JP4736756B2 - 信号補間装置及び信号補間方法 - Google Patents

Description

本発明は、信号補間装置及び信号補間方法に関するものである。

音楽等の音声を表す音声データを、インターネット等のネットワークを介して配信したり、ＭＤ（Mini Disk）等の記録媒体に記録して利用することが、近年盛んになっている。ネットワークで配信されたり記録媒体に記録されたりする音声データは、帯域が過度に広くなることによるデータ量の増大や占有帯域幅の広がりを避けるため、一般に、供給する対象の音楽等のうち一定の周波数以上の成分を除去されている。

例えば、ＭＰ３（MPEG1 audio Layer 3）形式の音声データでは、約１６キロヘルツ以上の周波数成分が除去されている。また、ＡＴＲＡＣ３（Adaptive TRansform Acoustic Coding 3）形式の音声データでは、約１４キロヘルツ以上の周波数成分が除去されている。

このように、一定値以上の周波数成分が除去された音楽等は通常、オリジナルの音楽等に比べて音質が劣化している。そこで、除去された周波数成分に代わる信号を加算することが考えられる。

このため、正弦波信号による変調により周波数変換を行う周波数変換部を備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１７１５８８号公報（第６頁、図１，３）

しかし、従来の信号補間装置では、単一周波数の正弦波信号による変調を行っているため、入力信号が単一周波数の信号の場合には、生成された信号も、両側波帯の周波数のみを有する信号になってしまう。このため、従来の信号補間装置では、疑似高調波成分を含む補間信号を生成することができず、聴感上、十分な効果を得ることができなくなってしまう。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、入力信号が単一周波数の正弦波信号であっても疑似高調波成分を含む補間信号を生成することが可能な信号補間装置及び信号補間方法を提供することを目的とする。

この目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る信号補間装置は、
所定の発振波である発振信号を生成する発振器と、この発振器が生成した発振信号の信号レベルを予め設定された閾値に制限することにより、疑似高調波成分を含む発振信号を生成する信号レベル制限部と、入力信号と前記疑似高調波成分を含む発振信号とを乗算する乗算器とを有する周波数変換部と、
入力信号に、前記乗算器によって乗算され、前記周波数変換部より出力された信号を加算することにより、疑似高調波成分を含む補間信号を生成する補間信号生成部と、
を備えることを特徴とする。

前記発振器は、前記所定の発振波である発振信号として、正弦波からなる正弦波信号を生成してもよい。

前記発振器は、周波数が異なる複数の正弦波信号を生成し、
前記発振器は、前記複数の正弦波信号を加算して、信号レベル制御部に供給する加算器を備えてもよい。

前記発振器は、前記所定の発振波である発振信号として、矩形波又は鋸波の発振信号を生成してもよい。

信号補間装置は、入力信号から、予め設定された周波数帯域の信号成分を取得する信号成分取得部をさらに備え、
前記周波数変換部に入力される入力信号は、前記補間信号生成部に入力される入力信号を前記信号成分取得部に入力して前記予め設定された周波数帯域の信号成分を抽出した信号であってもよい。

本発明の第２の観点に係る信号補間方法は、
所定の発振波である発振信号を生成する第１の生成ステップと、
前記発振信号の信号レベルを予め設定された閾値に制限することにより、疑似高調波成分を含む発振信号を生成する第２の生成ステップと、
入力信号と前記疑似高調波成分を含む発振信号とを乗算する乗算ステップと、
入力信号に、前記乗算ステップで乗算された信号を加算することにより、疑似高調波成分を含む補間信号を生成する第３の生成ステップと、
を含むことを特徴とする。

前記第１の生成ステップは、前記所定の発振波である発振信号として、正弦波からなる正弦波信号、矩形波の発振信号、鋸波の発振信号のいずれかを生成してもよい。

入力信号から、予め設定された周波数帯域の信号成分を取得する取得ステップをさらに含み、
前記乗算ステップで用いる入力信号は、前記第３の生成ステップで用いる入力信号を前記取得ステップにて前記予め設定された周波数帯域の信号成分を抽出した信号であってもよい。

本発明によれば、入力信号が単一周波数の信号であっても疑似高調波成分を含む補間信号を生成することができる。

以下、本発明の実施の形態に係る信号補間装置を図面を参照して説明する。
本実施形態に係る信号補間装置の構成を図１に示す。
信号補間装置１は、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）１０、変調部２０と、ＨＰＦ（ハイパスフィルタ）３０と、混合部４０と、からなる。

ＢＰＦ１０は、入力信号Ｓinから、疑似高調波の信号成分を取得するための信号として、所定帯域の信号成分を取得するものである。

入力信号Ｓinは、例えば、ＭＤ、ＣＤに記録されたデータを再生する再生装置から供給された信号である。

このＭＤ、ＣＤに記憶されたデータは、例えば、ＭＰ３（MPeg1 audio layer 3）形式のデータや、あるいはＡＴＲＡＣ３（Adaptive TRansform Acoustic Coding 3）形式のデータからなる。

ＭＤ、ＣＤに記録されている入力音声データが表す音声信号では、元の音声のうち、周波数が予め設定された閾値以上の信号成分が除去されている。

例えば、入力音声データがＭＰ３形式のデータからなっている場合、この閾値は、約１６キロヘルツであり、また、ＡＴＲＡＣ３形式のデータからなっている場合は、約１４キロヘルツである。

尚、ＢＰＦ１０は、必要に応じて、取り出した信号の分解能を低下させて広域ノイズを増加させるように構成されてもよい。

変調部２０は、発振信号Ｓoscを生成して、ＢＰＦ１０によって帯域制限された入力信号Ｓinと乗算することにより、入力信号Ｓinの周波数変換を行うものであり、ＡＴＴ（アッテネータ）２１と、発振器（ＯＳＣ）２２と、乗算器２３と、からなる。

ＡＴＴ２１は、ＢＰＦ１０が出力した信号の信号レベルを減衰させるためのものである。

発振器２２は、図２に示すような正弦波信号の信号レベルをクリップされた発振信号Ｓoscを生成するものである。発振器２２は、正弦波信号の信号レベルを予め設定された閾値に制限することにより、このような発振信号Ｓoscを生成する。

具体的に、発振器２２は、図３に示すように、正弦波発振器１０１と、増幅器１０２と、リミッタ１０３と、ＡＴＴ（アッテネータ）１０４と、からなる。

正弦波発振器１０１は、発振信号として、正弦波からなる正弦波信号を生成するためのものであり、遅延器１１１，１１２と、乗算器１１３，１１４と、加算器１１５と、からなり、クロック信号（図示せず）に基づいて、正弦波信号Ｓ１を生成する。

遅延器１１１は、加算器１１５が出力するデータｘnを１クロック遅延させてデータｘn-1を生成するものである。遅延器１１２は、遅延器１１１が出力するデータｘn-1をさらに１クロック遅延させてデータｘn-2を生成するものである。

乗算器１１３は、遅延器１１１が出力したデータｘn-1に係数ｂ１を乗算して、データｂ１×ｘn-1を生成するものである。乗算器１１４は、遅延器１１２が出力したデータｘn-2に係数ｂ２を乗算して、データｂ２×ｘn-2するものである。

加算器１１５は、乗算器１１３，１１４がそれぞれ出力したデータｂ１×ｘn-1，ｂ２×ｘn-2を加算するものである。

従って、この正弦波発振器１０１の演算式は、次の数（１）式によって表される。
ｘn＝ｂ1×ｘn-1＋ｂ２×ｘn-2 ・・・・・・・・・・・・（１）

本実施形態では、ｂ１＝cos（ΔΩ），ｂ２＝２×cos（ΔΩ）とする。また、遅延器１１１，１１２の初期値を、それぞれ、sin（ΔΩ），０とする。

増幅器１０２は、正弦波発振器１０１が出力したデータｘnを増幅して、正弦波信号Ｓ２を出力するものである。増幅器１０２は、例えば、図２に示すように、正弦波信号Ｓ１の信号レベルを１．５倍に増幅する。

リミッタ１０３は、増幅器１０２が増幅した正弦波信号Ｓ２の信号レベルを予め設定された閾値に制限することにより、クリップされた信号を生成するものである。

閾値は、例えば、図２に示すように、「１」に設定される。リミッタ１０３は、この閾値「１」を記憶し、図２に示すように、閾値「１」で正弦波信号Ｓ２をクリップした信号Ｓ３を生成する。このようにリミッタ１０３が信号Ｓ３には、正弦波信号の奇数次の疑似高調波成分が含まれる。

ＡＴＴ１０４は、リミッタ１０３が生成した信号Ｓ３の信号レベルを減衰させて、発振信号Ｓoscを生成するためのものである。

図１に戻り、ＨＰＦ３０は、変調部２０が周波数変換した信号から、所望の信号成分を取得するものである。

混合部４０は、ＨＰＦ３０が取得した信号成分と入力信号Ｓinとを所定の比率で加算して、補間信号Ｓoutを生成するものであり、ＡＴＴ４１，４２と、加算器４３と、からなる。

ＡＴＴ４１，４２は、それぞれ、入力信号Ｓin、ＨＰＦ３０から供給された信号の信号レベルを減衰させるものである。加算器４３は、ＡＴＴ４１，４２が信号レベルを減衰させた信号を、所定の比率で加算して、補間信号Ｓoutを生成するものである。

次に実施形態に係る信号補間装置１の動作を説明する。
ＢＰＦ１０は、予め設定された閾値以上の周波数成分が除去された信号成分が供給されて、帯域制限した入力信号Ｓinを取得する。

変調部２０において、ＡＴＴ２１は、ＢＰＦ１０が出力した信号の信号レベルを減衰させ、減衰させた信号を乗算器２３に供給する。

図３に示す正弦波発振器１０１は、図２に示す正弦波信号Ｓ１を生成する。増幅器１０２は、この正弦波信号Ｓ１の信号レベルを１．５倍に増幅して、正弦波信号Ｓ２を生成する。リミッタ１０３は、この正弦波信号Ｓ２の信号レベルを閾値「１」で制限することにより、閾値「１」でクリップした信号Ｓ３を生成する。ＡＴＴ１０４は、この信号Ｓ３を減衰させて発振信号Ｓoscを生成する。

発振器２２は、この発振信号Ｓoscを乗算器２３に供給する。乗算器２３は、この発振信号ＳoscとＡＴＴ２１から供給された信号とを乗算する。

図２に示すように、発振器２２のリミッタ１０３が生成した信号Ｓ３は、図２に示すような波形を有しているため、既に、高調波成分を含んでいる。このため、入力信号Ｓinが単一周波数の正弦波信号であっても、乗算器２３がこの発振信号ＳoscとＡＴＴ２１から供給された信号とを乗算することにより、変調部２０は、多くの高調波成分を含んだ信号を出力することになる。

変調部２０は、このようにして、ＢＰＦ１０によって帯域制限された入力信号Ｓinの周波数変換を行い、ＨＰＦ３０は、この周波数変換が行われた信号の低域帯域側のスペクトルを減衰させる。

混合部４０のＡＴＴ４１，４２は、それぞれ、入力信号Ｓin、ＨＰＦ３０から供給された信号の信号レベルを減衰させ、加算器４３は、ＡＴＴ４１，４２が信号レベルを減衰させた信号を、所定の比率で加算して、補間信号Ｓoutを生成する。

以上説明したように、本実施形態によれば、変調部２０の発振器２２は、正弦波を予め設定された閾値でクリップした波形の発振信号を生成し、変調部２０は、帯域制限された入力信号Ｓinと、この発振信号とを乗算することにより、高調波成分を含む信号を生成するようにした。

従って、入力信号Ｓinが単一周波数の信号であっても、この入力信号Ｓinから、高調波成分を含む補間信号Ｓoutを生成することができ、聴感上、十分な効果を得ることができる。

また、このような簡易な方法により、複数の疑似高調波成分を含む発振信号を生成することができるため、簡単な構成で上記目的を達成する信号補間装置１を実現することができる。

尚、本発明を実施するにあたっては、種々の形態が考えられ、上記実施の形態に限られるものではない。
例えば、発振器２２は、固定小数点で演算を行うＤＳＰによって構成されてもよい。

この場合、発振器２２は、固定小数点で演算によって発振させた正弦波信号を生成し、この正弦波信号を増幅してオーバーフローした値を、符号を含む閾値にクリップすることにより、図２に示すような信号Ｓ３を生成する。

また、発振器２２は、図３に示すような２次の構成のものに限られるものではなく、３次以上の高次の構成のものであってもよい。

また、高調波成分を含む補間信号を生成するには、上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、正弦波以外の信号、例えば、図４（ａ）に示すような鋸波信号、図４（ｂ）に示すような三角波信号、図４（ｃ）に示すような矩形波信号を用いることもできる。この鋸波信号、三角波信号、矩形波信号、は、その周期と同じ周波数とその周波数を基本とする偶数次の周波数成分を有する。

また、高調波成分を含む信号であれば、発振器２２は、例えば、移相器等を備えて、波形が不連続点を有する関数によって表される発振信号を生成するように構成されてもよい。

また、複数の正弦波を加算して疑似高調波信号を含む発振信号を生成することもできる。図５に、例として、２つの正弦波信号を加算して、疑似高調波成分を含む発振信号を生成する発振器２２の構成を示す。

発振器２２は、正弦波発振器２０１，２０２と、ＡＴＴ２０３，２０４と、加算器２０５と、ＡＴＴ２０６と、からなる。

正弦波発振器２０１は、遅延器２１１，２１２と、乗算器２１３，２１４と、加算器２１５と、からなる。正弦波発振器２０２は、遅延器２２１，２２２と、乗算器２２３，２２４と、加算器２２５と、からなる。正弦波発振器２０１，２０２の各構成要素は、それぞれ、図３に示す正弦波発振器１０１の各構成要素に対応したものであり、正弦波信号を生成する。

そして、正弦波発振器２０１，２０２の乗算器２１３，２１４のそれぞれの係数は、生成する正弦波信号の周波数が互いに異なるように設定される。
また、ＡＴＴ２０３，２０４の減衰率も、生成する疑似高調波成分に基づいて設定される。ＡＴＴ２０３，２０４は、それぞれ、正弦波発振器２０１，２０２が出力した信号の信号レベルを調整する。

加算器２０５は、このレベル調整された正弦波発振器２０１，２０２の出力信号を全て加算する。ＡＴＴ２０６は、加算器２０５が出力した信号に対して減衰処理を施す。発振器２２は、このＡＴＴ２０６が減衰処理を施した信号を発振信号Ｓoscとして乗算器２３に供給する。

図６（ａ）は、この図５の構成によるＢＰＦ１０出力の周波数スペクトルＳｐ１０を示す。尚、正弦波発振器２０１，２０２が生成する発振信号の発振周波数を、それぞれ、４０００Ｈｚ，８０００Ｈｚとする。

図６（ｂ）は、この図５の構成による補間信号Ｓoutの周波数スペクトルを示す。図６（ｂ）において、正弦波発振器２０１，２０２が生成する発振信号の周波数成分を、それぞれ、第１周波数成分、第２周波数成分とする。

スペクトルＳｐ１４は、第１周波数成分の第１変調周波数である。
スペクトルＳｐ１６は、第１周波数成分に対する周波数変換を行った結果のスペクトルである。

スペクトルＳｐ１３は、第１周波数成分に対する周波数変換を行った結果の折り返しスペクトルである。

スペクトルＳｐ１５は、第２周波数成分の第２変調周波数である。
スペクトルＳｐ１２，１７は、第２周波数成分に対する周波数変換を行った結果のスペクトルである。

スペクトルＳｐ１１は、第２周波数成分に対する周波数変換を行った結果の折り返しスペクトルである。

尚、図６（ｂ）には、下側波帯（スペクトルＳｐ１１，１２，１３）が含まれているものの、後段のＨＰＦ３０は、この下側波帯（スペクトルＳｐ１１，１２，１３）を抑圧する。

尚、複数の正弦波を加算して疑似高調波信号を含む発振信号を生成する場合、発振器２２は、正弦波信号による周波数変換を行った後で複数の正弦波信号を合成するように構成されてもよい。

本発明の実施形態に係る信号補間装置の構成を示すブロック図である。 図１に示す発振器が生成する発振信号の信号波形を示す図である。 図１に示す発振器の構成を示す図である。 応用例１として、発振器が生成する発振信号の波形を示す図であり、（ａ）は、鋸波信号を示し、（ｂ）は、三角波信号を示し、（ｃ）は矩形波信号を示す。 応用例２として、複数の正弦波を加算して疑似高調波信号を生成する発振器の構成を示す図である。 図５に示す発振器を有する信号補間装置の入出力信号の周波数スペクトルを示す図であり、（ａ）は、ＢＰＦ出力の周波数スペクトルを示し、（ｂ）は、出力信号の周波数スペクトルを示す。

符号の説明

１ 信号補間装置
１０ ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）
２０ 変調部
２２ 発振器（ＯＳＣ）
３０ ＨＰＦ（ハイパスフィルタ）
４０ 混合部
１０１ 正弦波発振器
１０２ 増幅器
１０３ リミッタ

Claims (8)

1. 所定の発振波である発振信号を生成する発振器と、この発振器が生成した発振信号の信号レベルを予め設定された閾値に制限することにより、疑似高調波成分を含む発振信号を生成する信号レベル制限部と、入力信号と前記疑似高調波成分を含む発振信号とを乗算する乗算器とを有する周波数変換部と、
   入力信号に、前記乗算器によって乗算され、前記周波数変換部より出力された信号を加算することにより、疑似高調波成分を含む補間信号を生成する補間信号生成部と、
   を備えることを特徴とする信号補間装置。
2. 前記発振器は、前記所定の発振波である発振信号として、正弦波からなる正弦波信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の信号補間装置。
3. 前記発振器は、周波数が異なる複数の正弦波信号を生成し、
   前記発振器は、前記複数の正弦波信号を加算して、信号レベル制御部に供給する加算器を備えることを特徴とする請求項２に記載の信号補間装置。
4. 前記発振器は、前記所定の発振波である発振信号として、矩形波又は鋸波の発振信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の信号補間装置。
5. 入力信号から、予め設定された周波数帯域の信号成分を取得する信号成分取得部をさらに備え、
   前記周波数変換部に入力される入力信号は、前記補間信号生成部に入力される入力信号を前記信号成分取得部に入力して前記予め設定された周波数帯域の信号成分を抽出した信号であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の信号補間装置。
6. 所定の発振波である発振信号を生成する第１の生成ステップと、
   前記発振信号の信号レベルを予め設定された閾値に制限することにより、疑似高調波成分を含む発振信号を生成する第２の生成ステップと、
   入力信号と前記疑似高調波成分を含む発振信号とを乗算する乗算ステップと、
   入力信号に、前記乗算ステップで乗算された信号を加算することにより、疑似高調波成分を含む補間信号を生成する第３の生成ステップと、
   を含むことを特徴とする信号補間方法。
7. 前記第１の生成ステップは、前記所定の発振波である発振信号として、正弦波からなる正弦波信号、矩形波の発振信号、鋸波の発振信号のいずれかを生成することを特徴とする請求項６に記載の信号補間方法。
8. 入力信号から、予め設定された周波数帯域の信号成分を取得する取得ステップをさらに含み、
   前記乗算ステップで用いる入力信号は、前記第３の生成ステップで用いる入力信号を前記取得ステップにて前記予め設定された周波数帯域の信号成分を抽出した信号であることを特徴とする請求項６または７に記載の信号補間方法。

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