JP3873282B2 - 音色制御フィルタ - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、周波数特性変調系の音色制御フィルタ(エフェクタ)に関し、特にアナログ回路で構成したものに近い音を再現できる音色制御フィルタに関する。
【0002】
【従来の技術】
音色制御フィルタ(あるいは効果付与装置)の1つとしてワウ・ワウ(wowwowまたはwah wah:以下単にWahと呼ぶ)が知られている。Wahは、ギターなどに使われる音色制御フィルタである。Wahは、バンドパスフィルタのピーク周波数を変化させることで入力楽音信号の音色を変化させる。周波数を変化させるには、フットペダルによる方法(ペダルワウ)や、入力が加わると自動で変化する方法(オートワウ)などがある。
【0003】
Wahの構成は、大別すると、Q一定のステートバリアブル(2重積分型)フィルタを用いたものと、負帰還型のQ可変型(カットオフ周波数が低いほどQが高い)のものに二分される。また、この他にもカットオフ周波数が高いほどQが高くなる構成も考えられる。2重積分型フィルタを用いたものでは、出力を取り出す位置をLP(ローパス)/BP(バンドパス)/HP(ハイパス)の何れかに切り替え可能なものが知られている。LP出力は音痩せしない(低音がしっかりと出る)のでベースに用いられたりする。一方、ギター用のWahはほとんど負帰還型で、いわゆる典型的なWahの音はこちらである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、デジタルエフェクタでWahとして良く用いられるバンドパスフィルタは、2重積分型や標準型などさまざまな方式のものがあるが、何れにしてもQが一定なので、カットオフ周波数が高くなったときに低域が削られて音が細くなる(低音が出ない)。一方、負帰還型のアナログWahは、カットオフ周波数に関係なく、低域の特性がほとんど変化しないので、音が痩せない。そのため、デジタル回路構成のWahでアナログのWahの音を再現するには、負帰還型と同様の周波数特性の変化をするのが望ましい。
【0005】
しかし、周波数特性を合わせたとしても、デジタルフィルタによるWahにはまだ問題がある。音色制御フィルタとしてのWahはQが高いため、普通の入力レベルでも若干の歪みを生じることがあるが、この歪みはピークを抑える効果があり、アナログ機器の音の良い理由の1つである。しかし、デジタルフィルタでWahを実現する場合、歪むと音が汚くなるので、なるべく歪まないように設定する。一方、歪まないと周波数特性のピークが音量によってはきつく感じられることが多く、デジタルフィルタによるWahの音がきついとか、良くないと言われる原因となっている。
【0006】
デジタルフィルタで歪んだ場合、構成によって歪みはさまざまである。標準型(バタフライ型)で歪むときたない感じ(カオス的だが汚い音)になる。また2重積分型では、歪むことで見かけのカットオフが下がる(飽和して係数が小さくなったのと同様の効果を生じる)ため、カットオフが変動してゲロゲロした音になることがある。歪みの質は2重積分型の方が良いが、これらの何れもアナログの歪みとは異なる。デジタル特有のきつさを抑えるには適度に歪ませるしか無いので、結局アナログ的な歪みをいかにシミュレートするかが重要である。
【0007】
この発明は、上述の従来技術における問題点に鑑み、アナログのWahの回路をもとに、その周波数特性だけでなく、歪みの挙動までシミュレートすることで、できる限りアナログに近い音を再現することができるデジタル回路構成の音色制御フィルタ(エフェクタ)を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、請求項1に係る発明は、入力楽音信号に周波数特性変調系の効果を付与して出力するデジタル回路構成の音色制御フィルタであって、前記入力楽音信号とフィードバック手段によりフィードバックされる信号とを加算する加算手段と、前記加算手段の出力信号を積分する第1の積分器と該第1の積分器の出力信号に第1の乗算係数を乗算する第1の乗算器とを備えるバンドパスフィルタ手段と、前記バンドパスフィルタ手段の前記第1の乗算器の出力信号を非線形で変換して出力する非線形変換手段と、前記非線形変換手段の出力信号に第2の乗算係数を乗算する第2の乗算器と該第2の乗算器の出力信号を積分する第2の積分器とを備えるローパスフィルタ手段と、前記ローパスフィルタ手段の出力信号を前記加算手段にフィードバックするフィードバック手段と、前記ローパスフィルタ手段の周波数特性を決定する前記第2の乗算器の第2の乗算係数を固定の値に設定する手段と、前記バンドパスフィルタ手段の周波数特性を決定する前記第1の乗算器の第1の乗算係数を、所定の変調信号に基づいて変化させ制御手段とを備えることを特徴とする。
【0009】
請求項2に係る発明は、入力楽音信号に周波数特性変調系の効果を付与して出力するデジタル回路構成の音色制御フィルタであって、前記入力楽音信号とフィードバック手段によりフィードバックされる信号とを加算する加算手段と、前記加算手段の出力信号を積分する第1の積分器と該第1の積分器の出力信号に第1の乗算係数を乗算する第1の乗算器とを備えるバンドパスフィルタ手段と、前記バンドパスフィルタ手段の前記第1の乗算器の入力側の信号に対して所定の非線形変換を施し、前記第1の乗算器の出力側の信号に対して所定の非線形変換を施し、それらの非線形変換の結果の信号を加算して出力する非線形変換手段と、前記非線形変換手段の出力信号に第2の乗算係数を乗算する第2の乗算器と該第2の乗算器の出力信号を積分する第2の積分器とを備えるローパスフィルタ手段と、前記ローパスフィルタ手段の出力信号を前記加算手段にフィードバックするフィードバック手段と、前記ローパスフィルタ手段の周波数特性を決定する前記第2の乗算器の第2の乗算係数を固定の値に設定する手段と、前記バンドパスフィルタ手段の周波数特性を決定する前記第1の乗算器の第1の乗算係数を、所定の変調信号に基づいて変化させ制御手段とを備えることを特徴とする。
【0011】
請求項4に係る発明は、請求項1または2に記載の音色制御フィルタにおいて、前記ローパスフィルタ手段の第2の積分器は、遅延手段と、前記第2の乗算器の出力信号と前記遅延手段の出力信号とを加算しその加算結果を遅延手段の入力側に戻す加算手段とを、備えるループ回路により構成し、該ループ回路中には、該ループ回路をループする信号を取り出して所定値を乗算する乗算器と、該乗算器の乗算結果を前記ループ回路に戻す加算器とを設けることを特徴とする。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いてこの発明の実施の形態を説明する。
【0013】
図1に、この発明の第1の実施の形態に係るWahの概略構成を示す。この構成について説明する前に、従来より知られているアナログ回路構成のWahから段階的にデジタルのWahを構成していく過程について、図8〜図10を参照して説明する。
【0014】
図8は、アナログのWahの簡略化した回路例を示す。図9は、図8のアナログ回路をブロック変換して構成したデジタルのWahの回路例を示す。図8で共振回路(フィルタ部分)を構成するコイルL、抵抗rc、コンデンサCの部分801を、図9のループ回路901に置き換える。また、ゲインgaの初段のアンプからエミッタフォロアに対応するゲイン1のアンプを介してフィードバックする部分802を、図9のNFB部902に置き換える。さらに、図10は、図9の回路からNFB部902をHPFを省略して乗算に置き換えて(線形とする)、回路を整理したものである。図10は、2重積分型のフィルタになっている。
【0015】
図1の実施形態の回路は、図10の回路から、バンドパス段の積分と乗算(係数a)の順を入れ換えて係数を正規化し、ゲイン配分を見直し、回路を整理して、さらにバンドパス段を制御する制御回路を追加したものである。図1において、入力楽音信号INは、ゲイン制御のための乗算器101に入力し、係数ingが乗算される。乗算器101の出力は、加算器102に入力し、加算器102の出力はBPF(バンドパスフィルタ)130に入力する。BPF130は、加算器103,105、乗算器104,107、および遅延回路(1サンプリング周期遅延)106からなる。BPF130の出力は、LPF(ローパスフィルタ)140に入力する。LPF140は、乗算器108、加算器109、および遅延回路(1サンプリング周期遅延)110からなる。LPF140の出力は、加算器102にフィードバックされる。
【0016】
カットオフ制御回路113は、LFO(低周波発生器)111やEF(エンベロープフォロワ)112の出力に基づいて、BPF130の係数(詳しくは、乗算器104の係数bpc)を生成出力する。LFO111は、例えばユーザが操作するペダルの操作情報に応じた周波数の低周波信号を出力したり、あるいは指定された所定の周波数の低周波信号を出力するものである。ユーザのペダル操作に応じた出力を出す場合はペダルワウとなり、所定周波数の出力を出す場合はオートワウとなる。EF112は入力信号INのエンベロープレベルを抽出して出力する回路であり、カットオフ制御回路113は、入力信号のエンベロープレベルに応じたBPF130の係数を生成出力する。これにより、入力信号のレベルに同期して音色が変化するWah(オートワウ)が実現できる。
【0017】
図1の構成では、LPF140の係数を固定にし、BPF130の係数のみをコントロールしている。これにより、アナログのWahの基本的な周波数特性はシミュレーションできる。図2に、その周波数特性の例を示す。図1の構成では、通常の2重積分型(VCF)のアナログWahの特性と比べて、BPFのピーク周波数の変化に応じてQが変化するため、バンドパス特性の低域部分のスロープが変化しないのが特徴である。すなわち、BPFのピーク周波数が移動しても低周波数域のカーブはほとんど変化していない。従って、楽器のファンダメンタル部分の特性が保存されるため、扱い易いという特徴がある。
【0018】
次に、第2の実施形態について説明する。図3に、第2の実施形態に係るWahの概略構成を示す。この構成についても、第1の実施形態と同様に、アナログ回路構成のWahから段階的にデジタルのWahを構成していく過程について、図9および図11〜図17を参照して説明する。
【0019】
第1の実施形態で参照した図9の構成において、NFB部分902を解くために、HPF922を無視すると、加算器921への入力xと出力yとの関係は、下記の数1のようになる。
【0020】
【数1】
Figure 0003873282
【0021】
ここでアナログ回路でのアンプの非線形特性を考慮して、図9のNFB部分902を、図11のように変形する。すなわち、非線形特性を持つハードクリップ1101を設けたとする。このハードクリップ1101が無いとき、出力信号OUTは下記の数2のように書ける。
【0022】
【数2】
Figure 0003873282
【0023】
この出力信号OUTと、ハードクリップ1101のクリップレベルcliplvlとの大小関係を考えると、上述の入出力xとyとは以下の数3の関係となる。
【0024】
【数3】
Figure 0003873282
【0025】
以上より、図9のブロック図は図13のように書き換えることができる。ただし、1301は、図12に示すような非線形変換を施す非線形変換部である。1302は、信号レベルをクリップレベルcliplvlに制限するクリップ部である。
【0026】
図13をさらに書き換えて、図14の回路を得る。これは、図13の入力ゲイン制御用の乗算器と加算器の部分を除き、回路を整理したものである。さらに図14の乗算器1401と1402を合わせて、乗算器1501で代表させることにより、図15の回路を得る。
【0027】
図15の非線形変換部1502から出力OUTまでの部分を、クリップレベルcliplvl=1として先の数3に従って図16のように書き換える。なお、クリップレベルcliplvlは相対的なものなので、1でなくともよい。vol=1のときは、OUT=[(−ga)/(1+ga)]・xとなり、OUTとxとはほぼ同じとなりクリップしない(積分段でクリップしてしまう)。これらの理由により、積分段のマージンを確保するため、−gaの代わりにゲインG(|G|>|ga|)を用いて、図16の回路を変更し、図17の回路を得る。なお、シフトで済むようにG=2Nとする(ここでは、G=1024、gaは100程度)。また、全体をga/G倍するものとする。
【0028】
図3に示す第2の実施形態の回路は、図15の非線形変換部1502から出力OUTまでの部分を図17で置き換えるとともに、ディレイフリーループ部分をZ-1で置き換え、さらに係数を与える部分を付け加えたものである。ゲイン制御のための乗算器301も付け加えた。
【0029】
図3において、入力信号INは、ゲイン制御のための乗算器301に入力し、係数ingが乗算される。乗算器301の出力は、加算器302に入力し、加算器302の出力は加算器303に入力する。加算器303,304、遅延回路305、乗算器306,307、クリップ回路308、乗算器309、加算器311,312、クリップ回路313,314、加算器315、遅延回路316、および乗算器317は、バンドパス段に相当する。また、乗算器320、加算器321、および遅延回路322は、図1のLPF140に相当するLPF部分である。LFO323、EF324、およびカットオフ制御回路325は、図1の各部111〜113に相当する部分である。
【0030】
本実施形態の図3の構成は、特にアナログ機器で生じる歪みをシミュレートする非線形変換を含むことが特徴である。周波数特性だけでなく、歪みの挙動までシミュレートするので、きわめてアナログに近い楽音を再現することができる。ここでは簡単のためにハードクリップで行なっているが、ソフトクリップで行なっても良いし、バンドパス係数に応じた出入力の非線型テーブルを用いても良い。
【0031】
図1や図3の構成で、Wahの基本的な周波数特性はシミュレーションできるが、アナログ機器のWahと比べて、低い周波数のQがやや強めになることが確認された。原因を調べたところ、アナログのWahでは、用いているコイルの抵抗値が無視できないほど大きいためであることが分かった。その理由は、小さなコイルで高いインダクタンスを得るため、非常に細い線を用いているためである。
【0032】
次に説明する第3の実施形態は、図1の構成にコイルの抵抗による影響を追加したものである。図4(a)のようにコイルLの抵抗をRとし、図に示すような電圧と電流を仮定する。これは図4(b)のようなデジタル回路で置き換えられる。ディレイフリーループ部分を除去すると、図4(c)の回路になる。ここで、下記の数4が成り立つ。
【0033】
【数4】
Figure 0003873282
【0034】
従って、図4(c)の回路は図4(d)で置き換えられる。これを、図1に適用する。dt/Lをlpcと置き換えて、図5の回路を得る。図5において、500番台の数字で示した各部は、図1の100番台の数字で示した各部と、下2桁が同じ同士で対応している。図5が図1と異なるのは、LPF530内に、図4で説明したコイルの抵抗を考慮した乗算器541と加算器542を備えていることである。これにより、アナログのWahのコイルの抵抗による影響を考慮した処理がなされ、よりアナログ機器に近い楽音が得られる。
【0035】
図6に、図5の構成のWahの周波数特性の例を示す。図2のグラフに比べて、コイルの抵抗の影響に基づきピーク周波数が低いほどQを落とすようになっている。なお、図4(d)の構成は、図3の非線型を含む場合に対しても同様に適用できる。
【0036】
次に、第4の実施形態を説明する。上述したように、図1の構成によれば、バンドパス特性の低域部分のスロープが変化しないので、楽器のファンダメンタル部分の特性が保存され扱い易いという特徴がある。しかし、場合によってはシンセサイザのスイープのような効果を得るため、従来のVCFの特性が欲しい場合もある。また、この2つの特性の中間や、ローパス段のみ振った(低周波信号でLPFのカットオフ周波数を変化させる)ような特殊な特性も再現できると便利である。図7に、そのような特性を実現する第4の実施形態の構成を示す。
【0037】
図7において、701〜712の番号を付した各部は、図1の501〜512の番号を付した各部と、下2桁が同じ同士で対応している。セレクタ713は、EF711やLFO712やその他の信号源からの変調信号を選択するスイッチである。セレクタ713で選択された変調信号は、加算器714で−1と加算される。乗算器715、加算器716、および指数変換部717は、BPF部730の係数を出力する部分である。これと独立して、LPF740の係数を出力する部分として、乗算器718、加算器719、および指数変換部720が設けられている。
【0038】
特に、図7では、BPF部730の係数とLPF740の係数とを独立に制御する構成を採っていることが特徴である。BPF部730の係数とLPF740の係数とを同期させて変化させればVCF(Voltage Controlled Filter)、バンドパスの係数のみ変化させればWah、ローパスの係数のみ変化させればカットオフ周波数が高いほどQが大きくなる特殊な効果が得られ、またこれらの中間の設定も可能である。
【0039】
なお、ブロック変換で無視した要素による影響を補正するため、VCFの前段または後段にHPFやEQなどを挿入しても良い。また、図4で説明したコイルの抵抗による損失を考慮した構成は、図7の回路にも適用できる。
【0040】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、アナログのWahの回路をもとに、その周波数特性だけでなく、歪みの挙動までシミュレートすることで、できる限りアナログに近い音を再現することができるデジタル回路構成の音色制御フィルタ(エフェクタ)を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1の実施の形態に係るWahの概略構成図
【図2】 図1の構成の周波数特性の例を示す図
【図3】 第2の実施の形態に係るWahの概略構成図
【図4】 コイルの抵抗による影響を考慮した回路の説明図
【図5】 コイルの抵抗による影響を考慮して書き換えた第3の実施の形態に係るWahの概略構成図
【図6】 図5の構成のWahの周波数特性の例を示す図
【図7】 第4の実施の形態に係るWahの概略構成図
【図8】 アナログのWahの簡略化した回路例を示す図
【図9】 図8のアナログ回路をブロック変換して構成したデジタルのWahの回路例を示す図
【図10】 図9から書き換えた回路例を示す図
【図11】 NFB部分を書き換えた回路例を示す図
【図12】 非線形変換部の非線形特性を示す図
【図13】 図9から書き換えた回路例を示す図
【図14】 図13から書き換えた回路例を示す図
【図15】 図14から書き換えた回路例を示す図
【図16】 図15の非線形変換部から出力までの部分を書き換えた回路例を示す図
【図17】 図16から書き換えた回路例を示す図
【符号の説明】
101…乗算器、102,103…加算器、104…乗算器、105…加算器、106…遅延回路、107…乗算器、108…乗算器、109…加算器、110…遅延回路、111…LFO(低周波発生器)、112…EF(エンベロープフォロワ)、113…カットオフ制御回路、130…BPF(バンドパスフィルタ)、140…LPF(ローパスフィルタ)。

Claims (3)

  1. 入力楽音信号に周波数特性変調系の効果を付与して出力するデジタル回路構成の音色制御フィルタであって、
    前記入力楽音信号とフィードバック手段によりフィードバックされる信号とを加算する加算手段と、
    前記加算手段の出力信号を積分する第1の積分器と該第1の積分器の出力信号に第1の乗算係数を乗算する第1の乗算器とを備えるバンドパスフィルタ手段と、
    前記バンドパスフィルタ手段の前記第1の乗算器の出力信号を非線形で変換して出力する非線形変換手段と、
    前記非線形変換手段の出力信号に第2の乗算係数を乗算する第2の乗算器と該第2の乗算器の出力信号を積分する第2の積分器とを備えるローパスフィルタ手段と、
    前記ローパスフィルタ手段の出力信号を前記加算手段にフィードバックするフィードバック手段と、
    前記ローパスフィルタ手段の周波数特性を決定する前記第2の乗算器の第2の乗算係数を固定の値に設定する手段と、
    前記バンドパスフィルタ手段の周波数特性を決定する前記第1の乗算器の第1の乗算係数を、所定の変調信号に基づいて変化させ制御手段
    備えることを特徴とする音色制御フィルタ。
  2. 入力楽音信号に周波数特性変調系の効果を付与して出力するデジタル回路構成の音色制御フィルタであって、
    前記入力楽音信号とフィードバック手段によりフィードバックされる信号とを加算する加算手段と、
    前記加算手段の出力信号を積分する第1の積分器と該第1の積分器の出力信号に第1の乗算係数を乗算する第1の乗算器とを備えるバンドパスフィルタ手段と、
    前記バンドパスフィルタ手段の前記第1の乗算器の入力側の信号に対して所定の非線形変換を施し、前記第1の乗算器の出力側の信号に対して所定の非線形変換を施し、それらの非線形変換の結果の信号を加算して出力する非線形変換手段と、
    前記非線形変換手段の出力信号に第2の乗算係数を乗算する第2の乗算器と該第2の乗算器の出力信号を積分する第2の積分器とを備えるローパスフィルタ手段と、
    前記ローパスフィルタ手段の出力信号を前記加算手段にフィードバックするフィードバック手段と、
    前記ローパスフィルタ手段の周波数特性を決定する前記第2の乗算器の第2の乗算係数を固定の値に設定する手段と、
    前記バンドパスフィルタ手段の周波数特性を決定する前記第1の乗算器の第1の乗算係数を、所定の変調信号に基づいて変化させ制御手段
    備えることを特徴とする音色制御フィルタ。
  3. 請求項1または2に記載の音色制御フィルタにおいて、
    前記ローパスフィルタ手段の第2の積分器は、遅延手段と、前記第2の乗算器の出力信号と前記遅延手段の出力信号とを加算しその加算結果を遅延手段の入力側に戻す加算手段とを、備えるループ回路により構成し、
    該ループ回路中には、該ループ回路をループする信号を取り出して所定値を乗算する乗算器と、該乗算器の乗算結果を前記ループ回路に戻す加算器とを設ける
    ことを特徴とする音色制御フィルタ。
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