JP4852612B2 - 倍音生成装置及び倍音生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、倍音生成装置及び倍音生成方法に関するものである。

ＣＤ（コンパクトディスク）のサンプリングフォーマットは、サンプリング周波数が４４．１ｋＨｚとなっているので、ＣＤに記録されている音楽信号は、人間の可聴帯域（２０〜２０ｋＨｚ）を越えるような高音域をカットしている。また、ＭＰ３やＷＭＡといった圧縮された音楽信号は、ファイルサイズを縮小するため人間の耳に聞こえにくいとする高音域をカットしている。このためＣＤに記録されている音や圧縮された音は元の音に比べて音質が劣化してしまうという問題があった。そこで、上記音楽信号から倍音を生成して失われた高音域を復活させる倍音発生器が提案されている。

例えば、特許文献１には、音楽信号の偶数次倍音と奇数次倍音とを別々に生成して、偶数次倍音と奇数次倍音とのバランスを制御できる倍音付加装置が記載されている。上記偶数次倍音とは、音楽信号の周波数に対して偶数倍、即ち２、４、６、８…２ｎ倍（ｎは整数）となる周波数成分を含む倍音である。一方、奇数次倍音とは、音楽信号の周波数に対して奇数倍、即ち３、５、７、９…２（ｎ＋１）倍（ｎは整数）となる周波数成分を含む倍音である。また、特許文献２には、全波整流回路を用いて整数倍の倍音を生成する音響信号処理装置が記載されている。何れの倍音発生器も、音楽信号の周波数に対して整数倍の倍音を生成している。

特開平８−９５５６７号公報 特開２００４−１０１７９７号公報

しかしながら、倍音は音楽信号の周波数に対して必ずしも整数倍である必要はない。電子楽器による音質は自然楽器と比べてしばしば「人工的である」と言われる。これは、自然楽器の音に含まれる倍音は少なからず非整数倍の倍音が含まれるため、電子楽器の整数倍のみの倍音からなる音楽信号では音質に不自然感が生じるためである。

そこで、本発明者は、音楽信号から奇数倍の周波数に対して前後にずれた非整数倍の周波数成分を含んだ倍音信号を生成する奇数次倍音生成装置を提案した（特願２００６−９３０９２）。しかしながら、この奇数次倍音生成装置では、奇数倍の周波数からずれた倍音しか得ることができず、偶数倍の周波数に対して前後にずれた非整数倍の周波数成分を得ることができないという問題があった。

また、音楽信号から偶数倍の周波数に対して前後にずれた非整数倍の周波数成分を含んだ倍音信号を生成する偶数次倍音生成装置を用いて、奇数次倍音生成装置と偶数次倍音生成装置とが生成したそれぞれの倍音を加算することを試みてみたが、上記偶数次倍音生成装置はいまだ確立されていない。たとえ確立されていたとしても、奇数次倍音生成装置と偶数次倍音生成装置との両装置に非整数倍の周波数成分を発生させる構成を設ける必要があり、構成が複雑となる。また、奇数次倍音生成装置が生成する奇数倍の周波数に対する前後のズレ量と偶数次倍音生成装置が生成する偶数倍の周波数に対する前後のズレ量とを同じ程度に調整することは非常に難しい。

本発明は、かかる問題を解決することを目的としている。即ち、本発明は、例えば、簡単な構成で、奇数倍及び偶数倍の周波数から前後にずれた非整数倍の周波数成分を得ることができる倍音生成装置及び倍音生成方法を提供することを目的としている。

請求項１記載の発明は、音楽信号の倍音を生成する倍音生成装置において、前記音楽信号に基づいて、前記音楽信号の周波数の奇数倍の周波数から所定周波数前後にずれた非整数倍の周波数成分を含む第一倍音信号を生成する第一倍音生成手段と、前記第一倍音生成手段によって生成された第一倍音信号に基づいて、前記音楽信号の周波数の偶数倍の周波数から前記所定周波数前後にずれた非整数倍の周波数成分を含む第二倍音信号を生成する第二倍音生成手段と、を備え、前記第一倍音生成手段が、前記音楽信号のデジタル信号処理を行い該デジタル信号処理可能な信号レベルの最大値よりも大きい信号レベルが発生すると当該信号レベルを前記最大値に抑制するデジタル信号処理装置から構成され、前記第一倍音生成手段が、前記音楽信号の信号レベルに第一補正係数を乗じる第一補正係数乗算手段と、前記第一補正係数を乗じた信号レベルにさらに第二補正係数を乗じる第二補正係数乗算手段と、前記第一補正係数を乗じた信号レベルと予め定めた目標値を前記第二補正係数で除した値との差が０になるように前記第一補正係数を補正することにより、前記第一補正係数及び前記第二補正係数を乗じた前記音楽信号の信号レベルが前記最大値を越えるように前記第一補正係数を補正する係数補正手段と、前記第一補正係数及び前記第二補正係数を乗じた前記音楽信号の信号レベルに｛１／（前記第一補正係数×前記第二補正係数）｝を乗じてレベル補正を行って前記第一倍音信号を生成する第二レベル補正手段と、を有することを特徴とする倍音生成装置に存する。

請求項４記載の発明は、音楽信号の倍音を生成する倍音生成方法において、前記音楽信号に基づいて、前記音楽信号の周波数の奇数倍の周波数から所定周波数前後にずれた非整数倍の周波数成分を含む第一倍音信号を生成する工程と、前記第一倍音信号に基づいて、前記音楽信号の周波数の偶数倍の周波数から前記所定周波数前後にずれた非整数倍の周波数成分を含む第二倍音信号を生成する工程と、を順次行い、前記第一倍音信号を生成する工程において、前記音楽信号のデジタル信号処理を行い該デジタル信号処理可能な信号レベルの最大値よりも大きい信号レベルが発生すると当該信号レベルを前記最大値に抑制するデジタル信号処理装置が前記音楽信号の信号レベルに第一補正係数を乗じる工程と、前記デジタル信号処理装置が前記第一補正係数を乗じた信号レベルにさらに第二補正係数を乗じる工程と、前記デジタル信号処理装置が前記第一補正係数を乗じた信号レベルと予め定めた目標値を前記第二補正係数で除した値との差が０になるように前記第一補正係数を補正することにより、前記第一補正係数及び前記第二補正係数を乗じた前記音楽信号の信号レベルが前記最大値を越えるように前記第一補正係数を補正する工程と、前記デジタル信号処理装置が前記第一補正係数及び前記第二補正係数を乗じた前記音楽信号の信号レベルに｛１／（前記第一補正係数×前記第二補正係数）｝を乗じてレベル補正を行って前記第一倍音信号を生成する工程と、を行うことを特徴とする倍音生成方法に存する。

本発明に係る倍音生成装置の基本構成の一例を示す構成図である。 図１に示す第一倍音生成部の一例を示す構成図である。 図１に示す第一倍音生成部の一例を示す構成図である。 本発明に係る倍音生成装置を組み込んだ再生装置の一実施の形態を示すブロック図である。 図４に示す再生装置を構成するＤＳＰの構成を示すブロック図である。 （Ａ）は第一倍音生成部から生成された第一倍音信号の周波数特性を示し、（Ｂ）は第二フィルタ部から出力される第一倍音信号の周波数特性を示し、（Ｃ）は第二倍音信号の周波数特性を示し、（Ｄ）は第一倍音信号、第二倍音信号を加算した音楽信号の周波数特性を示すグラフである。 図５に示す第一倍音生成部の詳細な構成を示すブロック図である。 （Ａ）は第一レベル補正部によるレベル補正が行われる前の音楽信号の信号レベルであり、（Ｂ）は第一レベル補正部によるレベル補正が行われた後の音楽信号の信号レベルであり、（Ｃ）は第二レベル補正部によりレベル補正されて生成された第一倍音信号の信号レベルを示すタイムチャートである。 （Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ第一倍音信号を分解して得られた波形のタイムチャートである。 第一倍音信号を全波整流して得た第二倍音信号の信号レベルを示すタイムチャートである。 （Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ第二倍音信号を分解して得られた波形のタイムチャートである。

以下、本発明に係る倍音生成装置の一最良の形態を、図１〜図３の図面を参照して説明する。なお、図１〜図３は本発明に係る倍音生成装置の基本構成の一例を示す構成図である。

図１〜図３において、倍音生成装置は、音楽信号の倍音を生成する倍音生成装置において、音楽信号に基づいて、音楽信号の周波数の奇数倍の周波数から所定周波数前後にずれた非整数倍の周波数成分を含む第一倍音信号を生成する第一倍音生成部１と、第一倍音生成部１によって生成された第一倍音信号に基づいて、音楽信号の周波数の偶数倍の周波数から所定周波数前後にずれた非整数倍の周波数成分を含む第二倍音信号を生成する第二倍音生成部２と、を備え、第一倍音生成部１が、音楽信号のデジタル信号処理を行い該デジタル信号処理可能な信号レベルの最大値よりも大きい信号レベルが発生すると当該信号レベルを最大値に抑制するデジタル信号処理装置から構成され、第一倍音生成部１が、音楽信号の信号レベルに第一補正係数を乗じる第一補正係数乗算部１２Ａと、第一補正係数を乗じた信号レベルにさらに第二補正係数を乗じる第二補正係数乗算部１２Ｂと、第一補正係数を乗じた信号レベルと予め定めた目標値を第二補正係数で除した値との差が０になるように第一補正係数を補正することにより、第一補正係数及び第二補正係数を乗じた音楽信号の信号レベルが最大値を越えるように第一補正係数を補正する係数補正部１３と、第一補正係数及び第二補正係数を乗じた音楽信号の信号レベルに｛１／（第一補正係数×第二補正係数）｝を乗じてレベル補正を行って第一倍音信号を生成する第二レベル補正部１４と、を有する。

これによれば、第二倍音生成部２が非整数倍の周波数成分を含んだ第一倍音信号に基づいて偶数倍の周波数成分を含んだ第二倍音信号を生成することにより、音楽信号の偶数倍の周波数成分から所定周波数前後にずれた非整数倍の周波数成分を含む第二倍音信号を得ている。従って、第一倍音生成部１だけに非整数倍の周波数成分を発生させる構成を設けておけばよく、第一倍音生成部１と第二倍音生成部２との両者に非整数倍の周波数成分を発生させる構成を設ける必要がなく、簡単な構成で奇数倍及び偶数倍の周波数から前後にずれた非整数倍の周波数成分を得ることができる。しかも、第一倍音信号の奇数倍の周波数に対するズレ量と第二倍音信号の偶数倍の周波数に対するズレ量とを同じにすることができる。

また、係数補正部１３によって補正係数が変動するため、その変動周波数に応じた信号を第一倍音信号に乗算できる。このため、奇数倍の周波数から変動周波数（所定周波数）前後にずれた非整数倍の周波数成分を生成することができる。また、小信号レベルの音楽信号であっても第一補正係数乗算部１２Ａ及び第二補正係数乗算部１２Ｂのレベル補正により信号レベルが最大値を越えるため、確実に音楽信号の信号レベルを抑制して倍音を発生させることができる。即ち、小信号レベルの音楽信号であっても確実に倍音を生成することができる。しかも、デジタル信号処理装置をオーバーフローさせて倍音を生成することができるため、デジタル信号処理装置に非線形関数に従って演算処理などを行わせなくても倍音を生成することができ、少ない演算処理で倍音を生成することができる。

また、係数補正部１３が、信号レベルが目標値よりも小さい（目標値／第二補正係数）になるように第一補正係数を補正する。このため、目標値を最大値に近い値に設定しても、信号レベルに第一補正係数を乗じた時点で信号レベルが最大値を越えないようにすることができ、係数補正部１３がデジタル信号処理装置のオーバーフローの影響を受けることなく第一補正係数の補正を行うことができる。

また、倍音生成装置は、音楽信号に第一倍音信号及び第二倍音信号の両信号を加算する加算部（加算手段）４を備えていてもよい。

これによれば、音楽信号に奇数倍及び偶数倍の周波数から前後にずれた非整数倍の周波数成分を加算することができる。

また、倍音生成装置は、第二倍音生成部２が、第一倍音信号を全波整流する全波整流部２１から構成されていてもよい。

これによれば、全波整流部２１を用いた簡単な構成で第二倍音信号を生成することができる。

また、本発明の一実施の形態に係る倍音生成方法は、音楽信号の倍音を生成する倍音生成方法において、前記音楽信号に基づいて、前記音楽信号の周波数の奇数倍の周波数から所定周波数前後にずれた非整数倍の周波数成分を含む第一倍音信号を生成する工程と、前記第一倍音信号に基づいて、前記音楽信号の周波数の偶数倍の周波数から前記所定周波数前後にずれた非整数倍の周波数成分を含む第二倍音信号を生成する工程と、を順次行い、前記第一倍音信号を生成する工程において、前記音楽信号のデジタル信号処理を行い該デジタル信号処理可能な信号レベルの最大値よりも大きい信号レベルが発生すると当該信号レベルを前記最大値に抑制するデジタル信号処理装置が前記音楽信号の信号レベルに第一補正係数を乗じる工程と、前記デジタル信号処理装置が前記第一補正係数を乗じた信号レベルにさらに第二補正係数を乗じる工程と、前記デジタル信号処理装置が前記第一補正係数を乗じた信号レベルと予め定めた目標値を前記第二補正係数で除した値との差が０になるように前記第一補正係数を補正することにより、前記第一補正係数及び前記第二補正係数を乗じた前記音楽信号の信号レベルが前記最大値を越えるように前記第一補正係数を補正する工程と、前記デジタル信号処理装置が前記第一補正係数及び前記第二補正係数を乗じた前記音楽信号の信号レベルに｛１／（前記第一補正係数×前記第二補正係数）｝を乗じてレベル補正を行って前記第一倍音信号を生成する工程と、を行う。

これによれば、非整数倍の周波数成分を含んだ第一倍音信号に基づいて偶数倍の周波数成分を含んだ第二倍音信号を生成することにより、音楽信号の偶数倍の周波数成分から所定周波数前後にずれた非整数倍の周波数成分を含む第二倍音信号を得ている。従って、第一倍音信号を生成する装置だけに非整数倍の周波数成分を発生させる構成を設けておけばよく、第一倍音生信号、第二倍音信号それぞれを生成する装置の両方に非整数倍の周波数成分を発生させる構成を設ける必要がなく、簡単な構成で奇数倍及び偶数倍の周波数から前後にずれた非整数倍の周波数成分を得ることができる。しかも、第一倍音信号の奇数倍の周波数に対するズレ量と第二倍音信号の偶数倍の周波数に対するズレ量とを同じにすることができる。

また、補正係数が変動するため、その変動周波数に応じた信号を第一倍音信号に乗算できる。このため、奇数倍の周波数から変動周波数（所定周波数）前後にずれた非整数倍の周波数成分を生成することができる。また、小信号レベルの音楽信号であってもデジタル信号処理装置のレベル補正により信号レベルが最大値を越えるため、確実に音楽信号の信号レベルを抑制して倍音を発生させることができる。即ち、小信号レベルの音楽信号であっても確実に倍音を生成することができる。しかも、デジタル信号処理装置をオーバーフローさせて倍音を生成することができるため、デジタル信号処理装置に非線形関数に従って演算処理などを行わせなくても倍音を生成することができ、少ない演算処理で倍音を生成することができる。

また、デジタル信号処理装置によって信号レベルが目標値よりも小さい（目標値／第二補正係数）になるように第一補正係数を補正する。このため、目標値を最大値に近い値に設定しても、信号レベルに第一補正係数を乗じた時点で信号レベルが最大値を越えないようにすることができ、デジタル信号処理装置のオーバーフローの影響を受けることなく第一補正係数の補正を行うことができる。

次に、上述した倍音生成装置を音楽再生装置に組み込む場合の実施例を以下説明する。なお、図４は倍音生成装置及びデジタル信号処理装置を組み込んだ音楽再生装置の構成の一例を示す構成図である。

この音楽再生装置は、例えばＤＶＤ（Digital Versatile Disc）やＣＤ（Compact Disc）、ハードディスク（Hard Disk）などの記録媒体に記録されているデジタルの音楽信号をスピーカによって再生可能な信号に処理する。この音楽再生装置１００には、処理した音楽情報を再生する出力部２００が接続されている。

出力部２００は、音楽再生装置１００から出力される音楽信号を再生出力する。この出力部２００は、デジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器２１０と、アンプ２２０と、スピーカ２３０とを備えている。Ｄ／Ａ変換器２１０は、音楽再生装置１００に接続され、音楽再生装置１００から出力されるデジタルの音楽信号をアナログに変換する。そして、Ｄ／Ａ変換器２１０は、アナログに変換した音楽信号をアンプ２２０へ出力する。

アンプ２２０は、Ｄ／Ａ変換器２１０に接続されているとともに、スピーカ２３０に接続されている。このアンプ２２０は、Ｄ／Ａ変換器２１０から出力されるアナログの音楽信号を増幅してスピーカ２３０から出力させる。

音楽再生装置１００は、上述した記憶媒体から読み取ったデジタルの音楽信号が入力されるＤＩＲ（Digital Interface Receiver：デジタルインタフェースレシーバ）１０１と、圧縮された音楽信号を復調するデコーダ１０２と、復調された音楽信号の例えばミキシング処理やエフェクト処理などの各種信号処理を行うＤＳＰ（Digital Signal Processor：デジタル信号処理装置）１０３と、ＤＳＰ１０３を制御するＣＰＵ１０４とから構成されている。

上述したＤＳＰ１０３は、デジタル信号処理可能な信号レベルの最大値ｘ_ｍａｘ（＝所定値）よりも大きい信号レベルが発生するとオーバーフローして、その信号レベルを最大値ｘ_ｍａｘに抑制（クリップ）する。通常、デジタルの音楽信号の信号レベルは、ＤＳＰ１０３の最大値ｘ_ｍａｘを越えないようになっている。なお、上記信号レベルは絶対値である。

次に、上述したＤＳＰ１０３の構成について図５を参照して以下説明する。ＤＳＰ１０３は図示しないメモリに記憶されたプログラムにより、第一フィルタ部５と、第一倍音生成部１と、第一増幅部６と、全波整流部２１と、第二増幅部７と、第一加算部４Ａと、第二フィルタ部８と、第二加算部４Ｂとを備えている。第一フィルタ部５は、音楽信号から所定周波数帯のみを抽出する。第一倍音生成部１は、第一倍音生成手段として働き、第一フィルタ部５によって抽出された音楽信号の周波数をｆとすると、図６（Ａ）に示すように、音楽信号に基づいて奇数倍の周波数ｆ、３ｆ、５ｆ…から所定周波数Δｆ前後にずれた非整数倍の周波数成分を含んだ第一倍音信号を生成する。

第一増幅部６は、第一倍音信号を増幅する。全波整流部２１は、第二倍音生成手段として働き、増幅前の第一倍音信号を全波整流して、偶数倍の周波数成分を含んだ第二倍音信号を生成する。第一倍音信号を全波整流すると、図６（Ｂ）に示すように、偶数倍の周波数２ｆ、４ｆ…から所定周波数Δｆ前後にずれた非整数倍の周波数成分を含んだ第二倍音信号が生成される。

第二増幅部７は、第二倍音信号を増幅する。第一加算部４Ａは、上記第一倍音信号及び第二倍音信号を加算する。第二フィルタ部８は、図６（Ｃ）に示すように、第一倍音信号及び第二倍音信号を加算した信号から上記所定周波数帯を除去して倍音成分のみを取り出す。第二加算部４Ｂは、図６（Ｃ）に示す第二フィルタ部８の出力信号を音楽信号に加算して、図６（Ｄ）に示すように、音楽信号に偶数倍及び奇数倍の周波数２ｆ、３ｆ、４ｆ…から所定周波数Δｆ前後にずれた非整数倍の周波数成分を得る。なお、上述した第一加算部４Ａ及び第二加算部４Ｂが、加算手段としての加算部４を構成している。

次に、図７を参照して、上記第一倍音生成部１の構成について説明する。同図に示すように、第一倍音生成部１は、音楽信号の信号レベルに補正係数２Ｗを乗じる第一レベル補正手段としての第一レベル補正部１２と、補正係数２Ｗを乗じた音楽信号の信号レベルがＤＳＰ１０３の最大値Ｘ_ｍａｘを越えるように補正係数２Ｗを補正する係数補正手段としての係数補正部１３と、音楽信号の信号レベルに（１／補正係数２Ｗ）を乗じる第二レベル補正手段としての第二レベル補正部１４とから構成されている。

上述した第一レベル補正部１２は、音楽信号の信号レベルｘに第一補正係数Ｗを乗じる第一補正係数乗算手段としての第一補正係数乗算部１２Ａと、信号レベルｘに第一補正係数Ｗを乗じた値（以下ｘ・Ｗ）にさらに２（＝第二補正係数）を乗じる第二補正係数乗算手段としての第二補正係数乗算部１２Ｂとを備えている。また、係数補正部１３は、ｘ・Ｗと予め定めた目標値Ｖを２で除した値（＝以下Ｖ／２）との差が０になるように第一補正係数Ｗを補正する。上記第一補正係数乗算部１２Ａと係数補正部１３との間には、信号レベルｘに第一補正係数Ｗを乗じた値の絶対値（以下｜ｘ・Ｗ｜）を係数補正部１３に出力する絶対値部１５が設けられている。なお、本実施例では、目標値Ｖは最大値Ｘ_ｍａｘよりも高い値に設定されている。

上述した係数補正部１３は、上記（Ｖ／２）から上記｜ｘ・Ｗ｜を減算する減算部１３Ａと、その減算値ｅ（＝（Ｖ／２）−｜ｘ・Ｗ｜）にステップサイズαを乗じた値α・ｅを基に、ｘ・ＷがＶ／２に近づくように適応信号処理によって第一補正係数Ｗを補正する補正部１３Ｂとを備えている。

上記補正部１３Ｂによって（ｎ−１）回目の補正が行われた時点での第一補正係数をＷ（ｎ）、ｎ回目の補正が行われた時点での第一補正係数をＷ（ｎ−１）としたときＷ（ｎ）とＷ（ｎ−１）とは以下の式（１）に示す関係となる。なお、ｎは任意の整数である。
Ｗ（ｎ）＝Ｗ（ｎ−１）＋｜ｘ｜αｅ
＝Ｗ（ｎ−１）＋｜ｘ｜α（Ｖ／２−｜ｘ・Ｗ｜） …（１）

上記式（１）から明らかなように、係数補正部１３は、｜ｘ・Ｗ｜が（Ｖ／２）よりも大きければαｅがマイナスとなり、第一補正係数Ｗが小さくなるように補正され、｜ｘ・Ｗ｜が（Ｖ／２）よりも小さければαｅがプラスとなり、第一補正係数Ｗが大きくなるように補正される。また、｜ｘ・Ｗ｜と（Ｖ／２）との差が大きければαｅの値も大きくなり、大きいαｅが第一補正係数Ｗに加算又は減算され、｜ｘ・Ｗ｜と（Ｖ／２）との差が小さければαｅが小さくなり、小さいαｅが第一補正係数Ｗに加算又は減算される。即ち、係数補正部１３は、信号レベルｘに第一補正係数Ｗを乗じた値｜ｘ・Ｗ｜がＶ／２となるように第一補正係数Ｗの補正を行う。これにより、第一補正係数乗算部１２Ａによって音楽信号の信号レベルｘがＶ／２に近づくようにレベル補正され、第二補正係数乗算部１１Ｂによって音楽信号の信号レベルｘがＶに近づくようにレベル補正される。

次に、上述したＤＳＰ１０３内での信号処理動作について、図８〜図１１を参照して以下説明する。今、ＤＳＰ１０３内に図８（Ａ）に示すような正弦波の音楽信号が入力されたとする。第一レベル補正部１２は、上述したように図８（Ａ）に示す音楽信号の信号レベルｘが目標値Ｖに近づくように信号レベルｘに補正係数２Ｗを乗じて信号レベルｘを補正する。この結果、図８（Ｂ）の点線で示すように音楽信号の信号レベルが目標値Ｖに対してオーバーシュート、アンダーシュートを繰り返すような補正係数２Ｗが信号レベルｘに乗算される。目標値Ｖは最大値ｘ_ｍａｘよりも大きな値に設定されている。

信号レベルが最大値ｘ_ｍａｘを越えると、ＤＳＰ１０３がオーバーフローして最大値ｘ_ｍａｘを越える信号レベルを最大値ｘ_ｍａｘに抑制する。従って、第一レベル補正部１２により、図８（Ｂ）に示すように最大値ｘ_ｍａｘを越えた部分が歪み、倍音成分が発生した音楽信号が得られる。その後、第二レベル補正部１４が、図８（Ｂ）に示す音楽信号の信号レベルに（１／補正係数２Ｗ）を乗じて信号レベルが第一レベル補正部１２による補正が行われる前のレベルに戻す。これにより、図８（Ｃ）に示すように信号レベルが歪み、倍音成分が発生した第一倍音信号が得られる。以上のことから明らかなようにＤＳＰ１０３が倍音発生手段に相当する。

なお本実施例では目標値Ｖとしては最大値ｘ_ｍａｘよりも大きく設定していたが、第一レベル補正部１２のレベル補正により信号レベルが目標値Ｖをオーバーシュートして、最大値ｘ_ｍａｘを越えるようであれば最大値ｘ_ｍａｘよりも小さい値に設定してもよい。即ち、目標値Ｖは音楽信号の信号レベルが最大値ｘ_ｍａｘを越えるような値に設定されていればよい。

図８（Ｃ）に示す第一倍音信号の波形を分解すると、図９（Ａ）及び（Ｂ）の波形を得ることができる。つまり、第一倍音信号は、図９（Ａ）に示す信号と、図９（Ｂ）に示す正弦波の乗算で表すことができる。同図（Ａ）に示す信号をフーリエ変換すると、オリジナルの音楽信号の周波数ｆの奇数倍ｆ、３ｆ、５ｆ…の倍音が生成されることが分かる。一方、図８（Ｃ）の第一倍音信号は、二点鎖線で示すようにゆっくりと揺らいでおり、図９（Ｂ）に示すような低周波の正弦波が存在することがわかる。これは、係数補正部１３によって補正係数２Ｗが変動するため、その変動周波数（所定周波数）に応じた信号が第一倍音信号に乗算されるためである。

一般的に、２つの信号を乗算した信号が含む周波数成分は、各信号の周波数成分ｆ_１、ｆ_２の畳み込み（ｆ_１＋ｆ_２）、（ｆ_１−ｆ_２）で表されることが知られている。上述したように図９（Ａ）に示す信号が、オリジナルの音楽信号の周波数ｆの奇数倍ｆ、３ｆ、５ｆ…の周波数成分を有し、図９（Ｂ）に示す正弦波が、所定周波数Δｆの周波数成分を有しているとする。図９（Ａ）に示す信号と図９（Ｂ）に示す正弦波とを乗算した図８（Ｃ）に示す第一倍音信号は、図６（Ａ）に示すように、（ｆ＋Δｆ）、（ｆ−Δｆ）、（３ｆ＋Δｆ）、（３ｆ−Δｆ）、（５ｆ＋Δｆ）、（５ｆ−Δｆ）…の周波数成分を有する。即ち、奇数倍の周波数からΔｆ前後にずれた非整数倍の周波数成分を含んだ第一倍音信号が生成される。

以上のことから明らかなように、所定周波数Δｆは、補正部１３Ｂのステップサイズαによって調整することができる。つまり、ステップサイズαを大きくすれば、補正係数２Ｗの変動周波数が大きくなり、所定周波数Δｆが大きくなる。一方、ステップサイズαを小さくすれば、補正係数２Ｗの変動周波数が小さくなり、所定周波数Δｆが小さくなる。

さらに、全波整流部２１により上記第一倍音信号を全波整流すると、図１０に示すような第二倍音信号が得られる。この図１０に示す第一倍音信号の波形を分解すると、図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）の波形を得ることができる。つまり、第二倍音信号は、図１１（Ａ）に示す信号と、図１１（Ｂ）に示す正弦波の乗算で表すことができる。図１１（Ａ）は、図９（Ａ）に示す信号を全波整流した波形に相当する。

図１１（Ｂ）は、図９（Ｂ）と同じ正弦波である。上記図１１（Ａ）に示す信号は、オリジナルの音楽信号の周波数ｆの偶数倍の２ｆ、４ｆ…の周波数成分を有している。図１１（Ａ）に示す信号と図１１（Ｂ）に示す正弦波とを乗算した図１０（Ｃ）に示す第二倍音信号は、図６（Ｃ）に示すように、（２ｆ＋Δｆ）、（２ｆ−Δｆ）、（４ｆ＋Δｆ）、（４ｆ−Δｆ）、（６ｆ＋Δｆ）、（６ｆ−Δｆ）…の周波数成分を有する。即ち、偶数倍の周波数からΔｆ前後にずれた非整数倍の周波数成分を含んだ第二倍音信号が生成される。

次に、上述した構成の音楽再生装置１００全体の動作について以下説明する。まず、記録媒体などから読み取ったデジタルの音楽信号がＤＩＲ１０１を介してデコーダ１０２に入力される。デコーダ１０２は、ＭＰ３やＷＭＡといった圧縮形式で圧縮された音楽信号を復調して、ＤＳＰ１０３に対して供給する。ＤＳＰ１０３により、図６（Ｄ）に示すように音楽信号に偶数倍及び奇数倍の周波数２ｆ、３ｆ、４ｆ…から所定周波数Δｆ前後にずれた非整数倍の周波数成分を得る。倍音成分が付加された音楽信号はその後各種信号処理を施された後、Ｄ／Ａ変換器２１０に出力される。

Ｄ／Ａ変換器２１０は、倍音成分が付加されたデジタルの音楽信号をアナログに変換した後、アンプ２２０を介してスピーカ２３０に出力する。そして、スピーカ２３０によって倍音成分が付加された音楽信号が再生される。

上述した音楽再生装置１００によれば、音楽信号に基づいてその奇数倍の周波数成分を含んだ信号と所定周波数の信号とを乗算した第一倍音信号を生成して、この第一倍音信号に奇数倍の周波数から所定周波数前後にずれた非整数倍の周波数成分を発生させる第一倍音生成部１と、第一倍音信号に基づいて偶数倍の周波数成分を含んだ第二倍音信号を生成する全波整流部２１とを備えている。即ち、第二倍音生成手段としての全波整流部２１が非整数倍の周波数成分を含んだ第一倍音信号に基づいて偶数倍の周波数成分を含んだ第二倍音信号を生成することにより、音楽信号の偶数倍の周波数成分からΔｆ前後にずれた非整数倍の周波数成分を含む第二倍音信号を得ている。これにより、第一倍音生成部１だけに非整数倍の周波数成分を発生させる構成を設けておけばよく、第二倍音生成手段としては上記全波整流部２１のような簡単な構成で奇数倍及び偶数倍の周波数から前後にずれた非整数倍の周波数成分を得ることができる。しかも、第一倍音信号の奇数倍の周波数に対するズレ量Δｆと第二倍音信号の偶数倍の周波数に対するズレ量Δとを同じにすることができる。

また、上述した音楽再生装置１００によれば、音楽信号に基づいてその奇数倍の周波数成分を含んだ信号と所定周波数の信号とを乗算した第一倍音信号を生成して、この第一倍音信号に奇数倍の周波数から前記所定周波数前後にずれた非整数倍の周波数成分を発生させる工程と、第一倍音信号に基づいて奇数倍の周波数成分を含んだ第二倍音信号を生成する工程とを順次行っている。これにより、第一倍音生成部１だけに非整数倍の周波数成分を発生させる構成を設けておけばよく、第二倍音生成手段としては上記全波整流部２１のような簡単な構成で奇数倍及び偶数倍の周波数から前後にずれた非整数倍の周波数成分を得ることができる。しかも、第一倍音信号の奇数倍の周波数に対するズレ量Δｆと第二倍音信号の偶数倍の周波数に対するズレ量Δとを同じにすることができる。

また、上述した音楽再生装置１００のＤＳＰ１０３によれば、奇数倍の周波数から前後にずれた周波数を含む第一倍音信号（＝奇数次倍音）と、偶数倍の周波数から前後にずれた周波数を含む第二倍音信号（＝偶数次倍音）とをそれぞれ別々に生成することができるため、第一増幅器６、第二増幅器７の増幅ゲインを調整して奇数次倍音と偶数次倍音とのバランスを簡単に制御することができる。

また、上述したＤＳＰ１０３によれば、音楽信号に第一倍音信号及び第二倍音信号の両信号を加算する加算部４を設けることにより、音楽信号に奇数倍及び偶数倍の周波数から前後にずれた非整数倍の周波数成分を加算することができる。

また、上述したＤＳＰ１０３によれば、第二倍音生成手段が、第一倍音信号を全波整流する全波整流部２１から構成されているので、簡単な構成で第二倍音信号を生成することができる。

上述したＤＳＰ１０３によれば、係数補正部１３によって補正係数２Ｗが変動するため、図９（Ａ）、（Ｂ）に示すように、その変動周波数に応じた信号を第一倍音信号に乗算できる。このため、奇数倍の周波数から変動周波数（所定周波数）前後にずれた非整数倍の周波数成分を生成することができる。また、小信号レベルの音楽信号であっても第一レベル補正部１２のレベル補正により信号レベルがＤＳＰ１０３の最大値Ｘ_ｍａｘを越えるため、確実に倍音発生部１１によって音楽信号の信号レベルを抑制して倍音を発生させることができる。即ち、小信号レベルの音楽信号であっても確実に倍音を生成することができる。しかも、ＤＳＰ１０３をオーバーフローさせて倍音を生成することができるため、ＤＳＰ１０３に非線形関数に従って演算処理などを行わせなくても倍音を生成することができ、少ない演算処理で倍音を生成することができる。

また、上述したＤＳＰ１０３によれば、第一レベル補正部１２が信号レベルに乗じる補正係数２Ｗを第一補正係数乗算部１２Ａと第二補正係数乗算部１２Ｂとによって２回に分けて乗算している。そして、係数補正部１３が、信号レベルｘに第一補正係数Ｗを乗じた値ｘ・Ｗが目標値Ｖよりも小さい（Ｖ／２）になるように第一補正係数Ｗを補正している。たとえば、係数補正部１３によってｘ・Ｖが目標値Ｖになるように第一補正係数Ｗを補正した場合、信号レベルに第一補正係数Ｗを乗じた時点で信号レベルが最大値ｘ_ｍａｘを越えてしまい、係数補正部１３は最大値と目標値Ｖとの差が０になるように補正係数の補正を行ってしまい、ｘ・Ｖと目標値Ｖとの差が０になるような補正係数の補正を行うことができない。しかし本実施例では、目標値Ｖを最大値ｘ_ｍａｘに近い値に設定しても、信号レベルに第一補正係数Ｗを乗じた時点で信号レベルが最大値ｘ_ｍａｘを越えないようにすることができ、係数補正部１３がＤＳＰ１０３のオーバーフローの影響を受けることなく第一補正係数Ｗの補正を行うことができる。

また、上述したＤＳＰ１０３によれば、第一フィルタ部５によって音楽信号から所定周波数帯のみを抽出している。そして、該抽出した所定周波数帯の音楽信号に倍音成分を発生させた後、第二フィルタ部８によって所定周波数帯を除去して倍音成分のみを抽出して、最後に第二加算部４Ｂによって元の音楽信号に倍音成分を加算している。これによれば、音楽信号を構成する周波数帯のうち所定周波数帯が特に良く聞こえる音楽信号を得ることができる。たとえば、所定周波数帯をボーカル領域となるように設定すると、ボーカルがより響く音楽信号となり、所定周波数帯を低音領域となるように設定すると、低音がより響く音楽信号となる。

なお、本実施形態では、ＭＰ３やＷＭＡなどの圧縮形式で圧縮させた音楽信号に倍音を発生していたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、ＣＤに録音されているような高音域がカットされた音楽信号に倍音を発生させても同様の効果を得ることができる。

また、上述した実施例によれば、第二倍音生成手段として全波整流部２１を用いていたが、本発明はこれに限ったものではない。第二倍音生成手段としては、入力信号の周波数に対して偶数倍の倍音を生成するものであればよく、例えばゼロクロス法、べき乗法などを用いたものであってもよい。

また、上述した実施例によれば、第一倍音生成手段として補正係数２Ｗを変動させることにより、音楽信号に基づいその奇数倍の周波数成分を含んだ信号と補正係数２Ｗの変動周波数（所定周波数）の信号とを乗算した第一倍音信号を生成するものを用いていたが、本発明はこれに限ったものではない。第一倍音生成手段としては、例えば、音楽信号に基づいてその奇数倍の周波数成分を含んだ倍音信号を生成させる奇数次倍音生成部と、この奇数次倍音生成部が奇数倍の周波数成分を発生させる前の音楽信号、または奇数次倍音生成部によって生成された倍音信号に所定周波数の正弦波（信号）を乗算する乗算部とから構成しても良い。奇数次倍音生成部としては、波形を歪ませて奇数倍の周波数を発生させるコンプレッサーやピークホールド回路など色々なものが提案されている。

また、上述した実施例によれば、加算部４は、第一倍音信号と第二倍音信号とを加算した後に、その加算信号を音楽信号に加算していたが、本発明はこれに限ったものではない。加算部４としては、第一倍音信号及び第二倍音信号を音楽信号に加算できればよく、例えば第一倍音信号及び第二倍音信号を各々別々に音楽信号に加算するようにしてもよい。

また、上述した実施例によれば、ＤＳＰ１０３をオーバーフローさせて倍音を生成しているが、本発明はこれに限ったものではない。たとえば、ＤＳＰ１０３に所定値を越える信号レベルを所定値に抑制する非線形関数の演算を行わせるプログラムを組み込んで倍音を生成できるようにしてもよい。この場合、上記所定値を上記最大値ｘ_ｍａｘよりも小さい値に設定して、第一レベル補正部１２に音楽信号の信号レベルが所定値を越えるように音楽信号の信号レベルに補正係数を乗じてレベル補正を行わせれば、上記ＤＳＰ１０３の非線形演算により倍音を生成することができる。

また、所定値を上記最大値ｘ_ｍａｘよりも小さい値に設定すれば、第一レベル補正部１２としては、信号レベルに補正係数を乗じる補正係数乗算部と、信号レベルに補正係数を乗じた値と目標値Ｖとが０になるように補正係数を補正する係数補正部とから構成してもよい。

また、所定値を越える信号レベルを所定値に抑制するような入出力特性を有するアナログのコンプレッサーを倍音発生手段としてもよい。この場合も、上記所定値を上記最大値ｘ_ｍａｘよりも小さい値に設定して、ＤＳＰ１０３の第一レベル補正部１２に音楽信号の信号レベルが所定値を越えるように音楽信号の信号レベルに補正係数を乗じてレベル補正を行わせる。そして、第一レベル補正部１２によりレベル補正を行った音楽信号をＤ／Ａ変換して、アナログの音楽信号に変換した後に、上記アナログのコンプレッサーに供給すれば倍音を生成することができる。

また、上述した実施例によれば、第二補正係数乗算部１２Ｂでは第二補正係数として２を乗じていたが、本発明はこれに限ったものではない。第二補正係数としては、目標値Ｖ／第二補正係数が上記最大値ｘ_ｍａｘよりも小さい値になればどんな値でもよい。

また、上述した実施例によれば、第一及び第二レベル補正部１２、１４をＤＳＰ１０３で構成していたが、本発明はこれに限ったものではなく、同等の働きをするアナログ回路で構成してもよい。

また、上述した実施例によれば、第一レベル補正手段としては、信号レベルｘを目標値（Ｖ／２）に近づける評価値として、誤差ｅそのものを用いていたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、評価値として二乗誤差ｅ^２を用いてこの二乗誤差ｅ^２が０になるように補正係数Ｗを補正してもよい。即ち、第一レベル補正手段としては、本発明の目的に反しない限りどんなアルゴリズムであってもよい。

また、前述した実施例は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

Ｘ_ｍａｘ 最大値
１ 第一倍音生成部（第一倍音生成手段）
２ 第二倍音生成部（第二倍音生成手段）
４ 加算部（加算手段）
２１ 全波整流部
１２ 第一レベル補正部（第一レベル補正手段）
１２Ａ 第一補正係数乗算部（第一補正係数乗算手段）
１２Ｂ 第二補正係数乗算部（第二補正係数乗算手段）
１３ 係数補正手段（係数補正部）
１４ 第二レベル補正部（第二レベル補正手段）
１０３ ＤＳＰ（倍音発生手段）

Claims (4)

1. 音楽信号の倍音を生成する倍音生成装置において、
   前記音楽信号に基づいて、前記音楽信号の周波数の奇数倍の周波数から所定周波数前後にずれた非整数倍の周波数成分を含む第一倍音信号を生成する第一倍音生成手段と、
   前記第一倍音生成手段によって生成された第一倍音信号に基づいて、前記音楽信号の周波数の偶数倍の周波数から前記所定周波数前後にずれた非整数倍の周波数成分を含む第二倍音信号を生成する第二倍音生成手段と、を備え、
   前記第一倍音生成手段が、前記音楽信号のデジタル信号処理を行い該デジタル信号処理可能な信号レベルの最大値よりも大きい信号レベルが発生すると当該信号レベルを前記最大値に抑制するデジタル信号処理装置から構成され、
   前記第一倍音生成手段が、前記音楽信号の信号レベルに第一補正係数を乗じる第一補正係数乗算手段と、
   前記第一補正係数を乗じた信号レベルにさらに第二補正係数を乗じる第二補正係数乗算手段と、
   前記第一補正係数を乗じた信号レベルと予め定めた目標値を前記第二補正係数で除した値との差が０になるように前記第一補正係数を補正することにより、前記第一補正係数及び前記第二補正係数を乗じた前記音楽信号の信号レベルが前記最大値を越えるように前記第一補正係数を補正する係数補正手段と、
   前記第一補正係数及び前記第二補正係数を乗じた前記音楽信号の信号レベルに｛１／（前記第一補正係数×前記第二補正係数）｝を乗じてレベル補正を行って前記第一倍音信号を生成する第二レベル補正手段と、を有する
   ことを特徴とする倍音生成装置。
2. 前記音楽信号に前記第一倍音信号及び前記第二倍音信号の両信号を加算する加算手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の倍音生成装置。
3. 前記第二倍音生成手段が、前記第一倍音信号を全波整流する全波整流部から構成されることを特徴とする請求項１又は２記載の倍音生成装置。
4. 音楽信号の倍音を生成する倍音生成方法において、
   前記音楽信号に基づいて、前記音楽信号の周波数の奇数倍の周波数から所定周波数前後にずれた非整数倍の周波数成分を含む第一倍音信号を生成する工程と、
   前記第一倍音信号に基づいて、前記音楽信号の周波数の偶数倍の周波数から前記所定周波数前後にずれた非整数倍の周波数成分を含む第二倍音信号を生成する工程と、を順次行い、
   前記第一倍音信号を生成する工程において、
   前記音楽信号のデジタル信号処理を行い該デジタル信号処理可能な信号レベルの最大値よりも大きい信号レベルが発生すると当該信号レベルを前記最大値に抑制するデジタル信号処理装置が前記音楽信号の信号レベルに第一補正係数を乗じる工程と、
   前記デジタル信号処理装置が前記第一補正係数を乗じた信号レベルにさらに第二補正係数を乗じる工程と、
   前記デジタル信号処理装置が前記第一補正係数を乗じた信号レベルと予め定めた目標値を前記第二補正係数で除した値との差が０になるように前記第一補正係数を補正することにより、前記第一補正係数及び前記第二補正係数を乗じた前記音楽信号の信号レベルが前記最大値を越えるように前記第一補正係数を補正する工程と、
   前記デジタル信号処理装置が前記第一補正係数及び前記第二補正係数を乗じた前記音楽信号の信号レベルに｛１／（前記第一補正係数×前記第二補正係数）｝を乗じてレベル補正を行って前記第一倍音信号を生成する工程と、を行う
   ことを特徴とする倍音生成方法。

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