JP4360747B2 - オーディオ信号内の調波発生装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【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)

1. 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。
2. 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。
3. 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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