JP4133064B2 - 波形再生装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、楽音波形を再生する楽音波形再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
楽音波形再生装置に使用される音源装置には様々なものがある。音高にしたがったアドレス間隔で楽音波形を波形メモリから読み出し、楽音を再生する方式のものや特許第３１２４３４９号公報記載のものなどがある。
【０００３】
前者の音源装置では再生音高が変化するとフォルマントや発音時間が変化するという欠点を有するが、後者の音源装置ではその欠点が改善されてフォルマントが維持されたままで楽音が生成されるという特徴を有する。以降の記載においては説明を簡略にするため、前者を単純サンプリング方式の音源装置と記載し、後者をＰＳＯＬＡ（Ｐｉｔｃｈ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ＯｖｅｒＬａｐ Ａｄｄｉｔｉｏｎ）方式の音源装置と呼ぶ。
【０００４】
図６は単純サンプリング方式で再生された楽音波形と、ＰＳＯＬＡ方式で再生された楽音波形の周波数特性を示す図である。
【０００５】
図６（Ａ）は波形メモリに記憶されている原音高の楽音波形の基本周波数成分および倍音のスペクトラムを示す図であって、図６（Ａ）には各スペクトラム成分のピークを結んだエンベロープによりこの楽器のフォルマントが示されている。
【０００６】
また、図６（Ｂ）は単純サンプリング方式で、原音高の３倍の周波数の再生音高で再生された楽音波形の周波数特性を示す図、図６（Ｃ）は単純サンプリング方式で、原音高の１／２の周波数の再生音高で再生された楽音波形の周波数特性を示す図、図６（Ｄ）はＰＳＯＬＡ方式で、原音高の３倍の周波数の再生音高で再生された楽音波形の周波数特性を示す図、図６（Ｅ）はＰＳＯＬＡ方式で、再生音高が原音高の１／２の周波数の再生音高で再生された楽音波形の周波数特性を示す図であって、いずれも基本周波数成分および倍音のスペクトラムを示している。
【０００７】
図６（Ｂ）および図６（Ｃ）に示すように、単純サンプリング方式で音高が変更されると、フォルマントが変化してしまい、本来その楽器が有する楽音とはかけ離れた楽音が発音されてしまう。
【０００８】
これに対し、図６（Ｄ）、図６（Ｅ）に示すようにＰＳＯＬＡ方式では原音高の持つフォルマントが維持されたまま音高の変更が行なわれる。
【０００９】
図７の波形図を参照してＰＳＯＬＡ方式の原理を説明する。
【００１０】
図７（Ａ）には複数周期からなる原音高の楽音波形と楽音波形の切り出しを行なう窓関数ｗｉｎｄｏｗ１，ｗｉｎｄｏｗ２，ｗｉｎｄｏｗ３、ｗｉｎｄｏｗ４、ｗｉｎｄｏｗ５が示されている。図７（Ａ）に示すように複数周期からなる楽音波形の先頭の２周期が窓関数ｗｉｎｄｏｗ１で切り出されて、次の一周期ずれた２周期の楽音波形がｗｉｎｄｏｗ２で切り出されるといった具合に次々と窓関数で切り出しが行なわれている。楽音波形が切り出される状況を示すために、図７（Ｂ）には複数周期からなる楽音波形のうち、窓関数ｗｉｎｄｏｗ１により切り出された楽音波形（ここでは図７（Ａ）の先頭の２周期分）が抜粋され示されている。
【００１１】
図７（Ｃ）には窓関数ｗｉｎｄｏｗ１，ｗｉｎｄｏｗ２，ｗｉｎｄｏｗ３でそれぞれ切り出された楽音波形が繋がるように一部だけ重畳されて再生周期が伸張されている。このようにすると音高が低くなるがフォルマントが保存されたまま楽音波形が再生される。
【００１２】
また、高い音高が再生されるときには、例えば、図７（Ｄ）に示すように、窓関数ｗｉｎｄｏｗ１により切り出された先頭の２周期分の楽音波形が、音高に対応する短い周期で３回繰り返して重畳され続けてｗｉｎｄｏｗ２により切り出された楽音波形が、さらにｗｉｎｄｏｗ３で切り出された楽音波形がそれぞれ３回づつ繰り返して重畳されて合成される。なお、図７（Ｄ）の例では、発音時間をあわせるためにｗｉｎｄｏｗで切り出された楽音波形が３回続けて重畳されている。
【００１３】
このように音高が高い方に変更されて窓関数により切り出された楽音波形が短い周期で重畳されて合成されると、図７（Ｅ）に示すように低域の周波数成分が低減されて高域の周波数成分が相対的に増大された楽音波形になってしまう。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のごとく、ＰＳＯＬＡ方式を使用すると、フォルマントが維持されるものの、原音高よりも再生音高があまり低くなると、低域成分が不足し、聴感上違和感のある楽音になってしまう。これは、声やアコースティック楽器の特性としてピッチが低いほど低域の成分の比率が大きくなるからである。
【００１５】
また、ＰＳＯＬＡ方式を使用して原音高より高い再生音高で楽音波形が再生されるときには、楽音波形が有する基本周波数成分が低減されて高域の周波数成分が相対的に増大してしまうため、やはり聴感上、違和感のある楽音になってしまい、楽音としての品質が保証されなくなるといった問題が出てくる。
【００１６】
そこで本発明の楽音再生装置では、聴感上、違和感のない楽音が再生される楽音波形再生装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の楽音波形再生装置は、所定の原音高の楽音波形を記録しておく波形記憶部と、
その波形記憶部に記憶された楽音波形を所定の読出速度で読み出す波形読出部と、
その波形読出部により読み出された楽音波形に窓関数を乗算する乗算部と、
その乗算部で窓関数が乗算された後楽音波形を所望の再生音高に対応した周期で合成する波形合成部と、
その波形合成部で合成された後の楽音波形に、該楽音波形の再生音高を規定する基本周波数成分を強調するＱ値を持つハイパスフィルタを作用させるフィルタ部とを備えたことを特徴とする。
【００１８】
上記発明の楽音波形再生装置によれば、上記乗算部で窓関数が乗算され上記波形合成部で所望の再生音高に対応した周期で合成された後の楽音波形に、その楽音波形の再生音高を規定する基本周波数成分を強調するＱ値を持つハイパスフィルタを作用させることによって、再生音高を規定する基本周波数成分が強調された楽音波形が再生される。このように基本周波数成分が強調された楽音波形をスピーカを通して空間に放音させれば、聴感上優れた品質を持つ楽音になる。
【００１９】
ここで、上記フィルタ部は、
上記再生音高が原音高から離れるにしたがって高いＱ値を持ったハイパスフィルタを作用させるものであることが好ましい。
【００２０】
このように原音高より音高が離れるにしたがって高いＱ値を持ったハイパスフィルタを基本周波数成分近傍に作用させると、原音高から離れた音高を持つ楽音波形ほど基本周波数成分が強調される。
【００２１】
このように、原音高よりも高い音高になればなるほど、基本周波数成分近傍に高いＱ値を持ったハイパスフィルタを作用させて基本周波数成分を強調すると、聴感上、優れた品質を持つ楽音を発音させることができる。
【００２２】
また再生音高が低くなればなるほど、基本周波数成分近傍に高いＱ値を持ったハイパスフィルタを作用させて基本周波数成分を強調すると、低い音高の楽音であっても、違和感が解消され、聴感上、優れた品質を持つ楽音を発音させることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００２４】
図１は、本発明の一実施形態を示す楽音波形再生装置の内部構成を示す図である。また図２は図１に示すデジタルシグナルプロセッサ（以下ＤＳＰという）内の構成ブロック図である。ＤＳＰ内にはＰＳＯＬＡ方式の音源装置とその音源装置から出力された楽音波形が通過する経路にハイパスフィルタ（以下ＨＰＦという）が設けられている。
【００２５】
図１を参照して概要を説明する。
【００２６】
この楽音波形再生装置はＣＰＵ１００で制御されており、音源装置として機能するＤＳＰ２００もＣＰＵ１００により制御されて楽音波形が生成される。そのＤＳＰ２００により読み出される楽音波形が記憶された波形メモリ３００も設けられている。この波形メモリには原音高の楽音波形が複数周期分記憶されている。
【００２７】
鍵盤４００には複数の鍵があり、それらの鍵が押鍵あるいは離鍵されると、その情報がＣＰＵ１００で検出されその押鍵された鍵に応じた押鍵情報や離鍵情報がＤＳＰ２００に伝えられる。この押鍵情報にはその押鍵された鍵の音高情報が含まれている。ＤＳＰに押鍵情報が伝えられると、その押鍵情報に対応する離鍵情報が伝えられるまでの間、ＤＳＰ２００では、波形メモリ３００からその押鍵情報に応じた楽音波形の読み出しが行なわれる。
【００２８】
ＤＳＰ２００にはＰＳＯＬＡ方式の音源およびハイパスフィルタが備えられ、楽音波形がＤ／Ａ変換部５００でアナログの楽音波形信号に変換されてスピーカへと出力される。なお、ＲＯＭ６００にはＣＰＵ１００が処理を行なうための手順が示されており、ＲＡＭ７００にはＣＰＵ１００で用いられる処理情報が一時格納される。
【００２９】
図２はＤＳＰ２００内の内部構成を示す図である。
【００３０】
本実施形態の楽音波形再生装置が備えるＤＳＰ２００内にはＰＳＯＬＡ方式の音源装置２１０が配備されており、またその音源装置２１０から出力された楽音波形が通過する経路にはＨＰＦ２２０が設けられている。
【００３１】
図３はＤＳＰ２００内の内部構成を示す詳細図である。
【００３２】
まず、図３を参照して音源装置２１０の動作の概要を簡単に説明する。
【００３３】
図３に示した詳細図にはＤＳＰ以外に波形メモリ３００が示されており、ＤＳＰ２００と波形メモリ３００との関わりがわかるように図示されている。
【００３４】
図３では、説明を簡単にするため、原音高で楽音波形を再生する場合を示す。ここで音高が原音高なのでカウンタの出力するアドレス信号、及びパルスが共に２つずつ、また波形読み出し部が２１０ａ，２１０ｂの２つで記述可能であるが、もし原音高より高い音高で楽音波形を再生する場合は、音高に合わせ各々３つ以上必要になる。さらに、図３には波形メモリ３００ａ、波形メモリ３００ｂが設けられ、それらは波形メモリ３００から独立に波形を読み出すことを示しており、各出力は加算器２１４ａで加算されて出力されている。それらの波形メモリ３００ａ，３００ｂの前段には波形読み出し部２１０ａ，２１０ｂがそれぞれ設けられている。
【００３５】
それぞれの波形読み出し部２１０ａ，２１０ｂにより指定された読み出し開始アドレスに基づいて読み出された楽音波形に窓関数が所定のタイミングで乗算されるように、カウンタ２１１ではタイミング信号が生成されている。
【００３６】
このカウンタ２１１ではパルスＣ１、パルスＣ２がそれぞれ原音高の周期の２倍の周期ごとに繰り返し生成されており、パルスＣ２はパルスＣ１とは一周期ずれて生成されるようになっている。これらのパルスＣ１、パルスＣ２に基づいて、カウンタ２１１ではサンプリング周波数に基づいて順次カウントアップされるアドレス信号Ｐｈａｓｅ１，Ｐｈａｓｅ２がそれぞれ生成される。
【００３７】
一方のアドレス信号Ｐｈａｓｅ１は、パルスＣ１が供給された時刻を起点としてサンプリング周波数と同じ周波数で順次カウントアップされ、原音高の２周期分の時間が経過したらパルス信号Ｃ１でリセットされるアドレス信号であり、このアドレス信号が原音高の周波数の２周期分づつ繰り返し生成されている。この順次カウントアップされるアドレス信号に、波形ナンバテーブル２１５ａ側から供給された読み出し開始アドレスが加算されて波形メモリ３００ａから２周期分の楽音波形が波形メモリ３００ａに記憶されたときと同じサンプリング周波数で読み出される。このアドレス信号Ｐｈａｓｅ１はコサイン波形発生回路２１２にも供給されており、このアドレス信号によりコサイン波形ＣＯＳ１も順次読み出される。なお、コサイン波形発生回路２１２には複数のコサインテーブルが備えられており、その中の一つのコサインテーブルでＰｈａｓｅ１に対応したＣＯＳ１が、他のコサインテーブルでＰｈａｓｅ２に対応したＣＯＳ２がそれぞれ生成されている。また、図７では分かりやすく説明するために窓関数が三角波で示されているが、実際にはコサイン波形の窓関数がこの音源装置２１０では生成されている。
【００３８】
このコサイン波形発生回路２１２から出力される信号ＣＯＳ１が窓関数になり、複数周期からなる楽音波形の一部が原音高周波数の２周期分にわたって切り出されている。この乗算器２１３ａで波形メモリ３００ａから読み出された楽音波形にコサイン波形発生回路２１２から出力される窓関数ＣＯＳ１が乗算されて切り出されたものが図７（Ｂ）に示す楽音波形である。図７（Ａ）に示すように、一方の乗算器２１３ａ側には２周期ごとにＣＯＳ１に対応するｗｉｎｄｏｗ１、ｗｉｎｄｏｗ３、ｗｉｎｄｏｗ５…といった窓関数が供給されて波形メモリ３００ａから読み出された複数周期の原音高の楽音波形が２周期ごとに順次切り出されている。
【００３９】
また他方の乗算器２１３ｂ側には図７（Ａ）のｗｉｏｎｄｗ２、ｗｉｎｄｏｗ４、ｗｉｎｄｏｗ６…といった窓関数が供給されて波形メモリ３００ｂから読み出された複数周期の原音高の楽音波形が２周期ごとに順次切り出されている。
【００４０】
これらの乗算器２１３ａ，２１３ｂにより切り出された楽音波形それぞれが、後段にある加算器２１４ａで加算されて合成される。
【００４１】
これらの乗算器２１３ａ，２１３ｂが本発明にいう乗算部に当たり、加算器２１４ａが本発明にいう波形合成部に当たる。
【００４２】
ここからは波形読出部２１０ａ，２１０ｂを説明する。
【００４３】
波形メモリ３００ａ，３００ｂには複数周期の楽音波形が記憶されているので、それらの複数周期の楽音波形のどのアドレスから読み出しを行なうかが波形読み出し部２１０ａ，２１０ｂにより決められる。
【００４４】
二つの波形メモリ３００ａ，３００ｂにそれぞれ同じ構成の波形読み出し部２１０ａ，２１０ｂが設けられているので、以降の記載では一方の波形メモリ３００ａ側の構成を中心に説明する。
【００４５】
波形読み出し部２１０ａには読み出し開始アドレスを決める波形ナンバーテーブル２１５ａと、この波形ナンバーテーブル２１５ａの前段には複数周期分の楽音波形の何番目の周期の読み出しを行なうかが設定される波形ナンバーカウンタ２１６ａが設けられている。この波形ナンバーカウンタ２１６ａにはカウンタ２１１からパルスＣ１が供給されており、パルスＣ１によりカウンタアップする値にしたがって複数周期在る楽音波形の中の何周期目の波形を読み出すかが波形ナンバーカウンタ２１６ａにより設定される。
【００４６】
この波形ナンバーテーブル２１５ａから出力された読み出し開始アドレスは加算器２１４ｂでカウンタ２１１から出力されているアドレス信号Ｐｈａｓｅ１に加算されている。カウンタ２１１からのアドレス信号Ｐｈａｓｅ１は、サンプリング周波数と同じ周波数で順次カウントアップされる信号であるから、読み出し開始アドレスから順次カウントアップされるアドレスにより楽音波形の読み出しが行なわれる。そして原音高周波数の２周期ごとに繰り返し生成されているパルスＣ１によりカウントアップされたアドレス信号が初期値にリセットされて次の読み出し開始アドレスに基づいて波形メモリから楽音波形の読み出しが行なわれる。
【００４７】
このようにして波形ナンバーテーブル２１５ａから供給された読み出し開始アドレスに、カウンタ２１１からのアドレス信号Ｐｈａｓｅ１が加算されて、波形メモリ３００ａに記憶されている複数周期の楽音波形の中から、読み出し開始アドレスに対応した周期の楽音波形が順次読み出される。乗算器２１３ａ側では窓関数ＣＯＳ１により切り出された楽音波形が、乗算器２１３ｂ側ではＣＯＳ２により切り出された楽音波形が、再生音高の周期ごとにそれぞれ加算器２１４ａに供給されて合成される。
【００４８】
図４（Ａ）はＨＰＦ２２０のカットオフ周波数と再生音高の関係を示す図であり、図４（Ｂ）はＨＰＦ２２０のＱ値と再生音高の関係を示す図である。
【００４９】
ＤＳＰ２００内のＨＰＦ２２０にはカットオフ周波数（Ｆｃ）とＱ値とが係数としてＣＰＵ１００から与えられる。このＣＰＵ１００からＨＰＦの係数として与えられるカットオフ周波数Ｆｃにあっては図４（Ａ）に示すように原音高に対応する周波数を基準にして再生音高に応じたカットオフ周波数Ｆｃが係数として与えられるとともに、再生音高が原音高から離れるにしたがい高いＱ値が係数として与えられる。
【００５０】
このようにして押鍵された鍵の音高に応じてＤＳＰ２００内ではＨＰＦ２２０のカットオフ周波数ＦｃおよびＱ値が設定される。
【００５１】
図５（Ａ）は音源装置２１０で原音高よりも高い音高で再生された楽音波形の周波数特性に、ＨＰＦ２２０の周波数特性を重ねて示した図であり、図５（Ｂ）は音源装置２１０で生成された原音高よりも低い音高で再生された楽音波形の周波数特性に、ＨＰＦ２２０の周波数特性を重ねて示した図である。図中１点鎖線で示されているのがＨＰＦ２２０の周波数特性である。
【００５２】
図５（Ａ）には基本周波数近傍に高いＱ値を持つＨＰＦ２２０が構成されており、ここでは原音高の３倍の周波数の再生音高を有する楽音波形が再生されたときの例が示されている。したがって基本周波数成分が低減されるといった従来の問題がＨＰＦ２２０を追加したことによって解消され、基本周波数成分が強調された楽音波形が再生される。この基本周波数成分が強調された楽音波形を、スピーカを通して発音させると、聴感上、品質のよい楽音になる。
【００５３】
また、図５（Ｂ）には原音高の１／２の周波数の再生音高で楽音波形が再生されたときの周波数スペクトラムが示されている。図５（Ｂ）に示すように原音高よりも低い再生音高になった場合もＨＰＦ２２０にはかなり高いＱ値が設定され、基本周波数成分が強調されている。そうすると原音高よりも低い音高であって、本来その楽器では発音されないような低音の楽音であっても、その楽器が低音まで発音可能であれば発音されたであろう楽音波形が再生される。この基本周波数成分が強調された楽音波形を、スピーカを通して楽音として発音させると、違和感が解消され、聴感上、品質の良い楽音になる。
【００５４】
以上説明したとおり、再生音高が原音高よりも高い音高であっても、また原音高よりも低い音高であってもＨＰＦにより基本周波数成分が強調された楽音波形が再生される。また、再生音高が原音高から離れれば離れるほど、高いＱ値を持つＨＰＦが設定されるので、原音高から離れれば離れるほど基本周波数成分がより一層強調されて楽音波形が再生される。このように基本周波数成分が強調された楽音波形を、スピーカを通して発音させると、聴感上優れた品質を持つ楽音になる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、聴感上、高い品質を持つ楽音が再生される楽音波形再生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である楽音波形再生装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示したＤＳＰの内部構成を示すブロック図である。
【図３】ＰＳＯＬＡ方式の音源装置の内部構成を示す図である。
【図４】再生音高とＨＰＦのフィルタ係数との関係を示す図である。
【図５】原音高よりも高い音高の楽音波形が再生された場合のＨＰＦの作用の仕方と原音高よりも低い音高の楽音波形が再生された場合のＨＰＦの作用の仕方を説明する図である。
【図６】単純サンプリング方式及びＰＳＯＬＡ方式で再生された楽音波形の基音および倍音のスペクトラムを示す図である。
【図７】ＰＳＯＬＡ方式の音源装置で再生音高が原音高に基づいて変更されて再生されたときに、窓関数で切り出された楽音波形の一部が多重されて合成されたときの状態を示す図である。
【符号の説明】
１００ ＣＰＵ
２００ ＤＳＰ
２１０ 音源装置
２１０ａ ２１０ｂ 波形読み出し部およびアドレス選択部
２１１ カウンタ
２１２ コサイン波形発生回路
２１３ａ ２１３ｂ 乗算器
２１４ａ〜２１４ｃ 加算器
２１５ａ ２１５ｂ 波形ナンバーテーブル
２１６ａ ２１６ｂ 波形ナンバーカウンタ
２２０ ＨＰＦ
３００ 波形メモリ
３００ａ ３００ｂ 波形メモリ
４００ 鍵盤
５００ Ｄ／Ａ
６００ ＲＯＭ
７００ ＲＡＭ

Claims (1)

1. 所定の原音高の楽音波形を記録しておく波形記憶部と、
   前記波形記憶部に記憶された楽音波形を所定の読出速度で読み出す波形読出部と、
   前記波形読出部により読み出された楽音波形に窓関数を乗算する乗算部と、
   前記乗算部で窓関数が乗算された後の楽音波形を所望の再生音高に対応した周期で合成する波形合成部と、
   前記波形合成部で合成された後の楽音波形に、該楽音波形の再生音高を規定する基本周波数近傍に正のピークを生じるようなカットオフ周波数及びＱ値を持つハイパスフィルタを作用させるフィルタ部とを備え、
   前記フィルタ部は、
   前記再生音高が前記原音高から離れるにしたがって高いＱ値を持ったハイパスフィルタを作用させるものであることを特徴とする波形再生装置。

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