JP5472258B2

JP5472258B2 - 音声信号処理装置

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Publication number: JP5472258B2
Application number: JP2011235211A
Authority: JP
Inventors: 正夫野呂
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2011-10-26
Filing date: 2011-10-26
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2031-10-26
Also published as: US9008318B2; US20150195667A1; JP2013093772A; US9386389B2; US20130108056A1

Description

この発明は、入力された音声信号に種々の処理を施す音声信号処理装置に関する。

従来、モノラルスピーカで音の広がり感を与えるものとして、例えば特許文献１に示すような処理が知られている。

特許文献１では、Ｌチャンネルの入力信号とＲチャンネルの入力信号の差成分であるＬ−Ｒ信号を生成し、ローパスフィルタを介して所定のゲインでＬ＋Ｒ信号に加算することで、音の広がり感を与えるものが記載されている。

特許第４５２６７５７号公報

しかし、特許文献１の方式では、ローパスフィルタを介するため、Ｌ−Ｒ信号は、低域側の位相は変化しないが、高域側の位相が変化する。そのため、Ｌ−Ｒ信号をＬ＋Ｒ信号に加算した場合に、周波数特性が崩れ、Ｌ−Ｒ信号のゲインを高くするほど低域だけが強調され過ぎてしまう。

そこで、本発明は、差信号と和信号を合成する場合であっても、周波数特性が大きく変化しない音声信号処理装置を提供することを目的とする。

この発明の音声信号処理装置は、複数チャンネルの音声信号を入力する入力部と、前記複数チャンネルの音声信号の和信号を生成する和信号生成部と、前記複数チャンネルの音声信号の差信号を生成する差信号生成部と、前記和信号の位相を変化させる移相処理部と、前記差信号の周波数特性を変化させるとともに、前記移相処理部の位相変化に応じて、位相を変化させる周波数処理部と、前記移相処理部および前記周波数処理部の出力信号を合成して出力する出力部と、を備えたことを特徴とする。

このように、本発明の音声信号処理装置は、差信号（例えばＬ−Ｒ信号）の周波数特性および位相を変化させるが、差信号の位相変化に応じて和信号（例えばＬ＋Ｒ信号）の位相も変化させることで、差信号および和信号の位相差を制御する。この位相差をある程度の帯域（例えば音質に影響が大きい１０ｋＨｚ未満等）で保持すれば、当該帯域内では周波数特性が崩れず、差信号のゲインを高くしたとしてもある帯域だけが強調され過ぎることがなくなる。

また、和信号と差信号の位相差は、特定の帯域だけ保持される場合であってもよいが、可聴帯域全体で保持されることが音質上好ましい。

また、差信号の周波数特性および位相を変化させるためには、１次のバンドパスフィルタを用いることで実現することができる。この場合、バンドパスフィルタの中心周波数は、定位感に影響する周波数（一般的に３００Ｈｚ〜５ｋＨｚ程度）に設定されることが望ましい。

また、上記移相処理部は１次のオールパスフィルタにより実現することができる。オールパスフィルタは、低周波数帯域から高周波数帯域にかけて、０度から−１８０度までなだらかに位相が変化する特性を有するため、このオールパスフィルタの位相の周波数特性（位相特性）に合わせてバンドパスフィルタの位相特性を設定することが好ましい。例えば、９０度移相が生じる周波数と、バンドパスフィルタの中心周波数を一致させる。また、バンドパスフィルタの位相特性が、オールパスフィルタの位相特性とほぼ同様となるように、バンドパスフィルタの周波数特性（ゲインの周波数特性）を設定する。

また、上記移相処理部および周波数処理部は、それぞれＤＳＰを用いたデジタル信号処理で実現することも可能であるが、オペアンプ、抵抗器、コンデンサ等のアナログ回路を用いて実現することも可能である。アナログ回路の場合、ＤＳＰを用いたデジタル信号処理に比べ、非常に安価に実現することが可能である。

この発明によれば、差信号と和信号を合成する場合であっても、周波数特性が大きく変化しない。

信号処理装置の構成を示すブロック図である。図２（Ａ）は、振幅の周波数特性を示す図であり、図２（Ｂ）は、位相の周波数特性を示す図である。変形例１に係る信号処理装置の構成を示すブロック図である。変形例２に係る信号処理装置の構成を示すブロック図である。変形例３に係る信号処理装置の構成を示すブロック図である。

図１は、本発明の信号処理装置の構成を示すブロック図である。本実施形態の信号処理装置は、複数チャンネルの音声信号を入力し、ミックスダウンしてモノラルの音声信号として出力する装置である。なお、本実施形態において、特に記載無き場合、音声信号は、全てアナログ信号として説明する。

信号処理装置は、入力インタフェース（Ｉ／Ｆ）１１、加算器１２、加算器１３、オールパスフィルタ（ＡＰＦ）１４、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１５、レベル調整器１６、レベル調整器１７、および出力Ｉ／Ｆ１８を備えている。

入力Ｉ／Ｆ１１は、本発明の入力部に相当し、他装置や自装置内のコンテンツ再生部（不図示）から音声信号を入力する。この実施形態では、アナログ音声信号を入力する例について説明するが、デジタル音声信号を入力する場合には、入力Ｉ／Ｆ１１の内部にＤ／Ａコンバータを備える。また、ＭＰ３等のエンコードデータを入力する場合には、デコーダも備える。入力した音声信号のうち、左チャンネル（Ｌ）信号および右チャンネル（Ｒ）信号は、それぞれ加算器１２および加算器１３に供給される。

加算器１２は、本発明の和信号生成部に相当し、Ｌ信号とＲ信号とを加算して和信号（Ｌ＋Ｒ信号）を生成し、出力する。加算器１３は、本発明の差信号生成部に相当し、Ｌ信号からＲ信号を減算して差信号（Ｌ−Ｒ信号）を生成し、出力する。なお、差信号は、Ｒ信号からＬ信号を減算したＲ−Ｌ信号として生成される態様であってもよい。

このような差信号は、Ｌ信号およびＲ信号の同相成分が消去されたものであり、主に残響等のサラウンド感に影響する成分が含まれたものである。本実施形態の信号処理装置は、この差信号を和信号に加算することで、当該和信号を単一のスピーカから出力してモノラル再生を行う場合であっても広がりあるサラウンド感を与えることができるものである。ただし、和信号と差信号を単純に加算すると、Ｌ信号成分またはＲ信号成分が消去されてしまう。そこで、本発明の信号処理装置は、以下に示すように、ＡＰＦ１４およびＢＰＦ１５で移相処理および周波数処理を行うことで、和信号と差信号を加算してもＬ信号成分およびＲ信号成分が消去されず、かつ最終段の出力信号の周波数特性が大きく変化しない信号処理を実現する。

ＡＰＦ１４は、本発明の移相処理部に相当し、入力信号の周波数特性（ゲインの周波数特性）はそのままに、位相を９０度変化させる１次のフィルタである。ＡＰＦ１４には、Ｌ＋Ｒ信号が入力される。ＢＰＦ１５は、本発明の周波数処理部に相当し、入力信号の所定周波数帯域を通過させる１次のフィルタである。ＢＰＦ１５には、Ｌ−Ｒ信号が入力される。

ＡＰＦ１４の９０度移相が生じる周波数と、ＢＰＦ１５の中心周波数は、同じ周波数となるように設定されている。本実施形態では、ＡＰＦ１４について１ｋＨｚで９０度移相が生じ、ＢＰＦ１５の中心周波数が１ｋＨｚとなるように回路特性を設定している。なお、ＡＰＦ１４における９０度移相が生じる周波数、およびＢＰＦ１５の中心周波数は、定位に影響がある周波数帯域（概ね３００Ｈｚ〜５ｋＨｚ）に設定するが、実際にはスピーカの特性や入力音声信号（ソース）の内容に応じて適宜設定する。また、ＢＰＦ１５の周波数特性（ゲインの周波数特性）は、詳細は後述するが、ＡＰＦ１４の位相の周波数特性（位相特性）に応じて設定する。

ＡＰＦ１４の出力信号は、レベル調整器１６に入力され、ＢＰＦ１５の出力信号は、レベル調整器１７に入力される。レベル調整器１６およびレベル調整器１７は、それぞれ入力されたＬ＋Ｒ信号およびＬ−Ｒ信号のレベルを調整し、出力Ｉ／Ｆ１８に出力する。

レベル調整器１７のゲインを大きくすれば、サラウンド感が強調され、レベル調整器１６のゲインを大きくすれば、同相成分が強調されることになる。例えば、ソースに人の音声が含まれたものであれば、レベル調整器１６のゲインを高くして人の音声を強調するようにしてもよいし、逆に、ソースがＢＧＭであれば、レベル調整器１６のゲインを低くして、サラウンド感を強調するようにしてもよい。あるいは聴取者の好みに合わせた設定を行ってもよい。また、レベル調整器１６およびレベル調整器１７のゲインは固定であってもよいが、ユーザインタフェースを設け、各ゲインを調整できる態様としてもよい。

出力Ｉ／Ｆ１８は、本発明の出力部に相当し、レベル調整器１６から出力されたＬ＋Ｒ信号、およびレベル調整器１７から出力されたＬ−Ｒ信号を合成し、この合成後の信号を外部に出力する。図示は省略するが、出力された信号は、パワーアンプで増幅されてからスピーカに出力される。

次に、図２を参照して、ＡＰＦ１４およびＢＰＦ１５の周波数特性および位相特性について説明する。図２（Ａ）は、ＡＰＦ１４、ＢＰＦ１５、および出力信号（出力Ｉ／Ｆ１８の出力信号）の周波数特性（ゲインの周波数特性）を示す図であり、同図（Ｂ）はＡＰＦ１４、ＢＰＦ１５、および出力信号の位相特性（位相の周波数特性）を示す図である。

図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すように、ＡＰＦ１４の周波数特性は完全にフラット（全帯域で０ｄＢ）であり、低周波数帯域から高周波数帯域にかけて、０度から−１８０度までなだらかに位相が変化する位相特性を有する。本実施形態では、定位感に影響が大きい１ｋＨｚで−９０度の位相となるようにＡＰＦ１４の回路特性を設定している。

また、図２（Ａ）に示すようにＢＰＦ１５は、中心周波数が１ｋＨｚに設定されている。図２（Ｂ）に示すように、この中心周波数では、位相が変化しない。したがって、１ｋＨｚにおいて、ＡＰＦ１４の出力信号とＢＰＦ１５の出力信号との位相差は、９０度となる。なお、この例では、ＢＰＦ１５のピークゲインは、−３ｄＢとなっているが、一例として出力信号のゲインが−６ｄＢとなるようにＢＰＦ１５のゲイン特性（レベル調整器１７のゲイン）を設定しているためであり、実際のＢＰＦ１５のピークゲインは、必要とする出力信号のゲインに応じて適宜設定される。

そして、図２（Ｂ）に示すように、ＢＰＦ１５は、ＡＰＦ１４の位相特性とほぼ同様の位相特性を示すように回路特性が設定されている。すなわち、ＢＰＦ１５の周波数特性をなだらかに、広帯域な（例えば−３ｄＢ幅を３００Ｈｚ〜５ｋＨｚ程度とする）通過帯域を設定し、ＡＰＦ１４の位相特性に合わせた回路特性を設定する。

このように、ＡＰＦ１４およびＢＰＦ１５は、可聴帯域全体で位相差が保持されているため、図２（Ａ）の出力信号の周波数特性に示すように、ＡＰＦ１４の出力信号とＢＰＦ１５の出力信号を加算しても、周波数特性が大きく崩れることなく、差信号のゲインを高く（例えば和信号と同じゲインに）したとしてもある帯域だけが強調され過ぎることがなくなり、音質に影響なく広がりあるサラウンド感を与えることが可能になる。

また、上記のような特性を有するＡＰＦ１４およびＢＰＦ１５は、オペアンプ、抵抗器、コンデンサ等のアナログ回路を用いて非常に安価に実現することが可能である。ただし、本発明の移相処理部および周波数処理部は、それぞれＤＳＰを用いたデジタル信号処理で実現することも可能であり、和信号の位相のみ変化させる信号処理部と和信号の位相変化に応じて差信号の周波数特性および位相を変化させるための信号処理部と、を有していればよい。

また、上記実施形態では、可聴帯域全体でＡＰＦ１４との位相差が保持されるようにＢＰＦ１５の周波数特性を設定する例を示したが、本発明において可聴帯域全体で位相差が保持される必要はない。特に、音質に影響が大きい帯域（例えば１０ｋＨｚ未満）において位相差が保持されるだけでもよい。

なお、本実施形態では、モノラルスピーカを用いてＬチャンネルおよびＲチャンネルの２チャンネル再生を行う例を示したが、入力信号がリアＬチャンネル（ＳＬ）およびリアＲチャンネル（ＳＲ）の場合においても、本発明を適用することが可能である。この場合、和信号がＳＬ＋ＳＲ信号となってＡＰＦ１４で移相処理がなされ、差信号がＳＬ−ＳＲ信号となってＢＰＦ１５で移相処理および周波数処理がなされる。この場合、ＳＬチャンネルおよびＳＲチャンネルの音声信号を、聴取者の背面に設置した１つのスピーカから出力する場合に好適である。

また、本発明の信号処理装置は、さらに多数チャンネルの音声信号を入力する場合にも適用可能である。

（変形例１）
図３は、変形例１に係る信号処理装置の構成を示すブロック図である。図１と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。図３の信号処理装置は、低域専用（ＬＦＥ）チャンネルを加えた２．１チャンネル再生を行うために、ＬＦＥ信号のレベル調整を行うレベル調整器２１を備えている。レベル調整器２１でレベル調整されたＬＦＥ信号は、出力Ｉ／Ｆ１８に入力される。

出力Ｉ／Ｆ１８は、レベル調整器１６から出力されたＬ＋Ｒ信号と、レベル調整器１７から出力されたＬ−Ｒ信号と、レベル調整器２１から出力されたＬＦＥ信号と、を合成し、この合成後の信号を外部に出力する。このようにして、２．１チャンネルの入力信号であっても、モノラル信号として出力し、単一のスピーカから出力する場合であっても広がりあるサラウンド感を実現することができる。

（変形例２）
図４は、変形例２に係る信号処理装置の構成を示すブロック図である。なお、図３と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。図４の信号処理装置は、センタチャンネル（Ｃ）、リアＬ（ＳＬ）チャンネル、およびリアＲ（ＳＲ）チャンネルを加えた５．１チャンネル再生を行うために、Ｃ信号のレベル調整を行うレベル調整器２２、ＳＬ信号のレベル調整を行うレベル調整器２３、およびＳＲ信号のレベル調整を行うレベル調整器２４を備えている。レベル調整器２２でレベル調整されたＣ信号、レベル調整器２３でレベル調整されたＳＬ信号、およびレベル調整器２４でレベル調整されたＳＲ信号は、それぞれ出力Ｉ／Ｆ１８に入力される。

出力Ｉ／Ｆ１８は、レベル調整器１６から出力されたＬ＋Ｒ信号と、レベル調整器１７から出力されたＬ−Ｒ信号と、レベル調整器２１から出力されたＬＦＥ信号と、レベル調整器２２から出力されたＣ信号と、レベル調整器２３から出力されたＳＬ信号と、レベル調整器２４から出力されたＳＲ信号と、を合成し、この合成後の信号を外部に出力する。このようにして、５．１チャンネルの入力信号であっても、モノラル信号として出力し、単一のスピーカから出力する場合であっても広がりあるサラウンド感を実現することができる。

（変形例３）
さらに、図５は、変形例３に係る信号処理装置の構成を示すブロック図である。なお、図４と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。図５の信号処理装置は、ＳＬ信号とＳＲ信号とを加算して和信号（ＳＬ＋ＳＲ信号）を生成する加算器３１と、ＳＬ信号からＳＲ信号を減算して差信号（ＳＬ−ＳＲ信号）を生成する加算器３２と、を備えている。さらに、図５の信号処理装置は、ＳＬ＋ＳＲ信号を入力するＡＰＦ３３と、ＳＬ−ＳＲ信号を入力するＢＰＦ３４と、ＡＰＦ３３の出力信号のレベル調整を行うレベル調整器３５と、ＢＰＦ３４の出力信号のレベル調整を行うレベル調整器３６と、を備えている。

ＡＰＦ３３およびＢＰＦ３４は、それぞれＡＰＦ１４およびＢＰＦ１５と同様の特性を有するフィルタである。すなわち、ＳＬ＋ＳＲ信号は、ＡＰＦ３３により、１ｋＨｚにおいて９０度移相され、ＳＬ−ＳＲ信号は、ＢＰＦ１５により、可聴帯域全体においてＳＬ＋ＳＲ信号との位相差が９０度に保持された状態となる。

そして、ＳＬ＋ＳＲ信号は、レベル調整器３５でレベル調整され、ＳＬ−ＳＲ信号は、レベル調整期３６でレベル調整された後、それぞれ出力Ｉ／Ｆ１８に入力される。

出力Ｉ／Ｆ１８は、レベル調整器１６から出力されたＬ＋Ｒ信号と、レベル調整器１７から出力されたＬ−Ｒ信号と、レベル調整器２１から出力されたＬＦＥ信号と、レベル調整器２２から出力されたＣ信号と、レベル調整器３５から出力されたＳＬ＋ＳＲ信号と、レベル調整器３６から出力されたＳＬ−ＳＲ信号と、を合成し、この合成後の信号を外部に出力する。この場合においても、ＳＬ＋ＳＲ信号とＳＬ−ＳＲ信号との位相差が可聴帯域全体で９０度に保持され、周波数特性が大きく崩れることなく、音質に影響なく広がりあるサラウンド感をさらに強調することが可能になる。

１１…入力Ｉ／Ｆ
１２…加算器
１３…加算器
１４…ＡＰＦ
１５…ＢＰＦ
１６…レベル調整器
１７…レベル調整器
１８…出力Ｉ／Ｆ

Claims

複数チャンネルの音声信号を入力する入力部と、
前記複数チャンネルの音声信号の和信号を生成する和信号生成部と、
前記複数チャンネルの音声信号の差信号を生成する差信号生成部と、
前記和信号の位相を変化させる移相処理部と、
前記差信号の周波数特性を変化させるとともに、前記移相処理部の位相変化に応じて、位相を変化させる周波数処理部と、
前記移相処理部および前記周波数処理部の出力信号を合成して出力する出力部と、
を備えたことを特徴とする音声信号処理装置。
前記和信号と前記差信号の位相差が可聴帯域全体で保持されることを特徴とする請求項１に記載の音声信号処理装置。
前記周波数処理部は、バンドパスフィルタであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の音声信号処理装置。
前記バンドパスフィルタの中心周波数は、定位感に影響する周波数であることを特徴とする請求項３に記載の音声信号処理装置。
前記移相処理部は、オールパスフィルタであり、
前記バンドパスフィルタは、前記オールパスフィルタとの位相差が可聴帯域全体で保持される特性を有することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の音声信号処理装置。
前記移相処理部および前記周波数処理部は、アナログ回路により実現されることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の音声信号処理部。