JP4360747B2 - オーディオ信号内の調波発生装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項1の序文の特徴によるオーディオ信号内の調波発生装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
前記のような方法および回路装置は、たとえばテレビ受像器、無線受信器またはステレオ装置のような音響再生用機器の中で、スピーカの周波数応答を補償するために、音響再生を改善するために、ならびに機器もしくは装置の過剰制御を阻止するために使用される。
【0003】
音響再生機器の中で最も重要な構成要素は、スピーカの音圧がデケードあたり約40dbを有する構造に制約されたカットオフ周波数以下に低下するスピーカであり、これは2次のフィルタの伝達関数に相当する。低音反射および伝送回線スピーカは、それに対しより高次のフィルタに相当する伝達関数を有する。下限のカットオフ周波数は、典型的に約50Hz〜200Hzの間にある。スピーカのカットオフ周波数が低くなればなるほど、その製造コストはますます高くなる。たとえばテレビ受像器または携帯可能の無線受信器のような廉価な機器は、そのためより単純なスピーカを装備していて、その下限のカットオフ周波数は比較的高くなる。下限の周波数領域内での音響再生を改善するために、カットオフ周波数は低周波数の前増幅によって下方へ移動されるが、これは出力増幅器とスピーカの過剰制御を引き起こす可能性がある。過剰制御と場合によりそれに制約された出力増幅器またはスピーカの破壊を阻止するために、低音増幅器の出力信号は、大きい出力信号で低周波数の増幅が低減されるようにフィードバックされる。こののような方法は、米国特許公報第5,305,388号から既に知られている。
【0004】
米国特許公報第5,359,665号に回路配列が記載されていて、該配列の中でオーディオ信号が直接第1パスを介して加算器の第1入力に供給され、それに対し該オーディオ信号は同時に低域フィルタと可変増幅式の増幅器とを介した第2パスを介して加算器の第2入力に供給される。増幅器の出力は、信号レベル検出器を介して該検出器の制御入力にフィードバックされる。この措置によって、出力増幅器の過剰制御が低減される。
【0005】
音響心理学から、人間はある音の基本音高を、基本周波数がスペクトルの中に全く存在せず、基本周波数の高調波だけが存在する場合でもまだ明確に決定できることが知られている。この音響心理学的効果は、基本周波数の高調波が発生され、スピーカの基本周波数が前記基本周波数の上方にある該スピーカに供給されることに利用される。それによって、聴取者は、基本周波数をスピーカが全く放射していないにもかかわらず、この低基本周波数を聞いていると信ずる。聴取者は、たとえばスピーカがたしかにこの低音を全く伝送せず、単に250Hzの音と300Hzの音を伝送する場合、50Hzの音を聞いていると思い込む。この50Hzの差は、主観的に聴取者によって知覚される。
【0006】
前記効果は、品質的に、たとえば120Hzの高い下限のカットオフ周波数を有する単純なスピーカがより低い音、たとえば60Hzの信号を伝送すべき場合に利用される。その場合、該調波が60Hz信号から発生され、その差が相互に60Hzになる。聴取者は、その場合に実際にこの音がスピーカから全く放射されていないにもかかわらず、60Hzの音を聞いていると思い込む。
【0007】
調波を発生させるには、一方でオーディオ複合信号の中の基本周波数を決定および抽出しならびにこの基本周波数の調波を発生するために、電子回路が必要になる。
【0008】
米国特許第5,668,885号および米国特許第5,771,296号は、高調波すなわち整流器配列による絶対値の形成による調波発生を記述している。
【0009】
米国特許第4,150,253号および米国特許第4,700,390号は、クリッピングによる高調波の発生、すなわち一定値を超えるオーディオ信号の基本周波数の振幅のクリッピングを記述している。
【0010】
前記の全文書では、調波が発生されるべき信号を選択するための一定のカットオフ周波数を有するフィルタが使用される。
【0011】
その場合の決定は次に挙げるものである。選択された周波数領域の中に1つ以上の信号があり、かつ該信号が1つの周波数スペクトルから構成される実際のオーディオ信号である場合、存在する信号の調波のみが発生されるだけでなく、常に全ての存在する信号周波数の合計とその倍数とから成る望ましくない周波数を有する調波も発生される。これは、スピーカから最後に放射された音を非常に汚く響かせる。
【0012】
ここに本発明が投入される。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ある聴取者において、比較的高い下限のカットオフ周波数を有するスピーカから放射されるオーディオ信号を聞く際に改善された聴取印象を発生する回路配列を提示することである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
この課題は、請求項1または請求項2の特徴を有する回路配列によって解決される。
【0015】
好ましくは、両方の回路配列が相互に組合せて使用される。
【0016】
第1の解決策は、本発明によって調波が発生されるべき信号周波数を可変フィルタ、特に帯域通過フィルタによって可能な限り正確に制限することである。
【0017】
第2の解決策は、先行技術の場合よりも本質的に少ない望ましくない周波数を生産する方法によって調波を発生することである。これは、入力信号のn乗の使用によって達成される。それによって、(n−1)乗の調波を発生させることができる。nは、本発明によって2より大きく又は等しく選択される。n=2の場合、つまり入力信号の基本周波数の2乗の場合、第1調波が発生される。その場合、基本周波数によって、オーディオ信号の中に含まれる、たとえば120Hz以下の周波数領域内の支配的な周波数が表される。調波を累乗によって発生することは公知のクリッピングまたは整流に比べて本質的に“より鮮明”である。本発明により、信号は累乗の後または前に振幅修正される。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明は実施の形態を利用してブロック回路図との関連でより詳しく説明する。
【0019】
第1図に、オーディオ入力信号siが加算段ADの入力端子に供給される回路配列が示されている。加算段ADの出力端は、たとえばスピーカまたは該スピーカに前置した増幅器に接続されている。信号siは、フィルタ装置、ここでは低域フィルタTPまたは帯域フィルタを介しても、調波をフィルタ処理した信号から発生する非線形回路装置NL1に供給される。フィルタ配列は、信号siの中の支配的な基本周波数の正確な決定に利用される。装置NL1はそこから調波を発生し、該調波を加算段ADの第2入力端子に供給する。フィルタTPのカットオフ周波数fcが調整可能であることが重要である。
【0020】
第2図に、第1図に対して多少より詳しい回路図が示されている。このフィルタは、全体として第1低域フィルタTP1、後置された第2低域フィルタTP2および後置された高域フィルタHP1の直列回路から成る。各入力の信号は、s1、s2およびs3で表している。高域フィルタHP1の出力端に、装置NL1に供給される信号s4が印加される。出力側では装置NL1が帯域フィルタBP2に接続されていて、これに信号s5が供給される。帯域フィルタの出力端の信号はs6と呼ばれ、必要がある場合は係数g分増幅して加算段ADに印加される。
【0021】
低域フィルタTP1は、一定の、たとえば200Hzのカットオフ周波数を有する。低域フィルタTP2は可変カットオフ周波数fcを有する。高域フィルタHP1は、たとえば一定の50Hzまたはk*fcのカットオフ周波数を有し、式中k<1が選択されている。帯域フィルタBP2は、たとえばfcに比例する中間周波数を有する。
【0022】
低域フィルタTP2のカットオフ周波数fcは、たとえば、信号s2およびs3を比較のために供給するコンパレータKOが、低域フィルタTP2のカットオフ周波数を決定する制御信号を提供することによって調整可能である。
【0023】
第2図の回路配列の機能は次のようになる。低域フィルタTP1の中で、低周波数の前選択が行われる。低域フィルタTP2の中でもう1つのフィルタ処理が行われる。カットオフ周波数fcは、その場合、次式が当てはまるように調整される。
【0024】
s3=q*s2 式中0<q<1 (備考:“*”は掛け算を表す。)
【0025】
s3およびs2で、上式における信号s3およびs2の信号振幅またはその信号エネルギーを表してもよい。
【0026】
つまり、カットオフ周波数fcは、低域フィルタTP2の出力端で信号s2の一定の成分qが印加されるように調整される。それによって、信号si=s1の最低周波数成分のみを通過させることができる。その他の妨害する信号周波数が除去される。
【0027】
カットオフ周波数fcの決定は、たとえば次の調整アルゴリズムによって行うことができる。
【0028】
fc=fc+df s3<q*s2の場合
fc=fc−df s3>q*s2の場合
(式中、dfは調整のコンバージェンス速度を決定し、好ましくは1Hz以下または等しく選択される)。
【0029】
つまり換言すれば、オーディオ信号si=s1の低周波数領域は、たとえば1Hzステップで照会され、その際、どの周波数で信号が最大の振幅またはエネルギーを有するかが決定される。その場合、この周波数が求められていた基本周波数であり、そのために調波が非線形装置NL1の中で発生される。
【0030】
信号s3は、高域フィルタHP1の中で減衰され、カットオフ周波数は一定にまたはfcの関数として選択してもよい。信号s5の中の望ましくない周波数は、帯域フィルタBP2によって除去される。好ましくは、その場合に帯域フィルタBP1の中間周波数がカットオフ周波数fcに依存しても変化される。
【0031】
たとえば装置NL1によって主に第1調波を有する信号が発生される場合、すなわち基本波の信号周波数が2倍になる場合、中間周波数はfbp=2*fcを選択してもよい。
【0032】
帯域フィルタBP2の出力端の信号s6は、好ましくは係数gで増幅されて加算段Adの中の信号siに加算される。
【0033】
第3図に、加算段ADに直接供給されない信号分枝の中でフィルタ配列、たとえば低域フィルタTPと後置された高域フィルタHPとを有する帯域フィルタBP1が配置されている回路配列を示している。フィルタ配列BP1の出力端には、任意の方式で算出された基本周波数を表す信号s4が供給される。好ましくはフィルタ配列BP1は第1図および第2図との関連で紹介したものである。
【0034】
信号s4は、非線形装置PXの中で2乗され、それによって第1調波が発生される。その際に生じる信号s5がもう1つのフィルタ、ここでは帯域フィルタBP2に達する。最後に信号s6が帯域フィルタBP2の出力端に直接または係数gを乗じられて加算段ADに供給される。2乗の代わりに、3または4またはより高い整数によって信号の累乗を行ってもよい。
【0035】
第4図および第5図には、そこで信号の規格化が累乗の後(第4図)もしくはその前(第5図)に考慮されているため、第3図に対して改善された回路配列を示している。
【0036】
第4図では、そのために信号s2が付加的にRMS検出器RMSに供給されている。これは割算段1/RMSに接続され、該割算段が装置PXの出力端に接続されていて、その出力信号s3が値RMSによって割られる。割算段1/RMSはリミッタLIMによって行われていて、該リミッタは出力側で帯域フィルタBP2に接続されている。
【0037】
検出器RMSによって計算される信号のRMS値による規格化によって、信号s3が再び次式によって該信号の元の振幅を得る。
【0038】
s4=(s2∧2)/RMS(s2)
(備考:”∧”はべき算を表す。)
【0039】
検出器RMSは、たとえば0.2秒の時定数τを有する。s3の振幅は事情によってより高い時定数を有するRMS値より非常に速く立上るため、信号s4の中に非常に高い値を発生する可能性がある。従って、信号s4の値は、リミッタLIMの中で許容値に制限される。発生した調波は、再度中間周波数fbp2を有する帯域フィルタBP2の中で制限されて、次いで加算段ADの中でオーディオ信号siにミキシングされる。
【0040】
上記において、装置PXが信号s2を2乗し、つまり第1次の調波を発生することを前提とした。この選択において、第2帯域フィルタBP2の中間周波数fbp2が2回第1帯域フィルタの中間周波数fbp1のために選択する必要がある。
【0041】
しかし同様に、装置PXがそのために好適に形成されている場合、より高次の調波を発生させることもできる。係数3の累乗の場合、周波数が3倍にされたため、fbp2=fbp1*3を選択する必要がある。
【0042】
本発明の枠内には、複数の上記の回路が、複数の調波、たとえば第1および第2の調波を同時に発生させるために、平行に接続されることも含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図1】下限の基本周波数の制限用の装置を有する本発明による第1回路配列のブロック回路図。
【図2】第1図のより詳細なブロック回路図。
【図3】基本周波数信号の累乗用の装置を有する本発明による第2回路配列のブロック回路図。
【図4】第3図のより詳細なブロック回路図。
【図5】第4図の回路のための回路詳細変形図。
Claims (3)
- オーディオ入力信号s1を受けて、オーディオ入力信号s1内の低域周波数信号s2中の支配的な基本周波数を決定し、その決定に基づいてフィルタリングされたオーディオ信号s4を供給するフィルタ装置と、
前記フィルタリングされたオーディオ信号s4を受けて、前記支配的な基本周波数の調波を生成し、非線形回路信号を調波信号s5として供給する非線形回路装置と、
前記非線形回路信号s5を受けて、それをフィルタリングし帯域フィルタ信号s6を供給する帯域フィルタBP2と、
前記オーディオ入力信号s1と前記帯域フィルタ信号s6を加算して前記調波を含むオーディオ信号を供給する加算段とを備え、
前記フィルタ装置は、
前記オーディオ入力信号s1を受けて、第1のフィルタリングされた信号s2を供給する第1低域フィルタTP1と、
前記第1のフィルタリングされた信号s2を受けて、制御信号により設定されたカットオフ周波数fcにより前記第1のフィルタリングされた信号s2をさらにフィルタリングして、第2のフィルタリングされた信号s3を供給するカットオフ周波数fcが調整可能な第2低域フィルタTP2と、
ただし、カットオフ周波数fcは、s3=q×s2、0<q<1、が当てはまるように調整されるものであって、ここでのs2およびs3は、前記信号s2および前記信号s3の信号振幅またはその信号エネルギーであり、
前記第2のフィルタリングされた信号s3を受けて、さらにフィルタリングされた信号s4を供給する一定またはk×fcのカットオフ周波数を有する高域フィルタHP1、ただし、k<1、とを有し、
前記第1のフィルタリングされた信号s2と前記第2のフィルタリングされた信号s3とを受け取って前記制御信号を決定する回路を備えた、オーディオ信号内の調波発生装置。 - 前記非線形回路装置は、入力されたオーディオ信号s4を2またはそれより大きい整数分累乗するものである、請求項1記載のオーディオ信号内の調波発生装置。
- 前記制御信号を決定する回路が、前記第1のフィルタリングされた信号s2と前記第2のフィルタリングされた信号s3を比較するコンパレータを備えた、請求項1または2記載のオーディオ信号内の調波発生装置。
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