JP2013019930A - 高域補完装置および音声信号処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡素なアルゴリズムでかつ処理数も少なく、さらに小さい回路規模で、帯域制限された音声信号を補完する高域補完装置を提供する。
【解決手段】高域補完装置２２は、入力された信号から不要な低域信号をカットする第１のハイパスフィルタ２８と、前記第１のハイパスフィルタからの出力信号の絶対値をとり、偶数次高調波を発生させる絶対値回路３０と、前記絶対値回路からの出力信号から低中域のノイズをカットする第２のハイパスフィルタ３２と、前記第２のハイパスフィルタからの出力信号に第１の所定の係数を乗算する第１の乗算器３４と、前記第１の乗算器からの出力信号と前記入力された信号とを加算する第１の加算器３６とを備え、音声信号処理システム内の１段目のＦＩＲフィルタ２０の後に配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、デジタル音声信号の処理技術に係り、特に、帯域制限された音声信号を補完する高域補完装置および該高域補完装置を備える音声信号処理システムに関する。

ＭＰ３（MPEG Audio Layer-3）等の圧縮音源や音楽ＣＤなどのデジタル化された音声データでは、人間が聴き取れない周波数帯域、例えば高域の音声信号を制限して（帯域制限して）圧縮することによりデータ量の削減を図っている。一般に、人間の可聴帯域は、２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚと言われており、例えば音楽ＣＤでは、２０ｋＨｚ近辺で高域帯の音声信号（倍音ともいう）を制限している。

しかし、自然界の音場では基本波の倍音成分も含んでいるので、本来の原音は２０ｋＨｚを超える帯域も伴っている。そのため、帯域制限されて記録された音声信号を再生しても、原音を忠実に再現することはできない。

このような技術に関連して、帯域制限により制限された高調波信号を復元する高調波付加回路に関する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−３６４９０号公報

特許文献１によると、高域成分を１倍速で記憶手段に書き込み、記憶手段から２倍速で高域成分を読み出して、倍音を生成している。しかしながら、特許文献１に開示されている技術では、上記一連の処理を実現するためのアルゴリズムが複雑で処理も煩雑になり、また回路規模も大きくなる。

本発明の目的は、簡素なアルゴリズムでかつ処理数も少なく、さらに小さい回路規模で、帯域制限された音声信号を良好に補完することができる高域補完装置および該高域補完装置を備える音声信号処理システムを提供することにある。

一態様によれば、入力された信号から不要な低域信号をカットする第１のハイパスフィルタと、前記第１のハイパスフィルタからの出力信号の絶対値をとり、偶数次高調波を発生させる絶対値回路と、前記絶対値回路からの出力信号から低中域のノイズをカットする第２のハイパスフィルタと、前記第２のハイパスフィルタからの出力信号に第１の所定の係数を乗算する第１の乗算器と、前記第１の乗算器からの出力信号と前記入力された信号とを加算する第１の加算器とを備える高域補完装置が提供される。

別の態様によれば、入力された信号のサンプリング周波数の所定倍の周波数でサンプリングするサンプリングフィルタと、前記サンプリングフィルタによってサンプリングされた信号に対して、帯域制限された音声信号を補完する上記高域補完装置とを備える音声信号処理システムが提供される。

本発明によれば、簡素なアルゴリズムでかつ処理数も少なく、さらに小さい回路規模で、帯域制限された音声信号を良好に補完することができる高域補完装置および該高域補完装置を備える音声信号処理システムを提供することができる。

実施の形態に係る高域補完装置を備えた音声信号処理システムを例示する模式的ブロック図。 実施の形態に係る高域補完装置を例示する模式的ブロック図。 実施の形態に係る高域補完装置の動作波形であって、（ａ）入力信号波形の動作波形を例示する図、（ｂ）絶対値回路からの出力信号の動作波形を例示する図。 ＭＰ３音源の実測値を表す図。 実施の形態に係る高域補完装置によってＭＰ３音源に高域補完を行った結果の実測値を表す図。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各構成部品の寸法等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法等は、以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置を例示するものであって、この発明の実施の形態は、各構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

［実施の形態］
（高域補完装置）
図２は、実施の形態に係る高域補完装置２２を例示する模式的ブロック図である。実施の形態に係る高域補完装置２２は、図２に例示するように、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ１）２８と、絶対値回路３０と、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ２）３２と、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ３）３８と、乗算器３４，４０と、加算器３６，４２とを含む。

ハイパスフィルタ（ＨＰＦ１）２８は、そのカットオフ周波数（遮断周波数）を５．６ｋＨｚから１０ｋＨｚまでの範囲で可変にできる高域通過フィルタであり、前段の回路（図１におけるＦＩＲフィルタ２０）から高域補完装置２２に入力された信号から不要な低域信号をカットする。ここで、カットとは、完全に除去することのみでなく、減衰させることも含む。絶対値回路３０は、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ１）２８からの出力信号の絶対値をとり、偶数次高調波を発生させる。より具体的には、図３に例示するように、絶対値回路３０からの出力信号は、入力信号と、入力信号の２倍波を含む偶数次高調波を主成分とする。絶対値回路３０によって、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ１）２８からの出力信号が全波整流される。ハイパスフィルタ（ＨＰＦ２）３２は、そのカットオフ周波数（遮断周波数）を１１．２ｋＨｚから２０ｋＨｚまでの範囲で可変にできる高域通過フィルタであり、絶対値回路３０からの出力信号から低中域のノイズをカットする。乗算器３４は、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ２）３２からの出力信号に所定の係数（加算ゲインＧ１：創出された高域信号の加算ゲイン）を乗算する。加算器３２は、乗算器３４からの出力信号と高域補完装置２２に入力された信号とを加算する。

ハイパスフィルタ（ＨＰＦ３）３８は、そのカットオフ周波数（遮断周波数）を３．９ｋＨｚから６．８ｋＨｚまでの範囲で可変にできる高域通過フィルタである。乗算器４０は、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ３）３８からの出力信号に所定の係数（加算ゲインＧ２：−∞〜１．８ｄｂまで可変にできる加算ゲイン）を乗算する。ハイパスフィルタ（ＨＰＦ３）３８と乗算器４０とにより、加算器３２からの出力信号のうちＡ点における信号をハイブーストし、高域補完の効果を顕著にする。加算器４２は、乗算器４０からの出力信号と加算器３２からの出力信号とを加算して後段の回路（図１におけるＦＩＲフィルタ２４）に出力する。

このように、実施の形態に係る高域補完装置２２によれば、簡素なアルゴリズムでかつ処理数も少なく、さらに小さい回路規模で、帯域制限された音声信号を良好に補完することができ、その結果、音源に記録されていない高域信号をも再生することができる。

（音声信号処理システム）
図１は、実施の形態に係る高域補完装置２２を備えた音声信号処理システムを例示する模式的ブロック図を例示している。実施の形態に係る高域補完装置を備えた音声信号処理システムは、図１に例示するように、同期サンプリングレートコンバータ（ＳＲＣ）１０と、オーディオデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）１２と、８倍オーバーサンプリングフィルタ１４と、ノイズシェイパ１６と、ＰＷＭ変調器１８とを含む。

同期式サンプリングレートコンバータ（ＳＲＣ）１０は、クロックに同期して、前段の回路（図示せず）から特定のサンプリングレートのデジタルオーディオ信号を入力して、オリジナルのサンプリングレートとは異なるサンプリング周波数に変換してオーディオデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）１２に出力する。同期式サンプリングレートコンバータ（ＳＲＣ）１０は、例えば、１１．２５／２２．０５／４４．１／８８．２ｋＨｚを４４．１ｋＨｚの周波数にサンプリング変換する。

オーディオデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）１２は、同期式サンプリングレートコンバータ（ＳＲＣ）１０から出力されたデジタル信号を入力して、例えばゲインコントロールやトーンコントロールなどのオーディオ信号処理を行い、ＰＣＭ（Pulse Code Modulation）方式のデジタルオーディオ信号を生成して８倍オーバーサンプリングフィルタ１４に出力する。

８倍オーバーサンプリングフィルタ１４は、デジタル信号をオーバーサンプリングするとともに、帯域制限された音声信号の高域を補完してノイズシェイパ１６に出力する。より具体的には、８倍オーバーサンプリングフィルタ１４は、オリジナルのサンプリング周波数の所定倍（ここでは８倍）の周波数でデータをサンプリングして、例えば、４４．１ｋＨｚのサンプリング周波数を３５２．８ｋＨｚのＰＷＭ周波数に変換する。

ノイズシェイパ１６は、８倍オーバーサンプリングフィルタ１４から出力されたデジタルオーディオ信号の量子化誤差ノイズのレベルを低下させるためにノイズシェーピング処理を実行してＰＷＭ変調器１８に出力する。

ＰＷＭ変調器１８は、ノイズシェイパ１６から出力されたデータのパスル幅をマスタークロックの１周期分ずつ拡げたり狭めたりして、入力データに対応したパルス幅を持つパルス信号を生成して後段の回路（図示せず）に出力する。

８倍オーバーサンプリングフィルタ１４は、所定倍（例えば２倍）×複数段（例えば３段）で構成されたＦＩＲ（Finite Impulse Response：有限インパルス応答）フィルタ２０，２４，２６と、ＦＩＲフィルタ２０とＦＩＲフィルタ２４との間に配置された高域補完装置２２とを含む。各ＦＩＲフィルタ２０，２４，２６は、入力した信号（オリジナル）のサンプリング周波数の所定倍（ここでは２倍）の周波数でサンプリングする。

実施の形態に係る高域補完装置２２は、２倍×３段で構成されたＦＩＲフィルタ２０，２４，２６のうちの１段目のＦＩＲフィルタ２０の後（すなわち、２倍オーバーサンプリング後）に配置されている。仮に高域補完装置２２をＦＩＲフィルタ２０の前（すなわち、２倍のオーバーサンプリング前）に配置したとすると、ナイキスト周波数（サンプリング周波数ｆｓに対してナイキスト周波数はｆｓ／２である）から１／４ｆｓ以上の周波数帯の信号の絶対値がとれず、不要な周波数成分を発生させてしまう。さらに、高域補完装置２２により帯域制限された音声信号の高域を補完しても、周波数特性が１／２ｆｓまでしか伸びない。人間の可聴帯域は、２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚであるといわれているが、アナログの音源には当然２０ｋＨｚを超える帯域の信号も含まれており、原音を忠実に再生するためには２０ｋＨｚを超える帯域制限された音声信号をも再生する必要がある。２倍×３段で構成されたＦＩＲフィルタ２０，２４，２６のうちの１段目のＦＩＲフィルタ２０の後（すなわち、２倍オーバーサンプリング後）に配置された高域補完装置２２により帯域制限された音声信号の高域を補完すると、その周波数特性を１ｆｓまで伸ばすことができる。

また、実施の形態に係る高域補完装置２２を、２倍×３段で構成されたＦＩＲフィルタ２０，２４，２６のうちの２段目のＦＩＲフィルタ２４の後（すなわち、４倍オーバーサンプリング後）に配置すると、ナイキスト周波数はｆｓ／２であるので、帯域制限された音声信号の高域を補完しても、その周波数特性を１ｆｓまでしか伸ばすことができない。しかも、高域を補完する際の演算回数が４回に増える（高域補完装置２２を最初段のＦＩＲフィルタ２０の後に配置した場合は、その演算回数は２回である）ため、演算ステップが足りなくなってＤＳＰの個数を増やすことにつながり、回路規模の増大を招く。

したがって、実施の形態に係る高域補完装置２２を配置する位置は、２倍×３段で構成されたＦＩＲフィルタ２０，２４，２６のうちの１段目のＦＩＲフィルタ２０の後（すなわち、２倍オーバーサンプリング後）が最適である。

図４は、ＭＰ３音源の実測値を表す図であり、図５は、実施の形態に係る高域補完装置２２によってＭＰ３音源に高域補完を行った結果の実測値である。図面からも明らかなように、実施の形態に係る高域補完装置２２によって、帯域制限された音声信号の高域が十分に効果的に補完されていることがわかる。

以上説明したように、実施の形態によれば、簡素なアルゴリズムでかつ処理数も少なく、さらに小さい回路規模で、帯域制限された音声信号を良好に補完することができる高域補完装置および該高域補完装置を備える音声信号処理システムを提供することができ、その結果、音源に記録されていない高域信号をも再生することができる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明について実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明に係る高域補完装置および音声信号処理システムは、テレビ、ラジオ、ラジカセ、カーオーディオ、ホームシアターシステム、オーディオコンポーネント、携帯電話、電子楽器等、音声を出力する機器全般に幅広く適用可能である。

１０…同期サンプリングレートコンバータ（ＳＲＣ）
１２…オーディオデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）
１４…８倍オーバーサンプリングフィルタ
１６…ノイズシェイパ
１８…ＰＷＭ変調器
２０，２４，２６…ＦＩＲフィルタ
２２…高域補完装置
２８…ハイパスフィルタ（ＨＰＦ１）
３０…絶対値回路
３２…ハイパスフィルタ（ＨＰＦ２）
３４，４０…乗算器
３６，４２…加算器
３８…ハイパスフィルタ（ＨＰＦ３）
Ｇ１…加算ゲイン
Ｇ２…加算ゲイン

Claims (7)

1. 入力された信号から不要な低域信号をカットする第１のハイパスフィルタと、
   前記第１のハイパスフィルタからの出力信号の絶対値をとり、偶数次高調波を発生させる絶対値回路と、
   前記絶対値回路からの出力信号から低中域のノイズをカットする第２のハイパスフィルタと、
   前記第２のハイパスフィルタからの出力信号に第１の所定の係数を乗算する第１の乗算器と、
   前記第１の乗算器からの出力信号と前記入力された信号とを加算する第１の加算器と
   を備えることを特徴とする高域補完装置。
2. 前記第１の所定の係数は、創出された高域信号の加算ゲインであることを特徴とする請求項１に記載の高域補完装置。
3. 前記第１の加算器からの出力信号のうち任意の点における信号をハイブーストする第３のハイパスフィルタと、
   前記第３のハイパスフィルタからの出力信号に第２の所定の係数を乗算する第２の乗算器と、
   前記第２の乗算器からの出力信号と前記第１の加算器からの出力信号とを加算する第１の加算器と
   をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の高域補完装置。
4. 入力された信号のサンプリング周波数の所定倍の周波数でサンプリングするサンプリングフィルタと、
   前記サンプリングフィルタによってサンプリングされた信号に対して、帯域制限された音声信号を補完する請求項１〜３のいずれか１項に記載の高域補完装置と
   を備えることを特徴とする音声信号処理システム。
5. 前記サンプリングフィルタは、有限インパルス応答フィルタであることを特徴とする請求項４に記載の音声信号処理システム。
6. 前記所定倍は２倍であり、前記サンプリングフィルタは複数段で構成されることを特徴とする請求項４または５に記載の音声信号処理システム。
7. 前記高域補完装置は、前記複数段で構成される各サンプリングフィルタのうちの第１段目のサンプリングフィルタの後に配置されることを特徴とする請求項６に記載の音声信号処理システム。

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