JP5588780B2 - 疑似低音の発生器および発生方法 - Google Patents

Description

本発明は、疑似低音の発生技術に関する。

スピーカやヘッドホン（以下、スピーカと総称する）から、その帯域より低い低音を発生させる手法として、疑似低音が利用される。再生したい低音の周波数をｆ１とするとき、ｆ１の２倍の周波数ｆ２と、ｆ１の３倍の周波数ｆ３をスピーカに入力すると、その差周波（ｆ３−ｆ２）、つまりもとの周波数ｆ１をユーザ（聴取者）が知覚することができる。

たとえば５０Ｈｚ以下の帯域が再生できないスピーカに対して、２倍波１００Ｈｚと３倍波１５０Ｈｚの信号を入力すると、聴取者はあたかも５０Ｈｚの音声が再生されているように知覚する。

特開２００５−３１８５９８号公報 特開２００８−３０４６７０号公報 特開２００９−４４６５５号公報

本発明者は、こうした疑似低音発生器について検討を行った結果、以下の課題を認識するに至った。図１（ａ）、（ｂ）は、比較技術に係る疑似低音発生器の構成を示すブロック図および動作波形である。疑似低音発生器２００は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）で構成される。疑似低音発生器２００は、ＨＰＦ（ハイパスフィルタ）２０２、２１０、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）２０４、２１８、絶対値回路２０６、クリップ回路２０８、乗算器２１２、２１４、加算器２１６、２２０を備える。ＨＰＦ２０２、２１０は、入力された信号の低周波成分を除去する。ＬＰＦ２０４、２１８は、入力された信号の高周波成分を除去する。加算器２１６、２２０は、２つの入力信号を加算する。絶対値回路２０６は、入力された信号の絶対値を出力する。クリップ回路２０８は、入力された信号を、正負それぞれのリミット値でクリップ（クランプ）する。乗算器２１２、２１４はそれぞれ、入力された信号に所定の係数を乗算する。

図１（ｂ）には、入力信号Ｓ_ＩＮ、絶対値回路２０６およびクリップ回路２０８の出力信号Ｓ１、Ｓ２の波形がそれぞれ示される。絶対値回路２０６の出力信号Ｓ１は、入力信号（基本波成分ともいう）Ｓ_ＩＮと、入力信号Ｓ_ＩＮの２倍波を含む偶数次高調波を主成分とする。クリップ回路２０８の出力信号Ｓ２は、基本波成分Ｓ_ＩＮと、入力信号Ｓ_ＩＮの３倍波を含む奇数次高調波を主成分とする。

図１の回路では、信号Ｓ１、Ｓ２はともに基本波成分Ｓ_ＩＮを含んでいるため、基本波成分Ｓ_ＩＮの振幅が大きくなると、加算器２１６、加算器２２０あるいは後段の回路において、オーバーフローが発生するおそれがある。オーバーフローが発生すると、オーディオ信号は歪み、音質が劣化する。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的は、音質の劣化を抑制した疑似低音発生器の提供にある。

本発明のある態様は、疑似低音発生器に関する。疑似低音発生器は、入力信号に応じた信号の絶対値を出力する絶対値回路と、入力信号に応じた信号を、正負それぞれのリミット値でクリップするクリップ回路と、入力信号に応じた信号に所定の係数を乗算する第１乗算器と、クリップ回路の出力信号から第１乗算器の出力信号を減算する第１加算器と、第１加算器の出力信号に応じた信号と、絶対値回路の出力信号に応じた信号を加算する第２加算器と、入力信号と第２加算器の出力信号に応じた信号を加算する第３加算器と、を備える。疑似低音発生器は、第３加算器の出力信号に応じた信号を出力する。

この態様によると、第１加算器によって、クリップ回路の出力信号の基本波成分を減衰させることができる。したがって基本波成分の振幅が大きい場合であっても、各加算器においてオーバーフローが発生するのを抑制でき、ひいては音質の劣化を抑制できる。
「信号Ａ応じた信号Ｂ」とは、信号Ａそのものであってもよいし、信号Ａにある信号処理を施した信号であってもよい。

クリップ回路に設定される正負それぞれのリミット値が、正負それぞれのピーク値のβ（βは実数の定数）倍に設定されるとき、定数βと所定の係数αは、
０．９５＜α＋β＜１．２５
となる関係を満たすことが望ましい。
この関係を満たすとき、基本波成分を好適に減衰させることができる。

本発明のある態様も、疑似低音発生器に関する。疑似低音発生器は、入力信号に応じた信号の絶対値を出力する絶対値回路と、入力信号に応じた信号を、正負それぞれのリミット値でクリップするクリップ回路と、入力信号に応じた信号に所定の係数を乗算する第１乗算器と、絶対値回路の出力信号から第１乗算器の出力信号を減算する第１加算器と、第１加算器の出力信号に応じた信号と、クリップ回路の出力信号に応じた信号を加算する第２加算器と、入力信号と第２加算器の出力信号に応じた信号を加算する第３加算器と、を備え、第３加算器の出力信号に応じた信号を出力する。

この態様によると、第１加算器によって、絶対値回路の出力信号の基本波成分を減衰させることができる。したがって基本波成分の振幅が大きい場合であっても、各加算器や後段の信号処理においてオーバーフローが発生するのを抑制でき、ひいては音質の劣化を抑制できる。

本発明のさらに別の態様も、疑似低音発生器に関する。この疑似低音発生器は、入力信号に応じた信号の絶対値を出力する絶対値回路と、入力信号に応じた信号を、正負それぞれのリミット値でクリップするクリップ回路と、絶対値回路の出力信号に応じた信号とクリップ回路の出力信号に応じた信号とを加算する第２加算器と、入力信号と第２加算器の出力信号に応じた信号を加算する第３加算器と、第３加算器の出力信号から疑似再生したい周波数成分をカットする出力ハイパスフィルタと、を備える。

この態様によると、 出力ハイパスフィルタによって、絶対値回路の出力信号の基本波成分を減衰させることができる。したがって基本波成分の振幅が大きい場合であっても、後段の信号処理においてオーバーフローが発生するのを抑制でき、ひいては音質の劣化を抑制できる。

疑似低音発生器は１つの半導体基板上に一体集積化されてもよい。「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明に係る疑似低音発生器によれば、音質の劣化を抑制できる。

図１（ａ）、（ｂ）は、比較技術に係る疑似低音発生器の構成を示すブロック図および動作波形である。 第１の実施の形態に係る疑似低音発生器の構成を示すブロック図である。 図２の疑似低音発生器の動作波形図である。 図２の疑似低音発生器の出力信号に含まれる再生不可低周波成分のスペクトルの大きさと係数αの関係を示す図である。 第２の実施の形態に係る疑似低音発生器の構成を示すブロック図である。 図６（ａ）、（ｂ）は、図２の第２ＬＰＦの構成例を示すブロック図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

（第１の実施の形態）
図２は、第１の実施の形態に係る疑似低音発生器１００の構成を示すブロック図である。疑似低音発生器１００は、デジタルのオーディオ入力信号（以下、単に入力信号という）Ｓ_ＩＮを受け、信号処理を施すことにより疑似低音再生処理を行う。疑似低音発生器１００の出力信号Ｓ_ＯＵＴは、後段の図示しないＤ／Ａコンバータによってアナログのオーディオ信号に変換され、スピーカやヘッドホンなどの図示しない電気音響変換素子へと供給される。この電気音響変換素子は、低域の再生能力に乏しく、たとえば５０Ｈｚより低い、あるいは１００Ｈｚより低い周波数成分（以下、再生不可低周波数と称する）の信号（再生不可低周波信号）を再生することができない。かかる状況において疑似低音発生器１００は、あたかもスピーカから再生不可低周波信号が再生されているかのように、ユーザに再生不可低周波信号を知覚させる。

以下、疑似低音発生器１００の構成を説明する。
疑似低音発生器１００は、第１ＨＰＦ１２、第１ＬＰＦ１４、絶対値回路１６、クリップ回路１８、第２ＨＰＦ２０、第２乗算器２２、第３乗算器２４、第２加算器２６、第２ＬＰＦ２８、第３加算器３０、第１乗算器３２、第１加算器３４を備える。

第１ＬＰＦ１４は、入力信号Ｓ_ＩＮから、疑似再生したい周波数成分、つまり再生不可低周波数よりも高い周波数成分をカットする。カットとは、完全に除去することのみでなく、減衰させることも含む。第１ＬＰＦ１４によって再生不能低周波信号が抽出される。第１ＨＰＦ１２は、入力信号Ｓ_ＩＮから、疑似再生したい再生不可低周波数よりも低い周波数成分（超低周波成分）をカットする。第１ＨＰＦ１２を設けることにより、後段の回路が効率よく信号処理を行うことが可能となる。
第１ＨＰＦ１２および第１ＬＰＦ１４を経た入力信号Ｓ_ＩＮに応じた信号を、基本低周波信号Ｓ_ＩＮ’という。第１ＨＰＦ１２と第１ＬＰＦ１４は入れ替えてもよい。

絶対値回路１６は、基本低周波信号Ｓ_ＩＮ’を受ける。絶対値回路１６は、基本低周波信号Ｓ_ＩＮ’の絶対値（以下、第１信号）Ｓ１を出力する。つまり絶対値回路１６によって基本低周波信号Ｓ_ＩＮ’が全波整流される。第２ＨＰＦ２０は第１信号Ｓ１の直流成分をカットする。第２乗算器２２は、第２乗算器２２の出力信号に所定の係数を乗算する。

クリップ回路１８は、入力信号Ｓ_ＩＮ’を、正負それぞれのリミット値でクリップする。正負それぞれのリミット値は、入力信号Ｓ_ＩＮ’の正負それぞれのピークレベルのβ（０＜β＜１）倍に設定される。たとえばβの値は０．７である。

第１乗算器３２は、入力信号Ｓ_ＩＮ’に所定の係数αを乗算する。β＝０．７のとき、α＝０．３〜０．５が好ましい。

第１加算器３４は、クリップ回路１８の出力信号（第２信号）Ｓ２から第１乗算器３２の出力信号（第３信号）Ｓ３を減算する。第３乗算器２４は、第１加算器３４の出力信号（第４信号）Ｓ４に所定の係数を乗算する。

第２加算器２６は、第１信号Ｓ１に応じている第２乗算器２２の出力信号Ｓ１’と、第４信号Ｓ４に応じている第３乗算器２４の出力信号Ｓ４’を加算し、第５信号Ｓ５を生成する。第２ＬＰＦ２８は、第５信号Ｓ５から、再生不能低周波の４倍以上の周波数成分をカットする。基本低周波信号Ｓ_ＩＮ’の高調波成分は本来的には、歪み成分であるため、疑似低音再生に必要な２次高調波と３次高調波以外の、４次高調波以上をカットすることにより、歪みを低下させることができる。

第３加算器３０は、もとの入力信号ＳＩＮと、第２ＬＰＦ２８を経た第５信号Ｓ５に応じた信号Ｓ５’を加算する。疑似低音発生器１００は、第３加算器３０の出力信号に応じた信号Ｓ_ＯＵＴを後段の回路へと出力する。

以上が疑似低音発生器１００の構成である。続いてその動作を説明する。
図３は、図２の疑似低音発生器１００の動作波形図である。図３の縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化されている。その他の図も同様である。入力信号Ｓ_ＩＮは、２０Ｈｚ程度の低周波から１７ｋＨｚ程度の高周波まで含むオーディオ信号である。

基本低周波信号Ｓ_ＩＮ’は、疑似再生の対象となる５０Ｈｚから１００Ｈｚ程度の再生不可低周波成分を含む。図３では、理解の容易化のため、再生不可低周波信号Ｓ_ＩＮ’のある単一周波数のスペクトル成分のみを抽出して示している。

図３に示すように、第２信号Ｓ２は、基本低周波信号Ｓ_ＩＮ’をクリップ（クランプ）した波形であるため、基本低周波信号Ｓ_ＩＮ’と波形が近似しており、したがって再生不可低周波のスペクトル成分を多く含んでいる。パラメータβの値が１に近いほど、このスペクトル成分は大きくなる。

図１の比較技術に係る疑似低音発生器２００においては、第２信号Ｓ２に含まれる再生不可低周波成分が大きいことによって、加算器２１６や加算器２２０および後段の回路において、オーバーフローが発生しやすくなっていた。
これに対して、図２の疑似低音発生器１００では、第２信号Ｓ２から、基本低周波信号Ｓ_ＩＮ’をα倍した第３信号Ｓ３を減算することにより、再生不可低周波成分を除去し、実効的な信号の振幅を小さくすることができる。その結果、疑似低音発生器１００の内部およびその後段においてオーバーフローが発生するのを抑制することができる。さらにオーバーフローが低減されることにより音質の劣化を抑制することができる。なお再生不可低周波成分を除去したとしても、それは後段のスピーカやヘッドホンからは直接再生されないため、聴覚上の影響はほとんどない。

図２の疑似低音発生器１００において、第１乗算器３２および第１加算器３４により再生不可低周波成分を除去する効果は、クリップ回路１８に設定されるパラメータβと第１乗算器３２に設定される係数αに応じて変化する。図４は、図２の疑似低音発生器１００の出力信号Ｓ_ＯＵＴに含まれる再生不可低周波成分のスペクトルの大きさと係数αの関係を示す図である。図４の関係はβ＝０．７の場合を示す。
この場合、α＝０．４が再生不可低周波成分を最も効果的に除去することができ、好ましい。実用的にはα＝０．３〜０．５程度に設定することが望ましい。

好ましい係数αの値は、パラメータβとの関係に応じて変化する。本発明者は２つのパラメータの組み合わせについて検討した結果、
０．９５＜α＋β＜１．２５
なる関係を満たすときに、再生不可低周波成分を効果的に除去できることを見いだした。たとえばβ＝０．８であれば、α＝０．１５〜０．４５程度が望ましい。

（第２の実施の形態）
図５は、第２の実施の形態に係る疑似低音発生器１００ａの構成を示すブロック図である。疑似低音発生器１００ａは、図２の疑似低音発生器１００から第１乗算器３２、第１加算器３４を省略し、代わりに出力ハイパスフィルタ３６を備える。

第２加算器２６は、絶対値回路１６の出力信号Ｓ１に応じた信号と、クリップ回路１８の出力信号Ｓ２に応じた信号を加算する。第２ＬＰＦ２８は第２加算器２６の出力信号Ｓ６から、再生不能低周波の４倍以上の周波数成分をカットする。第３加算器３０は、第２ＬＰＦ２８の出力信号と、もとのオーディオ信号Ｓ_ＩＮを加算する。出力ハイパスフィルタ３６は、第３加算器３０の出力信号（第７信号）Ｓ７から、疑似再生したい再生不可低周波成分をカットする。つまり、図２の疑似低音発生器１００と図５の疑似低音発生器１００ａとでは、再生不可低周波成分をカットする位置が異なっている。図５の疑似低音発生器１００ａによれば、疑似低音発生器１００ａの後段において発生するおそれのあるオーバーフローを抑制することができる。

図６（ａ）、（ｂ）は、図２の第２ＬＰＦ２８の構成例を示すブロック図である。図６（ａ）に示すように第２ＬＰＦ２８は、直列に接続された２つの２次ＩＩＲ（Infinite Impulse Response）フィルタ２８ａ、２８ｂを備える。２つのＩＩＲフィルタのうち、一方、たとえば後段をスルーとすることにより、２次フィルタとして利用することができる。

図６（ｂ）は、２次ＩＩＲフィルタの構成が示される。２次ＩＩＲフィルタは、複数の遅延素子Ｄ１〜Ｄ４と、加算器２９と、係数回路Ｂ０〜Ｂ２、Ａ１、Ａ２を含む。遅延素子Ｄ１〜Ｄ４は、入力された信号を遅延させる。係数回路Ｂ０〜Ｂ２、Ａ１、Ａ２はそれぞれ、入力された値に、係数Ｂ０〜Ｂ２、Ａ１、Ａ２を乗算する。加算器２９は、係数回路Ｂ０〜Ｂ２、Ａ１、Ａ２の出力信号を加算する。２次ＩＩＲフィルタをスルー状態とするためには、Ｂ０＝１、Ａ１＝Ａ２＝Ｂ１＝Ｂ２とすればよい。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセス、それらの組み合わせには、さまざまな変形例が存在しうる。以下、こうした変形例について説明する。

一例として、図２の疑似低音発生器１００と図５の疑似低音発生器１００ａを組み合わせてもよい。つまり図２の疑似低音発生器１００の後段に、出力ハイパスフィルタ３６を設けてもよい。

また図２において、第１加算器３４を、絶対値回路１６もしくは第２ＨＰＦ２０の後段に配置してもよい。このとき第１加算器３４は、第１信号Ｓ１に応じた信号から、第３信号Ｓ３を減算し、第２乗算器２２へと出力してもよい。この場合も、オーバーフローを好適に抑制できる。

実施の形態において示される周波数も例示であり、スピーカの種類、能力に応じてこれらの数値は当然に変化しうる。

実施の形態にもとづき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１００…疑似低音発生器、１２…第１ＨＰＦ、１４…第１ＬＰＦ、１６…絶対値回路、１８…クリップ回路、２０…第２ＨＰＦ、２２…第２乗算器、２４…第３乗算器、２６…第２加算器、２８…第２ＬＰＦ、３０…第３加算器、３２…第１乗算器、３４…第１加算器、３６…出力ハイパスフィルタ。

Claims (12)

1. 入力信号に応じた信号の絶対値を出力する絶対値回路と、
   前記入力信号に応じた信号を、正負それぞれのリミット値でクリップするクリップ回路と、
   前記入力信号に応じた信号に所定の係数を乗算する第１乗算器と、
   前記クリップ回路の出力信号から前記第１乗算器の出力信号を減算する第１加算器と、
   前記第１加算器の出力信号に応じた信号と、前記絶対値回路の出力信号に応じた信号を加算する第２加算器と、
   前記入力信号と前記第２加算器の出力信号に応じた信号を加算する第３加算器と、
   を備え、前記第３加算器の出力信号に応じた信号を出力することを特徴とする疑似低音発生器。
2. 前記クリップ回路に設定される正負それぞれのリミット値が、正負それぞれのピーク値のβ（βは実数の定数）倍に設定されるとき、定数βと前記所定の係数αは、
   ０．９５＜α＋β＜１．２５
   なる関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の疑似低音発生器。
3. 前記入力信号に応じた信号は、前記入力信号から、疑似再生したい周波数成分よりも高い周波数成分をカットした信号であることを特徴とする請求項１または２に記載の疑似低音発生器。
4. 前記入力信号に応じた信号は、前記入力信号から、疑似再生したい周波数成分よりも低い周波数成分をカットした信号であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の疑似低音発生器。
5. 前記絶対値回路の出力信号に応じた信号は、前記絶対値回路の出力信号から直流成分を除去した信号であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の疑似低音発生器。
6. 前記第２加算器の出力信号に応じた信号は、前記第２加算器の出力信号から、疑似再生したい周波数成分の４倍以上の周波数成分をカットした信号であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の疑似低音発生器。
7. 前記第２加算器の出力信号から、疑似再生したい周波数成分の４倍以上の周波数成分をカットするローパスフィルタをさらに備え、
   前記ローパスフィルタは、直列に接続された２つの２次ＩＩＲ（無限インパルス応答）フィルタを含むことを特徴とする請求項６に記載の疑似低音発生器。
8. 前記２次ＩＩＲフィルタは、
   当該２次ＩＩＲフィルタの入力信号を遅延させる第１遅延素子と、
   前記第１遅延素子の出力信号を遅延させる第２遅延素子と、
   当該２次ＩＩＲフィルタの出力信号を遅延させる第３遅延素子と、
   前記第３遅延素子の出力信号を遅延させる第４遅延素子と、
   前記入力信号に第１係数を乗ずる第１係数回路と、
   前記第１遅延素子の出力に第２係数を乗ずる第２係数回路と、
   前記第２遅延素子の出力に第３係数を乗ずる第３係数回路と、
   前記第３遅延素子の出力に第４係数を乗ずる第４係数回路と、
   前記第４遅延素子の出力に第５係数を乗ずる第５係数回路と、
   前記第１から第５係数回路の出力を加算し、前記出力信号を生成する加算器と、
   を含むことを特徴とする請求項７に記載の疑似低音発生器。
9. 入力信号に応じた信号の絶対値である第１信号として生成するステップと、
   前記入力信号に応じた信号を、正負それぞれのリミット値でクリップして第２信号を生成するステップと、
   前記入力信号に応じた信号に所定の係数を乗算して第３信号を生成するステップと、
   前記第２信号から前記第３信号を減算して第４信号を生成するステップと、
   前記第１信号に応じた信号と前記第４信号に応じた信号を加算して第５信号を生成するステップと、
   前記入力信号と前記第５信号に応じた信号を加算するステップと、
   を備えることを特徴とする疑似低音発生方法。
10. 前記正負それぞれのリミット値が正負それぞれのピーク値のβ（βは実数の定数）倍に設定されるとき、定数βと前記所定の係数αは、
    ０．９５＜α＋β＜１．２５
    なる関係を満たすことを特徴とする請求項９に記載の疑似低音発生方法。
11. 入力信号に応じた信号の絶対値を出力する絶対値回路と、
    前記入力信号に応じた信号を、正負それぞれのリミット値でクリップするクリップ回路と、
    前記絶対値回路の出力信号に応じた信号と前記クリップ回路の出力信号に応じた信号とを加算する第２加算器と、
    前記入力信号と前記第２加算器の出力信号に応じた信号を加算する第３加算器と、
    前記第３加算器の出力信号から疑似再生したい周波数成分をカットする出力ハイパスフィルタと、
    を備えることを特徴とする疑似低音発生器。
12. 入力信号に応じた信号の絶対値である第１信号を生成するステップと、
    前記入力信号に応じた信号を、正負それぞれのリミット値でクリップして第２信号を生成するステップと、
    前記第１信号に応じた信号と前記第２信号に応じた信号を加算して第６信号を生成するステップと、
    前記入力信号と前記第６信号に応じた信号を加算し、第７信号を生成するステップと、
    前記第７信号から疑似再生したい周波数成分をカットするステップと、
    を備えることを特徴とする疑似低音発生方法。

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