JP5430263B2

JP5430263B2 - オーディオ装置

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Publication number: JP5430263B2
Application number: JP2009166939A
Authority: JP
Inventors: 友彦伊勢
Original assignee: Alpine Electronics Inc
Current assignee: Alpine Electronics Inc
Priority date: 2009-07-15
Filing date: 2009-07-15
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2029-07-15
Also published as: JP2011023961A

Description

本発明はオーディオ装置に係り、特にステレオ信号L,Rのそれぞれに対して低相関なサラウンド信号を発生すると共に、該ステレオ信号L,Rに高相関な信号をセンター信号として発生してスピーカに入力するオーディオ装置に関する。

MP3(MPEG-1)やAAC(MPEG-2/-4)のオーディオ符号化方式として、ジョイントステレオ符号化方式がある。このジョイントステレオ符号化方式は、ステレオ信号L，R間の相関性を重視した圧縮法方法であり、ステレオ信号L，R間の高い相関成分と低い相関成分（L／Rそれぞれにある）を符号化し、相関の低い成分をさらに間引き、高圧縮率を図る方式で、低い音声符号化レートに最適な圧縮方式である。しかし、かかる音声圧縮では音の拡がり感が失われる問題がある。そこで、音声圧縮により失った音の拡がり感を再現させるための無相関化処理技術（特許文献１）が提案されている。この無相関化処理技術は、適応信号処理を利用するものであり、復号化された圧縮音声より高い相関成分と低い相関成分を再分離することができ、音の拡がり感を再現することができる。
図３は上記無相関化処理を実現する無相関化処理部の構成図であり、圧縮符号化されたオーディオ信号より復号されたステレオ信号L,Rを入力されて、ステレオ信号L,Rのそれぞれに対して低相関なサラウンド信号SL,SRを適応信号処理により発生する第１、第２の適応信号処理部１１０，１２０、ステレオ信号L,Rに高相関な信号をセンター信号Cとして生成するセンター信号生成部１３０を備えている。
第１の適応信号処理部１１０は、ステレオ信号R（＝X_R(n)）に含まれるステレオ信号L(=X_L(n)）と相関の高い高相関信号成分Ｃ_Ｌを抽出し、該ステレオ信号L(=X_L(n)）から該高相関信号成分C_Lを減算して第１のサラウンド信号SLを出力する。第２の適応信号処理部１２０は、ステレオ信号L（＝X_L(n)）に含まれるステレオ信号R(=X_L(n)）と相関の高い高相関信号成分C_Rを抽出し、該ステレオ信号R(=X_R(n)）から該高相関信号成分C_Ｒを減算して第２のサラウンド信号SRを出力する。センター信号生成部１３０は、加算器１３１において高相関信号成分Ｃ_Ｌと高相関信号成分C_Ｒを加算し、乗算器１３２において加算結果に0.5を乗算してセンター信号C(=0.5×（C_L＋C_R）)として出力する。

第１の適応信号処理部１１０は、ステレオ信号R（＝X_R(n)）に含まれる、ステレオ信号L(=X_L(n)）と相関の高い高相関信号成分C_Lを抽出して出力するタップ長２ｍの適応フィルタ（ADF：Adaptive Filter）１１２、LMS適応信号処理により、適応フィルタ１１２の２ｍ個の係数を求めて該適応フィルタに設定するLMS演算部１１４、適応フィルタの段数の半分ｍに応じた遅延時間(モデリング遅延)が設定され、ステレオ信号Lを該設定時間分、遅延する遅延回路１１６、遅延回路から出力するステレオ信号L（＝d_L(n)）より適応フィルタから出力する高相関信号成分C_Lを減算してサラウンド信号ＳＬを発生する演算部１１８を備えている。なお。適応フィルタ１１２は例えばFIRディジタルフィルタで構成される。
第２の適応信号処理部１２０は、ステレオ信号L（＝X_Ｌ(n)）に含まれる、ステレオ信号R(=X_R(n)）と相関の高い高相関信号成分Ｃ_Rを抽出して出力するタップ長２ｍの適応フィルタ１２２、LMS適応信号処理により、適応フィルタ１２２の２ｍ個の係数を求めて該適応フィルタに設定するLMS演算部１２４、適応フィルタの段数の半分ｍに応じた遅延時間(モデリング遅延)が設定され、ステレオ信号Ｒ信号を該設定時間分、遅延する遅延回路１２６、遅延回路１２６から出力するステレオ信号R（＝d_R(n)）より適応フィルタから出力する高相関信号成分C_Rを減算してサラウンド信号SRを発生する演算部１２８を備えている。

LMS演算部１１４、１２４は１サンプル毎(例えばサンプリング周波数44.1KHｚであれば、１/44100(sec)毎)に、それぞれ(1a),(1b)式の係数更新式

の演算を行なって適応フィルタ１１２，１２２の２ｍ個の係数を更新する。(1a)、(1b)式において、(n)は1サンプリング前の信号、(n＋1)は現サンプリング時の信号を示す。(1a)式において、W_L(n)、W_L(n＋1)は適応フィルタ１１２の係数、μはステップサイズパラメータ、e_L(n)は誤差信号（サラウンド信号SL）、X_L(n) はステレオ信号Lである。(1b)式において、W_R(n)、W_R(n＋1)は適応フィルタ１２２の係数、μはステップサイズパラメータ、e_R(n)は誤差信号（サラウンド信号SR）、X_R(n) はステレオ信号Rである。
又、高相関成分信号C_L、C_R、Cは次式によって表わされる。

ただし、Tは転置を示す。

以上により作成されたステレオ信号L（＝d_L(n)），R（＝d_R(n)）、２つのサラウンド信号SL，SR、センター信号Cはそれぞれ車室内前方の左右のフロントスピーカ、車室内後方の左右のリアスピーカ、前方中央のセンタースピーカにそれぞれ入力される。
図４は、図３の無相関化処理部の別の表示例であり、図３の適応フィルタ１１２とLMS演算部１１４をまとめて適応フィルタ１１２とし、適応フィルタ１２２とLMS演算部１２４をまとめて適応フィルタ１２２として示している。
以上の無相関化処理によりサラウンド信号SL,SRを生成すれば、低相関のサラウンド信号を安定して取り出せることができ、再生音場において拡がり感を大きくできる利点がある。
ところで、図３の無相関化処理部では、入力するステレオ信号を観測しながらフィルタ係数を動的に追従させて相関成分を抽出、除去する。しかし、フィルタ係数が収束するまでに時間を要し、電源投入後の動作直後や楽曲の冒頭においてフィルタ係数が安定せず、結果的にサラウンド信号が安定せず、音の定位のふらつきなどが発生し，音質上の課題となっている。かかる課題に対し、従来は、適応フィルタの収束パラメータ(ステップサイズパラメータ)を調整することで対応しているが、最適な収束パラメータは再生する音楽の相関成分の度合に依存して変化する問題がある。

特許３６８２０３２号

以上から、本発明の目的は、電源投入後の動作直後や楽曲の冒頭においてフィルタ係数が安定しないことに起因する定位のふらつきを回避することである。

本発明は、ステレオ信号L,Rのそれぞれに対して低相関なサラウンド信号を発生すると共に、該ステレオ信号L,Rに高相関な信号をセンター信号として生成するオーディオ装置である。
本発明のオーディオ装置は、(１)該Rチャンネル信号に含まれるLチャンネル信号と相関の高い信号を抽出するためのフィルタ係数を計算する第１の適応信号処理部、(２)所定時間毎の現時刻において計算された前記フィルタ係数を次の時刻における目標値として設定され、現在値から該目標値までフィルタ係数を更新する第１の係数更新部、(３)前記係数更新部により更新されたフィルタ係数を設定される第１のフィルタ、(４)前記Rチャンネル信号を設定時間遅延して前記第１フィルタに入力する第１の遅延部を備え、また、（５）前記Lチャンネル信号について、同様に、第２の適応信号処理部、第２の係数更新部、第２のフィルタ、第２の遅延部を備え、更に、(６)前記各フィルタの出力信号をそれぞれ、Rチャンネル信号に含まれるLチャンネル信号と相関の高い信号とするとともに、Lチャンネル信号に含まれるRチャンネル信号と相関の高い信号とし、これら信号を用いて前記サラウンド信号およびセンター信号を生成する生成回路、を有している。
本発明のオーディオ装置は、更に、前記第１フィルタから出力されるRチャンネル信号の遅延時間と遅延時間が等しくなるようにLチャンネル信号を遅延する第３の遅延部、前記第２フィルタから出力されるLチャンネル信号の遅延時間と遅延時間が等しくなるようにRチャンネル信号を遅延する第４遅延部を備え、前記生成回路は、前記第３の遅延部から出力するLチャンネル信号より前記第１フィルタから出力する信号を減算してLチャンネルのサラウンド信号を生成し、前記第４の遅延部から出力するRチャンネル信号より前記第２フィルタから出力する信号を減算してRチャンネルのサラウンド信号を生成し、前記第１、第２フィルタ出力を合成して前記センター信号を生成する。

本発明によれば、相関分離・除去用フィルタの係数を十分に更新した後に、すなわち、係数がほぼ安定した後に、該フィルタに音楽信号を入力するため、従来のように動作直後や楽曲の冒頭において生じる音の定位のふらつきなどを回避することができる。

図１は本発明のオーディオ装置の構成図である。図２は本発明の動作説明図である。従来の無相関化処理を実現する無相関化処理部の構成図である。図３の無相関化処理部の別の表記例である。

図１は本発明のオーディオ装置を構成する無相関化処理部の構成図であり、図４の構成と同一部分には同一符号を付している。なお、演算部１１８，１２８は、LMS演算のエラー信号発生用の演算部１１８a、１２８aと、サラウンド信号SL、SR発生用の演算部１１８b、１２８bに分離して示している。
本発明は、従来の無相関化処理部(図４参照)における適応フィルタ１１２，１２２とは別に相関成分抽出・除去用のFIRフィルタ２１１，２２１と、これらFIRフィルタ２１１，２２１へ入力するRチャンネル信号、Lチャンネル信号をそれぞれ所定時間t3遅延する遅延回路２１２，２２２と、遅延回路１１６，１２６から出力するLチャンネル信号、Rチャンネル信号をそれぞれ時間t2遅延する遅延回路２１３，２２３を設けている。
FIRフィルタ２１１，２２１には、適応フィルタ１１２，１２２のフィルタ係数Wa1,Wa2が所定時間t1毎に順次コピーされる。時間t1は例えば、遅延回路１１６、１２６に設定した遅延時間(モデリング遅延)である。
遅延回路２１２，２２２に設定する遅延時間t3を長くすることにより、FIRフィルタ２１１，２２１にコピーされる適応フィルタ係数Wa1,Wa2が十分に収束してから、Rチャンネル信号、Lチャンネル信号をそれぞれ該FIRフィルタ２１１，２２１に入力することができ、安定したサラウンド信号SL，SR、センター信号Cを生成して出力することができる。ただし、音が出力されるまでに時間(t1＋t3)の遅延が発生する。すなわち、本発明では、フィルタ係数が十分に収束した後に、ステレオL,R信号の相関成分を抽出・除去してサラウンド信号SL，SR、センター信号Cを発生することにより従来の無相関化処理部の課題を解決する。
以下、本発明の無相関化処理部の動作を詳細に説明する。
適応フィルタ１１２，１２２及び遅延回路１１６，１２６は従来技術(図４参照)と同等のものであり、適応フィルタ１１２，１２２は、所定のサンプリング周波数で(1a),(1b)式の係数更新式の演算を行なってフィルタ係数を計算する。なお、以下では適応フィルタ１１２，１２２の時刻tにおけるフィルタ係数をWa1(t)，Wa2(t)と表現する。遅延回路１１６、１２６には適応フィルタ１１２，１２６に用いられるFIRフィルタのタップ長の約半分の遅延時間t1が設定されている。
適応フィルタ１１２，１２２は、演算したフィルタ係数Wa1,Wa2を所定時間t1毎にFIRフィルタ２１１，２２１にコピーする。係数更新部２１４，２２４は、図２に示すように、コピーされた時刻n・t1のフィルタ係数Wa1(n・t1)，Wa2(n・t1)を時間t1毎の次の時刻(n+1)・t1におけるFIRフィルタ２１１，２２１のフィルタ係数Wb1,Wb2の目標値とみなし（Wb1((n+1)・t1)＝Wa1(n・t1)，Wb2((n+1)・t1)＝Wa2(n・t1)）、該フィルタ係数Wb1,Wb2を現在値Wb1(n・t1)，Wb2(n・t1)から該目標値Wa1(n・t1)，Wa2(n・t1)までサンプリング周期で順次直線的に変化するように更新する。
すなわち、係数更新部２１４，２２４は、時刻n・t1から次の時刻(n+1)・t1までの間の第mサンプリング時刻n・t1+m（ｍ＝0〜(t1−1)）におけるフィルタ係数Wb1,Wb2を以下の係数更新式

により直線補間により計算する。
適応フィルタ１１２，１２２におけるLMSアルゴリズムによるフィルタ係数更新処理、時間t1毎のFIRフィルタ２１１，２２１へのフィルタ係数のコピー処理、係数更新部２１４，２２４によるFIRフィルタ２１１，２２１のフィルタ係数更新処理が繰り返され、フィルタ係数が収束した時点で遅延回路２１２、２２２よりRチャネル信号、Lチャンネル信号をFIRフィルタ２１１，２２１に入力する。
これにより、FIRフィルタ２１１からRチャンネル信号に含まれるLチャンネル信号と相関の高い信号C_Lが安定して得られ、同様に、FIRフィルタ２２１からLチャンネル信号に含まれるRチャンネル信号と相関の高い信号C_Rが安定して得られる。
演算部１１８bは、遅延回路２１３から出力されるLチャンネル信号より信号C_Lを減算してLチャンネルサラウンド信号SLを出力し、演算部１２８bは、遅延回路２２３から出力されるRチャンネル信号より信号C_Rを減算してRチャンネルサラウンド信号SRを出力する。又、加算器１３１、乗算１３２は信号C_Lと信号C_Rを合成してステレオ信号L,Rに高相関なセンター信号Cを出力する。
前述のように、フィルタ係数が十分に収束してから、信号C_Lと信号C_Rが、結果的にサラウンド信号SL,SRおよびセンター信号Cが出力されるため、安定したサラウンド信号SL，SR、センター信号Cを出力することができ、音の定位のふらつきなどの発生を防止し、音質上の問題がなくなる。
なお、遅延回路２１２，２２２の遅延時間t3は最低2×t1以上の値を設定する必要がある。すなわち、
t3≧2×t1
とする必要があり、遅延時間t3を長くするほどフィルタ係数は安定するが、音が出力されるまでの時間が遅延する。遅延時間t3はフィルタ係数の安定と音の遅延のトレードオフにより決定される。又、遅延回路２１３、２２３の遅延時間t2は、遅延回路２１２，２２２の遅延時間t3と同じ時間
t2＝t3
に設定される。
以上により作成されたステレオ信号L，R、２つのサラウンド信号SL，SR、センター信号Cは、DA変換器、アンプ等のオーディオ回路を介してそれぞれ車室内前方の左右のフロントスピーカSP_L、SP_R、車室内後方の左右のリアスピーカSP_SL、SP_SR、前方中央のセンタースピーカSP_Cにそれぞれ入力される。
本発明によれば、相関分離・除去フィルタのフィルタ係数が十分更新され、安定した後にL、Rチャンネル信号を該フィルタに入力するようにしたから、従来アルゴリズムの動作直後や音楽の冒頭における音の定位のふらつきなどを回避することができる。

１１２，１２２適応フィルタ
１１６，１２６遅延回路
１１８a、１１８b 演算部
１２８a、１２８b 演算部
２１１，２２１ FIRフィルタ
２１２，２２２遅延回路
２１３，２２３遅延回路
２１４，２２４係数更新部

Claims

ステレオ信号L,Rのそれぞれに対して低相関なサラウンド信号を発生すると共に、該ステレオ信号L,Rに高相関な信号をセンター信号として発生してスピーカに入力するオーディオ装置において、
該Rチャンネル信号に含まれるLチャンネル信号と相関の高い信号を抽出するためのフィルタ係数を計算する第１の適応信号処理部、
所定時間毎の現時刻において計算された前記フィルタ係数を次の時刻における目標値として設定され、現在値から該目標値までフィルタ係数を更新する第１の係数更新部、
前記係数更新部により更新されたフィルタ係数を設定される第１のフィルタ、
前記Rチャンネル信号を設定時間遅延して前記第１フィルタに入力する第１の遅延部、
を備え、前記Lチャンネル信号について、同様に第２の適応信号処理部、第２の係数更新部、第２のフィルタ、第２の遅延部を備え、更に、
前記各フィルタの出力信号をそれぞれ、Rチャンネル信号に含まれるLチャンネル信号と相関の高い信号とするとともに、Lチャンネル信号に含まれるRチャンネル信号と相関の高い信号とし、これら信号を用いて前記サラウンド信号およびセンター信号を生成する生成回路、
を有することを特徴とするオーディオ装置。
前記第１フィルタから出力されるRチャンネル信号の遅延時間と遅延時間が等しくなるようにLチャンネル信号を遅延する第３の遅延部、
前記第２フィルタから出力されるLチャンネル信号の遅延時間と遅延時間が等しくなるようにRチャンネル信号を遅延する第４遅延部、
を備え、前記生成回路は、前記第３の遅延部から出力するLチャンネル信号より前記第１フィルタから出力する信号を減算してLチャンネルのサラウンド信号を生成し、前記第４の遅延部から出力するRチャンネル信号より前記第２フィルタから出力する信号を減算してRチャンネルのサラウンド信号を生成し、前記第１、第２フィルタ出力を合成して前記センター信号を生成する、
ことを特徴とする請求項１記載のオーディオ装置。