JP4300273B2 - 音質調整装置及びこれに用いるフィルタ装置、音質調整方法、フィルタの設計方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、音質調整装置及びこれに用いるフィルタ装置、音質調整方法、フィルタの設計方法に関し、特に、デジタル信号処理によって音声信号の所望の周波数帯域を強調あるいは非強調して音質を改善するための装置および方法に用いて好適なものである。
背景技術
従来、音声信号を出力する装置において、出力音声の音質を改善するための方法として種々のものが提案されている。その中でも比較的簡単な方法の１つに、入力音声信号に対してローパスフィルタ処理やハイパスフィルタ処理を施すというものがある。
この種の音質調整装置では、入力音声信号をローパスフィルタとハイパスフィルタとに通し、各フィルタの出力信号と入力音声信号との利得を制御して全て合算する。このとき、各フィルタ出力に対する利得と入力音声信号に対する利得とを任意に設定することにより、所望の周波数帯域の音を任意に強調することが可能となる。
例えば、低周波領域の音（いわゆる低音）を強調したいときは、ローパスフィルタの出力信号に対する利得を大きくすれば良い。また、高周波領域の音（いわゆる高音）を強調したいときは、ハイパスフィルタの出力信号に対する利得を大きくすれば良い。
上記従来の音質調整装置では、ローパスフィルタとハイパスフィルタとが共に直線位相特性を持ち、かつ、各フィルタの出力信号を利得制御なしで加算した場合に、全周波数帯域でゲインが完全に１（基準値）となることが望ましい。
直線位相特性が要求されるのは、音声信号がフィルタを通ることによって位相がずれると、位相歪みによる音質の劣化が生じ、場合によっては（特に音量が小さい場合など）音が聞きづらくなることがあるためである。また、加算した結果のゲインが全周波数帯域で完全に基準値となることが要求されるのは、利得制御をしないときに、音質調整が行われていない状態を実現するためである。
ところで、従来からデジタルフィルタとしては、ＩＩＲ（Ｉｎｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ：無限長インパルス応答）フィルタやＦＩＲ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ：有限長インパルス応答）フィルタが多く用いられている。このうちＦＩＲフィルタは、次のような利点を持つ。第１に、ＦＩＲフィルタの伝達関数の極はｚ平面の原点のみにあるため、回路は常に安定である。第２に、完全に正確に直線位相特性を実現することができる。
したがって、上述の要求に対応するために、音質調整装置では、互いに対称的な周波数特性を有するローパスフィルタとハイパスフィルタとの対から成る対称型ＦＩＲフィルタを用いることが望ましい。通常、ＦＩＲフィルタで基本となるのはローパスフィルタであり、ハイパスフィルタは、ローパスフィルタから周波数変換により導かれる。よって、対称型ＦＩＲフィルタは、まず基本となるローパスフィルタを設計し、これを周波数変換することにより、ローパスフィルタと特性が対称的なハイパスフィルタを設計する必要がある。
従来、ＦＩＲ型のローパスフィルタからハイパスフィルタを導く周波数変換では、フィルタのカットオフ周波数を変換する処理が行われていた。具体的には、サンプリング周波数とカットオフ周波数との比率をもとに、窓関数やチェビシェフ近似法などを用いた畳み込み演算等を行うことにより、フィルタの伝達関数を求め、それを更に周波数成分に置き換える処理を行っていた。
しかしながら、窓関数やチェビシェフ近似法などを用いた周波数変換は、その計算が非常に複雑である。そのため、これをソフトウェアで実現すると処理負荷が重くなり、ハードウェアで実現すると回路規模が大きくなるという問題があった。
また、従来の設計法で得られるフィルタの周波数特性は、窓関数や近似式に依存するので、これらをうまく設定しないと、良好な周波数特性を得ることができない。しかし、窓関数や近似式を適当に設定することは一般に困難であり、所望の周波数特性を有するフィルタを設計することは、非常に大変であった。
また、周波数変換によらず、ハイパスフィルタなどのフィルタ係数を直接的に求める方法も考えられる。しかし、この場合は、所望の周波数特性を得るのに必要なフィルタ係数を試行錯誤して求めなければならず、簡単には設計できないという問題があった。
本発明は、このような問題を解決するために成されたものであり、所望の周波数帯域を強調した場合でも位相歪みが生じず、聴感上良質な音声をデジタル信号処理によって得ることができるようにするとともに、そのような音質調整のために用いるフィルタ回路を簡易的に設計できるようにすることを目的とする。
発明の開示
本発明の音質調整装置は、入力音声信号を複数のデジタルフィルタに通し、上記複数のデジタルフィルタの出力信号の利得をそれぞれ制御し、利得制御された音声信号を合算して出力するようになされた音質調整装置であって、複数の遅延器から成るタップ付き遅延線の各タップの信号を、与えられる第１のフィルタ係数群によりそれぞれ数倍した後、加算して出力する第１のフィルタと、複数の遅延器から成るタップ付き遅延線の各タップの信号を、与えられる第２のフィルタ係数群によりそれぞれ数倍した後、加算して出力する第２のフィルタとを備え、上記第１のフィルタ係数群は、その数列が対称型であり、上記数列の合計値が非ゼロで、上記数列の１つ飛びの合計値が同符号で互いに等しくなるように値を設定したものであり、上記第２のフィルタ係数群は、その数列が対称型であり、上記数列の合計値がゼロで、上記数列の１つ飛びの合計値が逆符号で互いに等しくなるように値を設定したものであり、特に上記第２のフィルタ係数群は、上記第１のフィルタ係数群の数列の絶対値をそのままにして上記数列の中央値以外を符号変換したものであることを特徴とする。
本発明のその他の態様では、上記第２のフィルタ係数群は、上記第１のフィルタ係数群の数列の中央値以外については絶対値をそのままにして符号反転するとともに、上記数列の中央値については基準値から上記中央値を減算したものであることを特徴とする。
また、本発明のフィルタ装置は、複数の遅延器から成るタップ付き遅延線の各タップの信号を、与えられる第１のフィルタ係数群によりそれぞれ数倍した後、加算して出力する第１のフィルタと、複数の遅延器から成るタップ付き遅延線の各タップの信号を、与えられる第２のフィルタ係数群によりそれぞれ数倍した後、加算して出力する第２のフィルタとを備え、上記第１のフィルタ係数群は、その数列が対称型であり、上記数列の合計値が非ゼロで、上記数列の１つ飛びの合計値が同符号で互いに等しくなるように値を設定したものであり、上記第２のフィルタ係数群は、その数列が対称型であり、上記数列の合計値がゼロで、上記数列の１つ飛びの合計値が逆符号で互いに等しくなるように値を設定したものであり、特に上記第２のフィルタ係数群は、上記第１のフィルタ係数群の数列の絶対値をそのままにして上記数列の中央値以外を符号変換したものであることを特徴とする。
本発明のその他の態様では、上記第２のフィルタ係数群は、上記第１のフィルタ係数群の数列の中央値以外については絶対値をそのままにして符号反転するとともに、上記数列の中央値については基準値から上記中央値を減算したものであることを特徴とする。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態による音質調整装置の概略構成を示すブロック図である。図１に示す音質調整装置では、入力音声信号をローパスフィルタ（ＬＰＦ）１とハイパスフィルタ（ＨＰＦ）２とに通し、各フィルタの出力信号の利得をそれぞれ乗算器３，４により制御し、それらの結果を加算器５で合算して出力する。
このような構成において、各フィルタ１，２が直線位相特性を持ち、かつ、各フィルタ１，２の出力信号を利得制御なし（Ｌゲイン＝Ｈゲイン＝１）で加算した結果のゲインが全周波数帯域で完全に１（基準値）となることが望ましい。そこで、本実施形態では、音質調整装置を構成するフィルタ回路として、ＦＩＲ型のものを用いる。これは、フィルタ回路に対して与える複数の係数の数列が対称型であれば、位相特性は直線となり、かつ、回路が常に安定となるからである。
図２は、ＦＩＲフィルタの基本的な構成例を示す図である。図２に示すフィルタは、７タップＦＩＲフィルタの構成を示している。このＦＩＲフィルタでは、縦続接続された７個のＤ型フリップフロップ１１〜１７によって入力音声信号を１クロックＣＫずつ順次遅延させる。そして、各Ｄ型フリップフロップ１１〜１７の出力タップから取り出した信号に対し、７個の係数器２１〜２７によりそれぞれフィルタ係数を乗算し、それらの乗算結果を全て加算器３０で加算して出力する。
本実施形態では、このようなＦＩＲフィルタに対して与える対称型のフィルタ係数群として、図３の▲４▼に示すような数列｛−１，０，９，１６，９，０，−１｝を用いる。この▲４▼に示すフィルタ係数群は、その数列が対称型であり、数列の合計値が非ゼロで、数列の１つ飛びの合計値が同符号で互いに等しくなるという性質を持っている（−１＋９＋９＋（−１）＝１６、０＋１６＋０＝１６）。
上記図３の▲４▼に示すフィルタ係数は、同図の▲３▼に示すデジタル基本関数を１回移動平均演算することによって得られるものである。このデジタル基本関数は、１クロック毎にデータ値が−１，１，８，８，１，−１と変化する関数である。このデジタル基本関数の数列は、同図の▲１▼に示す数列を２回移動平均演算することによって得られる。
なお、ここでは、図３の▲４▼に示す整数列をフィルタ係数群として用いている。この場合、全てのフィルタ係数値を加算した結果は３２となり、これが基準値となる。実際には、ゲインを１で基準化するために、上述した数列の各値を１／３２倍したものをフィルタ係数群として用いる。この場合、基準値は１である。
ここで、上記デジタル基本関数の数列の意味について、図２１を用いて説明する。
図２１は、上記デジタル基本関数を１回移動平均して得られる上述の数値列｛−１，０，９，１６，９，０，−１｝に対して、４倍のオーバーサンプリングとコンボリューション演算とを施した結果を示す図である。
図２１（ａ）において、一番左の列に示される一連の数値列は、元の数値列｛−１，０，９，１６，９，０，−１｝に対して４倍のオーバーサンプリングを行った値である。また、一番左から右に向かって４列分の数値列は、一番左の列に示される数値列を１つずつ下方向にシフトしていったものである。図２１（ａ）の列方向は時間軸を示しており、数値列を下方向にシフトするということは、一番左の列に示される数値列を徐々に遅延させていくことに対応する。
すなわち、左から２列目の数値列は、一番左の列に示される数値列を４倍周波数のクロック４ＣＫの１／４位相分だけずらした数値列であることを示す。また、左から３列目の数値列は、左から２列目に示される数値列を４倍周波数のクロック４ＣＫの１／４位相分だけずらした数値列、左から４列目の数値列は、左から３列目に示される数値列を４倍周波数のクロック４ＣＫの１／４位相分だけ更にずらした数値列であることを示す。
また、左から５列目の数値列は、１〜４列目の各数値列を対応する行どうしで加算した値である。この左から５列目までの処理により、４相のコンボリューション演算を伴う４倍のオーバーサンプリングがデジタル的に実行されることになる。
上記５列目から右に向かって４列分の数値列は、５列目に示される数値列を１つずつ下方向にシフトしていったものである。また、左から９列目の数値列は、５〜８列目の各数値列を対応する行どうしで加算した値である。この左から９列目までの処理により、４相のコンボリューション演算を伴う４倍のオーバーサンプリングがデジタル的に２回実行されることになる。
また、左から１０列目の数値列は、９列目に示される数値列を１つ下方向にシフトしたものである。また、左から１１列目（一番右の列）の数値列は、９列目の数値列と１０列目の数値列とを対応する行どうしで加算した値である。
この図２１（ａ）の一番右の列に示される最終的に得られた数値列をグラフ化したのが、図２１（ｂ）である。この図２１（ｂ）に示すような波形を有する関数は、横軸に沿った標本位置がｔ１からｔ４の間にあるときにのみ“０”以外の有限な値を有し、それ以外の領域では値が全て“０”となる関数、つまり標本位置ｔ１，ｔ４において値が“０”に収束する関数である。このように関数の値が局所的な領域で“０”以外の有限の値を有し、それ以外の領域で“０”となる場合を「有限台」と称する。
また、この図２１（ｂ）に示す関数は、中央の標本位置ｔ５においてのみ極大値をとり、ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４の４つの標本位置において値が“０”になるという特徴を有する標本化関数であり、滑らかな波形のデータを得るために必要なサンプル点は全て通る。
図４は、図３の▲１▼〜▲４▼に示す数列をＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ：高速フーリエ変換）した結果の周波数−ゲイン特性を示す図である。なお、この図４では、ゲインを１で基準化している。この特性図から分かるように、▲４▼の数列をフィルタ係数に用いた場合には、中心周波数においてゲインが０．５となり、かつ、低周波領域でのオーバーシュートや高周波領域でのリンギングも存在しない良好なローパスフィルタ特性が得られる。
このようなローパスフィルタ特性を実現する上述した｛−１，０，９，１６，９，０，−１｝の数値列は、図１９（ｂ）に示した有限台の標本化関数の基礎となるものである。従来一般的に用いられていた標本化関数はｔ＝±∞の標本位置で“０”に収束するのに対し、図１９（ｂ）に示した標本化関数は、ｔ＝ｔ１，ｔ４の有限の標本位置で“０”に収束する。
そのため、上述の数値列をＦＦＴ変換した場合、ｔ＝ｔ１〜ｔ４の範囲内に相当するデータだけが意味を持つ。ｔ＝ｔ１〜ｔ４の範囲外に相当するデータについては、本来これを考慮すべきであるのに無視しているという訳ではなく、理論的に考慮する必要がないため、打ち切り誤差は発生しない。したがって、上述の数値列をフィルタ係数として用いれば、窓関数を用いて係数の打ち切りを行う必要もなく、良好なローパスフィルタ特性を得ることができる。よって、これを基本ローパスフィルタとする。
ローパスフィルタと共に対称型ＦＩＲフィルタを構成するもう一方のハイパスフィルタは、上述の基本ローパスフィルタから導く。ここで求めるハイパスフィルタは、その周波数−ゲイン特性が基本ローパスフィルタと比べて中心周波数軸に対して上下左右に対称な特性を持ち、かつ、基本ローパスフィルタとハイパスフィルタとのゲイン出力を合算すると、全周波数帯域でゲインが完全に１（基準値）となるものである。
上述のように、基本ローパスフィルタに対して用いるフィルタ係数群は、｛−１，０，９，１６，９，０，−１｝である。このフィルタ係数群の数列の合計値は３２、数列の１つ飛びの合計値は１６（＝（−１）＋９＋９＋（−１））および１６（＝０＋１６＋０）となり、共に等しくなる。
数列の合計値が３２で０にならないということは、入力音声信号の直流分もしくは低周波成分の出力が０にならないということである。また、数列の１つ飛びの合計値が共に等しくなるということは、入力音声信号の高周波成分の出力（各タップの出力）が一定で変わらないということである。このことは、まさしくローパスフィルタの特性を示すものであると解釈できる。
一方、ハイパスフィルタに対して用いるフィルタ係数は、基本ローパスフィルタとの対称性を保つために、数列の絶対値はそのままにして中央値以外を符号変換し、フィルタ係数群の数列の合計値が０、数列の１つ飛びの合計値が逆符号で等しい値となるようにする。このような条件を満たすフィルタ係数群の数列は、｛１，０，−９，１６，−９，０，１｝となる。つまり、このフィルタ係数群の数列の合計値は０、数列の１つ飛びの合計値は−１６（＝１＋（−９）＋（−９）＋１）および１６（＝０＋１６＋０）となる。
数列の合計値が０になるということは、入力音声信号の直流分もしくは低周波成分の出力が０になるということである。また、数列の１つ飛びの合計値が逆符号で等しい値になるということは、入力音声信号の高周波成分の出力（各タップの出力）が交互に変わっているということである。このことは、ハイパスフィルタの特性を示すものであると解釈できる。
図５は、図３の▲４▼に示す数列｛−１，０，９，１６，９，０，−１｝と、これを一部符号変換した数列｛１，０，−９，１６，−９，０，１｝とをＦＦＴした結果の周波数−ゲイン特性を示す図である。この図５でもゲインを１で基準化している。この特性図から分かるように、両者の周波数特性は、中心周波数のゲイン０．５の部分で交差し、上下左右に対称な特性を持ち、かつ、それぞれのゲインのトータルが全周波数帯域で完全に１となっている。すなわち、これらの周波数特性は、ローパスフィルタとハイパスフィルタとの対から成る対称型ＦＩＲフィルタの特性を示している。
以上のことを、更に詳細に説明する。本実施形態の音質調整装置を構成する対称型ＦＩＲフィルタの設計条件は、次の通りである。
１）ＦＩＲフィルタは対称特性のローパスフィルタとハイパスフィルタとから成り、それぞれのゲインのトータルは全周波数帯域で完全に１となる。
２）フィルタ係数は端部より中央に向かって大きくなる。
３）フィルタ係数の中央値は０でない（０だとノッチが生じる）。
（３タップフィルタ）
図６（ａ）は、３タップＦＩＲフィルタの基本的な構成を示すブロック図である。図６（ａ）において、３１〜３３は縦続接続された３個のＤ型フリップフロップであり、これによって入力音声信号を１クロックＣＫずつ順次遅延させる。
３４〜３６は３個の係数器であり、各Ｄ型フリップフロップ３１〜３３の出力タップから取り出した信号を、与えられる対称型のフィルタ係数群（ａ，ｂ，ａ）によりそれぞれ数倍する。３７は加算器であり、各係数器３４〜３６の出力信号を加算して出力する。このように構成したＦＩＲフィルタに与えるフィルタ係数群を適当に定めることにより、当該ＦＩＲフィルタをローパスフィルタもしくはハイパスフィルタとして設計することができる。
上記３タップＦＩＲフィルタがローパスフィルタとなる絶対条件は、基準値を１として考えた場合、
▲１▼係数の数列の総和が１（低周波数条件）
▲２▼係数の数列の１つ飛びの和の差が０（最高周波数条件）
であり、ローパスフィルタの中間周波数のゲインが０．５となる条件は、
▲３▼係数の数列の２つずつ２つ飛びの和の差が０．５（中間周波数条件）
である。
上記▲１▼〜▲３▼の条件は、以下のように表される。
条件▲１▼…２ａ＋ｂ＝１
条件▲２▼…２ａ−ｂ＝０
条件▲３▼…（ａ＋ｂ）−ａ＝０．５
これから、ａ＝１／４，ｂ＝１／２と求まる。したがって、ローパスフィルタの回路は図６（ｂ）のようになる。
一方、上記３タップＦＩＲフィルタがハイパスフィルタとなる絶対条件は、
▲４▼係数の数列の総和が０（低周波数条件）
▲５▼係数の数列の１つ飛びの和の差が１（最高周波数条件）
であり、ハイパスフィルタの中間周波数のゲインが０．５となる条件は、
▲６▼係数の数列の２つずつ２つ飛びの和の差が０．５（中間周波数条件）
である。
上記▲４▼〜▲６▼の条件は、以下のように表される。
条件▲４▼…２ａ＋ｂ＝０
条件▲５▼…２ａ−ｂ＝１
条件▲６▼…（ａ＋ｂ）−ａ＝０．５
これから、ａ＝−１／４，ｂ＝１／２と求まる。したがって、ハイパスフィルタの回路は図６（ｃ）のようになる。
図７（ａ）は、図６（ｂ）（ｃ）に示したローパスフィルタおよびハイパスフィルタの周波数−ゲイン特性を示し、図７（ｂ）は、図６（ｂ）に示したローパスフィルタの周波数−位相特性を示す図である。これらの特性図から分かるように、ローパスフィルタおよびハイパスフィルタの周波数特性は、中心周波数のゲインが０．５の部分で交差し、上下左右に対称な特性を持ち、かつ、それぞれのゲインのトータルが全周波数帯域で完全に１となっている。また、完全な直線位相特性も得られている。
（５タップフィルタ）
図８（ａ）は、５タップＦＩＲフィルタの基本的な構成を示すブロック図である。図８（ａ）において、４１〜４５は縦続接続された５個のＤ型フリップフロップであり、これによって入力音声信号を１クロックＣＫずつ順次遅延させる。
４６〜５０は５個の係数器であり、各Ｄ型フリップフロップ４１〜４５の出力タップから取り出した信号を、与えられる対称型のフィルタ係数群（ａ，ｂ，ｃ，ｂ，ａ）によりそれぞれ数倍する。５１は加算器であり、各係数器４６〜５０の出力信号を加算して出力する。
上記５タップＦＩＲフィルタがローパスフィルタとなる絶対条件は、
▲１▼係数の数列の総和が１（低周波数条件）
▲２▼係数の数列の１つ飛びの和の差が０（最高周波数条件）
であり、ローパスフィルタの中間周波数のゲインが０．５となる条件は、
▲３▼係数の数列の２つずつ２つ飛びの和の差が０．５（中間周波数条件）
である。
上記▲１▼〜▲３▼の条件は、以下のように表される。
条件▲１▼…２ａ＋２ｂ＋ｃ＝１
条件▲２▼…２ａ＋ｃ−２ｂ＝０
条件▲３▼…（ａ＋ｂ）−（ｃ＋ｂ）＋ａ＝０．５
これから、ａ＝ｂ＝１／４，ｃ＝０と求まる。したがって、ローパスフィルタの回路は図８（ｂ）のようになる。しかし、この場合はフィルタ係数群の数列の中央値ｃが０となってノッチが発生するので、好ましい形ではない。
一方、上記５タップＦＩＲフィルタがハイパスフィルタとなる絶対条件は、
▲４▼係数の数列の総和が０（低周波数条件）
▲５▼係数の数列の１つ飛びの和の差が１（最高周波数条件）
であり、ハイパスフィルタの中間周波数のゲインが０．５となる条件は、
▲６▼係数の数列の２つずつ２つ飛びの和の差が０．５（中間周波数条件）
である。
上記▲４▼〜▲６▼の条件は、以下のように表される。
条件▲４▼…２ａ＋２ｂ＋ｃ＝０
条件▲５▼…２ａ＋ｃ−２ｂ＝１
条件▲６▼…｛ａ＋（ｂ＋ａ）｝−（ｂ＋ｃ）＝０．５
これから、ａ＝１／４，ｂ＝−１／４，ｃ＝０と求まる。したがって、ハイパスフィルタの回路は図８（ｃ）のようになる。しかし、この場合はフィルタ係数群の数列の中央値ｃが０となってノッチが発生するので、好ましい形ではない。
図９は、図８（ｂ）（ｃ）に示したローパスフィルタおよびハイパスフィルタの周波数−ゲイン特性を示す図である。この特性図から分かるように、フィルタ係数群の数列の中央値ｃが０であるために、ノッチが生じている。
（７タップフィルタ）
図１０は、７タップＦＩＲフィルタの基本的な構成を示すブロック図である。図１０において、６１〜６７は縦続接続された７個のＤ型フリップフロップであり、これによって入力音声信号を１クロックＣＫずつ順次遅延させる。
６８〜７４は７個の係数器であり、各Ｄ型フリップフロップ６１〜６７の出力タップから取り出した信号を、与えられる対称型のフィルタ係数群（ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｃ，ｂ，ａ）によりそれぞれ数倍する。７５は加算器であり、各係数器６８〜７４の出力信号を加算して出力する。このように構成したＦＩＲフィルタに与えるフィルタ係数群を適当に定めることにより、当該ＦＩＲフィルタをローパスフィルタもしくはハイパスフィルタとして設計することができる。
上記７タップＦＩＲフィルタがローパスフィルタとなる絶対条件は、
▲１▼係数の数列の総和が１（低周波数条件）
▲２▼係数の数列の１つ飛びの和の差が０（最高周波数条件）
であり、ローパスフィルタの中間周波数のゲインが０．５となる条件は、
▲３▼係数の数列の２つずつ２つ飛びの和の差が０．５（中間周波数条件）
である。
上記▲１▼〜▲３▼の条件は、以下のように表される。
条件▲１▼…２ａ＋２ｂ＋２ｃ＋ｄ＝１
条件▲２▼…２ａ＋２ｃ−２ｂ−ｄ＝０
条件▲３▼…｛ａ＋（ｄ＋ｃ）｝−｛（ｂ＋ｃ）＋（ｂ＋ａ）｝
＝ｄ−２ｂ＝０．５
条件▲１▼▲２▼より、ｄ＋２ｂ＝１／２となるから、これと条件▲３▼とから、ｂ＝０，ｄ＝１／２と求まる。
この結果から、係数ａ，ｃの値としては、次のような組合せが考えられる。
ａ＝−１／３２，ｃ＝９／３２
ａ＝−２／３２，ｃ＝１０／３２
ａ＝−３／３２，ｃ＝１１／３２
ａ＝−４／３２，ｃ＝１２／３２
図１１は、上記ｂ＝０，ｄ＝１／２の値と、上記ａ，ｃの値に関する４パターンの組合せとをフィルタ係数群の数列として与えた場合に得られる周波数−ゲイン特性を示す図である。図１１に示すように、４パターンのどの数列を与えた場合にも、その周波数特性は図中の３点Ａ，Ｂ，Ｃを通る（点Ｂは中心周波数でゲインが０．５となる点）。しかし、この中で上下対称な特性を有するのは、ａ＝−１／３２，ｃ＝９／３２とした場合だけである。したがって、係数ａ，ｃの値に関してはこの組合せを用いる。この場合のローパスフィルタの回路は図１２（ａ）のようになる。
以上から分かるように、７タップローパスフィルタの周波数−ゲイン特性で上下左右に対称となるフィルタ係数群の数列は、｛−１，０，９，１６，９，０，−１｝だけである。したがって、デジタル基本関数の数列｛−１，１，８，８，１，−１｝およびこれを１回移動平均して得られる上記｛−１，０，９，１６，９，０，−１｝の数列は、デジタル信号処理において非常に有用なものであることが分かる。
一方、上記３タップＦＩＲフィルタがハイパスフィルタとなる絶対条件は、
▲４▼係数の数列の総和が０（低周波数条件）
▲５▼係数の数列の１つ飛びの和の差が１（最高周波数条件）
であり、ハイパスフィルタの中間周波数のゲインが０．５となる条件は、
▲６▼係数の数列の２つずつ２つ飛びの和の差が０．５（中間周波数条件）
である。
上記▲４▼〜▲６▼の条件は、以下のように表される。
条件▲４▼…２ａ＋２ｂ＋２ｃ＋ｄ＝０
条件▲５▼…２ａ＋２ｃ−２ｂ−ｄ＝１
条件▲６▼…｛ａ＋（ｄ＋ｃ）｝−｛（ｂ＋ｃ）＋（ｂ＋ａ）｝
＝ｄ−２ｂ＝０．５
条件▲４▼▲５▼より、ｄ＋２ｂ＝１／２となるから、これと条件▲６▼とから、ｂ＝０，ｄ＝１／２と求まる。
この結果から、ローパスフィルタの場合と同様に、係数ａ，ｃの値としては、ａ＝１／３２，ｃ＝−９／３２の組合せを用いる。この場合のハイパスフィルタの回路は図１２（ｂ）のようになる。以上から分かるように、７タップハイパスフィルタの周波数−ゲイン特性で上下左右に対称となるフィルタ係数群の数列は、｛１，０，−９，１６，−９，０，１｝だけである。
図１３（ａ）は、図１２（ａ）（ｂ）に示したローパスフィルタおよびハイパスフィルタの周波数−ゲイン特性を示し、図１３（ｂ）は、同じく図１２（ａ）（ｂ）に示したローパスフィルタおよびハイパスフィルタの周波数−位相特性を示す図である。これらの特性図から分かるように、ローパスフィルタおよびハイパスフィルタの周波数特性は、中心周波数のゲインが０．５の部分で交差し、上下左右に対称な特性を持ち、かつ、それぞれのゲインのトータルが全周波数帯域で完全に１となっている。また、完全な直線位相特性も得られている。
以上のように、本実施形態によれば、音質調整装置のフィルタをＦＩＲフィルタで構成し、これに与えるフィルタ係数を対称型としたので、直線位相特性を実現することができる。これにより、所望の周波数帯域を強調した場合でも位相歪みが生じず、聴感上良質な音声をデジタル信号処理によって得ることができるようになる。
また、本実施形態によれば、ＦＩＲローパスフィルタに与えるフィルタ係数群として、所定の条件を満たす数列を与えるようにしたので、ローパスフィルタに対するフィルタ係数群の符号を一部変える程度の簡単な操作だけで、ハイパスフィルタを設計することができる。これにより、音質調整のために用いる対称型ＦＩＲフィルタ（ローパスフィルタとハイパスフィルタとの対）を極めて簡易的に設計することができる。
なお、以上では、｛−１，０，９，１６，９，０，−１｝の比率から成る数列をフィルタ係数群として利用するローパスフィルタを基本として、当該フィルタ係数群を変換することにより、ハイパスフィルタのフィルタ係数群を求める例について説明した。これとは逆に、｛１，０，−９，１６，−９，０，１｝の比率から成る数列をフィルタ係数群として利用するハイパスフィルタを基本として、当該フィルタ係数群を変換することにより、ローパスフィルタのフィルタ係数群を求めることも可能である。
次に、以上に示した対称型ＦＩＲフィルタの応用例について説明する。図１４は、本実施形態による音質調整装置の他の概略構成例を示すブロック図である。図１４に示す音質調整装置では、図１に示したローパスフィルタ１と同様のローパスフィルタ８１の後段に、ローパスフィルタ８３およびハイパスフィルタ８４を並列に縦続接続している。また、図１に示したハイパスフィルタ２と同様のハイパスフィルタ８２の後段に、ハイパスフィルタ８５およびローパスフィルタ８６を並列に縦続接続している。
ここでは、縦続接続された後段側の各フィルタ８３〜８６の周波数軸は、前段側の各フィルタ８１〜８２の周波数軸の１／２とする。この場合における各フィルタ８１〜８６の縦続接続に係る周波数−ゲイン特性を、図１５に示す。図１５においては、各フィルタ８１〜８６の周波数特性を’付き符号で示している。図１５（ａ）〜（ｄ）は、ローパスフィルタ８１とその後段のローパスフィルタ８３との縦続接続に係る周波数特性、ローパスフィルタ８１とその後段のハイパスフィルタ８４との縦続接続に係る周波数特性、ハイパスフィルタ８２とその後段のハイパスフィルタ８５との縦続接続に係る周波数特性、ハイパスフィルタ８２とその後段のローパスフィルタ８６との縦続接続に係る周波数特性をそれぞれ示している。
このような縦続接続により、図１５（ａ）〜（ｄ）のように２つの周波数特性でオーバーラップした部分が取り出される。これにより、後段側の各フィルタ８３〜８６からは、通過周波数帯域が低域側から広域側へと少しずつずれた、異なる周波数特性を持つ４チャンネルの音声信号が出力される。図１６は、この４チャンネル分の音声信号の周波数−ゲイン特性をまとめて示した図である。ここでは説明の都合上、各フィルタ８３〜８６から出力される音声信号のうち、通過周波数帯域が低い方から高いへと順に、Ｌ出力、ＭＬ出力、ＭＨ出力、Ｈ出力と称する。
図１４に示した４つの乗算器８７〜９０は、与えられるゲイン制御信号（Ｌゲイン、ＭＬゲイン、ＭＨゲイン、Ｈゲイン）に従って、各フィルタ８３〜８６からの出力信号の利得をそれぞれ制御する。加算器９１は、各乗算器８７〜９０により利得制御された音声信号を全て合算して出力する。
図１７は、上記図１４に概略的に示した音質調整装置の具体的な構成例を示すブロック図である。この図１７において、図１４に示した構成要素と同一の機能を有する構成要素には同一の符号を付している。前段側のフィルタ８１〜８２では、縦続接続された６個のＤ型フリップフロップによって入力音声信号を１クロックＣＫずつ遅延させる。そして、Ｄ型フリップフロップの入出力タップから取り出した信号に対し、５個の係数器によりそれぞれ｛−１，０，９，１６，９，０，−１｝／３２もしくは｛１，０，−９，１６，−９，０，１｝／３２の数列から成るフィルタ係数を乗算し、それらの乗算結果を全て加算して出力する。
また、後段側のフィルタ８３〜８６では、前段側の各フィルタ８１〜８２と比べて周波数軸を１／２とするために、前段側の２倍に相当する１２個のＤ型フリップフロップを縦続接続してタップ付き遅延線を構成するとともに、５個の係数器を設けるタップの間隔も前段側の２倍にする。
すなわち、後段側のフィルタ８３〜８６では、縦続接続された１２個のＤ型フリップフロップによって入力音声信号を１クロックＣＫずつ遅延させる。そして、Ｄ型フリップフロップの入出力タップから取り出した信号に対し、５個の係数器によりそれぞれ｛−１，０，９，１６，９，０，−１｝／３２もしくは｛１，０，−９，１６，−９，０，１｝／３２の数列から成るフィルタ係数を乗算し、それらの乗算結果を全て加算して出力する。
４つの乗算器８７〜９０は、与えられるゲイン制御信号（Ｌゲイン、ＭＬゲイン、ＭＨゲイン、Ｈゲイン）に従って、各フィルタ８３〜８６からの出力信号（Ｌ出力、ＭＬ出力、ＭＨ出力、Ｈ出力）の利得をそれぞれ制御する。加算器９１は、各乗算器８７〜９０により利得制御された音声信号を全て合算して出力する。上述のゲイン制御信号は、マトリックス計算部１００により求められる。
なお、後段側のフィルタ８３〜８６において、前段側のフィルタ８１〜８２と比べて周波数軸をの１／２とする方法は、図１７の例に限定されない。例えば、後段側のフィルタ８３〜８６も前段側のフィルタ８１〜８２と同様に構成し、後段側のＤ型フリップフロップに与えるクロックの周波数を、前段側の１／２とするようにしても良い。このようにすれば、Ｄ型フリップフロップの使用数を少なくして回路構成を簡略化することができるというメリットを有する。
次に、マトリックス計算部１００による計算例（音質調整装置の周波数特性制御方法）について説明する。
各チャンネルのゲイン制御信号（Ｌゲイン、ＭＬゲイン、ＭＨゲイン、Ｈゲイン）が全て１のとき、各チャンネルの周波数−ゲイン特性は、図１６のようになっている。この図１６から明らかなように、ある周波数におけるゲインは、４チャンネルのゲインのトータルとして求められる。
したがって、全体の周波数特性を制御するためには、各チャンネルの中心周波数におけるゲイン成分を演算して各チャンネルのゲイン制御信号を求める必要がある。そのために、まず、各チャンネルの中心周波数（図１６の場合、周波数の値が９，２５，４１，５７の部分）において、各チャンネルのゲイン成分を以下のように抽出する。
Ｌ出力の中心周波数（周波数値＝９）における各チャンネルのゲイン成分は、 ０．９３８ ０．０５８ ０ ０
である（左から順にＬ，ＭＬ，ＭＨ，Ｈ）。同様に、ＭＬ出力、ＭＨ出力、Ｈ出力の中心周波数における各チャンネルのゲイン成分は、それぞれ、
０．０４５ ０．７２８ ０．２１４ ０．０１３
０．０１３ ０．２１４ ０．７２８ ０．０４５
０ ０ ０．０５８ ０．９３８
である。これらを行列式として表したものが、図１８である（行列Ａとする）。
一方、音質調整装置を利用するユーザは、各チャンネルの中心周波数におけるゲインとして希望する値Ｇ１〜Ｇ４を、任意に設定する。マトリックス計算部１００は、図１８のように中心周波数のゲイン成分を表した行列Ａと、ユーザにより設定された中心周波数におけるゲイン希望値Ｇ１〜Ｇ４とを用いて、以下のような行列演算を行うことにより、各チャンネルのゲイン制御信号（Ｌゲイン、ＭＬゲイン、ＭＨゲイン、Ｈゲイン）を求める。
すなわち、図１９に示すように、行列Ａの各列の値をゲイン希望値Ｇ１〜Ｇ４に置き換えて４つの行列Ｂ１〜Ｂ４を作り、次のような行列演算を行う。
Ｌゲイン＝行列Ｂ１／行列Ａ＝０．５８５
ＭＬゲイン＝行列Ｂ２／行列Ａ＝０．８９３
ＭＨゲイン＝行列Ｂ３／行列Ａ＝１．４１９
Ｈゲイン＝行列Ｂ４／行列Ａ＝１．５１２
これらのゲイン制御信号を各乗算器８７〜９０の乗数として用いた場合、その結果得られる音声信号の周波数−ゲイン特性は、図２０のようになる。
このように、本実施形態によれば、簡単な行列演算のみで各チャンネルのゲイン制御信号を求めることができる。しかも、この行列演算の元となる行列Ａは、４チャンネルフィルタバンク固有のものであるから、あらかじめ数値データあるいはテーブル情報等として保管しておくことができる。よって、あらかじめ用意された固定値とユーザにより設定された希望値とから、極めて簡単な演算で周波数特性を制御することが可能である。
以上に説明した本実施形態による音質調整の手法は、ハードウェア構成、ＤＳＰ、ソフトウェアの何れによっても実現することが可能である。ハードウェア構成により実現する例については、以上に説明した。また、例えばソフトウェアによって実現する場合、本実施形態の音質調整装置は、実際にはコンピュータのＣＰＵあるいはＭＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどで構成され、ＲＡＭやＲＯＭに記憶されたプログラムが動作することによって実現できる。
したがって、コンピュータが上記本実施形態の機能を果たすように動作させるプログラムを例えばＣＤ−ＲＯＭのような記録媒体に記録し、コンピュータに読み込ませることによって実現できるものである。上記プログラムを記録する記録媒体としては、ＣＤ−ＲＯＭ以外に、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、光ディスク、光磁気ディスク、ＤＶＤ、不揮発性メモリカード等を用いることができる。また、上記プログラムをインターネット等のネットワークを介してコンピュータにダウンロードすることによっても実現できる。
また、コンピュータが供給されたプログラムを実行することにより上述の実施形態の機能が実現されるだけでなく、そのプログラムがコンピュータにおいて稼働しているＯＳ（オペレーティングシステム）あるいは他のアプリケーションソフト等と共同して上述の実施形態の機能が実現される場合や、供給されたプログラムの処理の全てあるいは一部がコンピュータの機能拡張ボードや機能拡張ユニットにより行われて上述の実施形態の機能が実現される場合も、かかるプログラムは本発明の実施形態に含まれる。
なお、上記実施形態では、ローパスフィルタに対するフィルタ係数群として｛−１，０，９，１６，９，０，−１｝の比率から成る数列を用い、ハイパスフィルタに対するフィルタ係数群として｛１，０，−９，１６，−９，０，１｝の比率から成る数列を用いたが、上記実施形態で説明した条件を満たす数列であれば、これ以外の数列をフィルタ係数群として用いても良い。
また、上記実施形態では、図１に２チャンネルフィルタバンクの例を示し、図１４に４チャンネルフィルタバンクの例を示したが、ローパスフィルタとハイパスフィルタとの組をｎ段縦続接続することにより、２^ｎチャンネルフィルタバンクを構成することが可能である。
また、縦続接続のし方も、図１４のような形態に限らない。すなわち、ローパスフィルタおよびハイパスフィルタの少なくとも一方の後段に、ローパスフィルタおよびハイパスフィルタの少なくとも一方を縦続接続するものであれば、本発明に含まれる。
また、上記実施形態では、ローパスフィルタとハイパスフィルタの周波数特性が、図５のように上下左右に完全に対称なものを用いたが、これに限定されるものではない。すなわち、周波数特性が相補関係にあり、各フィルタのゲインのトータルが全周波数において基準値となるものであれば、そのようなフィルタ係数群を用いても良い。そのようなフィルタ係数群は、基本となるフィルタ係数群の数列の中央値以外については絶対値をそのままにして符号反転するとともに、数列の中央値については基準値から中央値を減算することによって求められる。なお、対称型の場合は、この方法と上記実施形態の方法のどちらでフィルタを設計しても、得られるフィルタ係数は全く同じとなる。
その他、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその精神、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
以上説明したように本発明によれば、所望の周波数帯域を強調した場合でも位相歪みが生じず、聴感上良質な音声をデジタル信号処理によって得ることができるようになるとともに、そのような音質調整のために用いるフィルタ回路を簡易的に設計することができる。
産業上の利用可能性
本発明は、所望の周波数帯域を強調した場合でも位相歪みが生じず、聴感上良質な音声をデジタル信号処理によって得ることができるようにするとともに、そのような音質調整のために用いるフィルタ回路を簡易的に設計できるようにするのに有用である。
【図面の簡単な説明】
図１は、本実施形態による音質調整装置の概略的な構成例を示すブロック図である。
図２は、ＦＩＲ型フィルタの基本的な構成例を示す図である。
図３は、本実施形態で用いるフィルタ係数群の説明図である。
図４は、図３に示したフィルタ係数群の周波数−ゲイン特性を示す図である。
図５は、図３の▲４▼に示す数列およびこれを一部符号変換した数列の周波数−ゲイン特性を示す図である。
図６は、３タップＦＩＲフィルタの構成を示すブロック図である。
図７は、３タップＦＩＲフィルタの周波数特性を示す図である。
図８は、５タップＦＩＲフィルタの構成を示すブロック図である。
図９は、５タップＦＩＲフィルタの周波数特性を示す図である。
図１０は、７タップＦＩＲフィルタの構成を示すブロック図である。
図１１は、７タップＦＩＲフィルタの周波数特性を示す図である。
図１２は、７タップＦＩＲフィルタの構成を示すブロック図である。
図１３は、７タップＦＩＲフィルタの周波数特性を示す図である。
図１４は、本実施形態による音質調整装置の他の構成例を示すブロック図である。
図１５は、各フィルタの縦続接続に係る周波数特性を示す図である。
図１６は、４チャンネルフィルタバンクの周波数−ゲイン特性を示す図である。
図１７は、図１４に示した音質調整装置の具体的な構成例を示すブロック図である。
図１８は、各チャンネルの中心周波数のデータから成る行列を示す図である。
図１９は、ゲイン制御信号を求める演算に用いる行列を示す図である。
図２０は、４チャンネルフィルタバンクを用いた音質調整装置による周波数制御の結果を示す周波数−ゲイン特性図である。
図２１は、本実施形態で用いるデジタル基本関数の意味を説明するための図である。

Claims (4)

1. 入力音声信号を複数のデジタルフィルタに通し、上記複数のデジタルフィルタの出力信号の利得をそれぞれ制御し、利得制御された音声信号を合算して出力するようになされた音質調整装置であって、
   複数の遅延器から成るタップ付き遅延線の各タップの信号を、与えられる第１のフィルタ係数群によりそれぞれ数倍した後、加算して出力する第１のフィルタと、
   複数の遅延器から成るタップ付き遅延線の各タップの信号を、与えられる第２のフィルタ係数群によりそれぞれ数倍した後、加算して出力する第２のフィルタとを備え、
   上記第１のフィルタ係数群は、その数列が対称型であり、上記数列の合計値が非ゼロで、上記数列の１つ飛びの合計値が同符号で互いに等しくなるように値を設定したものであり、
   上記第２のフィルタ係数群は、上記第１のフィルタ係数群の数列の絶対値をそのままにして上記数列の中央値以外を符号変換したものであり、その数列が対称型であり、上記数列の合計値がゼロで、上記数列の１つ飛びの合計値が逆符号で互いに等しくなるように値が設定されたものであることを特徴とする音質調整装置。
2. 入力音声信号を複数のデジタルフィルタに通し、上記複数のデジタルフィルタの出力信号の利得をそれぞれ制御し、利得制御された音声信号を合算して出力するようになされた音質調整装置であって、
   複数の遅延器から成るタップ付き遅延線の各タップの信号を、与えられる第１のフィルタ係数群によりそれぞれ数倍した後、加算して出力する第１のフィルタと、
   複数の遅延器から成るタップ付き遅延線の各タップの信号を、与えられる第２のフィルタ係数群によりそれぞれ数倍した後、加算して出力する第２のフィルタとを備え、
   上記第１のフィルタ係数群は、その数列が対称型であり、上記数列の合計値が非ゼロで、上記数列の１つ飛びの合計値が同符号で互いに等しくなるように値を設定したものであり、
   上記第２のフィルタ係数群は、上記第１のフィルタ係数群の数列の中央値以外については絶対値をそのままにして符号反転するとともに、上記数列の中央値については上記数列の全てのフィルタ係数値を加算した値である基準値から上記中央値を減算したものであり、その数列が対称型であり、上記数列の合計値がゼロで、上記数列の１つ飛びの合計値が逆符号で互いに等しくなるように値が設定されたものであることを特徴とする音質調整装置。
3. 複数の遅延器から成るタップ付き遅延線の各タップの信号を、与えられる第１のフィルタ係数群によりそれぞれ数倍した後、加算して出力する第１のフィルタと、
   複数の遅延器から成るタップ付き遅延線の各タップの信号を、与えられる第２のフィルタ係数群によりそれぞれ数倍した後、加算して出力する第２のフィルタとを備え、
   上記第１のフィルタ係数群は、その数列が対称型であり、上記数列の合計値が非ゼロで、上記数列の１つ飛びの合計値が同符号で互いに等しくなるように値を設定したものであり、
   上記第２のフィルタ係数群は、上記第１のフィルタ係数群の数列の絶対値をそのままにして上記数列の中央値以外を符号変換したものであり、その数列が対称型であり、上記数列の合計値がゼロで、上記数列の１つ飛びの合計値が逆符号で互いに等しくなるように値が設定されたものであることを特徴とするフィルタ装置。
4. 複数の遅延器から成るタップ付き遅延線の各タップの信号を、与えられる第１のフィルタ係数群によりそれぞれ数倍した後、加算して出力する第１のフィルタと、
   複数の遅延器から成るタップ付き遅延線の各タップの信号を、与えられる第２のフィルタ係数群によりそれぞれ数倍した後、加算して出力する第２のフィルタとを備え、
   上記第１のフィルタ係数群は、その数列が対称型であり、上記数列の合計値が非ゼロで、上記数列の１つ飛びの合計値が同符号で互いに等しくなるように値を設定したものであり、
   上記第２のフィルタ係数群は、上記第１のフィルタ係数群の数列の中央値以外については絶対値をそのままにして符号反転するとともに、上記数列の中央値については上記数列の全てのフィルタ係数値を加算した値である基準値から上記中央値を減算したものであり、その数列が対称型であり、上記数列の合計値がゼロで、上記数列の１つ飛びの合計値が逆符号で互いに等しくなるように値が設定されたものであることを特徴とするフィルタ装置。

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