JP3149097B2

JP3149097B2 - 音響成分抽出装置、それを用いた電子楽器、及び周波数成分抽出装置

Info

Publication number: JP3149097B2
Application number: JP22990792A
Authority: JP
Inventors: 隆松田; 誠岩大路
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 1992-08-28
Filing date: 1992-08-28
Publication date: 2001-03-26
Anticipated expiration: 2016-03-26
Also published as: JPH0675563A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、入力された音響信号に
含まれ得る１種類又は複数種類の音響成分のレベルを抽
出する音響成分抽出装置、その抽出された音響成分のレ
ベルから音階を決定して対応する楽音を発生する電子楽
器、及び入力された信号に含まれ得る１種類又は複数種
類の周波数成分のレベル抽出する周波数成分抽出装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、例えば人が歌う歌声やマイク
ロフォンから採取した楽音などの繰り返し波形からなる
音声信号から、そのピッチ周波数又はピッチ周期（以
下、単に「ピッチ」と呼ぶ）を抽出したいという要請が
強い。ピッチを抽出できれば、例えば、そのピッチに対
応する楽音を電子楽器等から発音させることができるよ
うになるなど、抽出されたピッチ情報を様々な処理に用
いることが可能となる。

【０００３】従来から、音声信号からピッチを抽出する
技術として種々の手法が提案されている。ピッチ抽出方
式の従来例として、例えば本出願人が特開平４−１９６
９６で開示したように、各音階に対応するバンドパスフ
ィルタを各々設け、各フィルタを介して各音階に対応す
る周波数に関する周波数スペクトルのレベルを検知し、
レベルが大きい複数の周波数を複数のピッチ周波数とし
て求める方式がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の従来例
では、例えばこの従来例が楽器の音階検出装置として使
用される場合、高い音階域の音階周波数の差は、例えば
Ａ6 ＝１７６０［Ｈｚ］とＡ#6＝１８６７［Ｈｚ］の差
の１０７［Ｈｚ］のように、比較的大きい周波数差とな
るが、低い音階域の音階周波数の差は、例えばＡ2 ＝１
１０［Ｈｚ］とＡ#2＝１１６［Ｈｚ］の差の７［Ｈｚ］
のように、僅かな周波数差にしかならない。従って、低
い音階域ほどカットオフ周波数の急俊なバンドパスフィ
ルタを構成しなければ、ある音階の音しか入力されてい
なくとも、その他の音階のレベルもピッチ周波数に対応
するものとして検出してしまう結果となる。

【０００５】例えば、図２２のバンドパスフィルタの周
波数特性図として示されるような、Ａ4 ＝４４２［Ｈ
ｚ］の音階音を検出するバンドパスフィルタＢＰＦ１
と、それより半音高いＤ4 ＝４６８［Ｈｚ］の音階音を
検出するバンドパスフィルタＢＰＦ２とから構成される
バンドパスフィルタ群に、Ａ4 ＝４４２［Ｈｚ］の音階
音を含む音響信号が入力された場合、バンドパスフィル
タＢＰＦ１からの出力のほかに、バンドパスフィルタＢ
ＰＦ２から実験的にＢＰＦ１の出力の約３０％の出力が
出力されることが認められている。他の音階音を検出す
るバンドパスフィルタからも、程度の差はあるが、なん
らかの出力が出力される。

【０００６】上述の事実は、Ａ4 ＝４４２［Ｈｚ］の音
階音を含む音響信号が入力された場合に、隣接する音階
音を含む音響信号まで入力されたように誤判別をしてし
まう恐れがあることを示している。

【０００７】最も厳しい場合は、所定の音階音の両隣り
の音階音を含む音響信号が入力された場合であり、この
場合には、上述の所定の音階音を検出するバンドパスフ
ィルタには、かなり大きなレベルの出力が現れてしまう
ため、この出力が真の出力なのか偽の出力なのか判断す
ることが困難である。

【０００８】上述のような問題に対して、従来は、所定
の閾値以下のバンドパスフィルタの出力は偽の出力とし
て無視するような構成が採られている。しかし、このよ
うな構成においては、閾値によって、真の音階音の出力
が無視されたり、逆に偽の音階音の出力が真の音階音の
出力と判別されてしまったりする場合が生じる。

【０００９】また、上述のような問題に対して、バンド
パスフィルタの次数を高くすることによってカットオフ
周波数の急俊なバンドパスフィルタを構成することも考
えられるが、その場合、フィルタリング処理のための演
算量が膨大になり、ＤＳＰ等によるリアルタイム処理が
不可能になってしまうという問題点を有している。

【００１０】本発明の課題は、入力する音響信号が如何
なるピッチ周波数を有していてもそれを正確に検出可能
とすることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による音響成分抽
出装置は、まず、入力音響信号に対してそれぞれ周波数
特性の異なるフィルタリングを行うＮ種類のフィルタリ
ング手段を有する。これらＮ種類のフィルタリング手段
は、例えば、入力音響信号を入力とし、前記入力音響信
号に含まれ得るＮ種類の音響成分に対応する各周波数を
各中心周波数とするＮ種類のバンドパスフィルタリング
処理を実行し、そのＮ種類の処理の結果をそれぞれ出力
する。或いは、上述のＮ種類のフィルタリング手段は、
入力音響信号を入力とする所定特性のハイパスフィルタ
リング処理と、その結果得られる１つの出力を各入力と
し、それぞれ前記入力音響信号に含まれ得るＮ種類の音
響成分に対応する各周波数でピークを有するレゾナンス
が付加されたＮ種類のローパスフィルタリング処理と、
その結果得られるＮ種類の出力を各入力とし、それぞれ
エンベロープ成分を抽出するＮ種類の信号処理とを、時
分割で実行し、Ｎ種類の信号処理の結果をそれぞれ出力
する。そして、上述のＮ種類のフィルタリング手段は、
例えばディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）により実現
される。

【００１２】次に、以下のような音響成分レベル演算手
段を有する。まず、入力音響信号に含まれ得るＮ種類の
音響成分のレベルをｆi （１≦ｉ≦Ｎ）とし、入力音響
信号が入力されたときのＮ種類のフィルタリング手段の
各出力のレベルをＦt （１≦ｔ≦Ｎ）とし、ｉ（１≦ｉ
≦Ｎ）番目の音響成分のみがレベル１で入力されたとき
のｔ（１≦ｔ≦Ｎ）番目のフィルタリング手段の出力の
レベルをＰti（１≦ｉ≦Ｎ、１≦ｔ≦Ｎ）とする。そし
て、音響成分レベル演算手段は、入力音響信号が入力さ
れたときのＮ種類のフィルタリング手段の各出力のレベ
ルＦt （１≦ｔ≦Ｎ）を入力として、請求項１の数１式
で示されるＮ元連立１次方程式を解いて得られる請求項
１の数２式及び数３式で表される演算を実行することに
より、入力音響信号に含まれ得るＮ種類の音響成分のレ
ベルｆi （１≦ｉ≦Ｎ）を演算する。

【００１３】本発明では、上述の音響成分抽出装置の構
成に加えて、音響成分レベル演算手段によって演算され
るＮ種類の音響成分のレベルｆi （１≦ｉ≦Ｎ）に基づ
いて音階信号を発生する音階信号発生手段と、その音階
信号発生手段から発生される音階信号に対応する音階を
有する楽音を発生する楽音発生手段とを更に有する電子
楽器としても実現される。

【００１４】また、本発明は、入力音響信号に含まれ得
るＮ種類の音響成分のレベルではなく、単なる入力信号
に含まれ得るＮ種類の周波数成分のレベルを抽出する周
波数成分抽出装置としても実現できる。

【００１５】

【作用】本発明では、入力音響信号に含まれ得るＮ種類
の音響成分のうち、ｉ（１≦ｉ≦Ｎ）番目の音響成分の
みがレベル１で入力されたときのｔ（１≦ｔ≦Ｎ）番目
のフィルタリング手段の出力のレベルＰti（１≦ｉ≦
Ｎ、１≦ｔ≦Ｎ）は、予め観測でき、数１式で示される
右辺第１項の行列で示される。これを用いると、入力音
響信号に含まれ得るＮ種類の音響成分のレベルｆi （１
≦ｉ≦Ｎ）と、入力音響信号が入力されたときのＮ種類
のフィルタリング手段の各出力のレベルＦt（１≦ｔ≦
Ｎ）との関係は、数１式で表すことができる。

【００１６】現実に観測される物理量は、入力音響信号
に対してＮ種類のバンドパスフィルタリング処理が実行
されることにより得られるＮ種類の出力Ｆt （１≦ｔ≦
Ｎ）である。従って、数１式は、Ｎ個の未知数ｆi （１
≦ｉ≦Ｎ）を含むＮ元連立１次方程式となる。これを解
くと、ｆi （１≦ｉ≦Ｎ）は、数２式及び数３式で表す
ことができる。

【００１７】以上のようにして、入力音響信号における
Ｎ種類の音響成分のレベルｆi （１≦ｉ≦Ｎ）を正確に
求めることができる。そして、このように抽出される音
響成分のレベルｆi （１≦ｉ≦Ｎ）のうち、例えば所定
の閾値を越えたものに対応する音階信号を音階信号発生
手段で発生することにより、その音階信号に対応する音
階を有する楽音を楽音発生手段から発生させることがで
きる。

【００１８】ここで、数３式に示される行列の要素値に
おいて、値が所定の閾値より小さいものはその要素値は
０に近似され、音響成分レベル演算手段は、数２式及び
数３式で表される演算を実行する場合に、０に近似され
た要素値に関する乗算を省略して演算を実行することに
より、演算量を軽減することができる。

【００１９】

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例に
つき詳細に説明する。全体構成図１は、本発明の実施例の全体構成を示すブロック図で
ある。この実施例は、マイク１１２又は音響信号のライ
ン入力端子LINE IN から入力される音響信号からその信
号に含まれる音階音成分が抽出され、それらの音階音成
分に対応する音階を有する楽音が発音される音階音検出
処理モードを有する電子楽器として実現される。

【００２０】本実施例は、ＣＰＵ（中央演算制御装置）
１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３、音階音検出部１
１１、キーボード１０６、ディスプレイ１０５、プリン
タ１０４、楽音発生回路１０８、Ｄ／Ａ変換器１０９、
アンプ１１０及びスピーカ１１１等を備えており、こら
ら各部分は、バス１０７により接続されている。

【００２１】ＲＯＭ１０２には、後述する動作フローチ
ャートで示される各種制御プログラムや、音色データ等
の各種データが格納されている。ＣＰＵ１０１は、ＲＯ
Ｍ１０２内の制御プログラムに従って、他の各部分を制
御する。

【００２２】ＲＡＭ１０３は、後述する音階音検出部１
１１をゼロクロス検出装置やディジタルフィルタ又はエ
ンベロープ抽出装置として動作させるためのデータ等を
記憶すると共に、ＣＰＵ１０１のワークメモリとして機
能する。

【００２３】音階音検出部１１１は、マイク１１２、マ
イクアンプ１１３、ローパスフィルタ１１４、Ａ／Ｄ変
換器１１５、ＤＳＰ１１６、ＲＯＭ１１７及びワークＲ
ＡＭ１１８から構成され、また、音響信号のライン入力
端子として、LINE IN を備えている。

【００２４】この音階音検出部１１１では、マイク１１
２又はライン入力端子LINE IN から入力されるアナログ
音響信号（楽器音、人声音、或いはテープレコーダやラ
ジオ、テレビ、ＣＤプレーヤ等からの再生音響等）が、
ローパスフィルタ１１４を介してＡ／Ｄ変換器１１５に
入力され、ディジタル音響信号（以後、単に音響信号と
呼ぶ）ｘ(n) に変換されてＤＳＰ１１６に入力される。

【００２５】ＤＳＰ１１６は、上記音響信号ｘ(n) に基
づいて、後述するディジタルフィルタ演算のための各種
係数を記憶したＲＯＭ１１７、或いは各種データを記憶
するワークＲＡＭ１１８を用いて、後述する音階音の検
出処理を行う。

【００２６】ＤＳＰ１１６での処理結果は、ＣＰＵ１０
１に送られる。ＣＰＵ１０１は、ＤＳＰ１１６での処理
結果及び後述する楽音発生回路１０８に内蔵されている
各種モジュールの記憶状態に基づいて、楽音発生回路１
０８に対する音階音の割り付け処理や削除処理を行う。
ここで、音階音（スケールノート）とは音階（スケー
ル）を構成する各音を指し、例えばハ長調音階には７
個、半音階には１２個の音階音がある。

【００２７】つぎに、キーボード１０６には、ファンク
ションスイッチや鍵盤等が設けられており、これらが操
作されると、ＣＰＵ１０１が、その操作状態を検出し、
楽音発生回路１０８に発生されるべき楽音を割り当て
る。

【００２８】ディスプレイ１０５又はプリンタ１０４
は、ＣＰＵ１０１の制御下で動作し、検出された音階音
を表示し又は用紙に印字する。例えばＣＰＵ１０１は、
リアルタイムで入力中の音響信号の音階音をディスプレ
イ１０５に表示し、或いは、この音響信号の音階音を、
ノンリアルタイムで、編集作業等を経た上で、楽譜など
としてディスプレイ１０５にしたりプリンタ１０４で用
紙に印字したりしてもよい。

【００２９】楽音発生回路１０８としては、例えば、Ｐ
ＣＭ方式、ＦＭ方式、ｉＰＤ方式、正弦波合成方式等の
各種タイプの音源回路が適用可能である。この楽音発生
回路１０８は、複数（例えば４チャネル）の楽音発音チ
ャネルを有しており、ＣＰＵ１０１によって割り付けら
れた音階音番号ｔの音階音を発生する。この音階音は、
オーディオシステム１０９を介してスピーカ１１０から
放音される。

【００３０】ここで、音階音番号ｔは、その音域内のす
べての音名に付けられた番号であって、例えば入力され
る楽音の音域がＣ３〜Ｃ６の３オクターブの場合、最低
音から順次、Ｃ３にはｔ＝１、Ｃ３＃にはｔ＝２、Ｄ３
にはｔ＝３、・・・、Ｂ５にはｔ＝３６、Ｃ６にはｔ＝
３７というように、各音階音番号が付与される。ＤＳＰの構成次に、図２は、図１のＤＳＰ１１６の全体構成図であ
る。

【００３１】同図において、まず、インタフェース２０
１は、ＣＰＵ１０１に接続されるバス１０７及びＡ／Ｄ
変換１１５に接続されるバスを収容し、各バスとＤＳＰ
内部の回路とを接続する。

【００３２】オペレーションＲＯＭ２０３は、ＤＳＰ１
１６の全体の動作を規定するマイクロプログラムを格納
したＲＯＭであり、アドレスカウンタ２０２からの指定
アドレスに基づいて対応するプログラム命令が読み出さ
れる。図１のＣＰＵ１０１は、アドレスカウンタ２０２
にデータをセットすることによって、オペレーションＲ
ＯＭ２０３から如何なるプログラムを読み出して後述す
る各処理を実行するかを、アドレスカウンタ２０２に指
示する。

【００３３】オペレーションＲＯＭ２０３の出力は、デ
コーダ２０４にも与えられ、ＤＳＰ１１６内の各回路に
各種の制御信号を出力し、所望の動作を行わせる。一
方、ＤＳＰ１１６の内部バスには、図１のＲＯＭ１１７
及びワークＲＡＭ１１８が接続される。そして、オペレ
ーションＲＯＭ２０３からのプログラム命令に従って、
フィルタ係数や音響信号ｘ(n) 等が、ＤＳＰ１１６に対
して供給され、或いはワークＲＡＭ１１８に対して入出
力される。

【００３４】レジスタ群２０８は、演算中のデータを一
時記憶する複数のレジスタからなり、乗算器２０５又は
加減算器２０７の各入出力端子に、内部バスを介して接
続されている。そして、加減算器２０７からの演算結果
（比較結果等）に基づいたジャッジ処理を実現するた
め、フラグレジスタ２０６を介してアドレスカウンタ２
０２へ、ジャッジ結果を示すフラグ信号が送出される。

【００３５】このフラグレジスタ２０６の出力に応じて
アドレスカウンタ２０２のアドレスが変更され、そのア
ドレスに応じてオペレーションＲＯＭ２０３からプログ
ラム命令が読み出される。このようにして、ジャッジ処
理が実現される。

【００３６】以上、図１及び図２の構成を有する本発明
の実施例の動作について、以下に順次説明する。音階音検出処理まず、ＤＳＰ１１６で実行される音階音検出処理の動作
原理について説明する。＜音階音検出処理の基本動作原理＞まず、ＤＳＰ１１６
で実行される音階音検出処理の基本動作原理を、図３と
図４を用いて説明する。

【００３７】図３は、音階音検出処理の基本機能ブロッ
ク図である。図３において、入力音響信号ｘ(n) は、各
サンプルタイミング毎に図１のＡ／Ｄ変換器１１５から
ＤＳＰ１１６に入力されてくる１サンプル分の音響信号
である。なお、ｎは、離散的なサンプリング時刻を示
す。

【００３８】上述の入力音響信号ｘ(n) に対して、ＤＳ
Ｐ１１６における時分割処理によって、Ｎ種類のバンド
パスフィルタリング処理が実行される。今、任意の音階
音番号ｔ（１≦ｔ≦Ｎ）の音階音の周波数を中心周波数
とするバンドパスフィルタの伝達関数をＨt(z)とする。
本実施例では、各伝達関数Ｈt(z)（１≦ｔ≦Ｎ）の特性
が、複数オクターブの各音階音に依存して変更される。

【００３９】図４は、伝達関数Ｈt(z)を有するバンドパ
スフィルタとしてチェビシェフ形フィルタが採用される
場合の周波数特性図である。この場合の伝達関数Ｈt(z)
は、下式で示される。

【００４０】

【数７】

【００４１】ここで、ｉ＝１とすると、ＤＳＰ１１６
は、

【００４２】

【数８】

【００４３】で示されるディジタルフィルタリング処理
の演算を実行することになる。更に、ｉ≧２の場合に
は、数８式と同様の演算が繰り返し実行されることにな
る。

【００４４】また、伝達関数Ｈt(z)を有するバンドパス
フィルタのフィルタ係数は、数値計算で求めることがで
きる。具体例としては、Ａ４音に対応する中心周波数が
４４０［Ｈｚ］のバンドパスフィルタを以下に示される
条件（〜は図４を参照）で構成すると、下記の如き
係数値で実現される伝達関数Ｈt(z)を有するディジタル
フィルタリング処理が実行されることになる。

【００４５】即ち、＝１［ｄＢ］＝サンプリング周波数ｆs ＝１０［ｋＨｚ］＝１２［ｄＢ］以上＝４１５［Ｈｚ］＝４３０［Ｈｚ］＝４５０［Ｈｚ］＝４６６［Ｈｚ］の条件で、ｉ＝１、２の２段のディジタルフィルタの各
フィルタ係数は、Ｈt(0)＝0.08192384 ｉ＝１に対して、ａ₁(1)=-1.91442200776 ａ₂(1)= 0.9933673 ｂ₁(1)=-1.91105345727 ｂ₂(1)= 1. ｉ＝２に対して、ａ₁(2)=-1.9210712 ａ₂(2)= 0.993606 ｂ₁(2)=-1.93525314797 ｂ₂(2)= 1. となる。

【００４６】このように、各音階音ｔ（１≦ｔ≦Ｎ）の
伝達関数Ｈt(z)を有するバンドパスフィルタのディジタ
ルフィルタリング処理がＤＳＰ１１６において時分割的
に実行され、その結果、図３の各出力信号Ｙt(n)（１≦
ｔ≦Ｎ）が求まる。

【００４７】続いて、ＤＳＰ１１６は、図３に示される
ように、上記各出力信号Ｙt(n)に対して、それぞれエン
ベロープ抽出処理を時分割処理によって実行する。この
エンベロープ抽出処理は、各出力信号Ｙt(n)に対して、
所定時間間隔（例えば各音階音に対応する時間間隔）毎
にピークレベル（絶対値）を求める処理として実現され
る。或いは、後述するような特定のディジタルフィルタ
リング処理を各出力信号Ｙt(n)の絶対値に対して実行す
る処理として実現される。

【００４８】以上のようにして、ＤＳＰ１１６による時
分割処理によって、各音階音ｔ（１≦ｔ≦Ｎ）に対応す
るエンベロープ信号Ｅt(n)が求まる。そして、前述した
ＣＰＵ１０１による発音処理において、後に詳述するよ
うなレベル判断処理を実行することにより、入力音響信
号ｘ(n) から音階音情報を検出することができる。＜音階音検出処理の改良動作原理＞上述の伝達関数Ｈt
(z)を有するバンドパスフィルタは、それがチェビシェ
フ形フィルタとして実現される場合についての原理説明
であったが、例えば前述したようなＡ４音に対応する中
心周波数が４４０［Ｈｚ］のバンドパスフィルタが構成
された場合、そのディジタルフィルタリング処理におい
て各サンプルタイミング毎に８回の乗算が必要となる。

【００４９】そこで、ディジタルフィルタリング処理に
おける乗算回数を減らし、リアルタイムの音階音検出処
理を可能とする、音階音検出処理の改良された動作原理
につき、図５〜図１５を用いて以下に説明する。

【００５０】図５は、音階音検出処理の改良機能ブロッ
ク図である。図５においては、図３の伝達関数Ｈt(z)
（１≦ｔ≦Ｎ）を有するバンドパスフィルタと等価なフ
ィルタが、伝達関数Ｈ1(z)（全音階音ｔで共通）を有す
る１つのハイパスフィルタと、伝達関数Ｈ2t(z) （１≦
ｔ≦Ｎ）を有するＮ種類のローパスフィルタとのカスケ
ード接続によって実現される。この場合に、図３のバン
ドパスフィルタの伝達関数Ｈt(z)は、図５のように、ハ
イパスフィルタの伝達関数Ｈ1(z)とローパスフィルタの
伝達関数Ｈ2t(z) の積で表される。

【００５１】ここで、ハイパスフィルタの伝達関数Ｈ1
(z)は、後に詳述するが、周波数０で０、周波数ｆs ／
２［Ｈｚ］で出力が最大となる特性を有する。また、ロ
ーパスフィルタの伝達関数Ｈ2t(z) は、これも後に詳述
するが、Ｎ種類の各音階音に対応する周波数（以下、
「音階音周波数と呼ぶ」）で出力が極大となるレゾナン
スタイプの特性を有する。従って、上述の伝達関数Ｈ1
(z)を有する１つのハイパスフィルタとＮ種類の伝達関
数Ｈ2t(z) を有するローパスフィルタとがカスケード接
続されることにより得られるＮ種類のフィルタの伝達関
数Ｈt(z)は、図６の如く疑似的なバンドパスフィルタの
特性となっている。図６で、各中心周波数ｆ₁〜ｆ_Nが
各音階音周波数に対応し、また、隣接帯域間の周波数差
はΔｆである。更に、Ｎの値は４０〜５０程度（本実施
例の場合、高域側の３〜４オクターブ分）にすることが
可能である。

【００５２】上述のカスケード接続されたハイパスフィ
ルタとローパスフィルタに対応するフィルタリング処理
が実行される結果、Ｎ種類の伝達関数Ｈ2t(z) を有する
各ローパスフィルタリング処理の出力として得られる各
出力信号Ｗt(n)（１≦ｔ≦Ｎ）が、図５のように、伝達
関数ＨEt(z) （１≦ｔ≦Ｎ）で示される各エンベロープ
抽出部に入力することにより、それぞれの出力としてエ
ンベロープ信号Ｅt(n)（１≦ｔ≦Ｎ）が得られる。この
エンベロープ抽出部は、後に詳述するように、カットオ
フ周波数の低いローパスフィルタリング処理として実現
される。

【００５３】次に伝達関数Ｈ1(z)を有するハイパスフィ
ルタリング処理、伝達関数Ｈ2t(z)を有するローパスフ
ィルタリング処理、及び伝達関数ＨEt(z) を有するロー
パスフィルタリング処理（エンベロープ抽出部に対応）
の各フィルタリング特性について、以下に詳細に説明す
る。

【００５４】図７は、図５の伝達特性Ｈ1(z)を有するハ
イパスフィルタをハードウエアのイメージで示した構成
図である。これは、２次のＦＩＲディジタルフィルタで
あって、その伝達関数は、

【００５５】

【数９】

【００５６】で示される。図７において、７０１、７０
２のｚ-1はサンプリング・クロック１周期分の遅延を与
える遅延素子を表し、７０６、７０７は加算器である。
また７０３、７０４、７０５は乗算器であり、×２、×
１、×1/4 の各係数は、上記各乗算器における乗算係数
である。

【００５７】ＤＳＰ１１６においては、図７のハイパス
フィルタと等価なフィルタリング処理が、

【００５８】

【数１０】

【００５９】なる離散演算処理により実現される。な
お、この場合、フィルタ係数は２の倍数であるので、係
数と信号の乗算は、単なるビットシフト処理で実現され
る。

【００６０】このハイパスフィルタリング処理の周波数
特性は、

【００６１】

【数１１】

【００６２】となり、Ω＝０（０［Ｈｚ］）でゲインが
最小、Ω＝π（ｆs ／２［Ｈｚ］）でゲインが最大にな
る特性を有する。ここでｆs は図１のＡ／Ｄ変換器１１
５における音響信号ｘ(n) のサンプリング周波数であ
る。図８にこのハイパスフィルタリング処理の特性を示
す。サンプリング定理により、ｆs ／２〜ｆs ［Ｈｚ］
までの周波数特性は、０〜ｆs ／２［Ｈｚ］までの周波
数特性がｆs ／２［Ｈｚ］を境に折返った特性となって
いる。

【００６３】続いて、図９は、図５の伝達関数Ｈ2t(z)
を有するローパスフィルタをハードウエアのイメージで
示した構成図である。これは、２次のＩＩＲディジタル
フィルタであり、その伝達関数は、

【００６４】

【数１２】

【００６５】で示される。そして、この式のθとＣＹ
は、後述するように、各音階音ｔに応じて変化し、また
ｒがレゾナンスの強さ、つまり出力ピークの大きさを示
すパラメータである。

【００６６】図９において、９０１、９０２は、サンプ
リング・クロック１周期分の遅延を与える遅延素子を表
し、９０３、９０４、９０５は乗算器で、それぞれに同
図に示される係数−２ｒｃｏｓθ、ｒU 、ＣＹが乗算さ
れる。また、９０６及び９０７は加算器である。

【００６７】ＤＳＰ１１６においては、図９に示す構成
のローパスフィルタと等価なフィルタリング処理が、

【００６８】

【数１３】

【００６９】及び、

【００７０】

【数１４】

【００７１】なる離散演算処理により実現される。ここ
で、伝達関数の極は、“**”をべき乗演算として、ｚi
＝ｒｅ**(jθ）、ｚ₂＝ｒｅ**（-jθ）に存在し、ｚ＝
０に二重の零点がある。この極と零点の配置と、０＜θ
＜π／２としたときの極ベクトルと零点ベクトルとの関
係を図１０に示す。

【００７２】同図から理解されるとおり、単位円に沿っ
て移動する点Ｐと零点０を結ぶ線分が実軸となす角度を
Ωとすると、Ω＝０〜πにおいて、極ベクトルＺ₁と零
点ベクトルＶ₁との差であるベクトルＶ₂の長さは、初
めは減少し、その後に増加する。ベクトルＶ₂の最小の
長さは、Ｐ点が極Ｚ₁に最接近したとき、すなわち、θ
＝Ωのときである。

【００７３】ここで、このローパスフィルタリング処理
の周波数Ωにおける周波数応答の大きさ（振幅特性）
は、零点ベクトルＶ₁とベクトルＶ₂のそれぞれの長さ
の比で定まる。そして、この零点ベクトルＶ₁の値は常
に１であるから、周波数応答の大きさは、ベクトルＶ₂
の大きさの逆数に比例し、上述のようにθ＝Ωで最大と
なる。また周波数応答の大きさのピークは、ｒの値によ
り定まり、ｒの値が１に近づくほど大きくなる。図１１
は、Ω＝−π〜πにおけるこの周波数応答の大きさを表
している。

【００７４】一方、周波数応答の位相は、実軸と零点ベ
クトルＶ₁とのなす角Ωから、実軸とベクトルＶ₂との
なす角を引いた値になる。以上の説明から明らかなよう
に、各音階音ｔ（１≦ｔ≦Ｎ）の中心周波数ｆ_tとサン
プリング周波数ｆ_sを用いて、θ＝２πｆ_s／ｆ_tで求
まるθの値を決めれば、図１２に示されるように、各帯
域の中心周波数ｆ_tでピークを有するローパスフィルタ
リング処理が実現される。

【００７５】この場合、ピークの大きさは、前述のよう
にｒの値により変化するが、このｒの値を選択してピー
クが隣の帯域に影響するのを防ぎ、また前述のＣＹの値
を選択して各帯域の出力Ｗt(n)のレベルがほぼ等しくな
るように設定することができる。

【００７６】上述のｒとＣＹの値は、例えば次のように
して求めることができる。今、各音階音ｔの中心周波数
ｆt と、それからΔｆ離れた隣の音階音ｔ＋１の中心周
波数ｆ_t+1（＝ｆ_t＋Δｆ）との周波数応答の大きさの
比をｍとすると、

【００７７】

【数１５】

【００７８】というｒについての４次方程式を解き、そ
の結果、得られたｒのうち、０＜ｒ＜１であるｒを選
び、各係数−２ｒｃｏｓθ、ｒを求めることができる。
数値計算の結果、例えばＡ４音に対応する中心周波数が
４４０［Ｈｚ］であり、サンプリング周波数ｆ_s＝５
［ｋＨｚ］、ｍ＝４とすると、 −２ｒｃｏｓθ＝-1.9773 ｒ²＝ 0.9851 ＣＹ＝ 36.7 となる。その他の帯域についても同じようにして求める
ことができる。

【００７９】以上のような伝達関数Ｈ1(z)を有するハイ
パスフィルタリング処理と伝達関数Ｈ2t(z) を有するロ
ーパスフィルタリング処理が、図５に示されるようにカ
スケードに処理されることによって、各伝達関数の積と
して表される全体の伝達関数Ｈt(z)として、図６で前述
した疑似的なバンドパスフィルタリング処理の特性が実
現される。

【００８０】つぎに、図１３は、図５の伝達特性ＨEt
(z) を有するローパスフィルタ（エンベロープ抽出部）
をハードウエアのイメージで示した構成図である。これ
は、前述した伝達関数Ｈ2t(z) を有するローパスフィル
タと同じ形の２次のＩＩＲディジタルフィルタで、その
伝達関数は、

【００８１】

【数１６】

【００８２】である。この式は数１２式で前述したロー
パスフィルタの伝達関数Ｈ2t(z) において、ｒ＝０．
９、θ＝０としたものに等しい。図１３において、絶対
値回路１３０１は、図５の伝達関数Ｈ2t(z) を有するロ
ーパスフィルタの出力Ｗt(n)の絶対値｜Ｗt(n)｜を出力
して、次のディジタルフィルタ部に送る。１３０２、１
３０３はサンプリング・クロック１周期分の遅延を与え
る遅延素子、１３０４、１３０５及び１３０６は乗算器
で、各乗算器には同図に示される各係数が乗算される。
また、１３０７及び１３０８は加算器である。

【００８３】ＤＳＰ１１６では、図１３に示される構成
のローパスフィルタと等価なフィルタリング処理が、

【００８４】

【数１７】

【００８５】なる離散演算処理により実現される。この
ローパスフィルタリング処理の周波数特性は、図１４に
示されるように、最大値を示すレゾナンスをΩ＝０に有
する。このローパスフィルタリング処理のカットオフ周
波数は、エンベロープ抽出という目的から、先に説明し
た伝達関数Ｈ2t(z) を有するローパスフィルタリング処
理の最低帯域（ｔ＝１）のカットオフ周波数より、はる
かに低い周波数に設定される。

【００８６】ここで、係数ＣＥは、各音階音ｔ毎のそれ
ぞれの出力レベルを合わせるためのものである。図１５
は、図１３のローパスフィルタで得られたエンベロープ
信号Ｅt(n)を、伝達関数Ｈ2t(z) を有するローパスフィ
ルタの出力の絶対値｜Ｗt(n)｜と対比させて模式的に示
した図である。図１３の絶対値回路１３０１に相当する
演算によって、入力信号の負の波高値（図１５の破線）
が正の波高値に変換された上で、ローパスフィルタリン
グ処理が行われる。これにより、各音階音ｔに対応する
エンベロープを求める動作が実現される。＜音階音検出処理における音階音成分の振幅エンベロー
プ値の演算原理＞上述したように、入力音響信号ｘ(n)
に対して伝達関数Ｈ1(z)を有する１種類のハイパスフィ
ルタリング処理が実行され、そのフィルタ出力に対して
伝達関数Ｈ2t(z) （１≦ｔ≦Ｎ）を有するＮ種類のロー
パスフィルタリング処理が実行されることによって、Ｎ
種類の音階音成分のうちから入力音響信号ｘ(n) に含ま
れる１つ又は複数の音階音成分を抽出するための、Ｎ種
類のバンドパスフィルタリング処理（図６参照）が実現
される。

【００８７】今、入力音響信号ｘ(n) におけるＮ種類の
音階音成分のレベルをＸi(n)（１≦ｉ≦Ｎ）とすれば、
ｔ番目の音階音を抽出するためのｔ番目（１≦ｔ≦Ｎ）
のバンドパスフィルタリング処理の出力Ｗt(n)は、上述
のＮ種類の音階音成分のレベルＸi(n)（１≦ｉ≦Ｎ）の
影響を受けており、次式で表すことができる。

【００８８】

【数１８】

【００８９】ここで、Ａtiは、ｉ番目の音階音成分が振
幅１で入力されたときの、ｔ番目の音階音を抽出するた
めのｔ番目のバンドパスフィルタリング処理の出力レベ
ルであり、例えば実験的に図１６のマトリックス表で表
される各値を有する。

【００９０】この表は、Ｎ＝１２（１オクターブ分の音
階音の数に相当する）である場合の例である。そして、
この表では、近似的に、１つの音階音に対応するバンド
パスフィルタリング処理の出力には、その音階音の隣り
の音階音の入力レベルの３０％が混入され、その音階音
から２音階離れている音階音の入力レベルの２０％が混
入され、その音階音から３音階以上離れている音階音の
入力レベルの１０％が混入されることが示されている。

【００９１】現実に観測される物理量は、入力音響信号
ｘ(n) に対してＮ種類のバンドパスフィルタリング処理
が実行されることにより得られるＮ種類の出力Ｗt(n)
（１≦ｔ≦Ｎ）である。従って、数１２式は、Ｎ個の未
知数Ｘi(n)（１≦ｉ≦Ｎ）を含むＮ元連立１次方程式と
なる。これを解くと、Ｘi(n)（１≦ｉ≦Ｎ）は、次式で
表すことができる。

【００９２】

【数１９】

【００９３】但し、Ｃitは、次式で表される。

【００９４】

【数２０】

【００９５】上式で、行列記号“［］^-1”は、それを
含む行列が逆行列であることを示す。前述した図１６の
Ａtiから数２０式によって求まるＣitの各値を図１７の
マトリックス表に示す。

【００９６】以上のようにして、入力音響信号ｘ(n) に
おけるＮ種類の音階音成分のレベルＸi(n)（１≦ｉ≦
Ｎ）を求めることができる。ここで、音階を特定するた
めには、音階音成分Ｘi(n)の平均振幅のレベルを抽出す
るのが都合が良いが、この平均振幅のレベルには音階音
成分Ｘi(n)の振幅エンベロープ値が良く対応する。今、
入力音響信号ｘ(n) におけるＮ種類の音階音成分Ｘi(n)
（１≦ｉ≦Ｎ）の振幅エンベロープ値をＥＸi(n)（１≦
ｉ≦Ｎ）とすれば、この振幅エンベロープ値ＥＸi(n)に
対応するものは、前述したように、Ｎ種類の出力Ｗt(n)
（１≦ｔ≦Ｎ）に対して実行される伝達関数ＨEt(z)
（１≦ｔ≦Ｎ）で示されるＮ種類のローパスフィルタリ
ング処理（図３又は図５のエンベロープ抽出部に対応）
の結果得られるＮ種類のエンベロープ信号Ｅt(n)（１≦
ｔ≦Ｎ）である。

【００９７】そして、前述したＸi(n)とＷt(n)とに関す
る数１９式の関係は、そのままそれらのエンベロープで
あるＥＸi(n)とＥt(n)に対してもあてはまり、次式が成
り立つ。

【００９８】

【数２１】

【００９９】但し、Ｃitは、前述した数２０式で表され
る。以上の数２１式によって、現実に観測される物理量
であるＮ種類のエンベロープ信号Ｅt(n)（１≦ｔ≦Ｎ）
に基づき、入力音響信号ｘ(n) におけるＮ種類の音階音
成分の振幅エンベロープ値ＥＸi(n)（１≦ｉ≦Ｎ）を求
めることができる。そして、これらのＮ種類の音階音成
分の振幅エンベロープ値ＥＸi(n)（１≦ｉ≦Ｎ）におい
て、レベル値が大きい上位Ｍ個の振幅エンベロープ値に
対応する音階を選択することにより、入力された音響信
号に含まれるＭ個の音階音の音階を抽出することができ
る。＜音階音検出処理の具体的動作の第１の実施例＞上述の
音階音検出処理の改良原理及び音階音検出処理における
音階音成分の振幅エンベロープ値の演算原理に従い、入
力される音響信号の音高（ピッチ）に対応する音階音成
分の振幅エンベロープ値を求める具体的動作の第１の実
施例を、図１８の動作フローチャートを用いて説明す
る。この動作フローチャートは、ＤＳＰ１１６が、オペ
レーションＲＯＭ２０３内に記憶されているマイクロプ
ログラムを実行する動作として実現される。

【０１００】図１８の動作フローチャートに関連して、
ワークＲＡＭ１１８には、図１のＡ／Ｄ変換器１１５か
ら入力される現在、１サンプル前及び２サンプル前の各
音響信号を保持する各変数ｘ(n) 、ｘ(n-1) 及びｘ(n-
2) 、図５の伝達関数Ｈ1(z)を有するハイパスフィルタ
部の現在、１サンプル前及び２サンプル前の各出力を保
持する各変数ｓ(n) 、ｓ(n-1) 及びｓ(n-2) 、図５の伝
達関数Ｈ2t(z) を有する各音階音ｔに対応するローパス
フィルタ部の現在、１サンプル前及び２サンプル前の各
出力を保持する各変数Ｗt(n)、Ｗt(n-1)及びＷt(n-2)
（１≦ｔ≦Ｎ）、図５の伝達関数ＨEt(z) を有する各音
階音ｔに対応するエンベロープ抽出部の現在、１サンプ
ル前及び２サンプル前の各出力を保持する各変数Ｅt
(n)、Ｅt(n-1)及びＥt(n-2)（１≦ｔ≦Ｎ）、並びに各
音階音成分の振幅エンベロープ値を保持する変数ＥＸi
(n)（１≦ｉ≦Ｎ）がそれぞれ格納される。

【０１０１】まず、ユーザがキーボード１０６上のファ
ンクションスイッチにより音階音検出処理モードを指定
すると、図１８の動作フローチャートがスタートし、図
２のワークＲＡＭ１１８、レジスタ群２０８などの全て
の内容が初期化される（ステップＳ１８０１）。

【０１０２】次に、図１のＡ／Ｄ変換器１１５において
１サンプル分のＡ／Ｄ変換処理が終了するのが待たれ
（ステップＳ１８０２）、Ａ／Ｄ変換処理が終了する
と、ディジタルデータに変換された１サンプル分の音響
信号が、ワークＲＡＭ１１８に取り込まれる。

【０１０３】このように、音響信号の各サンプルｘ(n)
が得られる毎に、ステップＳ１８０３以降の処理とし
て、図５の各音階音共通のハイパスフィルタ部及び各音
階音毎のローパスフィルタ部とエンベロープ抽出部に相
当する処理が時分割処理で実行され、サンプリング周期
毎に各音階音に対応するエンベロープ信号Ｅt(n)が得ら
れ、更に、それらの各音階音に対応するエンベロープ信
号Ｅt(n)に基づいて各音階音成分の振幅エンベロープ値
ＥＸi(n)が演算され、それらがＣＰＵ１０１に転送され
る。

【０１０４】即ち、まず、Ａ／Ｄ変換器１１５から入力
されてくる１サンプル分の音響信号が、図２のワークＲ
ＡＭ１１８内の変数ｘ(n) に格納される（ステップＳ１
８０３）。

【０１０５】次に、ワークＲＡＭ１１８内の各変数ｘ
(n) 、ｘ(n-1) 及びｘ(n-2) から図２のレジスタ群２０
８内の各レジスタに、現在のサンプルと過去２サンプル
分の音響信号が読み出され、図５の伝達関数Ｈ1(z)で示
されるハイパスフィルタリング処理が実行される（ステ
ップＳ１８０４）。この処理は、前述の数１０式で表さ
れる演算処理であり、図２の乗算器２０５及び加減算器
２０７を使って実行される。このとき数１０式の演算に
用いられる各フィルタ係数は、ＲＯＭ１１７から読み出
される。この結果得られた出力は、ワークＲＡＭ１１８
内の変数ｓ(n) に格納される。

【０１０６】以上のハイパスフィルタリング処理は、各
帯域で共通な処理であるため、１回のみ実行される。次
に、図５の伝達関数Ｈ2t(z) を有する各音階音ｔに対応
するローパスフィルタリング処理と、伝達関数ＨEt(z)
を有する各音階音ｔに対応するエンベロープ抽出処理が
続けて実行される。

【０１０７】これらの処理は、各音階音ｔに対応して、
Ｎ音階音分の時分割処理として繰り返される。そのため
に、図２のレジスタ群２０８内に、Ｎ音階音分の時分割
処理を行うための繰り返し制御用のレジスタｔが設けら
れ、ステップＳ１８０５でレジスタｔの値が１に初期設
定される。

【０１０８】そして、ステップＳ１８０６とＳ１８０７
で１音階音分のローパスフィルタリング処理とエンベロ
ープ抽出処理が終了する毎に、ステップＳ１８０８でレ
ジスタｔの内容がＮに達したか否かが判別され、達して
いなければ、ステップＳ１８０９においてレジスタｔの
内容がインクリメントされ、ステップＳ１８０６とＳ１
８０７の処理が繰り返される。

【０１０９】このジャッジ処理は、図２の加減算器２０
７とフラグレジスタ２０６によって実行され、アドレス
カウンタ２０２によって、ステップＳ１８０６およびＳ
１８０７に対応するプログラム命令群がオペレーション
ＲＯＭ２０３から繰り返し読み出される。

【０１１０】まず、ＲＯＭ１１７から、レジスタｔで示
される番号に対応する音階音のフィルタ係数ＣＹ、２ｒ
ｃｏｓθ及びｒ²が読み出される。そして、ワークＲＡ
Ｍ１１８の各変数ｓ(n) 、ｓ(n-1) 及びｓ(n-2) から図
２のレジスタ群２０８内の各レジスタに、現在のサンプ
ルと過去２サンプル分のステップＳ１８０５におけるハ
イパスフィルタリング処理の出力信号が読み出され、こ
れらの信号に対して上述のフィルタ係数を用いて図５の
伝達関数Ｈ2t(z) で示されるローパスフィルタ処理が実
行される（ステップＳ１８０６）。この処理は、前述の
数１３式で表される演算処理であって、図２の乗算器２
０５および加減算器２０７を使って実行される。この結
果得られた出力は、ワークＲＡＭ１１８内の変数Ｗt(n)
に格納される。なお、この変数の添え字ｔは、現在のレ
ジスタｔの値に対応している。

【０１１１】続いて、ＲＯＭ１１７から、レジスタｔで
示される番号に対応する音階音のフィルタ係数ＣＥ、
「1.8 」及び「0.81」が読み出される。そして、上述の
ローパスフィルタリング処理の出力である変数Ｗt(n)の
内容と、ワークＲＡＭ１１８からレジスタ群２０８内の
レジスタに読み出された過去２サンプルのローパスフィ
ルタリング処理の出力Ｗt(n-1)及びＷt(n-2)に対し、上
述のフィルタ係数を用いて図５の伝達関数ＨEt(z) で示
されるエンベロープ抽出処理（ローパスフィルタ処理）
が実行される（ステップＳ１８０７）。この処理は、前
述の数１７式で表される演算処理であり、図２の乗算器
２０５および加減算器２０７を使って実行される。この
結果得られた出力は、ワークＲＡＭ１１８内の変数Ｅt
(n)に格納される。なお、この変数の添え字ｔは、現在
のレジスタｔの値に対応している。

【０１１２】以上、ステップＳ１８０６〜Ｓ１８０９の
処理の繰り返しによって、図５のＮ音階音分のローパス
フィルタ部とエンベロープ抽出部に相当する処理が行わ
れ、この結果、サンプリング周期毎に各音階音に対応す
るエンベロープ信号Ｅt(n)が得られる。

【０１１３】次に、ステップＳ１８１０〜Ｓ１８１３の
処理として、上述のＮ種類のエンベロープ信号Ｅt(n)
（１≦ｔ≦Ｎ）に基づき、入力音響信号ｘ(n) における
Ｎ種類の音階音成分の振幅エンベロープ値ＥＸi(n)（１
≦ｉ≦Ｎ）を求めるための演算が実行される。

【０１１４】まず、図２のレジスタ群２０８内に、Ｎ音
階音分の時分割処理を行うための繰り返し制御用のレジ
スタｉが設けられ、ステップＳ１８１０でレジスタｉの
値が１に初期設定される。

【０１１５】そして、ステップＳ１８１１で１音階音分
の演算処理が終了する毎に、ステップＳ１８１２におい
てレジスタｉの内容がインクリメントされ、次のステッ
プＳ１８１３でレジスタｉの値がＮを越えたか否かが判
別され、越えていなければ、ステップＳ１８１１の処理
が繰り返される。

【０１１６】このジャッジ処理は、図２の加減算器２０
７とフラグレジスタ２０６によって実行され、アドレス
カウンタ２０２によって、ステップＳ１８１１に対応す
るプログラム命令群がオペレーションＲＯＭ２０３から
繰り返し読み出される。

【０１１７】ステップＳ１８１１では、まず、ＲＯＭ１
１７から図２のレジスタ群２０８内のレジスタに、レジ
スタｉで示される番号に対応するＮ個の係数Ｃit（１≦
ｔ≦Ｎ）が読み出される。これらの係数の各値は、例え
ば図１７のマトリクス表の例（Ｎ＝１２の場合）では、
ｉ行目の１２個それぞれの値となる。また、ワークＲＡ
Ｍ１１８からレジスタ群２０８内の他のレジスタに、エ
ンベロープ信号Ｅt(n)（１≦ｔ≦Ｎ）が読みだされる。
そして、これらのレジスタの内容を使用して、前述の数
２１が演算される。この演算処理は、図２の乗算器２０
５および加減算器２０７を使って実行される。この結果
得られた出力は、ワークＲＡＭ１１８内の変数ＥＸi(n)
に格納される。なお、この変数の添え字ｉは、現在のレ
ジスタｉの値に対応している。

【０１１８】以上、ステップＳ１８１１〜Ｓ１８１３の
処理の繰り返しによって、入力音響信号ｘ(n) における
Ｎ種類の音階音成分の振幅エンベロープ値ＥＸi(n)（１
≦ｉ≦Ｎ）を求めることができる。

【０１１９】上述の音階音検出処理によりワークＲＡＭ
１１８に得られた各音階音成分の振幅エンベロープ値Ｅ
Ｘi(n)（１≦ｉ≦Ｎ）は、音階音検出信号とともにＣＰ
Ｕ１０１に転送される（ステップＳ１８１４）。

【０１２０】そして、ユーザが図１のキーボード１０６
上のファンクションスイッチを操作して音階音検出処理
モードを終了していなければ、ステップＳ１８１５の判
別がＮＯとなって、上述したステップＳ１８０３〜Ｓ１
８１４の処理が、Ａ／Ｄ変換器１１５において１サンプ
ル分のＡ／Ｄ変換処理が終了し、ステップＳ１８０２の
判別がＹＥＳとなる毎に実行される。＜音階音検出処理の具体的動作の第２の実施例＞上述し
た音階音検出処理の具体的動作の第１の実施例におい
て、図１８のステップＳ１８１１における数２１式の演
算では、１種類の音階音成分の振幅エンベロープ値ＥＸ
i(n)を求めるためには、係数Ｃitとエンベロープ信号Ｅ
t(n)との間で、Ｎ回の乗算とＮ−１回の加算が必要とな
り、従って、Ｎ種類のＥＸi(n)（１≦ｉ≦Ｎ）を求める
ためには、Ｎ²回の乗算と（Ｎ−１）・Ｎ回の加算が必
要となる。例えば、Ｎ＝１２である場合、１４４回の乗
算と１３２回の加算が必要となる。

【０１２１】以下に説明する音階音検出処理の具体的動
作の第２の実施例においては、上述の振幅エンベロープ
値ＥＸi(n)（１≦ｉ≦Ｎ）を求めるための演算回数を減
らすことができる。

【０１２２】今、図１６に例示されるように、前述した
数１８式における係数Ａtiの値は、ｔ＝ｉの場合に１、
ｔ＝ｉ±１の場合に約０．３、ｔ＝ｉ±２の場合に約
０．２となり、｜ｔ−ｉ｜の値が大きくなるほど係数Ａ
tiの値は小さくなる。

【０１２３】そして、図１７に例示されるように、この
係数Ａtiに対応して前述した数２０式により求まる係数
Ｃitの値は、ｔ＞ｉ＋２又はｔ＜ｉ−２を満たす範囲で
は、ｉ−２≦ｔ≦ｉ＋２を満たす範囲における係数Ｃit
の値に比較して小さい値である。そこで、ｔ＞ｉ＋２又
はｔ＜ｉ−２を満たす範囲における係数Ｃitの値を０と
近似すれば、図１７に対応する係数Ｃitの値のマトリク
ス表は図１９に示される如くとなる。

【０１２４】よって、前述した数２１式は、次式で置き
換えることができる。

【０１２５】

【数２２】

【０１２６】この数２２式によれば、１種類の音階音成
分の振幅エンベロープ値ＥＸi(n)を求めるためには、係
数Ｃitとエンベロープ信号Ｅt(n)との間で５回の乗算と
４回の加算を行えばよく、従って、Ｎ＝１２種類のＥＸ
i(n)（１≦ｉ≦１２）を求めるためには、５×１２＝６
０回の乗算と４×１２＝４８回の加算を行えばよいこと
になる。従って、Ｎ＝１２の場合には、数２２式の演算
量は、数２１式の演算量に比較して、乗算の場合に４２
％、加算の場合に約３７％となる。

【０１２７】音階音成分の振幅エンベロープ値を求める
具体的動作の第２の実施例における動作フローチャート
を図２０に示す。図２０の動作フローチャートが前述し
た第１の実施例における図１８の動作フローチャートと
異なる点は、数２１式に基づいて演算を行うステップＳ
１８１１が数２２式に基づいて演算を行うステップＳ２
００１に置き換った点である。

【０１２８】この第２の実施例により、図１のＤＳＰ１
１６において、入力音響信号ｘ(n)の各サンプル時刻ｎ
毎における演算に必要な負荷を減少させることができ
る。ＣＰＵ１の検出音階音発生指示処理上述したように、ＤＳＰ１１６からは、サンプリング時
刻ｎ毎に、入力音響信号ｘ(n) に含まれ得るＮ種類の音
階音成分の振幅エンベロープ値ＥＸi(n)（１≦ｉ≦
Ｎ）、即ち、各音階音成分に対応する周波数スペクトル
のレベルが転送されてくるため、ＣＰＵ１０１は、それ
らを種々の目的に使用できる。

【０１２９】以下に、ひとつの実施例として、検出され
た音階音成分の振幅エンベロープ値ＥＸi(n)に基づい
て、それらのうち有効な音階音成分に対応する音階を有
する楽音の発音指示を楽音発生回路１０８に対してリア
ルタイムで行う機能について説明する。この機能は、ユ
ーザがキーボード１０６上のファンクションスイッチに
より音階音検出処理モードを指定した場合に有効とな
る。

【０１３０】図２１は、音階音検出処理モードにおける
ＣＰＵ１０１の全体的な動作を示すフローチャートであ
る。この動作フローチャートは、ユーザがキーボード１
０６上のファンクションスイッチにより音階音検出処理
モードを指定した場合に、ＣＰＵ１０１が実行中の特に
は図示しないメインプログラムから呼び出されるサブル
ーチンプログラムの動作として実現される。なお、ＣＰ
Ｕ１０１が実行する各プログラムはＲＯＭ１０２に記憶
されている。

【０１３１】まず、ＤＳＰ１１６から図１８又は図２０
のステップＳ１８１４での転送処理に基づくＮ種類の音
階音成分の振幅エンベロープ値ＥＸi(n)（１≦ｉ≦Ｎ）
が転送されてくるのが待たれる（ステップＳ２１０１→
Ｓ２１０２→Ｓ２１０１のループ）。なお、このタイミ
ングループの実行中に、ユーザがキーボード１０６上の
ファンクションスイッチにより音階音検出処理モードを
他のモードに切り替えると、ステップＳ２１０２の判別
がＹＥＳとなって、図２１の動作フローチャートに対応
するサブルーチンプログラムを終了し、特には図示しな
いメインプログラムにリターンする。

【０１３２】ＤＳＰ１１６からデータを転送した旨の通
知を受信すると、ステップＳ２１０１の判別がＹＥＳと
なって、次のステップＳ２１０３が実行される。ここで
は、ＤＳＰ１１６から上述の通知に続いて転送されてく
るＮ種類の音階音成分の振幅エンベロープ値ＥＸi(n)
（１≦ｉ≦Ｎ）が、ＲＡＭ１０３に格納される。

【０１３３】次に、ステップＳ２１０４〜Ｓ２１１１の
処理として、ＲＡＭ１０３に格納されたＮ種類の音階音
成分の振幅エンベロープ値ＥＸi(n)（１≦ｉ≦Ｎ）に基
づいて、楽音発生回路１０８に対して楽音の発音指示を
すべきか否かの判別処理とその判別結果に基づく発音指
示の処理がなされる。

【０１３４】そのために、ＣＰＵ１０１内に、Ｎ音階音
分の処理を行うための繰り返し制御用のレジスタｉが設
けられ、ステップＳ２１０４でレジスタｉの値が１に初
期設定される。そして、ステップＳ２１０５〜Ｓ２１０
９の処理が終了する毎に、ステップＳ２１１０において
レジスタｉの内容がインクリメントされ、続くステップ
Ｓ２１１１でレジスタｉの内容がＮを越えたか否かが判
別され、越えていなければ、ステップＳ２１０５〜Ｓ２
１０９の処理が繰り返される。

【０１３５】レジスタｉの値により指示される各音階音
成分の振幅エンベロープ値ＥＸi(n)に対するステップＳ
２１０５〜Ｓ２１０９の処理の詳細は、以下に説明する
とおりである。

【０１３６】まず、振幅エンベロープ値ＥＸi(n)が所定
の閾値を越えているか否かが判別される（ステップＳ２
１０５）。この所定の閾値は、振幅エンベロープ値ＥＸ
i(n)のレベルが雑音レベルであるか否かを判別できる程
度の小さいな値でよい。従って、この閾値の設定如何で
音階音の発音指示を誤ることはほとんどない。

【０１３７】次に、振幅エンベロープ値ＥＸi(n)に対応
する音階の楽音が、楽音発生回路１０８において現在発
音中か否かが判別される（ステップＳ２１０６）。な
お、Ｎ種類の音階音成分の振幅エンベロープ値ＥＸi(n)
（１≦ｉ≦Ｎ）に対応する各音階は予めＲＯＭ１０２等
にプリセットされており、ＣＰＵ１０１は、現在処理中
の振幅エンベロープ値ＥＸi(n)に対応するレジスタｉの
値でＲＯＭ１０２をアクセスすることにより、その音階
を検出する。

【０１３８】ステップＳ２１０６の判別がＹＥＳなら
ば、その音階音は既に発音中であり再発音する必要がな
いため、その振幅エンベロープ値ＥＸi(n)に対する処理
は行わずステップＳ２１１０へジャンプする。

【０１３９】ステップＳ２１０６の判別がＮＯならば、
空いている発音チャネルがあるか否かが判別される（ス
テップＳ２１０７）。空いている発音チャネルがあれ
ば、その発音チャネルを使用して、現在処理中の振幅エ
ンベロープ値ＥＸi(n)に対応する音階の発音指示が楽音
発生回路１０８に対してなされる（ステップＳ２１０
９）。

【０１４０】空いている発音チャネルがなければ、楽音
発生回路１０８に対して現在発音中の音階音のうち１つ
についての消音指示がなされ（ステップＳ２１０８）、
その結果空いた発音チャネルを使用して、現在処理中の
振幅エンベロープ値ＥＸi(n)に対応する音階の発音指示
が楽音発生回路１０８に対してなされる（ステップＳ２
１０９）。ステップＳ２１０８において、消音指示がな
されるべき音階音は、例えば現在発音中の音階音のうち
振幅エンベロープが最も小さいもの、或いは、最も古く
発音が開始された音階音である。

【０１４１】以上のステップＳ２１０５〜Ｓ２１０９の
処理が、ステップＳ２１１０においてレジスタｉの内容
がインクリメントされながらＮ種類の音階音成分の振幅
エンベロープ値ＥＸi(n)（１≦ｉ≦Ｎ）の全てに対して
実行されると、ステップＳ２１１１の判定がＹＥＳとな
って、ステップＳ２１０１に戻る。

【０１４２】このようにしてＣＰＵ１０１は、サンプリ
ング時刻ｎ毎に図１の音階音検出部１１１に入力される
入力音響信号ｘ(n) に対応してＤＳＰ１１６から転送さ
れてくるＮ種類の音階音成分の振幅エンベロープ値ＥＸ
i(n)（１≦ｉ≦Ｎ）に基づいて、楽音発生回路１０８に
対する発音指示をリアルタイムに行える。

【０１４３】

【発明の効果】本発明によれば、Ｎ種類のフィルタリン
グ手段の各出力のレベルＦt （１≦ｔ≦Ｎ）に基づいて
入力音響信号に含まれ得るＮ種類の音響成分のレベルｆ
i （１≦ｉ≦Ｎ）を抽出する場合に、各フィルタリング
手段の出力が複数の音響成分の影響を受けても、各音響
成分のレベルｆi （１≦ｉ≦Ｎ）を正確に抽出すること
が可能となる。

【０１４４】また、このレベル値を用いることにより、
例えば人が歌う歌声やマイクロフォンから採取した楽音
などの繰り返し波形からなる音声信号から複数のピッチ
成分のレベルを抽出し、それらのピッチに正確に対応す
る楽音を発生させることのできる電子楽器を実現するこ
とが可能となる。

【０１４５】ここで、数３式に示される行列の要素値に
おいて、値が所定の閾値より小さいものはその要素値は
０に近似され、音響成分レベル演算手段は、数２式及び
数３式で表される演算を実行する場合に、０に近似され
た要素値に関する乗算を省略して演算を実行することに
より、演算量を軽減することができる。

【０１４６】なお、本発明は、入力音響信号に含まれ得
るＮ種類の音響成分のレベルではなく、単なる入力信号
に含まれ得るＮ種類の周波数成分のレベルを抽出する周
波数成分抽出装置としても実現することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の全体構成図である。

【図２】ＤＳＰの全体構成図である。

【図３】音階音検出処理の基本機能ブロック図である。

【図４】バンドパスフィルタＨt(Z)の特性図である。

【図５】音階音検出処理の改良機能ブロックである。

【図６】バンドパスフィルタＨ1(z)・Ｈ2t(Z) の特性図
である。

【図７】ハイパスフィルタＨ1(Z)の構成図である。

【図８】ハイパスフィルタＨ1(Z)の特性図である。

【図９】ローパスフィルタＨ2t(Z) の構成図である。

【図１０】ローパスフィルタＨ2t(Z) の極と零点および
極ベクトルと零ベクトルの関係図である。

【図１１】ローパスフィルタＨ2t(Z) の振幅特性図であ
る。

【図１２】ローパスフィルタＨ2t(Z) の特性図である。

【図１３】ローパスフィルタＨ_Et(Z) の構成図である。

【図１４】バンドパスフィルタＨ_Et(Z) の特性図であ
る。

【図１５】｜Ｗt(n)｜とＥt(n)の関係図である。

【図１６】係数Ａtiの値の例を表すマトリクス表を示し
た図である。

【図１７】係数Ｃitの値の例を表すマトリクス表を示し
た図である。

【図１８】音階音検出処理の第１の実施例の動作フロー
チャートである。

【図１９】近似された係数Ｃitの値の例を表すマトリク
ス表を示した図である。

【図２０】音階音検出処理の第２の実施例の動作フロー
チャートである。

【図２１】ＣＰＵによる検出音階音発生指示処理の動作
フローチャートである。

【図２２】音階音検出用バンドパスフィルタの周波数特
性の例を示した図である。

【符号の説明】

１０１ＣＰＵ１０２ＲＯＭ１０３ＲＡＭ１０４プリンタ１０５ディスプレイ１０６キーボード１０７バス１０８楽音発生回路１０９オーディオシステム１１０スピーカ１１１音階音検出部１１２マイク１１３マイクアンプ１１４ローパスフィルタ１１５Ａ／Ｄ変換器１１６ＤＳＰ１１７ＲＯＭ２０１インタフェース２０２アドレスカウンタ２０３オペレーションＲＯＭ２０４デコーダ２０５乗算器２０６フラグレジスタ２０７加減算器２０８レジスタ群

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＨ０３Ｈ 17/02 ６１３Ｇ１０Ｌ 7/04 Ｂ // Ｇ１０Ｌ 101:023 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G10H 1/00 G01R 23/16 - 23/167 H03H 17/00 - 17/08

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】入力音響信号に対してそれぞれ周波数特
性の異なるフィルタリングを行うＮ種類のフィルタリン
グ手段と、前記入力音響信号に含まれ得るＮ種類の音響成分のレベ
ルをｆi （１≦ｉ≦Ｎ）とし、前記入力音響信号が入力
されたときの前記Ｎ種類のフィルタリング手段の各出力
のレベルをＦt （１≦ｔ≦Ｎ）とし、ｉ（１≦ｉ≦Ｎ）
番目の前記音響成分のみがレベル１で入力されたときの
ｔ（１≦ｔ≦Ｎ）番目の前記フィルタリング手段の出力
のレベルをＰti（１≦ｉ≦Ｎ、１≦ｔ≦Ｎ）として、【数１】で示されるＮ元連立１次方程式を解いて得られる、【数２】及び【数３】で表される演算を実行する手段であって、前記入力音響
信号が入力されたときの前記Ｎ種類のフィルタリング手
段の各出力のレベルＦt （１≦ｔ≦Ｎ）を入力として前
記数２式及び前記数３式で表される演算を実行すること
により、前記入力音響信号に含まれ得る前記Ｎ種類の音
響成分のレベルｆi （１≦ｉ≦Ｎ）を演算する音響成分
レベル演算手段と、を有することを特徴とする音響成分抽出装置。
【請求項２】前記数３式に示される行列の要素値にお
いて、値が所定の閾値より小さいものはその要素値は０
に近似され、前記音響成分レベル演算手段は、前記数２式及び前記数
３式で表される演算を実行する場合に、前記０に近似さ
れた要素値に関する乗算を省略して前記演算を実行す
る、ことを特徴とする請求項１に記載の音響成分抽出装置。
【請求項３】前記音響成分レベル演算手段によって演
算される前記Ｎ種類の音響成分のレベルｆi （１≦ｉ≦
Ｎ）に基づいて音階信号を発生する音階信号発生手段
と、該音階信号発生手段から発生される音階信号に対応する
音階を有する楽音を発生する楽音発生手段と、を更に有することを特徴とする請求項１又は２の何れか
１項に記載の音響成分抽出装置を用いた電子楽器。
【請求項４】前記Ｎ種類のフィルタリング手段は、前記入力音響信号を入力とし、前記入力音響信号に含ま
れ得るＮ種類の音響成分に対応する各周波数を各中心周
波数とするＮ種類のバンドパスフィルタリング処理を実
行し、該Ｎ種類の処理の結果をそれぞれ出力する、ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の
音響成分抽出装置又はそれを用いた電子楽器。
【請求項５】前記Ｎ種類のフィルタリング手段は、前記入力音響信号を入力とする所定特性のハイパスフィ
ルタリング処理と、その結果得られる１つの出力を各入力とし、それぞれ前
記入力音響信号に含まれ得るＮ種類の音響成分に対応す
る各周波数でピークを有するレゾナンスが付加されたＮ
種類のローパスフィルタリング処理と、その結果得られるＮ種類の出力を各入力とし、それぞれ
エンベロープ成分を抽出するＮ種類の信号処理と、を時分割で実行し、前記Ｎ種類の信号処理の結果をそれぞれ出力する、ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の
音響成分抽出装置又はそれを用いた電子楽器。
【請求項６】入力信号に対してそれぞれ周波数特性の
異なるフィルタリングを行うＮ種類のフィルタリング手
段と、前記入力信号に含まれ得るＮ種類の周波数成分のレベル
をｆi （１≦ｉ≦Ｎ）とし、前記入力信号が入力された
ときの前記Ｎ種類のフィルタリング手段の各出力のレベ
ルをＦt （１≦ｔ≦Ｎ）とし、ｉ（１≦ｉ≦Ｎ）番目の
前記周波数成分のみがレベル１で入力されたときのｔ
（１≦ｔ≦Ｎ）番目の前記フィルタリング手段の出力の
レベルをＰti（１≦ｉ≦Ｎ、１≦ｔ≦Ｎ）として、【数４】で示されるＮ元連立１次方程式を解いて得られる、【数５】及び【数６】で表される演算を実行する手段であって、前記入力信号
が入力されたときの前記Ｎ種類のフィルタリング手段の
各出力のレベルＦt （１≦ｔ≦Ｎ）を入力として前記数
５式及び前記数６式で表される演算を実行することによ
り、前記入力信号に含まれ得る前記Ｎ種類の周波数成分
のレベルｆi （１≦ｉ≦Ｎ）を演算する周波数成分レベ
ル演算手段と、を有することを特徴とする周波数成分抽出装置。