JP5762549B2 - ダイナミックレンジ制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、音信号に対する音量レベルの変化量またはダイナミックレンジを制御するダイナミックレンジ制御装置に関する。

インターネットを介してダウンロードする音楽信号、Ｂｌｕ−ｒａｙ（登録商標）Ｄｉｓｃ（ＢＤ）、Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ（ＤＶＤ）、およびＣｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｋ（ＣＤ）などのパッケージ音声信号、並びに、ラジオおよびテレビ放送などの音声信号など、様々な音声コンテンツのダイナミックレンジ（音量レベルの最小値と最大値の比率）を制御する信号処理装置が知られている。ダイナミックレンジ制御を行うことで、例えば、小さな音量レベルの音信号を大きくし、反対に大きな音量レベルの音信号を小さくすることができ、様々なコンテンツの音量レベルを均一に保つことができる。

例えば、特許文献１に開示されているＡＧＣ（自動利得制御）装置は、入力音響信号を時定数Ｔ１で平滑する第１の平滑手段と、時定数Ｔ２（＞Ｔ１）で平滑する第２の平滑手段とを備えて２つの音量レベルの出力信号を生成する。そして、アタック時には、時定数Ｔ１で平滑した出力信号の音量レベル値に基づいてダイナミックレンジを制御し、リリース時には時定数Ｔ２で平滑した出力信号の音量レベル値に基づいてダイナミックレンジを制御する。ここで、アタック時とは、低い音量レベルから高い音量レベルに変化するときであり、リリース時とは、高い音量レベルから低い音量レベルに変化するときである。このＡＧＣ装置では、２つの時定数Ｔ１，Ｔ２を切り替えて用いることにより、音量レベル変化時の不自然な音の発生を抑制しながら、ダイナミックレンジを制御することができる。

特開２００４−７２５６１号公報

然しながら、上記特許文献１に開示された信号処理技術では、ダイナミックレンジを制御することによって出力信号の波形が歪むという課題があった。
この波形の歪みは奇数次高調波として現れる。図６に、従来のダイナミックレンジ制御によって発生する奇数次高調波の一例を示す。図６（ａ）は、ＡＧＣ装置への入力信号である１ｋＨｚの正弦波の周波数特性、図６（ｂ）は、この入力信号をダイナミックレンジ制御したときの出力信号の周波数特性を表し、それぞれの縦軸は音量レベル［ｄＢ］、横軸は周波数［ｋＨｚ］である。図６（ｂ）の通り、ダイナミックレンジ制御によって３，５，７ｋＨｚなどの奇数次高調波が発生してしまう様子が分かる。このような奇数次高調波の発生は音質劣化に繋がるため、従来のダイナミックレンジ制御技術では音質面で課題があった。

ここで、ダイナミックレンジ制御により奇数次高調波が発生する原理を、簡単に説明する。図７（ａ）は１ｋＨｚ正弦波の時間波形を表わしたグラフである。図７（ｂ）〜図７（ｄ）は、１ｋＨｚ正弦波の奇数次高調波を表し、順に３次高調波（３ｋＨｚ）、５次高調波（５ｋＨｚ）、７次高調波（７ｋＨｚ）の時間波形である。また、図８は、１ｋＨｚ正弦波（破線で示す）の入力信号に対して、３次、５次および７次高調波をゲイン調整して加算した出力信号の時間波形（実線で示す）を表わしたグラフである。図７および図８とも縦軸の時間は同期しているものとする。
ダイナミックレンジ制御とは、入力信号（この例では１ｋＨｚ正弦波）の振幅値に応じて出力振幅値を変化させる信号処理である。そして、例えば大振幅値の振幅を元の入力信号の振幅よりも小さく（または大きく）しようとすると、入力信号のピーク値の位置と等しい位置にピーク値の絶対値のくる奇数次高調波を加算することで、等価的な処理を行うことができる。ちなみに、偶数次高調波は、入力信号のピーク値の位置と異なる位置にピーク値がくるため、等価的な処理を行うことはできない。

図７（ｂ）の３次高調波および図７（ｄ）の７次高調波は、図７（ａ）の入力信号のピーク値の位置に対して、負値のピークがくるため、これら３次および７次高調波を加算すると入力信号のピーク波形を抑える働きがある（図８に下向き矢印で示す）。反対に、図７（ｃ）の５次高調波（図示は省略するが９次高調波等も同様）は、入力信号のピーク値の位置に対して正値のピークがくるため、これら高調波を加算すると入力信号のピーク値をより大きくする働きがある（図８に上向き矢印で示す）。
一方、図７の破線で示すように、正弦波では、ピークとゼロを除いた任意の振幅値と同じ絶対値の振幅となる箇所は、入力信号の１周期で４箇所あり、該４箇所の位置では奇数次高調波もそれぞれ同じ振幅値になる。よって、奇数次高調波を加算（または減算）する信号処理を行うことで、等価的に、ピークとゼロを除く任意の振幅を入力信号よりも大きく（または小さく）するダイナミックレンジ制御を行うことになる。
以上より、ダイナミックレンジ制御により、入力信号の振幅値に応じて出力振幅値を変化させると、等価的に奇数次高調波が発生することとなる。

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、奇数次高調波の発生を抑制し、音質劣化なくダイナミックレンジ制御が可能なダイナミックレンジ制御装置を提供することを目的とする。

この発明に係るダイナミックレンジ制御装置は、入力された音信号の音量レベルに概略比例する音量レベル値を算出する音量レベル算出部と、音量レベル算出部で算出した音量レベル値に応じたゲイン係数値を算出するゲイン算出部と、音信号をＮ（＞１）個の周波数帯域に分割してＮ個の帯域制限信号を出力する、Ｎ個のフィルタから構成される第１のフィルタ群と、第１のフィルタ群から出力されたＮ個の帯域制限信号に対して、ゲイン算出部で算出したゲイン係数値をそれぞれ乗算してゲイン調整するＮ個の乗算器と、Ｎ個の乗算器から出力されたＮ個の帯域制限信号について、それぞれ所定の周波数帯域を抽出する、Ｎ個のフィルタから構成される第２のフィルタ群と、第２のフィルタ群から出力されたＮ個の帯域制限信号を１つの信号に合成する信号合成部とを備えるものである。

この発明に係るダイナミックレンジ制御装置は、入力された音信号をＮ（＞１）個の周波数帯域に分割してＮ個の帯域制限信号を出力する、Ｎ個のフィルタから構成される第１のフィルタ群と、第１のフィルタ群から出力されたＮ個の帯域制限信号の音量レベルに概略比例するＮ個の音量レベル値を算出するＮ個の音量レベル算出部と、Ｎ個の音量レベル算出部で算出したＮ個の音量レベル値に応じたＮ個のゲイン係数値を算出するＮ個のゲイン算出部と、第１のフィルタ群から出力されたＮ個の帯域制限信号に対して、Ｎ個のゲイン算出部で算出したＮ個のゲイン係数値を乗算してゲイン調整するＮ個の乗算器と、Ｎ個の乗算器から出力されたＮ個の帯域制限信号について、それぞれ所定の周波数帯域を抽出する、Ｎ個のフィルタから構成される第２のフィルタ群と、第２のフィルタ群から出力されたＮ個の帯域制限信号を１つの信号に合成する信号合成部とを備えるものである。

この発明によれば、ゲイン調整した後の帯域制限信号を第２のフィルタ群でフィルタリング処理することにより、ゲイン調整で発生した奇数次高調波を除去するようにしたので、音質劣化なくダイナミックレンジ制御を行うことのできるダイナミックレンジ制御装置を提供することができる。

この発明の実施の形態１に係るダイナミックレンジ制御装置の構成を示すブロック図である。 ゲイン算出部が用いる変換テーブルの一例をグラフ化した図である。 第１のフィルタ群および第２のフィルタ群のフィルタ特性の一例を示すグラフである。 実施の形態１に係るダイナミックレンジ制御装置にて処理される信号の周波数特性の変化例を示すグラフである。 実施の形態１に係るダイナミックレンジ制御装置にて処理される信号の周波数特性の変化例を示すグラフであり、図４Ａの続きである。 この発明の実施の形態２に係るダイナミックレンジ制御装置の構成を示すブロック図である。 従来のダイナミックレンジ制御によって発生する奇数次高調波の一例を示すグラフであり、図６（ａ）は入力信号、図６（ｂ）は出力信号である。 従来のダイナミックレンジ制御により奇数次高調波が発生する原理を説明するグラフであり、図７（ａ）は入力信号の時間波形、図７（ｂ）〜図７（ｄ）は３次、５次、７次高調波である。 従来のダイナミックレンジ制御を行った出力信号の時間波形を示すグラフである。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１に示すように、本実施の形態１に係るダイナミックレンジ制御装置は、音量レベル算出部１０１と、ゲイン算出部１０３と、第１のフィルタ群１０５と、Ｎ（＞１）個の乗算器１０８−１〜１０８−Ｎと、第２のフィルタ群１１０と、信号合成部１１３とから構成されている。第１のフィルタ群１０５は、Ｎ個のフィルタ１０６−１〜１０６−Ｎから構成され、第２のフィルタ群１１０も、Ｎ個のフィルタ１１１−１〜１１１−Ｎから構成されている。

ダイナミックレンジ制御装置に入力された入力信号１００は分岐され、音量レベル算出部１０１と、第１のフィルタ群１０５を構成するＮ個のフィルタ１０６−１〜１０６−Ｎに送られる。この入力信号１００は、例えばインターネットを介してダウンロードした音楽信号、ＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤなどのパッケージ音楽信号、ラジオ、テレビ放送などの音楽信号などの任意の音声コンテンツで良い。

音量レベル算出部１０１は、入力信号１００の音量レベル値を算出し、算出した音量レベル値１０２をゲイン算出部１０３へ向けて出力する。ここで、音量レベル値１０２は、入力信号１００の音量レベルに概略比例した値であれば何でもよく、音量レベル算出部１０１は特定の音量レベル算出装置および方法に限定されない。
音量レベル算出部１０１は、例えば、所定の時定数によって入力信号１００を平滑化して単一の音量レベル値を得て、これを音量レベル値１０２としてもよい。
また例えば、複数の異なる時定数によって入力信号１００をそれぞれ平滑化して複数の音量レベル値を得て、これらを音量レベル値１０２としてもよい。
また例えば、複数の異なる時定数によって入力信号１００をそれぞれ平滑化して複数の音量レベル値を得て、これらのうちの最大値を音量レベル値１０２としてもよいし、これらを重みづけ演算して求めた値を音量レベル値１０２としてもよい。
また例えば、入力信号１００の瞬時振幅値を検出して音量レベル値１０２としてもよいし、瞬時振幅値の絶対値を音量レベル値１０２としてもよい。
さらに、以上の算出方法に限定されるものではなく、これらの他、任意の方法で算出された値を音量レベル値１０２としてもよい。

ゲイン算出部１０３は、音量レベル算出部１０１から入力された音量レベル値１０２に従って、現時刻（すなわち、音量レベル値入力時点）のゲイン係数値１０４を算出する。このゲイン算出部１０３は、例えば大きい音量レベル値に対しては小さいゲイン係数値を、小さい音量レベル値に対しては大きいゲイン係数値を算出するが、算出方法は特定のゲイン算出方法に限定されない。
ゲイン算出部１０３は、例えば、所定の変換テーブルを用いて、音量レベル値１０２からゲイン係数値１０４を算出してもよい。
また例えば、所定の連続または不連続関数によって、音量レベル値１０２からゲイン係数値１０４を算出してもよい。
さらに、以上の算出方法に限定されるものではなく、これらの他、任意の方法でゲイン係数値１０４を算出してもよい。

ここで、ゲイン算出部１０３によるゲイン係数算出方法の一例を説明する。図２は、音量レベル値−ゲイン係数値の変換テーブルの一例をグラフ化した図であり、縦軸がゲイン係数［ｄＢ］、横軸が音量レベル［ｄＢ］である。ゲイン算出部１０３が図２の変換テーブルを用いた場合、音量レベル値が大きいとき、例えば０ｄＢのときにはゲイン係数値は−１０ｄＢと算出される。反対に、音量レベル値が小さいとき、例えば−４０ｄＢ以下のときには、ゲイン係数値は１０ｄＢと算出される。また、音量レベル値が０ｄＢ〜−４０ｄＢの範囲内のときには、ゲイン係数値は音量レベル値に応じて単調減少する値と算出される。特にこの例では、音量レベル値が−２０ｄＢのとき、ゲイン係数値が０ｄＢと算出される。
このように、ゲイン算出部１０３では、音量レベル値１０２に応じてゲイン係数値１０４を算出し、算出したゲイン係数値１０４をＮ個の乗算器１０８−１〜１０８−Ｎへ向けてそれぞれ出力する。

第１のフィルタ群１０５は、Ｎ個のフィルタ１０６−１〜１０６−Ｎから構成されている。それぞれのフィルタ１０６−１〜１０６−Ｎは、入力信号１００から所定の帯域を抽出してＮ個の帯域制限信号１０７−１〜１０７−Ｎを出力する。
ここで、本実施の形態１では、入力信号１００から抽出する帯域幅が２オクターブ以内となるように、一部のフィルタまたは全部のフィルタの特性を設定する。

（１）フィルタ特性の設定例１
具体的には、所定の周波数ｆを設定し、
１番目のフィルタ１０６−１の特性を、周波数ｆ以下を通過帯域とした低域通過フィルタ（Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ：ＬＰＦ）とし、
２番目のフィルタ１０６−２の特性を、周波数ｆ〜３ｆ（２オクターブ以内の周波数帯域２ｆ）を通過帯域とした帯域通過フィルタ（Ｂａｎｄ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ：ＢＰＦ）とし、
３番目のフィルタ１０６−３の特性を、周波数３ｆ〜９ｆ（２オクターブ以内の周波数帯域６ｆ）を通過帯域としたＢＰＦとし、
４番目のフィルタ１０６−４の特性を、周波数９ｆ〜２７ｆ（２オクターブ以内の周波数帯域１８ｆ）を通過帯域としたＢＰＦとする。
このように、Ｎ番目のフィルタ１０６−Ｎまでそれぞれフィルタ特性を設定する。なお、この例では、１番目のフィルタ１０６−１のみ通過帯域が２オクターブ以内となっていない。２番目から４番目のフィルタ１０６−２〜１０６−４は、通過帯域が２オクターブ以内となっている。

（２）フィルタ特性の設定例２
ただし、入力信号１００を時間領域から周波数領域に変換したときのＤＣ成分を含む非常に低い周波数ｆ_L以下を通過させないフィルタ特性にすることで、全てのフィルタ１０６−１〜１０６−Ｎの通過帯域を２オクターブ以内に設定することもできる。すなわち、
１番目のフィルタ１０６−１の特性を、周波数ｆ_L〜３ｆ_Lを通過帯域としたＢＰＦとし、
２番目のフィルタ１０６−２の特性を、周波数３ｆ_L〜９ｆ_Lを通過帯域としたＢＰＦとし、
３番目のフィルタ１０６−３の特性を、周波数９ｆ_L〜２７ｆ_Lを通過帯域としたＢＰＦとし、
４番目のフィルタ１０６−４の特性を、周波数２７ｆ_L〜８１ｆ_Lを通過帯域としたＢＰＦとする。
このように、Ｎ番目のフィルタ１０６−Ｎまでそれぞれフィルタ特性を設定することで、全てのフィルタ１０６−１〜１０６−Ｎの通過帯域を２オクターブ以内に設定することができる。
通常、人間の聴覚において２０Ｈｚ以下の音域は聞こえないため、周波数ｆ_Lを２０Ｈｚ付近に設定することで、低音の減少なく、全てのフィルタ１０６−１〜１０６−Ｎの通過帯域を２オクターブ以内に抑えることができる。

ここで、フィルタ１０６−１〜１０６−Ｎに好適な通過帯域の具体例を、図３を用いながら説明する。図３は、フィルタ数（帯域分割数）Ｎ＝５、周波数ｆ＝３００Ｈｚ、サンプリング周波数を４８ｋＨｚとした場合のフィルタ特性の例であり、縦軸は音量レベル［ｄＢ］、横軸は周波数［Ｈｚ］である。なお、入力信号１００として用いる音楽信号は、通常、デジタル化の段階でナイキスト周波数以上の信号成分がカットされているため、図３の例でもサンプリング周波数のナイキスト周波数２４０００Ｈｚ以下をグラフに示している。
図３では（１）フィルタ特性の設定例１の構成例として、
１番目のフィルタ１０６−１の特性は、３００Ｈｚ以下を通過帯域としたＬＰＦ、
２番目のフィルタ１０６−２の特性は、３００Ｈｚ〜９００Ｈｚを通過帯域としたＢＰＦ、
３番目のフィルタ１０６−３の特性は、９００Ｈｚ〜２７００Ｈｚを通過帯域としたＢＰＦ、
４番目のフィルタ１０６−４の特性は、２７００Ｈｚ〜８０００Ｈｚを通過帯域としたＢＰＦ、
５番目のフィルタ１０６−５の特性は、８０００Ｈｚ以上を通過帯域としたＨＰＦ（Ｈｉｇｈ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）とする。
上記５つのフィルタ１０６−１〜１０６−５を用いることにより、１番目のフィルタ１０６−１を除く各フィルタ１０６−２〜１０６−５の通過帯域を２オクターブ以内に収めることができる。
なお、後述する通り、各フィルタ１０６−１〜１０６−５のカットオフ周波数（隣り合う帯域の境となる周波数）における減衰量を−３ｄＢとして設計すると好ましい。

このようにして、第１のフィルタ群１０５により、Ｎ個の帯域制限信号１０７−１〜１０７−Ｎが得られる。これら帯域制限信号１０７−１〜１０７−Ｎは、それぞれ、Ｎ個の乗算器１０８−１〜１０８−Ｎへ向けて出力される。

Ｎ個の乗算器１０８−１〜１０８−Ｎは、各々に入力される帯域制限信号１０７−１〜１０７−Ｎに対して、ゲイン算出部１０３から送られてきたゲイン係数値１０４を乗じ、得られたＮ個のゲイン調整信号１０９−１〜１０９−Ｎを、第２のフィルタ群１１０を構成するＮ個のフィルタ１１１−１〜１１１−Ｎに向けてそれぞれ出力する。
すなわち、乗算器１０８−１〜１０８−Ｎでは共通のゲイン係数値１０４を用いてゲイン調整（ダイナミックレンジ制御）を行うことになる。

第２のフィルタ群１１０は、Ｎ個のフィルタ１１１−１〜１１１−Ｎから構成されている。それぞれのフィルタ１１１−１〜１１１−Ｎは、それぞれのゲイン調整信号１０９−１〜１０９−Ｎに対してフィルタリング処理を行い、得られたＮ個の高調波除去信号１１２−１〜１１２−Ｎを信号合成部１１３に向けて出力する。
ここで、第２のフィルタ群１１０を構成するフィルタ１１１−１〜１１１−Ｎの特性は、第１のフィルタ群１０５を構成するフィルタ１０６−１〜１０６−Ｎの特性と同一の特性に設定されている。このような特性に設定する効果については後述する。

信号合成部１１３は、入力されたＮ個の高調波除去信号１１２−１〜１１２−Ｎを合成して１つの信号を生成し、ダイナミックレンジ制御装置の出力信号１１４として出力する。

次に、本実施の形態１に係るダイナミックレンジ制御装置の効果について説明する。
図４Ａおよび図４Ｂは、本実施の形態１に係るダイナミックレンジ制御装置にて処理される信号の周波数特性の変化例を示すグラフである。この例では、入力信号１００を周波数ｆａ，ｆｂの２つの周波数から構成される信号とする。また、帯域分割数Ｎ＝５とし、１番目のフィルタ１０６−１，１１１−１を除く各フィルタ１０６−２〜１０６−５，１１１−２〜１１１−５の通過帯域がそれぞれ２オクターブ以内に設定されているものとする。また、周波数ｆａは２番目のフィルタ１０６−２，１１１−２の通過帯域内（例えば３００Ｈｚ〜９００Ｈｚ）にあり、周波数ｆｂは３番目のフィルタ１０６−３，１１１−３の通過帯域内（例えば９００Ｈｚ〜２７００Ｈｚ）にあるものとする。なお、これらの数値は一例であり、入力信号１００が任意の周波数の信号成分を含んでいても以下に説明する効果が得られる。

図４Ａ（ａ）において、入力信号１００はまず、第１のフィルタ群１０５にて５つの帯域に分割され、５個の帯域制限信号１０７−１〜１０７−５が生成される（図４Ａ（ｂ））。
すなわち、１番目のフィルタ１０６−１の通過帯域内には入力信号１００の信号成分が存在しないため、１番目の帯域制限信号１０７−１はゼロ信号となる。
２番目のフィルタ１０６−２の通過帯域内には入力信号１００の周波数ｆａ成分のみが存在するため、２番目の帯域制限信号１０７−２はｆａ成分のみの信号となる。
３番目のフィルタ１０６−３の通過帯域内には入力信号１００の周波数ｆｂ成分のみが存在するため、３番目の帯域制限信号１０７−３はｆｂ成分のみの信号となる。
４番目と５番目のフィルタ１０６−４，１０６−５の通過帯域内には入力信号１００の信号成分が存在しないため、４番目と５番目の帯域制限信号１０７−４，１０７−５はゼロ信号となる。

上記分割された３つのゼロ信号（帯域制限信号１０７−１，１０７−４，１０７−５）は、この例で最終的に得られる出力信号１１４に何ら影響を与えないため、以下では、これらゼロ信号については詳しい説明を省略する。

図４Ａ（ｃ）において、２番目の帯域制限信号１０７−２は、乗算器１０８−２によってゲイン係数値１０４が乗じられてゲイン調整される。ゲイン調整された２番目のゲイン調整信号１０９−２には、奇数次高調波（３×ｆａ，５×ｆａ，・・・）が発生する。
また、図４Ａ（ｄ）において、３番目の帯域制限信号１０７−３は、乗算器１０８−３によってゲイン係数値１０４が乗じられてゲイン調整される。ゲイン調整された３番目のゲイン調整信号１０９−３にも、奇数次高調波（３×ｆｂ，５×ｆｂ，・・・）が発生する。

続いて、図４Ｂ（ｅ）において、２番目のゲイン調整信号１０９−２は、第２のフィルタ群１１０の２番目のフィルタ１１１−２にて、再び帯域制限される（例えば３００Ｈｚ〜９００Ｈｚ）。
また、図４Ｂ（ｆ）において、３番目のゲイン調整信号１０９−３は、第２のフィルタ群１１０の３番目のフィルタ１１１−３にて、再び帯域制限される（例えば９００Ｈｚ〜２７００Ｈｚ）。

ここで、第２のフィルタ群１１０を構成する各フィルタ１１１−１〜１１１−５は、第１のフィルタ群１０５と同様に、１番目のフィルタ１１１を除く各フィルタ１１１−２〜１１１−５の通過帯域が２オクターブ以内に設定されている。他方、ゲイン調整によって発生する高調波は、全て奇数次であるため、高調波の元となる信号成分（ｆａ，ｆｂ）の３倍以上の周波数の信号成分から構成されることとなる。従って、２オクターブ以内に帯域制限された信号の奇数次高調波は、常に、２オクターブの帯域外に存在する。よって、２オクターブ以内に帯域制限された信号成分に対して、再び２オクターブの通過帯域のフィルタを通すことで、奇数次高調波を除去することができる（図４Ｂ（ｇ），（ｈ））。

また、第１のフィルタ群１０５と第２のフィルタ群１１０を同一の特性に設定しているため、もともと存在する信号成分（ｆａ，ｆｂ）は第２のフィルタ群１１０で除去されることなく残ることになる。従って、奇数次高調波成分のみを除去することができる。

続いて、図４Ｂ（ｉ）において、２番目のフィルタ１１１−２によって奇数次高調波が除去された２番目の高調波除去信号１１２−２（図４Ｂ（ｇ））と、３番目のフィルタ１１１−３によって奇数次高調波が除去された３番目の高調波除去信号１１２−３（図４Ｂ（ｈ））とが、信号合成部１１３によって１つの信号に合成され、出力信号１１４となる。
この出力信号１１４には、周波数ｆａ，ｆｂの信号成分しか存在せず、新たに発生する奇数次高調波は存在しないこととなる。

なお、本実施の形態１に係るダイナミックレンジ制御装置では、第１のフィルタ群１０５および第２のフィルタ群１１０を構成する各フィルタ１０６−１〜１０６−Ｎ，１１１−１〜１１１−Ｎのカットオフ周波数（隣り合う帯域の境となる周波数）における減衰量を−３ｄＢとしてフィルタ特性を設計しているため、帯域制限信号１０７−１〜１０７−Ｎと高調波除去信号１１２−１〜１１２−Ｎにおけるカットオフ周波数の信号成分は、入力信号１００と比較して、丁度−６ｄＢ減衰されることになる。例えば、図３に示すように、フィルタ１０６−１によりカットオフ周波数３００Ｈｚの信号成分が−３ｄＢ減衰し、フィルタ１０６−２によりカットオフ周波数３００Ｈｚの信号成分が−３ｄＢ減衰するため、合わせて−６ｄＢ減衰することになる。
このため、信号合成部１１３において、各高調波除去信号１１２−１〜１１２−Ｎを加算することにより、カットオフ周波数の信号成分が６ｄＢ増加して、元の信号成分の強度を回復することができる。もし、隣り合う帯域のカットオフ周波数の位相特性が揃っていない場合には、信号合成部１１３の前段で全域通過フィルタ（Ａｌｌ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ：ＡＰＦ）を用いることで位相を揃えることができる。位相が揃っている信号同士を加算することにより、信号強度は６ｄＢ増加されることとなる。

以上より、実施の形態１によれば、ダイナミックレンジ制御装置は、入力信号１００の音量レベルに概略比例する音量レベル値１０２を算出する音量レベル算出部１０１と、音量レベル算出部１０１で算出した音量レベル値１０２に応じたゲイン係数値１０４を算出するゲイン算出部１０３と、入力信号１００をＮ個の帯域に分割して帯域制限信号１０７−１〜１０７−Ｎを出力する、フィルタ１０６−１〜１０６−Ｎから構成される第１のフィルタ群１０５と、第１のフィルタ群１０５から出力された帯域制限信号１０７−１〜１０７−Ｎに対して、ゲイン算出部１０３で算出したゲイン係数値１０４をそれぞれ乗算してゲイン調整する乗算器１０８−１〜１０８−Ｎと、乗算器１０８−１〜１０８−Ｎから出力されたゲイン調整信号１０９−１〜１０９−Ｎについて、それぞれ所定の帯域を抽出する、フィルタ１１１−１〜１１１−Ｎから構成される第２のフィルタ群１１０と、第２のフィルタ群１１０から出力された高調波除去信号１１２−１〜１１２−Ｎを１つの出力信号１１４に合成する信号合成部１１３とを備えるように構成した。これにより、ゲイン調整によって発生する全てまたはほとんどの奇数次高調波を除去することができる。よって、音質劣化なく、高品質なダイナミックレンジ制御を行うことができる。

また、実施の形態１によれば、第１のフィルタ群１０５を構成するフィルタ１０６−１〜１０６−Ｎのうちの一部のフィルタ、または全部のフィルタは、通過帯域が２オクターブ以内に設定されている構成にした。これにより、ゲイン調整によって２オクターブの帯域外に発生する奇数次高調波を除去することができる。

なお、上記（２）フィルタ特性の設定例２のようにフィルタ１０６−１〜１０６−Ｎ，フィルタ１１１−１〜１１１−Ｎ全てを２オクターブ以内の通過帯域に設定したＢＰＦにすることで、ゲイン調整によって発生する全ての奇数次高調波を除去できる。
一方、上記（１）フィルタ特性の設定例１のように、全フィルタのうち、カットオフ周波数が最も低い周波数ｆ_C［Ｈｚ］になる１番目のフィルタ１０６−１，フィルタ１１１−１をＬＰＦにした場合、０〜ｆ_C／３［Ｈｚ］の帯域内にある信号はフィルタ１１１−１でフィルタリング処理しても奇数次高調波歪みが残る。このように、ゲイン調整によって発生する奇数次高調波の一部が除去しきれないことになるが、低音の高調波は音質劣化と知覚されにくいため、実使用上は問題にならない。

また、実施の形態１によれば、第２のフィルタ群１１０を構成するフィルタ１１１−１〜１１１−Ｎは、第１のフィルタ群１０５を構成するフィルタ１０６−１〜１０６−Ｎと概略同一の構成に設定されている構成にした。これにより、ゲイン調整信号１０９−１〜１０９−Ｎにもともと存在する入力信号１００由来の信号成分は除去せず、奇数次高調波成分のみを除去することができる。

実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２に係るダイナミックレンジ制御装置の、主要構成部分を示すブロック図である。なお、図５において図１と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。
本実施の形態２のダイナミックレンジ制御装置において、上記実施の形態１との違いは、１個の音量レベル算出部１０１とゲイン算出部１０３とに代えて、Ｎ個の音量レベル算出部２０１−１〜２０１−Ｎとゲイン算出部２０３−１〜２０３−Ｎとを設けた点である。

図５において、第１のフィルタ群１０５から出力されたＮ個の帯域制限信号１０７−１〜１０７−Ｎそれぞれは、二手に分岐され、一方は上記実施の形態１と同様に乗算器１０８−１〜１０８−Ｎに入力される。他方は、それぞれ、音量レベル算出部２０１−１〜２０１−Ｎに入力される。

Ｎ個の音量レベル算出部２０１−１〜２０１−Ｎそれぞれは、入力された帯域制限信号１０７−１〜１０７−Ｎを、上記実施の形態１の音量レベル算出部１０１と同様の算出方法により音量レベル値を算出し、算出したＮ個の音量レベル値２０２−１〜２０２−ＮをＮ個のゲイン算出部２０３−１〜２０３−Ｎへ向けて出力する。
ただし、上記実施の形態１では入力信号１００の全帯域の信号成分に基づいた音量レベル値１０２が算出されることになるが、一方、本実施の形態２では入力信号１００のうちの２オクターブ以内の各信号成分に基づいた音量レベル値２０２−１〜２０２−Ｎが算出されることになる。

Ｎ個のゲイン算出部２０３−１〜２０３−Ｎそれぞれは、入力された音量レベル値２０２−１〜２０２−Ｎに従って、現時刻（すなわち、音量レベル値入力時点）のゲイン係数値２０４−１〜２０４−Ｎを算出し、Ｎ個の乗算器１０８−１〜１０８−Ｎへ向けて出力する。ゲイン係数値の算出方法は、上記実施の形態１と同様でよく、例えば図２に示すような変換テーブルを各ゲイン算出部２０３−１〜２０３−Ｎが用いる。

以下の説明では、上記（１）フィルタ特性の設定例１を適用して、第１のフィルタ群１０５の１番目のフィルタ１０６−１は周波数ｆ以下を通過帯域としたＬＰＦ、２番目のフィルタ１０６−２は周波数ｆ〜３ｆを通過帯域としたＢＰＦ、３番目以降のフィルタ１０６−３〜１０６−Ｎも同様にして周波数３ｆ以降を順に２オクターブ以内毎に通過帯域に設定したＢＰＦを例に用いる。説明は省略するが、本実施の形態２でも上記（２）フィルタ特性の設定例２を適用可能なことは言うまでもない。

上記具体例の場合に、１番目の音量レベル算出部２０１−１は、入力された周波数ｆ以下の帯域制限信号１０７−１の音量レベル値を算出し、算出した音量レベル値２０２−１を１番目のゲイン算出部２０３−１に向けて出力する。１番目のゲイン算出部２０３−１は、入力された音量レベル値２０２−１に基づいて現時刻のゲイン係数値２０４−１を算出し、１番目の乗算器１０８−１に向けて出力する。
２番目の音量レベル算出部２０１−２は、入力された周波数ｆ〜３ｆの帯域制限信号１０７−２の音量レベル値を算出し、算出した音量レベル値２０２−２を２番目のゲイン算出部２０３−２に向けて出力する。２番目のゲイン算出部２０３−２は、入力された音量レベル値２０２−２に基づいて現時刻のゲイン係数値２０４−２を算出し、２番目の乗算器１０８−２に向けて出力する。
同様にして、Ｎ番目の音量レベル算出部２０１−Ｎは、入力された２オクターブ以内の帯域制限信号１０７−Ｎの音量レベル値を算出し、算出した音量レベル値２０２−ＮをＮ番目のゲイン算出部２０３−Ｎに向けて出力する。Ｎ番目のゲイン算出部２０３−Ｎは、入力された音量レベル値２０２−Ｎに基づいて現時刻のゲイン係数値２０４−Ｎを算出し、Ｎ番目の乗算器１０８−Ｎに向けて出力する。

Ｎ個の乗算器１０８−１〜１０８−Ｎは、入力された帯域制限信号１０７−１〜１０７−Ｎに対してゲイン係数値２０４−１〜２０４−Ｎを乗じ、得られたゲイン調整信号１０９−１〜１０９−Ｎを第２のフィルタ群１１０に向けて出力する。
そして、第２のフィルタ群１１０のＮ個のフィルタ１１１−１〜１１１−Ｎが、ゲイン調整信号１０９−１〜１０９−Ｎからそれぞれ奇数次高調波を除去し、除去後の高調波除去信号１１２−１〜１１２−Ｎを信号合成部１１３へ向けて出力する。信号合成部１１３は、入力された高調波除去信号１１２−１〜１１２−Ｎを合成して出力信号１１４にする。

以上より、実施の形態２によれば、ダイナミックレンジ制御装置は、入力された入力信号１００をＮ個の帯域に分割して帯域制限信号１０７−１〜１０７−Ｎを出力する、フィルタ１０６−１〜１０６−Ｎから構成される第１のフィルタ群１０５と、第１のフィルタ群１０５から出力された帯域制限信号１０７−１〜１０７−Ｎの音量レベルに概略比例する音量レベル値２０２−１〜２０２−Ｎを算出する音量レベル算出部２０１−１〜２０１−Ｎと、音量レベル算出部２０１−１〜２０１−Ｎで算出した音量レベル値２０２−１〜２０２−Ｎに応じたゲイン係数値２０４−１〜２０４−Ｎを算出するゲイン算出部２０３−１〜２０３−Ｎと、第１のフィルタ群１０５から出力された帯域制限信号１０７−１〜１０７−Ｎに対して、ゲイン算出部２０３−１〜２０３−Ｎで算出したゲイン係数値２０４−１〜２０４−Ｎを乗算してゲイン調整する乗算器１０８−１〜１０８−Ｎと、乗算器１０８−１〜１０８−Ｎから出力されたゲイン調整信号１０９−１〜１０９−Ｎについて、それぞれ所定の帯域を抽出する、フィルタ１１１−１〜１１１−Ｎから構成される第２のフィルタ群１１０と、第２のフィルタ群１１０から出力された高調波除去信号１１２−１〜１１２−Ｎを１つの出力信号１１４に合成する信号合成部１１３とを備えるように構成した。これにより、本実施の形態２においても上記実施の形態１と同様に、第２のフィルタ群１１０にて奇数次高調波成分を除去するため、ゲイン調整によって発生する全部またはほとんどの奇数次高調波を除去できる。よって、音質劣化なく、高品質なダイナミックレンジ制御を行うことができる。

さらに、上記実施の形態１では、入力信号１００の全体の音量レベルに基づいた共通のゲイン係数値１０４を用いるダイナミックレンジ制御を行ったが、本実施の形態２では個別の信号帯域（音域）に対して個別のゲイン係数値２０４−１〜２０４−Ｎを用いる個別のダイナミックレンジ制御を行うことが可能となる。これにより、ある特定の音域、例えば入力信号１００のうちの音声帯域のみをダイナミックレンジ制御して、音声のみを強調したり、また例えば入力信号１００のうちの低音域を他の音域よりも強調するようなダイナミックレンジ制御を行って迫力のある音にしたりと、多彩なダイナミックレンジ制御を行うことが可能となる。
その場合には、例えば、ゲイン算出部２０３−１〜２０３−Ｎが音量レベル−ゲイン係数の変換に用いる変換テーブルを、ゲイン算出部２０３−１〜２０３−Ｎの処理対象となる帯域毎に個別に調整しておけばよい。
さらに、各ゲイン算出部２０３−１〜２０３−Ｎに複数種類の変換テーブルを設定しておいて外部からの指示に応じて変換テーブルを使い分けるようにして、１つのダイナミックレンジ制御装置において、例えば音声帯域を強調するダイナミックレンジ制御と低音域を強調するダイナミックレンジ制御とを使い分け可能な構成にしてもよい。
従って、実施の形態２によれば、高品質かつ多彩なダイナミックレンジ制御を行うことができる。

また、実施の形態２によれば、上記実施の形態１と同様に、第１のフィルタ群１０５を構成するフィルタ１０６−１〜１０６−Ｎのうちの一部のフィルタ、または全部のフィルタは、通過帯域が２オクターブ以内に設定されている構成にしたので、ゲイン調整によって２オクターブの帯域外に発生する奇数次高調波を除去することができる。

また、実施の形態２によれば、上記実施の形態１と同様に、第２のフィルタ群１１０を構成するフィルタ１１１−１〜１１１−Ｎは、第１のフィルタ群１０５を構成するフィルタ１０６−１〜１０６−Ｎと概略同一の構成に設定されている構成にしたので、ゲイン調整信号１０９−１〜１０９−Ｎにもともと存在する入力信号１００由来の信号成分は除去せず、奇数次高調波成分のみを除去することができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

以上のように、この発明に係るダイナミックレンジ制御装置は、第１のフィルタ群で帯域制限した信号をダイナミックレンジ制御した後、同じフィルタ特性の第２のフィルタ群で奇数次高調波を除去して高品質化を図ったので、オーディオ装置などに用いるのに適している。

１００ 入力信号、１０１，２０１−１〜２０１−Ｎ 音量レベル算出部、１０２，２０２−１〜２０２−Ｎ 音量レベル値、１０３，２０３−１〜２０３−Ｎ ゲイン算出部、１０４，２０４−１〜２０４−Ｎ ゲイン係数値、１０５ 第１のフィルタ群、１０６−１〜１０６−Ｎ，１１１−１〜１１１−Ｎ フィルタ、１０７−１〜１０７−Ｎ 帯域制限信号、１０８−１〜１０８−Ｎ 乗算器、１０９−１〜１０９−Ｎ ゲイン調整信号、１１０ 第２のフィルタ群、１１２−１〜１１２−Ｎ 高調波除去信号、１１３ 信号合成部、１１４ 出力信号。

Claims (4)

1. 入力された音信号の音量レベルに概略比例する音量レベル値を算出する音量レベル算出部と、
   前記音量レベル算出部で算出した前記音量レベル値に応じたゲイン係数値を算出するゲイン算出部と、
   前記音信号をＮ（＞１）個の周波数帯域に分割してＮ個の帯域制限信号を出力する、Ｎ個のフィルタから構成される第１のフィルタ群と、
   前記第１のフィルタ群から出力された前記Ｎ個の帯域制限信号に対して、前記ゲイン算出部で算出した前記ゲイン係数値をそれぞれ乗算してゲイン調整するＮ個の乗算器と、
   前記Ｎ個の乗算器から出力された前記Ｎ個の帯域制限信号について、それぞれ所定の周波数帯域を抽出する、Ｎ個のフィルタから構成される第２のフィルタ群と、
   前記第２のフィルタ群から出力された前記Ｎ個の帯域制限信号を１つの信号に合成する信号合成部とを備えるダイナミックレンジ制御装置。
2. 入力された音信号をＮ（＞１）個の周波数帯域に分割してＮ個の帯域制限信号を出力する、Ｎ個のフィルタから構成される第１のフィルタ群と、
   前記第１のフィルタ群から出力された前記Ｎ個の帯域制限信号の音量レベルに概略比例するＮ個の音量レベル値を算出するＮ個の音量レベル算出部と、
   前記Ｎ個の音量レベル算出部で算出した前記Ｎ個の音量レベル値に応じたＮ個のゲイン係数値を算出するＮ個のゲイン算出部と、
   前記第１のフィルタ群から出力された前記Ｎ個の帯域制限信号に対して、前記Ｎ個のゲイン算出部で算出した前記Ｎ個のゲイン係数値を乗算してゲイン調整するＮ個の乗算器と、
   前記Ｎ個の乗算器から出力された前記Ｎ個の帯域制限信号について、それぞれ所定の周波数帯域を抽出する、Ｎ個のフィルタから構成される第２のフィルタ群と、
   前記第２のフィルタ群から出力された前記Ｎ個の帯域制限信号を１つの信号に合成する信号合成部とを備えるダイナミックレンジ制御装置。
3. 第２のフィルタ群を構成するＮ個のフィルタは、第１のフィルタ群を構成するＮ個のフィルタと概略同一の特性に設定されていることを特徴とする請求項１記載のダイナミックレンジ制御装置。
4. 第２のフィルタ群を構成するＮ個のフィルタは、第１のフィルタ群を構成するＮ個のフィルタと概略同一の特性に設定されていることを特徴とする請求項２記載のダイナミックレンジ制御装置。

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