JP4001701B2 - 帯域限定適応イコライザ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、オーディオ装置に使用する適応イコライザに関し、 特に低い周波数帯域の信号にのみ補正処理を行う帯域限定適応イコライザに関する。
【0002】
【従来の技術】
オーディオシステムにより音楽等を再生する場合、再生空間における音の反射や吸収により音の伝達特性がその再生空間独自のものとなる。この再生空間毎に異なる伝達特性によりリスナーに到達する音の周波数毎のレベルや位相が変化して、音質劣化を生じさせる原因となる。このため、再生空間に応じて、オーディオ信号の周波数毎のレベルや位相を補正することが好ましい。
【0003】
再生空間(音響系)による周波数毎のレベルや位相の変化を自動的に補正する装置の一つに適応イコライザ(適応等化器)がある。図2は従来の適応イコライザの構成を示すブロック図である。
適応イコライザは、入力端子31,目標応答出力部32、適応フィルタ33、スピーカー34,マイクロホン35、演算部36及びフィルタ37により構成されている。また、適応フィルタ33は、FIR(Finite Impulse Responce )フィルタ33aと、LMS(Least Mean Square)適応アルゴリズムによりFIRフィルタ33aの係数(以下、「フィルタ係数」ともいう)を設定する係数演算部33bとにより構成される。
【0004】
入力端子31には、CDプレーヤ及びFMチューナー等からオーディオ信号が入力される。目標応答出力部32は、入力端子31を介して入力したオーディオ信号を所定の時間だけ遅延し、目標応答信号として出力する。また、適応フィルタ33は、入力端子31を介して入力したオーディオ信号に対し周波数毎のレベル及び位相を調整して出力する。スピーカー34は適応フィルタ33から出力された信号を音(音波)として再生空間(音響系C)に放射する。
【0005】
マイクロホン35は再生空間内のリスニングポイントに設置され、スピーカー34から放射された音を検出して電気信号に変換する。演算部36は、目標応答出力部32から出力された目標応答信号とマイクロホン35から出力された信号(検出信号)との差を演算し、その演算結果を誤差信号として出力する。フィルタ37はスピーカー34からマイクロホン35までの音響系Cの伝達特性を模擬するものであり、オーディオ信号を音響系Cの伝達特性に応じて補償した信号を適応フィルタ33に出力する。
【0006】
スピーカー34から再生空間に放射された音(音響信号)の周波数特性は、スピーカー34からマイクロホン35に至るまでの間にさまざまな変化を受ける。適応フィルタ33は、マイクロホン35から出力される信号が目標応答信号に一致するように、誤差信号のパワーを最小にするという基準に基づいてフィルタ係数を調整する。そして、適応フィルタ33は、このフィルタ係数に応じてオーディオ信号の周波数毎のレベル及び位相を調整する。これにより、再生空間の伝達特性による音響信号の変化が補正され、良好な音質で音楽等を楽しむことができる。
【0007】
適応イコライザは、グラフィックイコライザなどと比べて、(1)周波数特性をより細かく調整できる、(2)位相特性の補正が可能である、という大きな利点を有している。しかし、信号の処理量が極めて多く、装置コストが高い(現状で数百万円から数千万円)という欠点がある。
このため、適応フィルタによる補正処理を低い周波数帯域に限定した帯域限定適応イコライザが提案されている。図3は、帯域限定適応イコライザの一例を示すブロック図である。なお、図3において、図2と同一物には同一符号を付している。
【0008】
図3に示す適応イコライザでは、入力端子31から入力されたオーディオ信号を、ハイパスフィルタ41とローパスフィルタ42とにより低周波帯域と中高周波帯域とに分割する。そして、低周波帯域の信号については、適応フィルタ33により補正処理を行う。このとき、目標応答出力部32には、適応フィルタ33のタップ数の約半分の遅延時間に相当する遅延時間(T秒)が設定される。この目標応答出力部32に設定された遅延時間を、モデリングディレイという。
【0009】
中高周波帯域の信号については、遅延器43により、モデリングディレイTから音響系Cの伝播時間(ディレイ)tを減算した時間τ(τ=T−t)だけ遅延させる。そして、演算器44により、適応フィルタ33の出力と遅延器43の出力とを混合し、スピーカー34に供給する。演算器36は、目標応答出力部32の出力からマイクロホン35の出力を減算し、その結果を誤差信号として適応フィルタ33に出力する。
【0010】
この帯域限定適応イコライザでは、上述の如く、音響系Cの伝達特性を打ち消すフィルタ(逆フィルタという)を精度よく構成するために、適応フィルタ33のタップ数の約半分の遅延時間に相当する遅延時間(T秒)だけ入力信号を遅延し、目標応答信号として出力する。これにより、非補正周波数帯域(低周波帯域)の信号に対して、遅延時間T秒から音響系Cの伝播時間t秒を差し引いたτ(=T−t)秒のディレイを加えて、補正処理帯域(中高周波数)の信号と同時にマイクロホン35の位置(リスニングポイント)に到達するようにしている。
【0011】
このようなシステムは、適応フィルタの信号処理量が少なく、比較的低いコストで実現することができる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、車載オーディオシステムでは、複数のスピーカー及びアンプにより一つのチャンネルが構成されるマルチウエイといわれるシステムが広く使用されている。例えば、図4に示す例では、左右の高音用スピーカー51a,51bがリスニングポイントの前方に配置され、左右の中音用スピーカー52a,52bが側方に配置され、左右の低音用スピーカー53a,53bが後方に配置されている。右チャンネル(Rch)及び左チャンネル(Lch)のオーディオ信号が、それぞれハイパスフィルタ(HPF)54a,56a、バンドパスフィルタ(BPF)54b,56b及びローパスフィルタ(LPF)54c,56cにより帯域毎に分割され、アンプ55a〜55c,57a〜57cで増幅された後、高音用スピーカー51a,51b、中音用スピーカー52a,52b及び低音用スピーカー53a,53bにそれぞれ供給される。
【0013】
このようなマルチウエイシステムでは、1つのチャンネル(Rch又はLch)の各スピーカーからリスニングポイントまでの距離が異なるため、上記の手法を単純に適用することはできない。例えば、ローパスフィルタ54cから出力される信号を適応フィルタにより補正し、適応フィルタのタップ数の約半分の遅延時間に相当する時間だけハイパスフィルタ54a及びバンドパスフィルタ54bから出力される信号を遅延しても、スピーカー51a,52a,53aからリスニングポイントまでの距離がそれぞれ異なるので、スピーカー51a,52a,53aからそれぞれ放出された音波がリスニングポイントに到達する時間は一致しない。
【0014】
以上から本発明の目的は、マルチウエイシステムのオーディオ装置に適用できる帯域限定適応イコライザを提供することである。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決は、入力信号を周波数帯域が相互に異なる補正周波数帯域信号と非補正周波数帯域信号とに分割する第1の周波数帯域分割手段と、前記補正周波数帯域信号を補正処理する適応フィルタと、目標応答信号を出力する目標応答出力部と、前記非補正周波数帯域信号を遅延する第1の遅延器と、前記適応フィルタの出力信号と前記第1の遅延器の出力信号とを混合する第1の演算器と、前記第1の演算器の出力をn(nは2以上の自然数)個の周波数帯域の信号に分割する第2の周波数帯域分割手段と、前記第2の周波数帯域分割手段で分割される各周波数帯域の信号を個別に遅延するn個の第2の遅延器と、前記n個の第2の遅延器で遅延された信号がそれぞれ個別に供給されるn個のスピーカーと、前記n個のスピーカーから出力されて音響系を伝播する音波を電気信号に変換するマイクロホンと、前記マイクロホンの出力信号と前記目標応答信号との差を演算し、その結果を誤差信号として前記適応フィルタに出力する第2の演算器とを有し、前記n個のスピーカーの再生周波数帯域が相互に異なることを特徴とする帯域限定適応イコライザにより解決する。
【0016】
以下、本発明の作用について説明する。
本発明においては、第1の周波数帯域分割手段により入力信号を補正周波数帯域信号と非補正周波数帯域信号とに分割する。補正周波数帯域信号については、適応フィルタにより補正処理を施す。また、非補正周波数帯域信号については第1の遅延器で遅延する。そして、第1の演算器により、適応フィルタの出力と第1の遅延器の出力とを混合する。
【0017】
この第1の遅延器の出力を、第2の周波数帯域分割手段及び第2の遅延手段により複数(n個)の周波数帯域の信号に分割し、各周波数帯域の信号をそれぞれ個別に遅延する。その後、各周波数帯域の信号はそれぞれスピーカーに供給され、スピーカーから音が放射される。スピーカーから放射された音は、音響空間を伝播してマイクロホンに到達する。第2の演算器は、マイクロホンの出力と目標応答出力部から出力される目標応答信号との差を演算し、誤差信号として出力する。適応フィルタは、この誤差信号のパワーが最小となるように、補正周波数帯域の信号に対し補正処理を施す。
【0018】
このように、本発明においては、適応フィルタにより補正処理された補正周波数帯域の信号と、第1の遅延器で遅延した非補正周波数帯域の信号とを第1の演算器で混合した後、第2の周波数帯域分割手段で複数の周波数帯域の信号に分割し、各周波数帯域の信号に対し個別の遅延時間を設定するので、各周波数帯域の信号がマイクロホンに到達するまでの時間が統一される。これにより、マルチウエイシステムのオーディオ装置に帯域限定適応イコライザを適用することが可能となる。
【0019】
n個のスピーカーからそれぞれ個別に出力された周波数帯域の音のマイクロホンまでの到達時間をtm (但し、m=1,2,…,n)とし、それらの到達時間のうち最も時間が長いものをtM としたときに、m番目の前記第2の遅延器の遅延時間を、例えばtM −tm に設定する。また、目標応答出力部に設定された時間をTとしたときに、第1の遅延器の遅延時間をT−tM に設定する。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
図1は本発明の実施の形態の帯域限定適応イコライザの構成を示すブロック図である。
本実施の形態の適応イコライザは、入力端子11、ハイパスフィルタ12、ローパスフィルタ13、遅延器14、目標応答出力部15、適応フィルタ16、フィルタ17、演算器18、遅延器19a,19b,19c、ハイパスフィルタ20a、バンドパスフィルタ20b、ローパスフィルタ20c、スピーカー21a,21b,21c、マイクロホン22及び演算器23により構成される。また、適応フィルタ16は、FIRフィルタ16aと、LMS適応アルゴリズムによりFIRフィルタ16aのフィルタ係数を設定する係数演算部16bとにより構成される。
【0021】
入力端子11には、CDプレーヤ及びFMチューナー等からオーディオ信号が入力される。ハイパスフィルタ12及びローパスフィルタ13は、それぞれ設定された周波数以上の非補正周波数帯域信号又は設定された周波数以下の補正周波数帯域信号を次段に伝達する。
遅延器14は、ハイパスフィルタ12を通過した非補正周波数帯域信号を所定の時間τだけ遅延して出力する。遅延時間τの値については後述する。
【0022】
一方、ローパスフィルタ13を通過した補正周波数帯域信号は、目標応答出力部15、適応フィルタ16及びフィルタ17に伝達される。目標応答出力部15は、ローパスフィルタ13を通過した補正周波数帯域信号を所定の時間Tだけ遅延し、目標応答信号として出力する。適応フィルタ16は、入力したオーディオ信号に対し周波数毎のレベル及び位相を調整して出力する。演算器18は、適応フィルタ16の出力と遅延器14の出力とを混合して出力する。
【0023】
遅延器19aは、演算器18の出力を所定の時間(tM −t1 )だけ遅延して出力する。この遅延器19aの出力は、ハイパスフィルタ20aを介して高音用スピーカー21aに供給される。
遅延器19bは、演算器18の出力を所定の時間(tM −t2 )だけ遅延して出力する。この遅延器19bの出力は、バンドパスフィルタ20bを介して中音用スピーカー21bに供給される。
【0024】
遅延器19cは、演算器18の出力を所定の時間(tM −t3 )だけ遅延して出力する。この遅延器19cの出力は、ローパスフィルタ20cを介して低音用スピーカー21cに供給される。なお、ハイパスフィルタ20aの前段又は後段、バンドパスフィルタ20bの前段又は後段、及びローパスフィルタ20cの前段又は後段には、それぞれアンプ(図示せず)が設けられており、これらのアンプのゲインを調整して、各周波数帯域の信号のレベルを調整することができるようになっている。また、この例では、遅延器19a,19b,19cがハイパスフィルタ20a、バンドパスフィルタ20b又はローパスフィルタ20cの前段に設けられているとしたが、遅延器19a,19b,19cはハイパスフィルタ20a、バンドパスフィルタ20b又はローパスフィルタ20cの後段に設けられていてもよい。
【0025】
スピーカー21a,21b,21cから放出された音は、再生空間(音響系C)を伝播して、リスニングポイントに置かれたマイクロホン22に到達する。演算器23は、マイクロホン22の出力と目標応答出力部15から出力された目標応答信号との差を演算し、誤差信号として出力する。適応フィルタ16の係数演算部16bは、誤差信号のパワーが最小となるように、FIRフィルタ16aのフィルタ係数を調整する。フィルタ17は音響系Cの伝達特性を模擬するものであり、ローパスフィルタ13から出力されたオーディオ信号を補償した信号を適応フィルタ16に出力する。
【0026】
以下、遅延器14、19a,19b,19cの遅延時間の設定方法について説明する。まず、入力端子11にホワイトノイズ又はピンクノイズを発生する信号源を接続し、アンプのゲインを調整して各スピーカー21a,21b,21cから出力される音の音圧を一定値に合わせる。
次に、入力端子11にホワイトノイズ又は時間引き延ばしパルス(Time Stretched Pulese :TSP)を発生する信号源を接続し、各スピーカー21a,21b,21cからマイクロホン22に至るまでの音響系Cのインパルス応答を順次測定し、そのインパルス応答の絶対値の最大値をとる時間を調べて、その時間を音源からマイクロホン22までの音波の伝播時間とする。但し、このとき、遅延器19a,19b,19cの遅延時間はいずれも0としておく。ここでは、スピーカー21aから出力される音波の伝播時間をt1 、スピーカー21bから出力される音波の伝播時間をt2 、スピーカー21cから出力される音波の伝播時間をt3 とする。
【0027】
次に、これらの伝播時間のうち、伝播時間が最も最も長いものをtM とする。ここでは、スピーカー21cから出力される音波の伝播時間が最も長い(t3 =tM )とする。
その後、tM の値を用いて、各遅延器14,19a,19b,19cの遅延時間を設定する。すなわち、遅延器14の遅延時間τは、適応フィルタ16のタップ数の約半分の遅延時間に相当する遅延時間(モデリングディレイ)TからtM を減算した値(τ=T−tM )に設定する。また、遅延器19aの遅延時間はtM −t1 、遅延器19bの遅延時間はtM −t2 、遅延器19cの遅延時間はtM −t3 (=0)とする。
【0028】
このようにして遅延器14,19a,19b,19cの遅延時間を設定することにより、各スピーカー21a,21b,21cから出力された音波がマイクロホン22(リスニングポイント)に同時に到達する。すなわち、演算器18の出力(図1中のAポイント)からマイクロホン22に到達するまでの遅延時間は全てtM に統一されるので、ハイパスフィルタ12により分離された非補正周波数帯域を遅延器14でT−tM 遅延させることにより、全ての帯域の信号の遅延を目標応答出力部15に設定したモデリングディレイに合わせることができる。
【0029】
このようにして各遅延器14,19a,19b、19cの遅延時間を設定した後、入力端子11にオーディオ信号を入力して適応フィルタ16を動作させる。適応フィルタ16は常に動作させてもよいし、ある程度の時間動作させた後にフィルタ係数が殆ど変化しない場合は、フィルタ係数を固定したFIRフィルタに置き換えてもよい。
【0030】
本実施の形態においては、補正処理を低域の周波数帯域に限定した帯域限定適応イコライザを、マルチウエイシステムのオーディオ装置に適用することが可能になるという効果を奏する。
【0031】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、適応フィルタにより補正処理された補正周波数帯域の信号と、第1の遅延器で遅延した非補正周波数帯域の信号とを第1の演算器で混合した後、第2の周波数帯域分割手段で複数の周波数帯域の信号に分割し、各周波数帯域の信号に対し個別の遅延時間を設定するので、各周波数帯域の信号がマイクロホンに到達するまでの時間が統一される。
【0032】
これにより、マルチウエイシステムのオーディオ装置に帯域限定適応イコライザを適用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明の実施の形態の帯域限定適応イコライザの構成を示すブロック図である。
【図2】図2は従来の適応イコライザの構成を示すブロック図である。
【図3】図3は従来の帯域限定適応イコライザの構成を示すブロック図である。
【図4】図4は車載用オーディオシステムの一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
11…入力端子、
12,20a…ハイパスフィルタ、
13,20c…ローパスフィルタ、
14,19a,19b,19c…遅延器、
15…目標応答出力部、
16…適応フィルタ、
16a…FIRフィルタ、
16b…係数演算部、
18,23…演算部、
20b…バンドパスフィルタ、
21a〜21c…スピーカー、
22…マイクロホン。
Claims (6)
- 入力信号を周波数帯域が相互に異なる補正周波数帯域信号と非補正周波数帯域信号とに分割する第1の周波数帯域分割手段と、
前記補正周波数帯域信号を補正処理する適応フィルタと、
目標応答信号を出力する目標応答出力部と、
前記非補正周波数帯域信号を遅延する第1の遅延器と、
前記適応フィルタの出力信号と前記第1の遅延器の出力信号とを混合する第1の演算器と、
前記第1の演算器の出力をn(nは2以上の自然数)個の周波数帯域の信号に分割する第2の周波数帯域分割手段と、
前記第2の周波数帯域分割手段で分割される各周波数帯域の信号を個別に遅延するn個の第2の遅延器と、
前記n個の第2の遅延器で遅延された信号がそれぞれ個別に供給されるn個のスピーカーと、
前記n個のスピーカーから出力されて音響系を伝播する音波を電気信号に変換するマイクロホンと、
前記マイクロホンの出力信号と前記目標応答信号との差を演算し、その結果を誤差信号として前記適応フィルタに出力する第2の演算器とを有し、
前記n個のスピーカーの再生周波数帯域が相互に異なることを特徴とする帯域限定適応イコライザ。 - 前記n個のスピーカーから出力された各周波数帯域の音の前記マイクロホンまでの到達時間をtm(但し、m=1,2,…,n)とし、それらの到達時間のうち最も時間が長いものをtMとしたときに、m番目の前記第2の遅延器の遅延時間がtM−tmに設定されていることを特徴とする請求項1に記載の帯域限定適応イコライザ。
- 前記補正周波数帯域の信号の周波数が、前記非補正周波数帯域の信号の周波数よりも低いことを特徴とする請求項2に記載の帯域限定適応イコライザ。
- 前記目標応答出力部は、前記第1の周波数帯域分割手段で分割された補正周波数帯域信号を入力し、該信号を遅延して、前記目標応答信号として出力することを特徴とする請求項2に記載の帯域限定適応イコライザ。
- 前記目標応答出力部に設定された遅延時間は、前記適応フィルタのタップ数の半分に相当する時間であることを特徴とする請求項4に記載の帯域限定適応イコライザ。
- 前記第1の遅延器の遅延時間が、前記目標応答出力部に設定された時間をTとしたときに、T−tMに設定されていることを特徴とする請求項2に記載の帯域限定適応イコライザ。
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