JP4924619B2 - 帯域補正装置 - Google Patents

Description

この発明は、帯域制限された信号の周波数特性を補正する信号補正装置に関する。

近年、普及しているＶＯＩＰ技術は、音声信号をＩＰパケット化することにより、データ及び音声を統合し、ネットワークコストや通信コストを下げることで普及してきた。

また、伝統的な公衆電話網（ＰＳＴＮ）は、音声信号をいかに中継するかを主眼に置いており、３．４ＫＨｚ以下の帯域で通信していた。網設計も、チャネル当たりの帯域が３．４ＫＨｚで設計されており、ディジタル伝送網においても、８ＫＨｚサンプリングによる６４Ｋｂ／ｓの通信単位を基本としていた。

一方、近年のブロードバンド化の急速な拡大により、ネットワーク側の伝送設備がブローバンド化対応になっただけでなく、加入者線までも、ＡＤＳＬや光などによってブローバンド回線に拡大されつつあり、エンドツーエンドで広帯域な音声通信が可能になった。その結果、高品質な音声通信が望まれるに至っている。

しかし、ＩＰネットワーク用の電話機（ＩＰ専用電話機）ではない既存の通常の電話機においては、４ＫＨｚ以下に帯域制限する送話特性及び受話特性（例えばアッテネータによる）を有しており、伝送路がＩＰネットワークのように４ＫＨｚ以上の帯域信号を許容していても、伝送路が一般の公衆電話網の場合と同程度の音声品質しか達成することができない。

かかる問題を解決して、既存の電話機などが広帯域信号を共用しているＩＰネットワーク等の伝送路を利用した場合においても、高音声品質のメリットを得られるようにすべく、送話信号及び受話信号の周波数特性を補正して通話帯域を拡張する方法が検討されている。
特開２００２−８２６８５号公報

しかし、特開２００２−８２６８５号のように、低域信号を用いて本来存在しないような高域信号を作成する場合、図１４〜１６に示すように、原音声に比べて作成された音声は非常に不自然なものになる。 一方、帯域拡張しない信号は、通常より低い低域側と、高域側には音声信号は微少量しか残っておらず、話者には聞き取ることができないので、音質は悪いものとなる。 簡単には各々の帯域に残る微少な信号を増幅するとよいが、そのような単純な帯域拡張は低域と高域の成分を再増幅して可聴レベルまで持ち上げることで実現するため、成分の増幅はダイレクトに振幅の増幅に反映されてしまい、ディジタル信号処理の領域での最大、最小値の制限を越える可能性がある。

図３は、従来の帯域拡張の手順を示したものである。
図３の（１）は、３００Ｈｚ〜３．４ＫＨｚに帯域制限された入力信号を示す。図３の（２）は帯域拡張を行う補正フィルタの特性を示す図である。３００Ｈｚ〜３．４ＫＨｚについては、フィルタによる増幅倍を１として増幅は行わず、０Ｈｚ〜３００Ｈｚおよび３．４ＫＨｚ〜８ＫＨｚについては、図３の（２）に示す特性で各々の周波数帯域を増幅する。図３の（３）は、図３の（１）の入力信号を図３の（２）の補正フィルタで増幅した結果を示すもので、補正の結果、出力信号は、０Ｈｚ〜８ＫＨｚの周波数でフラットな特性を有する。

しかし、一方で、フィルタの特性全体を表わすインパルス応答は＋３０ｄＢの増幅量を持っており（高域単独最大では＋４０ｄＢ）、μ−ｌｏｗを用いた場合、−２７ｄＢｍ０以上の大きさを持つ信号が入力されると、たちまち信号の瞬時値が最大値に達してクリッピングされてしまう。この点は、図３の（１）に示す入力信号は理想的なものである場合は、あまり問題とはならないが、図４の（１）に示すように３００Ｈｚ〜３．４ＫＨｚの帯域外に電気的なノイズがある場合は、このノイズも＋３０ｄＢ〜＋４０ｄＢの増幅を受けてしまう。例えば、−５０ｄＢｍ０の基板ノイズがあると仮定すると、増幅された基板ノイズは−２０〜−１０ｄＢｍ０に達してしまう。

かかる課題を解決するために、本発明は、入力信号の帯域拡張を制御する帯域補正装置において、帯域制限された入力信号の周波数帯域を低域および高域の２つの周波数帯域に分割する直交ミラーフィルタと、直交ミラーフィルタで帯域分割された低域側又は高域側の出力のレベルを補正することで帯域拡張する補正手段と、補正手段の振幅補正量を制御するゲイン制御手段と、補正手段の出力のレベルがディジタル信号処理の領域での最大値又は最小値の制限を越えないように監視し、補正された出力の振幅の変動状況を示す振幅監視信号をゲイン制御手段に出力する振幅観測手段とを有し、ゲイン制御手段は補正手段の出力のレベルが制限値を越えた場合には振幅観測手段から出力される振幅観測信号にしたがって補正手段の振幅補正量を減ずる。

本発明によれば、狭い帯域の信号を、ディジタル増幅の過程で過増幅することなく、広帯域信号に補正し、高品位な通信を提供することができる。

（１）第１の実施形態
ディジタル信号処理の領域での最大、最小値の制限を越えないようにするためには、図１に示すように、補正フィルタの出力を監視し、フィルタの係数を小さくすることで、帯域拡張の程度を制御する方法が考えられる。
以下、本発明による帯域補正装置の第１の実施形態を図面を参照しながら説明する。

（１−１）第１の実施形態の構成
図１は、第１の実施形態の音声帯域補正装置の構成を示すブロック図である。
音声帯域補正装置１は、補正フィルタ１０、係数制御部１１およびレベル検出部１２から構成される。
補正フィルタ１０は、アナログフィルタまたはディジタルフィルタで構成されており、図示しない電話機から入力された音声信号（ファクシミリ信号等の音声以外の信号を含むものとする）の周波数特性を音声帯域の全体に渡ってフラットにする補正を行うものである。

係数制御部１１は、補正フィルタ１０の出力が制限値を越えた場合に、レベル検出部１２から出力される検出信号にしたがって、補正フィルタ１０の係数を変更する。補正フィルタ１０の出力が制限値以下になった場合には、もとの係数に戻すとも可能であり、また、制限値への近づき具合に応じて徐々に係数を変更することも可能である。具体的には、例えば、補正フィルタの増幅率をあらかじめ定めた量（例えば上述した全体で３０ｄBの増幅）にしておき、レベル検出部１２から出力される検出信号にしたがって、増幅率を１ｄBずつ下降されるようにする。あらかじめ定める倍率及び下降の際の倍率刻み幅などは、これに限定するものではない。

レベル検出部１２は、補正フィルタ１０の出力を監視し、係数制御部１１に補正された出力のレベルの変動状況を示す検出信号を出力するものである。具体的には、補正フィルタの出力値が、例えば、ディジタル信号で、１６ｂｉｔディジタル表現限界値（＋３２７６８、-３２７６７）を示すかどうかで判断する。他にもあらかじめ定めた値、例えば＋１６３８４、−１６３８４を超過したかどうかを判断してもよく、所望のレベルに達したかどうかを判定できればどのような方法であってもよい。

（１−２）第１の実施形態の動作
以下、図４および５を用いて第１の実施形態の動作を説明する。
まず、図５の（１）に示す３００Ｈｚ〜３．４ＫＨｚに帯域制限され、帯域外に電気的なノイズを含む信号が補正フィルタ１０に入力される。入力信号は、当初、図４の（２）の特性を有するフィルタにより増幅される。増幅された信号は、補正フィルタ１０からレベル検出部１２に入力される。そしてレベル検出部１２は、増幅された信号のレベルを監視し、信号レベルが最大値（例えば、１６ｂｉｔの入力信号の場合は、３２７６８）に近づくか、または越えたことを検出した場合は、レベル検出信号を係数制御部１１に出力する。レベル検出部１２からのレベル検出信号を受信した係数制御部１１は、図５の（２）に示すように、補正フィルタ１０の係数値を下げる制御を行う。この制御により、入力信号は、ノイズレベルを押さえて増幅される。

補正フィルタ１０の係数の制御は、入力信号のノイズの混入具合を予測して、予め係数値を変更しておいても良い。具体的には、例えば、補正フィルタの増幅率をあらかじめ定めた特性、即ち、当初は図４の（２）の特性にしておき、レベル検出部１２から出力される検出信号にしたがって、図５の（２）に示すＡ、Ｂ、Ｃの増幅率を１ｄＢずつ下降させる。当初の特性及び下降の際の倍率刻み幅等はこれに限定するものではない。

（１−３）第１の実施形態の効果
以上説明した第１の実施形態によれば、狭い帯域の信号を、ディジタル増幅の過程で過増幅することなく、広帯域信号に補正し、高品位な通話を提供することができる。

（２）第２の実施形態
次に、本発明による帯域補正装置の第２の実施形態を図面を参照しながら説明する。

（２−１）第２の実施形態の構成
ディジタル信号処理の領域での最大、最小値の制限を越えないようにするためには、図２に示すように、フィルタの係数を制御するのではなく、補正フィルタの入力に振幅制御手段を接続し、信号の振幅を予め制御することも考えられる。

図２は、第２の実施形態の音声帯域補正装置の構成を示すブロック図である。
音声帯域補正装置１は、補正フィルタ１０、レベル検出部１２、振幅制御部１３および振幅変更部１４から構成される。
補正フィルタ１０は、アナログフィルタまたはディジタルフィルタで構成されており、図示しない電話機から入力された音声信号（ファクシミリ信号等の音声以外の信号を含むものとする）の周波数特性を音声帯域の全体に渡ってフラットにする補正を行うものである。

レベル検出部１２は、補正フィルタ１０の出力を監視し、係数制御部１１に補正された出力のレベルの変動状況を示す検出信号を出力するものである。具体的には、補正フィルタの出力値が、例えば、ディジタル信号で、１６ｂｉｔディジタル表現限界値（＋３２７６８、−３２７６７）を示すかどうかで判断する。他にもあらかじめ定めた値、例えば＋１６３８４、−１６３８４を超過したかどうかを判断してもよく、所望のレベルに達したかどうかを判定できればどのような方法であってもよい。

振幅制御部１３は、補正フィルタ１０の出力が制限値を越えた場合に、レベル検出部１２から出力される検出信号にしたがって、振幅変更部１４の振幅変更を制御する。補正フィルタ１０の出力が制限値以下になった場合には、もとの振幅値に戻すとも可能であり、また、制限値への近づき具合に応じて徐々に振幅値を変更することも可能である。具体的には、本発明では第１の実施例と同様、補正フィルタの出力値が、例えば、ディジタル信号で、１６ｂｉｔディジタル表現限界値（＋３２７６８、−３２７６７）を示すかどうかで判断したが、他にもあらかじめ定めた値、例えば、＋１６３８４、−１６３８４を超過したかどうかを判断してもよく、所望のレベルに達したかどうかを判定できればどのような方法であってもよい。

振幅変更部１４は、入力信号の振幅を変更するもので、振幅制御部１３からの振幅倍率にしたがって、入力信号の振幅値を増減させるものである。

（２−２）第２の実施形態の動作
以下、図４および５を用いて第２の実施形態の動作を説明する。
まず、図５の（１）に示す信号、即ち３００Ｈｚ〜３．４ＫＨｚに帯域制限され、帯域外に電気的なノイズを含む信号が補正フィルタ１０に入力される。入力信号は、当初、図４の（２）の特性を有するフィルタにより増幅される。増幅された信号は、補正フィルタ１０からレベル検出部１２に入力される。そしてレベル検出部１２は、増幅された信号のレベルを監視し、信号レベルが最大値（例えば、１６ｂｉｔの入力信号の場合は、３２７６８）に近づくか、または越えたことを検出した場合は、レベル検出信号を振幅制御部１３に出力する。レベル検出部１２からのレベル検出信号を受信した振幅制御部１３は、図５の（２）に示すように、振幅変更部１４の振幅値を下げる制御を行う。初期状態では振幅変更部１４はないも同じであり、振幅の変更を行わない。 本実施の形態では、補正フィルタを図４の（２）に示すような特性かつ、全体の特性を表わすインパルス応答のゲインが３０ｄＢであるような補正フィルタを用いたがこれに限定するものではない。 また、振幅制御部１３はレベル検出信号に応じて１ｄＢずつゲインを下降させるようにしても良いが、これに限定するものではない。この制御により、入力信号は、ノイズレベルを押さえて増幅される。

（２−３）第２の実施形態の効果
以上説明した第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様、狭い帯域の信号をより自然に広帯域信号に拡張でき、フィルタの特性を時間固定とすることができる。また、 時間経過と共に変動させるのは単純な増幅機能を持つ振幅制御部１３であるので、ソフトウェアの複雑さが解消され、ソフトウェアの規模を小さくすることができる。

（３）第３の実施形態
次に、本発明による信号補正装置の第３の実施形態を図面を参照しながら説明する。
第１および２の実施形態では、補正フィルタ１０の出力を監視して、補正フィルタ１０の係数または振幅変更部１４を制御をすることで出力信号が最大値に達することを回避しようとするものであるが、補正フィルタ１０のゲインを単に減じた場合、入力信号の３００Ｈｚ〜３．４ＫＨｚの帯域のレベルまで下げることとなる。よって、補正フィルタ１０を通過した音は小さくなってしまい、また、信号が最大値に達するたびに、臨場感の急激な変化が繰り返されるおそれがある。また、上述の電気的ノイズの周波数特性は、例えば、５０Ｈｚ〜６０Ｈｚであることがよく知られている。

第３の実施形態は、フィルタを分割して各々の帯域の増幅量を調整しようとするものである。

（３−１）第３の実施形態の構成
図７は、第３の実施形態の帯域補正装置の構成を示す図である。
図７において、第３の実施形態の帯域補正装置２は、フィルタ２１、フィルタ２２、フィルタ２３、振幅観測部２４、振幅観測部２５、係数更新部２６、係数更新部２７、積算器２８、２９および加算器３０から構成される。

フィルタ２１は、０Ｈｚ〜３００Ｈｚの低域増幅専用フィルタであり、高域周波数成分のカットおよび低域信号の増幅を行う。

フィルタ２２は、３００Ｈｚ〜３．４ＫＨｚの中間帯域用のフィルタであり、入力信号の帯域を制限すると共に、低域信号および高域信号との遅延調整のために用いられる。

フィルタ２３は、３．４ＫＨｚ〜８ＫＨｚの高域増幅専用のフィルタであり、低域周波数成分のカットおよび高域信号の増幅を行う。

振幅観測部２４は、フィルタ２１の出力を監視し、係数更新部２６に補正された出力の振幅の変動状況を示す振幅観測信号を出力するものである。本実施形態ではフィルタの出力値が、例えば、ディジタル信号で、１６ｂｉｔディジタル表現限界値（＋３２７６８、−３２７６７）を示すかどうかで判断したが、他にもあらかじめ定めた値、例えば、+１６３８４、−１６３８４を超過したかどうかを判断してもよく、所望のレベルに達したかどうかを判定できればどのような方法であってもよい。

振幅観測部２５は、フィルタ２３の出力を監視し、係数更新部２７に補正された出力の振幅の変動状況を示す振幅観測信号を出力するものである。検出は振幅観測部２４と同様に行う。

係数更新部２６は、初期状態では何も更新しない。乗算器２８は、初期状態では実質的に機能しないからである。 そして、係数更新部２６は、振幅観測部２４から出力される振幅観測信号にしたがって乗算器２８の係数を変更する。例えば、乗算器２８に対して１ｄＢずつゲインを下げるように係数を更新することができるが、これに限定するものではない。

係数更新部２７も同様に、初期状態では何も更新しない。 乗算器２９は、初期状態では実質的に機能しないからである。 そして、係数更新部２７は、振幅観測部２５から出力される振幅観測信号にしたがって乗算器２８の係数を変更する。例えば、乗算器２９に対して１ｄＢずつゲインを下げるようにすることができるが、これに限定するものではない。

乗算器２８は、入力信号と係数更新部２６から出力される係数を乗算して、乗算結果をフィルタ２１に入力する。

乗算器２９は、入力信号と係数更新部２７から出力される係数を乗算して、乗算結果をフィルタ２３に入力する。

加算器３０は、フィルタ２１、フィルタ２２およびフィルタ２３の出力を加算し、分割した各帯域（０Ｈｚ〜３００Ｈｚ、３００Ｈｚ〜３．４ＫＨｚおよび３．４ＫＨｚ〜８ＫＨｚ）を合成する加算器である。

（３−２）第３の実施形態の動作
以下、図６を用いて第３の実施形態の動作を説明する。
図６の（１）に示すように、３００Ｈｚ〜３．４ＫＨｚに帯域制限された信号が入力されると、各フィルタ２１、２２および２３により、０Ｈｚ〜３００Ｈｚ、３００Ｈｚ〜３．４ＫＨｚおよび３．４ＫＨｚ〜８ＫＨｚの各帯域に帯域分割される。

図６の（２）に示すように、フィルタ２１により高域をカットされた低域信号（０Ｈｚ〜３００Ｈｚ）は、振幅観測部２４で監視され、係数更新部２６に補正された出力の振幅の変動状況を示す振幅観測信号が出力される。フィルタ２１の出力が制限値を越えた場合、係数更新部２６は、振幅観測部２４から出力される振幅観測信号にしたがって、乗算器２８に入力する係数を制御する。

図６の（３）に示すように、フィルタ２２により３００Ｈｚ〜３．４ＫＨｚに帯域制限された信号は、低域信号および高域信号との遅延を調整するため、遅延が付与される。これは、フィルタ２２を通過する信号のレベルを小さくしないためであり、また、音の臨場感を損なわないためである。

図６の（４）に示すように、フィルタ２３により低域をカットされた高域信号（３．４ＫＨｚ〜８ＫＨｚ）は、振幅観測部２５で監視され、係数更新部２７に補正された出力の振幅の変動状況を示す振幅観測信号が出力される。フィルタ２３の出力が制限値を越えた場合、係数更新部２７は、振幅観測部２５から出力される振幅観測信号にしたがって、乗算器２９に入力する係数を制御する。

フィルタ２１、フィルタ２２およびフィルタ２３の出力は、加算器３０で加算され、分割した各帯域（０Ｈｚ〜３００Ｈｚ、３００Ｈｚ〜３．４ＫＨｚおよび３．４ＫＨｚ〜８ＫＨｚ）が合成される。

以上の処理により低域だけを補正した結果、信号が過度に大きい振幅を持つようであれば、ゲインを小さくすることもできる。 これは、高域についても同様である。 中間域はもともと帯域制限を受けていない信号なので、レベルを変動させないためにも透過させることが望ましく、ゲインは１．０に固定すればよい。

図４の（１）に示したようなノイズが存在した場合は、フィルタ２１、フィルタ２３のゲインを減少させればよい。中間帯域のゲインは１．０のままなので、ボリウム自体は大きな変動を与えない。 ノイズの影響が小さい通常音声の場合は、フィルタ２１およびフィルタ２３の入力は非常に小さいものであり、各々のゲインをそのまま乗算しても１．０を超えることはない。 また、フィルタ２１およびフィルタ２３の出力の大きさに応じて、元の信号の振幅にゲイン（＜１．０）を加えてもよい。

（３−３）第３の実施形態の効果
以上説明した第３の実施形態によれば、各々の周波数領域で自動的に周波数の増幅率が決定されるので、第２の実施形態と異なり、背景ノイズの周波数特性に偏りがあり、例えば、低域だけに局在する場合に、高域はその影響を受けずに帯域拡張ができ、自然な音質で音声帯域の拡張が可能である。かかる効果は、高域に関しても同様である。

（４）第４の実施形態
第３の実施形態では、フィルタ２１、フィルタ２３のゲインが−から＋まで巾広くなり、設計が困難になる場合が考えられる。この場合は、ＦＩＲフィルタで、低域、高域をあらかじめ帯域分離し、第３の実施形態と同様にフィルタを用いて処理することにより、設計の困難性を解消することができる。

以下、本発明による信号補正装置の第４の実施形態を図面を参照しながら説明する。

（４−１）第４の実施形態の構成
図８は、第４の実施形態の帯域補正装置の構成を示す図である。
図８において、第４の実施形態の音声帯域補正装置３は、低域フィルタ３１、中間フィルタ３２、高域フィルタ３３、フィルタ３４、フィルタ３５、フィルタ３６、振幅観測部３７、振幅観測部３８、係数更新部３９、係数更新部４０、積算器４１、積算器４２および加算器４３から構成される。

低域フィルタ３１は、例えば、ＦＩＲフィルタで構成され、３．４ＫＨｚ〜８ＫＨｚの高域周波数成分のカットを行う。

中間フィルタ３２は、３００Ｈｚ〜３．４ＫＨｚの中間帯域用のフィルタであり、入力信号の帯域を制限すると共に、低域信号および高域信号との遅延調整のために用いられる。また、フィルタ３５の遅延も合わせて調整することも可能である。

高域フィルタ３３は、例えば、ＦＩＲフィルタで構成され、０Ｈｚ〜３００Ｈｚの低域周波数成分のカットを行う。

フィルタ３４は、０Ｈｚ〜３００Ｈｚの低域信号の増幅を行う。

フィルタ３５は、３００Ｈｚ〜３．４ＫＨｚの中間帯域用のフィルタであり、入力信号の帯域を制限すると共に、低域信号および高域信号との遅延調整のために用いられる。また、中間フィルタ３２の遅延も合わせて調整することも可能である。

フィルタ３６は、３．４ＫＨｚ〜８ＫＨｚの高域信号の増幅を行う。

振幅観測部３７は、フィルタ３４の出力を監視し、係数更新部３９に補正された出力の振幅の変動状況を示す振幅観測信号を出力するものである。本実施形態では、補正フィルタ３４の出力値が、たとえばディジタル信号で、１６ｂｉｔディジタル表現限界値（＋３２７６８、−３２７６７）を示すかどうかで判断したが、他にもあらかじめ定めた値、例えば＋１６３８４、−１６３８４を超過したかどうかを判断してもよく、所望のレベルに達したかどうかを判定できればどのような方法であってもよい。

振幅観測部３８は、フィルタ３６の出力を監視し、係数更新部４０に補正された出力の振幅の変動状況を示す振幅観測信号を出力するものである。本実施形態では、補正フィルタ３６の出力値が、例えば、ディジタル信号で、１６ｂｉｔディジタル表現限界値（＋３２７６８、−３２７６７）を示すかどうかで判断したが、他にもあらかじめ定めた値、例えば＋１６３８４、−１６３８４を超過したかどうかを判断してもよく、所望のレベルに達したかどうかを判定できればどのような方法であってもよい。

係数更新部３９は、初期状態では係数更新を行わない。そして、振幅観測部３７から出力される振幅観測信号で過大増幅を観測した場合は、乗算器４１に対し、振幅減衰をする為の係数を出力する。 係数は１以下であり、かつ０より大きい。 例えば、振幅観測部３７から出力される振幅観測信号で過大増幅を観測するたびに、係数を１ｄBずつ小さくするようにしてもよいが、１ｄBに限定するものではない。

係数更新部４０も同様に、初期状態では係数更新は行わない。そして、振幅観測部３８から出力される振幅観測信号で過大増幅を観測した場合は、乗算器４２に対し、振幅減衰をする為の係数を出力する。 係数は１以下であり、かつ０より大きい。 例えば、振幅観測部３８から出力される振幅観測信号で過大増幅を観測するたびに、係数を１ｄBずつ小さくするようにしてもよいが、１ｄBに限定するものではない。

乗算器４１は、低域フィルタ３１の出力と係数更新部３９から出力される係数を乗算して、乗算結果をフィルタ３４に出力する。

乗算器４２は、高域フィルタ３３の出力と係数更新部４０から出力される係数を乗算して、乗算結果をフィルタ３６に出力する。

加算器４３は、フィルタ３４、フィルタ３５およびフィルタ３６の出力を加算し、分割した各帯域（０Ｈｚ〜３００Ｈｚ、３００Ｈｚ〜３．４ＫＨｚおよび３．４ＫＨｚ〜８ＫＨｚ）を合成する加算器である。

（４−２）第４の実施形態の動作
次に、第４の実施形態の動作を説明する。

３００Ｈｚ〜３．４ＫＨｚに帯域制限された信号が入力されると、低域フィルタ３１、中間フィルタ３２および高域フィルタ３３により、０Ｈｚ〜３００Ｈｚ、３００Ｈｚ〜３．４ＫＨｚおよび３．４ＫＨｚ〜８ＫＨｚの各帯域に帯域分割される。

フィルタ３４により高域をカットされた低域信号（０Ｈｚ〜３００Ｈｚ）は、フィルタ３４で増幅される。この増幅された信号は、振幅観測部３７で監視され、係数更新部３９に補正された出力の振幅の変動状況を示す振幅観測信号が出力される。フィルタ３４の出力が制限値を越えた場合、係数更新部３９は、振幅観測部３７から出力される振幅観測信号にしたがって、乗算器４１に入力する係数を制御する。

中間フィルタにより３００Ｈｚ〜３．４ＫＨｚに帯域制限された入力信号は、低域フィルタの出力および高域フィルタの出力との遅延を調整するため、遅延が付加される。これは、フィルタ３５から出力される信号のレベルを小さくしないためであり、また、音の臨場感を損なわないためである。

フィルタ３３により低域をカットされた高域信号（３．４ＫＨｚ〜８ＫＨｚ）は、フィルタ３６で増幅される。この増幅された信号は、振幅観測部３８で監視され、係数更新部４０に補正された出力の振幅の変動状況を示す振幅観測信号が出力される。フィルタ３６の出力が制限値を越えた場合、係数更新部４０は、振幅観測部３８から出力される振幅観測信号にしたがって、乗算器４２に入力する係数を制御する。

フィルタ３４、３５および３６の出力は、加算器４３で加算され、分割した各帯域（０Ｈｚ〜３００Ｈｚ、３００Ｈｚ〜３．４ＫＨｚおよび３．４ＫＨｚ〜８ＫＨｚ）が合成される。

（４−３）第４の実施形態の効果
以上説明した第４の実施形態によれば、各周波数領域を分割する３つのフィルタと、各々のフィルタ出力を補正する、補正フィルタを分離することにしたので、各補正フィルタは概ね＋だけのゲインを考慮すればよくなり、ディジタル増幅においては限られた＋、―の量子化数（刻みの数）をより細やかに設計でき、音感を損なわない自然な信号補正が可能となる。

（５）第５の実施形態
第５の実施形態は、ＩＴＵ−Ｔ勧告Ｇ．７２２で用いられている、直交ミラーフィルタ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｍｉｒｒｏｒ Ｆｉｌｔｅｒ：ＱＭＦ）によって入力信号を２分割して各々の帯域を補正する場合の音声帯域補正装置に関する。

ＩＴＵ−Ｔ勧告Ｇ．７２２は、各種の高音質音声用として使用されるオーディオ（５０Ｈｚ〜７KＨｚ）符号化システムについて規定されている。この符号化システムは、６４Ｋｂｉｔ／ｓのビット速度内において帯域分割適応差分パルス符号変調（ＳＢ−ＡＤＰＣＭ）を用いる。ＳＢ−ＡＤＰＣＭ技術では、周波数帯域は、ＱＭＦを用いて２つの帯域（高域および低域）に分割され、各帯域内の信号はＡＤＰＣＭを用いて符号化される。

以下、本発明による信号補正装置の第５の実施形態を図面を参照しながら説明する。

（５−１）第５の実施形態の構成
図１１は、第５の実施形態の帯域補正装置の構成を示す図である。
図１１において、第５の実施形態の音声帯域補正装置５は、ＱＭＦ５１、ＱＭＦ５２、ＱＭＦ５３、ＱＭＦ５４、低域補正部５５、高域補正部５６、低域振幅観測部５７、高域振幅観測部５８、低域ゲイン制御部５９および高域ゲイン制御部６０から構成される。

ＱＭＦ５１およびＱＭＦ５２は、直線位相非巡回型ディジタルフィルタで構成されており、周波数帯域０Ｈｚ〜８KＨｚを２つの帯域（低域：０Ｈｚ〜４KＨｚ、高域：４ＫＨｚ〜８KＨｚ）に分割する。各フィルタへの入力は１６ＫＨｚで標本化されている。低域および高域の出力はそれぞれ８ＫＨｚで標本化されている。

ＱＭＦ５３およびＱＭＦ５４は、直線位相非巡回形ディジタルフィルタであり、図示しない低域および高域のＳＢ−ＡＤＰＣＭ復号器のそれぞれの出力を補間して、８ｋＨｚ標本化信号を１６ｋＨｚ標本化信号に変換し、１６ＫＨｚで標本化された出力を作り出す。

低域補正部５５は、例えばＦＩＲフィルタで構成され、０ｋＨｚ〜４ｋＨｚの低域信号を増幅する。例えば、図３の（２）に示す領域Ａ、領域Ｂを補正するフィルタの合成特性を持つフィルタとすればよく、具体的には図６の（２）及び図６の（３）を合成することで実現できるが、これに限定するものではない。

高域補正部５６は、例えばＦＩＲフィルタで構成され、４KＨｚ〜８KＨｚの低域信号を増幅する。例えば、図６の（４）に示すフィルタをそのまま用いれば良いが、これに限定するものではない。

低域振幅観測部５７は、低域補正部５５の出力を監視し、低域ゲイン制御部５９に補正された出力の振幅の変動状況を示す振幅監視信号を出力するものである。本実施形態では、低域信号補正部５５の出力値が、例えば、ディジタル信号で、１６ｂｉｔディジタル表現限界値（＋３２７６８、−３２７６７）を示すかどうかで判断するが、他にもあらかじめ定めた値、例えば、＋１６３８４、−１６３８４を超過したかどうかを判断してもよく、所望のレベルに達したかどうかを判定できればどのような方法であってもよい。

高域振幅観測部５８は、高域信号補正部５６の出力を監視し、高域ゲイン制御部６０に補正された出力の振幅の変動状況を示す振幅監視信号を出力するものである。本実施形態では、高域信号補正部５６の出力値が、例えば、ディジタル信号で、１６ｂｉｔディジタル表現限界値（＋３２７６８、−３２７６７）を示すかどうかで判断するが、他にもあらかじめ定めた値、例えば、＋１６３８４、−１６３８４を超過したかどうかを判断してもよく、所望のレベルに達したかどうかを判定できればどのような方法であってもよい。

低域ゲイン制御部５９は、初期状態では制御を行わない。低域補正部５５はあらかじめ定めたフィルタ特性、即ち、図６の（２）、図６の（３）の合成特性である。低域補正部５５の出力が制限値を越えた場合は、低域振幅観測部５７から出力される振幅観測信号にしたがって、例えば、低域補正部５５の振幅補正量を１ｄB減ずるようにする。また、図６の（２）の部分だけを１ｄB減ずるようにしてもよい。 あらかじめ設定するフィルタ特性は、図６の（２）、１４の合成特性に限定するものではない。

高域ゲイン制御部６０は、初期状態では制御を行わない。高域ゲイン制御部６０はあらかじめ定めたフィルタ特性、即ち、図６の（４）の特性である。高域信号補正部５６の出力が制限値を越えた場合には高域振幅観測部５８から出力される振幅観測信号にしたがって、高域信号補正部５６の振幅補正量を1dB減ずるようにしたが、これに限定するものではない。

（５−２）第５の実施形態の動作
次に、第５の実施形態の動作を説明する。
１６ＫＨｚで標本化された周波数帯域０Ｈｚ〜８KＨｚの入力信号は、ＱＭＦ５１により高域周波数帯域を制限され、周波数帯域０Ｈｚ〜４KＨｚの８KＨｚで標本化された信号が低域補正部５５に入力される。

高域周波数帯域が制限された周波数帯域０Ｈｚ〜４KＨｚの信号は、低域補正部５５により増幅される。

この増幅された信号は、低域振幅観測部５７で監視され、低域ゲイン制御部５９に補正された出力の振幅の変動状況を示す振幅観測信号が出力される。

低域補正部５５の出力が制限値を越えた場合、低域ゲイン制御部５９は、低域振幅観測部５７から出力される振幅観測信号にしたがって、低域補正部５５の入力信号の帯域の補正量を制御する。

低域補正部５５の出力は、ＱＭＦ５３により、図示しない低域のＳＢ−ＡＤＰＣＭ復号器の出力を補間して、８ｋＨｚ標本化信号を１６ｋＨｚ標本化信号に変換し、１６ＫＨｚで標本化された信号を出力する。

高域側についても同様に、１６ＫＨｚで標本化された周波数帯域０Ｈｚ〜８KＨｚの入力信号は、ＱＭＦ５２により低域周波数帯域を制限され、周波数帯域４ＫＨｚ〜８KＨｚの８ＫＨｚで標本化された信号を高域補正部５６に出力される。

低域周波数帯域を制限された周波数帯域４ＫＨｚ〜８KＨｚの信号は、低域補正部５６により増幅される。

この増幅された信号は、高域振幅観測部５８で監視され、高域ゲイン制御部６０に補正された出力の振幅の変動状況を示す振幅観測信号が出力される。

高域補正部５６の出力が制限値を越えた場合、高域ゲイン制御部６０は、高域振幅観測部５８から出力される振幅観測信号にしたがって、高域補正部５６の入力信号の帯域の補正量を制御する。

高域補正部５６の出力は、ＱＭＦ５４により、図示しない高域のＳＢ−ＡＤＰＣＭ復号器の出力を補間して、８ｋＨｚ標本化信号を１６ｋＨｚ標本化信号に変換し、１６ＫＨｚで標本化された信号を出力する。

また、ＱＭＦ５１と低域補正部５５との間にフィルタを設けて、ＱＭＦ５１の出力のうち、０Ｈｚ〜３４０Ｈｚについては低域補正部５５で帯域を補正し、３４０Ｈｚ〜４KＨｚについては帯域を補正せずに出力することも可能である。具体的な動作は第３の実施形態と同様である。

（５−３）第５の実施形態の効果
以上説明した第５の実施形態によれば、周波数分割フィルタではなくＱＭＦフィルタを用いた場合でも音声拡張を実現できる。つまり、伝走路が広帯域向け専用の信号を用いる場合でも、従来電話の音質を向上することができる。 また、周波数の補正を低域部分と、高域部分にまとめたので、例えば、規格適合上、Ｇ．７２２ＱＭＦフィルタ等を使用せざるを得ない場合であっても、従来の電話機の音質を自然な音声帯域拡張を行うことで高品位な通話が可能となる。

（６）第６の実施形態
第６の実施形態は、第４の実施形態と同様に、例えばＦＩＲフィルタで、低域、高域をあらかじめ帯域分離し、各帯域毎に振幅を補正することを前提とするが、本実施形態では、帯域毎に分割した各信号をディジタル信号処理の領域でディジタル信号の最大値まで振幅を増幅し、アナログ信号に変換した後、各帯域の信号を加算するものである。

これは加算値の限界がないアナログ信号処理の領域では、加算値の限界がないことを利用することで可能となる。

以下、本発明による信号補正装置の第６の実施形態を図面を参照しながら説明する。

（６−１）第６の実施形態の構成
図１２は、第６の実施形態の音声帯域補正装置の構成を示す図である。
図１２において、第６の実施形態の帯域補正装置７は、低域フィルタ７１、中間フィルタ７２、高域フィルタ７３、フィルタ７４、フィルタ７５、フィルタ７６、Ｄ／Ａ変換器７７、７８および７９から構成される。

低域フィルタ７１は、例えばＦＩＲフィルタで構成され、３．４ＫＨｚ〜８ＫＨｚの高域周波数成分のカットを行う。

中間フィルタ７２は、３００Ｈｚ〜３．４ＫＨｚの中間帯域用のフィルタであり、入力信号の帯域を制限すると共に、低域信号および高域信号との遅延調整のために用いられる。また、フィルタ７５の遅延も合わせて調整することも可能である。

高域フィルタ７３は、例えばＦＩＲフィルタで構成され、０Ｈｚ〜３００Ｈｚの低域周波数成分のカットを行う。

フィルタ７４は、０Ｈｚ〜３００Ｈｚの低域信号の増幅を行う。
フィルタ７５は、３００Ｈｚ〜３．４ＫＨｚの中間帯域用のフィルタであり、入力信号の帯域を制限すると共に、低域信号および高域信号との遅延調整のために用いられる。また、中間フィルタ７２の遅延も合わせて調整することも可能である。

フィルタ７６は、３．４ＫＨｚ〜８ＫＨｚの高域信号の増幅を行う。

Ｄ／Ａ変換器７７、７８および７９は、各帯域のディジタル信号をアナログ信号に変換する変換器である。

（６−２）第６の実施形態の動作
次に、第６の実施形態の動作を説明する。
３００Ｈｚ〜３．４ＫＨｚに帯域制限された信号が入力されると、低域フィルタ７１、中間フィルタ７２および高域フィルタ７３により、０Ｈｚ〜３００Ｈｚ、３００Ｈｚ〜３．４ＫＨｚおよび３．４ＫＨｚ〜８ＫＨｚの各帯域に帯域分割される。

低域フィルタ７１により高域をカットされた低域信号（０Ｈｚ〜３００Ｈｚ）は、フィルタ７４で増幅される。この増幅された信号は、Ｄ／Ａ変換器７７で、ディジタル信号からアナログ信号に変換される。

中間フィルタにより３００Ｈｚ〜３．４ＫＨｚに帯域制限された入力信号は、低域フィルタ７１の出力および高域フィルタ７３の出力との遅延を調整するため、遅延が付加される。この遅延が付加された信号は、Ｄ／Ａ変換器７８で、ディジタル信号からアナログ信号に変換される。

高域フィルタ７３により低域をカットされた高域信号（３．４ＫＨｚ〜８ＫＨｚ）は、フィルタ７６で増幅される。この増幅された信号は、Ｄ／Ａ変換器７９で、ディジタル信号からアナログ信号に変換される。

Ｄ／Ａ変換器７７、７８および７９の出力は、加算され、分割した各帯域（０Ｈｚ〜３００Ｈｚ、３００Ｈｚ〜３．４ＫＨｚおよび３．４ＫＨｚ〜８ＫＨｚ）が合成される。

（６−３）第６の実施形態の効果
以上説明した第６の実施形態によれば、３つのＤＡ変換器で各々別にＤＡ変換した後、信号を加算合成するようにしたので、例えば、各々の周波数領域でディジタル信号として最大値にまで増幅する場合であっても、その後加算に上限のないアナログの信号の形で加算を行うようにしたので、加算合成の結果で振幅が非常に大きくなる場合でも、ディジタル加算の制限を受けない、自然な音質を確保したまま音声帯域拡張が可能となる。

（７）第７の実施形態
第７の実施形態は、第５の実施形態で説明したＩＴＵ−Ｔ勧告Ｇ．７２２を使用する装置に第６の実施形態を適用するものである。

以下、本発明による信号補正装置の第７の実施形態を図面を参照しながら説明する。

（７−１）第７の実施形態の構成
図１３は、第７の実施形態の音声帯域補正装置の構成を示す図である。
図１３において、第７の実施形態の帯域補正装置８は、ＱＭＦ８１、ＱＭＦ８２、低域補正部８３、高域補正部８４、ＱＭＦ８５、高域Ｄ／Ａ変換器８６、位相・遅延補償部８７、周波数シフト部８８および低域Ｄ／Ａ変換器８９から構成される。

ＱＭＦ８１、ＱＭＦ８２は、直線位相非巡回型ディジタルフィルタで構成されており、周波数帯域０Ｈｚ〜８KＨｚを２つの帯域（低域：０Ｈｚ〜４KＨｚ、高域：４ＫＨｚ〜８KＨｚ）に分割する。各フィルタへの入力は１６ＫＨｚで標本化され、低域および高域の出力はそれぞれ８ＫＨｚで標本化されている。

低域信号補正部８３は、例えば、図３の（２）に示す領域Ａ、領域Ｂを補正するフィルタの合成特性を持つフィルタとすればよく、具体的には図６の（２）及び図６の（３）を合成することで実現できるが、これに限定するものではない。

高域補正部８４は、例えば、図６の（４）に示すフィルタをそのまま用いれば良いが、これに限定するものではない。

ＱＭＦ８５は、低域補正部８３の出力のうち、例えば０Ｈｚ〜３４０Ｈｚについては位相・遅延補償部８７に送出し、３４０Ｈｚ〜４KＨｚについては帯域を補正せずに出力することも可能である。これは、第３の実施形態と同様に、補正フィルタの設計を容易にするためである。

また、低域においては、ＱＭＦ８５で既に０Ｈｚ〜４ＫＨｚの信号を入手しているので、高域補正経路での位相、遅延さえ一致できれば、装置規模を小さくするため、ＱＭＦ８５を設けないで、そのままにする構成とすることも可能である。ＱＭＦ８５は０Ｈｚ〜４ＫＨｚから０Ｋｚ〜４ＫＨｚへの変換を受け持つ機能であり、事実上周波数の変換は行っていないからである。

高域Ｄ／Ａ変換器８６は、高域補正部８４から出力されたディジタル信号をアナログ信号に変換する。

位相・遅延補償部８７は、周波数シフト部８８より高域信号が周波数シフトにより、位相遅れ等が生じた場合に位相等の補償を行う。周波数シフトにより、遅延や位相の変化が生じない場合は、位相・遅延補償部８７を設けない構成とすることも可能である。位相、遅延保証の為に遅延レジスタを用いたが、両者の保証ができれば、何であっても良く。これに限定するものではない。

周波数シフト部８８は、高域Ｄ／Ａ変換器８６でディジタル／アナログ変換された高域補正部出力を周波数シフトする。ＱＭＦの信号は、１６ＫＨｚサンプリングの信号のうち、４ＫＨｚ〜８ＫＨｚの信号を低域方向に周波数シフトしたと同等であり、最終的に再び４ＫＨｚ〜８ＫＨｚの信号に戻す必要がある。 本発明では高域への周波数シフトとして、４ＫＨｚ正弦波との乗算を用いたがこれに限定するものではない。

低域Ｄ／Ａ変換器８９は、位相・遅延補償部８７から出力されたディジタル信号をアナログ信号に変換する。

（７−２）第７の実施形態の動作
次に、第７の実施形態の動作を説明する。
低域側については、１６ＫＨｚで標本化された周波数帯域０Ｈｚ〜８KＨｚの入力信号は、ＱＭＦ８１により高域周波数帯域を制限され、周波数帯域０Ｈｚ〜４KＨｚの８ＫＨｚで標本化された信号が低域補正部８３に出力される。

高域周波数帯域を制限された周波数帯域０Ｈｚ〜４KＨｚの信号は、低域補正部８３により増幅される。

増幅された信号はＱＭＦ８５で、低域補正部８３の出力のうち、例えば０Ｈｚ〜３４０Ｈｚについては位相・遅延補償部８７に送出し、３４０Ｈｚ〜４KＨｚについては帯域を補正せずに出力する。

この増幅および帯域制限された信号は、位相・遅延補償部８７で、高域信号の周波数シフトにより、位相遅れ等が生じた場合に位相等の補償を行う。

位相等の保証が行われた信号は、高域Ｄ／Ａ変換器８９により、ディジタル信号からアナログ信号に変換される。

高域側については、１６ＫＨｚで標本化された周波数帯域０Ｈｚ〜８KＨｚの入力信号は、ＱＭＦ８２により低域周波数帯域を制限され、周波数帯域４ＫＨｚ〜８KＨｚの８ＫＨｚで標本化された信号が高域補正部８４に出力される。

低域周波数帯域を制限された周波数帯域４ＫＨｚ〜８KＨｚの信号は、高域補正部８４により増幅される。

この増幅された信号は、高域Ｄ／Ａ変換器８６により、ディジタル信号からアナログ信号に変換される。

アナログ信号に変換されたＤ／Ａ変換器８６の出力は、周波数シフト部８８で周波数シフトされる。

（７−３）第７の実施形態の効果
以上説明した第７の実施形態によれば、第５の実施形態に加え、第６の実施形態のように、例えば、各々の周波数領域でディジタル信号として最大値にまで増幅する場合であっても、その後加算に上限のないアナログの信号の形で加算を行うようにしたので、加算合成の結果で振幅が非常に大きくなる場合でも、ディジタル加算の制限を受けない、自然な音質を確保したまま音声帯域拡張が可能となる。

（８）他の実施形態
上記各実施形態の説明においても、種々の変形実施形態について言及したが、以下に例示するような変形実施形態を挙げることができる。

図７では、振幅観測部２４および振幅観測部２５は、フィルタ２１の出力およびフィルタ２５の出力をそれぞれ監視しているが、図９に示すように、振幅観測部を加算器３０の出力に接続し、観測結果を係数更新部２４および係数更新部２５の双方に供給する構成としても良い。

同様に、図８では、振幅観測部３７および振幅観測部３８は、フィルタ３４の出力およびフィルタ３６の出力をそれぞれ監視しているが、図１０に示すように、振幅観測部を加算器４３の出力に接続し、観測結果を係数更新部３９および係数更新部４０の双方に供給する構成としても良い。

第１の実施形態の全体構成を示すブロック図である。 第２の実施形態の全体構成を示すブロック図である。 第１の実施形態の帯域補正を示す図である。 第２の実施形態の帯域補正示す図である。 第２の実施形態の雑音を考慮した帯域補正示す図である。 第３の実施形態の帯域補正を示す図である。 第３の実施形態の全体構成を示すブロック図である。 第４の実施形態の全体構成を示すブロック図である。 他の実施形態の全体構成を示すブロック図である。 他の実施形態の全体構成を示すブロック図である。 第５の実施形態の全体構成を示すブロック図である。 第６の実施形態の全体構成を示すブロック図である。 第７の実施形態の全体構成を示すブロック図である。 原音声の周波数特性を示す図である。 電話帯域に制限された音声の周波数特性を示す図である。 従来技術で作成された音声の周波数特性を示す図である。

１、２…音声帯域補正装置、１０…補正フィルタ、１１…係数制御部、１２…レベル検出部、１３…振幅制御部、２１、２２、２３…フィルタ、２４、２５…振幅観測部、２６、２７…係数更新部、２８、２９…乗算器、３０…加算器。

Claims (1)

1. 入力信号の帯域拡張を制御する帯域補正装置において、
   帯域制限された入力信号の周波数帯域を低域および高域の２つの周波数帯域に分割する直交ミラーフィルタと、
   前記直交ミラーフィルタで帯域分割された低域側又は高域側の出力のレベルを補正することで帯域拡張する補正手段と、
   前記補正手段の振幅補正量を制御するゲイン制御手段と、
   前記補正手段の出力のレベルがディジタル信号処理の領域での最大値又は最小値の制限を越えないように監視し、補正された出力の振幅の変動状況を示す振幅監視信号を前記ゲイン制御手段に出力する振幅観測手段とを有し、
   前記ゲイン制御手段は前記補正手段の出力のレベルが制限値を越えた場合には前記振幅観測手段から出力される振幅観測信号にしたがって前記補正手段の振幅補正量を減ずることを特徴とする帯域補正装置。

Images