JP2015191102A

JP2015191102A - 音響装置及び信号処理方法

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Publication number: JP2015191102A
Application number: JP2014068213A
Authority: JP
Inventors: 長谷川　真; Makoto Hasegawa; 真長谷川
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2015-11-02

Abstract

【課題】
簡易な構成で、エイリアジングノイズの発生を防止しつつ、圧縮音声信号に対して適切な高域補間を行って、高品質な音声を出力させる。
【解決手段】
高域補間に際して、まず、ＬＰＦ部１１０が、入力された圧縮音声信号ＣＡＤから、高調波生成の対象となる所定帯域の信号ＬＰＤを抽出する。引き続き、入出力特性が非線形となっている高調波生成部１２０が、信号ＬＰＤに基づいて、最高次数が制限された高調波信号成分を含む高調波含有信号ＨＭＤを生成する。次に、ＨＰＦ部１３０が、高調波含有信号ＨＭＤから、圧縮音声が圧縮前音声から生成された際に信号成分が欠落した信号欠落帯域の信号成分を抽出して、信号ＨＢＤを生成する。そして、合成部１４０が、圧縮音声信号ＣＡＤと信号ＨＢＤとを合成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、音響装置、信号処理方法及び信号処理プログラム、及び、当該信号処理プログラムが記録された記録媒体に関する。

近年、デジタル形式で記録された音響コンテンツを再生する音響装置が広く普及している。こうした音響コンテンツのデータは、多くの場合に、ファイルサイズを縮小するために、ＭＰ３（MPEG（Moving Picture Expert Group） Audio Layer-3）等の方式によってデジタル圧縮処理が施されている。かかるデジタル圧縮処理が行われて生成された圧縮音声データを解凍して生成された圧縮音声信号は、圧縮処理前の音声データを得る際に採用されたサンプリング周波数（Ｆ_S）によって制限される帯域よりも更に高音帯域が制限された音声信号となっている。

このため、圧縮処理に起因して信号成分が欠落することになった高音帯域（以下、「欠落信号帯域」という）の信号成分を補間するために、圧縮音声信号の高調波信号（倍音信号）を発生させるとともに、エイリアジングノイズ（折り返しノイズ）の発生を抑制しつつ、当該高調波信号と圧縮音声信号とを合成する技術が提案されている（特許文献１参照：以下、「従来例」という）。この従来例の技術では、圧縮音声信号の低域成分を所定のカットオフ周波数を有するローパスフィルタ（ＬＰＦ）により抽出し、抽出された信号成分を半波整流して、当該信号成分の偶数次数の高調波信号を含む高調波含有信号を生成する。そして、生成された高調波含有信号における欠落信号帯域の信号成分を抽出するようになっている。

ここで、エイリアジングノイズの発生を抑制するため、従来例の技術では、ＬＰＦのカットオフ周波数を、サンプリング周波数（Ｆ_S）による定まる圧縮前音声の信号帯域の最高周波数の１／２程度とするようにする。そして、半波整流により発生する偶数次数の高調波では２次高調波に比べて４次以上の高調波は十分に小さいとして、高調波含有信号の最高周波数の積極的な制限を要件とせずに高調波含有信号の生成するようになっている。

なお、従来例においては、半波整流されて生成された高調波含有信号を、抽出される信号成分の上側周波数を制限するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）を介させる構成も挙げられている。しかしながら、当該ＢＰＦに関して、上側カットオフ周波数をどのような周波数とするかについては記載されていない。

特開２００５―０３３２４５号公報

上述した従来例の技術では、半波整流により発生する高調波含有信号の最高周波数の積極的な制限を要件としていない。このため、その量は少ないかもしれないが、エイリアジングノイズが発生することになる。

そして従来例の技術の範囲で、エイリアジングノイズを更に低減させるためには、上述したＢＰＦを備える構成を採用したうえで、当該ＢＰＦの上側カットオフ周波数を、圧縮前音声の信号帯域の最高周波数程度とすることが必要となる。すなわち、急峻な減衰特性を有する上側カットオフ周波数を圧縮前音声の信号帯域の最高周波数程度に設定したＢＰＦを用意することが必要となるので、簡易にエイリアジングノイズの発生を防止することができるとはいいがたい。

このため、簡易な構成で、エイリアジングノイズの発生を防止しつつ、圧縮音声信号に対して適切な高域補間を行って、高品質な音声を出力させることができる技術が望まれている。かかる要請に応えることが、本発明が解決すべき課題の一つとして挙げられる。

請求項１に記載の発明は、入力された音声信号から、所定帯域の信号成分を抽出するローパスフィルタ部と；入出力特性が非線形であり、前記ローパスフィルタ部の出力信号に基づいて、次数が制限された高調波信号成分を含む高調波含有信号を生成する高調波生成部と；前記高調波生成部の出力信号から、前記音声信号において信号成分が欠落している信号欠落帯域の信号成分を抽出するハイパスフィルタ部と；前記入力された音声信号と、前記ハイパスフィルタ部の出力信号とを合成する合成部と；を備えることを特徴とする音響装置である。

請求項５に記載の発明は、入力された音声信号に対して高域補間を行う音響装置において使用される信号処理方法であって、前記入力された音声信号から、所定帯域の信号成分を抽出するローパスフィルタリング工程と；前記ローパスフィルタリング工程により得られた信号に基づいて、非線形加工を行って、次数が制限された高調波信号成分を含む高調波含有信号を生成する高調波生成工程と；前記高調波生成工程により得られた信号から、前記音声信号において信号成分が欠落している信号欠落帯域の信号成分を抽出するハイパスフィルタリング工程と；前記入力された音声信号と、前記ハイパスフィルタリング工程により得られた信号とを合成する合成工程と；を備えることを特徴とする信号処理方法である。

請求項６に記載の発明は、音響装置が有するコンピュータに、請求項５に記載の信号処理方法を実行させる、ことを特徴とする信号処理プログラムである。

請求項７に記載の発明は、音響装置が有するコンピュータにより読み取り可能に、請求項６に記載の信号処理プログラムが記録されている、ことを特徴とする記録媒体である。

本発明の一実施形態に係る音響装置の構成を概略的に示すブロック図である。図１の音響装置に入力される圧縮音声の平均的なスペクトルを示す図である。図１のローパスフィルタ（ＬＰＦ部）及びハイパスフィルタ（ＨＰＦ）部のフィルタリング特性を説明するための図である。図１の高調波生成部の構成を示すブロック図である。図４の高調波含有信号生成部で利用する数式を説明するための図である。図４の高調波含有信号生成部で生成される高調波含有信号のスペクトルを示す図である。図１の合成部の構成を説明するためのブロック図である。図１の装置による高域補間を説明するための図である。高調波含有信号生成部で利用する数式の変形を説明するための図である。

以下、本発明の一実施形態を、図１〜図８を参照して説明する。なお、図面においては、同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

［構成］
図１には、一実施形態に係る音響装置１００の概略的な構成が、ブロック図にて示されている。この図１に示されるように、音響装置１００は、圧縮音声解凍装置２００及び音出力装置３００と接続されている。

ここで、上記の圧縮音声解凍装置２００は、ＭＰ３規格等の所定の標準規格に準拠して生成された圧縮音声データを解凍して、圧縮音声信号ＣＡＤを生成する。こうして生成された圧縮音声信号ＣＡＤが、音響装置１００へ送られる。

なお、本実施形態では、圧縮音声信号ＣＡＤは、ビットレート「ＢＲ」に対応する圧縮音声信号となっている。そして、圧縮音声信号ＣＡＤの信号帯域の上限周波数は、周波数Ｆ_BRとなっている。

また、上記の音出力装置３００は、スピーカＳＰを備えて構成されている。この音出力装置３００は、音響装置１００から送られた高域補間信号ＨＩＤを受ける。そして、音出力装置３００は、高域補間信号ＨＩＤに従った音をスピーカＳＰから出力する。

＜音響装置１００の構成＞
上記の音響装置１００は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）部１１０と、高調波生成部１２０とを備えている。また、音響装置１００は、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）部１３０と、合成部１４０とを備えている。

上記のＬＰＦ部１１０は、カットオフ周波数Ｆ_CLでローパスフィルタリング処理を行う。このＬＰＦ部１１０は、圧縮音声解凍装置２００から送られた圧縮音声信号ＣＡＤを受ける。そして、ＬＰＦ部１１０は、カットオフ周波数Ｆ_CLのローパスフィルタリング処理を圧縮音声信号ＣＡＤに対して施す。このローパスフィルタリング処理の結果が、信号ＬＰＤとして高調波生成部１２０へ送られる。

なお、本実施形態では、カットオフ周波数Ｆ_CLが、圧縮前音声の信号帯域の最高周波数Ｆ_MAX（＝Ｆ_S／２）の「１／３」となっており、信号ＬＰＤの帯域は、カットオフ周波数Ｆ_CL以下の信号帯域となっている。

上記の高調波生成部１２０は、ＬＰＦ部１１０から送られた信号ＬＰＤを受ける。そして、高調波生成部１２０は、信号ＬＰＤの高調波として３次以下の高調波を含む高調波含有信号ＨＭＤを生成する。こうして生成された高調波含有信号ＨＭＤは、ＨＰＦ部１３０へ送られる。

なお、高調波生成部１２０の構成については、後述する。

上記のＨＰＦ部１３０は、カットオフ周波数Ｆ_CHでパイパスフィルタリング処理を行う。ここで、カットオフ周波数Ｆ_CHは、上述した周波数Ｆ_BRとほぼ一致するようになっている。

ＨＰＦ部１３０は、高調波生成部１２０から送られた高調波含有信号ＨＭＤを受ける。そして、ＨＰＦ部１３０は、カットオフ周波数Ｆ_CHのハイパスフィルタリング処理を高調波含有信号ＨＭＤに対して施す。このハイパスフィルタリング処理の結果が、信号ＨＢＤとして合成部１４０へ送られる。

上記の合成部１４０は、圧縮音声解凍装置２００から送られた圧縮音声信号ＣＡＤを受ける。また、合成部１４０は、ＨＰＦ部１３０から送られた信号ＨＢＤを受ける。そして、合成部１４０は、圧縮音声信号ＣＡＤと信号ＨＢＤとの合成を行い、高域補間信号ＨＩＤを生成する。こうして生成された高域補間信号ＨＩＤは、音出力装置３００へ送られる。

なお、合成部１４０の構成の詳細については、後述する。

図２（Ａ）には、サンプル周波数Ｆ_Sでサンプリングされて生成されたデジタル楽曲音に対応する圧縮前音声の平均的なスペクトルが模式的に示されている。この図２（Ａ）に示されるように、圧縮前音声の帯域の上限周波数は、最高周波数Ｆ_MAX（＝Ｆ_S／２）となっている。

かかる圧縮前音声を圧縮して得られる上述したビットレート「ＢＲ」の圧縮音声の信号帯域が図２（Ｂ）に示されている。この図２（Ｂ）に示されるように、ビットレート「ＢＲ」の圧縮音声は、信号帯域の上限周波数が周波数Ｆ_BRであり、周波数帯域（Ｆ_BR〜Ｆ_MAX）が、圧縮前音声と比べて、信号成分の欠落帯域となっている。

なお、図３（Ａ）には、上述したＬＰＦ部１１０のフィルタリング特性が示されている。また、図３（Ｂ）には、上述したＨＰＦ部１３０のフィルタリング特性が示されている。

（高調波生成部１２０の構成）
次に、上記の高調波生成部１２０の構成について説明する。

高調波生成部１２０は、図４に示されるように、エンベロープ信号生成部１２１と、正規化部１２２とを備えている。また、高調波生成部１２０は、高調波含有信号生成部１２３を備えている。

上記のエンベロープ信号生成部１２１は、ＬＰＦ部１１０から送られた信号ＬＰＤを受ける。そして、エンベロープ信号生成部１２１は、信号ＬＰＤの振幅（＝Ａ（Ｔ））のエンベロープ信号ＥＶＤを生成する。こうして生成されたエンベロープ信号ＥＶＤは、正規化部１２２へ送られる。

本実施形態では、エンベロープ信号ＥＶＤの生成に際して、エンベロープ信号生成部１２１は、まず、信号ＬＰＤの振幅の絶対値（＝｜Ａ（Ｔ）｜）を算出する。引き続き、エンベロープ信号生成部１２１は、値｜Ｅ（Ｔ−ΔＴ）｜から所定の一定値ΔＥ（＞０）を差し引いた値ＥＥ（Ｔ）を算出する。そして、エンベロープ信号生成部１２１は、絶対値（＝｜Ａ（Ｔ）｜）と値ＥＥ（Ｔ）とのうちで大きな値を、エンベロープ信号ＥＶＤの振幅（＝Ｅ（Ｔ））として採用する。

なお、時間ΔＴは、エンベロープ信号ＥＶＤの振幅（＝Ｅ（Ｔ））の算出周期時間である。また、値ΔＥは、合理的なエンベロープ信号ＥＶＤを生成するとの観点から、実験、シミュレーション、経験等に基づいて、予め定められる。

上記の正規化部１２２は、ＬＰＦ部１１０から送られた信号ＬＰＤを受ける。また、正規化部１２２は、エンベロープ信号生成部１２１から送られたエンベロープ信号ＥＶＤを受ける。そして、正規化部１２２は、信号ＬＰＤ及びエンベロープ信号ＥＶＤに基づいて、正規化信号ＮＭＤを算出する。こうして生成された正規化信号ＮＭＤは、高調波含有信号生成部１２３へ送られる。

かかる正規化信号ＮＭＤの算出に際して、正規化部１２２は、信号ＬＰＤの振幅（＝Ａ（Ｔ））及びエンベロープ信号ＥＶＤの振幅（＝Ｅ（Ｔ））に基づいて、次の（１）式により、正規化信号ＮＭＤの振幅（＝Ｘ（Ｔ））を算出する。
Ｘ（Ｔ）＝Ａ（Ｔ）／Ｅ（Ｔ） …（１）
このため、正規化信号ＮＭＤの振幅（＝Ｘ（Ｔ））の値は、「−１」以上かつ「１」以下となるようになっている。

上記の高調波含有信号生成部１２３は、正規化部１２２から送られた正規化信号ＮＭＤを受ける。そして、高調波含有信号生成部１２３は、正規化信号ＮＭＤに基づいて、正規化信号ＮＭＤ（ひいては、信号ＬＰＤ）の高調波として、３次以下の高調波を含む高調波含有信号ＨＭＤを生成する。こうして生成された高調波含有信号ＨＭＤは、ＨＰＦ部１３０へ送られる。

かかる高調波含有信号ＨＭＤの生成に際して、高調波含有信号生成部１２３は、正規化信号ＮＭＤの振幅（＝Ｘ（Ｔ））を変数として、次の（２）式により高調波含有信号ＨＭＤの振幅（＝Ｙ（Ｔ））を算出する。
Ｙ（Ｔ）＝Ｆ（Ｘ）
＝Ｃ₃・（Ｘ（Ｔ））³＋Ｃ₂・（Ｘ（Ｔ））²＋Ｃ_１・Ｘ（Ｔ） …（２）
定数Ｃ_１，Ｃ₂，Ｃ₃は、振幅（＝Ｘ（Ｔ））の符号が正負の場合で、出力（＝Ｙ（Ｔ））が非対称になるような（すなわち、原点（Ｘ（Ｔ）＝０，Ｙ（Ｔ）＝０）を基準として、点対称対象とはならないような）、ソフトクリップ非線形入出力特性を近似することにより導かれた値を使用する。

ここで、（２）式における「（Ｘ（Ｔ））³」と「Ｘ（Ｔ）」の項に起因して、高調波含有信号ＨＭＤには、正規化信号ＮＭＤ（ひいては、信号ＬＰＤ）の３次と１次の高調波が含まれることになる。また、（２）式における「（Ｘ（Ｔ））²」の項に起因して、高調波含有信号ＨＭＤには、正規化信号ＮＭＤ（ひいては、信号ＬＰＤ）の２次高調波が含まれることになる。

なお、定数Ｃ_１，Ｃ₂，Ｃ₃は、適切な２次高調波及び３次高調波の発生の観点から、実験、シミュレーション、経験等に基づいて、ソフトクリップ非線形入出力特性を調整することで、予め定められる。

図５には、振幅Ｘ（Ｔ）と振幅Ｙ（Ｔ）との関係の例が示されている。また、図６には、高調波含有信号ＨＭＤのスペクトルの例が示されている。

（合成部１４０の構成）
次いで、上記の合成部１４０の構成について説明する。

合成部１４０は、図７に示されるように、遅延部１４１と、乗算部１４２₁，１４２₂を備えている。また、合成部１４０は、加算部１４３を備えている。

上記の遅延部１４１は、圧縮音声解凍装置２００から送られた圧縮音声信号ＣＡＤ（＝Ｘ（Ｔ））を受ける。そして、遅延部１４１は、圧縮音声信号ＣＡＤを、ＬＰＦ部１１０及びＨＰＦ部１３０における位相遅延に対応する時間Ｔ_DLだけ遅延させた信号ＤＬＤ（＝Ｄ（Ｔ））を生成する。ここで、信号Ｄ（Ｔ）と圧縮音声信号Ｘ（Ｔ）との関係は、次の（３）式で表される。
Ｄ（Ｔ）＝Ｘ（Ｔ−Ｔ_DL） …（３）

この結果、信号ＤＬＤと、上述したＨＰＦ部１３０から出力される信号ＨＢＤとの同期が図られるようになっている。こうして生成された信号ＤＬＤは、乗算部１４２₁へ送られる。

上記の乗算部１４２₁は、遅延部１４１から送られた信号ＤＬＤを受ける。そして、乗算部１４２₁は、信号ＤＬＤをＫ₁倍して信号ＭＬＤを生成する。こうして生成された信号ＭＬＤは、加算部１４３へ送られる。

上記の乗算部１４２₂は、ＨＰＦ部１３０から送られた信号ＨＢＤを受ける。そして、乗算部１４２₂は、信号ＨＢＤをＫ₂倍して信号ＭＨＤを生成する。こうして生成された信号ＭＨＤは、加算部１４３へ送られる。

なお、値Ｋ₁と値Ｋ₂との比は、適切な高域補間の観点から、実験、シミュレーション、経験等に基づいて予め定められる。

上記の加算部１４３は、乗算部１４２₁から送られた信号ＭＬＤを受ける。また、加算部１４３は、乗算部１４２₂から送られた信号ＭＨＤを受ける。そして、加算部１４３は、信号ＭＬＤと信号ＭＨＤとを加算して高域補間信号ＨＩＤを生成する。こうして生成された高域補間信号ＨＩＤは、音出力装置３００へ送られる。

上述のようにして生成された信号ＭＨＤのスペクトルが図８に示されている。この図８では、ビットレート「ＢＲ」の圧縮音声信号ＣＡＤに対応して生成された信号ＭＨＤのスペクトルが、破線にて示されている。なお、図８では、信号ＤＬＤをＫ₁倍した信号ＭＬＤ（ひいては、圧縮音声信号ＣＡＤをＫ₁倍した信号）のスペクトルが、実線にて示されている。

図８に示されるように、高調波含有信号ＨＭＤは、圧縮音声信号ＣＡＤにおける信号成分の欠落帯域を、適切に補間する信号となっている。

［動作］
次に、上記のように構成された音響装置１００の動作について、圧縮音声信号ＣＡＤに基づく信号ＨＢＤ（図１参照）の生成処理に主に着目して説明する。

圧縮音声解凍装置２００が圧縮音声信号ＣＡＤの供給を開始すると、音響装置１００では、ＬＰＦ部１１０が圧縮音声信号ＣＡＤを受ける。また、音響装置１００では、合成部１４０が圧縮音声信号ＣＡＤを受ける（図１参照）。

圧縮音声信号ＣＡＤを受けると、ＬＰＦ部１１０は、カットオフ周波数Ｆ_CL（＝Ｆ_MAX／３＝Ｆ_S／６））のローパスフィルタリング処理を圧縮音声信号ＣＡＤに対して施す。そして、ＬＰＦ部１１０は、ローパスフィルタリング処理の結果を、信号ＬＰＤとして高調波生成部１２０へ送る（図１参照）。

ＬＰＦ部１１０から送られた信号ＬＰＤを受けると、高調波生成部１２０は、信号ＬＰＤの２次高調波及び３次高調波を含む高調波含有信号ＨＭＤを生成する。そして、高調波生成部１２０は、生成された高調波含有信号ＨＭＤをＨＰＦ部１３０へ送る（図１参照）。

かかる高調波含有信号ＨＭＤの生成に際して、高調波生成部１２０では、ＬＰＦ部１１０から送られた信号ＬＰＤを受けたエンベロープ信号生成部１２１が、まず、信号ＬＰＤ（＝Ａ（Ｔ））に基づいて、まず、信号ＬＰＤの振幅の絶対値（＝｜Ａ（Ｔ）｜）を算出する。引き続き、エンベロープ信号生成部１２１は、値｜Ｅ（Ｔ−ΔＴ）｜から所定の一定値ΔＥ（＞０）を差し引いた値ＥＥ（Ｔ）を算出する。

次に、エンベロープ信号生成部１２１は、絶対値（＝｜Ａ（Ｔ）｜）と値ＥＥ（Ｔ）とのうちで大きな値を、エンベロープ信号ＥＶＤの振幅（＝Ｅ（Ｔ））として採用して、エンベロープ信号ＥＶＤを生成する。そして、エンベロープ信号生成部１２１は、生成されたエンベロープ信号ＥＶＤを正規化部１２２へ送る（図４参照）。

ＬＰＦ部１１０から送られた信号ＬＰＤ（＝Ａ（Ｔ））、及び、エンベロープ信号生成部１２１から送られたエンベロープ信号ＥＶＤ（＝Ｅ（Ｔ））を受けると、正規化部１２２は、信号ＬＰＤ及びエンベロープ信号ＥＶＤに基づいて、正規化信号ＮＭＤを算出する。かかる正規化信号ＮＭＤの算出に際して、正規化部１２２は、信号ＬＰＤの振幅（＝Ａ（Ｔ））及びエンベロープ信号ＥＶＤの振幅（＝Ｅ（Ｔ））に基づいて、上述した（１）式により、値が「−１」以上かつ「１」以下となる正規化信号ＮＭＤの振幅（＝Ｘ（Ｔ））を算出する。そして、正規化部１２２は、算出された振幅の正規化信号ＮＭＤを高調波含有信号生成部１２３へ送る（図４参照）。

正規化部１２２から送られた正規化信号ＮＭＤ（＝Ｘ（Ｔ））を受けると、高調波含有信号生成部１２３は、正規化信号ＮＭＤに基づいて、正規化信号ＮＭＤ（ひいては、信号ＬＰＤ）の２次高調波及び３次高調波を高調波として含む高調波含有信号ＨＭＤを生成する。かかる高調波含有信号ＨＭＤに際して、高調波含有信号生成部１２３は、上述した（２）式により、高調波含有信号ＨＭＤの振幅（＝Ｙ（Ｔ））を算出する。そして、高調波含有信号生成部１２３は、算出された振幅の高調波含有信号ＨＭＤをＨＰＦ部１３０へ送る（図４参照）。

高調波生成部１２０（より詳しくは、高調波含有信号生成部１２３）から送られた高調波含有信号ＨＭＤを受けると、ＨＰＦ部１３０は、カットオフ周波数Ｆ_CH（＝Ｆ_BR）のハイパスフィルタリング処理を高調波含有信号ＨＭＤに対して施す。そして、ＨＰＦ部１３０は、ハイパスフィルタリング処理の結果を、信号ＨＢＤとして合成部１４０へ送る（図１参照）。

ＨＰＦ部１３０から送られた信号ＨＢＤを受けると、合成部１４０は、信号ＨＢＤと、圧縮音声解凍装置２００から送られた圧縮音声信号ＣＡＤとの合成を行う。かかる合成に際して、合成部１４０では、遅延部１４１が、圧縮音声信号ＣＡＤを、ＬＰＦ部１１０、及びＨＰＦ部１３０における位相遅延に対応する時間Ｔ_DLだけ遅延させて、信号ＨＢＤとの同期が図られた信号ＤＬＤを生成する。そして、遅延部１４１は、生成された信号ＤＬＤを乗算部１４２₁へ送る（図７参照）。

遅延部１４１から送られた信号ＤＬＤを受けると、乗算部１４２₁は、信号ＤＬＤをＫ₁倍して信号ＭＬＤを生成する。そして、乗算部１４２₁は、生成された信号ＭＬＤを加算部１４３へ送る（図７参照）。

一方、乗算部１４２₂は、信号ＨＢＤをＫ₂倍して信号ＭＨＤを生成する。そして、乗算部１４２₂は、生成された信号ＭＨＤを加算部１４３へ送る（図７参照）。

乗算部１４２₁から送られた信号ＭＬＤ、及び、乗算部１４２₂から送られた信号ＭＨＤを受けると、加算部１４３は、信号ＭＬＤと信号ＭＨＤとを加算して高域補間信号ＨＩＤを生成する。そして、加算部１４３は、生成された高域補間信号ＨＩＤを音出力装置３００へ送る（図７参照）。

すなわち、合成部１４０は、信号ＨＢＤと圧縮音声信号ＣＡＤとの同期を図ったうえで、適切な高域補間ができる混合比で重み付け加算して、信号ＨＢＤと圧縮音声信号ＣＡＤとの合成を行う。かかる合成の結果として生成された高域補間信号ＨＩＤが、音出力装置３００へ送られるようになっている。

音響装置１００（より詳しくは、合成部１４０）から送られた高域補間信号ＨＩＤを受けると、音出力装置３００は、高域補間信号ＨＩＤに従った音をスピーカＳＰから出力する。この結果、圧縮音声信号ＣＡＤの信号帯域に対応して適切に高域補間が行われた高品質の音声が、音出力装置３００から出力される。

以上説明したように、本実施形態では、高域補間に際して、まず、ＬＰＦ部１１０が、入力された圧縮音声信号ＣＡＤから、高調波生成の対象となる所定帯域の信号ＬＰＤを抽出する。引き続き、入出力特性が非線形となっている高調波生成部１２０が、信号ＬＰＤに基づいて、次数が３次以下に制限された高調波信号成分を含む高調波含有信号ＨＭＤを生成する。ここで、本実施形態では、高調波信号成分の周波数は、圧縮前音声の信号帯域内の周波数となっている。

次に、ＨＰＦ部１３０が、高調波含有信号ＨＭＤから、圧縮音声が圧縮前音声から生成された際に信号成分が欠落した信号欠落帯域の信号成分を抽出する。そして、合成部１４０が、圧縮音声信号ＣＡＤと信号ＨＢＤとを合成する。

したがって、本実施形態によれば、簡易な構成でエイリアジングノイズの発生を防止しつつ、圧縮音声信号に対して適切な高域補間を行って、高品質な音声を出力させることができる。

また、本実施形態では、高調波含有信号ＨＭＤの生成に際して、ローパスフィルタ部１１０から出力された信号ＬＰＤの絶対値からエンベロープ信号ＥＶＤを生成する。引き続き、正規化部１２２が、信号ＬＰＤの振幅をエンベロープ信号ＥＶＤの振幅で除した正規化信号ＮＭＤを生成する。そして、高調波含有信号生成部１２３が、正規化信号ＮＭＤに基づいて、高調波含有信号ＨＭＤを生成する。このため、信号ＬＰＤの振幅の絶対値が小さくなったとしても、安定した高調波生成を行うことができる。

また、本実施形態では、高調波含有信号生成部１２３が、上述した（２）式及び（３）式を利用して高調波含有信号ＨＭＤを生成する。また、ローパスフィルタ部１１０から出力された信号ＬＰＤの帯域が、圧縮前音声の信号帯域の最高周波数Ｆ_MAXを「３」で除した周波数以下の信号帯域に設定されている。このため、当該最高周波数Ｆ_MAXを超える周波数のパワーを無視できない高調波成分の発生をほぼ完全に回避できる。したがって、エイリアジングノイズの発生を非常に有効に防止することができる。

［実施形態の変形］
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

例えば、上記の実施形態では、高調波含有信号の生成に際して、最高次数を３次とするべき乗多項式である上述した（２）式を採用した。これに対し、当該（２）式に代えて、最高次数を２次又は４次以上としたべき乗多項式を採用するとともに、最高次数を「Ｎ」とした場合に、ローパスフィルタから出力された信号の帯域を圧縮前音声の信号帯域の最高周波数を「Ｎ」で除した周波数以下の信号帯域に設定するようにしてもよい。この場合には、発生した「Ｎ」次以下の高調波成分を利用した高域補間が行われる。

また、上記の実施形態では、正規化信号の振幅Ｘ（Ｔ）が正である場合と、非正である場合とで共通する（２）式により、高調波含有信号ＨＭＤの振幅Ｙ（Ｔ）を算出するようにした。これに対し、正規化信号の振幅Ｘ（Ｔ）が正である場合と、非正である場合とで異なる式により、高調波含有信号ＨＭＤの振幅Ｙ（Ｔ）を算出するようにしてもよい。

例えば、次の（４），（５）式により、高調波含有信号ＨＭＤの振幅Ｙ（Ｔ）を算出するようにしてもよい。
Ｙ（Ｔ）＝Ｆ（Ｘ）
＝Ｃ₃・（Ｘ（Ｔ））³＋Ｃ₂・（Ｘ（Ｔ））² [if X(T)＞0] …（４）
Ｙ（Ｔ）＝Ｘ [if X(T)≦0] …（５）

ここで、（４）式における「（Ｘ（Ｔ））³」の項に起因して、高調波含有信号ＨＭＤには、正規化信号ＮＭＤ（ひいては、信号ＬＰＤ）の３次高調波が含まれることになる。また、（４）式における「（Ｘ（Ｔ））²」の項の存在、及び、（５）式における「（Ｘ（Ｔ））²」の項の不存在に起因して、高調波含有信号ＨＭＤには、正規化信号ＮＭＤ（ひいては、信号ＬＰＤ）の２次高調波が含まれることになる。

なお、（４）式における定数Ｃ₂，Ｃ₃は、例えば、適切な２次高調波及び３次高調波の発生の観点から、実験、シミュレーション、経験等に基づいて予め定められたソフトクリップ非線形入出力特性を近似することにより導かれた値を使用する。

なお、図９には、上述した（４），（５）式を採用した場合の振幅Ｘ（Ｔ）と振幅Ｙ（Ｔ）との関係の例が示されている。

また、上記の実施形態におけるエンベロープ信号の生成方法に代えて、他のエンベロープ信号の生成方法を採用するようにしてもよい。

また、上記の実施形態では、圧縮音声信号の高域補間に本発明を適用するようにしたが、圧縮音声信号以外の音声信号の高域補間に本発明を適用してもよい。

また、上記の実施形態では、音響装置とは別の装置として圧縮音声解凍装置及び音出力装置が配置される構成とした。これに対し、音響装置が圧縮音声解凍装置の機能を備えるようにしてもよいし、また、音響装置が音出力装置の機能を備えるようにしてもよい。

なお、上記の実施形態の音響装置を、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等を備えた演算手段としてのコンピュータとして構成し、予め用意されたプログラムを当該コンピュータで実行することにより、上記の実施形態における処理の一部又は全部を実行するようにしてもよい。このプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ等の可搬型記録媒体に記録された形態で取得されるようにしてもよいし、インターネットなどのネットワークを介した配送の形態で取得されるようにしてもよい。

１００ … 音響装置
１１０ … ローパスフィルタ部
１２０ … 高調波生成部
１２１ … エンベロープ信号生成部
１２２ … 正規化部
１２３ … 高調波含有信号生成部
１３０ … ハイパスフィルタ部
１４０ … 合成部

Claims

入力された音声信号から、所定帯域の信号成分を抽出するローパスフィルタ部と；
入出力特性が非線形であり、前記ローパスフィルタ部の出力信号に基づいて、次数が制限された高調波信号成分を含む高調波含有信号を生成する高調波生成部と；
前記高調波生成部の出力信号から、前記音声信号において信号成分が欠落している信号欠落帯域の信号成分を抽出するハイパスフィルタ部と；
前記入力された音声信号と、前記ハイパスフィルタ部の出力信号とを合成する合成部と；
を備えることを特徴とする音響装置。
前記高調波生成部は、
前記ローパスフィルタ部の出力信号の絶対値からエンベロープ信号を生成するエンベロープ信号生成部と；
前記ローパスフィルタ部の出力信号の振幅を前記エンベロープ信号の振幅で除した正規化信号を生成する正規化部と；
前記正規化信号に基づいて、前記高調波含有信号を生成する高調波含有信号生成部と；
を備えることを特徴とする請求項１に記載の音響装置。
前記音声信号は、圧縮前音声のデータに対して圧縮処理がなされたデータを解凍して生成された圧縮音声信号であり、
前記高調波信号成分の周波数は、前記圧縮前音声の信号帯域内の周波数である、ことを特徴とする請求項２に記載の音響装置。
前記高調波含有信号生成部は、最高次数が値Ｎ（Ｎ：２以上の自然数）の前記正規化信号の振幅のべき乗多項式による算出結果を前記高調波含有信号の振幅として、前記高調波含有信号を生成し、
前記べき乗多項式による算出結果は、前記正規化信号の振幅の増加に従って増大し、
前記べき乗多項式を利用して実現される前記入出力特性は、基準点を中心に、点対称とはならない入出力特性であり、
前記所定帯域は、前記圧縮前音声の信号帯域の最高周波数を前記値Ｎで除した周波数以下の信号帯域に設定されている、
ことを特徴とする請求項３に記載の音響装置。
入力された音声信号に対して高域補間を行う音響装置において使用される信号処理方法であって、
前記入力された音声信号から、所定帯域の信号成分を抽出するローパスフィルタリング工程と；
前記ローパスフィルタリング工程により得られた信号に基づいて、非線形加工を行って、次数が制限された高調波信号成分を含む高調波含有信号を生成する高調波生成工程と；
前記高調波生成工程により得られた信号から、前記音声信号において信号成分が欠落している信号欠落帯域の信号成分を抽出するハイパスフィルタリング工程と；
前記入力された音声信号と、前記ハイパスフィルタリング工程により得られた信号とを合成する合成工程と；
を備えることを特徴とする信号処理方法。
音響装置が有するコンピュータに、請求項５に記載の信号処理方法を実行させる、ことを特徴とする信号処理プログラム。
音響装置が有するコンピュータにより読み取り可能に、請求項６に記載の信号処理プログラムが記録されている、ことを特徴とする記録媒体。