JP7072167B2 - 模倣音信号生成装置、電子楽器、非線形システム同定方法 - Google Patents
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非線形フィルタに入力したときに非線形フィルタから歪んだ出力信号が得られる振幅を持つ入力信号(入力信号は、時間とともに周波数が指数関数的に増大または減少する信号である)を非線形システムに入力したときの非線形システムからの出力信号に入力信号の逆フィルタを適用して得られる1次成分をIRAHとする。
非線形フィルタに入力したときに非線形フィルタから歪んでいない出力信号が得られる振幅を持つ入力信号を非線形システムに入力したときの非線形システムからの出力信号に入力信号の逆フィルタを適用して得られる1次成分をIRALとする。
第1の線形フィルタの特性は、1次成分IRALに対応する伝達関数をHALとし、1次成分IRAHに対応する伝達関数HAHとしたとき、HAL/HAHを逆変換して得られる時間領域特性である。また、第2の線形フィルタの特性は1次成分IRAHである。
入力信号は、時間とともに周波数が指数関数的に増大または減少する信号である。
非線形フィルタに入力したときに非線形フィルタから歪んだ出力信号が得られる振幅を持つ入力信号を非線形システムに入力したときの非線形システムからの出力信号に入力信号の逆フィルタを適用して1次成分IRAHを得る。
また、非線形フィルタに入力したときに非線形フィルタから歪んでいない出力信号が得られる振幅を持つ入力信号を非線形システムに入力したときの非線形システムからの出力信号に入力信号の逆フィルタを適用して1次成分IRALを得る。
1次成分IRALに対応する伝達関数をHALとし、1次成分IRAHに対応する伝達関数HAHとしたとき、HAL/HAHを逆変換して得られる時間領域特性が上記第1の線形フィルタの特性であり、1次成分IRAHが第2の線形フィルタの特性である。
本実施形態では、解析対象である非線形システム200として、ギターアンプとマイクロフォンを含んで構成されるシステムを例に採る(図1参照)。ギターアンプは、スタックアンプでもコンボアンプでもよい。増幅器は、トランジスタでも真空管でもよい。「含んで構成される」との用語は、非線形システム200が、厳密には、ギターアンプとマイクロフォン以外に、ギターアンプとマイクロフォンとの間の空間の伝達特性、配線における信号の伝達特性なども含むことを意味する。なお、本発明の非線形システム同定方法において、解析対象である非線形システムに特段の限定は無い。ただし、本発明の模倣音信号生成装置と電子楽器においては、非線形システムは音信号を出力する装置を含む。
非線形フィルタ30は、好ましくは、(1)(2)(3)の全ての条件を満たし、且つ、連続的な非線形特性を持つ。
(1)非線形フィルタ30の入力信号の振幅がゼロを含むゼロの周辺の連続的な範囲(以下、「ゼロを含むゼロの周辺の連続的な範囲」を単に「ゼロ近傍」と呼称する)にある場合において、非線形フィルタ30の出力信号の振幅は、非線形フィルタ30の入力信号の振幅の一次関数として表される、あるいは、非線形フィルタ30の入力信号の振幅の一次関数によって近似される。ただし、一次関数の傾きは正の値である。
(2)非線形フィルタ30に入力可能な入力信号の振幅の範囲に含まれかつ上記ゼロ近傍以外の範囲において、非線形フィルタ30の出力信号の振幅が非線形フィルタ30の入力信号の振幅に対する上記一次関数の出力よりも小さくなるような非線形フィルタ30の入力信号の振幅が存在する。
(3)時不変である。
(1a)非線形フィルタ30の入力信号の振幅がゼロ近傍にある場合において、非線形フィルタ30の出力信号の振幅は、非線形フィルタ30の入力信号の振幅に正比例する、あるいは、非線形フィルタ30の入力信号の振幅にほぼ正比例する。
(2a)非線形フィルタ30に入力可能な入力信号の振幅の範囲において、非線形フィルタ30の出力信号の振幅は、上に有界な連続関数として表される。
(2b)非線形フィルタ30に入力可能な入力信号の振幅の範囲において、非線形フィルタ30の出力信号の振幅は、単調増加であって上に有界な連続関数として表される。
(2c)非線形フィルタ30に入力可能な入力信号の振幅の範囲において、非線形フィルタ30の出力信号の振幅は、狭義単調増加であって上に有界な連続関数として表される。
(2a’)非線形フィルタ30に入力可能な入力信号の変位の範囲において、非線形フィルタ30の出力信号の変位は、有界な連続関数として表される。
(2b’)非線形フィルタ30に入力可能な入力信号の変位の範囲において、非線形フィルタ30の出力信号の変位は、単調増加であって有界な連続関数として表される。
(2c’)非線形フィルタ30に入力可能な入力信号の変位の範囲において、非線形フィルタ30の出力信号の変位は、狭義単調増加であって有界な連続関数として表される。
(4)周波数特性を持たない。
(5)非線形フィルタ30の入力信号の振幅が、非線形フィルタ30に入力可能な入力信号の振幅の最大値または上限を含む当該最大値または上限の周辺の連続的な範囲(以下、「最大値または上限を含む当該最大値または上限の周辺の連続的な範囲」を単に「上限近傍」と呼称する)にある場合において、非線形フィルタ30の出力信号の振幅は、非線形フィルタ30の入力信号の振幅の定数関数として表される、あるいは、非線形フィルタ30の入力信号の振幅の定数関数によって近似される。ただし、定数関数の値は正の値である。簡単に述べれば、上限近傍において、非線形フィルタ30の出力信号の振幅は、非線形フィルタ30の入力信号の振幅に依存せず、ほぼ一定である。
図1に示すWiener-Hammersteinモデル100において、第1の線形フィルタ10と非線形フィルタ30がこの順番で直列に結合したモデルはWienerモデルとして知られている。また、Wiener-Hammersteinモデル100において、非線形フィルタ30と第2の線形フィルタ20がこの順番で直列に結合したモデルはHammersteinモデルとして知られている。
上述の非線形フィルタ30の特徴およびWienerモデルとHammersteinモデルのそれぞれの特徴から次のことが言える。
図3,4を参照して、非線形システム同定処理を説明する。非線形システム同定装置500の信号生成部510は、時間とともに周波数が指数関数的に増大または減少する信号を生成する(ステップS1)。このような信号として、高調波歪成分を時間領域において容易に分離可能なlog-SS信号を例示できる。log-SS信号は、ピンクTSP(Pink Time Stretched Pulse)信号とも呼ばれ、例えば周波数領域において式(3)で定義される。ただし、式(3)において、Nは信号長(Nは偶数)、jは虚数単位、Jは実効長(Jは整数)、*は複素共役、logは自然対数を表わす。
また、非線形システム同定装置500の演算部550は、インパルス応答IRALに対応する伝達関数HALをインパルス応答IRAHに対応する伝達関数HAHで除したHAL/HAHを逆ラプラス変換あるいは逆Z変換して得られる時間領域信号を求める(ステップS7)。この時間領域信号が第1の線形フィルタ10のインパルス応答IR1に相当する。
もちろん、本発明の模倣音信号生成装置が電子楽器から独立して存在することは妨げられない。
Claims (8)
- 電子回路を用いて、非線形システムにおけるオリジナル音信号を模倣した模倣音信号を生成する模倣音信号生成装置であって、
第1の線形フィルタと、非線形フィルタと、第2の線形フィルタがこの順番で直列に結合したフィルタシステムに音信号を入力して上記模倣音信号を生成する模倣音信号生成部を含み、
入力信号を、時間とともに周波数が指数関数的に増大または減少する信号として、上記非線形フィルタに入力したときに上記非線形フィルタから歪んだ出力信号が得られる振幅を持つ上記入力信号を上記非線形システムに入力したときの上記非線形システムからの出力信号に上記入力信号の逆フィルタを適用して得られる1次成分をIRAHとし、上記非線形フィルタに入力したときに上記非線形フィルタから歪んでいない出力信号が得られる振幅を持つ上記入力信号を上記非線形システムに入力したときの上記非線形システムからの出力信号に上記入力信号の逆フィルタを適用して得られる1次成分をIRALとしたとき、上記第1の線形フィルタの特性は、上記1次成分IRALに対応する伝達関数をHALとし、上記1次成分IRAHに対応する伝達関数HAHとしたとき、HAL/HAHを逆変換して得られる時間領域特性であり、上記第2の線形フィルタの特性は、上記1次成分IRAHであり、
上記非線形フィルタは、連続的な非線形特性を持ち、且つ
(1)上記非線形フィルタの入力信号の振幅がゼロを含むゼロの周辺の連続的な範囲(以下、「ゼロを含むゼロの周辺の連続的な範囲」を単に「ゼロ近傍」と呼称する)にある場合において、上記非線形フィルタの出力信号の振幅は、上記非線形フィルタの入力信号の振幅の一次関数として表される、あるいは、上記非線形フィルタの入力信号の振幅の一次関数によって近似され、ただし、一次関数の傾きは正の値であり、
(2)上記非線形フィルタに入力可能な入力信号の振幅の範囲に含まれかつ上記ゼロ近傍以外の範囲において、上記非線形フィルタの出力信号の振幅が上記非線形フィルタの入力信号の振幅に対する上記一次関数の出力よりも小さくなるような上記非線形フィルタの入力信号の振幅が存在し、
(3)時不変であり、
(4)できるだけ周波数特性を持たない、
模倣音信号生成装置。 - 電子回路を用いて、非線形システムにおけるオリジナル音信号を模倣した模倣音信号を生成する模倣音信号生成装置であって、
第1の線形フィルタと、非線形フィルタと、第2の線形フィルタがこの順番で直列に結合したフィルタシステムに音信号を入力して上記模倣音信号を生成する模倣音信号生成部を含み、
入力信号を、時間とともに周波数が指数関数的に増大または減少する信号として、上記非線形フィルタに入力したときに上記非線形フィルタから歪んだ出力信号が得られる振幅を持つ上記入力信号を上記非線形システムに入力したときの上記非線形システムからの出力信号に上記入力信号の逆フィルタを適用して得られる1次成分をIR AH とし、上記非線形フィルタに入力したときに上記非線形フィルタから歪んでいない出力信号が得られる振幅を持つ上記入力信号を上記非線形システムに入力したときの上記非線形システムからの出力信号に上記入力信号の逆フィルタを適用して得られる1次成分をIR AL としたとき、上記第1の線形フィルタの特性は、上記1次成分IR AL に対応する伝達関数をH AL とし、上記1次成分IR AH に対応する伝達関数H AH としたとき、H AL /H AH を逆変換して得られ
る時間領域特性であり、上記第2の線形フィルタの特性は、上記1次成分IR AH であり、
上記非線形フィルタは、連続的な非線形特性を持ち、且つ
(1)上記非線形フィルタの入力信号の振幅がゼロを含むゼロの周辺の連続的な範囲(以下、「ゼロを含むゼロの周辺の連続的な範囲」を単に「ゼロ近傍」と呼称する)にある場合において、上記非線形フィルタの出力信号の振幅は、上記非線形フィルタの入力信号の振幅の一次関数として表される、あるいは、上記非線形フィルタの入力信号の振幅の一次関数によって近似され、ただし、一次関数の傾きは正の値であり、
(2)上記非線形フィルタに入力可能な入力信号の振幅の範囲に含まれかつ上記ゼロ近傍以外の範囲において、上記非線形フィルタの出力信号の振幅が上記非線形フィルタの入力信号の振幅に対する上記一次関数の出力よりも小さくなるような上記非線形フィルタの入力信号の振幅が存在し、
(3)時不変であり、
(4)上記非線形フィルタの入力信号の振幅が上限近傍にある場合において、上記上限近傍において、上記非線形フィルタの出力信号の振幅は、上記非線形フィルタの入力信号の振幅に依存せず、ほぼ一定である、
模倣音信号生成装置。 - 上記上限近傍は、最大値または上限から、上記非線形フィルタに入力可能な入力信号の振幅の最大値または上限の少なくとも95%までの連続的な範囲である
請求項2に記載の模倣音信号生成装置。 - 上記入力信号は、log-SS信号である、
請求項1から請求項3に記載の模倣音信号生成装置。 - 請求項1から請求項4のいずれかに記載の模倣音信号生成装置を含む電子楽器。
- 解析対象である非線形システムと等価であると見做されるモデルを同定する非線形システム同定方法であって、
上記モデルは、第1の線形フィルタと、非線形フィルタと、第2の線形フィルタがこの順番で直列に結合したモデルであり、
入力信号は、時間とともに周波数が指数関数的に増大または減少する信号であり、
上記非線形フィルタに入力したときに上記非線形フィルタから歪んだ出力信号が得られる振幅を持つ上記入力信号を上記非線形システムに入力したときの上記非線形システムからの出力信号に上記入力信号の逆フィルタを適用して1次成分IRAHを得るステップと、
上記非線形フィルタに入力したときに上記非線形フィルタから歪んでいない出力信号が得られる振幅を持つ上記入力信号を上記非線形システムに入力したときの上記非線形システムからの出力信号に上記入力信号の逆フィルタを適用して1次成分IRALを得るステップと
を有し、
上記1次成分IRALに対応する伝達関数をHALとし、上記1次成分IRAHに対応する伝達関数HAHとしたとき、HAL/HAHを逆変換して得られる時間領域特性を上記第1の線形フィルタの特性とし、
上記1次成分IRAHを、上記第2の線形フィルタの特性とし、
上記非線形フィルタは、連続的な非線形特性を持ち、且つ、
(1)上記非線形フィルタの入力信号の振幅がゼロを含むゼロの周辺の連続的な範囲(以下、「ゼロを含むゼロの周辺の連続的な範囲」を単に「ゼロ近傍」と呼称する)にある場合において、上記非線形フィルタの出力信号の振幅は、上記非線形フィルタの入力信号の振幅の一次関数として表される、あるいは、上記非線形フィルタの入力信号の振幅の一次関数によって近似され、ただし、一次関数の傾きは正の値であり、
(2)上記非線形フィルタに入力可能な入力信号の振幅の範囲に含まれかつ上記ゼロ近傍以外の範囲において、上記非線形フィルタの出力信号の振幅が上記非線形フィルタの入力信号の振幅に対する上記一次関数の出力よりも小さくなるような上記非線形フィルタの入力信号の振幅が存在し、
(3)時不変であり、
(4)できるだけ周波数特性を持たない、
非線形システム同定方法。 - 解析対象である非線形システムと等価であると見做されるモデルを同定する非線形システム同定方法であって、
上記モデルは、第1の線形フィルタと、非線形フィルタと、第2の線形フィルタがこの順番で直列に結合したモデルであり、
入力信号は、時間とともに周波数が指数関数的に増大または減少する信号であり、
上記非線形フィルタに入力したときに上記非線形フィルタから歪んだ出力信号が得られる振幅を持つ上記入力信号を上記非線形システムに入力したときの上記非線形システムからの出力信号に上記入力信号の逆フィルタを適用して1次成分IR AH を得るステップと、
上記非線形フィルタに入力したときに上記非線形フィルタから歪んでいない出力信号が得られる振幅を持つ上記入力信号を上記非線形システムに入力したときの上記非線形システムからの出力信号に上記入力信号の逆フィルタを適用して1次成分IR AL を得るステップと
を有し、
上記1次成分IR AL に対応する伝達関数をH AL とし、上記1次成分IR AH に対応する伝達関数H AH としたとき、H AL /H AH を逆変換して得られる時間領域特性を上記第1の線形フィルタの特性とし、
上記1次成分IR AH を、上記第2の線形フィルタの特性とし、
上記非線形フィルタは、連続的な非線形特性を持ち、且つ、
(1)上記非線形フィルタの入力信号の振幅がゼロを含むゼロの周辺の連続的な範囲(以下、「ゼロを含むゼロの周辺の連続的な範囲」を単に「ゼロ近傍」と呼称する)にある場合において、上記非線形フィルタの出力信号の振幅は、上記非線形フィルタの入力信号の振幅の一次関数として表される、あるいは、上記非線形フィルタの入力信号の振幅の一次関数によって近似され、ただし、一次関数の傾きは正の値であり、
(2)上記非線形フィルタに入力可能な入力信号の振幅の範囲に含まれかつ上記ゼロ近傍以外の範囲において、上記非線形フィルタの出力信号の振幅が上記非線形フィルタの入力信号の振幅に対する上記一次関数の出力よりも小さくなるような上記非線形フィルタの入力信号の振幅が存在し、
(3)時不変であり、
(4)上記非線形フィルタの入力信号の振幅が上限近傍にある場合において、上記上限近傍において、上記非線形フィルタの出力信号の振幅は、上記非線形フィルタの入力信号の振幅に依存せず、ほぼ一定である
非線形システム同定方法。 - 上記上限近傍は、最大値または上限から、上記非線形フィルタに入力可能な入力信号の振幅の最大値または上限の少なくとも95%までの連続的な範囲である
請求項7に記載の非線形システム同定方法。
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JP2018096831A JP7072167B2 (ja) | 2018-05-21 | 2018-05-21 | 模倣音信号生成装置、電子楽器、非線形システム同定方法 |
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Title |
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Felix Eichas, Udo Zolzer,Virtual Analog Modeling of Guitar Amplifiers with Wiener-Hammerstein Models,In Proceedings of the 44th annual Convention on Acoustics(DAGA 2018),Munich,Germanyh,19-22 March 2018,2018年03月22日,https://www.hsu-hh.de/ant/wp-content/uploads/sites/699/2018/04/Eichas_VA_Modeling_of_guitar_amps_with_WH_models.pdf |
Felix,Eichas,Black-Box Modeling of Distortion Circuits with Block-Oriented Models,Proceedins of the 19th International Conference on Digital Audio Effects,September5-9,2016,2016年,https://mycourses.aalto.fi/pluginfile.php/911020/mod_assign/intro/Black_Box.pdf |
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