JP5241373B2 - 高調波生成装置 - Google Patents
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すなわち、この高調波生成装置では図12のようなフィードバックループにおいて、1サンプル遅延器41によって1サンプル遅延させた高調波成分信号と低音成分信号を乗算器42にて乗算し、その結果出力された信号を加算器43にて低音成分信号と加算し、より高次の高調波を含む高調波成分信号を生成する。ここで、加算器43で生成した高調波成分信号にはDC(Direct Current)成分が含まれ、音割れの原因になることからDC成分を除去する目的でHPF(High-Pass Filter) 44を通し、1サンプル遅延器41に出力する。
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、原理的に音質劣化を招くDC成分や、90度位相がずれた高調波を生成しない高調波成分信号を生成することで、低演算量で良質な音を再生できる高調波生成装置を得ることを目的とする。
オーディオ信号を入力し、スピーカで音声に再生する装置に設けられ、
入力信号からスピーカの最低再生周波数以下の低音成分からなる所定の帯域成分の信号を抽出する帯域成分抽出手段と、
上記帯域成分抽出手段により抽出された帯域成分信号の位相を90度ずらす90度位相変換手段と、
上記帯域成分抽出手段により抽出された帯域成分信号と、この90度位相変換手段から出力された帯域成分信号の90度位相ずれ信号を乗算器により乗算して2次高調波成分信号を生成し、この生成された2次高調波成分信号と上記90度位相変換手段から出力された帯域成分信号の90度位相ずれ信号を上記乗算器とは別に設けられた乗算器により乗算し3次高調波成分信号を生成する処理を、その処理毎に別に設けられた乗算器により順次繰り返し2〜n(n≧3)次までの高調波成分信号を生成する2〜n次高調波生成手段とを備える。
また、生成された2〜n次高調波成分信号は90度位相がずれた高調波成分信号を含まないため、良質な音を再生でき、かつ、スピーカの最低再生周波数以下の低音が聞こえると錯覚させる効果も奏する。
さらに、次数が異なる複数の高調波を生成する際、従来は生成する高調波の数だけ90度位相変換手段を必要としていたが、本願発明では90度位相変換手段が1個で済み、これにより、演算量とメモリの削減が可能となる効果も奏する。
図1はこの発明の実施の形態1による高調波生成装置を示す構成図であり、図において、帯域成分抽出部1はオーディオ信号である入力信号からスピーカの最低周波数f0 以下の低音成分からなる帯域成分信号を抽出する処理を実施する。なお、帯域成分抽出部1は帯域成分抽出手段を構成している。
高調波成分生成部2は帯域成分抽出部1より抽出された帯域成分信号より、帯域成分信号の高調波成分信号を生成する処理を実施する。なお、高調波生成部2は高調波生成手段を構成している。
乗算器4は帯域成分抽出部1より抽出された帯域成分信号と90度位相変換部3より出力された90度位相ずれ信号を乗算し、2次高調波成分信号を生成する処理を実施する。なお、乗算器4は信号乗算手段を構成している。
乗算器5は90度位相変換部3より出力された90度位相ずれ信号と乗算器4より出力された2次高調波成分信号を乗算し、3次高調波成分信号を生成する処理を実施する。なお、乗算器5は信号乗算手段を構成している。
加算器7は入力信号と加算器6より出力された高調波成分信号を加算し、出力信号を出力する処理を実施する。なお、加算器7は信号加算手段を構成している。
帯域成分抽出部1はオーディオ信号を入力すると、入力信号からスピーカの最低再生周波数f0 以下の低音成分からなる帯域成分信号を抽出し、その帯域成分信号を90度位相変換部3及び乗算器4に出力する。
例えば、スピーカの最低再生周波数f0が100Hzである場合には、100Hz以下の低音成分からなる帯域成分信号を抽出する。
ここでは、帯域成分抽出部1より抽出された帯域成分信号が正弦波sinωtあるとして説明する。
例えば、90度位相変換部3ではヒルベルト変換、微分や積分をすることで、帯域成分信号の位相を90度ずらし、90度位相ずれ信号を生成する。
ここで、90度位相変換器3において帯域成分信号の位相を90度ずらした90度位相ずれ信号はcosωtである。
ここで、乗算器4より出力される2次高調波成分信号は帯域成分信号sinωtと90度位相ずれ信号cosωtの乗算結果より1/2sin2ωtである。
乗算器5は90度位相変換部3より出力された90度位相ずれ信号と乗算器4より出力された2次高調波成分信号を乗算し、その結果生成される3次高調波成分信号を加算器6に出力する。
ここで、乗算器5より出力された3次高調波成分信号は90度位相ずれ信号cosωtと2次高調波成分信号1/2sin2ωtの乗算結果より、1/4(sinωt + sin3ωt)である。
ここで、加算器6より出力される高調波成分信号は2次高調波成分信号1/2sin2ωtと3次高調波成分信号1/4(sinωt + sin3ωt)の加算結果より、1/4sinωt +1/2sin2ωt + 1/4sin3ωt である。
加算器7は入力信号と加算器6より出力された高調波成分信号を加算し、その結果出力される信号を出力信号として出力する。
図2に帯域成分信号(点線)を50Hzの正弦波とした場合に上記処理により生成した高調波成分信号(実線)の周波数特性結果を示す。
図2より、50Hzの正弦波を入力することで、100Hzの2次高調波、150Hzの3次高調波が生成することがわかる。これより、高調波成分信号には2次高調波(100Hz)と3次高調波(150Hz)が含まれており、2つの周波数の差分より50Hzの低音成分を擬似的に感じさせることができる。
また、生成された高調波成分信号は帯域成分信号がsinωt の場合に1/4sinωt +1/2sin2ωt + 1/4sin3ωtとなり、従来技術のように90度位相がずれた高調波成分信号を含まないため、良質な音を再生できる効果を奏する。
なお、この実施の形態1では、帯域成分抽出部1が入力信号からスピーカの最低再生周波数f0以下の低音成分からなる帯域成分信号を抽出するものについて示したが、入力信号から高音成分からなる帯域成分信号を抽出するようにしてもよい。
図3はこの発明の実施の形態2による高調波生成装置の高調波生成部を示す構成図である。図の高調波生成部に関して、図1と同一符号は同一または相当部分を示して説明を省略し、図1と異なる部分に関して説明する。本実施の形態は、実施の形態1の3次高調波まで生成する構成とは異なり、フィードバックループにより、サンプル時刻nに応じた高調波成分信号を生成する構成となっている。
加算器9は帯域成分抽出部1より抽出された帯域成分信号と1サンプル遅延器8より出力された1サンプル遅延した高調波成分信号を加算する処理を実施する。なお、加算器9は信号加算手段を構成している。
乗算器10は90度位相変換部3より出力された位相ずれ信号と加算器9より出力された信号を乗算し、1サンプル遅延器8より出力された1サンプル遅延した高調波成分信号の次の次数の高調波成分信号を出力する処理を実施する。なお、乗算器10は信号乗算手段を構成している。
1サンプル遅延器8は乗算器10より出力された高調波成分信号を入力すると1サンプル分信号を遅延させ、加算器9に出力する。
加算器9は帯域成分抽出部1より抽出された帯域成分信号と1サンプル遅延器8より1サンプル遅延した高調波成分信号を加算し、乗算器10に出力する。
乗算器10は90度位相変換部3より出力された90度位相ずれ信号と加算器9より出力された信号を乗算することで、1サンプル遅延器8より出力した1サンプル遅延した高調波成分信号の次の次数の高調波を含む高調波成分信号を1サンプル遅延器8及び加算器7に出力する。
実線は1サンプル遅延器8の出力信号、太線は帯域成分信号、点線は90度位相ずれ信号を示す。
図4に帯域成分信号(点線)を50Hzの正弦波とした場合に上記処理により生成した高調波成分信号(実線)の周波数特性結果を示す。
図4より、50Hzの正弦波を入力することで、少なくとも16次高調波まで(17次以降の高調波は値が小さいため、図示されていないが)生成していることがわかる。これより、高調波成分信号には少なくとも16次高調波まで含まれており、それらの差分より50Hzの低音成分を擬似的に感じさせることができる。
また、生成された高調波成分信号には帯域成分信号sinωt の高調波成分のみであり、従来技術のように90度位相がずれたcosωtの高調波成分を含まないため、良質な音を再生できる効果を奏する。
図5はこの発明の実施の形態3による高調波生成装置の高調波生成部を示す構成図であり、図において、図1と異なる高調波生成部に関して説明する。また、高調波生成部に関して、図1と同一符号は同一または相当部分を示し説明を省略する。本実施の形態は実施の形態1とは異なり、帯域成分信号のパワーと同等のパワーを持つ高調波を生成する構成となっている。
乗算器4は、帯域成分信号と90度位相ずれ信号を乗算し、2倍増幅器12に出力する。2倍増幅器12は乗算器4より出力された信号を2倍増幅し、出力する処理を実施する。なお、2倍増幅器12は信号増幅手段を構成している。
2倍増幅器15は乗算器14より出力された信号を2倍増幅し、出力する処理を実施する。なお、2倍増幅器15は信号増幅手段を構成している。
減算器16は2倍増幅器15より出力された信号を帯域成分抽出部より抽出された帯域成分信号で減算し、出力する処理を実施する。なお、減算器16は信号減算手段を構成している。
2次高調波生成部11は帯域成分抽出部1より抽出された帯域成分信号と90度位相変換部3より出力された90度位相ずれ信号を入力し、乗算器4及び2倍増幅器12を用いて2次高調波成分信号を生成し、乗算器14及び加算器17に出力する。以下に2次高調波生成部11について詳述する。
乗算器4は帯域成分抽出部1より抽出された帯域成分信号と90度位相変換部3より出力された90度位相ずれ信号を乗算し、その結果生成される信号を2倍増幅器12に出力する。
ここで、乗算器4より出力される信号は帯域成分信号sinωtと90度位相ずれ信号cosωtの乗算結果より1/2sin2ωtである。
2倍増幅器12は乗算器4より出力された信号を2倍増幅し、その結果出力される2次高調波成分信号を乗算器14及び加算器17に出力する。
ここで、2倍増幅器12より出力される2次高調波成分信号は、乗算器4より出力された1/2sin2ωtを2倍増幅した、sin2ωtである。
ここで、乗算器14より出力される信号は、90度位相変換部3より出力された90度位相ずれ信号cosωtと2倍増幅器12より出力された2次高調波成分信号sin2ωtの乗算結果より、1/2(sinωt + sin3ωt)である。
ここで、2倍増幅器15より出力される信号は、乗算器14より出力された信号1/2(sinωt + sin3ωt)を2倍増幅したsinωt + sin3ωtである。
減算器16は2倍増幅器15より出力された信号を帯域成分抽出部より抽出された帯域成分信号で減算し、その結果出力される信号を3次高調波成分信号として加算器17に出力する。
ここで、減算器16より出力される3次高調波成分信号は、2倍増幅器15の出力信号sinωt + sin3ωtを帯域成分信号sinωtで減算した結果より、sin3ωtである。
ここで、加算器17より出力される高調波成分信号は、 2次高調波成分信号sin2ωtと3次高調波成分信号sin3ωtの加算結果より、sin2ωt + sin3ωtである。
図6より、50Hzの正弦波を入力することで、100Hzの2次高調波、150Hzの3次高調波が生成することがわかる。これより、高調波成分信号には2次高調波(100Hz)と3次高調波(150Hz)が含まれており、これら2つの周波数の差分より50Hzの低音成分を擬似的に感じさせることができる。
図7はこの発明の実施の形態4による高調波生成装置の高調波生成部を示す構成図であり、図において、図5と異なる高調波生成部に関して説明する。また、高調波生成部に関して、図5と同一符号は同一または相当部分を示し説明を省略する。本実施の形態は実施の形態3とは異なり、生成される高調波の最大次数がNとなるように高調波を生成する構成となっている。
2倍増幅器20は乗算器19より出力された信号を2倍増幅し、出力する処理を実施する。なお、2倍増幅器20は信号増幅手段を構成している。
減算器21は2倍増幅器20より出力された信号を(n-2)次高調波生成部より出力された(n-2)次高調波成分信号で減算し、出力する処理を実施する。なお、減算器21は信号減算手段を構成している。
2倍増幅器23は乗算器22より出力された信号を2倍増幅し、出力する処理を実施する。なお、2倍増幅器23は信号増幅手段を構成している。
減算器24は2倍増幅器23より出力された信号を(N-2)次高調波生成部より出力された(N-2)次高調波成分信号で減算し、出力する処理を実施する。なお、減算器24は信号減算手段を構成している。
加算器25は(N-1)個の高調波を加算し、出力する処理を実施する。なお、加算器25は信号加算手段を構成している。
n次高調波生成部18(n≧3)は(n-2)次高調波生成部より出力された(n-2)次高調波成分信号と、(n-1)次高調波生成部より出力された(n-1)次高調波成分信号及び90度位相変換部3より出力された90度位相ずれ信号を入力し、乗算器19、2倍増幅器20、減算器21を用いてn次高調波成分信号を生成し、(n+1)次高調波生成部及び加算器25に出力する。n次高調波生成部18の詳細な説明は以下に述べる。
ここで、乗算器19より出力された信号は(n-1)次高調波生成部より出力された(n-1)次高調波成分信号sin(n-1)ωtと90度位相変換部3より出力された90度位相ずれ信号cosωtの乗算結果より1/2(sin((n-2)ωt)+sin(nωt))である。
2倍増幅器20は乗算器19より出力された信号を2倍増幅し、その出力信号を減算器21に出力する。
ここで、2倍増幅器20より出力された信号は乗算器19より出力された信号1/2(sin((n-2)ωt)+sin(nωt))を2倍増幅した信号であることから、sin((n-2)ωt)+sin(nωt)である。
ここで、減算器21 より出力されるn次高調波成分信号は2倍増幅器20より出力された信号sin((n-2)ωt)+sin(nωt)を(n-2)次高調波生成部より出力された(n-2)次高調波成分信号sin((n-2)ωt)で減算した結果より、sin(nωt)である。
ここで、乗算器22より出力される信号は(N-1)次高調波生成部より出力された(N-1)次高調波成分信号sin(N-1)ωtと90度位相変換部3より出力された90度位相ずれ信号cosωtの乗算結果より1/2(sin((N-2)ωt)+sin(Nωt))である。
2倍増幅器23は乗算器22より出力された信号を2倍増幅し、その出力信号を減算器24に出力する。
ここで、2倍増幅器23より出力される信号は乗算器22より出力された信号1/2(sin((N-2)ωt)+sin(Nωt))を2倍増幅した信号であることから、sin((N-2)ωt)+sin(Nωt)である。
減算器24は2倍増幅器23より出力された信号を(N-2)次高調波生成部より出力された(N-2)次高調波成分信号で減算し、その結果出力されるN次高調波成分信号を加算器25に出力する。
ここで、減算器24より出力されるN次高調波成分信号は2倍増幅器23より出力される信号sin((N-2)ωt)+sin(Nωt) を(N-2)次高調波生成部より出力された(N-2)次高調波成分信号sin((N-2)ωt)で減算した結果より、sin(Nωt)である。
ここで、加算器25より出力される高調波成分信号は2倍増幅器12より出力される2次高調波成分信号sin2ωtと3〜N次高調波生成部より出力される(N-3+1)個のsin(nωt)(3≦n≦N)の加算結果より、次式の通りになる。
図8より、50Hzの正弦波を入力することで、最大次数が12である12次高調波(600Hz)を含む高調波成分信号を生成していることがわかる。これより、隣り合う高調波間の差分を同時に再生することで、50Hzの低音成分を擬似的に感じさせることができる。
図9はこの発明の実施の形態5による高調波生成装置の高調波生成部を示す構成図であり、図において、図7と異なる高調波生成部に関して説明する。また、高調波生成部に関して、図7と同一符号は同一または相当部分を示し説明を省略する。本実施の形態は、実施の形態4とは異なり、生成した高調波のパワーを次数ごとに調整可能な構成である。
ゲイン器27は減算器16より出力された3次高調波成分信号にゲインα3を乗算し、出力する処理を実施する。なお、ゲイン器27はゲイン調整手段を構成している。
ゲイン器28は減算器21より出力されたn次高調波成分信号にゲインαnを乗算し、出力する処理を実施する。なお、ゲイン器28はゲイン調整手段を構成している。
ゲイン器29は減算器22より出力されたN-1次高調波成分信号にゲインαN-1を乗算し、出力する処理を実施する。なお、ゲイン器29はゲイン調整手段を構成している。
ゲイン器30は減算器24より出力されたN次高調波成分信号にゲインαNを乗算し、出力する処理を実施する。なお、ゲイン器30はゲイン調整手段を構成している。
加算器31はN-1個のゲイン器より出力される信号を加算し、出力する処理を実施する。なお、加算器31は信号加算手段を構成している。
ゲイン器26は2倍増幅器12より出力された2次高調波成分信号にゲインα2を乗算し、その出力信号を加算器31に出力する。
ゲイン器27は減算器16より出力された3次高調波成分信号にゲインα3を乗算し、その出力信号を加算器31に出力する。
ゲイン器28は減算器21より出力されたn次高調波成分信号にゲインαnを乗算し、その出力信号を加算器31に出力する。
ゲイン器29は減算器22より出力されたN-1次高調波成分信号にゲインαN-1を乗算し、その出力信号を加算器31に出力する。
ゲイン器30は減算器24より出力されたN次高調波成分信号にゲインαNを乗算し、その出力信号を加算器31に出力する。
図10と図11はゲインα2〜αNを指数的に変化させた場合の高調波成分信号の周波数特性である。ここで、図10はゲインα2=0.7とし、図11はゲインα2=0.5とし、αNまで指数的に減少させ、ゲイン調整した結果を示している.
実施の形態2の構成において、それぞれの次数の高調波のパワーに対し、ゲイン調整する場合、フィードバックループ内にゲイン器を追加することとなり、発散しない安定した信号を得るためには、ゲイン器の値が限定される。
そこで、本実施の形態のように実施の形態4の構成にゲイン器を追加した場合、実施の形態2と異なり、実施の形態4は生成される高調波成分信号のパワーが帯域成分信号と同等のパワーを持っていることや、フィードバックループを用いないことからゲイン器の値を自由に決めることができるため、よりユーザの好みに応じた調整が実現可能になる。
Claims (1)
- オーディオ信号を入力し、スピーカで音声に再生する装置に設けられ、
入力信号からスピーカの最低再生周波数以下の低音成分からなる所定の帯域成分の信号を抽出する帯域成分抽出手段と、
上記帯域成分抽出手段により抽出された帯域成分信号の位相を90度ずらす90度位相変換手段と、
上記帯域成分抽出手段により抽出された帯域成分信号と、この90度位相変換手段から出力された帯域成分信号の90度位相ずれ信号を乗算器により乗算して2次高調波成分信号を生成し、この生成された2次高調波成分信号と上記90度位相変換手段から出力された帯域成分信号の90度位相ずれ信号を上記乗算器とは別に設けられた乗算器により乗算し3次高調波成分信号を生成する処理を、その処理毎に別に設けられた乗算器により順次繰り返し2〜n(n≧3)次までの高調波成分信号を生成する2〜n次高調波生成手段とを備えたことを特徴とする高調波生成装置。
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