JP5034596B2

JP5034596B2 - フィルタ装置及びフィルタ係数の算出方法

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Publication number: JP5034596B2
Application number: JP2007084973A
Authority: JP
Inventors: 俊博久芳
Original assignee: JVCKenwood Corp
Current assignee: JVCKenwood Corp
Priority date: 2007-03-28
Filing date: 2007-03-28
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2027-03-28
Also published as: JP2008245069A

Description

本発明は、フィルタ装置及びフィルタ係数の算出方法に関する。

従来、入力信号に対して所定の周波数帯域の特性を変更して出力するフィルタ装置がある。具体的には、入力される音声信号の周波数特性を変更するイコライザ（Equalizer）、無線機の受信部におけるＩＦ（Intermediate Frequency）フィルタなどがある。例えば、特許文献１には、イコライザを備える音声出力装置が開示されている。
特開２００５−３４７８７６号公報

上述した従来のフィルタ装置は、調整すべき周波数特性に基づいて窓関数を用いてフィルタ係数を算出し、その算出されたフィルタ係数で入力信号に対する調整を行う窓関数法や、入力信号を複数のバンドパスフィルタを用いて複数の帯域に分割し、各帯域の利得調整を行う方法などにより、入力信号に対する周波数特性の調整を行う。

ここで、図８、９を参照して窓関数を用いる従来のフィルタ装置について説明する。図８（ａ）は、オーディオイコライザとしてのフィルタ装置２３０を備える無線装置２００の構成を模式的に示している。図８（ｂ）は、窓関数でフィルタ係数を算出して入力信号に対する調整を行うフィルタ装置２３０の構成を模式的に示している。図９（ａ）は、従来の窓関数法によるフィルタ係数算出を例示している。図９（ｂ）は、窓関数法による周波数特性の調整を例示している。

図８（ａ）に示すように、無線装置２００は、アンテナ２１０、復調器２２０、フィルタ装置２３０、増幅器２４０、スピーカ２５０を備える構成である。無線装置２００は、アンテナ２１０を介して取得した電気信号を復調器２２０で再生すべき音声信号に復調し、その音声信号の周波数特性をフィルタ装置２３０で調整した後に、増幅器２４０で増幅してスピーカ２５０から再生する。

図８（ｂ）に示すように、フィルタ装置２３０は、ＡＤＣ２３１（Analog to Digital Converter）、フィルタ部２３２、ＤＡＣ２３３（Digital to Analog Converter）、周波数特性入力部２３４、フィルタ係数演算部２３５などを備える。フィルタ装置２３０への入力信号は、ＡＤＣ２３１でデジタル信号に変換されてフィルタ部２３２で周波数特性が調整された後、ＤＡＣ２３３でアナログ信号に変換されて出力される。

フィルタ部２３２は、例えばＤＳＰ（Digital Signal Processor）などによるＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルタであり、フィルタ係数演算部２３５で演算されたフィルタ係数に基づいたＦＩＲフィルタ演算を行う。フィルタ係数演算部２３５は、周波数帯域毎の利得等の設定入力を受け付ける調節つまみなどである周波数特性入力部２３４からの指示に基づく周波数特性を逆フーリエ変換してインパルス応答を求める逆ＦＦＴ演算部２３５ａ（Fast Fourier Transform）、そのインパルス応答に窓関数を乗算してフィルタ係数を取得する窓関数演算部２３５ｂを有するＤＳＰなどである。

図９（ａ）に示すように、フィルタ係数演算部２３５は、周波数特性入力部２３４で周波数特性の設定（図示例ではローパスフィルタとして設定）が行われた際に、その周波数特性に基づいて逆フーリエ変換し、窓関数を乗算してフィルタ係数を算出する。また、図９（ｂ）に示すように、フィルタ係数演算部２３５は、周波数帯域毎に詳細な利得設定を行い、その設定に基づいたフィルタ係数を算出する。

次に、図１０、１１を参照して複数のバンドパスフィルタを用いる従来のフィルタ装置について説明する。図１０（ａ）は、オーディオイコライザとしてのフィルタ装置３３０を備える無線装置３００の構成を模式的に示している。図１０（ｂ）は、複数のバンドパスフィルタを用いるフィルタ装置２３０の構成を模式的に示している。図１１は、複数のバンドパスフィルタによる周波数特性の調整を例示している。

図１０（ａ）に示すように、無線装置３００は、アンテナ３１０、復調器３２０、フィルタ装置３３０、増幅器３４０、スピーカ３５０を備える構成である。無線装置３００は、アンテナ３１０を介して取得した電気信号を復調器３２０で再生すべき音声信号に復調し、その音声信号の周波数特性をフィルタ装置３３０で調整した後に、増幅器３４０で増幅してスピーカ３５０から再生する。

図１０（ｂ）に示すように、フィルタ装置３３０は、ＡＤＣ３３１、フィルタ部３３２、利得調整部３３３、加算器３３４、ＡＤＣ３３５、利得入力部３３６などを備える。フィルタ装置３３０への入力信号は、ＡＤＣ３３１でデジタル信号に変換されてフィルタ部３３２で帯域毎の信号に分割された後、利得調整部３３３で帯域毎の利得調整が行われる。次いで、利得調整部３３３により調整された帯域毎の信号が加算器３３４で合成され、ＡＤＣ３３５でアナログ信号に変換されて出力される。

フィルタ部３３２は、入力信号を帯域毎の信号に分割するためフィルタ３３２ａ〜３３２ｅなどの複数のバンドパスフィルタで構成されている。利得調整部３３３は、周波数帯域毎の利得等の設定入力を受け付ける調節つまみなどである利得入力部３３６からの指示に基づいて、帯域毎の信号の利得調整を行う増幅器３３３ａ〜３３３ｅで構成されている。このフィルタ部３３２、利得調整部３３３は、例えば一つのＤＳＰで実現される機能部である。

図１１に示すように、フィルタ装置３３０は、入力信号を一旦帯域毎の信号に分割して利得調整を行った後、合成することで、音声信号などにおける周波数特性の調整を行う。

上述したように、従来のフィルタ装置には、窓関数法を用いるものと、複数のバンドパスフィルタを用いるものがある。しかしながら、窓関数法を用いる場合は、演算量の多い逆フーリエ変換を行っているため、フィルタ係数の算出に大きな負荷がかかっていた。特に、図９（ｂ）に示すように、周波数解像度に合わせて利得設定を行う場合には、周波数解像度が増すことで演算量が増えてしまう。このため、リアルタイムにフィルタ係数の更新などを行うには、高速な演算処理能力を有するＤＳＰが必要であり、コストの増大を招いていた。

複数のバンドパスフィルタをＤＳＰなど用いて実現する場合は、帯域分割処理を行う際に多くの演算が必要であり、処理能力の高いＤＰＳを用いることによるコストの増大を招いていた。また、演算量の問題から分割できる帯域の数にも限界があるため、バンドストップフィルタのように急峻なフィルタを構成することが困難であり、良質な出力信号を得ることができなかった。

本発明の課題は、上記従来技術の問題に鑑みてなされたものであって、入力信号の周波数特性を調整する際に、低コストで良質な出力信号を得ることが可能な技術を提供することである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、設定されるフィルタ係数に基づいて入力信号の周波数特性を調整して出力するフィルタ装置であって、
周波数帯域毎に利得を設定する利得設定手段と、
前記周波数帯域毎に基準となる基準波形を生成する生成手段と、
前記周波数帯域毎に、前記生成された基準波形を前記設定された利得で積算し、当該積算結果に当該周波数帯域に係るレイズドコサイン窓関数を積算してフィルタ係数を算出し、当該周波数帯域毎のフィルタ係数を合成して、前記設定すべきフィルタ係数を算出するフィルタ係数演算手段と、
を備える。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記周波数帯域毎に基準となる基準波形と当該周波数帯域に係るレイズドコサイン窓関数とを積算した演算結果を前記周波数帯域毎に記憶する記憶手段を更に備え、
前記フィルタ係数演算手段は、前記周波数帯域毎に、前記記憶手段に記憶された演算結果と前記設定された利得とを積算して、前記周波数帯域毎のフィルタ係数を算出する。

請求項３に記載の発明は、設定されるフィルタ係数に基づいて入力信号の周波数特性を調整して出力するフィルタ装置におけるフィルタ係数の算出方法であって、
周波数帯域毎に利得を設定し、前記周波数帯域毎に基準となる基準波形を生成し、前記周波数帯域毎に、前記生成された基準波形を前記設定された利得で積算し、当該積算結果に当該周波数帯域に係るレイズドコサイン窓関数を積算してフィルタ係数を算出し、当該周波数帯域毎のフィルタ係数を合成して、前記設定すべきフィルタ係数を算出する。

本発明によれば、入力信号の周波数特性を調整する際において、低コストで良質な出力信号を得ることができる。

以下、この発明の実施の形態について、図１〜図７を参照して説明するが、この発明は以下の実施の形態に限定しない。また、この発明の実施の形態は発明の最も好ましい形態を示すものであり、発明の用途や用語はこれに限定するものではない。

先ず、フィルタ装置の構成について図１を参照して説明する。図１は、フィルタ装置１の機能的構成を模式的に示している。

図１に示すように、フィルタ装置１は、ＡＤＣ１０、フィルタ部２０、ＤＡＣ３０、フィルタ係数演算部４０、周波数特性入力部５０を備える構成である。フィルタ装置１への入力信号は、ＡＤＣ１０でデジタル信号に変換されてフィルタ部２０で周波数特性が調整された後、ＤＡＣ３０でアナログ信号に変換されて出力される。

フィルタ部２０は、例えばＤＳＰなどによるＦＩＲフィルタであり、設定されたフィルタ係数に基づいて公知のＦＩＲフィルタ演算を行う。フィルタ係数演算部４０は、周波数帯域毎の利得の設定を受け付ける調節つまみ等である周波数特性入力部５０の設定に基づいてフィルタ部２０に設定すべきフィルタ係数を算出するＤＳＰなどである。

ここで、フィルタ部２０に設定すべきフィルタ係数の演算について図２〜図６を参照して説明する。図２は、フィルタ装置１におけるフィルタ係数の演算に係る構成を模式的に示している。図３（ａ）は、レイズドコサイン窓関数による周波数帯域のフィルタ係数の算出を時間領域で例示している。図３（ｂ）は、レイズドコサイン窓関数による周波数帯域のフィルタ係数の算出を周波数領域で例示している。図４（ａ）、図４（ｂ）は、複数の周波数帯域のフィルタ係数の合成例を周波数領域で示している。図５は、周波数帯域毎に算出されたフィルタ係数の加算を時間領域で例示している。図６は、テーブル情報を用いてフィルタ係数の演算を行う構成を模式的に示している。

図２に示すように、周波数特性入力部５０は、周波数帯域毎に利得を設定する利得設定部５０ａ〜５０ｎを有する。フィルタ係数演算部４０は、周波数帯域毎に、発信部４１ａ〜４１ｎ、演算器４２ａ〜４２ｎ、レイズドコサイン演算部４３ａ〜４３ｎを有し、当該周波数帯域毎に算出された演算結果を加算する加算器４４を備える。

発信部４１ａ〜４１ｎは、周波数帯域毎に基準となる波形、例えば、周波数帯域の中心周波数と同じ周波数の正弦波形を生成する。演算器４２ａ〜４２ｎは、発信部４１ａ〜４１ｎで周波数帯域毎に生成される基準波形に周波数特性入力部５０で設定される当該周波数帯域の利得を積算する。

レイズドコサイン演算部４３ａ〜４３ｎは、演算器４２ａ〜４２ｎでの周波数帯域毎の積算結果に当該周波数帯域に係るレイズドコサイン窓関数を積算する。この周波数帯域に係るレイズドコサイン窓関数を時間領域で展開したものは、次式に示すとおりである。但し、αはロールオフ率、Ｎは窓関数長である。

図３（ａ）に示すとおり、レイズドコサイン演算部４３ａ〜４３ｎでは、各周波数帯域において利得調整後の正弦波に上述したレイズドコサイン窓関数を乗算することで、当該各周波数帯域におけるフィルタ係数が算出される。また、時間領域において周波数帯域の中心周波数の正弦波とレイズドコサイン窓関数を乗算することは、図３（ｂ）に示すとおり、周波数領域ではこれらの畳み込みに相当し、周波数帯域の中心周波数とするレイズドコサイン特性を持ったフィルタ係数を生成することである。

また、周波数帯域の中心周波数とするレイズドコサイン特性を持ったフィルタ係数は、上記式におけるレイズドコサイン窓関数の性質として、各周波数帯域の中心周波数間の１／２の周波数で５０％の減衰量を有する。即ち、隣り合う周波数帯域のフィルタ係数は、その中間周波数で互いの影響量が等値となる。

このため、加算器４４で周波数帯域毎のフィルタ係数を加算してフィルタ装置１におけるフィルタ係数を算出した場合、その周波数特性は滑らかなものとなる。具体的には、図４（ａ）に示すように、中心周波数がｆ１、ｆ２、ｆ３の周波数帯域の利得を等しく設定した場合、加算器４４で加算して合成されるフィルタ装置１のフィルタ特性は、ｆ１〜ｆ３の間でフラットなものとなる。

また、図４（ｂ）に示すように、中間周波数が周波数ｂ１の利得を利得Ｇ１、周波数ｂ２の利得を利得Ｇ２と設定した場合であっても、加算器４４で加算して合成されるフィルタ装置１のフィルタ特性は、周波数ｂ１、ｂ２の間で滑らかに接続される。

なお、加算器４４における周波数帯域毎のフィルタ係数の加算は、時間領域については図５に示すとおりであり、各周波数帯域のフィルタ係数（ｋ１…ｋｎ）を加算することでフィルタ装置１に設定すべきフィルタ係数ｋを算出している。

図６に示すように、フィルタ係数演算部４０における各周波数帯域のフィルタ係数の算出は、例えばｎの周波数帯域において、不揮発性メモリである記憶部４５ｎに格納されたテーブル情報と周波数特性入力部５０で設定される当該周波数帯域の利得とを積算してもよい。

この記憶部４５ｎに記録されるテーブル情報は、上述した周波数帯域の基準波形である正弦波形と当該周波数帯域のレイズドコサイン窓関数とを積算した結果の波形情報であり、フィルタ装置１におけるフィルタのタップ数以上の時間長分が記録されたものである。このテーブル情報は、周波数特性入力部５０で利得を設定する周波数帯域が定まる、つまり、フィルタ装置１の設計段階で予め演算しておくことができる値である。

よって、周波数帯域毎に記憶部に格納されたテーブル情報を用いて各周波数帯域のフィルタ係数を演算することで、演算量を減らすことができ、より高速にフィルタ係数の算出を行うことができる。

以上のように、フィルタ装置１は、入力信号の周波数特性を調整するためのフィルタ係数を算出する構成として、周波数帯域毎に利得を設定する利得設定部５０ａ〜５０ｎと、その周波数帯域毎に基準となる基準波形を生成する発信部４１ａ〜４１ｎと、その周波数帯域毎に、演算器４２ａ〜４２ｎで生成された基準波形を設定された利得で積算し、レイズドコサイン演算部４３ａ〜４３ｎで当該積算結果にレイズドコサイン窓関数を積算してフィルタ係数を算出して加算器４４でその周波数帯域毎のフィルタ係数を加算するフィルタ係数演算部４０とを有する。

このため、フィルタ装置１は、周波数帯域毎の利得及び窓関数の積算と、その周波数帯域毎の積算結果の加算と、を行うだけで設定すべきフィルタ係数を算出することができ、ＦＦＴ等の負荷の高い演算処理を行う必要がない。よって、処理能力の低いＤＳＰを用いる低コストな構成であっても実施することができる。

また、フィルタ装置１は、演算負荷の低減により、分割する周波数帯域の数を増やすことができるため、バンドストップフィルタのような急峻なフィルタを構成することができ、ユーザの要望に応じたより良質な出力信号を取得することができる。

更に、フィルタ装置１は、周波数帯域毎に、基準となる基準波形と当該周波数帯域に係るレイズドコサイン窓関数とを積算した積算結果である波形情報を、フィルタのタップ数以上の時間長分記録したテーブル情報として予め記憶部に格納し、フィルタ係数演算部４０は、そのテーブル情報と設定された利得とを積算して周波数帯域毎のフィルタ係数を算出する構成である。

このため、フィルタ装置１は、基準となる基準波形と周波数帯域に係るレイズドコサイン窓関数とを積算する分の演算を省くことができ、より高速にフィルタ係数の算出を行うことができる。

なお、上述したフィルタ装置１は、無線装置の受信部におけるＩＦフィルタや音声信号の周波数特性を調整する音声信号処理装置であるイコライザなどに利用することができる。ここで、フィルタ装置１をＩＦフィルタやイコライザとして利用する形態について図７を参照して説明する。

図７（ａ）は、無線装置１００の機能的構成を模式的に示している。図７（ｂ）は、音声処理部１７４の機能的構成を模式的に示している。

図７（ａ）に示すように、無線装置１００は、アンテナ１１０、増幅器１２０、ＲＦフィルタ１３０（Radio Frequency）、発振器１４０、混合器１５０、ＡＤＣ１６０、ＤＳＰ１７０、ＤＡＣ１８０、スピーカ１９０を備える構成である。

無線装置１００において、アンテナ１１０を介して取得した電気信号は、増幅器１２０、ＲＦフィルタ１３０で所望の周波数帯域が高周波増幅され、発振器１４０と混合器１５０で周波数変換が行われた後、ＡＤＣ１６０でデジタル信号に変換されて、ＤＳＰ１７０に入力される。ＤＳＰ１７０でデジタル処理が施された信号は、ＤＡＣ１８０でアナログ信号に変換された後、スピーカ１９０で音声再生される。

ＤＳＰ１７０は、フィルタ係数によるＦＩＲ演算処理を行うことでＡＤＣ１６０から入力される信号の不要な周波数帯域成分を除去するＩＦフィルタ１７１、周波数変換して音声信号へ変換する発振器１７２と演算器１７３、その変換後の音声信号に対して周波数特性の調整などを行う音声処理部１７４を有する構成である。

音声処理部１７４は、図７（ｂ）に示すように、音声入力信号に対して、フィルタ係数によるＦＩＲ演算処理を行うことで周波数特性の調整を行うオーディオイコライザ１７４ａ、調整後の信号を増幅する増幅器１７４ｂを有する。

ＤＳＰ１７０は、ＩＦフィルタ１７１や音声処理部１７４のフィルタ係数演算を前述したフィルタ装置１と同様に行うことで、ＦＦＴ等の負荷の高い演算処理を行う必要がなく、処理能力の低いＤＳＰを用いる低コストな構成であっても実施することができる。また、演算負荷の低減により、フィルタ係数の算出時間を短縮することができるため、ＩＦフィルタ１７１で同調する周波数帯域を変更する場合や音声処理部１７４で会話再生用の設定から音楽再生用の設定へ切り替える場合に発生するタイムラグを少なくし、より良好な音声再生を実現できる。

なお、上述した実施の形態における記述は、一例を示すものであり、これに限定するものではない。上述した実施の形態における構成及び動作に関しては、適宜変更が可能である。

フィルタ装置の機能的構成を模式的に示すブロック図である。フィルタ装置におけるフィルタ係数の演算に係る構成を模式的に示すブロック図である。（ａ）は、レイズドコサイン窓関数による周波数帯域のフィルタ係数の算出を時間領域で例示する概念図であり、（ｂ）は、レイズドコサイン窓関数による周波数帯域のフィルタ係数の算出を周波数領域で例示する概念図である。（ａ）は、複数の周波数帯域のフィルタ係数の合成例を周波数領域で示すグラフであり、（ｂ）は、複数の周波数帯域のフィルタ係数の合成例を周波数領域で示すグラフである。周波数帯域毎に算出されたフィルタ係数の加算を時間領域で例示する概念図である。テーブル情報を用いてフィルタ係数の演算を行う構成を模式的に示すブロック図である。（ａ）は、無線装置の機能的構成を模式的に示すブロック図であり、（ｂ）は、音声処理部の機能的構成を模式的に示すブロック図である。（ａ）は、無線装置の構成を模式的に示す概念図であり、（ｂ）は、従来のフィルタ装置の構成を模式的に示す概念図である。（ａ）は、従来の窓関数法によるフィルタ係数算出を例示する概念図であり、（ｂ）は、窓関数法による周波数特性の調整を例示するグラフである。（ａ）は、無線装置の構成を模式的に示す概念図であり、（ｂ）は、従来のフィルタ装置の構成を模式的に示す概念図である。複数のバンドパスフィルタによる周波数特性の調整を例示する概念図である。

符号の説明

１フィルタ装置
１０ＡＤＣ
２０フィルタ部
３０ＤＡＣ
４０フィルタ係数演算部
４１ａ〜４１ｎ発信部
４２ａ〜４２ｎ演算器
４３ａ〜４３ｎレイズドコサイン演算部
４４加算器
４５ｎ記憶部
５０周波数特性入力部
５０ａ〜５０ｎ利得設定部

Claims

設定されるフィルタ係数に基づいて入力信号の周波数特性を調整して出力するフィルタ装置であって、
周波数帯域毎に利得を設定する利得設定手段と、
前記周波数帯域毎に基準となる基準波形を生成する生成手段と、
前記周波数帯域毎に、前記生成された基準波形を前記設定された利得で積算し、当該積算結果に当該周波数帯域に係るレイズドコサイン窓関数を積算してフィルタ係数を算出し、当該周波数帯域毎のフィルタ係数を合成して、前記設定すべきフィルタ係数を算出するフィルタ係数演算手段と、
を備えるフィルタ装置。
前記周波数帯域毎に基準となる基準波形と当該周波数帯域に係るレイズドコサイン窓関数とを積算した演算結果を前記周波数帯域毎に記憶する記憶手段を更に備え、
前記フィルタ係数演算手段は、前記周波数帯域毎に、前記記憶手段に記憶された演算結果と前記設定された利得とを積算して、前記周波数帯域毎のフィルタ係数を算出する請求項１に記載のフィルタ装置。
設定されるフィルタ係数に基づいて入力信号の周波数特性を調整して出力するフィルタ装置におけるフィルタ係数の算出方法であって、
周波数帯域毎に利得を設定し、前記周波数帯域毎に基準となる基準波形を生成し、前記周波数帯域毎に、前記生成された基準波形を前記設定された利得で積算し、当該積算結果に当該周波数帯域に係るレイズドコサイン窓関数を積算してフィルタ係数を算出し、当該周波数帯域毎のフィルタ係数を合成して、前記設定すべきフィルタ係数を算出するフィルタ係数の算出方法。