JP4421291B2

JP4421291B2 - オーディオ信号を処理するためのフィルタ回路及び方法

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Publication number: JP4421291B2
Application number: JP2003514695A
Authority: JP
Inventors: ボルフガング、ノイマン; ヘルマン、ギーア
Original assignee: SPL Electronics GmbH
Current assignee: SPL Electronics GmbH
Priority date: 2001-07-18
Filing date: 2002-07-10
Publication date: 2010-02-24
Anticipated expiration: 2022-07-10
Also published as: DE50210983D1; EP1407544A2; CN1265550C; US20040179700A1; DE10134927C1; WO2003009469A3; ATE374448T1; AU2002354996A1; WO2003009469A2; JP2004535605A; EP1407544B1; CN1533633A; US7352872B2

Description

本発明は、オーディオ信号を処理するための、オーディオ信号を、約１０Hzから５０kHzまでの通常の全伝送帯域幅に亘って、改善されたより快適なトーンが得られるようなやり方にて処理するのに適するフィルタ回路及び方法に係る。このタイプのフィルタ回路は等化器（equilizers）としても知られており、アナログ回路の形式にて、例えば、音楽を増幅及び／或いは録音するためのオーディオミキシングデスク（audio mixing desks）内や、家電、情報技術、及び電気通信用の機器内で用いられている。

今日知られているフィルタは、通常は、オーディオ伝送帯域幅内のある選択可能な周波数レンジに合わせてスケーリング（最適化）される。複数のこれらフィルタを縦続に接続することで、そのオーディオ周波数スペクトル全域をカバーし、オーディオ信号を望ましいトーン効果（tonal effect）、とりわけ、快適なトーンアクション（tonal action）が得られるようなやり方にて処理する等化器が形成される。個々のフィルタは、帯域幅、周波数、利得（ブースト）或いは抑圧（カット）等に対するコントロール（controls）或いは調節オプション(adjustment options)を含み、これらコントロール或いは調節オプションは関連するフィルタの対応するパラメータに影響を及ぼす。ただし、等化器内のこれらフィルタは互いに独立している。つまり、ある１つのフィルタの調節が、他のフィルタの調節に影響を及ぼすことはない。

様々なタイプのフィルタ及びこれらを実現するためのオプションが知られている。原理的には、フィルタの機能は、ある信号の特定の周波数成分或いはレンジを減衰し、或いはこれらを優先的に伝送することにある。フィルタは、そのフィルタ内で処理される信号のタイプに従ってアナログフィルタ或いはデジタルフィルタとして、更に、その回路の実現の観点からリアクタンスフィルタ、アクティブフィルタ或いはモノリシックフィルタとして、更に、その周波数区間の周波数レンジの観点から、例えば、低域通過フィルタ、高域通過フィルタ、帯域通過フィルタ、オールパスフィルタ或いは帯域除去フィルタとして、更に、伝達関数及びパルス応答の観点から、再帰的フィルタ或いは非再帰的フィルタ、或いは、とりわけ、トランスバーサルフィルタ或いはFIRフィルタとして、分類される。フィルタ技術のこれら原理については、例えば、Prof. Manfred Seifert: Analoge Schaltungen, Verlag Technik GmbH 1994において説明されているため、これを参照されたい。フィルタ回路の設計に対する更なる背景については、例えば、Arthur B. Williams, Fred J. Taylor: Electronic Filter Design Handbook, McGraw-Hill Book Company, 1988; E. Zwicker, M. Zollner: Elektroakustik, [Electro-acoustics], Springer, Verlag, 1987; U. Titzer, Ch. Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik [Semiconductor Circuitry], Springer Verlag, 1999等を参照されたい。

アナログ或いはデジタル信号を処理するためのフィルタ回路は、従来の技術において、トーン、例えば音声或いは音楽を再生するための拡声器が用いられている箇所では必ず用いられている。フィルタ回路は、通常は、出力段と、増幅器と、トーントランジューサと、この下流に接続された拡声器とを有する。従来の技術によるフィルタ回路、及び本発明によるフィルタ回路は通常は、家電機器、例えば、ラジオ、無線受信機、衛星受信機、テレビジョン受信機、プレーステーション（Playstations）等や、IT技術、例えば、コンピュータに対するサウンドカードや、電気通信技術、例えば、移動電話や電話端末に用いられる。ただし、フィルタ回路は、更に、オーディオミキシングデスク等にも用いられている。

本発明の目的は、約10Hzから50kHzまでのオーディオ信号の伝送に対して通常用いられる全周波数レンジにおいて入力信号を処理することができ、かつ、入力オーディオ信号を耳にここち良い効果（pleasant aural impression）が得られるようなやり方にて処理及び等化することができる、オーディオ信号を処理するための新規なフィルタ回路及び方法を提供することにある。

この目的が請求項1に記載の特徴を有するフィルタ回路及び請求項1１に記載の特徴を有する方法によって達成される。

本発明は、互いに論理的に結合された複数の別個のフィルタから構成されるオーディオ信号を処理するためのフィルタ回路及び方法を提供する。複数の異なるフィルタ段が直列に接続され、オーディオ信号はこれら複数の直列に接続されたフィルタ段の第一のフィルタ段に入力され、これら直列回路を介してこのフィルタ回路の出力へと送られる。同時に、このオーディオ信号は、直接に、つまり、第一、第二、等のフィルタ段を迂回して、後続のフィルタ段に追加の入力信号として入力され、本質的に処理されることなく、出力へと送られる。出力の所で、この本質的に処理されなかったオーディオ信号、及び複数の直列に接続されたフィルタ段からの出力信号が総和（混合）される。個々のフィルタ段は、それらが互いに影響を及ぼし合うしようなやり方にて互いに論理的に結合される。つまり、これは、ある１つのフィルタ段を変更すると、後続フィルタ段の応答もその影響を受けるようなやり方にて互いに接続される。個々のフィルタ段を本発明のように論理的に結合することで、選択されたフィルタ段の個々のパラメータを調節することで、これらフィルタ段間の相互作用を通じて、オーディオ信号に所望の音響効果（aural impression）が得られるように影響を及ぼす（処理する）ことが可能となる。その後、処理されたオーディオ信号と本質的に処理されなかったオーディオ信号とが総和段（summing stage）内で論理的に結合され、この結果として調節可能な等化曲線（adjustable equalization curve）が得られ、これを用いることで、必要な比にて、ある特定の周波数レンジは強調或いは上げ、同時に、他の周波数レンジは下げることが可能となる。個々のフィルタ段を相互作用によって、純粋な周波数/振幅処理が可能となるばかりか、オーディオ信号の振幅に基づく位相シフトも可能となる。本発明によるフィルタ回路は、好ましくは、10Hzから50kHz、より好ましくは、20Hzから22kHzの周波数レンジ内で動作される。

驚いたことに、本発明によるフィルタ段の論理的結合、とりわけ、フィルタ段間同士の相互作用の結果として、出力信号を音響トランジューサに送った際に得られる、等化及び音響効果が非常に改善されることが発見された。本発明によるフィルタ回路においては、この快適な音響効果（pleasant aural impression）は、とりわけ、トーンの低音部スタガリング（bass staggering）の改善、各機能（instrumentation）の分離の増強、トーンの鮮明度及び透明度の改善、及びラウドネス（loudness）の主観的増加によって達成される。

本発明によるフィルタ回路は、アナログ回路によっても、プログラムされたデジタルアルゴリズムによっても実現することもでき、このため、このフィルタは、ソフトウェアとしても、ファームウェアとしても、或いはハードウェアとしても実現することができる。

原理的には、本発明は、オーディオ信号を２つの経路に分割する。第一の経路は、オーディオ信号を参照信号として、本質的に処理されない形式にて、つまり、１：１なる比にて、出力総和段（output summing stage）の非反転入力に送るために用いられる。第二の経路は、一つの好ましい実施例においては、最初に、可変増幅器段（regulatable amplifier stage）を通る。この可変増幅器段の出力信号は、後続の全フィルタ段に対する主振幅コントロールとして用いられる。この可変増幅器段からの出力信号は、複数の支流（subsidiary paths）に供給され、これら支流の各入力は、オーディオ信号に重みを付与するための抵抗を有し、これによってオーディオ信号を様々なフィルタ段に分配する。
オプションとして、第一の経路内に総和段に向かう参照信号を遮断するためのスイッチング機能或いはスイッチを設けることもできる。この場合は、第二の経路を介して送られるオーディオ信号のみがフィルタ回路の出力の所に現れることとなり、この信号が、その後、元のオーディオ信号すなわち参照信号と、別のポイントにおいて、例えば、オーディオミキシングデスク内で、補助路を用いて混合される。

第二の経路内の直列に接続されたフィルタ段は、一つの好ましい実施例においては、制御フィルタと、変形帯域通過フィルタ（modified bandpass filter）と、変形ユニバーサルフィルタ（modified universal filter）とを備え、これらがこの順番にて直列に接続される。制御フィルタは、アクティブ領域アジャスタ（active area adjuster）の形態にて実現される。領域アジャスタは、基本的には低音部（bass）及び高音部（treble）を調節するフィルタであり、低音部及び高音部に対して、周波数は固定され、低音部及び高音部に対して、振幅については可変とされる。本発明によると、制御フィルタは、比較的高い周波数レンジに対しては、周波数及び振幅は固定されるが、比較的低い周波数レンジに対しては、周波数は固定されるが、振幅は可変とされるような形態にて実現され、この可変振幅はコントロール（control）を用いて調節される。

制御フィルタからの出力信号は、変形帯域通過フィルタに供給されるが、この帯域通過フィルタは、もう一つの入力信号として、もう一つの重み付けされた支流を介して本質的に処理されてない信号を受け取る。この変形帯域通過フィルタは、オーディオ信号の低い周波数レンジを強調し、これは、所望の周波数、例えば50Hzにおいてその最大に達するアースに接続された周波数依存抵抗のように機能する。

制御フィルタと変形帯域通過フィルタから成る直列回路からの出力信号は、変形ユニバーサルフィルタの制御入力に加えられる。この制御フィルタ内に設けられたコントロールと、制御フィルタ及び変形帯域通過フィルタの機能の総和（summation）によって変形ユニバーサルフィルタの入力の所の低音部領域（bass range）の周波数及び位相が調節される。こうして、これら２つのフィルタは、一体となって、これらフィルタの一方のみが用いられた場合やこれらフィルタが互いに切り離されている場合とは異なる動作を、互いの相互作用を通じて提供する。

変形ユニバーサルフィルタは、２つの信号路を介して調節される。（第一の作動路、すなわち、）制御フィルタ及び帯域通過フィルタからの総和出力信号は、低域通過フィルタとして動作する第一のインテグレータ段（integrator stage）の非反転入力を、分圧器（voltage divider）を介して作動する。この低域通過フィルタの下流には、帯域通過フィルタと高域通過フィルタが接続され、これら低域通過フィルタ、帯域通過フィルタ及び高域通過フィルタは、後により詳細に説明するように、全体として第一と第二のインテグレータ段が構成されるように結合される。

第二の作動路（actuation path）は、本質的に処理されていないオーディオ信号を運ぶもう一つの支流を介してもう一つの増幅器段の非反転入力を作動する。この増幅器段の出力は、ノードを介して変形ユニバーサルフィルタ内の高域通過フィルタ段の非反転入力に接続されるが、このノードにはコントロールも接続される。このノードは、さらにコントロールを介して、ユニバーサルフィルタの出力に接続され、この出力は、出力総和段の反転入力に接続される。

上述の第一のコントロールは、ユニバーサルフィルタの帯域幅を調節するために用いられ、この帯域幅によって、中間/高音部を下げたり上げたりするための周波数レンジが決定される。上述の第二のコントロールは、ユニバーサルフィルタから総和段に向かう出力信号を段階的に上げる（ramp up）ために用いられる。このコントロールは、プロセスコントロール（process control）とも呼ばれる。

本発明のもう一つの実施例によると、もう一つの支流は本質的に処理されなかったオーディオ信号を受け取る高音部・高調波フィルタ（treble and harmonic filter）を含み、この出力は、出力総和段の非反転入力に接続される。

本発明による、フィルタ段に対するオーディオ信号の分配と、出力総和段の反転および非反転入力に対するフィルタ出力信号および参照信号のオーディオ信号の分配により、加算器（adder）の出力の所でのオーディオ信号の周波数と位相の相互作用が達成される。この相互作用は、コントロール及び／或いはスイッチ、並びに個々のフィルタ段内のアジャスタ（adjusters）によって追加的に拡張することができるが、これらによって、本発明によるフィルタ回路の周波数等化（frequency equalization）、或いはトーンフィルタ曲線（tone filter curves）が決定される。

従来の技術による類似の回路或いは等化器においても直列或いは並列に接続された複数のフィルタ段が用いられるが、これらは本質的に互いに影響し合うことは意図されていない。これとは対照的に、本発明者らは、所望の等化及びトーンの改善を達成するために個々のフィルタ段間の相互作用が意図的に用いられる新規のタイプのフィルタを発明した。このフィルタは、アナログフィルタ回路として説明されるが、同様のやり方にて、コンピュータプログラムによるデジタルフィルタとして実現することもできる。

以下では本発明を一つの好ましい実施例を用いて図面を参照しながらより詳細に説明する。

図１は本発明によるフィルタ回路の一つの好ましい実施例の概略的なブロック図を示している。

図１において、オーディオ入力信号はinにて表され、オーディオ出力信号はoutにて表される。オーディオ入力信号inは２つの経路２０、２２に分割され、第一の経路２０は参照路（reference path）とも呼ばれ、第二の経路２２はフィルタ路（filter path）とも呼ばれる。参照路２０は、オーディオ入力信号inを処理せずに総和段（summing stage）１２の非反転入力に供給する1:1ドライバ段（1:1 driver stage）１３を有する。

フィルタ路２２の入力には、可変増幅器段（regulatable amplifier stage）１が接続される。可変増幅器段１は、後続フィルタ段に対してオーディオ入力信号inに対する振幅制御を遂行するが、ただし、オーディオ入力信号inをそれ以上は処理しない。この可変増幅器段１からの出力信号は複数の支流（subsidiary path）（図に示される実施例においては５つの支流Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ）に複数の並列に接続された抵抗2-A、2-B、2-C、2-D、2-Eを介して分割され、これら抵抗はこれら支流の比を調節するために用いられる。図１の“抵抗（resistor）”2-Dの場合のように、これら抵抗は、個々の支流間の所望の比が達成できる限り、必ずしもこれら全ての支流内に設けることは必要とされない。本発明がソフトウェアにて実現される場合は、この増幅器段は乗算（multiplication）によって実現され、これら抵抗（resistors）は適当な重み関数（weighting functions）によって実現される。

参照路２０はオプションとして（図示せず）この経路を遮る（interrupt）ためのスイッチ或いはスイッチング機能を含むこともできる。これは、処理及び増幅されなかったオーディオ信号は総和段１２には到達しないことを意味する。この場合は、フィルタリングされた信号のみがこのフィルタ回路の出力の所に現れ、参照信号はこのフィルタリングされた信号と別のポイント、例えば、オーディオミキシングデスク（audio mixing desk）内でAux send/return路を用いて混合される。

第一の支流Ａにおいては、制御フィルタ３、変形帯域通過フィルタ（modified bandpass filter）６及び変形ユニバーサルフィルタ（modified universal filter）７が、この順番にて直列に接続され、変形ユニバーサルフィルタ７からの出力信号は総和段１２の反転入力に供給される。第二の支流Ｂは、オプションとしての高音部・高調波フィルタ（treble and harmonic filter）４を含み、この出力信号は総和段１２の非反転入力に供給される。高音部・高調波フィルタ４に対する入力信号は制御フィルタ３にも供給される。第三の支流Ｃは、本質的に処理されてないオーディオ信号を、制御フィルタ３からの出力信号と共に、帯域通過フィルタ６の入力に送る。第四の支流Ｄは、本質的に処理されてないオーディオ信号をユニバーサルフィルタ７に直接に供給するために用いられる。第五の支流Ｅは、振幅をブースティングされているが（boosted-amplitude）、ただし、他の点では処理されてないオーディオ信号を総和段１２の非反転入力に直接に送るために用いられる。

修正ユニバーサルフィルタ７は、基本的には、第一の入力段と第二の入力段とを備える。第一の入力段は、変形帯域通過フィルタ６からの出力信号を受け入れ、これをユニバーサルフィルタコア１４の入力に供給する分圧器（voltage divider）８を有する。第二の入力段は、本質的に処理されてないオーディオ信号を受け入れ、その出力をコントロール１０に供給すると共に、出力ノード１５を介してユニバーサルフィルタコア１４にも供給する前置増幅器９を有する。出力ノード１５は出力コントロール１１にも接続され、出力コントロール１１の出力は総和段１２の反転入力に接続される。後により詳細に説明するように、このユニバーサルフィルタコア１４は、低域通過フィルタ、帯域通過フィルタ及び高域通過フィルタを備え、２０Hzから２２kHzまでの全可聴スペクトルをカバーする。より具体的には、コントロール１０を用いて、変形ユニバーサルフィルタ内で上げたり、下げたりされるべき周波数レンジが設定される。例示として、コントロール１０は、約１kHzから約22kHzまでの帯域幅をカバーすることができる。

制御フィルタ３と変形帯域通過フィルタ６は、ユニバーサルフィルタ７、より具体的にはユニバーサルフィルタのコア１４を作動（制御）するために用いられる。これらは、図２との関連でより詳細に説明するように、ある特定の周波数レンジに対して固定された諸元（fixed dimensions）を有するが、ある別の周波数レンジに合わせて変更することができる。帯域通過フィルタ６は、これも後に図２との関連でより詳細に説明されるように、アースに接続された周波数依存抵抗（freqency-dependent resistor）として構成され、約５０Hzなる低音部周波数を生成する。既に述べたように、この制御フィルタ３は、比較的高い周波数レンジに対しては、周波数及び振幅の設定は固定され、比較的低い周波数レンジに対しては、周波数設定は固定されるが、振幅は可変的に設定されるアクティブ領域アジャスタ（active area adjuster）の形態にて実現される。

これら２つのフィルタの機能（functions）の総和はユニバーサルフィルタ７すなわちユニバーサルフィルタコア１４の第一の入力段８コアに、制御フィルタ３内に存在する低音トーンコントロール（bass tone control）と呼ばれるコントロールを介して供給されるが、このように変形帯域通過フィルタ６を加えることで、変形ユニバーサルフィルタ７内での所望の周波数等化（frequency equalization）を設定することが可能となる。

簡単に述べると、この背景においては、制御フィルタ３は、周波数の選択を遂行し、帯域通過フィルタ６は低音部レンジにおける周波数の追加、従って、周波数シフトを遂行し、ユニバーサルフィルタ７内のコントロール１０は、周波数の調節を遂行する。

例示として、変形ユニバーサルフィルタを用いることで、約20から150Hzの周波数レンジは増幅し、約150から500Hzの周波数レンジは下げ、これを超える周波数レンジは増幅したりすることができる。コントロール１０は、周波数を下げるためのレンジを、例えば、約150から700Hz（最大帯域幅、最小Q）、或いは必要に応じて他の値に設定することができ、低減は、更に、例示として、最大20kHzまで拡張することができるが、これは、約20kHzから22kHzより高いピーク値のみが増幅されることを意味する。

高音部周波数を更に扱うため、或いは追加の高調波を生成するために、オプションとして、入力信号を高音部・高調波フィルタ４に供給することもできる。このオプションとしての高音部・高調波フィルタ４は、比較的に高い周波数レンジを強調する。更なるオプションとして、支流B内にレベル制御用のコンプレッサ・リミッタ（compressor/limiter）、時間修正段（time correction stage）等を用いることもできる。

分圧器８を備えるユニバーサルフィルタ７の第一の入力段は、本発明によるフィルタ回路のユニバーサルフィルタを作動及び設定するための重要な回路ポイントである。この制御入力の所にコントロール及び／或いは接続可能なインダクタンスを組み込むことで、このユニバーサルフィルタは、更なるトーンフィルタリング（tone filtering）のための更なる動作及び回路拡張を追加的に達成することが可能になる。

ユニバーサルフィルタ７の出力の所に、例えば、オーディオ信号の更なる処理のために、コンプレッサ・リミッタ、時間修正段等を設けることもできる。

以下では、本発明によるフィルタ回路について図２との関連で更に詳細に説明する。

図２は、図１のブロック図と同一の基本要素を示し、これら要素は同一の参照符号にて表される。これら要素には、フィルタ路２２の入力の所の可変増幅器段１、（支流に対する重みを設定するための抵抗2-A、2-B、2-C、2-D、及び2-Eを含む）抵抗ネットワーク２、制御フィルタ或いは領域アジャスタ３、変形帯域通過フィルタ６、変形ユニバーサルフィルタ７、高音部・高調波フィルタ４、及びコントロール１１、並びに、第一の経路すなわち参照路２０内のドライバ段１３及び出力総和段１２が含まれる。

オーディオ入力信号inは、参照路２０を通じて、演算増幅器OP₁₃を有する1:1ドライバ段１３に供給され、更に、抵抗を介して、出力総和段１２内の（加算器として構成される）演算増幅器OP₁₂の非反転入力に供給される。この参照路２０は、オプションとして、参照路２０を遮るためのスイッチ（図示せず）を含むこともできる。このことは、フィルタリングされたオーディオ信号のみがフィルタ路２２を介して出力総和段１２に到達することを意味する。処理されてないオーディオ信号すなわち参照信号は、その後、別のポイントにおいてフィルタリングされた信号と混合される。

フィルタ路２２は、最初に、可変増幅器段１を通るが、可変増幅器段１は、演算増幅器OP₁と、後続フィルタ段に対する作動利得（actuation gain）を決定するコントロール２４とを備える。

可変増幅器段１からの出力信号は、抵抗ネットワーク２を介して、様々な支流部分A、B、C、D、Eに向けられる。抵抗ネットワーク内のこれら抵抗は、例えば、１ｋΩから100ｋΩの範囲の値を持ち得る。抵抗ネットワーク２は、第二の経路、すなわちフィルタ路２２を、受動的に５つの支流部分に分割するが、これら支流部分はこれらの間の比を決定するために直列の抵抗を介して調整（trimmed）される。

第一の支流Aは、制御フィルタ３へと向かう。制御フィルタ３は、ある特定の比較的高い周波数レンジに対しては、振幅及び周波数の次元は固定され、ある比較的低い周波数レンジに対しては、周波数の設定は固定されるが、振幅はコントロール２６を用いて変更することができる変形アクティブ領域アジャスタ（modified active area adjuster）である。制御フィルタ３は、図２に示すように、抵抗とコンデンサを介して接続されコントロール２６と演算増幅器OP₃とを備える。演算増幅器OP₃は、演算増幅器OP₃の出力と反転入力との間に直列に接続された抵抗とコンデンサから成る帰還路を有する。この抵抗とコンデンサとのジャンクション（junction）の所には、支流Bを介してその制御信号の一部を受け取るもう一つの抵抗が存在する。コントロール２６も同様に可変の低音部振幅を設定するために演算増幅器OP₃の反転入力に接続される。

支流Bは更にオーディオ信号をオプションとしての高音部・高調波フィルタ４に分岐させるための分岐点（branch point）１４を有する。高音部・高調波フィルタ４からの出力信号は、出力総和段１２内の演算増幅器OP₁₂の非反転入力に抵抗を介して接続される。

制御フィルタ３からの出力信号は、抵抗を介してノード（node）２８に送られるが、このノード２８は更に支流Cを介してオーディオ信号を受け取る。このノード２８は変形帯域通過フィルタ段６への入力信号を形成する。変形帯域通過フィルタ段６は、第一の演算増幅器OP₆₁と第二の演算増幅器OP₆₂とを有し、図２に示すように、これらを抵抗とコンデンサを介して接続することで変形アクティブ帯域通過フィルタが形成される。ノード２８からの入力信号は、第一の演算増幅器OP₆₁の非反転入力に送られ、変形アクティブ帯域通過フィルタ６は、アースに接続された周波数依存抵抗として動作し、その最大において非常に低い周波数、例えば、50Hzに到達するように設計される。

制御フィルタ３及びアクティブ帯域通過フィルタ６を通ったオーディオ信号は、変形ユニバーサルフィルタ７の制御入力に加えられる。制御フィルタ３内のコントロール２６と総和帯域通過フィルタ（summed bandpass filter）６を用いることで、ユニバーサルフィルタの所での低音部音色（bass timbres）を設定することができる。より具体的には、制御フィルタ３内のコントロール２６と総和帯域通過フィルタ６を用いることで、低音部信号に影響を及ぼし、殆ど変更されてない低音部信号（largely unchanged bass signal）、非常に衝撃的でハードな低音部トーン（very percussive, hard bass tone）、或いは非常にソフトで丸みのある低音部トーン（very soft, round bass tone）等を得ることができ、これは、低音部音色の設定と呼ばれる。

変形ユニバーサルフィルタ７は、分圧器８を備える第一の段を有する。分圧器８は２つの抵抗から形成され、制御入力３０に接続される。制御入力３０は、変形帯域通過フィルタ６からの出力信号を受け取る。この分圧器を備える第一の入力段下流には、変形ユニバーサルフィルタ７のコアの部分、すなわち、ユニバーサルフィルタコア１４が存在し、これは、図２に示すように抵抗とコンデンサを介して接続された３つの演算増幅器OP₇₁、OP₇₂、OP₇₃から構成される。これら演算増幅器は、従来の技術によるユニバーサルフィルタの場合とは異なるやり方にて接続され、変形帯域通過フィルタ６及び制御フィルタ或いはアクティブ領域アジャスタ３も従来の技術とは異なるやり方にて接続される。

本発明者らは、図に示され、上で説明したように、フィルタ回路を修正することで、音色の調節（timber ）及び周波数の等化（frequency equalization）との関連で、極めて有益なフィルタ特性が得られることを知見した。

ユニバーサルフィルタコア１４内において、第一の演算増幅器OP₇₁は低域通過フィルタとして動作し、第二の演算増幅器OP₇₂は帯域通過フィルタを形成し、第三の演算増幅器OP₇₃は高域通過フィルタとして動作し、これら演算増幅器によって、全部で２つのインテグレータ（integrators）が形成される。

“通常（normal）”のユニバーサルフィルタと比較して、本発明によるユニバーサルフィルタは、低域通過フィルタすなわちOP₇₁に対する入力回路は、通常の低域通過フィルタの入力に対するそれとは対応せず、第二の入力段９を介してユニバーサルフィルタ７の第二の入力も提供されるように変形（modified）される。帯域通過フィルタ、すなわちOP₇₂も通常のようには形成されず、その入力を反転入力の所に受け取る。

制御フィルタ３及び変形帯域通過フィルタ６から分圧器８を介して送られて来た総和出力信号は、低域通過フィルタとして動作する第一の演算増幅器OP₇₁の非反転入力に加えられる。要約すると、本発明はユニバーサルフィルタのコア要素、すなわち、低域通過フィルタ、高域通過フィルタ及び帯域通過フィルタを採用するが、これらの作動（actuation）及び論理的結合（logic combination）が修正される。

加えて、低域通過インテグレータ（low-pass integrator）内の第一の演算増幅器OP₇₁の反転入力の所に、コントロール及び／或いは接続可能なインダクタンスを組み込むことで、トーンフィルタリング（tonal filtering）のさらなる設定が可能となる。

変形ユニバーサルフィルタ７は、抵抗ネットワーク２からの第二の制御信号を支流Dを介して受け取るが、この信号は、増幅器段９内の演算増幅器OP₉の非反転入力に加えられる。増幅器段９の出力はノード１５に送られるが、ノード１５は分圧器を介して高域通過フィルタ内の演算増幅器OP₇₃の非反転入力に接続される。ノード１５にもコントロール１０が接続され、これは、中音部・高音部の上げ下げに対する際の周波数レンジを決定する帯域幅を個別に設定するために用いられる。演算増幅器OP₇₂にて形成されるアクティブ帯域通過段からの出力信号はノード１５を介してコントロール１１に送られるが、このコントロールは、この信号を出力総和段１２内の演算増幅器OP₁₂の反転入力に接続するために用いられる。

この点にオプションとして更なる処理段及び機能を追加すること、例えば、コンプレッサ・リミッタ、時間修正段等を用いることもできる。

様々なフィルタ出力信号及び参照信号の、出力総和段１２内の演算増幅器OP₁₂の反転及び非反転入力への具体的な分配の結果として、加算器の出力の所のオーディオ信号の周波数と位相間の相互作用が達成される。この相互作用と、個々のフィルタ段内のコントロール及びスイッチによるこの追加的な拡張によって、本発明によるオーディオフィルタ回路の全体としての周波数等化が決定される。

最後に、図３は、本発明によるフィルタ回路が、いかにして、方法として、或いはコンピュータプログラムとして実現されるデジタルアルゴリズムとして実現されるかを示す流れ図を簡略的に示す。図３に示すように、オーディオ信号は、増幅段（amplification stage）４０に向かうが、これは設定可能な係数（setable coefficient）の乗算として実現することができる。こうして増幅されたオーディオ信号は、次々と、制御フィルタ機能４２、帯域通過フィルタ機能４３、及びユニバーサルフィルタ機能４４へと送られるが、これらは、それぞれ、この信号を、制御フィルタ３、帯域通過フィルタ６、及びユニバーサルフィルタ７の回路を用いて、上述のやり方にて処理する。ユニバーサルフィルタ４４からの出力信号は、加算器機能（adder function）４６に入力される。加えて、増幅されたオーディオ信号は、増幅機能４０の出力の所から分岐して取り出され、帯域通過フィルタ機能４３、ユニバーサルフィルタ機能４４、及び加算器機能４６に、制御パラメータとして直接に入力される。増幅器機能４０の出力の所の増幅されたオーディオ信号は、更に、高音部・高調波フィルタ機能４８にも入力され、この出力信号も同様に加算器機能４６に接続される。最後に、本質的に変更されなかったオーディオ信号も、1:１ドライバ機能５０を介して加算器機能４６に接続される。それぞれの信号路と並列に示される抵抗は、これら経路内の各信号に抵抗ネットワーク２の関数として重みが付けられることを示す。これら個々の機能ブロックによって図２の回路図に示すような機能が実現される。当業者においては、これら機能をどのようにしてソフトウェアにて実現するかは明らかである。

本発明によるフィルタ方法は、コンピュータプログラムによるアルゴリズムとして実現し、パーソナルコンピュータ、汎用コンピュータ、或いは専用のコンピュータ上で実行することも、或いはマイクロプロセッサ内に組み込み、家電、情報技術、電気通信技術用のユニットとして実装することもできる。このフィルタ回路は、アナログ回路の形態にて実現することも、半導体集積回路として実現することもでき、本発明によるフィルタ回路は、更に、ハードウェア、ファームウェア及び／或いはソフトウェアの組合わせを用いて実現することもできる。

上述の説明、請求項、及び図面内に示された特徴は、本発明を様々な形態にて実現するために、単独で用いることも、或いは所定の組合わせにて用いることもできる。

本発明によるフィルタ回路の一つの好ましい実施例の概略的なブロック図である。本発明によるフィルタ回路の詳細な回路図である。本発明の方法のコンピュータプログラムによる実装例を説明するフローチャートである。

符号の説明

１可変増幅器段
２抵抗ネットワーク
３制御フィルタ
４高音部・高調波フィルタ
６変形帯域通過フィルタ
７変形ユニバーサルフィルタ
８分圧器
９前置増幅器
１０コントロール
１１出力コントロール
１２出力総和段
１３ 1 1ドライバ段
１４ユニバーサルフィルタのコア
１５出力ノード
２０第一の経路或いは参照路
２２第二の経路或いはフィルタ路
４０増幅段
４２制御フィルタ機能
４３帯域通過フィルタ機能
４４ユニバーサルフィルタ機能
４６加算器機能
４８高音部・高調波フィルタ機能
５０ 1:1ドライバ機能

Claims

第一の経路（２０）と第二の経路（２２）とを有するオーディオ信号を処理するためのフィルタ回路であって、
前記第一の経路内では前記オーディオ信号は本質的に変更を受けることなく出力総和段（１２）へと送られ、
前記第二の経路（２２）は、複数の直列に接続されたフィルタ段（３、６、７）を有し、前記フィルタ段は、順に直列に接続された制御フィルタ（３）、帯域通過フィルタ（６）およびユニバーサルフィルタ（７）を有し、
前記制御フィルタ（３）は、演算増幅器（ＯＰ３）および制御端子（２６）を有し、
前記制御フィルタ（３）は、第１の周波数範囲では周波数および振幅をそれぞれ一定に調整し、かつ、前記第１の周波数範囲よりも低い第２の周波数範囲では周波数を一定に調整するとともに、前記制御端子にて振幅を可変調整するアクティブエリア調整器として構成され、
前記オーディオ信号は前記制御フィルタ（３）に入力され、その後、前記帯域通過フィルタ（６）および前記ユニバーサルフィルタ（７）を介して出力総和段（１２）へと送られ、
前記第二の経路は複数の支流を有し、前記オーディオ信号はこれら支流を介して前記帯域通過フィルタ（６）および前記ユニバーサルフィルタ（７）に直接に供給され、
前記制御フィルタ（３）および前記帯域通過フィルタ（６）は、前記ユニバーサルフィルタ（７）の低音部音色および周波数等化を設定するように構成され、
前記帯域通過フィルタ（６）は、前記制御フィルタ（３）の出力信号および前記複数の支流の一つに基づいて、周波数依存の抵抗として動作するアクティブ帯域通過フィルタを有し、
前記ユニバーサルフィルタ（７）は、通過帯域の異なる少なくとも３種類のフィルタを有し、前記帯域通過フィルタ（６）の出力信号および前記複数の支流の他の一つに基づいて、低音部音色および周波数等化を設定することを特徴とするフィルタ回路。
前記支流が前記オーディオ信号に重みを付けるための抵抗（２）を有することを特徴とする請求項1記載のフィルタ回路。
前記ユニバーサルフィルタ（７）が前記３種類のフィルタを備えるユニバーサルフィルタコア（１４）を有することを特徴とする請求項1または２に記載のフィルタ回路。
前記ユニバーサルフィルタコアが２つのインテグレータを形成するように配列された３つの演算増幅器（OP71、OP72、OP73）を有することを特徴とする請求項３記載のフィルタ回路。
前記ユニバーサルフィルタ（７）が、第一の入力段と、第二の入力段とを有し、前記第一の入力段は分圧器（８）を有し、前記第二の入力段は入力増幅器（９）と、前記ユニバーサルフィルタコア（１４）と、制御部（１０）とを有し、前記第一の入力段（８）の出力は前記ユニバーサルフィルタコア（１４）内の低域通過フィルタ（OP71）に対する入力信号を形成し、前記第二の入力段（９）からの出力信号は前記ユニバーサルフィルタコア（１４）内の高域通過フィルタ（OP73)に対する入力信号を形成し、前記制御部（１０）はノード（１５）に接続され、このノード（１５）も前記ユニバーサルフィルタコア（１４）内の高域通過フィルタ（OP73)の入力に接続され、このノード（１５）はさらに前記ユニバーサルフィルタ（７）の出力を形成することを特徴とする請求項３または４に記載のフィルタ回路。
前記第二の経路（２２）がその上流に接続された可変増幅器（１）を有することを特徴とする請求項1から５のいずれかに記載のフィルタ回路。
前記第二の経路（２２）がもう一つの支流を有し、この支流が高音部・高調波フィルタ（４）を含み、高音部・高調波フィルタ（４）の入力は、前記オーディオ信号を受け取り、出力は、前記出力総和段（１２）に接続されることを特徴とする請求項1から６のいずれかに記載のフィルタ回路。
オーディオ信号を処理するための方法であって、前記オーディオ信号を第一のフィルタ機能を用いて処理することで第一の処理されたオーディオ信号を生成するステップと、前記オーディオ信号と前記第一の処理されたオーディオ信号とを第二のフィルタ機能を用いて処理することで第二の処理されたオーディオ信号を生成するステップと、前記オーディオ信号と前記第二の処理されたオーディオ信号とを第三のフィルタ機能を用いて処理することで第三の処理されたオーディオ信号を生成するステップと、を備え、
前記第１のフィルタ機能は、第１の周波数範囲では周波数および振幅をそれぞれ一定に調整し、かつ、前記第１の周波数範囲よりも低い第２の周波数範囲では周波数を一定に調整するとともに、制御端子にて振幅を可変調整し、
前記第二のフィルタ機能は、前記第一のフィルタ機能の出力信号と、前記オーディオ信号を前記第二のフィルタ機能および前記第三のフィルタ機能に直接供給する複数の支流の一つとに基づいて、周波数依存の抵抗として動作するアクティブ帯域通過フィルタを有し、
前記第三のフィルタ機能は、通過帯域の異なる少なくとも３種類のフィルタを有し、前記第二のフィルタ機能の出力信号および前記複数の支流の他の一つに基づいて、低音部音色および周波数等化を設定することを特徴とする方法。
前記オーディオ信号が前記第一のフィルタ機能に供給される前に重み付けされることを特徴とする請求項８記載の方法。
前記オーディオ信号が前記第一のフィルタ機能に供給される前に増幅されることを特徴とする請求項８または９記載の方法。
前記増幅されたオーディオ信号が前記第三のフィルタ機能にて処理されたオーディオ信号及び前記本質的に処理されなかったオーディオ信号と総和されることを特徴とする請求項１０記載の方法。
前記増幅されたオーディオ信号を第四のフィルタ機能を用いて処理することで第四のフィルタ機能にて処理されたオーディオ信号が生成され、この第四のフィルタ機能にて処理されたオーディオ信号が前記増幅されたオーディオ信号、前記第三のフィルタ機能にて処理されたオーディオ信号及び前記本質的に処理されなかったオーディオ信号と総和されることを特徴とする請求項１１記載の方法。
前記第三のフィルタ機能にて処理されたオーディオ信号が、前記第四のフィルタ機能にて処理されたオーディオ信号、前記増幅されたオーディオ信号、及び前記本質的に処理されなかったオーディオ信号と総和される前に、反転されることを特徴とする請求項１２記載の方法。
前記３種類のフィルタは、低域通過フィルタ、帯域通過フィルタ、及び高域通過フィルタであることを特徴とする請求項８記載の方法。
前記第三のフィルタ機能が、インテグレーション機能を備え、前記低域通過フィルタリング、帯域通過フィルタリング、及び高域通過フィルタリングに対する周波数レンジが調節可能であることを特徴とする請求項１４記載の方法。
前記第四のフィルタ機能が、高音部・高調波フィルタリング機能を備えることを特徴とする請求項８から１５のいずれかに記載の方法。
オーディオ信号を処理するためのコンピュータプログラムであって、
前記オーディオ信号を第一のフィルタ機能を用いて処理することで第一の処理されたオーディオ信号を生成するステップと、前記オーディオ信号と前記第一の処理されたオーディオ信号とを第二のフィルタ機能を用いて処理することで第二の処理されたオーディオ信号を生成する手順と、
前記オーディオ信号と前記第二の処理されたオーディオ信号とを第三のフィルタ機能を用いて処理することで第三の処理されたオーディオ信号を生成する手順と、をコンピュータに実行させるものであり、
前記第一のフィルタ機能は、第一の周波数範囲では周波数および振幅をそれぞれ一定に調整し、かつ、前記第１の周波数範囲よりも低い第２の周波数範囲では周波数を一定に調整するとともに、制御端子にて振幅を可変調整するものであり、
前記第二のフィルタ機能は、前記第一のフィルタ機能の出力信号と、前記オーディオ信号を前記第二のフィルタ機能および前記第三のフィルタ機能に直接供給する複数の支流の一つとに基づいて、アクティブ帯域通過フィルタを周波数依存の抵抗として動作させ、
前記第三のフィルタ機能は、通過帯域の異なる少なくとも３種類のフィルタを用いて、前記第二のフィルタ機能の出力信号および前記複数の支流の他の一つに基づいて、低音部音色および周波数等化を設定することを特徴とするコンピュータプログラム。
オーディオ信号を処理するためのコンピュータ読取り可能な記録媒体であって、
前記オーディオ信号を第一のフィルタ機能を用いて処理することで第一の処理されたオーディオ信号を生成するステップと、前記オーディオ信号と前記第一の処理されたオーディオ信号とを第二のフィルタ機能を用いて処理することで第二の処理されたオーディオ信号を生成する手順と、
前記オーディオ信号と前記第二の処理されたオーディオ信号とを第三のフィルタ機能を用いて処理することで第三の処理されたオーディオ信号を生成する手順と、をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したものであり、
前記第一のフィルタ機能は、第一の周波数範囲では周波数および振幅をそれぞれ一定に調整し、かつ、前記第１の周波数範囲よりも低い第２の周波数範囲では周波数を一定に調整するとともに、制御端子にて振幅を可変調整するものであり、
前記第二のフィルタ機能は、前記第一のフィルタ機能の出力信号と、前記オーディオ信号を前記第二のフィルタ機能および前記第三のフィルタ機能に直接供給する複数の支流の一つとに基づいて、アクティブ帯域通過フィルタを周波数依存の抵抗として動作させ、
前記第三のフィルタ機能は、通過帯域の異なる少なくとも３種類のフィルタを用いて、前記第二のフィルタ機能の出力信号および前記複数の支流の他の一つに基づいて、低音部音色および周波数等化を設定することを特徴とするコンピュータプログラム。