｐを隣接したフレーム間でスムージング処理（平滑化処理）し、平滑化処理した値をレベル制御係数ＴＨとしてディジタルレベル補正部１０１Ａに出力する。具体的には、Ｒフレーム目以降に対して、隣接したフレーム間で過渡的な影響を抑制するために、式（２）にしたがって、暫定レベル制御係数ＴＨ_ｐを平滑化処理したレベル制御係数ＴＨを求め、これを出力する。

なお、通話開始からＲフレーム目（Ｒ≧１）までは、ディジタルレベル補正部１０１Ａは、レベル制御係数ＴＨ_０を出力する。ＴＨ_０は、通話開始前に、予めディジタルレベル補正部１０１Ａに設定したレベル制御係数ＴＨである。また、式（２）において、ＴＨ_R
は、Ｒフレーム前に算出されたレベル制御係数ＴＨを示している。ただし、ＴＨ_Rは、Ｒフレーム前の信号レベルを制御する情報であれば良く、例えば、Ｒフレーム前の暫定レベル制御係数ＴＨ_ｐであってもよいとする。

また、φR_ｊおよびφpは、スムージング係数であり、平滑化処理するための重み付けを変更することできる。なお、ディジタルレベル調整部１０２Ｃは、隣接したフレーム間で過渡的な影響を抑制すればよく、上記の例に限られない。

特性調整部１０２Ｄは、暫定特性変化係数Ｇ_ｐ（ω）を入力として、隣接したフレーム間でスムージング処理（平滑化処理）し、特性補正部１０１Ｂに設定される特性変化係数Ｇ（ω）を出力する。具体的には、Ｒフレーム目以降に対して、隣接したフレーム間で過渡的な影響を抑制するために、式（３）にしたがって、暫定特性変化係数Ｇ_ｐ（ω）を平滑化処理した特性変化係数Ｇ（ω）を求め、これを出力する。

なお、通話開始からＲフレーム目（Ｒ≧１）までは、特性補正部１０１Ｂは、特性変化係数Ｇ_０（ω）を出力する。Ｇ_０（ω）は、通話開始前に、予め特性補正部１０１Ｂに設定した特性変化係数Ｇ（ω）である。

また、式（３）において、特性変化係数Ｇ_Ｒ（ω）は、Ｒフレーム前に算出された特性変化係数Ｇ（ω）を示している。ただし、特性変化係数Ｇ_Ｒ（ω）は、Ｒフレーム前の信号の特性を変化させた情報であれば良く、例えば、Ｒフレーム前の暫定特性変化係数Ｇ_ｐ（ω）であってもよいとする。

また、φR_ｊおよびφpは、スムージング係数であり、平滑化処理するための重み付けを変更することできる。これは、ディジタルレベル調整部１０２Ｃのスムージング係数と同じでなくともかまわない。なお、特性調整部１０２Ｄは、隣接したフレーム間で過渡的な影響を抑制すればよく、これに限られない。

続いて図４に、係数算出部１０２Ａの構成例を示す。係数算出部１０２Ａは、特徴量抽出部１０２Ａ１と回帰演算部１０２Ａ２とを備える。更に、特徴量抽出部１０２Ａ１は抽出部１０２Ａ１１から抽出部１０２Ａ１４までを備えている。以降、各構成について説明する。

特徴量抽出部１０２Ａ１は、入力信号ｘ［ｎ］を入力として、特徴量（例えば、スペクトルパワー絶対値、スペクトルパワー平均値、スペクトルパワー分散値、スペクトルパワー標準偏差値、振幅平均、振幅最大値、ゼロクロス数、振幅分散、振幅標準偏差、サンプル間の振幅差分分散、サンプル間の振幅差分標準偏差など）をフレームごとに複数抽出し、特徴量Ａ（ｍ）（ｍ＝１，２，３…，Ｓ）（Ｓ≧１）を出力する。ここでは、特徴量抽出部１０２Ａ１が４つの特徴量を抽出するものとして説明するが、１つ以上の特徴量を抽出するものであればよい。

抽出部１０２Ａ１１は、入力信号ｘ［ｎ］を入力として、時間領域の信号から周波数領域の信号に変換し、周波数ビンごとのスペクトルパワーを算出し、周波数ビン数ωの中で最大となるスペクトルパワー（最大スペクトルパワー）を算出して、それを特徴量Ａ（１）として出力する。抽出部１０２Ａ１１は、周波数領域変換部１０２Ａ１１１とパワー算出部１０２Ａ１１２と最大パワー算出部１０２Ａ１１３を備えている。

周波数領域変換部１０２Ａ１１１は、入力信号ｘ［ｎ］を入力として、例えばFFT(Fast Fourier Transform)などの演算によって、入力信号ｘ［ｎ］を時間領域の信号から周波数領域の信号Ｘ（ω）に変換して出力する。

なお、周波数領域変換部１０２Ａ１１１は、DFT(Discrete Fourier Transform)や離散コサイン変換(DCT：Discrete Cosine Transform)、ウォルシュ・アダマーン変換(WHT：Walsh Hadamard Transform)、ハーレ変換(HT：Harr Transform)、スラント変換(SLT：Slant Transform)、カルーネン・レーベ変換(KLT：Karhunen Loeve Transform)に代表される周波数領域に変換する他の直交変換を代用することも可能である。

具体的には、入力信号ｘ［ｎ］（ｎ＝１，２，３…，Ｎ）がnサンプル数の時間領域の入力信号とすれば、ＦＦＴの次数をＮとした場合、周波数領域の信号Ｘ（ω）（ω＝１，２，３…，Ｎ）はN周波数ビン数を有することとなる。なお、ＦＦＴを施す信号に前フレームの信号をオーバラップしたり、零詰めしたりして、データ長を２のべき乗にし、ＦＦＴの次数Ｎを２のべき乗にしてもよい。

パワー算出部１０２Ａ１１２は、周波数領域信号Ｘ（ω）を入力として、周波数ビンごとのスペクトルパワーを算出し、それをスペクトルパワーｐｏｗ（ω）（ω＝１，２，３…，Ｎ）として出力する。パワー算出部１０２Ａ１１２は、式（４）にしたがって、入力信号のスペクトルパワーを周波数ビンごとに算出する。

ただし、パワー算出部１０２Ａ１１２の出力は、Ｘ（ω）を２乗しないものであってもかまわない。また、式（５）に示すように、現在よりＲフレーム数前（Ｒは整数）までの信号を用いて、平均スペクトルパワーｐｏｗ（ω）を用いてスペクトルパワーを算出してもかまわない。

このように平均スペクトルパワーを用いることで、隣接したフレーム間で過渡的な影響を抑制することができる。ここで、式（５）に示すＸｉ（ω）は現在よりｉフレーム前（ｉ＝１，２，３…，Ｒ）の周波数領域信号Ｘ（ω）のことである。また、式（６）に示すように、スペクトルパワーｐｏｗ（ω）は、特性変化係数Ｇ_０（ω）と乗算して重み付けしてもよい。

このように重み付けすることで、より理想的な係数pを算出することができる。なお、周波数領域信号Ｘ（ω）からスペクトルパワーを算出するものであればよく、上記のような構成に限定されない。

最大パワー算出部１０２Ａ１１３は、スペクトルパワーｐｏｗ（ω）を入力として、全周波数ビンの中で最大のスペクトルパワーｐｏｗ＿ＭＡＸを検出し、それを特徴量Ａ（１）として出力する。
また、式（７）に従って、スペクトルパワーｐｏｗ＿ＭＡＸを全周波数ビンの合計和で除算をすることで正規化された値を特徴量Ａ（１）として出力してもかまわない。

この式（７）においてＡ（１）は１以下（Ａ（１）≦１）となるが、１に近ければ、特定の周波数ビンにスペクトルパワーが集中していることを意味している。もし、特定の周波数ビンを増幅するように特性を変化させる場合であれば、この式（７）の特徴量Ａ（１）で予めクリップが発生するかどうか判断することができる。なお、最大パワー算出部１０２Ａ１１３は、全周波数ビンの中で最大となるスペクトルパワーを算出するものであればよく、上記の例に限定されない。

抽出部１０２Ａ１２は、入力信号ｘ［ｎ］を入力として、時間領域の信号から周波数領域の信号に変換し、周波数ビンごとのスペクトルパワーを算出し、その平均値（平均スペクトルパワー）を算出して、それを特徴量Ａ（２）として出力する。抽出２部１０２Ａ１２は、周波数領域変換部１０２Ａ１１１とパワー算出部１０２Ａ１１２と平均パワー算出部１０２Ａ１２１を備えている。

平均パワー算出部１０２Ａ１２１は、スペクトルパワーｐｏｗ（ω）を入力として、周波数ビンごとのスペクトルパワーの平均値ｐｏｗ_ＡＶＧ（平均スペクトルパワー）を検出し、それを特徴量Ａ（２）として出力する。具体的には、数（８）に従って求める。

抽出部１０２Ａ１３は、入力信号ｘ［ｎ］を入力として、振幅の分散値を求め、それを特徴量Ａ（３）として出力する。抽出３部１０２Ａ１３は、振幅分散算出部１０２Ａ１３１を備えている。 振幅分散算出部１０２Ａ１３１は、入力信号ｘ［ｎ］を入力として、振幅の分散値を求め、それを特徴量Ａ（３）として出力する。具体的には、式（９）に従って求める。ここで式（９）中のｍｅａｎはｘ（ｎ）の平均値である。

抽出部１０２Ａ１４は、入力信号ｘ［ｎ］を入力として、ゼロクロス数を求めて、それを特徴量Ａ（４）として出力する。抽出部１０２Ａ１４は、ゼロクロス数算出部１０２Ａ１４１を備えている。

ゼロクロス数算出部１０２Ａ１４１は、入力信号ｘ［ｎ］を入力として、ゼロクロス数（ｘ［ｎ］＝０の場合と、ｘ［ｎ］の正負が反転する場合）を数えて、それを特徴量Ａ（４）として出力する。ゼロクロス数は有声音・無声音の判定などに用いられるため、有声音・無声音別に信号の過度な音量低下を抑えながらクリップを防止することが可能となる。

回帰演算部１０２Ａ２は、特徴量からクリップを防止する必要最低限のレベル制御係数の閾値を算出する。例えば、特徴量Ａ（ｍ）（ｍ＝１，２，３，４）を入力として、式（４）のような予め回帰分析しておいた二乗誤差最小基準の式に基づいて、係数ｐを出力する。

ここで、式（１０）中のζ（ｍ）（ｍ＝１，２，３，４）はクリップを防止する必要最低限のレベル制御係数の閾値と特徴量Ａ（ｍ）とを回帰分析した係数であり、予め設定することができる。クリップを防止する必要最低限のレベル制御係数の閾値と特徴量Ａ（ｍ）の相関が高ければ、より理想的な係数pを算出することができる。

以上のように、上記構成の信号特性変化装置では、係数算出部１０２Ａによって入力信号ｘ［ｎ］に応じた係数ｐを求め、バランス設定部１０２Ｂによって、求めた係数ｐから、ディジタルレベル補正部１０１Ａにおける信号のレベルを制御するための係数と、特性補正部１０１Ｂにおける信号の特性を変化させるための係数を決定するようにしている。したがって、上記構成の信号特性変化装置によれば、入力信号ｘ［ｎ］の係数ｐに応じて、ディジタルレベル補正部１０１Ａと特性補正部１０１Ｂで適応処理することができ、ディジタル信号のクリップを防止しつつ、過度な音量低下を防止できる。

（第２の実施例）
次に、この発明に関わる第２の実施例を説明する。図５は、その構成を示すものである。以下の説明では、上述した第１の実施例と同じ構成については同じ番号を付番し、説明を簡明にするために必要に応じて重複する説明を省略する。

第２の実施例に関わる特性変化部１０２は、入力信号ｘ［ｎ］に加えて信号の特性を変化させた出力信号ｙ［ｎ］を入力として、フレームごとに信号の過度な音量低下を抑えながらクリップを防止するようなレベル制御係数ＴＨ、特性変化係数Ｇ（ω）（ω＝１，２，３…）を出力する。第２の実施例に関わる特性変化部１０２は、第１の実施例に関わる特性変化部１０２で用いた係数算出部１０２Ａに代わって係数算出部１０２Ａ’を用いている。

係数算出部１０２Ａ’は、入力信号ｘ［ｎ］に加えて信号の特性を変化させた出力信号ｙ［ｎ］を入力として、クリップを防止する必要最低限のレベル制御係数の閾値を係数ｐとして出力する。図６に示すように係数算出部１０２Ａ’は、特徴量抽出部１０２Ａ’１と回帰演算部１０２Ａ’２とを備えている。

特徴量抽出部１０２Ａ’１は、特徴量抽出部１０２Ａ’１は、抽出部１０２Ａ’１１と抽出部１０２Ａ’１２と抽出部１０２Ａ’１３と抽出部１０２Ａ’１４とを備えており、入力信号ｘ［ｎ］に加えて信号の特性を変化させた出力信号ｙ［ｎ］を入力として、特徴量をフレームごとに複数抽出し、特徴量Ａ（ｍ）及び特徴量Ｂ（ｍ）（ｍ＝１，２，３，４）を出力する。

ここでは、特徴量抽出部１０２Ａ’１によって４つの特徴量を抽出するとして説明するが、特徴量は、スペクトルパワー絶対値、スペクトルパワー平均値、スペクトルパワー分散値、スペクトルパワー標準偏差値、振幅平均、振幅最大値、ゼロクロス数、振幅分散、振幅標準偏差、サンプル間の振幅差分分散、サンプル間の振幅差分標準偏差などのうち、いずれか１種類以上を算出すれば良い。

抽出部１０２Ａ’１１は、入力信号ｘ［ｎ］と信号の特性を変化させた出力信号ｙ［ｎ］とを入力として、時間領域の信号から周波数領域の信号に変換し、周波数ビンごとのスペクトルパワーを算出し、周波数ビン数ωの中で最大となるスペクトルパワー（最大スペクトルパワー）を特徴量Ａ（１）と特徴量Ｂ（１）して出力する。抽出部１０２Ａ’１１は、周波数領域変換部１０２Ａ’１１１とパワー算出部１０２Ａ’１１２と最大パワー算出部１０２Ａ’１１３を備えている。

周波数領域変換部１０２Ａ’１１１は、入力信号ｘ［ｎ］に加えて信号の特性を変化させた出力信号ｙ［ｎ］を入力として例えばFFT(Fast Fourier Transform)などの演算によって、入力信号ｘ［ｎ］を時間領域の信号から周波数領域の信号Ｘ（ω）に変換し、出力信号ｙ［ｎ］を時間領域の信号から周波数領域の信号Ｙ（ω）に変換する。

パワー算出部１０２Ａ’１１２は、周波数領域信号Ｘ（ω）に加えて周波数領域信号Ｙ（ω）を入力として、周波数ビンごとのスペクトルパワーを算出し、それをスペクトルパワーｘｐｏｗ（ω）とｙｐｏｗ（ω）（ω＝１，２，３…，Ｎ）として出力する。パワー算出部１０２Ａ’１１２は、式（１１）（１２）にしたがって、信号のスペクトルパワーを周波数ビンごとに算出する。

最大パワー算出部１０２Ａ’１１３は、スペクトルパワーｘｐｏｗ（ω）とｙｐｏｗ（ω）を入力として、それぞれ全周波数ビンの中で最大のスペクトルパワーｘｐｏｗ＿ＭＡＸとｙｐｏｗ＿ＭＡＸを検出し、それを特徴量Ａ（１）と特徴量Ｂ（１）として出力する。

抽出部１０２Ａ’１２は、入力信号ｘ［ｎ］と信号の特性を変化させた出力信号ｙ［ｎ］とを入力として、時間領域の信号から周波数領域の信号に変換し、周波数ビンごとのスペクトルパワーを算出し、その平均値（平均スペクトルパワー）を算出して、それを特徴量Ａ（２）と特徴量Ｂ（２）として出力する。抽出部１０２Ａ１２は、周波数領域変換部１０２Ａ１１１とパワー算出部１０２Ａ１１２と平均パワー算出部１０２Ａ’１２１を備えている。

平均パワー算出部１０２Ａ’１２１は、スペクトルパワーｘｐｏｗ（ω）とｙｐｏｗ（ω）を入力として、周波数ビンごとのスペクトルパワーの平均値ｘｐｏｗ_ＡＶＧとｙｐｏｗ_ＡＶＧ（平均スペクトルパワー）を検出し、それを特徴量Ａ（２）と特徴量Ｂ（２）として出力する。具体的には、式（１３）（１４）に従って求める。

抽出部１０２Ａ’１３は、入力信号ｘ［ｎ］と信号の特性を変化させた出力信号ｙ［ｎ］とを入力として、振幅の分散値を求め、それを特徴量Ａ（３）と特徴量Ｂ（３）として出力する。抽出３部１０２Ａ’１３は、振幅分散算出部１０２Ａ’１３１を備えている。振幅分散算出部１０２Ａ’１３１は、入力信号ｘ［ｎ］に加えて信号の特性を変化させた出力信号ｙ［ｎ］を入力として、振幅の分散値を求め、それを特徴量Ａ（３）と特徴量Ｂ（３）として出力する。

具体的には、下式（１５）（１６）に従って求める。ここで下式（１５）中のｘｍｅａｎはｘ［ｎ］の平均値、下式（１６）中のｙｍｅａｎはｙ［ｎ］の平均値である。

抽出部１０２Ａ’１４は、入力信号ｘ［ｎ］に加えて信号の特性を変化させた出力信号ｙ［ｎ］を入力として、ゼロクロス数を求めて、それを特徴量Ａ（４）と特徴量Ｂ（４）として出力する。抽出４部１０２Ａ’１４は、ゼロクロス数算出部１０２Ａ’１４１を備えている。

ゼロクロス数算出部１０２Ａ’１４１は、入力信号ｘ［ｎ］に加えて信号の特性を変化させた出力信号ｙ［ｎ］を入力として、ゼロクロス数（ｘ［ｎ］＝０、ｙ［ｎ］＝０の場合と、ｘ［ｎ］、ｙ［ｎ］の正負が反転する場合）を数えて、それを特徴量Ａ（４）と特徴量Ｂ（４）として出力する。ゼロクロス数は有声音・無声音の判定などに用いられるため、有声音・無声音別に信号の過度な音量低下を抑えながらクリップを防止することが可能となる。

回帰演算部１０２Ａ’２は、特徴量Ａ（ｍ）及び特徴量Ｂ（ｍ）（ｍ＝１，２，３，４）を入力として、予め回帰分析しておいた二乗誤差最小基準の式に基づいて、係数ｐを出力する。具体的には、式（１７）で示す。

ここで、式（１７）中のζ’（ｍ）とξ’（ｍ）（ｍ＝１，２，３…，Ｓ）は事前にクリップを防止する必要最低限のレベル制御係数の閾値と特徴量Ａ（ｍ）と特徴量Ｂ（ｍ）とを回帰分析した係数であり、予め設定することができる。ここで、特徴量Ｂ（ｍ）は信号の特性を変化させた出力信号の特徴量であるため、信号がクリップを起こしているかどうか判定が容易となる。これは、クリップを防止する必要最低限のレベル制御係数の閾値との相関がより高くなることを意味し、理想的な係数pを算出することができる。

以上、このような構成であっても第１の実施例と同様の効果を発揮する。また、このような構成によれば、特徴量Ｂ（ｍ）を用いるので、信号がクリップを起こしているかどうか判定が容易となる。これは、クリップを防止する必要最低限のレベル制御係数の閾値との相関が高くするになるので、より理想的な係数pを算出することができる。つまり、この係数ｐに応じて、ディジタルレベル補正部１０１Ａと特性補正部１０１Ｂで精度高く適応処理することが可能となるので、効果的にディジタル信号のクリップを防止しつつ、過度な音量低下を防止できる。

（第３の実施例）
次に、この発明に関わる第３の実施例を説明する。図７は、その構成を示すものである。以下の説明では、前述した実施例と同じ構成については同じ番号を付番し、説明を簡明にするために必要に応じて重複する説明を省略する。

図７に示すように、第３の実施例での信号補正部１０１は、ディジタルレベル補正部１０１Ａと、特性補正部１０１Ｂに加えて自動音量補正部１０１Ｃを備えている。以下の説明では、自動音量補正部１０１Ｃは、ディジタルレベル補正部１０１Ａの後段に位置していることとするが、ディジタルレベル補正部１０１Ａの前段でも、特性補正部１０１Ｂの後段でもかまわない。

自動音量補正部１０１Ｃは、信号ｄ［ｎ］を入力として、自動音量制御を行い、信号ｚ［ｎ］として出力する。自動的に設定される音量については、後述する特性変化部１０２より出力される音量制御係数ＧＡＩＮ［ｎ］（詳しくは後述）に基づいて決定される。つまり、信号ｄ［ｎ］を音量制御係数ＧＡＩＮ［ｎ］によって増幅または減衰させ、出力信号ｚ［ｎ］（ｚ［ｎ］=ＧＡＩＮ［ｎ］・ｄ［ｎ］）を得る。このようにすることで、適正な音圧（人間の心地よいと感じる音圧など）に自動調整する事ができる。

特性変化部１０２は、前述した実施例において説明した特性変化部１０２で用いた係数算出部１０２Ａに代わって係数算出部１０２Ａａを用いている。また、バランス設定部１０２Ｂに代わってバランス設定部１０２Ｂａを用いている。更に、自動音量調整部１０２Ｅを用いる。

係数算出部１０２Ａａは、図８に示すように、入力信号ｘ［ｎ］を入力として、クリップを防止する必要最低限のレベル制御係数の閾値を係数ｐ１として出力し、更に自動音量制御するための係数を係数ｐ２として出力する。係数算出部１０２Ａａは、特徴量抽出部１０２Ａと回帰演算部１０２Ａ２ａとを備えている。

回帰演算部１０２Ａ２ａは、特徴量Ａ（ｍ）（ｍ＝１，２，３，４）を入力として、予め回帰分析しておいた二乗誤差最小基準の式に基づいて、係数ｐ１と係数ｐ２を出力する。具体的には、式（１８）（１９）にて係数ｐ１と係数ｐ２とを算出する。

ここで、式（１８）中のζａ（ｍ）（ｍ＝１，２，３，４）は事前にクリップを防止する必要最低限のレベル制御係数の閾値と特徴量Ａ（ｍ）とを回帰分析した係数であり、予め設定することができる。

また、式（１９）中のξａ（ｍ）（ｍ＝１，２，３，４）は事前に適正な音圧に自動調整するための係数と特徴量Ａ（ｍ）とを回帰分析した係数であり、予め設定することができる。クリップを防止する必要最低限のレベル制御係数の閾値及び適正な音圧に自動調整するための係数と特徴量Ａ（ｍ）との相関が高ければ、より理想的な係数p１と係数ｐ２を算出することができる。

バランス設定部１０２Ｂａは、係数ｐ１と係数ｐ２を入力として、音質劣化（例えば、レベル制御による歪・自動音量制御による音量の不自然さ・ノイズ感など）が生じないように条件判断し、その結果に基づいて、暫定レベル制御係数ＴＨ_ｐと暫定特性変化係数Ｇ_ｐ（ω）及び暫定音量制御係数ＧＡＩＮｐを出力する。

ここで、暫定レベル制御係数ＴＨ_ｐと暫定特性変化係数Ｇ_ｐ（ω）は係数ｐ１に応じて第１の実施例と同様な処理によって決定される。暫定音量制御係数ＧＡＩＮｐは、現在より１フレーム前決められた暫定音量制御係数ＧＡＩＮｐ_１と係数ｐ２の差の絶対値｜ＧＡＩＮｐ_１−ｐ２｜を求め、上限値γより小さい場合（｜ＧＡＩＮｐ_１−ｐ２｜＜γ）は、暫定音量制御係数ＧＡＩＮｐはそのまま係数ｐ２として出力する。

一方、上限値γより大きい場合（｜ＧＡＩＮｐ_１−ｐ２｜＞γ）は、暫定音量制御係数ＧＡＩＮｐはγに制限されて出力される。ここで、上限値γとは、聴感上問題とならない音量差であり、一般的に３ｄＢ程度とされている。ただし、上限値γは、これに限定されない。このような処理を行うことで、音質劣化（自動音量制御による音量の不自然さ）を防止することができる。

自動音量調整部１０２Ｅは、暫定音量制御係数ＧＡＩＮｐを入力として、隣接したフレーム間で過渡的な影響を抑制するためにサンプル単位のスムージング処理（平滑化処理）し、自動音量補正部１０１Ｃに設定される音量制御係数ＧＡＩＮ［ｎ］を出力する。具体的には、式（２０）に従って求める。

ここで、音量制御係数ＧＡＩＮ［ｎ］は、現在よりＳサンプル前までに算出した音量制御係数ＧＡＩＮ［ｎ−L］〜ＧＡＩＮ［ｎ−１］を利用して算出することができる。また、φLjおよびφpは、スムージング係数であり、平滑化処理するための重み付けを変更することできる。なお、この自動音量調整部１０２Ｅは、隣接したフレーム間で過渡的な影響を抑制することができればよく、例えば、特開P2007-93827に示すような平滑化処理を用いてもかまわない。

以上、このような構成であっても前述した実施例と同様の効果を発揮する。また、このような構成によれば、ディジタル信号のクリップを防止しつつ、過度な音量低下を防止することに加えて、適正な音圧に自動調整することができる。

なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また上記実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって種々の発明を形成できる。また例えば、実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除した構成も考えられる。

さらに、異なる実施形態に記載した構成要素を適宜組み合わせてもよい。その一例として例えば、上記実施の形態では、特性変化部１０２は、図２に示したように、複数の機能ブロックで信号処理を行うものとして説明したが、DSPなどのプロセッサを用いることで、１つのチップで実現することが可能である。

この場合、図９に示すようなフローチャートで信号処理を行えばよい。すなわち、ステップ２ａで入力信号ｘ［ｎ］を取得した後、ステップ２ｂでは特徴量抽出部１０２Ａ１と同様の処理を実施し、ステップ２ｃでは回帰演算部１０２Ａ２と同様の処理を実施する。そして、ステップ２ｄではバランス設定部１０２Ｂと同様の処理を実施し、ステップ２ｅではディジタルレベル調整部１０２Ｃおよび特性調整部１０２Ｄと同様の処理を実施する。

その他、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を施しても同様に実施可能であることはいうまでもない。

本発明の一実施形態に係わる信号特性変化装置の構成を示す回路ブロック図。 本発明の一実施形態に係わる信号特性変化装置のバランス設定部によって設定される暫定レベル制御係数ＴＨ_ｐの一例を表す図。 本発明の一実施形態に係わる信号特性変化装置のバランス設定部によって設定される暫定特性変化係数Ｇ_ｐ（ω）の一例を表す図。 本発明の一実施形態に係わる信号特性変化装置の係数算出部１０２Ａの構成例。 本発明の第２の実施形態に係わる信号特性変化装置の構成を示す回路ブロック図。 本発明の第２の実施形態に係わる信号特性変化装置の係数算出部１０２Ａ’の構成例。 本発明の第３の実施形態に係わる信号特性変化装置の構成を示す回路ブロック図。 本発明の第３の実施形態に係わる信号特性変化装置の係数算出部１０２Ａａの構成例。 本発明の一実施形態に係わる信号補正装置の処理を説明するためのフローチャート。

１０１…信号補正部、１０２…特性変化部、１０１Ａ…ディジタルレベル補正部、１０１Ｂ…特性補正部、１０２Ａ…係数算出部、１０２Ｂ…バランス設定部、１０２Ｃ…ディジタルレベル調整部、１０２Ｄ…特性調整部、１０２Ａ１…特徴量抽出部、１０２Ａ２…回帰演算部１０２Ａ２、１０２Ａ１１…抽出１部、１０２Ａ１２…抽出２部、１０２Ａ１３…抽出３部、１０２Ａ１４…抽出４部、１０２Ａ１Ｓ…抽出Ｓ部、１０２Ａ１１１…周波数領域変換部、１０２Ａ１１２…パワー算出部、１０２Ａ１１３…最大パワー算出部、１０２Ａ１２１…平均パワー算出部、１０２Ａ１３１…振幅分散算出部、１０２Ａ１４１…ゼロクロス数算出部。

Claims (8)

1. 入力信号の特性を変化させる信号特性変化装置であって、
   前記入力信号のレベルを制御するレベル制御手段と、
   前記レベル制御手段によりレベル制御された入力信号の特性を変化させる特性変化手段と、
   前記入力信号の特徴量に基づいて、前記レベル制御手段のレベル制御を調整するレベル制御係数及び前記特性変化手段のレベル制御を調整する特性変化係数を算出する係数算出手段とを具備することを特徴とする信号特性変化装置。
2. 前記係数算出手段は、前記入力信号の特徴量に基づいてクリップを防止するクリップ防止係数を算出し、算出したクリップ防止係数が、予め設定した閾値よりも大きい場合には、前記クリップ防止係数に基づいて前記レベル制御係数を決定し、一方、算出したクリップ防止係数が、予め設定した閾値よりも小さい場合には、前記予め設定した閾値に基づいて前記レベル制御係数を決定することを特徴とする請求項１に記載の信号特性変化装置。
3. 前記係数算出手段は、前記入力信号の特徴量に基づいてクリップを防止する係数を算出し、算出したクリップ防止係数が予め設定した閾値よりも大きい場合には、過去に調整された特性変化係数に基づいて特性変化係数を決定し、一方、算出したクリップ防止係数が予め設定した閾値よりも小さい場合には、前記予め設定した閾値とクリップ防止係数の差に応じて特性変化係数を決定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の信号特性変化装置。
4. 前記係数算出手段は、入力信号から抽出した特徴量と、予め回帰分析しておいた二乗誤差最小基準の式に基づいて、前記クリップ防止係数を算出することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の信号特性変化装置。
5. 前記係数算出手段は、入力信号の特徴量及び前記特性変化手段により特性を変化された入力信号の特徴量と、予め回帰分析しておいた二乗誤差最小基準の式に基づいて前記クリップ防止係数を算出する第２特徴量回帰分析手段を備えることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の信号特性変化装置。
6. 入力信号の特性を変化させる信号特性変化装置であって、
   前記入力信号のレベルを制御するレベル制御手段と、
   前記レベル制御手段によりレベル制御された入力信号の音量を自動制御する自動音量制御手段と、
   前記自動音量制御手段によって音量を自動制御された入力信号の特性を変化させる特性変化手段と、
   前記入力信号から、前記レベル制御手段の制御を調整する係数であるレベル制御係数及び前記自動音量制御手段の制御を調整する自動音量制御係数及び前記特性変化手段の制御を調整する特性変化係数を算出する係数算出手段を具備することを特徴とする信号特性変化装置。
7. 前記第２係数算出手段は、
   前記入力信号からクリップを防止するクリップ防止係数と適正な音量に調整する適正音量係数を算出する第２クリップ防止係数算出手段と、
   前記第２クリップ防止係数算出手段より算出されたクリップ防止係数及び適正音量係数と過去に調整された前記自動音量制御係数との差が予め設定された閾値よりも小さい場合には、算出された適正音量係数に基づいて前記自動音量制御係数を決定し、一方、算出された適正音量係数と過去に調整された自動音量制御係数との差が予め設定された閾値よりも大きい場合には、前記予め設定された閾値に基づいて自動音量制御係数を決定する自動音量制御係数算出手段とを備えることを特徴とする請求項６に記載の信号特性変化装置。
8. 前記第２クリップ防止係数算出手段は、前記入力信号より抽出された特徴量と、予め回帰分析しておいた二乗誤差最小基準の式に基づいて、前記クリップ防止係数と前記適正音量係数を算出することを特徴とする請求項７に記載の信号特性変化装置。

Images