JP5407745B2

JP5407745B2 - オーディオ再生装置

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Publication number: JP5407745B2
Application number: JP2009243249A
Authority: JP
Inventors: 正也小西; 孝朗山邊
Original assignee: JVCKenwood Corp
Current assignee: JVCKenwood Corp
Priority date: 2009-10-22
Filing date: 2009-10-22
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2029-10-22
Also published as: JP2011091605A

Description

本発明は、オーディオ信号の低域成分を強調して再生するオーディオ再生装置に関する。

一般に、携帯型オーディオプレーヤ等に接続される小型のスピーカでは、オーディオ信号の低域成分（例えば、２０Ｈｚ〜５００Ｈｚ）をパワフルにかつ明瞭に再生するのが困難である。

このため、倍音を利用して、オーディオ信号の低域成分を強調することが行われる。即ち、オーディオ信号の低域成分に基本音が存在していなくても、この基本音と倍音関係にある高次倍音が存在していると、あたかもこの基本音が再生音中に存在しているように聴こえるという音響心理学的な現象を利用するものである。

具体的には、オーディオ信号の低域成分の信号波形を時間について整形し、高次倍音を生成して、これをもとのオーディオ信号に付加することにより、低域成分が強調されたオーディオ信号を再生する装置がある（特許文献１参照）。

特開２００５−３１８５９８号公報

しかしながら、特許文献１で開示されている技術は、もとのオーディオ信号に疑似低音（missing fundamental）効果が付加されている場合、もとのオーディオ信号には存在しない高次倍音が付加されているため、特に、オーディオ信号が単一楽器で演奏される楽曲の場合、再生音には不自然なハーモニクス感を聴取者に与えしまう問題があった。

また、単にオーディオ信号の低域成分を増幅させるだけでは、スピーカの性能によっては再生される音が割れてしまうことになる。

そこで本発明は、音が割れることなく、オーディオ信号の低域成分を強調して再生できるオーディオ再生装置を提供することを目的とする。

そこで本発明は、上記した課題を解決するために、入力されたオーディオ信号を複数の帯域のオーディオ信号に分割する帯域分割部と、前記帯域分割部によって分割されたオーディオ信号の内、所定の周波数以下の低域信号のレベルが時間経過とともに低下しているか否かを判断する波形検出部と、前記低域信号の波形の複数のピークを検出するピーク検出部と、前記ピーク検出部が検出したピークを基に、前記ピークの間隔を算出するピーク間隔算出部と、前記波形検出部が、前記低域信号の波形が時間経過とともに低下していると判断した場合、前記低域信号のレベルの低下が緩やかになるように制御し、前記ピーク間隔算出部が算出したピーク間隔が長いほど、前記低域信号のレベルの低下が緩やかになるように制御する波形制御部とを備えることを特徴とするオーディオ再生装置を提供する。

本発明によれば、音が割れることなく、オーディオ信号の低域成分を強調して再生できるオーディオ再生装置を提供することができる。

本発明のオーディオ再生装置の構成を示すブロック図である。実施例１のデジタル信号処理回路の回路構成を示すブロック図である。波形検出部及びゲイン制御信号発生回路の動作を示すフローチャートである。ゲイン制御回路の入出力波形を示す図である。実施例２のデジタル信号処理回路の回路構成を示すブロック図である。実施例２のデジタル信号処理回路の動作を示すフローチャートである。実施例２のゲイン制御回路の出力波形を示す図である。実施例３のデジタル信号処理回路の回路構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について、図１〜図８を参照して説明する。

本発明のオーディオ再生装置Aは、図１に示すように、オーディオ信号入力部１０と、アナログ・デジタル変換回路２０と、デジタル信号処理回路３０と、デジタル・アナログ変換回路４０と、増幅回路５０と、スピーカ６０とを備えている。

オーディオ信号入力部１０には、外部からのアナログオーディオ信号が入力される。そのアナログオーディオ信号はその後アナログ・デジタル変換回路２０へ入力される。例えば、オーディオ信号入力部１０は、音楽データが記録されている光ディスクを光ディスクドライブで再生したオーディオ信号、あるいは、音楽データが記録されているフラッシュメモリやハードディスクドライブから供給されるオーディオ信号が入力される。

アナログ・デジタル変換回路２０は、オーディオ信号入力部１０から供給されるオーディオ信号がアナログオーディオ信号である場合、そのアナログオーディオ信号をデジタルオーディオ信号に変換して、デジタル信号処理回路３０へ出力する。オーディオ信号入力部１０に入力されるオーディオ信号がデジタルオーディオ信号である場合、アナログ・デジタル変換回路２０は省略可能である。

デジタル信号処理回路３０は、本発明の要部であり、ＤＳＰ（Digital Signale Procceesor）等で構成されており、アナログ・デジタル変換回路２０から供給されるデジタルオーディオ信号に後述するデジタル信号処理を施したデジタルオーディオ信号を、デジタル・アナログ変換回路４０へ出力する。

デジタル・アナログ変換回路４０は、デジタル信号処理回路３０から出力されるデジタルオーディオ信号をアナログオーディオ信号に変換して、増幅回路５０へ出力する。

増幅回路５０は、デジタル・アナログ変換回路４０から出力されるアナログオーディオ信号を増幅して、スピーカ６０へ出力する。

スピーカ６０は、増幅回路５０から出力されるアナログオーディオ信号を音声として外部へ放音する。

次に、前述したデジタル信号処理回路３０のデジタル信号処理について、（実施例１）〜（実施例３）を用いて、具体的に説明する。

（実施例１）
本実施例におけるデジタル信号処理回路３０の一例であるデジタル信号処理回路３０Ａは、図２に示すように、帯域分割フィルタ（帯域分割部）３１と、波形検出部３２と、ゲイン制御信号発生回路３３と、ゲイン制御回路３４と、オーディオ信号合成回路３５とを備えている。

帯域分割フィルタ３１は、アナログ・デジタル変換回路２０から入力されるデジタルオーディオ信号を、所定の周波数以下の低域、所定の周波数より大きい高域の２周波数帯域に分割して得たデジタルオーディオ低域信号とデジタルオーディオ高域信号(以下「低域信号」「高域信号」とそれぞれ記す)とを出力する。

帯域分割フィルタ３１から出力する高域信号はオーディオ信号合成回路３５へ出力される。また、帯域分割フィルタ３１から出力する低域信号は、波形検出部３２へ出力されると共に、波形検出部３２をスルーしてゲイン制御回路３４へ出力される。

帯域分割フィルタ３１で行われる帯域分割は、例えば、デジタルオーディオ信号の全周波数帯域が２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚの場合、低域信号の周波数帯域が２０Ｈｚ〜５００Ｈｚ、高域信号の周波数帯域が５００Ｈｚ〜２０ｋＨｚとなるように、低域、高域の２帯域に分割しても良いし、また、必要に応じて、デジタル信号処理回路３０ＡのＤＳＰデータ処理能力に応じて、低域、中域、高域の３帯域以上に帯域分割してもよい。ここでは、帯域分割フィルタ３１は、低域、高域の２帯域に分割するものとして説明する。

波形検出部３２は、帯域分割フィルタ３１から供給される低域信号を、１フレーム（サンプリング周波数Fs=４８kHzの場合、１フレーム＝約５ms）当り一定のサンプル数（例えば２５６）毎に一括してレベル検出し、そのフレームごとの平均のレベルに基づいてオーディオ信号の低域成分の波形が、立上がり波形であるか立下がり波形であるかを判断する。これらの検出は、低域信号を１サンプル毎にサンプリングして行うことも可能であるが、ＤＳＰの負荷を軽くする（処理時間の短縮化を図る）ため、前述したように、フレーム単位で一括してレベル検出処理している。

なお、これらの検出の方法については後に詳述する。また、各実施形態において、波形が立上がっているとは、信号のレベルが時間経過とともに上昇していることを意味し、波形が立下がっているとは、信号のレベルが時間経過とともに低下していることを意味するものとする。

波形検出部３２がピーク位置直前の波形の立上がりを検出すると、ゲイン制御信号発生回路３３は、この立上がり波形に相当する低域信号のレベルを急激に増加させた低域信号を生成するためのゲイン制御信号をゲイン制御回路３４へ出力する。

一方、波形検出部３２がピーク位置直後の波形の立下がりを検出すると、この立下がり波形に相当する低域信号部分のレベルの減衰を一定時間緩やかにさせた（減衰時間を一定時間遅らせた）低域信号を生成するためのゲイン制御信号をゲイン制御回路３４へ出力する。

ゲイン制御回路３４は、ゲイン制御信号発生回路３３から供給されるこれらゲイン制御信号に応じて、低域信号のピーク位置直前の急峻な立上がりをさらに急峻にし、あるいは、ピーク位置直後の急峻な立下がりを緩やかにした波形成形低域信号をオーディオ信号合成回路３５へ出力する。

以上のように、ゲイン制御信号発生回路３３とゲイン制御回路３４とは協働して、低域信号の波形の傾斜を緩やかにしたり、急峻にしたりする波形制御部として動作する。

オーディオ信号合成回路３５は、帯域分割フィルタ３１から直接供給される高域信号と、ゲイン制御回路３４から供給される波形成形低域信号とを合成して、その合成したデジタルオーディオ信号を、デジタル・アナログ変換回路４０へ出力する。

こうして、デジタル信号処理回路３０Ａは、アナログ・デジタル変換回路２０から入力されるデジタルオーディオ信号の低域信号の立上がりをさらに急峻にし、かつその立下がりを緩やかにすることによって、低域成分を強調したデジタルオーディオ信号をデジタル・アナログ変換回路４０へ出力することができる。

次に、波形検出部３２が行うオーディオ信号の低域成分の波形の立上がり・立下がりを検出する方法、及び、ゲイン制御信号発生回路３３の具体的な動作について、図３のフローチャート、及び、図４の波形図を用いて説明する。図４（Ａ）は、波形検出部３２が波形の状態を検出する方法を説明するための図であり、図４（Ｂ）は、ゲイン制御回路３４に入力される入力波形Ｗ１と、ゲイン制御回路３４から出力される出力波形Ｗ２を示している。また、Ｆ１〜Ｆ４は各フレームの時間的幅を示しており、Ｌ１〜Ｌ４はフレームＦ１〜Ｆ４に含まれるオーディオ信号の平均レベルである。

まず、帯域分割フィルタ３１からオーディオ信号の低域信号が入力されると、波形検出部３２は、フレームごとの平均レベルを検出する（ステップＳ１）。

次のステップＳ２にて、波形検出部３２は、ステップＳ１において検出したフレームの平均レベルが閾値Ｌ以上であるか否かを判断する。フレームの平均レベルが閾値Ｌ未満の場合、ステップＳ１に戻り、波形検出部３２は、次のフレームの平均レベルを検出する。この閾値Ｌは、帯域分割フィルタ３１から波形検出部３２へ供給される低域信号に含まれるノイズ成分以上とすることが望ましい。

一方、ステップＳ２にて、フレームの平均レベルが閾値Ｌ以上の場合、ステップＳ３に進み、波形検出部３２はレベルを検出したフレームのレベルと、そのフレームの直前のフレームのレベルとを比較する。具体的には、現在のフレームの平均レベルから直前のフレームの平均レベルを差分する。例えば、図４において、フレームＦ２の平均レベルＬ２を検出した場合、Ｌ２≧Ｌであるので、波形検出部３２は、Ｌ２−Ｌ１を計算する。

次のステップＳ４において、波形検出部３２は、現在のフレームと前のフレームとの差分が正（プラス）の値であるか否かを判断する。図４（Ａ）においては、ステップＳ１において、フレームＦ１〜Ｆ３の平均レベルを算出した場合は、それぞれ直前のフレームの平均レベルの方が小さいのでレベル差は正（プラス）となり、フレームＦ４，Ｆ５の平均レベルを算出した場合は、それぞれ直前のフレームの平均レベルの方が大きいのでレベル差は負（マイナス）となる。

ステップＳ４において、レベル差がプラスである場合、ステップＳ５において、波形検出部３２は、波形Ｗ１は立上がりであると判断し、次のステップＳ６にて、ゲイン制御信号発生回路３３は、低域信号のレベルを急激に増加させるためのゲイン制御信号を出力する。その後、ステップＳ１に戻り、波形検出部３２は次のフレームの平均レベルを算出する。

一方、ステップＳ４において、レベル差がプラスではない場合、つまり、レベル差がマイナスである場合、ステップＳ７において、波形検出部３２は、波形Ｗ１は立下がりであると判断し、次のステップＳ８にて、ゲイン制御信号発生回路３３は、低域信号のレベルを緩やかにするためのゲイン制御信号を出力する。その後、ステップＳ１に戻り、波形検出部３２は次のフレームの平均レベルを算出する。

ゲイン制御回路３４は、以上のようにして出力されるゲイン制御信号発生回路３３からのゲイン制御信号に基づいて波形Ｗ１を増幅させ、帯域分割フィルタ３１から波形検出部３２へ供給される低域信号の波形Ｗ１の立上がりをより急峻にし、立下がりを緩やかにした波形成形低域信号の波形Ｗ２（図４（Ｂ））をオーディオ信号合成回路３５へ出力することができ、これによって、オーディオ信号の低域成分（低域信号）の量感、明瞭性を強調した再生音を得ることができる。また、ゲイン制御回路３４は入力波形Ｗ１を所定の時間遅延させることによって、出力波形W２の立下がりを緩やかにしてもよい。

（実施例２）
一般的にオーディオ信号の低音成分は周期的にピークがある波形になる。本実施例はその点に着目し、ピーク間の時間間隔（ピーク間隔）の長短によって、低音成分の波形の立下がりを緩やかにする度合いを変化させることで、再生音のリズム感、テンポ感が損なわれるのを防ぐことができる。

そこで、本実施例では、こうしたリズム感、テンポ感を得るのは、所定レベルＬ以上のピーク間隔の長短に関わらず略一定の周期で連続する状態により生じることに着目し、ゲイン制御信号発生回路３３は、ピーク間隔が比較的長い場合（図７（Ａ）に示すピークＰａ−Ｐｂのピーク間隔）、低域信号の波形Ｗ３に基づいて、ピークＰａからの立下がりが緩やかな時間を長くした波形成形低域信号の波形Ｗ４（図７（Ａ））を生成するためのゲイン制御信号を生成し、ゲイン制御回路３４へ出力する。

一方、ゲイン制御信号発生回路３３は、ピーク間隔が比較的短い場合（図７（Ｂ）に示すピークＰｃ−Ｐｄ，Ｐｄ−Ｐｅ，Ｐｅ−Ｐｆの各ピーク間隔）、低域信号の波形Ｗ５に基づいて、各ピークＰｃ，Ｐｄ，Ｐｅ，Ｐｆからの立下がり時間が、図７（Ａ）の場合よりも、それぞれ短い波形成形低域信号の波形Ｗ６（図７（Ｂ））を得るためのゲイン制御信号を生成し、ゲイン制御回路３４へ出力する。

つまりピーク間隔が長いほど波形の立下がりを緩やかにし、ピーク間隔が短いほど波形の立下がりを緩やかにする度合いを少なくする。これによって、ピーク間隔が比較的短いピークが連続して発生する場合でも、ピークからの立下がり波形、立上がり波形が明瞭となるから、再生音のリズム感、テンポ感を強調することができる。

以上の動作を行う実施例２のデジタル信号処理回路３０Ｂの一例について、図５を用いて詳細に説明する。

図５に示すように、デジタル信号処理回路３０Ｂは、デジタル信号処理回路３０Ａ（図２）の構成中、波形検出部３２の出力側とゲイン制御信号発生回路３３の入力側との間に、縦続接続したピーク検出部３６とピーク間隔算出部３７とを並列接続したものである。これ以外の変更はないから、ピーク検出部３６とピーク間隔算出部３７とゲイン制御信号発生回路３３との各動作についてのみ説明し、前述したものと同一構成部分には、同一符号を付して、その説明は省略することにする。

ピーク検出部３６は、波形検出部３２から供給されるフレームごとの平均レベルと、オーディオ信号の低域成分の波形Ｗ３（Ｗ５）の状態を基に、ピーク位置を算出する。具体的には、ピーク検出部３６は、波形Ｗ３（Ｗ５）が立上がりから立下がりへと転じたフレームの直前のフレームをピーク位置とする。ピーク検出部３６は、そのピーク位置をデータとして順次メモリし、メモリしたピーク位置データを順に読み出してピーク間隔算出部３７へ出力する（図６、ステップＳ１０，Ｓ１１）。

ピーク間隔算出部３７は、ピーク検出部３６から供給されるピーク位置データに基づいて、ピーク位置データとその直前のピーク位置データとの間隔を算出して、そのピーク間隔情報をゲイン制御信号発生回路３３へ出力する（図６、ステップＳ１２）。

ゲイン制御信号発生回路３３は、ピーク間隔算出部３７から供給されるピーク間隔情報を順にメモリし、メモリしたピーク間隔情報を順に読み出し、これに応じて、ピークから立下がる波形Ｗ３（Ｗ５）に対応するゲイン制御信号の減衰率を算出する（図６、ステップＳ１３）。即ち、ピーク間隔が長いほど、ピークからの立下がりの時間を長くして緩やかな立下がりを得るように、ゲイン制御信号を出力する。こうして、低域信号の波形Ｗ３に基づいた波形成形低域信号の波形Ｗ４を得ることができる（（図７（Ａ））。

一方、ゲイン制御信号発生回路３３は、ピーク間隔が短いほど、ピークからの立下がりの時間を短くする。つまり、ゲイン制御信号発生回路３３は、ピーク間隔が短いほど、小さい増幅率のゲイン制御信号を出力する。こうして、低域信号の波形Ｗ５に基づいた波形成形低域信号の波形Ｗ６を得ることができる（図７（Ｂ））。

また、その際にゲイン制御信号発生回路３３は、次のピークが訪れる直前の時間的位置の低音成分のレベルが閾値Ｌとなるようにゲイン制御又は信号の遅延を行い波形Ｗ４（Ｗ６）の立下りを緩やかにするとなお良い。

また、データをバッファして、次に訪れるピークによって立下がり波形Ｗ４（Ｗ６）を緩やかにする度合いを変えても良い。例えば、ゲイン制御信号発生回路３３は、次に訪れるピークのレベルが小さい場合ほど、ピークからの立下がりの時間を短くする。こうすることでレベルが小さい低音のピークのアタック感が失われることを防ぐことができる。この場合、次のピークのレベルはピーク検出部３６が、波形検出部３２から供給されるフレームごとの平均レベルと、オーディオ信号の低域成分の波形Ｗ３（Ｗ５）の状態を基に算出する。

こうして、デジタル信号処理回路３０Ｂは、デジタル信号処理回路３０Ａ（図２）で得られる効果に加えて、複数のピークが連続しかつそのピーク間隔が長短でばらついていても、再生オーディオ信号の低域成分の量感を得ることができ、またその明瞭性を強調でき、明瞭なリズム感を得ることができる。

前述した実施例２を換言すれば、本発明のピーク検出部３６によって連続的にピーク位置を検出した場合にピーク位置の間隔を算出するピーク間隔算出部３７を備えており、本発明のゲイン制御部であるゲイン制御信号発生回路３３は、算出されたピーク位置の間隔に応じて減衰時間を遅らせる減衰率を求めゲイン制御をすることを特徴とするものである。

（実施例３）
前述した実施例２は、オーディオ信号の低域信号のピーク間隔を検出することにより、楽曲のテンポを算出して、そのテンポ情報からゲイン制御信号の減衰時間を制御しているが、テンポが一定でない楽曲については、過去のピーク間隔の履歴データを備え、この履歴データを参照して線形予測等の技術を使って変動するテンポを予測し、一定期間毎の変動するテンポに応じたゲイン制御信号の減衰時間を設定することが可能である。この場合、必要な減衰時間を知るためにおおまかなテンポを予測するだけでよいので、予測回路としては簡単なものでかまわない。

即ち、デジタル信号処理回路３０の実施例３であるデジタル信号処理回路３０Ｃは、図８に示すように、デジタル信号処理回路３０Ｂの構成に加えて、ピーク検出部３６の出力側とピーク間隔算出部３７の入力側に予測回路３８を並列接続したものである。これ以外の変更はないから、予測回路３８の動作についてのみ説明し、前述したものと同一構成部分には、同一符号を付してこれ以外の説明は省略する。

予測回路３８は、ピーク検出部３６から供給されるピーク位置データを参照して、線形予測等の技術を使って変動するピーク間隔を予測し、この予測信号をピーク間隔算出部３７へ出力する。

ピーク間隔算出部３７は、予測回路３８から供給される予測信号に基づいて、ピーク間隔を算出して、ピーク間隔信号をゲイン制御信号発生回路３３へ出力する。こうして、変動するピーク間隔を予測し、一定期間毎の変動するテンポに応じたゲイン制御信号の減衰時間を設定することが可能である。

前記したデジタル信号処理回路３０の実施例３であるデジタル信号処理回路３０Ｃは、前述した実施例１〜実施例２で得られるそれぞれの効果に加えて、複数のピークが連続しかつそのピーク間隔が長短でばらついており、またこのピーク間隔が一定でなくても、再生オーディオ信号の低域成分の量感を得ることができ、またその明瞭性を強調でき、明瞭なリズム感を得ることができる。

ここで、実施例３を換言すれば、波形検出部３２によって検出した波形の状態と低音成分のレベルとから、低音成分の波形のピーク位置を所定の数だけ記憶するピーク検出部３６によって記憶された過去のピーク位置に基づき次のピーク位置を予測する本発明のピーク位置予測部である予測回路３８とを備え、本発明のゲイン制御部であるゲイン制御信号発生回路３３は、本発明のピーク位置予測部である予測回路３８によって予測された次の予測ピーク位置からの減衰時間を遅らせるようにゲイン制御をすることを特徴とするものである。

また、本発明のゲイン制御部であるゲイン制御信号発生回路３３は、本発明のピーク位置予測部である予測回路３８によって予測された次の予測ピーク位置よりも、ピーク検出部３２によって検出されたピーク位置の方が早く訪れる場合、こちらのピーク位置に合わせてゲイン制御を行う。

以上、各実施形態で説明したように本発明のオーディオ再生装置によれば、低域成分の立下りを緩やかにすることでオーディオ信号の低域成分を強調するので、過度に信号を増幅させることがなく、音が割れることなくオーディオ信号の低域成分を強調できる。

３１帯域分割フィルタ（帯域分割部）
３２波形検出部
３３ゲイン制御信号発生回路
３４ゲイン制御回路
３６ピーク検出部
３７ピーク間隔算出部
３８予測回路（ピーク位置予測部）
Ａオーディオ再生装置

Claims

入力されたオーディオ信号を複数の帯域のオーディオ信号に分割する帯域分割部と、
前記帯域分割部によって分割されたオーディオ信号の内、所定の周波数以下の低域信号のレベルが時間経過とともに低下しているか否かを判断する波形検出部と、
前記低域信号の波形の複数のピークを検出するピーク検出部と、
前記ピーク検出部が検出したピークを基に、前記ピークの間隔を算出するピーク間隔算出部と、
前記波形検出部が、前記低域信号の波形が時間経過とともに低下していると判断した場合、前記低域信号のレベルの低下が緩やかになるように制御し、前記ピーク間隔算出部が算出したピーク間隔が長いほど、前記低域信号のレベルの低下が緩やかになるように制御する波形制御部と、
を備えることを特徴とするオーディオ再生装置。
前記波形検出部は、低域信号のレベルが時間経過とともに上昇しているか否かを判断し、
前記波形制御部は、前記波形検出部が、前記低域信号の波形が時間経過とともに上昇していると判断した場合、前記低域信号のレベルの上昇が急峻になるよう制御することを特徴とする請求項１記載のオーディオ再生装置。