JP3576936B2 - 周波数補間装置、周波数補間方法及び記録媒体 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、変調された信号のスペクトル分布を改善する周波数補間装置及び周波数補間方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
有線や無線での放送あるいは通信の手法による音楽などの配信が近年盛んになっている。これらの手法による音楽などの配信を行う場合、帯域が過度に広くなることによるデータ量の増大や占有帯域幅の広がりを避けるため、一般に、音楽を表すデータは、ＭＰ３（ＭＰＥＧ１ ａｕｄｉｏ ｌａｙｅｒ ３）形式やＡＡＣ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ａｕｄｉｏ Ｃｏｄｉｎｇ）形式などの音声圧縮形式で圧縮された上で配信されている。
【０００３】
これらの音声圧縮形式は、音声信号のうち高レベルのスペクトル成分に周波数が近接する低レベルのスペクトル成分が人間には聞き取られにくい、という現象を利用して音声圧縮を行う形式である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、放送や通信のトラヒックが増大すると、放送や通信に利用可能な占有帯域幅や回線容量を低下させる必要が生じる。この結果、上述の形式による音声圧縮を行うだけでは、データの配信にかかる時間が長くなったりして配信が円滑に行われない、という問題が生じる。このため、データをより高率で圧縮する技術や、高率で圧縮されたデータを高品質を保ちながら復元する技術が求められていた。
【０００５】
この発明は、上記実状に鑑みてなされたものであり、高率で圧縮されたオーディオ信号を高音質を保ちながら復元するための周波数補間装置及び周波数補間方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するべく、この発明の第１の観点に係る周波数補間装置は、
補間される対象である被補間信号の第１及び第２の期間におけるスペクトルを表すスペクトル信号を生成するスペクトル分布生成手段と、
前記スペクトル信号に基づき、前記第１の期間におけるスペクトルの包絡線を表す包絡線情報を生成する包絡線抽出手段と、
前記スペクトル信号に基づき、前記第１の期間においてスペクトルが実質的に分布しない被補間帯域を特定する被補間帯域特定手段と、
前記スペクトル信号に基づき、前記第２の期間において前記被補間帯域と実質的に同一の帯域を占める補間用帯域を特定する補間用帯域特定手段と、
前記被補間帯域特定手段が特定した被補間帯域内のスペクトルの分布が前記補間用帯域のスペクトルの分布と実質的に同一となり、当該被補間帯域内のスペクトルの強度が前記包絡線情報が示す包絡線により表される強度に実質的に等しくなるような信号を前記被補間信号に追加する補間手段と、を備える、
ことを特徴とする。
【０００７】
このような周波数補間装置によれば、第２の期間における被補間帯域のスペクトルが第１の期間における被補間信号に追加されることにより、第１の期間の被補間信号の補間が行われるので、補間された後の被補間信号は、原信号に近いものとなる。従って、被補間信号がオーディオ信号を表すものであれば、被補間信号がオーディオ信号を高率で圧縮したものであっても、オーディオ信号が高音質で復元される。
【０００８】
また、この発明の第２の観点に係る周波数補間装置は、
補間される対象である被補間信号のスペクトルを表すスペクトル信号を生成するスペクトル分布生成手段と、
前記スペクトル信号に基づき、前記スペクトルの包絡線を表す包絡線情報を生成する包絡線抽出手段と、
前記スペクトル信号に基づき、スペクトルが実質的に分布しない被補間帯域を特定する被補間帯域特定手段と、
前記スペクトル信号に基づき、前記被補間帯域に低周波数側で隣接し、当該被補間帯域と実質的に同一の帯域幅を占める補間用帯域を特定する補間用帯域特定手段と、
前記被補間帯域特定手段が特定した被補間帯域内のスペクトルの分布が前記補間用帯域のスペクトルの分布と実質的に同一となり、当該被補間帯域内のスペクトルの強度が前記包絡線情報が示す包絡線により表される強度に実質的に等しくなるような信号を前記被補間信号に追加する補間手段と、を備える、
ことを特徴とする。
【０００９】
このような周波数補間装置によれば、被補間帯域に低周波数側で隣接する補間用帯域のスペクトルに相当する分布のスペクトルが被補間信号に追加されることにより、被補間信号の補間が行われ、補間された後の被補間信号は、原信号に近いものとなる。従って、被補間信号がオーディオ信号を表すものであれば、被補間信号がオーディオ信号を高率で圧縮したものであっても、オーディオ信号が高音質で復元される。
【００１０】
前記被補間信号は、例えば、オーディオ信号によりＰＣＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｃｏｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変調を行って得られるＰＣＭ信号より構成されているものであればよい。
【００１１】
また、この発明の第３の観点に係る周波数補間方法は、
補間される対象である被補間信号の第１及び第２の期間におけるスペクトルを表すスペクトル信号を生成し、
前記スペクトル信号に基づき、前記第１の期間におけるスペクトルの包絡線を表す包絡線情報を生成し、
前記スペクトル信号に基づき、前記第１の期間においてスペクトルが実質的に分布しない被補間帯域を特定し、
前記スペクトル信号に基づき、前記第２の期間において前記被補間帯域と実質的に同一の帯域を占める補間用帯域を特定し、
前記被補間帯域内のスペクトルの分布が前記補間用帯域のスペクトルの分布と実質的に同一となり、当該被補間帯域内のスペクトルの強度が前記包絡線情報が示す包絡線により表される強度に実質的に等しくなるような信号を前記被補間信号に追加する、
ことを特徴とする。
【００１２】
このような周波数補間方法によれば、第２の期間における被補間帯域のスペクトルが第１の期間における被補間信号に追加されることにより、第１の期間の被補間信号の補間が行われるので、補間された後の被補間信号は、原信号に近いものとなる。従って、被補間信号がオーディオ信号を表すものであれば、被補間信号がオーディオ信号を高率で圧縮したものであっても、オーディオ信号が高音質で復元される。
【００１３】
また、この発明の第４の観点に係る周波数補間方法は、
補間される対象である被補間信号のスペクトルを表すスペクトル信号を生成し、
前記スペクトル信号に基づき、前記スペクトルの包絡線を表す包絡線情報を生成し、
前記スペクトル信号に基づき、スペクトルが実質的に分布しない被補間帯域を特定し、
前記スペクトル信号に基づき、前記被補間帯域に低周波数側で隣接し、当該被補間帯域と実質的に同一の帯域幅を占める補間用帯域を特定し、
前記被補間帯域内のスペクトルの分布が前記補間用帯域のスペクトルの分布と実質的に同一となり、当該被補間帯域内のスペクトルの強度が前記包絡線情報が示す包絡線により表される強度に実質的に等しくなるような信号を前記被補間信号に追加する、
ことを特徴とする。
【００１４】
このような周波数補間方法によれば、被補間帯域に低周波数側で隣接する補間用帯域のスペクトルに相当する分布のスペクトルが被補間信号に追加されることにより、被補間信号の補間が行われ、補間された後の被補間信号は、原信号に近いものとなる。従って、被補間信号がオーディオ信号を表すものであれば、被補間信号がオーディオ信号を高率で圧縮したものであっても、オーディオ信号が高音質で復元される。
【００１５】
また、この発明の第５の観点に係るコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、
コンピュータを、
補間される対象である被補間信号の第１及び第２の期間におけるスペクトルを表すスペクトル信号を生成するスペクトル分布生成手段と、
前記スペクトル信号に基づき、前記第１の期間におけるスペクトルの包絡線を表す包絡線情報を生成する包絡線抽出手段と、
前記スペクトル信号に基づき、前記第１の期間においてスペクトルが実質的に分布しない被補間帯域を特定する被補間帯域特定手段と、
前記スペクトル信号に基づき、前記第２の期間において前記被補間帯域と実質的に同一の帯域を占める補間用帯域を特定する補間用帯域特定手段と、
前記被補間帯域特定手段が特定した被補間帯域内のスペクトルの分布が前記補間用帯域のスペクトルの分布と実質的に同一となり、当該被補間帯域内のスペクトルの強度が前記包絡線情報が示す包絡線により表される強度に実質的に等しくなるような信号を前記被補間信号に追加する補間手段と、
して機能させるためのプログラムを記録したことを特徴とする。
【００１６】
このような記録媒体に記録されたプログラムを実行するコンピュータは、第２の期間における被補間帯域のスペクトルを第１の期間における被補間信号に追加することにより、第１の期間の被補間信号の補間を行うので、補間された後の被補間信号は、原信号に近いものとなる。従って、被補間信号がオーディオ信号を表すものであれば、被補間信号がオーディオ信号を高率で圧縮したものであっても、オーディオ信号が高音質で復元される。
【００１７】
また、この発明の第６の観点に係るコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、
コンピュータを、
補間される対象である被補間信号のスペクトルを表すスペクトル信号を生成するスペクトル分布生成手段と、
前記スペクトル信号に基づき、前記スペクトルの包絡線を表す包絡線情報を生成する包絡線抽出手段と、
前記スペクトル信号に基づき、スペクトルが実質的に分布しない被補間帯域を特定する被補間帯域特定手段と、
前記スペクトル信号に基づき、前記被補間帯域に低周波数側で隣接し、当該被補間帯域と実質的に同一の帯域幅を占める補間用帯域を特定する補間用帯域特定手段と、
前記被補間帯域特定手段が特定した被補間帯域内のスペクトルの分布が前記補間用帯域のスペクトルの分布と実質的に同一となり、当該被補間帯域内のスペクトルの強度が前記包絡線情報が示す包絡線により表される強度に実質的に等しくなるような信号を前記被補間信号に追加する補間手段と、
して機能させるためのプログラムを記録したことを特徴とする。
【００１８】
このような記録媒体に記録されたプログラムを実行するコンピュータは、被補間帯域に低周波数側で隣接する補間用帯域のスペクトルに相当する分布のスペクトルを被補間信号に追加することにより、被補間信号の補間を行い、この結果、補間された後の被補間信号は、原信号に近いものとなる。従って、被補間信号がオーディオ信号を表すものであれば、被補間信号がオーディオ信号を高率で圧縮したものであっても、オーディオ信号が高音質で復元される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、この発明の実施の形態に係る周波数補間装置を、音声信号処理装置を例として説明する。
図１は、この発明の実施の形態に係る音声信号処理装置の構成を示す図である。
図示するように、この音声信号処理装置は、周波数間引き部１と、音声圧縮部２と、音声伸長部３と、周波数補間部４とより構成されている。
【００２０】
周波数間引き部１は、図２に示すように、アナライザ１１と、周波数バンドマスキング部１２と、シンセサイザ１３とより構成されている。
【００２１】
アナライザ１１は、図３に示すように、ｎ個の遅延部１１１−０〜１１１−（ｎ−１）と、（ｎ＋１）個のサンプラー１１２−０〜１１２−ｎと、フィルタバンク１１３とより構成されている。（ただし、ｎは１以上の任意の整数とする。）
【００２２】
遅延部１１１−０〜１１１−（ｎ−１）は、各自に供給された信号を、この信号の周期１周期分遅らせて出力する。
遅延部１１１−ｋ（ｋは０以上（ｎ−１）以下の任意の整数）が出力する信号はサンプラー１１２−ｋに供給される。また、遅延部１１１−ｊ（ｊは０以上（ｎ−２）以下の任意の整数）は、遅延部１１１−（ｊ＋１）が出力する信号を供給される。遅延部１１１−（ｎ−１）には、周波数間引き部１により周波数の間引きを受ける対象のＰＣＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｃｏｄｅ Ｍｕｄｕｌａｔｉｏｎ）信号が供給される。
【００２３】
従って、遅延部１１１−ｋは、遅延部１１１−（ｎ−１）に供給されたＰＣＭ信号を、このＰＣＭ信号の（ｎ−ｋ）周期分遅らせた信号を出力する。なお、上述のＰＣＭ信号は、音声等を電圧あるいは電流の変化として表すオーディオ信号を用い、ＰＣＭ変調を行うことにより得られる信号である。
【００２４】
サンプラー１１２−０〜１１２−ｎは、各自に供給された信号を、周波数の間引きを受ける対象のＰＣＭ信号の周波数の（ｎ＋１）分の１の周波数でサンプリングし、サンプリング結果を表す信号を、フィルタバンク１１３へと供給する。
【００２５】
サンプラー１１２−ｋには、上述の通り、遅延部１１１−ｋが出力する信号が供給される。サンプラー１１２−ｎには、周波数間引き部１により周波数の補間を受ける対象のＰＣＭ信号が、遅延部１１１−（ｎ−１）に供給されるのと実質的に同時に供給される。
【００２６】
フィルタバンク１１３は、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）やＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等より構成されている。
フィルタバンク１１３は、上述の通りサンプラー１１２−１〜１１２−ｎが出力する信号の供給を受ける。
【００２７】
そして、フィルタバンク１１３は、ポリフェーズフィルタ、ＤＣＴ（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｃｏｓｉｎｅ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）、ＬＯＴ（Ｌａｐｐｅｄ Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）、ＭＬＴ（Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｌａｐｐｅｄ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）あるいはＥＬＴ（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｌａｐｐｅｄ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）等の手法を用い、自己に供給されたこの信号のスペクトル分布を表す１番目〜（ｎ＋１）番目までの（ｎ＋１）個の信号を生成する。そして、生成したこれら（ｎ＋１）個の信号を、周波数バンドマスキング部１２へと供給する。
【００２８】
フィルタバンク１１３が生成するｐ番目（ｐは１から（ｎ＋１）までの整数）の信号は、サンプラー１１２−０〜１１２−ｎが出力する信号のスペクトル分布を（ｎ＋１）等分して得られる互いに帯域幅が等しい帯域のうち、周波数がｐ番目に低い帯域内のスペクトル分布を表す信号であるものとする。
【００２９】
周波数バンドマスキング部１２は、ＤＳＰやＣＰＵ等より構成されている。周波数バンドマスキング部１２は、上述の（ｎ＋１）個の各帯域内のスペクトル分布を表す（ｎ＋１）個の信号をアナライザ１１（より具体的には、フィルタバンク１１３）より供給されると、例えば、以下（１）〜（６）として述べる処理を行う。
【００３０】
（１） 高調波バンドを決定するため、周波数バンドマスキング部１２はまず、フィルタバンク１１３から供給された信号が表す各帯域のうちの２つを特定し、各々の帯域内のスペクトル成分の二乗平均値を求める。（なお、高調波バンドは、周波数の間引きを受ける対象のＰＣＭ信号のうちの高調波成分を含む帯域である。また、以下では、周波数の間引きを受ける対象のＰＣＭ信号のうちの基本波成分を含む帯域を「基本波バンド」と呼ぶ。）
【００３１】
（２） （１）の処理で求めた２個の帯域（以下、「第１の帯域」及び「第２の帯域」と呼ぶ）内の各スペクトル成分の二乗平均値を用いて、これらの帯域のうち一方の帯域内のスペクトル成分の値の規格化を行う。具体的には、例えば、第１の帯域内のスペクトルの二乗平均値に対する第２の帯域内のスペクトル成分の二乗平均値の比の値を求め、第２の帯域内の各スペクトル成分の値にこの比の値を各々乗じて得られる積を求める。得られた積の集合が、規格化された後の第２の帯域内のスペクトル分布を表す。
【００３２】
（３） 規格化を行った後の第１及び第２の帯域内のスペクトル分布との相関係数を、最小二乗法等の手法を用いて求める。
ただし、周波数バンドマスキング部１２は、第１及び第２の両帯域のうち周波数が低い方の帯域内の各スペクトルの周波数を、その元来の値に、両帯域の最低周波数の差の絶対値を加算した周波数であるものとして扱い、相関係数を求めるものとする。
【００３３】
（４） 周波数バンドマスキング部１２は、第１及び第２の帯域としてとり得るすべての組み合わせについて上述（１）〜（３）の処理を行うことにより相関係数を求める。そして、求めた各相関係数に基づいて、基本波バンド及び高調波バンドを特定する。
具体的には、例えば、周波数バンドマスキング部１２は、フィルタバンク１１３より供給された信号が表す帯域のうち、当該帯域より最低周波数が低いいずれの帯域との組み合わせについても相関係数が所定値以下であった帯域を、基本波バンドとして特定する。そして、基本波バンド以外のすべての帯域を、高調波バンドとして特定する。
【００３４】
（５） 高調波バンド（及び基本波バンド）を特定すると、周波数バンドマスキング部１２は、高調波バンドのうちから、スペクトルを削除する対象である帯域、すなわち、削除バンドを決定する。
削除バンドを決定する基準は任意である。従って、周波数バンドマスキング部１２は、例えば、高調波バンドとして特定された帯域のうち最低周波数が低い方（又は高い方）から所定個数目の帯域を削除バンドとしてもよい。また、高調波バンドとして特定された帯域のうち最低周波数が低い方（又は高い方）から偶数番目（又は奇数番目）の帯域を削除バンドとするようにしてもよい。また、高調波バンドとして特定された帯域のうち最低周波数が低い方（又は高い方）からみて所定個数目から数えてα個（αは２以上の整数）おきに、連続したβ個（βはαより小さい正の整数）の帯域を削除バンドとするようにしてもよい。
【００３５】
（６） そして、周波数バンドマスキング部１２は、フィルタバンク１１３より供給された上述の（ｎ＋１）個の信号のうち、削除バンド内のスペクトル分布を表すもの以外の信号を、シンセサイザ１３へと供給する。
従って、周波数バンドマスキング部１２からシンセサイザ１３へは、周波数の間引きを受ける対象のＰＣＭ信号のスペクトルのうちから削除バンドのスペクトル成分を除去して得られるスペクトルの分布（間引き後のスペクトル分布）を表す信号が供給される。
【００３６】
図４（ａ）は、アナライザ１１に供給されたＰＣＭ信号のスペクトル分布（間引き前のスペクトル分布）の例を示す図であり、（ｂ）及び（ｃ）は、（ａ）に示すスペクトル分布を有するＰＣＭ信号に周波数の間引きを施した結果得られる、間引き後のスペクトル分布の例を示す図である。
図４（ｂ）は、アナライザ１１に供給されたＰＣＭ信号の１１個の帯域（帯域Ｂ１〜帯域Ｂ１１）のうち帯域Ｂ３〜帯域Ｂ１１が高調波バンドであると特定され、高調波バンドとして特定された帯域のうち最低周波数が低い方から偶数番目の帯域が削除バンドとされた場合の、間引き後のスペクトル分布を示す図である。
図４（ｃ）は、帯域Ｂ１〜帯域Ｂ１１のうち帯域Ｂ３〜帯域Ｂ１１が高調波バンドであると特定され、高調波バンドとして特定された帯域のうち最低周波数が低い方からみて３番目の帯域から数えて４個おきに、連続した２個の帯域が削除バンドとされた場合の、間引き後のスペクトル分布を示す図である。
【００３７】
図４（ｂ）や（ｃ）に示す間引き後のスペクトル分布のうち削除バンドにあたる部分は高調波バンドに属する。従って、削除バンドでない他の帯域（例えば、削除バンドに低周波側で隣接し、削除バンドと実質的に同一の帯域幅を占める帯域）のスペクトル分布に相当するスペクトルを補間することにより、間引き前のオーディオ信号のスペクトルに近いスペクトルが得られる。
【００３８】
シンセサイザ１３は、図５に示すように、フィルタバンク１３１と、（ｎ＋１）個のサンプラー１３２−０〜１３２−ｎと、ｎ個の遅延部１３３−０〜１３３−（ｎ−１）と、加算器１３４−０〜１３４−（ｎ−１）とより構成されている。
【００３９】
フィルタバンク１３１は、ＤＳＰやＣＰＵ等より構成されており、上述の通り、周波数バンドマスキング部１２が出力する、間引き後のスペクトル分布を表す信号を供給される。
そして、フィルタバンク１３１は、ポリフェーズフィルタ、ＤＣＴ、ＬＯＴ、ＭＬＴあるいはＥＬＴ等の手法を用い、自己に供給された信号が表すスペクトル分布を有する信号を（ｎ＋１）点で等間隔にサンプリングした値を表す（ｎ＋１）個の信号を生成する。そして、生成したこれら（ｎ＋１）個の信号のうちｐ番目（ｐは１から（ｎ＋１）までの整数）の信号を、サンプラー１３２−（ｐ−１）へと供給する。
【００４０】
なお、フィルタバンク１３１が生成するこの信号が表す値のサンプリング間隔は、アナライザ１１のサンプラー１１２−１〜１１２−ｎのサンプリング間隔に実質的に等しいものとする。
また、フィルタバンク１３１が生成するｐ番目の信号は、フィルタバンク１３１に供給された信号が表すスペクトル分布を有する信号を（ｎ＋１）点で等間隔にサンプリングした値のうち、サンプリングの時刻がｐ番目に早い値を表すものとする。
【００４１】
サンプラー１３２−１〜１３２−ｎは、各自に供給された信号を、当該信号の（ｎ＋１）倍の周波数の信号へと変換し、変換結果を表すＰＣＭ信号を出力するものである。
サンプラー１３２−（ｐ−１）には、上述の通り、フィルタバンク１３１が出力するｐ番目の信号が供給される。そして、サンプラー１３２−（ｓ−１）は、自己が出力する信号を、加算器１３４−（ｐ−１）へと供給する（ｓは１からｎまでの整数）。サンプラー１３２−ｎは、自己が出力する信号を遅延部１３３−（ｎ−１）へと供給する。
【００４２】
遅延部１３３−０〜１３３−（ｎ−１）は、各自に供給された信号を、この信号の周期１周期分遅らせて出力する。
遅延部１３３−ｋ（ｋは０以上（ｎ−１）以下の任意の整数）が出力する信号は加算器１３４−ｋに供給される。また、遅延部１３３−ｊ（ｊは０以上（ｎ−２）以下の任意の整数）は、加算器１３４−（ｊ＋１）が出力する信号を供給される。遅延部１３３−（ｎ−１）には、上述の通りサンプラー１３２−ｎが出力する信号が供給される。
【００４３】
加算器１３４−０〜１３４−（ｎ−１）は、各自に供給された２個の信号の和を表す信号を出力する。
加算器１３４−ｋには、サンプラー１３２−ｋと、遅延部１３３−ｋとから信号が供給される。そして、加算器１３４−ｍ（ｍは１以上（ｎ−１）以下の整数）が出力する信号は遅延部１３３−（ｍ−１）に供給される。加算器１３４−０が出力する信号は、周波数間引き部１の出力信号として、音声圧縮部２へと供給される。
【００４４】
加算器１３４−０が出力するこの出力信号は、サンプラー１３２−０、１３２−１、・・・、１３２−（ｎ−１）及び１３２−ｎが出力した信号を、アナライザ１１に供給されたＰＣＭ信号の周期と実質的に同一の周期で順次出力したものに相当し、そのスペクトル分布が間引き後のスペクトル分布に相当するＰＣＭ信号である。
【００４５】
音声圧縮部２は、ＤＳＰやＣＰＵ等を備え、また、記録媒体（例えば、ＣＤ−Ｒ等）へのデータの記録及び記録媒体からのデータの読み出しを行う記録媒体ドライバを備えている。音声圧縮部２は、周波数間引き部１より出力信号を供給されると、この出力信号が表すデータを、ＭＰ３やＡＡＣ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ａｕｄｉｏ Ｃｏｄｉｎｇ）その他任意の手法により圧縮する。そして、圧縮により得られたデータを、記録媒体ドライバにセットされた外部の記録媒体に記録する。
音声圧縮部２は、記録媒体ドライバに代えて、あるいは記録媒体ドライバと共に、外部の通信回線に接続されたモデムやターミナルアダプタ等より構成される通信制御装置を備えていてもよい。この場合、音声圧縮部２は、周波数間引き部１の出力信号が表すデータを圧縮して得られたデータを、通信回線を介して外部へと伝送してもよい。
【００４６】
音声伸長部３は、ＤＳＰやＣＰＵ等を備え、また、記録媒体ドライバを備えている。音声伸長部３は、ＰＣＭ信号をＭＰ３やＡＡＣ等の手法により圧縮したものを表す信号を、記録媒体ドライバにセットされた外部の記録媒体より読み出す。そして、読み出したデータをＭＰ３やＡＡＣ等の手法により伸長し、伸長により得られたデータを表すＰＣＭ信号を生成して、周波数補間部４へと供給する。音声伸長部３は、記録媒体ドライバに代えて、あるいは記録媒体ドライバと共に、通信制御装置を備えていてもよい。この場合、音声伸長部３は、ＰＣＭ信号をＭＰ３やＡＡＣ等の手法により圧縮したものを表す信号が通信回線を介して外部より自己へと供給されたとき、そして、供給されたデータを受信して伸長し、伸長により得られたデータを表すＰＣＭ信号を周波数補間部４へと供給するようにしてもよい。
【００４７】
周波数補間部４は、図６に示すように、アナライザ４１と、スペクトル記憶部４２と、スペクトル解析部４３と、周波数補間処理部４４と、シンセサイザ４５とより構成されている。
このうち、アナライザ４１は、周波数間引き部１のアナライザ１１と実質的に同一の構成を有しており、シンセサイザ４５は、周波数間引き部１のシンセサイザ１３と実質的に同一の構成を有している。
【００４８】
アナライザ４１は、周波数の補間を受ける対象として音声伸長部３から供給されたＰＣＭ信号のスペクトル分布を表す１番目〜（ｎ＋１）番目までの（ｎ＋１）個の信号を生成し、生成したこれら（ｎ＋１）個の信号を、スペクトル記憶部４２、スペクトル解析部４３及び周波数補間処理部４４へと供給する。
【００４９】
なお、アナライザ４１が生成するｐ番目（ｐは１から（ｎ＋１）までの整数）の信号は、音声伸長部３から供給されたＰＣＭ信号（つまり、周波数の補間を受ける対象のＰＣＭ信号）のスペクトル分布を（ｎ＋１）等分して得られる互いに帯域幅が等しい帯域のうち、周波数がｐ番目に低い帯域内のスペクトル分布を表す信号であるものとする。
【００５０】
スペクトル記憶部４２は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等より構成されており、アナライザ４１より供給される（ｎ＋１）個の信号を記憶する。そして、周波数補間処理部４４の指示に従って、自己が記憶している信号を周波数補間処理部４４へと供給する。
【００５１】
スペクトル解析部４３は、ＤＳＰやＣＰＵ等より構成されている。スペクトル解析部４３は、上述の（ｎ＋１）個の各帯域内のスペクトル分布を表す（ｎ＋１）個の信号をアナライザ４１より供給されると、アナライザ４１から供給された信号が表す各帯域のうち、実質的にスペクトルが含まれない帯域（すなわち、削除バンド）を特定する。そして、特定した削除バンドを補完すべきバンド（補間用バンド）を、アナライザ４１から供給された信号が表す各帯域のうち削除バンド以外のバンドから選択し、選択結果を周波数補間処理部４４に通知する。
【００５２】
補間用バンドを決定する基準は任意である。例えば、特定した削除バンドに低周波数側で隣接する帯域に削除バンドでない帯域がある場合、スペクトル解析部４３は、図７に示すように、特定した削除バンドに低周波数側で隣接するこの帯域を、補間用バンドとして決定してもよい。
【００５３】
周波数補間処理部４４は、ＤＳＰやＣＰＵ等より構成されている。周波数補間処理部４４は、上述の（ｎ＋１）個の各帯域内のスペクトル分布を表す（ｎ＋１）個の信号をアナライザ４１より供給されると、各帯域内のスペクトル分布の包絡線をなす関数を特定する。そして、スペクトル解析部４３より補間用バンドの選択結果を通知されると、選択結果が示す補間用バンドを、包絡線をなす関数に基づいてスケーリングすることにより、削除バンドに補完すべき信号成分のスペクトル分布を求める。
【００５４】
具体的には、周波数補間処理部４４は、例えば、スペクトル解析部４３より通知された選択結果が示す補間用バンド内のスペクトル成分の二乗平均値を求め、一方で、自己が特定した包絡線をなす関数に基づき、削除バンド内のスペクトル成分の二乗平均値の推定値を求める。そして、補間用バンド内のスペクトル成分の二乗平均値に対する、削除バンド内のスペクトル成分の二乗平均値の推定値の比の値を求め、補間用バンド内の各スペクトル成分の値にこの比の値を各々乗じて得られる積を求める。得られた積の集合が、削除バンドに補完すべき信号成分のスペクトル分布を表す。
【００５５】
そして、周波数補間処理部４４は、削除バンドに補完すべき信号成分のスペクトル分布を、補間後の削除バンド内のスペクトル分布を表すものとして扱うことにより、補間後の削除バンド内のスペクトル分布を表す信号を生成する。そして、生成した信号をシンセサイザ４５へと供給する。
従って、周波数補間処理部４４からシンセサイザ４５へは、音声伸長部３から周波数補間部４へ供給されたＰＣＭ信号のスペクトルに補間後の削除バンドのスペクトル成分が加算されて得られるスペクトルの分布（補間後のスペクトル分布）を表す信号が供給される。
【００５６】
ただし、周波数補間処理部４４は、削除バンドに補間すべきスペクトル分布を、補間後の削除バンド内のスペクトル分布として扱う場合、スケーリングされた補間用バンド内の各スペクトルの周波数が、その元来の値に、削除バンド及び補間用バンドの最低周波数同士の差の絶対値を加算した値であるものとして扱うものとする。
【００５７】
シンセサイザ４５は、周波数補間処理部４４が出力する、補間後のスペクトル分布を表す信号を供給されると、スペクトル分布が補間後のスペクトル分布に相当するＰＣＭ信号を出力する。シンセサイザ４５が出力するＰＣＭ信号は、換言すれば、補間後のスペクトル分布を有する信号を（ｎ＋１）点で等間隔にサンプリングしてアナライザ４１に供給されたＰＣＭ信号の周期と実質的に同一の周期で順次出力したものに相当するＰＣＭ信号である。
【００５８】
なお、図７（ａ）は、音声伸長部３がアナライザ４１に供給したＰＣＭ信号のスペクトル分布（補間前のスペクトル分布）の例を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すスペクトル分布を有するＰＣＭ信号に周波数の補間を施した結果得られる、補間後のスペクトル分布の例を示す図である。
図７（ａ）に示すように、音声伸長部３がアナライザ４１に供給したＰＣＭ信号の１１個の帯域（帯域Ｂ１〜帯域Ｂ１１）のうち帯域Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８及びＢ１０が削除バンドである場合において、削除バンドに低周波数側で隣接する帯域を補間用バンドとした場合、補間後のスペクトル分布は、図７（ｂ）に示すように、削除バンドである帯域Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８及びＢ１０に、帯域Ｂ３、Ｂ５、Ｂ７及びＢ９のスペクトル分布と実質的に同一の分布を有するスペクトルが加えられたものとなる。
【００５９】
図７（ｂ）に示すような補間を行うことにより、周波数の間引きを受ける前のＰＣＭ信号のスペクトルに近いスペクトルが得られる。従って、シンセサイザ４５が出力するＰＣＭ信号を用いてオーディオ信号を復元することにより、オーディオ信号が高音質で復元される。特に、帯域Ｂ３〜Ｂ１１が、周波数の間引きを受ける前のＰＣＭ信号の基本波成分を含まない帯域である場合、補間後のスペクトル分布は、周波数の間引きを受ける前のＰＣＭ信号のスペクトルに特に近いものとなる。
【００６０】
なお、この音声信号処理装置の構成は上述のものに限られない。
例えば、この音声信号処理装置は音声圧縮部２や音声伸長部３を必ずしも備えている必要はない。
また、周波数間引き部１が周波数の間引きを行う対象の信号や、周波数補間部４が周波数の補間を行う対象の信号は、ＰＣＭ信号である必要はなく、オーディオ信号を変調して得られる変調波である必要もない。
【００６１】
また、遅延部１１１−０〜１１１−（ｎ−１）及び１３３−０〜１３３−（ｎ−１）や、サンプラー１１２−０〜１１２−ｎ及び１３２−０〜１３２−ｎや、加算器１３４−０〜１３４−（ｎ−１）の機能を、ＤＳＰやＣＰＵが行ってもよい。
また、周波数バンドマスキング部１２は、相関係数に代えて、２個の帯域のスペクトルの相関を表す任意の数値を、両帯域スペクトル分布に基づいて求め、高調波バンド（及び基本波バンド）の決定に用いてもよい。
【００６２】
また、周波数間引き部１が出力する出力信号（ＰＣＭ信号）に含まれる削除バンドの範囲は、時間の経過につれ変動してもよい。従って、例えば図８（ａ）〜（ｃ）及び図９（ａ）に示すように、周波数間引き部１が出力する信号は、削除バンドが帯域Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８及びＢ１０である状態と、削除バンドが帯域Ｂ５、Ｂ７、Ｂ９及びＢ１１である状態とを、期間＃１、期間＃２、期間＃３、・・・の順で一定時間毎に交互に繰り返すものであってもよい。
また、削除バンドの範囲は無作為に変動してもよい。従って、例えば、特定の期間＃１〜＃８における削除バンドの範囲が図９（ｂ）に示す通りになっていてもよい。
【００６３】
同様に、周波数補間部４に供給されるＰＣＭ信号に含まれる削除バンドの範囲も、時間の経過につれ変動してもよい。従って、例えば図８（ａ）〜（ｃ）及び図９（ａ）に示すように、周波数補間部４に供給されるＰＣＭ信号は、削除バンドが帯域Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８及びＢ１０である状態と、削除バンドが帯域Ｂ５、Ｂ７、Ｂ９及びＢ１１である状態とを、期間＃１、期間＃２、期間＃３、・・・の順で一定時間毎に交互に繰り返すものであってもよい。
また、周波数補間部４に供給されるＰＣＭ信号に含まれる削除バンドの範囲は無作為に変動してもよい。従って、例えば、特定の期間＃１〜＃８において周波数補間部４に供給されるＰＣＭ信号に含まれる削除バンドの範囲が、図９（ｂ）に示す通りになっていてもよい。
【００６４】
また、スペクトル解析部４３は、補間用バンドを、周波数補間部４に供給されたＰＣＭ信号の過去のスペクトルのうちから選択するようにしてもよい。具体的には、例えば、削除バンドの範囲が図８（ａ）〜（ｃ）や図９（ａ）に示すように変動する場合、期間＃２における削除バンドである帯域Ｂ５、Ｂ７、Ｂ９及びＢ１１を補間するための補間用バンドとして、期間＃１における帯域Ｂ５、Ｂ７、Ｂ９及びＢ１１を選択し、期間＃３における帯域Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８及びＢ１０を補間するための補間用バンドとして、期間＃２における帯域Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８及びＢ１０を選択するようにしてもよい。
【００６５】
このように補間用バンドを選択する結果、図１０（ａ）〜（ｃ）に示すように、期間＃２における削除バンドである帯域Ｂ５、Ｂ７、Ｂ９及びＢ１１は、期間＃１における帯域Ｂ５、Ｂ７、Ｂ９及びＢ１１のスペクトルを用いて補間される。また、期間＃３における帯域Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８及びＢ１０は、期間＃２における帯域Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８及びＢ１０のスペクトルを用いて補間される。
【００６６】
また、削除バンドの範囲が無作為に変動する場合は、各々の期間における削除バンドを補間するための補間用バンドとして、当該削除バンドと同一の帯域が削除バンドでなくなるような過去の任意の期間における当該帯域を選択するようにしてもよい。
【００６７】
なお、スペクトル解析部４３が、周波数補間部４に供給されたＰＣＭ信号の過去のスペクトルのうちから補間用バンドを選択する場合、周波数補間処理部４４は、補間用バンドのスペクトル分布を表す情報を、スペクトル記憶部４２より読み出して、削除バンドの補間のために用いるようにすればよい。
この場合、スペクトル記憶部４２は、スペクトル解析部４３が選択した補間用バンドのスペクトルを確実に記憶する程度に大きな記憶容量を有していることが望ましい。
【００６８】
また、スペクトル解析部４３は、補間用バンドを、周波数補間部４に供給されたＰＣＭ信号の将来のスペクトルのうちから選択するようにしてもよい。具体的には、例えば、削除バンドの範囲が図８（ａ）〜（ｃ）や図９（ａ）に示すように変動する場合、期間＃１における削除バンドである帯域Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８及びＢ１０を補間するための補間用バンドとして、期間＃２における帯域Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８及びＢ１０を選択するようにしてもよい。
このように補間用バンドを選択したとき、周波数補間処理部４４は、例えば、期間＃２におけるスペクトルを表す信号がアナライザ４１から供給された時点で、スペクトル記憶部４２より、期間＃１におけるスペクトルを表す信号を読み出す。そして、読み出した信号を、アナライザ４１から供給された期間＃２のスペクトルを表す信号を用いて補間するものとする。この結果、図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、期間＃１における削除バンドである帯域Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８及びＢ１０は、期間＃２における帯域Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８及びＢ１０のスペクトルを用いて補間される。
【００６９】
また、スペクトル解析部４３は、例えば、削除バンドの範囲が無作為に変動する場合、各々の期間における削除バンドを補間するための補間用バンドとして、当該削除バンドと同一の帯域が削除バンドでなくなるような将来の任意の期間における当該帯域を選択するようにしてもよい。
【００７０】
以上、この発明の実施の形態を説明したが、この発明にかかる周波数補間装置は、専用のシステムによらず、通常のコンピュータシステムを用いて実現可能である。
例えば、パーソナルコンピュータやマイクロコンピュータに上述のアナライザ４１、スペクトル記憶部４２、スペクトル解析部４３、周波数補間処理部４４及びシンセサイザ４５の動作を実行するためのプログラムを格納した媒体（ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、フロッピーディスク等）から該プログラムをインストールすることにより、上述の処理を実行する周波数補間部４を構成することができる。
【００７１】
また、例えば、通信回線の掲示板（ＢＢＳ）に該プログラムを掲示し、これを通信回線を介して配信してもよく、また、該プログラムを表す信号により搬送波を変調し、得られた変調波を伝送し、この変調波を受信した装置が変調波を復調して該プログラムを復元するようにしてもよい。
そして、このプログラムを起動し、ＯＳの制御下に、他のアプリケーションプログラムと同様に実行することにより、上述の処理を実行することができる。
【００７２】
なお、ＯＳが処理の一部を分担する場合、あるいは、ＯＳが本願発明の１つの構成要素の一部を構成するような場合には、記録媒体には、その部分をのぞいたプログラムを格納してもよい。この場合も、この発明では、その記録媒体には、コンピュータが実行する各機能又はステップを実行するためのプログラムが格納されているものとする。
【００７３】
【発明の効果】
以上の説明のように、この発明によれば、高率で圧縮されたオーディオ信号を高音質を保ちながら復元するための周波数補間装置及び周波数補間方法が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態に係る音声信号処理装置の構成を示す図である。
【図２】周波数間引き部の構成を示す図である。
【図３】アナライザの構成を示す図である。
【図４】（ａ）は、間引き前のスペクトル分布の例を示す図であり、（ｂ）及び（ｃ）は、間引き後のスペクトル分布の例を示す図である。
【図５】シンセサイザの構成を示す図である。
【図６】周波数補間部の構成を示す図である。
【図７】（ａ）は、補間前のスペクトル分布の例を示す図であり、（ｂ）は、補間後のスペクトル分布の例を示す図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は、削除バンドの範囲が時間につれて変動するＰＣＭ信号のスペクトルを示す図である。
【図９】（ａ）及び（ｂ）は、削除バンドの範囲が時間につれて変動する様子を示す図である。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は、削除バンドの範囲が時間につれて変動するＰＣＭ信号が周波数の補間を受ける様子を説明する図である。
【符号の説明】
１ 周波数間引き部
１１、４１ アナライザ
１１１−０〜１１１−（ｎ−１）、１３３−０〜１３３−（ｎ−１） 遅延部
１１２−０〜１１２−ｎ、１３２−０〜１３２−ｎ サンプラー
１１３、１３１ フィルタバンク
１２ 周波数バンドマスキング部
１３、４５ シンセサイザ
１３４−０〜１３４−（ｎ−１） 加算器
２ 音声圧縮部
３ 音声伸長部
４ 周波数補間部
４２ スペクトル記憶部
４３ スペクトル解析部
４４ 周波数補間処理部
【発明の属する技術分野】
この発明は、変調された信号のスペクトル分布を改善する周波数補間装置及び周波数補間方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
有線や無線での放送あるいは通信の手法による音楽などの配信が近年盛んになっている。これらの手法による音楽などの配信を行う場合、帯域が過度に広くなることによるデータ量の増大や占有帯域幅の広がりを避けるため、一般に、音楽を表すデータは、ＭＰ３（ＭＰＥＧ１ ａｕｄｉｏ ｌａｙｅｒ ３）形式やＡＡＣ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ａｕｄｉｏ Ｃｏｄｉｎｇ）形式などの音声圧縮形式で圧縮された上で配信されている。
【０００３】
これらの音声圧縮形式は、音声信号のうち高レベルのスペクトル成分に周波数が近接する低レベルのスペクトル成分が人間には聞き取られにくい、という現象を利用して音声圧縮を行う形式である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、放送や通信のトラヒックが増大すると、放送や通信に利用可能な占有帯域幅や回線容量を低下させる必要が生じる。この結果、上述の形式による音声圧縮を行うだけでは、データの配信にかかる時間が長くなったりして配信が円滑に行われない、という問題が生じる。このため、データをより高率で圧縮する技術や、高率で圧縮されたデータを高品質を保ちながら復元する技術が求められていた。
【０００５】
この発明は、上記実状に鑑みてなされたものであり、高率で圧縮されたオーディオ信号を高音質を保ちながら復元するための周波数補間装置及び周波数補間方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するべく、この発明の第１の観点に係る周波数補間装置は、
補間される対象である被補間信号の第１及び第２の期間におけるスペクトルを表すスペクトル信号を生成するスペクトル分布生成手段と、
前記スペクトル信号に基づき、前記第１の期間におけるスペクトルの包絡線を表す包絡線情報を生成する包絡線抽出手段と、
前記スペクトル信号に基づき、前記第１の期間においてスペクトルが実質的に分布しない被補間帯域を特定する被補間帯域特定手段と、
前記スペクトル信号に基づき、前記第２の期間において前記被補間帯域と実質的に同一の帯域を占める補間用帯域を特定する補間用帯域特定手段と、
前記被補間帯域特定手段が特定した被補間帯域内のスペクトルの分布が前記補間用帯域のスペクトルの分布と実質的に同一となり、当該被補間帯域内のスペクトルの強度が前記包絡線情報が示す包絡線により表される強度に実質的に等しくなるような信号を前記被補間信号に追加する補間手段と、を備える、
ことを特徴とする。
【０００７】
このような周波数補間装置によれば、第２の期間における被補間帯域のスペクトルが第１の期間における被補間信号に追加されることにより、第１の期間の被補間信号の補間が行われるので、補間された後の被補間信号は、原信号に近いものとなる。従って、被補間信号がオーディオ信号を表すものであれば、被補間信号がオーディオ信号を高率で圧縮したものであっても、オーディオ信号が高音質で復元される。
【０００８】
また、この発明の第２の観点に係る周波数補間装置は、
補間される対象である被補間信号のスペクトルを表すスペクトル信号を生成するスペクトル分布生成手段と、
前記スペクトル信号に基づき、前記スペクトルの包絡線を表す包絡線情報を生成する包絡線抽出手段と、
前記スペクトル信号に基づき、スペクトルが実質的に分布しない被補間帯域を特定する被補間帯域特定手段と、
前記スペクトル信号に基づき、前記被補間帯域に低周波数側で隣接し、当該被補間帯域と実質的に同一の帯域幅を占める補間用帯域を特定する補間用帯域特定手段と、
前記被補間帯域特定手段が特定した被補間帯域内のスペクトルの分布が前記補間用帯域のスペクトルの分布と実質的に同一となり、当該被補間帯域内のスペクトルの強度が前記包絡線情報が示す包絡線により表される強度に実質的に等しくなるような信号を前記被補間信号に追加する補間手段と、を備える、
ことを特徴とする。
【０００９】
このような周波数補間装置によれば、被補間帯域に低周波数側で隣接する補間用帯域のスペクトルに相当する分布のスペクトルが被補間信号に追加されることにより、被補間信号の補間が行われ、補間された後の被補間信号は、原信号に近いものとなる。従って、被補間信号がオーディオ信号を表すものであれば、被補間信号がオーディオ信号を高率で圧縮したものであっても、オーディオ信号が高音質で復元される。
【００１０】
前記被補間信号は、例えば、オーディオ信号によりＰＣＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｃｏｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変調を行って得られるＰＣＭ信号より構成されているものであればよい。
【００１１】
また、この発明の第３の観点に係る周波数補間方法は、
補間される対象である被補間信号の第１及び第２の期間におけるスペクトルを表すスペクトル信号を生成し、
前記スペクトル信号に基づき、前記第１の期間におけるスペクトルの包絡線を表す包絡線情報を生成し、
前記スペクトル信号に基づき、前記第１の期間においてスペクトルが実質的に分布しない被補間帯域を特定し、
前記スペクトル信号に基づき、前記第２の期間において前記被補間帯域と実質的に同一の帯域を占める補間用帯域を特定し、
前記被補間帯域内のスペクトルの分布が前記補間用帯域のスペクトルの分布と実質的に同一となり、当該被補間帯域内のスペクトルの強度が前記包絡線情報が示す包絡線により表される強度に実質的に等しくなるような信号を前記被補間信号に追加する、
ことを特徴とする。
【００１２】
このような周波数補間方法によれば、第２の期間における被補間帯域のスペクトルが第１の期間における被補間信号に追加されることにより、第１の期間の被補間信号の補間が行われるので、補間された後の被補間信号は、原信号に近いものとなる。従って、被補間信号がオーディオ信号を表すものであれば、被補間信号がオーディオ信号を高率で圧縮したものであっても、オーディオ信号が高音質で復元される。
【００１３】
また、この発明の第４の観点に係る周波数補間方法は、
補間される対象である被補間信号のスペクトルを表すスペクトル信号を生成し、
前記スペクトル信号に基づき、前記スペクトルの包絡線を表す包絡線情報を生成し、
前記スペクトル信号に基づき、スペクトルが実質的に分布しない被補間帯域を特定し、
前記スペクトル信号に基づき、前記被補間帯域に低周波数側で隣接し、当該被補間帯域と実質的に同一の帯域幅を占める補間用帯域を特定し、
前記被補間帯域内のスペクトルの分布が前記補間用帯域のスペクトルの分布と実質的に同一となり、当該被補間帯域内のスペクトルの強度が前記包絡線情報が示す包絡線により表される強度に実質的に等しくなるような信号を前記被補間信号に追加する、
ことを特徴とする。
【００１４】
このような周波数補間方法によれば、被補間帯域に低周波数側で隣接する補間用帯域のスペクトルに相当する分布のスペクトルが被補間信号に追加されることにより、被補間信号の補間が行われ、補間された後の被補間信号は、原信号に近いものとなる。従って、被補間信号がオーディオ信号を表すものであれば、被補間信号がオーディオ信号を高率で圧縮したものであっても、オーディオ信号が高音質で復元される。
【００１５】
また、この発明の第５の観点に係るコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、
コンピュータを、
補間される対象である被補間信号の第１及び第２の期間におけるスペクトルを表すスペクトル信号を生成するスペクトル分布生成手段と、
前記スペクトル信号に基づき、前記第１の期間におけるスペクトルの包絡線を表す包絡線情報を生成する包絡線抽出手段と、
前記スペクトル信号に基づき、前記第１の期間においてスペクトルが実質的に分布しない被補間帯域を特定する被補間帯域特定手段と、
前記スペクトル信号に基づき、前記第２の期間において前記被補間帯域と実質的に同一の帯域を占める補間用帯域を特定する補間用帯域特定手段と、
前記被補間帯域特定手段が特定した被補間帯域内のスペクトルの分布が前記補間用帯域のスペクトルの分布と実質的に同一となり、当該被補間帯域内のスペクトルの強度が前記包絡線情報が示す包絡線により表される強度に実質的に等しくなるような信号を前記被補間信号に追加する補間手段と、
して機能させるためのプログラムを記録したことを特徴とする。
【００１６】
このような記録媒体に記録されたプログラムを実行するコンピュータは、第２の期間における被補間帯域のスペクトルを第１の期間における被補間信号に追加することにより、第１の期間の被補間信号の補間を行うので、補間された後の被補間信号は、原信号に近いものとなる。従って、被補間信号がオーディオ信号を表すものであれば、被補間信号がオーディオ信号を高率で圧縮したものであっても、オーディオ信号が高音質で復元される。
【００１７】
また、この発明の第６の観点に係るコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、
コンピュータを、
補間される対象である被補間信号のスペクトルを表すスペクトル信号を生成するスペクトル分布生成手段と、
前記スペクトル信号に基づき、前記スペクトルの包絡線を表す包絡線情報を生成する包絡線抽出手段と、
前記スペクトル信号に基づき、スペクトルが実質的に分布しない被補間帯域を特定する被補間帯域特定手段と、
前記スペクトル信号に基づき、前記被補間帯域に低周波数側で隣接し、当該被補間帯域と実質的に同一の帯域幅を占める補間用帯域を特定する補間用帯域特定手段と、
前記被補間帯域特定手段が特定した被補間帯域内のスペクトルの分布が前記補間用帯域のスペクトルの分布と実質的に同一となり、当該被補間帯域内のスペクトルの強度が前記包絡線情報が示す包絡線により表される強度に実質的に等しくなるような信号を前記被補間信号に追加する補間手段と、
して機能させるためのプログラムを記録したことを特徴とする。
【００１８】
このような記録媒体に記録されたプログラムを実行するコンピュータは、被補間帯域に低周波数側で隣接する補間用帯域のスペクトルに相当する分布のスペクトルを被補間信号に追加することにより、被補間信号の補間を行い、この結果、補間された後の被補間信号は、原信号に近いものとなる。従って、被補間信号がオーディオ信号を表すものであれば、被補間信号がオーディオ信号を高率で圧縮したものであっても、オーディオ信号が高音質で復元される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、この発明の実施の形態に係る周波数補間装置を、音声信号処理装置を例として説明する。
図１は、この発明の実施の形態に係る音声信号処理装置の構成を示す図である。
図示するように、この音声信号処理装置は、周波数間引き部１と、音声圧縮部２と、音声伸長部３と、周波数補間部４とより構成されている。
【００２０】
周波数間引き部１は、図２に示すように、アナライザ１１と、周波数バンドマスキング部１２と、シンセサイザ１３とより構成されている。
【００２１】
アナライザ１１は、図３に示すように、ｎ個の遅延部１１１−０〜１１１−（ｎ−１）と、（ｎ＋１）個のサンプラー１１２−０〜１１２−ｎと、フィルタバンク１１３とより構成されている。（ただし、ｎは１以上の任意の整数とする。）
【００２２】
遅延部１１１−０〜１１１−（ｎ−１）は、各自に供給された信号を、この信号の周期１周期分遅らせて出力する。
遅延部１１１−ｋ（ｋは０以上（ｎ−１）以下の任意の整数）が出力する信号はサンプラー１１２−ｋに供給される。また、遅延部１１１−ｊ（ｊは０以上（ｎ−２）以下の任意の整数）は、遅延部１１１−（ｊ＋１）が出力する信号を供給される。遅延部１１１−（ｎ−１）には、周波数間引き部１により周波数の間引きを受ける対象のＰＣＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｃｏｄｅ Ｍｕｄｕｌａｔｉｏｎ）信号が供給される。
【００２３】
従って、遅延部１１１−ｋは、遅延部１１１−（ｎ−１）に供給されたＰＣＭ信号を、このＰＣＭ信号の（ｎ−ｋ）周期分遅らせた信号を出力する。なお、上述のＰＣＭ信号は、音声等を電圧あるいは電流の変化として表すオーディオ信号を用い、ＰＣＭ変調を行うことにより得られる信号である。
【００２４】
サンプラー１１２−０〜１１２−ｎは、各自に供給された信号を、周波数の間引きを受ける対象のＰＣＭ信号の周波数の（ｎ＋１）分の１の周波数でサンプリングし、サンプリング結果を表す信号を、フィルタバンク１１３へと供給する。
【００２５】
サンプラー１１２−ｋには、上述の通り、遅延部１１１−ｋが出力する信号が供給される。サンプラー１１２−ｎには、周波数間引き部１により周波数の補間を受ける対象のＰＣＭ信号が、遅延部１１１−（ｎ−１）に供給されるのと実質的に同時に供給される。
【００２６】
フィルタバンク１１３は、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）やＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等より構成されている。
フィルタバンク１１３は、上述の通りサンプラー１１２−１〜１１２−ｎが出力する信号の供給を受ける。
【００２７】
そして、フィルタバンク１１３は、ポリフェーズフィルタ、ＤＣＴ（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｃｏｓｉｎｅ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）、ＬＯＴ（Ｌａｐｐｅｄ Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）、ＭＬＴ（Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｌａｐｐｅｄ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）あるいはＥＬＴ（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｌａｐｐｅｄ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）等の手法を用い、自己に供給されたこの信号のスペクトル分布を表す１番目〜（ｎ＋１）番目までの（ｎ＋１）個の信号を生成する。そして、生成したこれら（ｎ＋１）個の信号を、周波数バンドマスキング部１２へと供給する。
【００２８】
フィルタバンク１１３が生成するｐ番目（ｐは１から（ｎ＋１）までの整数）の信号は、サンプラー１１２−０〜１１２−ｎが出力する信号のスペクトル分布を（ｎ＋１）等分して得られる互いに帯域幅が等しい帯域のうち、周波数がｐ番目に低い帯域内のスペクトル分布を表す信号であるものとする。
【００２９】
周波数バンドマスキング部１２は、ＤＳＰやＣＰＵ等より構成されている。周波数バンドマスキング部１２は、上述の（ｎ＋１）個の各帯域内のスペクトル分布を表す（ｎ＋１）個の信号をアナライザ１１（より具体的には、フィルタバンク１１３）より供給されると、例えば、以下（１）〜（６）として述べる処理を行う。
【００３０】
（１） 高調波バンドを決定するため、周波数バンドマスキング部１２はまず、フィルタバンク１１３から供給された信号が表す各帯域のうちの２つを特定し、各々の帯域内のスペクトル成分の二乗平均値を求める。（なお、高調波バンドは、周波数の間引きを受ける対象のＰＣＭ信号のうちの高調波成分を含む帯域である。また、以下では、周波数の間引きを受ける対象のＰＣＭ信号のうちの基本波成分を含む帯域を「基本波バンド」と呼ぶ。）
【００３１】
（２） （１）の処理で求めた２個の帯域（以下、「第１の帯域」及び「第２の帯域」と呼ぶ）内の各スペクトル成分の二乗平均値を用いて、これらの帯域のうち一方の帯域内のスペクトル成分の値の規格化を行う。具体的には、例えば、第１の帯域内のスペクトルの二乗平均値に対する第２の帯域内のスペクトル成分の二乗平均値の比の値を求め、第２の帯域内の各スペクトル成分の値にこの比の値を各々乗じて得られる積を求める。得られた積の集合が、規格化された後の第２の帯域内のスペクトル分布を表す。
【００３２】
（３） 規格化を行った後の第１及び第２の帯域内のスペクトル分布との相関係数を、最小二乗法等の手法を用いて求める。
ただし、周波数バンドマスキング部１２は、第１及び第２の両帯域のうち周波数が低い方の帯域内の各スペクトルの周波数を、その元来の値に、両帯域の最低周波数の差の絶対値を加算した周波数であるものとして扱い、相関係数を求めるものとする。
【００３３】
（４） 周波数バンドマスキング部１２は、第１及び第２の帯域としてとり得るすべての組み合わせについて上述（１）〜（３）の処理を行うことにより相関係数を求める。そして、求めた各相関係数に基づいて、基本波バンド及び高調波バンドを特定する。
具体的には、例えば、周波数バンドマスキング部１２は、フィルタバンク１１３より供給された信号が表す帯域のうち、当該帯域より最低周波数が低いいずれの帯域との組み合わせについても相関係数が所定値以下であった帯域を、基本波バンドとして特定する。そして、基本波バンド以外のすべての帯域を、高調波バンドとして特定する。
【００３４】
（５） 高調波バンド（及び基本波バンド）を特定すると、周波数バンドマスキング部１２は、高調波バンドのうちから、スペクトルを削除する対象である帯域、すなわち、削除バンドを決定する。
削除バンドを決定する基準は任意である。従って、周波数バンドマスキング部１２は、例えば、高調波バンドとして特定された帯域のうち最低周波数が低い方（又は高い方）から所定個数目の帯域を削除バンドとしてもよい。また、高調波バンドとして特定された帯域のうち最低周波数が低い方（又は高い方）から偶数番目（又は奇数番目）の帯域を削除バンドとするようにしてもよい。また、高調波バンドとして特定された帯域のうち最低周波数が低い方（又は高い方）からみて所定個数目から数えてα個（αは２以上の整数）おきに、連続したβ個（βはαより小さい正の整数）の帯域を削除バンドとするようにしてもよい。
【００３５】
（６） そして、周波数バンドマスキング部１２は、フィルタバンク１１３より供給された上述の（ｎ＋１）個の信号のうち、削除バンド内のスペクトル分布を表すもの以外の信号を、シンセサイザ１３へと供給する。
従って、周波数バンドマスキング部１２からシンセサイザ１３へは、周波数の間引きを受ける対象のＰＣＭ信号のスペクトルのうちから削除バンドのスペクトル成分を除去して得られるスペクトルの分布（間引き後のスペクトル分布）を表す信号が供給される。
【００３６】
図４（ａ）は、アナライザ１１に供給されたＰＣＭ信号のスペクトル分布（間引き前のスペクトル分布）の例を示す図であり、（ｂ）及び（ｃ）は、（ａ）に示すスペクトル分布を有するＰＣＭ信号に周波数の間引きを施した結果得られる、間引き後のスペクトル分布の例を示す図である。
図４（ｂ）は、アナライザ１１に供給されたＰＣＭ信号の１１個の帯域（帯域Ｂ１〜帯域Ｂ１１）のうち帯域Ｂ３〜帯域Ｂ１１が高調波バンドであると特定され、高調波バンドとして特定された帯域のうち最低周波数が低い方から偶数番目の帯域が削除バンドとされた場合の、間引き後のスペクトル分布を示す図である。
図４（ｃ）は、帯域Ｂ１〜帯域Ｂ１１のうち帯域Ｂ３〜帯域Ｂ１１が高調波バンドであると特定され、高調波バンドとして特定された帯域のうち最低周波数が低い方からみて３番目の帯域から数えて４個おきに、連続した２個の帯域が削除バンドとされた場合の、間引き後のスペクトル分布を示す図である。
【００３７】
図４（ｂ）や（ｃ）に示す間引き後のスペクトル分布のうち削除バンドにあたる部分は高調波バンドに属する。従って、削除バンドでない他の帯域（例えば、削除バンドに低周波側で隣接し、削除バンドと実質的に同一の帯域幅を占める帯域）のスペクトル分布に相当するスペクトルを補間することにより、間引き前のオーディオ信号のスペクトルに近いスペクトルが得られる。
【００３８】
シンセサイザ１３は、図５に示すように、フィルタバンク１３１と、（ｎ＋１）個のサンプラー１３２−０〜１３２−ｎと、ｎ個の遅延部１３３−０〜１３３−（ｎ−１）と、加算器１３４−０〜１３４−（ｎ−１）とより構成されている。
【００３９】
フィルタバンク１３１は、ＤＳＰやＣＰＵ等より構成されており、上述の通り、周波数バンドマスキング部１２が出力する、間引き後のスペクトル分布を表す信号を供給される。
そして、フィルタバンク１３１は、ポリフェーズフィルタ、ＤＣＴ、ＬＯＴ、ＭＬＴあるいはＥＬＴ等の手法を用い、自己に供給された信号が表すスペクトル分布を有する信号を（ｎ＋１）点で等間隔にサンプリングした値を表す（ｎ＋１）個の信号を生成する。そして、生成したこれら（ｎ＋１）個の信号のうちｐ番目（ｐは１から（ｎ＋１）までの整数）の信号を、サンプラー１３２−（ｐ−１）へと供給する。
【００４０】
なお、フィルタバンク１３１が生成するこの信号が表す値のサンプリング間隔は、アナライザ１１のサンプラー１１２−１〜１１２−ｎのサンプリング間隔に実質的に等しいものとする。
また、フィルタバンク１３１が生成するｐ番目の信号は、フィルタバンク１３１に供給された信号が表すスペクトル分布を有する信号を（ｎ＋１）点で等間隔にサンプリングした値のうち、サンプリングの時刻がｐ番目に早い値を表すものとする。
【００４１】
サンプラー１３２−１〜１３２−ｎは、各自に供給された信号を、当該信号の（ｎ＋１）倍の周波数の信号へと変換し、変換結果を表すＰＣＭ信号を出力するものである。
サンプラー１３２−（ｐ−１）には、上述の通り、フィルタバンク１３１が出力するｐ番目の信号が供給される。そして、サンプラー１３２−（ｓ−１）は、自己が出力する信号を、加算器１３４−（ｐ−１）へと供給する（ｓは１からｎまでの整数）。サンプラー１３２−ｎは、自己が出力する信号を遅延部１３３−（ｎ−１）へと供給する。
【００４２】
遅延部１３３−０〜１３３−（ｎ−１）は、各自に供給された信号を、この信号の周期１周期分遅らせて出力する。
遅延部１３３−ｋ（ｋは０以上（ｎ−１）以下の任意の整数）が出力する信号は加算器１３４−ｋに供給される。また、遅延部１３３−ｊ（ｊは０以上（ｎ−２）以下の任意の整数）は、加算器１３４−（ｊ＋１）が出力する信号を供給される。遅延部１３３−（ｎ−１）には、上述の通りサンプラー１３２−ｎが出力する信号が供給される。
【００４３】
加算器１３４−０〜１３４−（ｎ−１）は、各自に供給された２個の信号の和を表す信号を出力する。
加算器１３４−ｋには、サンプラー１３２−ｋと、遅延部１３３−ｋとから信号が供給される。そして、加算器１３４−ｍ（ｍは１以上（ｎ−１）以下の整数）が出力する信号は遅延部１３３−（ｍ−１）に供給される。加算器１３４−０が出力する信号は、周波数間引き部１の出力信号として、音声圧縮部２へと供給される。
【００４４】
加算器１３４−０が出力するこの出力信号は、サンプラー１３２−０、１３２−１、・・・、１３２−（ｎ−１）及び１３２−ｎが出力した信号を、アナライザ１１に供給されたＰＣＭ信号の周期と実質的に同一の周期で順次出力したものに相当し、そのスペクトル分布が間引き後のスペクトル分布に相当するＰＣＭ信号である。
【００４５】
音声圧縮部２は、ＤＳＰやＣＰＵ等を備え、また、記録媒体（例えば、ＣＤ−Ｒ等）へのデータの記録及び記録媒体からのデータの読み出しを行う記録媒体ドライバを備えている。音声圧縮部２は、周波数間引き部１より出力信号を供給されると、この出力信号が表すデータを、ＭＰ３やＡＡＣ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ａｕｄｉｏ Ｃｏｄｉｎｇ）その他任意の手法により圧縮する。そして、圧縮により得られたデータを、記録媒体ドライバにセットされた外部の記録媒体に記録する。
音声圧縮部２は、記録媒体ドライバに代えて、あるいは記録媒体ドライバと共に、外部の通信回線に接続されたモデムやターミナルアダプタ等より構成される通信制御装置を備えていてもよい。この場合、音声圧縮部２は、周波数間引き部１の出力信号が表すデータを圧縮して得られたデータを、通信回線を介して外部へと伝送してもよい。
【００４６】
音声伸長部３は、ＤＳＰやＣＰＵ等を備え、また、記録媒体ドライバを備えている。音声伸長部３は、ＰＣＭ信号をＭＰ３やＡＡＣ等の手法により圧縮したものを表す信号を、記録媒体ドライバにセットされた外部の記録媒体より読み出す。そして、読み出したデータをＭＰ３やＡＡＣ等の手法により伸長し、伸長により得られたデータを表すＰＣＭ信号を生成して、周波数補間部４へと供給する。音声伸長部３は、記録媒体ドライバに代えて、あるいは記録媒体ドライバと共に、通信制御装置を備えていてもよい。この場合、音声伸長部３は、ＰＣＭ信号をＭＰ３やＡＡＣ等の手法により圧縮したものを表す信号が通信回線を介して外部より自己へと供給されたとき、そして、供給されたデータを受信して伸長し、伸長により得られたデータを表すＰＣＭ信号を周波数補間部４へと供給するようにしてもよい。
【００４７】
周波数補間部４は、図６に示すように、アナライザ４１と、スペクトル記憶部４２と、スペクトル解析部４３と、周波数補間処理部４４と、シンセサイザ４５とより構成されている。
このうち、アナライザ４１は、周波数間引き部１のアナライザ１１と実質的に同一の構成を有しており、シンセサイザ４５は、周波数間引き部１のシンセサイザ１３と実質的に同一の構成を有している。
【００４８】
アナライザ４１は、周波数の補間を受ける対象として音声伸長部３から供給されたＰＣＭ信号のスペクトル分布を表す１番目〜（ｎ＋１）番目までの（ｎ＋１）個の信号を生成し、生成したこれら（ｎ＋１）個の信号を、スペクトル記憶部４２、スペクトル解析部４３及び周波数補間処理部４４へと供給する。
【００４９】
なお、アナライザ４１が生成するｐ番目（ｐは１から（ｎ＋１）までの整数）の信号は、音声伸長部３から供給されたＰＣＭ信号（つまり、周波数の補間を受ける対象のＰＣＭ信号）のスペクトル分布を（ｎ＋１）等分して得られる互いに帯域幅が等しい帯域のうち、周波数がｐ番目に低い帯域内のスペクトル分布を表す信号であるものとする。
【００５０】
スペクトル記憶部４２は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等より構成されており、アナライザ４１より供給される（ｎ＋１）個の信号を記憶する。そして、周波数補間処理部４４の指示に従って、自己が記憶している信号を周波数補間処理部４４へと供給する。
【００５１】
スペクトル解析部４３は、ＤＳＰやＣＰＵ等より構成されている。スペクトル解析部４３は、上述の（ｎ＋１）個の各帯域内のスペクトル分布を表す（ｎ＋１）個の信号をアナライザ４１より供給されると、アナライザ４１から供給された信号が表す各帯域のうち、実質的にスペクトルが含まれない帯域（すなわち、削除バンド）を特定する。そして、特定した削除バンドを補完すべきバンド（補間用バンド）を、アナライザ４１から供給された信号が表す各帯域のうち削除バンド以外のバンドから選択し、選択結果を周波数補間処理部４４に通知する。
【００５２】
補間用バンドを決定する基準は任意である。例えば、特定した削除バンドに低周波数側で隣接する帯域に削除バンドでない帯域がある場合、スペクトル解析部４３は、図７に示すように、特定した削除バンドに低周波数側で隣接するこの帯域を、補間用バンドとして決定してもよい。
【００５３】
周波数補間処理部４４は、ＤＳＰやＣＰＵ等より構成されている。周波数補間処理部４４は、上述の（ｎ＋１）個の各帯域内のスペクトル分布を表す（ｎ＋１）個の信号をアナライザ４１より供給されると、各帯域内のスペクトル分布の包絡線をなす関数を特定する。そして、スペクトル解析部４３より補間用バンドの選択結果を通知されると、選択結果が示す補間用バンドを、包絡線をなす関数に基づいてスケーリングすることにより、削除バンドに補完すべき信号成分のスペクトル分布を求める。
【００５４】
具体的には、周波数補間処理部４４は、例えば、スペクトル解析部４３より通知された選択結果が示す補間用バンド内のスペクトル成分の二乗平均値を求め、一方で、自己が特定した包絡線をなす関数に基づき、削除バンド内のスペクトル成分の二乗平均値の推定値を求める。そして、補間用バンド内のスペクトル成分の二乗平均値に対する、削除バンド内のスペクトル成分の二乗平均値の推定値の比の値を求め、補間用バンド内の各スペクトル成分の値にこの比の値を各々乗じて得られる積を求める。得られた積の集合が、削除バンドに補完すべき信号成分のスペクトル分布を表す。
【００５５】
そして、周波数補間処理部４４は、削除バンドに補完すべき信号成分のスペクトル分布を、補間後の削除バンド内のスペクトル分布を表すものとして扱うことにより、補間後の削除バンド内のスペクトル分布を表す信号を生成する。そして、生成した信号をシンセサイザ４５へと供給する。
従って、周波数補間処理部４４からシンセサイザ４５へは、音声伸長部３から周波数補間部４へ供給されたＰＣＭ信号のスペクトルに補間後の削除バンドのスペクトル成分が加算されて得られるスペクトルの分布（補間後のスペクトル分布）を表す信号が供給される。
【００５６】
ただし、周波数補間処理部４４は、削除バンドに補間すべきスペクトル分布を、補間後の削除バンド内のスペクトル分布として扱う場合、スケーリングされた補間用バンド内の各スペクトルの周波数が、その元来の値に、削除バンド及び補間用バンドの最低周波数同士の差の絶対値を加算した値であるものとして扱うものとする。
【００５７】
シンセサイザ４５は、周波数補間処理部４４が出力する、補間後のスペクトル分布を表す信号を供給されると、スペクトル分布が補間後のスペクトル分布に相当するＰＣＭ信号を出力する。シンセサイザ４５が出力するＰＣＭ信号は、換言すれば、補間後のスペクトル分布を有する信号を（ｎ＋１）点で等間隔にサンプリングしてアナライザ４１に供給されたＰＣＭ信号の周期と実質的に同一の周期で順次出力したものに相当するＰＣＭ信号である。
【００５８】
なお、図７（ａ）は、音声伸長部３がアナライザ４１に供給したＰＣＭ信号のスペクトル分布（補間前のスペクトル分布）の例を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すスペクトル分布を有するＰＣＭ信号に周波数の補間を施した結果得られる、補間後のスペクトル分布の例を示す図である。
図７（ａ）に示すように、音声伸長部３がアナライザ４１に供給したＰＣＭ信号の１１個の帯域（帯域Ｂ１〜帯域Ｂ１１）のうち帯域Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８及びＢ１０が削除バンドである場合において、削除バンドに低周波数側で隣接する帯域を補間用バンドとした場合、補間後のスペクトル分布は、図７（ｂ）に示すように、削除バンドである帯域Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８及びＢ１０に、帯域Ｂ３、Ｂ５、Ｂ７及びＢ９のスペクトル分布と実質的に同一の分布を有するスペクトルが加えられたものとなる。
【００５９】
図７（ｂ）に示すような補間を行うことにより、周波数の間引きを受ける前のＰＣＭ信号のスペクトルに近いスペクトルが得られる。従って、シンセサイザ４５が出力するＰＣＭ信号を用いてオーディオ信号を復元することにより、オーディオ信号が高音質で復元される。特に、帯域Ｂ３〜Ｂ１１が、周波数の間引きを受ける前のＰＣＭ信号の基本波成分を含まない帯域である場合、補間後のスペクトル分布は、周波数の間引きを受ける前のＰＣＭ信号のスペクトルに特に近いものとなる。
【００６０】
なお、この音声信号処理装置の構成は上述のものに限られない。
例えば、この音声信号処理装置は音声圧縮部２や音声伸長部３を必ずしも備えている必要はない。
また、周波数間引き部１が周波数の間引きを行う対象の信号や、周波数補間部４が周波数の補間を行う対象の信号は、ＰＣＭ信号である必要はなく、オーディオ信号を変調して得られる変調波である必要もない。
【００６１】
また、遅延部１１１−０〜１１１−（ｎ−１）及び１３３−０〜１３３−（ｎ−１）や、サンプラー１１２−０〜１１２−ｎ及び１３２−０〜１３２−ｎや、加算器１３４−０〜１３４−（ｎ−１）の機能を、ＤＳＰやＣＰＵが行ってもよい。
また、周波数バンドマスキング部１２は、相関係数に代えて、２個の帯域のスペクトルの相関を表す任意の数値を、両帯域スペクトル分布に基づいて求め、高調波バンド（及び基本波バンド）の決定に用いてもよい。
【００６２】
また、周波数間引き部１が出力する出力信号（ＰＣＭ信号）に含まれる削除バンドの範囲は、時間の経過につれ変動してもよい。従って、例えば図８（ａ）〜（ｃ）及び図９（ａ）に示すように、周波数間引き部１が出力する信号は、削除バンドが帯域Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８及びＢ１０である状態と、削除バンドが帯域Ｂ５、Ｂ７、Ｂ９及びＢ１１である状態とを、期間＃１、期間＃２、期間＃３、・・・の順で一定時間毎に交互に繰り返すものであってもよい。
また、削除バンドの範囲は無作為に変動してもよい。従って、例えば、特定の期間＃１〜＃８における削除バンドの範囲が図９（ｂ）に示す通りになっていてもよい。
【００６３】
同様に、周波数補間部４に供給されるＰＣＭ信号に含まれる削除バンドの範囲も、時間の経過につれ変動してもよい。従って、例えば図８（ａ）〜（ｃ）及び図９（ａ）に示すように、周波数補間部４に供給されるＰＣＭ信号は、削除バンドが帯域Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８及びＢ１０である状態と、削除バンドが帯域Ｂ５、Ｂ７、Ｂ９及びＢ１１である状態とを、期間＃１、期間＃２、期間＃３、・・・の順で一定時間毎に交互に繰り返すものであってもよい。
また、周波数補間部４に供給されるＰＣＭ信号に含まれる削除バンドの範囲は無作為に変動してもよい。従って、例えば、特定の期間＃１〜＃８において周波数補間部４に供給されるＰＣＭ信号に含まれる削除バンドの範囲が、図９（ｂ）に示す通りになっていてもよい。
【００６４】
また、スペクトル解析部４３は、補間用バンドを、周波数補間部４に供給されたＰＣＭ信号の過去のスペクトルのうちから選択するようにしてもよい。具体的には、例えば、削除バンドの範囲が図８（ａ）〜（ｃ）や図９（ａ）に示すように変動する場合、期間＃２における削除バンドである帯域Ｂ５、Ｂ７、Ｂ９及びＢ１１を補間するための補間用バンドとして、期間＃１における帯域Ｂ５、Ｂ７、Ｂ９及びＢ１１を選択し、期間＃３における帯域Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８及びＢ１０を補間するための補間用バンドとして、期間＃２における帯域Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８及びＢ１０を選択するようにしてもよい。
【００６５】
このように補間用バンドを選択する結果、図１０（ａ）〜（ｃ）に示すように、期間＃２における削除バンドである帯域Ｂ５、Ｂ７、Ｂ９及びＢ１１は、期間＃１における帯域Ｂ５、Ｂ７、Ｂ９及びＢ１１のスペクトルを用いて補間される。また、期間＃３における帯域Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８及びＢ１０は、期間＃２における帯域Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８及びＢ１０のスペクトルを用いて補間される。
【００６６】
また、削除バンドの範囲が無作為に変動する場合は、各々の期間における削除バンドを補間するための補間用バンドとして、当該削除バンドと同一の帯域が削除バンドでなくなるような過去の任意の期間における当該帯域を選択するようにしてもよい。
【００６７】
なお、スペクトル解析部４３が、周波数補間部４に供給されたＰＣＭ信号の過去のスペクトルのうちから補間用バンドを選択する場合、周波数補間処理部４４は、補間用バンドのスペクトル分布を表す情報を、スペクトル記憶部４２より読み出して、削除バンドの補間のために用いるようにすればよい。
この場合、スペクトル記憶部４２は、スペクトル解析部４３が選択した補間用バンドのスペクトルを確実に記憶する程度に大きな記憶容量を有していることが望ましい。
【００６８】
また、スペクトル解析部４３は、補間用バンドを、周波数補間部４に供給されたＰＣＭ信号の将来のスペクトルのうちから選択するようにしてもよい。具体的には、例えば、削除バンドの範囲が図８（ａ）〜（ｃ）や図９（ａ）に示すように変動する場合、期間＃１における削除バンドである帯域Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８及びＢ１０を補間するための補間用バンドとして、期間＃２における帯域Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８及びＢ１０を選択するようにしてもよい。
このように補間用バンドを選択したとき、周波数補間処理部４４は、例えば、期間＃２におけるスペクトルを表す信号がアナライザ４１から供給された時点で、スペクトル記憶部４２より、期間＃１におけるスペクトルを表す信号を読み出す。そして、読み出した信号を、アナライザ４１から供給された期間＃２のスペクトルを表す信号を用いて補間するものとする。この結果、図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、期間＃１における削除バンドである帯域Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８及びＢ１０は、期間＃２における帯域Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８及びＢ１０のスペクトルを用いて補間される。
【００６９】
また、スペクトル解析部４３は、例えば、削除バンドの範囲が無作為に変動する場合、各々の期間における削除バンドを補間するための補間用バンドとして、当該削除バンドと同一の帯域が削除バンドでなくなるような将来の任意の期間における当該帯域を選択するようにしてもよい。
【００７０】
以上、この発明の実施の形態を説明したが、この発明にかかる周波数補間装置は、専用のシステムによらず、通常のコンピュータシステムを用いて実現可能である。
例えば、パーソナルコンピュータやマイクロコンピュータに上述のアナライザ４１、スペクトル記憶部４２、スペクトル解析部４３、周波数補間処理部４４及びシンセサイザ４５の動作を実行するためのプログラムを格納した媒体（ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、フロッピーディスク等）から該プログラムをインストールすることにより、上述の処理を実行する周波数補間部４を構成することができる。
【００７１】
また、例えば、通信回線の掲示板（ＢＢＳ）に該プログラムを掲示し、これを通信回線を介して配信してもよく、また、該プログラムを表す信号により搬送波を変調し、得られた変調波を伝送し、この変調波を受信した装置が変調波を復調して該プログラムを復元するようにしてもよい。
そして、このプログラムを起動し、ＯＳの制御下に、他のアプリケーションプログラムと同様に実行することにより、上述の処理を実行することができる。
【００７２】
なお、ＯＳが処理の一部を分担する場合、あるいは、ＯＳが本願発明の１つの構成要素の一部を構成するような場合には、記録媒体には、その部分をのぞいたプログラムを格納してもよい。この場合も、この発明では、その記録媒体には、コンピュータが実行する各機能又はステップを実行するためのプログラムが格納されているものとする。
【００７３】
【発明の効果】
以上の説明のように、この発明によれば、高率で圧縮されたオーディオ信号を高音質を保ちながら復元するための周波数補間装置及び周波数補間方法が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態に係る音声信号処理装置の構成を示す図である。
【図２】周波数間引き部の構成を示す図である。
【図３】アナライザの構成を示す図である。
【図４】（ａ）は、間引き前のスペクトル分布の例を示す図であり、（ｂ）及び（ｃ）は、間引き後のスペクトル分布の例を示す図である。
【図５】シンセサイザの構成を示す図である。
【図６】周波数補間部の構成を示す図である。
【図７】（ａ）は、補間前のスペクトル分布の例を示す図であり、（ｂ）は、補間後のスペクトル分布の例を示す図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は、削除バンドの範囲が時間につれて変動するＰＣＭ信号のスペクトルを示す図である。
【図９】（ａ）及び（ｂ）は、削除バンドの範囲が時間につれて変動する様子を示す図である。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は、削除バンドの範囲が時間につれて変動するＰＣＭ信号が周波数の補間を受ける様子を説明する図である。
【符号の説明】
１ 周波数間引き部
１１、４１ アナライザ
１１１−０〜１１１−（ｎ−１）、１３３−０〜１３３−（ｎ−１） 遅延部
１１２−０〜１１２−ｎ、１３２−０〜１３２−ｎ サンプラー
１１３、１３１ フィルタバンク
１２ 周波数バンドマスキング部
１３、４５ シンセサイザ
１３４−０〜１３４−（ｎ−１） 加算器
２ 音声圧縮部
３ 音声伸長部
４ 周波数補間部
４２ スペクトル記憶部
４３ スペクトル解析部
４４ 周波数補間処理部
Claims (7)
- 補間される対象である被補間信号の第１及び第２の期間におけるスペクトルを表すスペクトル信号を生成するスペクトル分布生成手段と、
前記スペクトル信号に基づき、前記第１の期間におけるスペクトルの包絡線を表す包絡線情報を生成する包絡線抽出手段と、
前記スペクトル信号に基づき、前記第１の期間においてスペクトルが実質的に分布しない被補間帯域を特定する被補間帯域特定手段と、
前記スペクトル信号に基づき、前記第２の期間において前記被補間帯域と実質的に同一の帯域を占める補間用帯域を特定する補間用帯域特定手段と、
前記被補間帯域特定手段が特定した被補間帯域内のスペクトルの分布が前記補間用帯域のスペクトルの分布と実質的に同一となり、当該被補間帯域内のスペクトルの強度が前記包絡線情報が示す包絡線により表される強度に実質的に等しくなるような信号を前記被補間信号に追加する補間手段と、を備える、
ことを特徴とする周波数補間装置。 - 補間される対象である被補間信号のスペクトルを表すスペクトル信号を生成するスペクトル分布生成手段と、
前記スペクトル信号に基づき、前記スペクトルの包絡線を表す包絡線情報を生成する包絡線抽出手段と、
前記スペクトル信号に基づき、スペクトルが実質的に分布しない被補間帯域を特定する被補間帯域特定手段と、
前記スペクトル信号に基づき、前記被補間帯域に低周波数側で隣接し、当該被補間帯域と実質的に同一の帯域幅を占める補間用帯域を特定する補間用帯域特定手段と、
前記被補間帯域特定手段が特定した被補間帯域内のスペクトルの分布が前記補間用帯域のスペクトルの分布と実質的に同一となり、当該被補間帯域内のスペクトルの強度が前記包絡線情報が示す包絡線により表される強度に実質的に等しくなるような信号を前記被補間信号に追加する補間手段と、を備える、
ことを特徴とする周波数補間装置。 - 前記被補間信号は、オーディオ信号によりＰＣＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｃｏｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変調を行って得られるＰＣＭ信号より構成されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の周波数補間装置。 - 補間される対象である被補間信号の第１及び第２の期間におけるスペクトルを表すスペクトル信号を生成し、
前記スペクトル信号に基づき、前記第１の期間におけるスペクトルの包絡線を表す包絡線情報を生成し、
前記スペクトル信号に基づき、前記第１の期間においてスペクトルが実質的に分布しない被補間帯域を特定し、
前記スペクトル信号に基づき、前記第２の期間において前記被補間帯域と実質的に同一の帯域を占める補間用帯域を特定し、
前記被補間帯域内のスペクトルの分布が前記補間用帯域のスペクトルの分布と実質的に同一となり、当該被補間帯域内のスペクトルの強度が前記包絡線情報が示す包絡線により表される強度に実質的に等しくなるような信号を前記被補間信号に追加する、
ことを特徴とする周波数補間方法。 - 補間される対象である被補間信号のスペクトルを表すスペクトル信号を生成し、
前記スペクトル信号に基づき、前記スペクトルの包絡線を表す包絡線情報を生成し、
前記スペクトル信号に基づき、スペクトルが実質的に分布しない被補間帯域を特定し、
前記スペクトル信号に基づき、前記被補間帯域に低周波数側で隣接し、当該被補間帯域と実質的に同一の帯域幅を占める補間用帯域を特定し、
前記被補間帯域内のスペクトルの分布が前記補間用帯域のスペクトルの分布と実質的に同一となり、当該被補間帯域内のスペクトルの強度が前記包絡線情報が示す包絡線により表される強度に実質的に等しくなるような信号を前記被補間信号に追加する、
ことを特徴とする周波数補間方法。 - コンピュータを、
補間される対象である被補間信号の第１及び第２の期間におけるスペクトルを表すスペクトル信号を生成するスペクトル分布生成手段と、
前記スペクトル信号に基づき、前記第１の期間におけるスペクトルの包絡線を表す包絡線情報を生成する包絡線抽出手段と、
前記スペクトル信号に基づき、前記第１の期間においてスペクトルが実質的に分布しない被補間帯域を特定する被補間帯域特定手段と、
前記スペクトル信号に基づき、前記第２の期間において前記被補間帯域と実質的に同一の帯域を占める補間用帯域を特定する補間用帯域特定手段と、
前記被補間帯域特定手段が特定した被補間帯域内のスペクトルの分布が前記補間用帯域のスペクトルの分布と実質的に同一となり、当該被補間帯域内のスペクトルの強度が前記包絡線情報が示す包絡線により表される強度に実質的に等しくなるような信号を前記被補間信号に追加する補間手段と、
して機能させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。 - コンピュータを、
補間される対象である被補間信号のスペクトルを表すスペクトル信号を生成するスペクトル分布生成手段と、
前記スペクトル信号に基づき、前記スペクトルの包絡線を表す包絡線情報を生成する包絡線抽出手段と、
前記スペクトル信号に基づき、スペクトルが実質的に分布しない被補間帯域を特定する被補間帯域特定手段と、
前記スペクトル信号に基づき、前記被補間帯域に低周波数側で隣接し、当該被補間帯域と実質的に同一の帯域幅を占める補間用帯域を特定する補間用帯域特定手段と、
前記被補間帯域特定手段が特定した被補間帯域内のスペクトルの分布が前記補間用帯域のスペクトルの分布と実質的に同一となり、当該被補間帯域内のスペクトルの強度が前記包絡線情報が示す包絡線により表される強度に実質的に等しくなるような信号を前記被補間信号に追加する補間手段と、
して機能させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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