JP4023842B2 - ディジタルフィルタ及び音響再生装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インパルス応答を畳み込む非巡回形（ＦＩＲ）フィルタを用いたディジタルフィルタ及びこのディジタルフィルタを用いて音響を再生する音響再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
系のインパルス応答を測定し、その応答を信号処理装置の中に構成した図８に示すような非巡回形（finite impulse response、以下ＦＩＲという。）フィルタにより再現するようにした電子機器が数多く提案されている。
【０００３】
図８において、入力端子８１に供給された信号は、直列に接続された多数の遅延器８２に供給される。これらの遅延器８２で遅延された信号が、サンプリング周期のクロック信号で順次転送される。これらの遅延器８２の入出力端からそれぞれタップが導出される。そしてこれらのタップからの信号にそれぞれ係数器８３で係数が乗算され、これらの乗算値が加算器８４で加算されて、出力端子８５に取り出される。したがってこのようなＦＩＲフィルタでは、係数器８３にインパルス応答に応じた係数を設定することによって、このインパルス応答を畳み込む演算が行われる。
【０００４】
このようなＦＩＲフィルタを用いた構成の例えば残響付加装置では、部屋のインパルス応答を測定し、この応答を該ＦＩＲフィルタに再現させることにより、実際に測定した部屋でその音を聞くのと同じ残響特性を持つ再生信号を全く別の環境下で耳にすることができる。
【０００５】
また、ＦＩＲフィルタを用いた頭外音像定位型のヘッドホンシステムでは、スピーカから両耳への伝達特性を表すインパルス応答を測定し、この応答をＦＩＲフィルタに再現させることにより、ヘッドホン再生でありながらスピーカ再生と同等の音像定位効果を発生させることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、測定したインパルス応答に忠実な収束時間及び周波数応答をＦＩＲフィルタで高精度に構成しようとした場合、タップ長の長いＦＩＲフィルタを用意しなければならず、高価でかつ大規模なシステムになってしまう。
【０００７】
このため、比較的短いタップ長のＦＩＲフィルタを使うことが考えられた。しかし、この場合、周波数特性上は近似した特性が得られるが、聴感上音像の充分な頭外感が得られなくなったり、音像がぼけてしまい高品位の音像定位が得られなかった。
【０００８】
また、単に残響時間特性や初期反射特性を再現するため遅延時間の長い遅延器を用いてインパルス応答の代表的なパルスのみを抽出しフィルタを構成する場合がある。図９はこのような残響付加信号処理装置の代表的な構成を示している。
【０００９】
入力端子９１から入力された信号は遅延器９２の入力端Ｗに入力され、この遅延器９２から異なる遅延時間により出力端Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3を介して出力された信号ＳR1、ＳR2、ＳR3が係数乗算器９３、９４、９５で減衰された後、加算器９６で加算される。この加算器９６の出力として構成される信号ＳR0は、図１０に示すインパルス応答において初期反射に相当する部分でパルス間隔が粗なインパルス応答として再生される。
【００１０】
また、遅延器９２の出力端Ｒ4から加算器９７を介して遅延器９８に供給された信号ＳR4は、この遅延器９８により遅延されて遅延信号となり係数乗算器９９で減衰されてから加算器９７で上記信号ＳR4に加算されると共に、係数乗算器１００で減衰されてから加算器１０９に供給される。また、遅延器９２から加算器１０１を介して遅延器１０２に供給された信号ＳR4は、この遅延器１０２により遅延されて遅延信号となり係数乗算器１０３で減衰されてから加算器１０１で上記信号ＳR4に加算されると共に、係数乗算器１０４で減衰されてから加算器１０９に供給される。また、遅延器９２から加算器１０５を介して遅延器１０６に供給された信号ＳR4は、この遅延器１０６により遅延されて遅延信号となり係数乗算器１０７で減衰されてから加算器１０５で上記信号ＳR4に加算されると共に、係数乗算器１０８で減衰されてから加算器１０９に供給される。
【００１１】
加算器１０９の加算出力は、加算器１１０を介して遅延器１１１に供給され遅延されてから係数乗算器１１４で減衰され加算器１１０に戻される。また、上記加算出力は、加算器１１０を介して係数乗算器１１２に供給され減衰されてから加算器１１３にも供給される。また、この加算器１１３の加算出力は、加算器１１５を介して遅延器１１６に供給され遅延されてから係数乗算器１１９で減衰され加算器１１５に戻される。また、上記加算出力は、加算器１１５を介して係数乗算器１１７に供給され減衰されてから加算器１１８にも供給される。
【００１２】
ここで、遅延器９２の出力端Ｒ4から加算器９７、１０１、１０５に出力される信号ＳR4は、加算器１１８までの間に、図１０の分散音に相当するインパルス応答を構成する。各遅延器で遅延される遅延時間はおよそ数ｍｓｅｃの値が選択され、分散音は特に始まり部分では可聴帯域を確保するために通常選ばれる信号処理装置のサンプリング時間間隔である２０数μｓｅｃという値に比べて極めて粗なインパルス応答となる。したがって、再現される特性は周波数軸においても実現しようとする実際の伝達特性と比べて大きく異なってしまう。
【００１３】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、タップ長の短いＦＩＲフィルタを用いても長いインパルス応答を高精度に再現でき、安価で小型化を実現できるディジタルフィルタの提供を目的とする。
【００１４】
また、本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、上記ディジタルフィルタを用いることにより廉価で小型化を実現しながらも音像の頭外感、あるいは前方定位感が大幅に改善できる音響再生装置の提供を目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るディジタルフィルタは、上記課題を解決するために、有限タップ長のＦＩＲフィルタと複数の帰還手段とを備え、ＦＩＲフィルタは、予め測定された発音源から測定点までのインパルス応答のうちＦＩＲフィルタを構成する遅延器の総遅延時間相当の初期インパルス応答を構成し、複数の帰還手段の各々は、ＦＩＲフィルタの任意の遅延器の出力を係数乗算器を介して減衰し、各減衰出力を任意の遅延器よりも前であって初期インパルス応答の立ち上がり近傍を除いた部分に相当する任意の遅延器と、それに続く遅延器との間に設けた加算器に帰還する。
【００１６】
本発明に係る音響再生装置は、上記課題を解決するために、有限タップ長のＦＩＲフィルタと複数の帰還手段とを備えるディジタルフィルタを有してなる音響再生装置において、上記ＦＩＲフィルタは、予め測定された発音源から測定点までのインパルス応答のうち上記ＦＩＲフィルタを構成する遅延器の総遅延時間相当の初期インパルス応答を構成し、上記複数の帰還手段の各々は、上記ＦＩＲフィルタの任意の遅延器の出力を係数乗算器を介して減衰し、各減衰出力を上記任意の遅延器よりも前であって上記初期インパルス応答の立ち上がり近傍を除いた部分に相当する任意の遅延器と、それに続く遅延器との間に設けた加算器に帰還する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るディジタルフィルタ及び音響再生装置の実施の形態について説明する。
【００１８】
先ず上記ディジタルフィルタの実施の形態について図１〜図３を参照しながら説明する。この実施の形態は、予め測定された発音源から測定点までのインパルス応答を有限タップ長のＦＩＲフィルタで構成し、ディジタル音声入力信号に対してこのインパルス応答を畳み込んで出力するディジタルフィルタ１であり、ＦＩＲフィルタの任意の遅延器３nの出力を係数乗算器４を介して減衰し、この減衰出力を上記任意の遅延器３nよりも前の遅延器３2と遅延器３3との間に設けた加算器５に帰還する帰還部６を備える。
【００１９】
図１において、入力端子２から入力された信号はＦＩＲフィルタを構成する遅延器３1、３2、３3・・・３n-2、３n-1、３nと、係数乗算器７1、７2、７3、７4・・・７m-3、７m-2、７m-1、７mと、加算器８1、８2、８3・・・８n-3、８n-2、８n-1、８nとにより遅延器の総遅延時間相当のインパルス応答が畳み込まれる。
【００２０】
一方、帰還部６により最後の遅延器３nから取り出された信号は係数乗算器４で減衰された後、遅延器３2と遅延器３3との間の加算器５に戻される。この信号は、上記遅延器３1、３2、３3・・・３n-2、３n-1、３nからなる遅延器群による遅延時間経過後、加算器５以降の係数乗算器７4・・・７m-3、７m-2、７m-1、７mで係数が再び畳み込まれる。そして、このディジタルフィルタ１は、帰還部６による帰還処理を繰り返し、無限に続くインパルス応答を生成し、出力端子９から例えば図２に示すようなインパルス応答特性の音声信号を出力する。この図２の繰り返し部分が帰還部６によって形成される部分である。ここでは２回目までの繰り返しの波形を示すが実際は無限に減衰しながら繰り返される。なお、図３には比較のため帰還部６が無い場合のインパルス応答特性を示す。
【００２１】
すなわち、図１に示すような構成によれば、付加される応答部分はインパルス応答の立ち上がり近傍を除いた部分になる。ここでインパルス応答立ち上がり近傍は例えば部屋の残響特性においては初期反射が占めている。ところがＦＩＲフィルタを構成する際にタップ長の制約から取り除いたインパルス応答の後半部分は分散音が中心の応答であり、これとは異なった特徴を持つ応答となる。したがってこのようにインパルス応答の立ち上がり近傍を除いた応答を付加することは分散音に近いインパルス応答部分を加えることになり聴感上より自然な応答となる。
【００２２】
したがって、このディジタルフィルタ１によれば、タップ長の短いＦＩＲフィルタを用いても長いインパルス応答を再現できるようになるので、信号処理の規模を大幅に少なくでき、これをディジタル信号用ＩＣ等で構成する場合、使用ＩＣの個数を大幅に低減できる。したがって当然実装面積を少なくし、消費電力を低減しなおかつ安価にシステムを構成できる。
【００２３】
次に上記ディジタルフィルタの他の実施の形態について図４を参照しながら説明する。この他の実施の形態も、予め測定された発音源から測定点までのインパルス応答を有限タップ長のＦＩＲフィルタで構成し、ディジタル音声入力信号に対してこのインパルス応答を畳み込んで出力するディジタルフィルタ２０であるが、二つの帰還部２５及び２８を備える。ここで、帰還部２５は、ＦＩＲフィルタの任意の遅延器２２n-1の出力を係数乗算器２３を介して減衰し、この減衰出力を上記任意の遅延器２２n-1よりも前の遅延器間に設けた加算器２４に帰還する。また、帰還部２８は、ＦＩＲフィルタの任意の遅延器２２nの出力を係数乗算器２６を介して減衰し、この減衰出力を上記任意の遅延器２２nよりも前の遅延器２２2と遅延器２２3間に設けた加算器２７に帰還する。
【００２４】
図４において、入力端子２１から入力された信号はＦＩＲフィルタを構成する遅延器２２1、２２2、２２3・・・２２n-x・・・２２n-2、２２n-1、２２nと、係数乗算器２９1、２９2、２９3、２９4・・・２９m-y・・・２９m-3、２９m-2、２９m-1、２９mと、加算器３０1、３０2、３０3・・・３０n-x・・・３０n-3、３０n-2、３０n-1、３０nとにより遅延器の総遅延時間相当のインパルス応答が畳み込まれる。
【００２５】
一方、帰還部２５により遅延器２２n-1から取り出された信号は係数乗算器２３で減衰された後、加算器２４に入力される。また、帰還部２８により遅延器２２nから取り出された信号は係数乗算器２６で減衰された後、加算器２７に入力される。
【００２６】
これらの信号は入力端子２１に信号が入力されてから帰還部２５及び２８から信号を取り出すまでの遅延時間経過後、加算器２４及び２７以降の係数乗算器の係数を再び畳み込んでそれぞれ出力される。したがって繰り返し部分は２系統の帰還部分２５及び２８の信号の重ね合わせとなり繰り返し内容は異なるインパルス応答が減衰しながら無限に繰り返されることになる。
【００２７】
すなわち、図４に示すような構成によれば付加される応答部分はインパルス応答の立ち上がり近傍を除いた部分になる。ここでインパルス応答近傍は例えば部屋の残響特性においては初期反射が占めている。ところがＦＩＲフィルタを構成する際にタップ長の制約から取り除いたインパルス応答の後半部分は分散音が中心の応答であり、これとは異なった特徴を持つ応答となる。したがってこのようにインパルス応答が立ち上がり近傍を除いた応答を付加することは分散音に近いインパルス応答部分を加えることになり聴感上より自然な応答となる。
【００２８】
したがってこのディジタルフィルタ２０によれば、タップ長の短いＦＩＲフィルタを用いても長いインパルス応答を再現できるようになるので、信号処理の規模を大幅に少なくでき、これをディジタル信号用ＩＣ等で構成する場合、使用ＩＣの個数を大幅に低減できる。このため、実装面積を少なくし、消費電力を低減しなおかつ安価にシステムを構成できる。
【００２９】
次に上記音響再生装置の実施の形態について図５及び図６を参照しながら説明する。この実施の形態は、上記ディジタルフィルタ１と同様の構成のディジタルフィルタ５１L、５１R、５２L、５２Rを信号処理回路４３内部に備えた頭外定位型ヘッドホン装置４０である。
【００３０】
図５において、音声入力端子４１より入力されたアナログ音声信号はＡ／Ｄ変換器４２によりディジタル信号に変換される。ディジタル化された信号は信号処理回路４３に入力されここで音像を頭外に定位させるためのフィルタリングが行われる。
【００３１】
この信号処理回路４３で音像を頭外に定位させるためのフィルタリングが施された音声ディジタル信号は、ステレオ信号としてＬ、Ｒの２系統に分けられ、Ｄ／Ａ変換器４４L、４４Rでアナログ信号とされ、増幅器４５L、４５Rで電力増幅され、ヘッドバンド４６ａに取り付けられた発音体４６L、４６Rに供給される。
【００３２】
信号処理回路４３での信号処理内容は、例えば前方に置かれた二つの発音源から両耳にいたる合計４系統のインパルス応答を予め測定し、その特性を畳み込む処理であり、図６に示すような構成により実現される。
【００３３】
図６において、第１及び第２の入力端子５０1及び５０2からの信号がそれぞれディジタルフィルタ５１L、５１Rと、ディジタルフィルタ５２L、５２Rとに供給される。
【００３４】
ディジタルフィルタ５１Lとディジタルフィルタ５２Lからのフィルタ出力は、加算器５３Lで加算され、ディジタルフィルタ５１Rとディジタルフィルタ５２Rからのフィルタ出力は、加算器５３Rで加算される。加算器５３Lからの加算出力は、出力端子５４Lに取り出され、加算器５３Rからの加算出力は、出力端子５４Rに取り出される。
【００３５】
上述したようにディジタルフィルタ５１L、５１Rと、ディジタルフィルタ５２L、５２Rは、上記ディジタルフィルタ１と同様にＦＩＲフィルタにより構成され、上記ＦＩＲフィルタの任意の遅延器の出力を係数乗算器を介して減衰し、この減衰出力を上記任意の遅延器よりも前の遅延器間に設けた加算器に帰還する帰還手段を備えている。
【００３６】
このため頭外定位型ヘッドホン装置４０ではＦＩＲフィルタを簡略化し小型化することにより小型化かつ廉価を実現できる。
【００３７】
なお、ディジタルフィルタ５１L、５１Rと、ディジタルフィルタ５２L、５２Rは、図４に示したディジタルフィルタ２０と同様の構成にしてもよい。
【００３８】
以上、この頭外定位型ヘッドホン装置４０は、発音源から両耳までのインパルス応答を畳み込むためのディジタルフィルタに、ＦＩＲフィルタの任意の遅延器の出力を係数乗算器を介して減衰し、この減衰出力を上記任意の遅延器よりも前の遅延器間に設けた加算器に帰還する帰還手段を備えさせるので、簡単な構成で安価に、再生された音像の頭外感あるいは前方定位感を改善できる。
【００３９】
次に、上記音響再生装置の他の実施の形態について説明する。この他の実施の形態は、２個のスピーカにより音像を全く他の位置に固定することのできるスピーカシステムである。
【００４０】
このスピーカシステムの原理について図７を参照しながら説明する。すなわち、音源Ｓl及び音源Ｓrを用いて音源Ｓoと等価の再生音像を受聴者Ｍの両耳部分に再現しようとした場合、音源Ｓlから受聴者Ｍの両耳にいたる伝達関数をそれぞれＨll、Ｈlr、音源Ｓrから受聴者Ｍの両耳にいたる伝達関数をそれぞれＨrl、Ｈrr、音源Ｓoから受聴者Ｍの両耳にいたる伝達関数をそれぞれＨol、Ｈorとすると、音源Ｓl及びＳrは、
Ｓl＝{(Ｈol×Ｈrr)−(Ｈor×Ｈrl)}／{(Ｈll×Ｈrr)−(Ｈlr×Ｈrl)}・Ｓo
Ｓr＝{(Ｈor×Ｈll)−(Ｈol×Ｈlr)}／{(Ｈll×Ｈrr)−(Ｈlr×Ｈrl)}・Ｓo
となる。
【００４１】
ここで、上記二つの式の伝達関数部分を時間軸に変換したインパルス応答をそれぞれ音源Ｓl、音源Ｓrに出力する信号に対して畳み込めば音源Ｓoの位置に音像が定位することになる。このインパルス応答をディジタルフィルタで構成すればタップ長の長いＦＩＲフィルタが必要となってしまうが、この他の実施の形態となるスピーカシステムでは、上記ディジタルフィルタ１、ディジタルフィルタ２０と同様のディジタルフィルタを用いるので、簡単な構成で小型、廉価に２個のスピーカの外側まで音像を定位させることができる。
【００４２】
さらに上記ディジタルフィルタを音場シミュレーションシステムに適用すれば少ないタップ数で長い応答時間の再現ができるので、従来のインパルス応答を巨視的にみて特徴的なパルスを捕らえサンプリング時間に比べ荒い時間間隔で残響発生器を構成していたものを、サンプリング時間毎に分布する密なパルスで構成できるようになり、より忠実な音場再現ができるようになる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明に係るディジタルフィルタは、予め測定された発音源から測定点までのインパルス応答を有限タップ長のＦＩＲフィルタで構成し、該ＦＩＲフィルタの任意の遅延器の出力を係数乗算器を介して減衰し、この減衰出力を上記任意の遅延器よりも前の遅延器間に設けた加算器に帰還する帰還手段を設けるので、タップ長の短いＦＩＲフィルタを用いても長いインパルス応答を高精度に再現できるようになるので、信号処理の規模を大幅に少なくでき、これをディジタル信号処理用ＩＣ等で構成する場合、使用ＩＣの個数を大幅に低減できる。このため、実装面積を少なくし、消費電力を低減し、かつ安価で小型化を実現できる。
【００４４】
また、上記帰還手段を複数設ければ、さらに長いインパルス応答を高精度に再現できる。
【００４５】
また、本発明に係る音響再生装置は、予め測定された発音源から測定点までのインパルス応答を有限タップ長のＦＩＲフィルタで構成し、該ＦＩＲフィルタの任意の遅延器の出力を係数乗算器を介して減衰し、この減衰出力を上記任意の遅延器よりも前の遅延器間に設けた加算器に帰還する帰還手段を備えたディジタルフィルタを有しているので、簡単な構成で安価でありながらも、音像の頭外感あるいは前方定位感、音像の質あるいは定位感を従来のサンプリング周波数一定で同数の総タップ長を持ったＦＩＲフィルタを用いた場合よりも大幅に改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るディジタルフィルタの実施の形態の概略構成を示す回路図である。
【図２】上記実施の形態のインパルス応答特性図である。
【図３】帰還部を備えていない従来のディジタルフィルタのインパルス応答特性図である。
【図４】本発明に係るディジタルフィルタの他の実施の形態の概略構成を示す回路図である。
【図５】本発明に係る音響再生装置の実施の形態となる頭外定位型ヘッドホン装置の概略構成を示すブロック図である。
【図６】上記頭外定位型ヘッドホン装置に用いられている信号処理回路の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明に係る音響再生装置の他の実施の形態となるスピーカシステムの原理を説明するための模式図である。
【図８】ＦＩＲフィルタの概略構成図である。
【図９】従来の残響付加信号処理装置の概略構成を示す回路図である。
【図１０】上記残響付加信号処理装置のインパルス応答特性図である。
【符号の説明】
１ ディジタルフィルタ
３2,３3 遅延器
３n 任意の遅延器
４ 係数乗算器
５ 加算器
６ 帰還部
【発明の属する技術分野】
本発明は、インパルス応答を畳み込む非巡回形（ＦＩＲ）フィルタを用いたディジタルフィルタ及びこのディジタルフィルタを用いて音響を再生する音響再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
系のインパルス応答を測定し、その応答を信号処理装置の中に構成した図８に示すような非巡回形（finite impulse response、以下ＦＩＲという。）フィルタにより再現するようにした電子機器が数多く提案されている。
【０００３】
図８において、入力端子８１に供給された信号は、直列に接続された多数の遅延器８２に供給される。これらの遅延器８２で遅延された信号が、サンプリング周期のクロック信号で順次転送される。これらの遅延器８２の入出力端からそれぞれタップが導出される。そしてこれらのタップからの信号にそれぞれ係数器８３で係数が乗算され、これらの乗算値が加算器８４で加算されて、出力端子８５に取り出される。したがってこのようなＦＩＲフィルタでは、係数器８３にインパルス応答に応じた係数を設定することによって、このインパルス応答を畳み込む演算が行われる。
【０００４】
このようなＦＩＲフィルタを用いた構成の例えば残響付加装置では、部屋のインパルス応答を測定し、この応答を該ＦＩＲフィルタに再現させることにより、実際に測定した部屋でその音を聞くのと同じ残響特性を持つ再生信号を全く別の環境下で耳にすることができる。
【０００５】
また、ＦＩＲフィルタを用いた頭外音像定位型のヘッドホンシステムでは、スピーカから両耳への伝達特性を表すインパルス応答を測定し、この応答をＦＩＲフィルタに再現させることにより、ヘッドホン再生でありながらスピーカ再生と同等の音像定位効果を発生させることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、測定したインパルス応答に忠実な収束時間及び周波数応答をＦＩＲフィルタで高精度に構成しようとした場合、タップ長の長いＦＩＲフィルタを用意しなければならず、高価でかつ大規模なシステムになってしまう。
【０００７】
このため、比較的短いタップ長のＦＩＲフィルタを使うことが考えられた。しかし、この場合、周波数特性上は近似した特性が得られるが、聴感上音像の充分な頭外感が得られなくなったり、音像がぼけてしまい高品位の音像定位が得られなかった。
【０００８】
また、単に残響時間特性や初期反射特性を再現するため遅延時間の長い遅延器を用いてインパルス応答の代表的なパルスのみを抽出しフィルタを構成する場合がある。図９はこのような残響付加信号処理装置の代表的な構成を示している。
【０００９】
入力端子９１から入力された信号は遅延器９２の入力端Ｗに入力され、この遅延器９２から異なる遅延時間により出力端Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3を介して出力された信号ＳR1、ＳR2、ＳR3が係数乗算器９３、９４、９５で減衰された後、加算器９６で加算される。この加算器９６の出力として構成される信号ＳR0は、図１０に示すインパルス応答において初期反射に相当する部分でパルス間隔が粗なインパルス応答として再生される。
【００１０】
また、遅延器９２の出力端Ｒ4から加算器９７を介して遅延器９８に供給された信号ＳR4は、この遅延器９８により遅延されて遅延信号となり係数乗算器９９で減衰されてから加算器９７で上記信号ＳR4に加算されると共に、係数乗算器１００で減衰されてから加算器１０９に供給される。また、遅延器９２から加算器１０１を介して遅延器１０２に供給された信号ＳR4は、この遅延器１０２により遅延されて遅延信号となり係数乗算器１０３で減衰されてから加算器１０１で上記信号ＳR4に加算されると共に、係数乗算器１０４で減衰されてから加算器１０９に供給される。また、遅延器９２から加算器１０５を介して遅延器１０６に供給された信号ＳR4は、この遅延器１０６により遅延されて遅延信号となり係数乗算器１０７で減衰されてから加算器１０５で上記信号ＳR4に加算されると共に、係数乗算器１０８で減衰されてから加算器１０９に供給される。
【００１１】
加算器１０９の加算出力は、加算器１１０を介して遅延器１１１に供給され遅延されてから係数乗算器１１４で減衰され加算器１１０に戻される。また、上記加算出力は、加算器１１０を介して係数乗算器１１２に供給され減衰されてから加算器１１３にも供給される。また、この加算器１１３の加算出力は、加算器１１５を介して遅延器１１６に供給され遅延されてから係数乗算器１１９で減衰され加算器１１５に戻される。また、上記加算出力は、加算器１１５を介して係数乗算器１１７に供給され減衰されてから加算器１１８にも供給される。
【００１２】
ここで、遅延器９２の出力端Ｒ4から加算器９７、１０１、１０５に出力される信号ＳR4は、加算器１１８までの間に、図１０の分散音に相当するインパルス応答を構成する。各遅延器で遅延される遅延時間はおよそ数ｍｓｅｃの値が選択され、分散音は特に始まり部分では可聴帯域を確保するために通常選ばれる信号処理装置のサンプリング時間間隔である２０数μｓｅｃという値に比べて極めて粗なインパルス応答となる。したがって、再現される特性は周波数軸においても実現しようとする実際の伝達特性と比べて大きく異なってしまう。
【００１３】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、タップ長の短いＦＩＲフィルタを用いても長いインパルス応答を高精度に再現でき、安価で小型化を実現できるディジタルフィルタの提供を目的とする。
【００１４】
また、本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、上記ディジタルフィルタを用いることにより廉価で小型化を実現しながらも音像の頭外感、あるいは前方定位感が大幅に改善できる音響再生装置の提供を目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るディジタルフィルタは、上記課題を解決するために、有限タップ長のＦＩＲフィルタと複数の帰還手段とを備え、ＦＩＲフィルタは、予め測定された発音源から測定点までのインパルス応答のうちＦＩＲフィルタを構成する遅延器の総遅延時間相当の初期インパルス応答を構成し、複数の帰還手段の各々は、ＦＩＲフィルタの任意の遅延器の出力を係数乗算器を介して減衰し、各減衰出力を任意の遅延器よりも前であって初期インパルス応答の立ち上がり近傍を除いた部分に相当する任意の遅延器と、それに続く遅延器との間に設けた加算器に帰還する。
【００１６】
本発明に係る音響再生装置は、上記課題を解決するために、有限タップ長のＦＩＲフィルタと複数の帰還手段とを備えるディジタルフィルタを有してなる音響再生装置において、上記ＦＩＲフィルタは、予め測定された発音源から測定点までのインパルス応答のうち上記ＦＩＲフィルタを構成する遅延器の総遅延時間相当の初期インパルス応答を構成し、上記複数の帰還手段の各々は、上記ＦＩＲフィルタの任意の遅延器の出力を係数乗算器を介して減衰し、各減衰出力を上記任意の遅延器よりも前であって上記初期インパルス応答の立ち上がり近傍を除いた部分に相当する任意の遅延器と、それに続く遅延器との間に設けた加算器に帰還する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るディジタルフィルタ及び音響再生装置の実施の形態について説明する。
【００１８】
先ず上記ディジタルフィルタの実施の形態について図１〜図３を参照しながら説明する。この実施の形態は、予め測定された発音源から測定点までのインパルス応答を有限タップ長のＦＩＲフィルタで構成し、ディジタル音声入力信号に対してこのインパルス応答を畳み込んで出力するディジタルフィルタ１であり、ＦＩＲフィルタの任意の遅延器３nの出力を係数乗算器４を介して減衰し、この減衰出力を上記任意の遅延器３nよりも前の遅延器３2と遅延器３3との間に設けた加算器５に帰還する帰還部６を備える。
【００１９】
図１において、入力端子２から入力された信号はＦＩＲフィルタを構成する遅延器３1、３2、３3・・・３n-2、３n-1、３nと、係数乗算器７1、７2、７3、７4・・・７m-3、７m-2、７m-1、７mと、加算器８1、８2、８3・・・８n-3、８n-2、８n-1、８nとにより遅延器の総遅延時間相当のインパルス応答が畳み込まれる。
【００２０】
一方、帰還部６により最後の遅延器３nから取り出された信号は係数乗算器４で減衰された後、遅延器３2と遅延器３3との間の加算器５に戻される。この信号は、上記遅延器３1、３2、３3・・・３n-2、３n-1、３nからなる遅延器群による遅延時間経過後、加算器５以降の係数乗算器７4・・・７m-3、７m-2、７m-1、７mで係数が再び畳み込まれる。そして、このディジタルフィルタ１は、帰還部６による帰還処理を繰り返し、無限に続くインパルス応答を生成し、出力端子９から例えば図２に示すようなインパルス応答特性の音声信号を出力する。この図２の繰り返し部分が帰還部６によって形成される部分である。ここでは２回目までの繰り返しの波形を示すが実際は無限に減衰しながら繰り返される。なお、図３には比較のため帰還部６が無い場合のインパルス応答特性を示す。
【００２１】
すなわち、図１に示すような構成によれば、付加される応答部分はインパルス応答の立ち上がり近傍を除いた部分になる。ここでインパルス応答立ち上がり近傍は例えば部屋の残響特性においては初期反射が占めている。ところがＦＩＲフィルタを構成する際にタップ長の制約から取り除いたインパルス応答の後半部分は分散音が中心の応答であり、これとは異なった特徴を持つ応答となる。したがってこのようにインパルス応答の立ち上がり近傍を除いた応答を付加することは分散音に近いインパルス応答部分を加えることになり聴感上より自然な応答となる。
【００２２】
したがって、このディジタルフィルタ１によれば、タップ長の短いＦＩＲフィルタを用いても長いインパルス応答を再現できるようになるので、信号処理の規模を大幅に少なくでき、これをディジタル信号用ＩＣ等で構成する場合、使用ＩＣの個数を大幅に低減できる。したがって当然実装面積を少なくし、消費電力を低減しなおかつ安価にシステムを構成できる。
【００２３】
次に上記ディジタルフィルタの他の実施の形態について図４を参照しながら説明する。この他の実施の形態も、予め測定された発音源から測定点までのインパルス応答を有限タップ長のＦＩＲフィルタで構成し、ディジタル音声入力信号に対してこのインパルス応答を畳み込んで出力するディジタルフィルタ２０であるが、二つの帰還部２５及び２８を備える。ここで、帰還部２５は、ＦＩＲフィルタの任意の遅延器２２n-1の出力を係数乗算器２３を介して減衰し、この減衰出力を上記任意の遅延器２２n-1よりも前の遅延器間に設けた加算器２４に帰還する。また、帰還部２８は、ＦＩＲフィルタの任意の遅延器２２nの出力を係数乗算器２６を介して減衰し、この減衰出力を上記任意の遅延器２２nよりも前の遅延器２２2と遅延器２２3間に設けた加算器２７に帰還する。
【００２４】
図４において、入力端子２１から入力された信号はＦＩＲフィルタを構成する遅延器２２1、２２2、２２3・・・２２n-x・・・２２n-2、２２n-1、２２nと、係数乗算器２９1、２９2、２９3、２９4・・・２９m-y・・・２９m-3、２９m-2、２９m-1、２９mと、加算器３０1、３０2、３０3・・・３０n-x・・・３０n-3、３０n-2、３０n-1、３０nとにより遅延器の総遅延時間相当のインパルス応答が畳み込まれる。
【００２５】
一方、帰還部２５により遅延器２２n-1から取り出された信号は係数乗算器２３で減衰された後、加算器２４に入力される。また、帰還部２８により遅延器２２nから取り出された信号は係数乗算器２６で減衰された後、加算器２７に入力される。
【００２６】
これらの信号は入力端子２１に信号が入力されてから帰還部２５及び２８から信号を取り出すまでの遅延時間経過後、加算器２４及び２７以降の係数乗算器の係数を再び畳み込んでそれぞれ出力される。したがって繰り返し部分は２系統の帰還部分２５及び２８の信号の重ね合わせとなり繰り返し内容は異なるインパルス応答が減衰しながら無限に繰り返されることになる。
【００２７】
すなわち、図４に示すような構成によれば付加される応答部分はインパルス応答の立ち上がり近傍を除いた部分になる。ここでインパルス応答近傍は例えば部屋の残響特性においては初期反射が占めている。ところがＦＩＲフィルタを構成する際にタップ長の制約から取り除いたインパルス応答の後半部分は分散音が中心の応答であり、これとは異なった特徴を持つ応答となる。したがってこのようにインパルス応答が立ち上がり近傍を除いた応答を付加することは分散音に近いインパルス応答部分を加えることになり聴感上より自然な応答となる。
【００２８】
したがってこのディジタルフィルタ２０によれば、タップ長の短いＦＩＲフィルタを用いても長いインパルス応答を再現できるようになるので、信号処理の規模を大幅に少なくでき、これをディジタル信号用ＩＣ等で構成する場合、使用ＩＣの個数を大幅に低減できる。このため、実装面積を少なくし、消費電力を低減しなおかつ安価にシステムを構成できる。
【００２９】
次に上記音響再生装置の実施の形態について図５及び図６を参照しながら説明する。この実施の形態は、上記ディジタルフィルタ１と同様の構成のディジタルフィルタ５１L、５１R、５２L、５２Rを信号処理回路４３内部に備えた頭外定位型ヘッドホン装置４０である。
【００３０】
図５において、音声入力端子４１より入力されたアナログ音声信号はＡ／Ｄ変換器４２によりディジタル信号に変換される。ディジタル化された信号は信号処理回路４３に入力されここで音像を頭外に定位させるためのフィルタリングが行われる。
【００３１】
この信号処理回路４３で音像を頭外に定位させるためのフィルタリングが施された音声ディジタル信号は、ステレオ信号としてＬ、Ｒの２系統に分けられ、Ｄ／Ａ変換器４４L、４４Rでアナログ信号とされ、増幅器４５L、４５Rで電力増幅され、ヘッドバンド４６ａに取り付けられた発音体４６L、４６Rに供給される。
【００３２】
信号処理回路４３での信号処理内容は、例えば前方に置かれた二つの発音源から両耳にいたる合計４系統のインパルス応答を予め測定し、その特性を畳み込む処理であり、図６に示すような構成により実現される。
【００３３】
図６において、第１及び第２の入力端子５０1及び５０2からの信号がそれぞれディジタルフィルタ５１L、５１Rと、ディジタルフィルタ５２L、５２Rとに供給される。
【００３４】
ディジタルフィルタ５１Lとディジタルフィルタ５２Lからのフィルタ出力は、加算器５３Lで加算され、ディジタルフィルタ５１Rとディジタルフィルタ５２Rからのフィルタ出力は、加算器５３Rで加算される。加算器５３Lからの加算出力は、出力端子５４Lに取り出され、加算器５３Rからの加算出力は、出力端子５４Rに取り出される。
【００３５】
上述したようにディジタルフィルタ５１L、５１Rと、ディジタルフィルタ５２L、５２Rは、上記ディジタルフィルタ１と同様にＦＩＲフィルタにより構成され、上記ＦＩＲフィルタの任意の遅延器の出力を係数乗算器を介して減衰し、この減衰出力を上記任意の遅延器よりも前の遅延器間に設けた加算器に帰還する帰還手段を備えている。
【００３６】
このため頭外定位型ヘッドホン装置４０ではＦＩＲフィルタを簡略化し小型化することにより小型化かつ廉価を実現できる。
【００３７】
なお、ディジタルフィルタ５１L、５１Rと、ディジタルフィルタ５２L、５２Rは、図４に示したディジタルフィルタ２０と同様の構成にしてもよい。
【００３８】
以上、この頭外定位型ヘッドホン装置４０は、発音源から両耳までのインパルス応答を畳み込むためのディジタルフィルタに、ＦＩＲフィルタの任意の遅延器の出力を係数乗算器を介して減衰し、この減衰出力を上記任意の遅延器よりも前の遅延器間に設けた加算器に帰還する帰還手段を備えさせるので、簡単な構成で安価に、再生された音像の頭外感あるいは前方定位感を改善できる。
【００３９】
次に、上記音響再生装置の他の実施の形態について説明する。この他の実施の形態は、２個のスピーカにより音像を全く他の位置に固定することのできるスピーカシステムである。
【００４０】
このスピーカシステムの原理について図７を参照しながら説明する。すなわち、音源Ｓl及び音源Ｓrを用いて音源Ｓoと等価の再生音像を受聴者Ｍの両耳部分に再現しようとした場合、音源Ｓlから受聴者Ｍの両耳にいたる伝達関数をそれぞれＨll、Ｈlr、音源Ｓrから受聴者Ｍの両耳にいたる伝達関数をそれぞれＨrl、Ｈrr、音源Ｓoから受聴者Ｍの両耳にいたる伝達関数をそれぞれＨol、Ｈorとすると、音源Ｓl及びＳrは、
Ｓl＝{(Ｈol×Ｈrr)−(Ｈor×Ｈrl)}／{(Ｈll×Ｈrr)−(Ｈlr×Ｈrl)}・Ｓo
Ｓr＝{(Ｈor×Ｈll)−(Ｈol×Ｈlr)}／{(Ｈll×Ｈrr)−(Ｈlr×Ｈrl)}・Ｓo
となる。
【００４１】
ここで、上記二つの式の伝達関数部分を時間軸に変換したインパルス応答をそれぞれ音源Ｓl、音源Ｓrに出力する信号に対して畳み込めば音源Ｓoの位置に音像が定位することになる。このインパルス応答をディジタルフィルタで構成すればタップ長の長いＦＩＲフィルタが必要となってしまうが、この他の実施の形態となるスピーカシステムでは、上記ディジタルフィルタ１、ディジタルフィルタ２０と同様のディジタルフィルタを用いるので、簡単な構成で小型、廉価に２個のスピーカの外側まで音像を定位させることができる。
【００４２】
さらに上記ディジタルフィルタを音場シミュレーションシステムに適用すれば少ないタップ数で長い応答時間の再現ができるので、従来のインパルス応答を巨視的にみて特徴的なパルスを捕らえサンプリング時間に比べ荒い時間間隔で残響発生器を構成していたものを、サンプリング時間毎に分布する密なパルスで構成できるようになり、より忠実な音場再現ができるようになる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明に係るディジタルフィルタは、予め測定された発音源から測定点までのインパルス応答を有限タップ長のＦＩＲフィルタで構成し、該ＦＩＲフィルタの任意の遅延器の出力を係数乗算器を介して減衰し、この減衰出力を上記任意の遅延器よりも前の遅延器間に設けた加算器に帰還する帰還手段を設けるので、タップ長の短いＦＩＲフィルタを用いても長いインパルス応答を高精度に再現できるようになるので、信号処理の規模を大幅に少なくでき、これをディジタル信号処理用ＩＣ等で構成する場合、使用ＩＣの個数を大幅に低減できる。このため、実装面積を少なくし、消費電力を低減し、かつ安価で小型化を実現できる。
【００４４】
また、上記帰還手段を複数設ければ、さらに長いインパルス応答を高精度に再現できる。
【００４５】
また、本発明に係る音響再生装置は、予め測定された発音源から測定点までのインパルス応答を有限タップ長のＦＩＲフィルタで構成し、該ＦＩＲフィルタの任意の遅延器の出力を係数乗算器を介して減衰し、この減衰出力を上記任意の遅延器よりも前の遅延器間に設けた加算器に帰還する帰還手段を備えたディジタルフィルタを有しているので、簡単な構成で安価でありながらも、音像の頭外感あるいは前方定位感、音像の質あるいは定位感を従来のサンプリング周波数一定で同数の総タップ長を持ったＦＩＲフィルタを用いた場合よりも大幅に改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るディジタルフィルタの実施の形態の概略構成を示す回路図である。
【図２】上記実施の形態のインパルス応答特性図である。
【図３】帰還部を備えていない従来のディジタルフィルタのインパルス応答特性図である。
【図４】本発明に係るディジタルフィルタの他の実施の形態の概略構成を示す回路図である。
【図５】本発明に係る音響再生装置の実施の形態となる頭外定位型ヘッドホン装置の概略構成を示すブロック図である。
【図６】上記頭外定位型ヘッドホン装置に用いられている信号処理回路の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明に係る音響再生装置の他の実施の形態となるスピーカシステムの原理を説明するための模式図である。
【図８】ＦＩＲフィルタの概略構成図である。
【図９】従来の残響付加信号処理装置の概略構成を示す回路図である。
【図１０】上記残響付加信号処理装置のインパルス応答特性図である。
【符号の説明】
１ ディジタルフィルタ
３2,３3 遅延器
３n 任意の遅延器
４ 係数乗算器
５ 加算器
６ 帰還部
Claims (2)
- 有限タップ長のＦＩＲフィルタと複数の帰還手段とを備え、
上記ＦＩＲフィルタは、予め測定された発音源から測定点までのインパルス応答のうち上記ＦＩＲフィルタを構成する遅延器の総遅延時間相当の初期インパルス応答を構成し、
上記複数の帰還手段の各々は、上記ＦＩＲフィルタの任意の遅延器の出力を係数乗算器を介して減衰し、各減衰出力を上記任意の遅延器よりも前であって上記初期インパルス応答の立ち上がり近傍を除いた部分に相当する任意の遅延器と、それに続く遅延器との間に設けた加算器に帰還することを特徴とするディジタルフィルタ。 - 有限タップ長のＦＩＲフィルタと複数の帰還手段とを備えるディジタルフィルタを有してなる音響再生装置において、
上記ＦＩＲフィルタは、予め測定された発音源から測定点までのインパルス応答のうち上記ＦＩＲフィルタを構成する遅延器の総遅延時間相当の初期インパルス応答を構成し、
上記複数の帰還手段の各々は、上記ＦＩＲフィルタの任意の遅延器の出力を係数乗算器を介して減衰し、各減衰出力を上記任意の遅延器よりも前であって上記初期インパルス応答の立ち上がり近傍を除いた部分に相当する任意の遅延器と、それに続く遅延器との間に設けた加算器に帰還することを特徴とする音響再生装置。
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