JP4882382B2 - オーディオ信号の帯域拡張装置 - Google Patents

Description

この発明は、圧縮オーディオの再生の際の音質改善のための手段として好適な帯域拡張装置に関する。

デジタルオーディオの分野では、原音のオーディオ信号をデジタル符号化して録音等を行う場合に、再生時における折り返し雑音の発生を防ぐため、オーディオ信号からナイキスト周波数（サンプリング周波数の１／２）以上の帯域の信号を予め除去した上で、サンプリングおよびデジタル符号化を行う。従って、デジタル符号化により得られたデジタルオーディオ信号を再生すると、原音に含まれていたナイキスト周波数以上の高域のスペクトルが欠落した音が再生されることとなる。しかし、聴感上自然で心地よい再生音を得るためには、再生対象であるオーディオ信号になるべく高域のスペクトルが含まれていた方が好ましい。このため、オーディオ再生装置の中には、再生対象である信号をオーバサンプリングするとともに、オーバサンプリング後の信号に高調波を付加して帯域を拡張する高調波生成方式の帯域拡張装置が設けられたものもある。

図１０はこの種の帯域拡張装置において一般的に行われる帯域拡張の処理内容を示すものである。まず、帯域拡張装置の高調波生成器１は、入力オーディオ信号Ｓ１に所定の信号処理を施し、スペクトル分布が入力オーディオ信号Ｓ１のスペクトル分布よりも高域側に拡張された高調波信号Ｓ２を生成する（図１０（ａ）（ｂ）参照）。帯域拡張装置のＨＰＦ（ハイパスフィルタ）２は、この高調波信号Ｓ２からカットオフ周波数ｆｃ以上の帯域の信号Ｓ３を選択して出力する（図１０（ｂ）（ｃ）参照）。そして、帯域拡張装置の加算器３は、入力オーディオ信号Ｓ１とＨＰＦ２の出力信号Ｓ３を加算し、帯域拡張のなされた信号Ｓ４を出力する（図１０（ｄ）参照）。
特開２００３−１０８１９７号公報 特開２００３−１４０６９６号公報

ところで、ＭＰ３（ＭＰＥＧ Ａｕｄｉｏ Ｌａｙｅｒ−３）やＡＡＣ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ａｕｄｉｏ Ｃｏｄｉｎｇ）などの圧縮オーディオでは、圧縮効率を高めるため、圧縮符号化の際、処理対象であるオーディオ信号のナイキスト周波数寄りの高域成分のデータを除去することが一般に行われている。例えばＭＰ３やＡＡＣにおいてサンプリング周波数が４４．１ｋＨｚの場合、１４ｋＨｚ〜２２．０５ｋＨｚの帯域に対応したデータが除去される。従って、このような圧縮符号化により得られたデータを復号化し、音として再生すると、圧縮符号化前のオーディオ信号が有していたナイキスト周波数寄りの高域成分が欠落した音が再生されることとなる。その際の音質を高めるためには、上述した帯域拡張装置を利用し、復号化により得られるオーディオ信号に対して高域スペクトルを補った上で音として再生するのが好ましい。

しかしながら、圧縮符号化の際に、どの程度の帯域のデータを除去するかは、圧縮符号化データのビットレートやエンコーダの構成により区々であり、例えばビットレートが高い場合には除去される帯域が１８ｋＨｚ〜２２．０５ｋＨｚになる等、圧縮符号化データの持つスペクトルの実質帯域が変化する。このため、圧縮符号化データから復号されたオーディオ信号に上述した帯域拡張を行うと、そのオーディオ信号の実質帯域とＨＰＦ２のカットオフ周波数ｆｃとの関係如何によっては適切な帯域拡張信号が得られない場合がある。

例えば、図１１に示すように、処理対象であるオーディオ信号Ｓ１の実質帯域の上限周波数ｆｕに比べて、ＨＰＦ２のカットオフ周波数ｆｃが高い場合、帯域拡張により得られる信号Ｓ４は、周波数軸上、途中に音のない部分のある信号となり、これを音として再生すると、高域の音量感が不自然になる。また、図１２に示すように、処理対象であるオーディオ信号Ｓ１の実質帯域の上限周波数ｆｕに比べて、ＨＰＦ２のカットオフ周波数ｆｃが低い場合、帯域拡張により得られる信号Ｓ４は、周波数軸上においてオーディオ信号Ｓ１の帯域とＨＰＦ２の出力信号Ｓ３の帯域との重複部分の音量が強調されたものとなり、これを音として再生すると、高域の音量が大きくなり過ぎる。

特許文献１は、入力オーディオ信号の周波数解析を行ってスペクトル情報を取得し、入力オーディオ信号のスペクトル分布における高域側の一部のスペクトルを、そのスペクトル分布の高域側に外挿したスペクトル分布のスペクトル情報を求め、このスペクトル情報を時間領域の信号に戻すことにより帯域拡張を行う技術を開示している。この技術によれば、周波数軸上において元の入力オーディオ信号のスペクトルと高調波信号のスペクトルとが滑らかに接続された信号を得ることができる。しかし、この技術では、入力オーディオ信号をフレーム化し、フレーム単位で周波数解析やスペクトル情報を時間領域の信号に戻す処理を行う必要があり、その処理を行うための複雑な回路やメモリが必要となるとともに、レイテンシが増大するというという問題がある。

この発明は、以上説明した事情に鑑みてなされたものであり、入力オーディオ信号の実質帯域が固定でない場合でも、入力オーディオ信号本来のスペクトルと、付加された高調波信号のスペクトルとが滑らかに接続されたスペクトル分布を有するオーディオ信号を生成することができ、しかも簡単な構成の帯域拡張装置を提供することを目的としている。

この発明は、入力オーディオ信号に信号処理を施し、スペクトル分布が前記入力オーディオ信号のスペクトル分布よりも高域側に拡張された高調波信号を生成する高調波生成手段と、カットオフ周波数以下の帯域の信号を前記入力オーディオ信号から選択して出力する第１のフィルタと、前記第１のフィルタの通過帯域と連続する高域側の帯域の信号を前記高調波信号から選択して出力する第２のフィルタと、前記第１および第２のフィルタの各出力信号を加算して、帯域拡張のなされたオーディオ信号を出力する加算器とを具備することを特徴とするオーディオ信号の帯域拡張装置を提供する。
かかる発明によれば、入力オーディオ信号本来のスペクトルと、付加された高調波信号のスペクトルとが滑らかに接続されたスペクトル分布を有し、帯域拡張のなされたオーディオ信号が得られる。

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態を説明する。
＜第１実施形態＞
図１はこの発明の第１実施形態である帯域拡張装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、この帯域拡張装置は、高調波生成部１１と、ＨＰＦ１２と、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）１３と、加算器１４とにより構成されている。この帯域拡張装置の前段には、例えば記録媒体に記録された圧縮符号化データの復号を行い、所定のサンプリング周波数のＰＣＭ信号であるオーディオ信号Ｓ１１を出力するデコーダ（図示略）が設けられている。

高調波生成部１１は、オーディオ信号Ｓ１１に信号処理を施し、元々有していたスペクトル分布に比べて上限周波数が高域側にシフトされたスペクトル分布を有する高調波信号Ｓ１２を生成する装置である。この高調波生成部１１としては、入力信号をｘとした場合に例えばａ_ｎ・ｘ^ｎ＋ａ_ｎ−１・ｘ^ｎ−１＋……＋ａ_１・ｘ＋ａ_０などの特性多項式により表わされる演算を入力信号ｘ（この場合、ｘ＝Ｓ１１）に施して高調波信号を生成する装置、入力信号ｘの半波整流を行って高調波成分の付加された信号を出力する装置、あるいは所定周波数の正弦波を入力信号ｘに乗算する等の信号処理を実行することにより、入力信号ｘのスペクトル分布を周波数軸方向に沿ってシフトさせたスペクトル分布を持った高調波信号を生成する装置等、周知の装置を用いることができる。

ＬＰＦ１３は、カットオフ周波数以下の帯域の信号を入力オーディオ信号Ｓ１１から選択して出力する。ＨＰＦ１２は、ＬＰＦ１３の通過帯域と連続する高域側の帯域の信号を高調波信号Ｓ１２から選択して出力する。加算器１４は、ＨＰＦ１２の出力信号Ｓ１３とＬＰＦ１３の出力信号Ｓ１４とを加算して、帯域拡張のなされたオーディオ信号Ｓ１５を出力する。入力オーディオ信号Ｓ１１のサンプリング周波数ｆｓが４４．１ｋＨｚである場合、ＬＰＦ１３のカットオフ周波数ｆｃ１およびＨＰＦ１２のカットオフ周波数ｆｃ２は１４ｋＨｚ程度にするのが良い。これらのカットオフ周波数は、例えば約１０ｋＨｚ以上などの聴覚特性上知覚し難い帯域の周波数にするのが好ましいが、入力オーディオ信号Ｓ１１のサンプリング周波数が低い場合には１０ｋＨｚよりも低い周波数としてもよい。

図２に例示するように、ＬＰＦ１３は、カットオフ周波数ｆｃ１付近において利得が周波数の増加に応じて緩やかなスロープを描いて低下する周波数特性を有し、ＨＰＦ１２は、カットオフ周波数ｆｃ２付近において利得が周波数の増加に応じて緩やかスロープを描いて上昇する周波数特性を有する。好ましい態様において、ＬＰＦ１３のカットオフ周波数ｆｃ１とＨＰＦ１２のカットオフ周波数ｆｃ２は接近している。そして、本実施形態において、ＬＰＦ１３およびＨＰＦ１２は、両者の周波数特性の和が、望ましい周波数特性、すなわち、途中に局所的な利得の山または谷を有しない滑らかな周波数特性（例えば全通過帯域においてほぼフラットな特性）を構成する。

図３は、以上説明した本実施形態の動作を示すものである。まず、高調波生成部１１は、入力オーディオ信号Ｓ１１から高域側に拡張されたスペクトル分布を持った高調波信号Ｓ１２を生成する（図３（ａ）（ｂ）参照）。そして、ＬＰＦ１３およびＨＰＦ１２は、周波数軸上において連続した各帯域の信号Ｓ１４およびＳ１３を、入力オーディオ信号Ｓ１１および高調波信号Ｓ１２から各々選択して出力する（図３（ａ）（ｂ）（ｃ）参照）。そして、加算器１４は、このＬＰＦ１３およびＨＰＦ１２の出力信号Ｓ１４およびＳ１３を加算し、帯域拡張のなされた信号Ｓ１５を出力する（図３（ｄ）参照）。ここで、ＬＰＦ１３および１２の各周波数特性は、上述したように、両者の和が望ましい周波数特性を構成するような組み合わせとなっている（図３（ｃ）参照）。従って、加算器１４から得られる出力信号Ｓ１５は、周波数軸上において入力オーディオ信号Ｓ１から選択された低域成分と高調波信号Ｓ１２から選択された高域成分とが滑らかに接続された自然なスペクトル分布を持った信号となる（図３（ｄ）参照）。

入力オーディオ信号Ｓ１１は、ＭＰ３やＡＡＣなどの符号化圧縮データを復号することにより得られたものであるため、その実質帯域の上限周波数ｆｕは固定されていない。しかし、本実施形態では、入力オーディオ信号Ｓ１１からＬＰＦ１３により選択された低域の信号Ｓ１４と高調波信号Ｓ１２からＨＰＦ１２により選択された高域の信号Ｓ１３とを加算することにより出力信号Ｓ１５を得るようにしている。従って、入力オーディオ信号Ｓ１１の実質帯域の上限周波数ｆｕが変動したとしても、常に、元の入力オーディオ信号Ｓ１１から得られた低域成分Ｓ１４と高調波信号Ｓ１２から得られた高域成分Ｓ１３とが周波数軸上において滑らかに接続された出力信号Ｓ１５が得られる。

＜第２実施形態＞
図４はこの発明の第２実施形態である帯域拡張装置を含むオーディオ再生装置の構成を示すブロック図である。図４において、デコード処理部１０は、圧縮符号化データの復号を行い、復号結果である入力オーディオ信号Ｓ１１を帯域拡張装置に与える装置である。本実施形態における帯域拡張装置には、フィルタ制御部１５が追加されている。また、この帯域拡張装置におけるＨＰＦ１２は、通過帯域の下限周波数であるカットオフ周波数ｆｃ２の制御が可能な構成となっており、ＬＰＦ１３は、通過帯域の上限周波数であるカットオフ周波数ｆｃ１の制御が可能な構成となっている。フィルタ制御部１５は、入力オーディオ信号Ｓ１１の実質帯域の上限周波数ｆｕを求め、図５に示すように、ＬＰＦ１３のカットオフ周波数ｆｃ１およびＨＰＦ１２のカットオフ周波数ｆｃ２をこの上限周波数ｆｕの変化に連動させる制御を行う。さらに詳述すると、フィルタ制御部１５は、入力オーディオ信号Ｓ１１の実質帯域の上限周波数ｆｕよりもやや低い周波数となるように、ＬＰＦ１３のカットオフ周波数ｆｃ１およびＨＰＦ１２のカットオフ周波数ｆｃ２を設定する。

入力オーディオ信号Ｓ１１の実質帯域の上限周波数を求める手段には各種の態様があり得る。ある好ましい態様において、フィルタ制御部１５は、デコード処理部１０から出力されるオーディオ信号Ｓ１１のスペクトル解析を行うことにより上限周波数を求める。他の態様において、フィルタ制御部１５は、デコード処理部１０からデコード情報を受け取る。このデコード情報は、圧縮アルゴリズム種別情報、詳細情報、瞬時または１曲単位の実質帯域を示す情報、サンプリング周波数、ビットレートなどの情報を含む。フィルタ制御部１５は、この情報から入力オーディオ信号Ｓ１１の実質帯域の上限周波数を求める。ＬＰＦ１３およびＨＰＦ１２のカットオフ周波数の設定は、曲単位で行ってもよいし、時々刻々と変化する入力オーディオ信号Ｓ１１の実質帯域に合わせてリアルタイムに変化させてもよい。この態様において、フレーム単位の周波数解析により得られる実質帯域の上限周波数ｆｕに関する情報を時間軸方向において安定化させ、この安定化後の上限周波数に基づいてカットオフ周波数ｆｃ１およびｆｃ２を設定してもよい。また、無音区間では、その直前において設定したカットオフ周波数ｆｃ１およびｆｃ２を保持するように構成してもよい。

本実施形態においても、上記第１実施形態と同様、ＬＰＦ１３により入力オーディオ信号Ｓ１１から選択された低域成分Ｓ１４とＨＰＦ１２により高調波信号Ｓ１２から選択された高域成分Ｓ１３とが周波数軸上において滑らかに接続された出力信号Ｓ１５が得られる。それに加え、本実施形態では、ＬＰＦ１３およびＨＰＦ１２のカットオフ周波数が常に入力オーディオ信号Ｓ１１の実質帯域の上限周波数ｆｕよりもやや低い周波数とされるので、入力オーディオ信号Ｓ１１が元々持っているスペクトルのうち可能な限り広い帯域のスペクトルを出力信号Ｓ１５に含ませることができるという効果がある。

なお、入力オーディオ信号の実質帯域を求めて帯域拡張を行う技術として、特許文献２に開示された技術がある。この特許文献２に開示された帯域拡張装置では、前掲図１０の構成において、ＨＰＦ２に相当するものとして通過帯域の制御が可能なＨＰＦを使用し、処理対象であるオーディオ信号の実質帯域に合わせてＨＰＦの通過帯域を設定する。この帯域拡張装置によれば、入力オーディオ信号のスペクトル分布と高調波信号のスペクトル分布とが接続されたスペクトル分布を持った信号が得られる。

しかし、この技術のようにＨＰＦの通過帯域の設定を行ったとしても、帯域拡張装置に与えられる入力オーディオ信号における実質帯域の上限周波数付近のスペクトルエンベロープは時々刻々と変化するので、入力オーディオ信号のスペクトルとこれに付加する高調波信号のスペクトルとを常に滑らかに接続するのは困難である。

これに対し、本実施形態および上記第１実施形態では、入力オーディオ信号Ｓ１１からＬＰＦ１３により選択された低域成分Ｓ１４と高調波信号Ｓ１２からＨＰＦ１２により選択された高域成分Ｓ１３とを加算することにより帯域拡張のなされた信号Ｓ１５を生成するので、生成される信号Ｓ１５は、常に周波数軸上において入力オーディオ信号Ｓ１１本来のスペクトル（低域成分Ｓ１４）と高調波信号のスペクトル（高域成分Ｓ１３）とが滑らかに接続されたものとなる。

＜第３実施形態＞
図６はこの発明の第３実施形態である帯域拡張装置を含むオーディオ再生装置の構成を示すブロック図である。図６において、デコード処理部１０は、上記第２実施形態のものと同様、圧縮符号化データの復号を行い、復号結果である入力オーディオ信号Ｓ１１を帯域拡張装置に与える装置である。ＬＰＦ１３は、上記第１実施形態のものと同様、入力オーディオ信号Ｓ１１からカットオフ周波数ｆｃ１以下の帯域の信号Ｓ１４を選択して出力する。

ＨＰＦ１８は、入力オーディオ信号Ｓ１１からカットオフ周波数ｆｃ３以上の帯域の信号を選択して出力する。本実施形態では、後述する高調波制御部１７による制御の下、入力オーディオ信号Ｓ１１において基音スペクトルが少なく、倍音スペクトルが多く存在する帯域の信号を選択し得るようにＨＰＦ１８のカットオフ周波数が定められる。高調波生成部１１ｄは、後述する高調波制御部１７による制御の下、ＨＰＦ１８の出力信号Ｓ１１’に対して、スペクトル分布を周波数軸に沿ってΔｆだけ平行移動させる周波数シフトを施し、高調波信号Ｓ１２’を出力する。

ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）１２ｄは、高調波信号Ｓ１２ｄ’から通過帯域内の信号Ｓ１３’を選択して出力する。このＢＰＦ１２ｄの通過帯域は、その上限周波数がナイキスト周波数付近の周波数となっており、その下限周波数ｆｃ４はＬＰＦ１３のカットオフ周波数ｆｃ１とほぼ一致している。そして、ＬＰＦ１３およびＢＰＦ１２ｄは、両者の周波数特性の和が、途中に局所的な利得の山または谷を有しない滑らかな周波数特性（例えば全通過帯域においてほぼフラットな特性）を構成する。加算器１４は、このＬＰＦ１３の出力信号Ｓ１４とＢＰＦ１２ｄの出力信号Ｓ１３’とを加算し、帯域拡張のなされた信号Ｓ１５を出力する。

高調波制御部１７は、第２実施形態のフィルタ制御部１５と同様、入力オーディオ信号Ｓ１１の実質帯域の上限周波数を求める機能を有している。そして、高調波制御部１７は、この実質帯域の上限周波数に基づき、ＨＰＦ１８のカットオフ周波数ｆｃ３および高調波生成部１１ｄの周波数シフト量Δｆを定める。さらに詳述すると、高調波制御部１７は、実質帯域の上限周波数に基づき、入力オーディオ信号Ｓ１１のスペクトル分布において基音スペクトルを多く含む領域と倍音スペクトルを多く含む領域との境界となる周波数を推定し、これをＨＰＦ１８のカットオフ周波数ｆｃ３として設定する。また、高調波制御部１７は、高調波生成部１１ｄによる周波数シフトを経た後の信号Ｓ１２’のスペクトル分布の下限周波数ｆｃ３＋ΔｆがＬＰＦ１３のカットオフ周波数ｆｃ１およびＢＰＦ１２ｄのカットオフ周波数ｆｃ４よりもやや低い周波数となるように高調波生成部１１ｄの周波数シフト量Δｆを設定する。カットオフ周波数ｆｃ３および周波数シフト量Δｆの設定は、曲単位で行ってもよいし、時々刻々と変化する入力オーディオ信号Ｓ１１の実質帯域に合わせてリアルタイムに変化させてもよい。

図７は以上説明した本実施形態の各部の波形を示すものである。まず、ＬＰＦ１３により、入力オーディオ信号Ｓ１１からカットオフ周波数ｆｃ１以下の帯域の信号Ｓ１４が選択されて出力される。また、ＨＰＦ１８により入力オーディオ信号Ｓ１１からカットオフ周波数ｆｃ３以上の帯域の信号Ｓ１１’が選択され（図７（ａ）（ｂ）（ｃ）参照）、高調波生成部１１により信号Ｓ１１’のスペクトル分布を周波数シフト量Δｆだけ高域側にシフトした高調波信号Ｓ１２’が生成される（図７（ｃ）（ｄ）参照）。この高調波信号Ｓ１２’のスペクトル分布の下限周波数はｆｃ３＋Δｆとなり、この周波数はＬＰＦ１３のカットオフ周波数ｆｃ１およびＢＰＦ１２ｄの通過帯域の下限であるカットオフ周波数ｆｃ４よりもやや低い周波数となる（図７（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）参照）。ＢＰＦ１２ｄは、この高調波信号Ｓ１２’から通過帯域内の信号Ｓ１３’を選択して出力する。加算器１４は、ＬＰＦ１３の出力信号Ｓ１４と、ＢＰＦ１２ｄの出力信号Ｓ１３’とを加算し、帯域拡張のなされた信号Ｓ１５を出力する（図７（ｆ）参照）。

ここで、ＬＰＦ１３およびＢＰＦ１２ｄは、両者の周波数特性の和が、途中に局所的な利得の山または谷を有しない滑らかな周波数特性を構成する。従って、加算器１４の出力信号Ｓ１５のスペクトル分布は、入力オーディオ信号Ｓ１１が持っていたスペクトルと高調波信号Ｓ１２’が持っていたスペクトルとを周波数軸上において滑らかに接続したものとなる（図７（ｆ）参照）。このように本実施形態においても、上記第１実施形態と同様な効果が得られる。また、本実施形態では、入力オーディオ信号Ｓ１１のスペクトルから倍音スペクトルを選択し、この倍音スペクトルから高調波信号を生成しているので、帯域拡張のなされた信号Ｓ１５の音質を高めることができる。

＜第４実施形態＞
上記第１実施形態では、ＬＰＦ１３により入力オーディオ信号Ｓ１１から選択した信号Ｓ１４と、ＨＰＦ１２により高調波信号Ｓ１２から選択した信号Ｓ１３を加算器１４により加算して出力信号Ｓ１５を合成した。これに対し、本実施形態では、入力オーディオ信号Ｓ１１から２種類以上の高調波信号を発生する。そして、入力オーディオ信号および２種類以上の高調波信号からなるＭ種類（Ｍは３以上）の各信号から、周波数軸上において並んだＭ個の通過帯域に属する信号を各々選択する。この選択はＭ個のフィルタを用いて行う。そして、Ｍ個のフィルタにより選択したＭ個の信号を加算して、帯域拡張のなされたオーディオ信号を生成する。Ｍ個のフィルタの周波数特性は、各々の和が途中に局所的な利得の山または谷を有しない滑らかな周波数特性を構成するような組み合わせになっている。

図８は本実施形態のＭ＝３の場合の構成例を示すものである。また、図９は同構成例の動作を示すものである。この構成例において、高調波生成部１１ａは、高調波信号Ｓ１２ａを入力オーディオ信号Ｓ１１から生成し、高調波生成部１１ｂは、高調波信号Ｓ１２ａよりもさらに高域のスペクトルを含んだ高調波信号Ｓ１２ｂを同入力オーディオ信号Ｓ１１から生成する（図９（ｃ）（ｄ）参照）。

ＬＰＦ１３、ＢＰＦ１２ａおよびＨＰＦ１２ｂは、周波数軸上において連続した各帯域の信号Ｓ１４、Ｓ１３ａおよびＳ１３ｂを、入力オーディオ信号Ｓ１１、高調波信号Ｓ１２ａおよびＳ１２ｂから各々選択して出力する（図９（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）参照）。そして、加算器１４は、このＬＰＦ１３、ＢＰＦ１２ａおよびＨＰＦ１２ｂの各出力信号Ｓ１４、Ｓ１３ａおよびＳ１３ｂを加算し、帯域拡張のなされた信号Ｓ１５を出力する（図９（ｅ）参照）。

ここで、ＬＰＦ１３、ＢＰＦ１２ａおよびＨＰＦ１２ｂは、周波数軸上において連続して並んだ通過帯域を有しており、各々の周波数特性の和は、途中に局所的な利得の山または谷を有しない滑らかな周波数特性を構成する（図９（ａ）参照）。従って、加算器１４から得られる出力信号Ｓ１５は、周波数軸上において入力オーディオ信号Ｓ１から選択された低域成分と高調波信号Ｓ１２ａから選択された中域成分Ｓ１３ａと高調波信号Ｓ１２ｂから選択された高域成分Ｓ１３ｂが滑らかに接続された自然なスペクトル分布を持った信号となる（図９（ｅ）参照）。

＜他の実施形態＞
以上、この発明の第１〜第４実施形態について説明したが、この発明にはこれ以外にも他の実施形態が考えられる。例えば次の通りである。

（１）上記第１実施形態、第２実施形態においてＨＰＦ１２は、通常、０ｄＢの利得で高調波信号を通過させるものを用いるが、０ｄＢ以外の利得で高調波信号を通過させるものを用いてもよい。また、このＨＰＦ１２は、ＢＰＦに置き換えてもよい。

（２）上記各実施形態において、高調波生成器の直前に、生成する高調波信号の帯域を制御するためのＬＰＦやＢＰＦやＨＰＦを配置してもよい。

（３）圧縮符号化データの復号を行うデコード処理部と上記各実施形態による帯域拡張装置の間にＮ倍オーバサンプリングフィルタを介挿し、サンプリング周波数ｆｓがＮ倍されたオーディオ信号に対し、帯域拡張を行うようにしてもよい。この場合、最大、周波数Ｎ・ｆｓ／２までの高調波信号を元のオーディオ信号に付加することができるので、さらに再生音質を改善することができる。

（４）上記第２実施形態において、入力オーディオ信号Ｓ１１の実質帯域に合わせて、高調波信号を生成するための特性多項式の種類を変化させ、実質帯域の幅に見合った帯域幅の高調波信号を付加するようにしてもよい。

（５）高調波生成器１１またはＨＰＦ１２の後段に利得制御が可能な増幅器を配置し、入力オーディオ信号Ｓ１１の振幅に合わせて、付加する高調波信号の振幅を制御するようにしてもよい。

（６）上記各実施形態では、加算器１４の前段の各フィルタ（例えば第１実施形態ではＬＰＦ１３およびＨＰＦ１２）の周波数特性の和が「望ましい特性」となるように各フィルタの周波数特性を定めるが、この「望ましい特性」は、必ずしもフラットな特性ではない。例えば高調波生成部１１が周波数シフトにより高調波信号を生成するものである場合、元の入力オーディオ信号のスペクトル分布をそのまま高域側にシフトした大きなレベルの高調波信号が生成される。従って、この場合の「望ましい特性」は、フラットな周波数特性ではなく、高域側になるに従って利得が低下するような周波数特性となる。一方、高調波生成部１１が特性多項式により高調波信号を生成するものである場合、高調波信号のレベルは高域になるに従って低くなる。従って、この場合の「望ましい特性」は、高域側において利得がやや持ち上がった周波数特性となる。このように各フィルタの周波数特性に関しては、それらの和が、高調波信号の生成方式に適した「望ましい特性」を構成するように定めればよい。

この発明の第１実施形態である帯域拡張装置の構成を示すブロック図である。 同実施形態におけるＬＰＦ、ＨＰＦの周波数特性を例示する図である。 同実施形態の動作を示す図である。 この発明の第２実施形態である帯域拡張装置の構成を示すブロック図である。 同実施形態の動作を示す図である。 この発明の第３実施形態である帯域拡張装置の構成を示すブロック図である。 同実施形態の動作を示す図である。 この発明の第４実施形態である帯域拡張装置の構成を示すブロック図である。 同実施形態の動作を示す図である。 従来の帯域拡張装置の処理内容を示す図である。 圧縮符号化データの再生において帯域拡張を行う場合に生じる問題点を説明する図である。 圧縮符号化データの再生において帯域拡張を行う場合に生じる問題点を説明する図である。

符号の説明

１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｄ……高調波生成部、１２，１２ｂ，１８……ＨＰＦ、１３……ＬＰＦ、１２ａ，１２ｄ……ＢＰＦ、１４……加算器、１５……フィルタ制御部、１７……高調波制御部。

Claims (2)

1. 入力オーディオ信号に信号処理を施し、スペクトル分布が前記入力オーディオ信号のスペクトル分布よりも高域側に拡張された高調波信号を生成する高調波生成手段と、
   カットオフ周波数以下の帯域の信号を前記入力オーディオ信号から選択して出力する第１のフィルタと、
   前記第１のフィルタの通過帯域と連続する高域側の帯域の信号を前記高調波信号から選択して出力する第２のフィルタと、
   前記第１および第２のフィルタの各出力信号を加算して、帯域拡張のなされたオーディオ信号を出力する加算器と、を備え、
   前記入力オーディオ信号は楽曲の音波形を表し、
   前記入力オーディオ信号の表す楽曲の実質帯域を示す情報を取得し、前記実質帯域の上限周波数に応じて前記第１のフィルタの通過帯域の上限周波数および前記第２のフィルタの通過帯域の下限周波数の設定を楽曲単位で行うフィルタ制御手段をさらに備え、
   前記高調波生成手段は、
   入力オーディオ信号に高域通過処理を施すハイパスフィルタと、
   前記ハイパスフィルタの出力信号に周波数シフトを施すことにより前記高調波信号を生成する周波数シフト手段と、
   前記入力オーディオ信号の表す楽曲の実質帯域を示す情報を取得し、前記実質帯域の上限周波数に応じて前記ハイパスフィルタのカットオフ周波数および前記周波数シフト手段の周波数シフト量を互いに連動させつつ楽曲単位で設定する手段であって、前記入力オーディオ信号のスペクトル分布において基音スペクトルを多く含む領域と倍音スペクトルを多く含む領域との境界と推定される周波数を前記ハイパスフィルタのカットオフ周波数として設定する一方、当該カットオフ周波数に前記周波数シフト量を加算した周波数が前記第１のフィルタの通過帯域の上限周波数よりも低く、かつ前記第２のフィルタの通過帯域の下限周波数よりも低くなるように前記周波数シフト量を設定する高調波制御手段と、を含んでいる
   ことを特徴とするオーディオ信号の帯域拡張装置。
2. 前記第１および第２のフィルタは、各々の周波数特性の和が途中に局所的な利得の山または谷を有しない滑らかな周波数特性を構成することを特徴とする請求項１に記載の帯域拡張装置。

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