JPH0535296A - ピツチ抽出装置及びそれを用いた電子楽器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、入力された音響信号から、その波
形のピッチを抽出するピッチ抽出装置及びそれを用いた
電子楽器において、入力する音響信号が如何なるピッチ
周波数を有していてもそれを正確に検出可能とすること
を目的とする。 【構成】 ゼロクロス検出方式により得られたピッチに
対応するノート・ナンバーPIT の値が所定の音階Ｋより
下であるか否かが判定される（ステップS403）。その判
定がＹＥＳで入力された音響信号のピッチが低いと判定
されたら、ゼロクロス検出方式の処理結果に基づいて、
楽音発生回路に対して発音処理が実行される（ステップ
S404）。逆に、上記判定がＮＯで入力された音響信号の
ピッチが高いと判定されたら、フィルタ処理方式の処理
結果に基づいて、楽音発生回路に対して発音処理が実行
される。これにより、高精度かつリアルタイムのピッチ
抽出（音階検出）が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、入力された音響信号か
ら、その波形のピッチ（音階）を抽出するピッチ抽出装
置及びそれを用いた電子楽器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、例えば人が歌う歌声やマイク
ロフォンから採取した楽音などの繰り返し波形からなる
音声信号から、そのピッチ周波数又はピッチ周期（以
下、単に「ピッチ」と呼ぶ）を抽出したいという要請が
強い。ピッチを抽出できれば、例えば、そのピッチに対
応する楽音を電子楽器等から発音させることができるよ
うになるなど、抽出されたピッチ情報を様々な処理に用
いることが可能となる。

【０００３】従来から、音声信号からピッチを抽出する
技術として種々の手法が提案されている。ピッチ抽出方
式の第１の代表的な従来例として、例えば本出願人が特
願平３−１２０２９１で開示したように、入力された音
響信号の隣接するゼロクロス点（振幅が０となる時間位
置）の間の時間をその波形のピッチ周期として求める方
式がある。

【０００４】ピッチ抽出方式の第２の代表的な従来例と
して、例えば本出願人が特願平２−１２３７８９で開示
したように、各音階に対応するバンドパスフィルタを各
々設け、各フィルタを介して各音階に対応する周波数に
関する周波数スペクトルのレベルを検知し、レベルが最
大になった周波数をピッチ周波数として求める方式が
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、第１の従来例
では、入力される音響信号のピッチ周波数が高くなる
と、ピッチ周期が短くなりすぎてしまい、正確なピッチ
周期を求めるのが困難になるという問題点を有してい
る。

【０００６】また、第２の従来例では、それがアナログ
回路によって構成される場合にはバンドパスフィルタを
複数組設けなければならず、回路規模が大きくなってし
まうという問題点を有している。

【０００７】これに対して、時分割で動作するディジタ
ルフィルタによって複数のバンドパスフィルタを実現す
れば、回路規模を小さくすることができる。しかし、入
力される音響信号のピッチ周波数が低くなると、低帯域
のバンドパスフィルタを構成しなければならないためフ
ィルタ係数の値が大きくなり、そのフィルタ係数を表現
するために必要なビット数が、ディジタルフィルタを実
現する例えばＤＳＰ（ディジタル信号処理プロセッサ）
の許容ビット数をオーバーしてしまうという問題が発生
する。

【０００８】また、ピッチ抽出装置の第２の従来例が楽
器の音階検出装置として使用される場合、高い音階域の
音階周波数の差は、例えばＡ6 ＝１７６０［Ｈｚ］とＡ
#6＝１８６７［Ｈｚ］の差の１０７［Ｈｚ］のように、
比較的大きい周波数差となるが、低い音階域の音階周波
数の差は、例えばＡ2 ＝１１０［Ｈｚ］とＡ#2＝１１６
［Ｈｚ］の差の７［Ｈｚ］のように、僅かな周波数差に
しかならない。従って、低い音階域ほどカットオフ周波
数の急俊なバンドパスフィルタを構成しなければなら
ず、その結果バンドパスフィルタの次数が高くなってＤ
ＳＰ等によるリアルタイム処理が不可能になってしまう
という問題点を有している。

【０００９】本発明の課題は、入力する音響信号が如何
なるピッチ周波数を有していてもそれを正確に検出可能
とすることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、まず、入力さ
れる音響信号から値が負又は正の第１の極性から他方の
第２の極性へ変化するゼロクロス点を順次検出し、それ
ら各ゼロクロス点間の間隔から音響信号のピッチ情報を
検出する第１のピッチ検出手段を有する。同手段は、例
えば音響信号の極性が所定方向に変化するゼロクロス点
からその次の極性が逆方向に変化するゼロクロス点まで
のゼロクロス間隔を順次求め、順次求まるゼロクロス間
隔が一致したときの一方のゼロクロス間隔の先頭のゼロ
クロス点から他方のゼロクロス間隔の先頭のゼロクロス
点までの間隔から音響信号のピッチ周期を検出する。

【００１１】次に、音響信号に対して異なる特性のディ
ジタルフィルタリング処理を時分割で順次行うことによ
り、その処理に対応する各々所定の複数の周波数に関す
る各周波数スペクトルのレベルを検出し、これら各周波
数スペクトルのレベルを判定することによって音響信号
のピッチ情報を検出する第２のピッチ検出手段を有す
る。同手段は、例えば所定の特性のハイパスフィルタリ
ング処理と、上述した各所定の周波数でピークを有する
レゾナンスが付加された各ローパスフィルタリング処理
とを音響信号に対して時分割のカスケード処理として順
次実行し、更に、その結果得られる各所定の周波数に対
応する各出力信号から各エンベロープ成分を抽出するロ
ーパスフィルタ処理等の信号処理を時分割で順次実行
し、それにより得られる各所定の周波数に対応する各エ
ンベロープ成分として上述の各周波数スペクトルのレベ
ルを検出する。そして、例えば、これら各周波数スペク
トルのレベルのうち値が最大となるレベルに対応する周
波数としてピッチ情報が検出される。

【００１２】更に、第１又は第２のピッチ検出手段の何
れかで検出されたピッチ情報が所定の周波数閾値以下の
ピッチ周波数に対応しているならば第１のピッチ検出手
段からのピッチ情報を出力し、所定の周波数閾値以上の
ピッチ周波数に対応しているならば第２のピッチ検出手
段からのピッチ情報を出力する選択手段を有する。

【００１３】本発明は、以上の構成を有するピッチ抽出
装置からのピッチ情報を用いることにより、そのピッチ
情報に対応する音階の楽音を発生する楽音発生手段を更
に有するような電子楽器として構成することもできる。

【００１４】

【作用】「発明が解決しようとする課題」において説明
したように、ゼロクロス検出によるピッチ抽出方式は、
入力される音響信号のピッチ周波数が低い範囲では良い
性能を発揮する。一方、ディジタルフィルタリングによ
るピッチ抽出方式は、入力される音響信号のピッチ周波
数が高い範囲では良い性能を発揮する。

【００１５】そこで、本発明では、これら２つの方式の
出力をピッチ周波数に応じて切替えて選択することによ
り、両者の長所を生かした高精度なピッチ抽出を実現す
ることができる。

【００１６】この場合特に、ディジタルフィルタリング
によるピッチ抽出方式がピッチ周波数の高い範囲でのみ
使用されることにより、フィルタ係数の値を小さくする
ことができ、通常のＤＳＰ（ディジタル信号処理プロセ
ッサ）等によって容易にディジタルフィルタを構成する
ことができる。

【００１７】また、本発明によるピッチ抽出装置が電子
楽器の音階検出装置として使用される場合、ピッチ周波
数が高い、即ち音階が高い範囲の音階周波数の差は大き
な値となるため、カットオフ周波数の急俊なディジタル
フィルタを構成する必要がなくなり、その結果バンドパ
スフィルタの次数を低くすることができ、ＤＳＰ等によ
るリアルタイム処理を容易に実現できる。

【００１８】

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例に
つき詳細に説明する。全体構成 図１は、本発明の実施例の全体構成を示すブロック図で
ある。

【００１９】本実施例は、ＣＰＵ（中央演算制御装置）
１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３、音階検出部１１
１、キーボード１０６、ディスプレイ１０５、プリンタ
１０４、楽音発生回路１０８、Ｄ／Ａ変換器１０９、ア
ンプ１１０及びスピーカ１１１等を備えており、こらら
各部分は、バス１０７により接続されている。

【００２０】ＲＯＭ１０２には、後述する動作フローチ
ャートで示される各種制御プログラムや、音色データ等
の各種データが格納されている。ＣＰＵ１０１は、ＲＯ
Ｍ１０２内の制御プログラムに従って、他の各部分を制
御する。

【００２１】ＲＡＭ１０３は、後述する音階検出部１１
１をゼロクロス検出装置やディジタルフィルタ又はエン
ベロープ抽出装置として動作させるためのデータ等を記
憶すると共に、ＣＰＵ１０１のワークメモリとして機能
する。

【００２２】音階検出部１１１は、マイク１１２、マイ
クアンプ１１３、ローパスフィルタ１１４、Ａ／Ｄ変換
器１１５、ＤＳＰ１１６、ＲＯＭ１１７及びワークＲＡ
Ｍ１１８から構成され、また、音響信号のライン入力端
子として、LINE IN を備えている。

【００２３】この音階検出部１１１では、マイク１１２
又はライン入力端子LINE IN から入力されるアナログ音
響信号（楽器音、人声音、或いはテープレコーダやラジ
オ、テレビ、ＣＤプレーヤ等からの再生音響等）が、ロ
ーパスフィルタ１１４を介してＡ／Ｄ変換器１１５に入
力され、ディジタル音響信号（以後、単に音響信号と呼
ぶ）ｘ(n) に変換されてＤＳＰ１１６に入力される。

【００２４】ＤＳＰ１１６は、上記音響信号ｘ(n) に基
づいて、後述するディジタルフィルタ演算のための各種
係数及びピッチ周期からノート・ナンバーへの変換テー
ブルを記憶したＲＯＭ１１７、或いは各種データを記憶
するワークＲＡＭ１１８を用いて、後述するゼロクロス
検出又はフィルタ処理を行う。

【００２５】ＤＳＰ１１６での処理結果は、ＣＰＵ１０
１に送られる。ＣＰＵ１０１は、ＤＳＰ１１６での処理
結果及び後述する楽音発生回路１０８に内蔵されている
各種モジュールの記憶状態に基づいて、楽音発生回路１
０８に対する音階音の割り付け処理や削除処理を行う。

【００２６】キーボード１０６には、ファンクションス
イッチや鍵盤等が設けられており、これらが操作される
と、ＣＰＵ１０１が、その操作状態を検出し、楽音発生
回路１０８に発生されるべき楽音を割り当てる。

【００２７】ディスプレイ１０５又はプリンタ１０４
は、ＣＰＵ１０１の制御下で動作し、検出された音階を
表示し又は用紙に印字する。例えばＣＰＵ１０１は、リ
アルタイムで入力中の音響信号の音階をディスプレイ１
０５に表示し、或いは、この音響信号の音階を、ノンリ
アルタイムで、編集作業等を経た上で、楽譜などとして
ディスプレイ１０５にしたりプリンタ１０４で用紙に印
字したりしてもよい。

【００２８】楽音発生回路１０８としては、例えば、Ｐ
ＣＭ方式、ＦＭ方式、ｉＰＤ方式、正弦波合成方式等の
各種タイプの音源回路が適用可能である。この楽音発生
回路１０８は、複数（例えば４チャネル）の楽音発音チ
ャネルを有しており、ＣＰＵ１０１によって割り付けら
れた音階番号の音階音を発生する。この音階音は、オー
ディオシステム１０９を介してスピーカ１１０から放音
される。ＤＳＰの構成 次に、図２は、図１のＤＳＰ１１６の全体構成図であ
る。

【００２９】同図において、まず、インタフェース２０
１は、ＣＰＵ１０１に接続されるバス１０７及びＡ／Ｄ
変換１１５に接続されるバスを収容し、各バスとＤＳＰ
内部の回路とを接続する。

【００３０】オペレーションＲＯＭ２０３は、ＤＳＰ１
１６の全体の動作を規定するマイクロプログラムを格納
したＲＯＭであり、アドレスカウンタ２０２からの指定
アドレスに基づいて対応するプログラム命令が読み出さ
れる。図１のＣＰＵ１０１は、アドレスカウンタ２０２
にデータをセットすることによって、オペレーションＲ
ＯＭ２０３から如何なるプログラムを読み出して後述す
る各処理を実行するかを、アドレスカウンタ２０２に指
示する。

【００３１】オペレーションＲＯＭ２０３の出力は、デ
コーダ２０４にも与えられ、ＤＳＰ１１６内の各回路に
各種の制御信号を出力し、所望の動作を行わせる。一
方、ＤＳＰ１１６の内部バスには、図１のＲＯＭ１１７
及びワークＲＡＭ１１８が接続される。そして、オペレ
ーションＲＯＭ２０３からのプログラム命令に従って、
フィルタ係数や音響信号ｘ(n) 等が、ＤＳＰ１１６に対
して供給され、或いはワークＲＡＭ１１８に対して入出
力される。

【００３２】レジスタ群２０８は、演算中のデータを一
時記憶する複数のレジスタからなり、乗算器２０５又は
加減算器２０７の各入出力端子に、内部バスを介して接
続されている。そして、加減算器２０７からの演算結果
（比較結果等）に基づいたジャッジ処理を実現するた
め、フラグレジスタ２０６を介してアドレスカウンタ２
０２へ、ジャッジ結果を示すフラグ信号が送出される。

【００３３】このフラグレジスタ２０６の出力に応じて
アドレスカウンタ２０２のアドレスが変更され、そのア
ドレスに応じてオペレーションＲＯＭ２０３からプログ
ラム命令が読み出される。このようにして、ジャッジ処
理が実現される。

【００３４】以上、図１及び図２の構成を有する本発明
の実施例の動作について、以下に順次説明する。ＤＳＰ１１６とＣＰＵ１０１の基本動作 まず、ＤＳＰ１１６の全体的な動作について説明する。

【００３５】図３は、図２のオペレーションＲＯＭ２０
３に格納されたマイクロプログラムが実行されることに
より実現されるＤＳＰ１１６の全体的な動作を示すフロ
ーチャートである。

【００３６】まず、電源がオンされると、図２のワーク
ＲＡＭ１１８、レジスタ群２０８などの全ての内容が初
期化される（ステップS301）。次に、図１のＡ／Ｄ変換
器１１５において１サンプル分のＡ／Ｄ変換処理が終了
するのが待たれ（ステップS302）、Ａ／Ｄ変換処理が終
了すると、ディジタルデータに変換された１サンプル分
の音響信号が、ワークＲＡＭ１１８に取り込まれる。

【００３７】続いて、上述のＡ／Ｄ変換された音響信号
に基づいて、後に詳述するゼロクロス検出によるピッチ
検出が行われる（ステップS303）。更に、同じく上述の
Ａ／Ｄ変換された音響信号に基づいて、後に詳述するフ
ィルタ処理によるピッチ検出が行われる（ステップS30
4）。

【００３８】そして、ゼロクロス検出によりワークＲＡ
Ｍ１１８に得られたピッチに対応するノート・ナンバー
PIT とエンベロープ値ENV 、及びフィルタ処理により同
じくワークＲＡＭ１１８に得られた各音階のエンベロー
プ信号Ｅt(n)が、ＣＰＵ１０１に転送される（ステップ
S305）。

【００３９】以上のステップS302〜S305の処理が、Ａ／
Ｄ変換器１１５において１サンプル分のＡ／Ｄ変換処理
が終了する毎に実行される。以上のように、ＤＳＰ１１
６では、音響信号に対して、ゼロクロス検出によるピッ
チ検出とフィルタ処理によるピッチ検出とがそれぞれ実
行される点が特徴である。

【００４０】次に、ＣＰＵ１０１の全体的な動作につい
て説明する。図４は、図１のＲＯＭ１０２に格納された
制御プログラムが実行されることにより実現されるＣＰ
Ｕ１０１の全体的な動作を示すフローチャートである。

【００４１】まず、電源がオンされると、図１のＲＡＭ
１１８、ＣＰＵ１０１内の特には図示しないレジスタ等
の内容が初期化される（ステップS401）。次に、ＤＳＰ
１１６から図３のステップＳ３０５での転送処理に基づ
くデータが転送されてくるのが待たれ（ステップS40
2）、それらのデータが転送されてくると、ＤＳＰ１１
６でのゼロクロス検出（図３のステップS303）により得
られたピッチに対応するノート・ナンバーPIT の値が所
定の音階Ｋより下であるか否かが判定される（ステップ
S403）。

【００４２】そして、ステップS403の判定がＹＥＳで、
入力された音響信号のピッチが低いと判定されたら、Ｄ
ＳＰ１１６でのゼロクロス検出（図３のステップS303）
の処理結果に基づいて、楽音発生回路１０８に対して発
音処理が実行される（ステップS404）。

【００４３】逆に、ステップS403の判定がＮＯで、入力
された音響信号のピッチが高いと判定されたら、ＤＳＰ
１１６でのフィルタ処理（図３のステップS304）の処理
結果に基づいて、楽音発生回路１０８に対して発音処理
が実行される（ステップS405）。

【００４４】以上のステップS402〜S405の処理が、ＤＳ
Ｐ１１６から図３のステップS305での転送処理に基づく
データが転送されてくる毎に実行される。ゼロクロス検出処理 次に、図３のＤＳＰ処理におけるゼロクロス検出の処理
について説明する。 ＜ゼロクロス検出の基本動作原理＞通常、例えば人の歌
声などのように、ピッチ感が明瞭でかつ単音で演奏され
る音声は、図５に示すように、ピッチ周期（例えば）
毎に繰り返されるほぼ相似の波形要素（例えば同図のａ
とｄ、ｂとｅ、ｃとｆ）で構成されている。

【００４５】このような音声は、その音声に含まれる倍
音成分のために、その波形が振幅０の基準レベルを横切
るゼロクロス点を１ピッチ周期内に数多く有している。
そのため、このような周期性を有する波形からそのピッ
チ周期を求めるには、いずれのゼロクロス点の間をピッ
チ周期とするかを決定しなければならないが、上述のよ
うな周期性を有する波形にはつぎのような特徴がある。

【００４６】即ち、隣接するピッチ周期のほぼ同形の波
形（例えば上記ａとｄ）のそれぞれのゼロクロス点（例
えばZ1〜Z2とZ7〜Z8）で定まる区間（例えばと）の
時間はほぼ等しい。

【００４７】本実施例では上述の点に着目し、隣接する
ゼロクロス点間の時間のほぼ等しい２つの区間（例えば
と）を見出すことにより、その２つの区間のそれぞ
れの開始点（例えばZ1とZ7）の間の時間間隔を抽出し
て、入力音響信号のピッチに対応するノートナンバーを
検出する。

【００４８】上述のような基本動作原理に従って動作す
るゼロクロス検出の動作について、以下に説明する。 ＜ゼロクロス検出の動作の概要＞図５において、例え
ば、波形ａのゼロクロス点Z1〜Z2の区間の時間がカウ
ントされ、そのカウント値COUNT 1 が第１のカウンタに
保持される。次に、波形ａと同じ極性を有する波形ｂ、
ｃ、ｄ・・・のそれぞれの区間、、の時間が順次
カウントされ、そのカウント値COUNT 2 は、COUNT 1 と
ほぼ等しい値が得られるまで順次更新されながら、第２
のカウンタに保持される。

【００４９】この場合に、ゼロクロス点Z1から、波形
ｂ、ｃ、ｄのそれぞれのゼロクロス点Z3、Z5、Z7までの
時間、、及びが第３のカウンタによってカウント
される。そのカウント値COUNT 3 は、この入力音声信号
のピッチ周期となる可能性を有するので、ピッチ周期と
なるカウント値が得られるまで、順次更新されながらＲ
ＡＭ４内の変数PITCOUNTER に保存される。

【００５０】そして、区間の時間とほぼ等しい時間を
有する区間が見出されたら、ゼロクロス点Z1、Z7間の
時間に相当するカウンタ値が上記メモリ変数PIT COUN
TERから読み出され、ピッチ周期として確定される。そ
して、そのピッチ周期に対応するノート・ナンバーがＲ
ＯＭ１１７内のテーブルから求められる。 ＜ゼロクロス検出の具体的動作＞次に、上述の動作原理
に従い、入力される音響信号の波形のピッチを求める動
作を、図６〜図８の動作フローチャートを用いて説明す
る。これらの動作フローチャートは、図３のステップＳ
３０３の部分の詳細であり、ＤＳＰ１１６が、オペレー
ションＲＯＭ２０３内に記憶されているマイクロプログ
ラムを実行する動作として実現される。

【００５１】図６において、まず、ワークＲＡＭ１１８
には、音声信号を読み出す時点がその信号波形のいかな
る状態（status） に対応するかを示すステータス・フ
ラグ（図５参照）、入力音声信号の波形エンベロープの
大きさを示す変数ENV 、ピッチ抽出の結果得られたピッ
チに対応するノート・ナンバーを保持する変数PIT 、第
１、第２、第３の３個のカウンタの各々のカウント値を
保持する変数count 1,count 2,count 3 、及び１つ前の
Ａ／Ｄ変換値を保持する変数ADMEM などの各データが保
持される。

【００５２】続いて、Ａ／Ｄ変換器１１５から入力され
てくる１サンプル分の音響信号が、レジスタ群２０８内
のレジスタreg1に格納される（ステップS601）。その
後、ステータス・フラグにより処理が３つに分岐される
（ステップS602）。最初は、図５のステータス・フラグ
＝０の状態であるので、ステップS603に進む。ステータ
ス・フラグ＝０の状態では、入力音響信号の振幅が負側
から正側へ向かうゼロクロス点Z1を検出するために、１
つ前のＡ／Ｄ変換値が書き込まれている変数ADMEM の値
が負で、かつ現在のＡ／Ｄ変換値が格納されているレジ
スタreg1の値が正であるか否かが判定される。

【００５３】今の場合、ステップS603の判定はＮＯであ
り、ステップS605に進む。そして、今回Ａ／Ｄ変換値が
セットされたreg1の値が変数ADMEM に移され（ステップ
S605）、エンベロープ抽出（ステップS606）が実行され
た後、ゼロクロス検出を終了する。

【００５４】上記エンベロープ抽出（ステップS606）の
処理は、図８の動作フローチャートとして示される。図
８において、まず、現在のＡ／Ｄ変換値（reg1の内容）
の絶対値が演算され（ステップS801）、その後、その絶
対値データがローパスフィルタを通されて、入力された
音響信号の波形が整形される（ステップS802）。そして
その結果得られたエンベロープ値が変数ENV に格納され
る（ステップS803）。

【００５５】以上の処理は、音響信号の各サンプルが入
力されて図３のステップS303のゼロクロス検出が繰り返
し実行され、入力音響信号のサンプリング点がその振幅
が負側から正側へ向うゼロクロス点（図５のZ1）に到達
するまで繰り返される。

【００５６】サンプリング点が上記ゼロクロス点に到達
すると、図６のステップS603の判定がＹＥＳとなり、ス
テータス・フラグSTATUS FLAG が１にされる（ステップ
S604）。

【００５７】上述のようにステータス・フラグSTATUS F
LAG が１になったため、次のサンプル点に対応する図３
のS303のゼロクロス検出でのステップS602の処理におい
て、ステップS607に移る。

【００５８】この状態では、図５の区分に例示される
時間をカウントするために、第１のカウンタとしての変
数COUNT 1 （以下、第１のカウンタCOUNT 1 と呼ぶ）の
インクリメントが、また、区分に例示される時間をカ
ウントするために第３のカウンタとしての変数COUNT 3
（以下、第３のカウンタCOUNT 3 と呼ぶ）のインクリメ
ントがそれぞれ開始される。

【００５９】まず、第１のカウンタCOUNT 1 の値が１増
加させられる（ステップS607）。次に、入力音響信号の
振幅が正側から負側へ向うゼロクロス点、すなわち図５
の区間の終了点であるゼロクロス点Z2を検出するため
に、１つ前のＡ／Ｄ変換値が書き込まれた変数ADMEM の
値が正で、かつ現在のＡ／Ｄ変換値が書き込まれたレジ
スタreg 1 の値が負であるか否かが判定される（ステッ
プS608）。

【００６０】その判定がＮＯなら、第３のカウンタCOUN
T 3 の値が１増加させられる（ステップS610）。以後、
ステップS608→S610→S605→S606〜S602→S607→S608・
・・のループ処理が、音響信号の各サンプルが入力され
て図３のステップS303のゼロクロス検出が実行される毎
に繰り返され、その繰り返し処理毎に第１のカウンタCO
UNT 1 及び第３のカウンタCOUNT 3 の値が１づつ増加さ
れる。

【００６１】そして、ステップS608の判定がＹＥＳにな
り、入力音響信号のサンプリング点がその振幅が正側か
ら負側へ向うゼロクロス点Z2に到達すると、ステータス
・フラグが２にされる（ステップS609）。その後、ステ
ップS610に進み、COUNT 3 が値１増加されたあと、ステ
ップS605→S606と進む。

【００６２】以上のようなループ処理が行われて、図２
の区間の時間に相当するカウンタ値が第１のカウンタ
COUNT 1 に保持される。続いて、音響信号の次のサンプ
ルが入力されて再び図３のステップS303のゼロクロス検
出が実行されると、上述のステップS609でステータス・
フラグは２にされたため、今回はステップS602から、図
７のステップS611→S612と進む。

【００６３】ステップS612では、入力音響信号の振幅が
負側から正側へ向うゼロクロス点（図５のZ3）を検出す
るため、図６のステップS603と同じ処理、即ち、変数AD
MEMの値（１つ前のＡ／Ｄ変換値）が負で、かつレジス
タreg1の値（現在のＡ／Ｄ変換値）が正であるか否かが
判定される。

【００６４】その判定がＮＯである間は、S612→ステッ
プS610（図６）→S605→S606〜S602→S611（図７）→S6
12・・・のループ処理が、音響信号の各サンプルが入力
され図３のステップS303のゼロクロス検出が実行される
毎に繰り返され、各繰り返し毎に第３のカウンタCOUNT
3 のカウント値が１づつ増加させられる（S610）。

【００６５】そして、ステップS612の判定がＹＥＳにな
り、入力音響信号のサンプリング点がその振幅が負側か
ら正側へ向うゼロクロス点Z3に到達すると、ステータス
・フラグが３にされて、このときのCOUNT 3 の値（図５
の時間に相当）が変数PITCOUNTER に保存される（ス
テップS613）。このPIT COUNTER の値は、抽出されるべ
きピッチに対応する周期の候補、すなわち、図５の区間
のカウント値になる可能性を有するものとして、保持
される。

【００６６】その後、ステップS613→S610（図６）→S6
05→S606と進んだ後、音響信号の次のサンプルが入力さ
れて再び図３のステップS303のゼロクロス検出が実行さ
れ、S601→S602〜S611（図７）と進む。

【００６７】今回はSTATUS FLAG ＝3 の状態となったた
め、ステップS611からステップS614に進み、第２のカウ
ンタCOUNT 2 のカウント値が１増加され、この時点から
図５の区分のカウントが開始される。

【００６８】次に、入力音響信号の振幅が正側から負側
へ向うゼロクロス点、すなわち図５の区間の終了点に
相当するゼロクロス点Z4が検出されるため、変数ADMEM
の値（１つ前のA/D 変換値）が正で、かつレジスタreg1
の値（現在のA/D 変換値）が負であるか否かが判定され
る（ステップS615）。

【００６９】その判定がＮＯの間は、ステップS614→S6
15→S610（図６）〜S606〜S601→S602→S611（図７）→
S614のループ処理が、音響信号の各サンプルが入力され
図３のステップS303のゼロクロス検出が実行される毎に
繰り返され、各繰り返し毎に第２のカウンタCOUNT 2 と
第３のカウンタCOUNT 3 の値が１づつ増加される。

【００７０】ステップS615の判定がＹＥＳになると、ゼ
ロクロス点Z4が検出されたことになり、ここでステータ
ス・フラグが４に変えられる（ステップS616）。その
後、図６のステップS610に進み、COUNT 3 が値１増加さ
れたあと、ステップS605→S606と進み、音響信号の次の
サンプルが入力されて再び図３のステップS303のゼロク
ロス検出が実行されると、S601→S602→S611（図７）と
進む。

【００７１】今回はSTATUS FLAG ＝4 の状態となったた
め、ステップS611からステップS617に進む。この状態で
は、図５の区分に対して区分、、が順次比較さ
れ、区分とほぼ等しい時間を有する区分が見出され
たとき、区分の時間を入力された音響信号のピッチ周
期と定める処理動作が行われる。

【００７２】まず、今までに得られた第１のカウンタCO
UNT 1 と第２のカウンタCOUNT 2 のそれぞれの値がほぼ
等しいか否か、すなわち、COUNT 1 とCOUNT 2 のそれぞ
れの値の差の絶対値が、許容誤差範囲内にあるか否かが
判定される（ステップS617）。この許容誤差範囲は、入
力音響信号のサンプリング周波数とピッチ周波数に依存
するが、経験的に決定される。

【００７３】今の場合は、COUNT 1 とCOUNT 2 は、それ
ぞれ図５の区間とのカウント値を保持しているた
め、ステップS617の判定はＮＯとなりステップS618に進
む。ここで、入力音響信号に雑音などが混入すると、そ
れが原因となって、ステップS617の判定がＮＯの状態が
異常に長く続き、楽音の発音指示が行われない場合があ
る。

【００７４】このような異常状態の発生を防ぐために、
音響信号のピッチ周期とされるべき時間をカウントする
第３のカウンタCOUNT 3 の値が常に監視され、その値が
音声信号の最低音のピッチ周期に比べてはるかに大きい
値を有する所定の制限値を超えているか否かが判定され
る（ステップS618）。

【００７５】この制限値も前述の許容誤差範囲と同様、
経験的に決定される。例えばサンプリング周波数を20KH
z 、最低抽出音高（ピッチ）を110.5Hz （音名：A1に相
当）とすると、 20000÷110.5 ＝180.995 ・・・ となるため、制限値は１８０前後とすればよい。

【００７６】ステップS618の判定がＹＥＳの場合、すな
わち異常状態の場合は、図１のＣＰＵ１０１を介して楽
音発生回路１０８に対して、全ての発音中の音を消音す
る指示がなされると共に、後述すＲ変数on nowがクリア
され、ゼロクロス検出の処理を終了する。

【００７７】ステップS618の判定がＮＯの場合は、ステ
ップS619に進んで、第２のカウンタCOUNT 2 の値がクリ
アされ、ステータス・フラグは２に戻される。そして、
再び次のゼロクロスを求めるための処理に入る。このと
き変数PIT COUNTER に保持された値は無効となるが、第
３のカウンタCOUNT 3 は依然カウントアップをつづけて
おり、また、第１のカウンタCOUNT 1 も図５の区間の
カウント値を保持している。

【００７８】上述のようにしてステータス・フラグの２
の状態に戻された後は、前回と同様にステータス・フラ
グの３の状態、４の状態と進み、第２のカウンタCOUNT
2 には図５の区間のカウント値、変数PIT COUNTER に
は同図の区間の始まりから区間のゼロクロス点z5ま
でのカウント値（図５の）が保持される。

【００７９】しかし、今回もCOUNT 1 の値（区分の時
間に対応）とCOUNT 2 の値（区分の時間に対応）が一
致しないため、ステップS407の判定がＮＯとなる。その
ためステップS618を介してステップS619に進み、再びス
テータス・フラグが２の状態から実行し直されることに
なる。

【００８０】そして、この次にステータス・フラグが再
び４の状態になったとき、COUNT 2は図５の区間のカ
ウント値を保持し、一方、PIT COUNTER は同図の時間
のカウント値を保持している。そして、ステップS617に
おいて、初めてＹＥＳと判定され、ステップS621に進
む。

【００８１】このときの入力された音響信号のピッチ周
期の正しい値は、PIT COUNTER に保持されている第３の
カウンタCOUNT 3 の値（図５の）となる。そして、こ
の値に対応するノート・ナンバーが図２のＲＯＭ１１７
内の変換テーブルから読み出され、変数PIT に移される
（ステップS621）。

【００８２】次に、ステータス・フラグと、すべてのカ
ウンタがクリアされ、初期状態にリセットされる（ステ
ップS622）。そして、図６のステップS605→S606と進ん
だ後、ゼロクロス検出の処理を終了する。

【００８３】以上のようにして、音響信号の各サンプル
が入力され図３のステップS303のゼロクロス検出が実行
される毎に、ピッチ周期に対応するノート・ナンバーPI
T とエンベロープ値ENV が求められ、これらが図３のス
テップS305の処理によってＤＳＰ１１６からＣＰＵ１０
１へ転送され、後に詳述する図４のステップS404の発音
処理において使用される。

【００８４】上述のゼロクロス検出の処理では、ゼロク
ロス間隔の規則性のみに着目してノート・ナンバー（ピ
ッチ）の抽出が行われたが、ゼロクロス間隔の規則性に
例えば入力音響信号の各波形部分の面積や振幅の最大値
などの規則性を加味すれば、より高精度な処理が可能と
なる。フィルタ処理 次に、図３のＤＳＰ処理におけるフィルタ処理について
説明する。 ＜フィルタ処理の基本動作原理＞まず、ＤＳＰ１１６で
実行されるフィルタ処理の基本動作原理を、図９と図１
０を用いて説明する。

【００８５】図９は、フィルタ処理の基本機能ブロック
図である。図９において、入力音響信号ｘ(n) は、各サ
ンプルタイミング毎に図１のＡ／Ｄ変換器１１５からＤ
ＳＰ１１６に入力されてくる１サンプル分の音響信号で
ある。なお、ｎは、離散的なサンプリング時刻を示す。

【００８６】上述の入力音響信号ｘ(n) に対して、ＤＳ
Ｐ１１６における時分割処理によって、Ｎ個分のバンド
パスフィルタのフィルタリング処理が実行される。今、
任意の音階ｔ（１≦ｔ≦Ｎ）のバンドパスフィルタの伝
達関数をＨt(z)とする。本実施例では、各伝達関数Ｈt
(z)（１≦ｔ≦Ｎ）の特性が、複数オクターブの各音階
に依存して変更される。図１０は、伝達関数Ｈt(z)を有
するバンドパスフィルタ（以下、バンドパスフィルタＨ
t(z)と呼ぶ）としてチェビシェフ形フィルタが採用され
る場合の周波数特性図である。この場合の伝達関数Ｈt
(z)は、下式で示される。

【００８７】

【数１】

【００８８】ここで、ｉ＝１とすると、ＤＳＰ１１６
は、

【００８９】

【数２】

【００９０】で示されるディジタルフィルタリング処理
の演算を実行することになる。更に、ｉ≧２の場合に
は、数２式と同様の演算が繰り返し実行されることにな
る。

【００９１】また、バンドパスフィルタＨt(z)のフィル
タ係数は、数値計算で求めることができる。具体例とし
ては、ノートナンバーＡ4 に対応する中心周波数が４４
０［Ｈｚ］のバンドパスフィルタを以下に示される条件
（〜は図１０を参照）で構成すると、下記の如き係
数値で実現される伝達関数Ｈt(z)を有するディジタルフ
ィルタリング処理が実行されることになる。

【００９２】即ち、 ＝１［ｄＢ］ ＝サンプリング周波数ｆs ＝１０［ｋＨｚ］ ＝１２［ｄＢ］以上 ＝４１５［Ｈｚ］ ＝４３０［Ｈｚ］ ＝４５０［Ｈｚ］ ＝４６６［Ｈｚ］ の条件で、ｉ＝１、２の２段のディジタルフィルタの各
フィルタ係数は、 Ｈt(0)＝0.08192384 ｉ＝１に対して、 ａ₁(1)=-1.91442200776 ａ₂(1)= 0.9933673 ｂ₁(1)=-1.91105345727 ｂ₂(1)= 1. ｉ＝２に対して、 ａ₁(2)=-1.9210712 ａ₂(2)= 0.993606 ｂ₁(2)=-1.93525314797 ｂ₂(2)= 1. となる。

【００９３】このように、各音階ｔ（１≦ｔ≦Ｎ）のバ
ンドパスフィルタＨt(z)のディジタルフィルタリング処
理がＤＳＰ１１６において時分割的に実行され、その結
果、図９の各出力信号Ｙt(n)（１≦ｔ≦Ｎ）が求まる。

【００９４】続いて、ＤＳＰ１１６は、図９に示される
ように、上記各出力信号Ｙt(n)に対して、それぞれエン
ベロープ抽出処理を時分割処理によって実行する。この
エンベロープ抽出処理は、各出力信号Ｙt(n)に対して、
所定時間間隔（例えば各音階に対応する時間間隔）毎に
ピークレベル（絶対値）を求める処理として実現され
る。或いは、後述するような特定のディジタルフィルタ
リング処理を各出力信号Ｙt(n)の絶対値に対して実行す
る処理として実現される。

【００９５】以上のようにして、ＤＳＰ１１６による時
分割処理によって、各音階ｔ（１≦ｔ≦Ｎ）についての
エンベロープ信号Ｅt(n)が求まる。そして、前述したＣ
ＰＵ１０１による図４のステップS405の発音処理におい
て、後に詳述するようなレベル判断処理を実行すること
により、入力音響信号ｘ(n) から音階情報を検出するこ
とができる。 ＜フィルタ処理の改良動作原理＞上述のバンドパスフィ
ルタＨt(z)は、それがチェビシェフ形フィルタとして実
現される場合についての原理説明であったが、例えば前
述したようなノートナンバーＡ4 に対応する中心周波数
が４４０［Ｈｚ］のバンドパスフィルタが構成された場
合、そのディジタルフィルタリング処理において各サン
プルタイミング毎に８回の乗算が必要となる。

【００９６】そこで、ディジタルフィルタリング処理に
おける乗算回数を減らし、リアルタイムのフィルタ処理
を可能とする、フィルタ処理の改良された動作原理につ
き、図１１〜図２１を用いて以下に説明する。

【００９７】図１１は、フィルタ処理の改良機能ブロッ
ク図である。図１１では、図９の伝達関数Ｈt(z)（１≦
ｔ≦Ｎ）を有するバンドパスフィルタ処理と等価なフィ
ルタ処理が、伝達関数Ｈ1(z)（全音階ｔで共通）を有す
るハイパスフィルタ処理と、伝達関数Ｈ2t(z) （１≦ｔ
≦Ｎ）を有するローパスフィルタ処理とのカスケード処
理によって実現される。この場合、図９のバンドパスフ
ィルタの伝達関数Ｈt(z)は、図１１のように、ハイパス
フィルタの伝達関数Ｈ1(z)とローパスフィルタの伝達関
数Ｈ2t(z) の積で表される。

【００９８】ここで、ハイパスフィルタの伝達関数Ｈ1
(z)は、後に詳述するが、周波数０で０、周波数ｆs ／
２［Ｈｚ］で出力が最大となる特性を有する。また、ロ
ーパスフィルタの伝達関数Ｈ2t(z) は、これも後に詳述
するが、各音階周波数で出力が極大となるレゾナンスタ
イプの特性を有する。従って、上述のハイパスフィルタ
Ｈ1(z)とローパスフィルタＨ2t(z) とがカスケード接続
されることにより得られるフィルタの伝達関数Ｈt(z)
は、図１２の如く疑似的なバンドパスフィルタの特性と
なっている。図１２で、各中心周波数ｆ₁ 〜ｆ_N が各音
階周波数に対応し、また、隣接帯域間の周波数差はΔｆ
である。更に、Ｎの値は４０〜５０程度（本実施例の場
合、高域側の３〜４オクターブ分）にすることが可能で
ある。

【００９９】このようなフィルタリング処理によって得
られるローパスフィルタＨ2t(z) の各出力信号Ｗt(n)
（１≦ｔ≦Ｎ）が、図１１のように、伝達関数Ｈ_Et(z)
（１≦ｔ≦Ｎ）で示される各エンベロープ抽出部に入力
することによって、それぞれの出力としてエンベロープ
信号Ｅt(n)（１≦ｔ≦Ｎ）が得られる。このエンベロー
プ抽出部は、後に詳述するように、カットオフ周波数の
低いローパスフィルタとして実現される。

【０１００】つぎに、伝達関数Ｈ1(z)を有するハイパス
フィルタ、伝達関数Ｈ2t(z) を有するローパスフィル
タ、及び伝達関数Ｈ_Et(z) を有するエンベロープ抽出部
の各フィルタ特性について、以下に詳細に説明する。

【０１０１】図１３は、図１１のハイパスフィルタＨ1
(z)をハードウエアのイメージで示した構成図である。
これは、２次のＦＩＲディジタルフィルタであって、そ
の伝達関数は、

【０１０２】

【数３】

【０１０３】で示される。図１３において、１３０１、
１３０２のｚ^-1はサンプリング・クロック１周期分の遅
延を与える遅延素子を表し、１３０６、１３０７は加算
器である。また１３０３、１３０４、１３０５は乗算器
であり、×２、×１、×1/4 の各係数は、上記各乗算器
における乗算係数である。

【０１０４】ＤＳＰ１１６では、図１３のハイパスフィ
ルタと等価なフィルタ処理が、

【０１０５】

【数４】

【０１０６】なる離散演算処理により実現される。な
お、この場合、フィルタ係数は２の倍数であるので、係
数と信号の乗算は、単なるビットシフト処理で実現され
る。

【０１０７】このハイパスフィルタの周波数特性は、

【０１０８】

【数５】

【０１０９】となり、Ω＝０（０［Ｈｚ］）でゲインが
最小、Ω＝π（ｆs ／２［Ｈｚ］）でゲインが最大にな
る特性を有する。ここでｆs は図１のＡ／Ｄ変換器１１
５における音響信号ｘ(n) のサンプリング周波数であ
る。図１４にこのハイパスフィルタの特性を示す。サン
プリング定理により、ｆs ／２〜ｆs ［Ｈｚ］までの周
波数特性は、０〜ｆs ／２［Ｈｚ］までの周波数特性が
ｆs ／２［Ｈｚ］を境に折返った特性となっている。

【０１１０】続いて、図１５は、図１１のローパスフィ
ルタＨ2t(z) をハードウエアのイメージで示した構成図
である。これは、２次のＩＩＲディジタルフィルタであ
り、その伝達関数は、

【０１１１】

【数６】

【０１１２】で示される。そして、この式のθとＣＹ
は、後述するように、各音階ｔに応じて変化し、またｒ
がレゾナンスの強さ、つまり出力ピークの大きさを示す
パラメータである。

【０１１３】図１５において、１５０１、１５０２は、
サンプリング・クロック１周期分の遅延を与える遅延素
子を表し、１５０３、１５０４、１５０５は乗算器で、
それぞれに同図に示される係数−２ｒｃｏｓθ、ｒ² 、
ＣＹが乗算される。また、１５０６及び１５０７は加算
器である。

【０１１４】ＤＳＰ１１６においては、図１５に示す構
成のローパスフィルタと等価なフィルタ演算処理が、

【０１１５】

【数７】

【０１１６】

【数８】

【０１１７】なる離散演算処理により実現される。ここ
で、伝達関数の極は、“**”をべき乗演算として、ｚ₁
＝ｒｅ**(jθ）、ｚ₂ ＝ｒｅ**（-jθ）に存在し、ｚ＝
０に二重の零点がある。この極と零点の配置と、０＜θ
＜π／２としたときの極ベクトルと零点ベクトルとの関
係を図１６に示す。

【０１１８】同図から理解されるとおり、単位円に沿っ
て移動する点Ｐと零点０を結ぶ線分が実軸となす角度を
Ωとすると、Ω＝０〜πにおいて、極ベクトルＺ₁ と零
点ベクトルＶ₁ との差であるベクトルＶ₂ の長さは、初
めは減少し、その後に増加する。ベクトルＶ₂ の最小の
長さは、Ｐ点が極Ｚ₁ に最接近したとき、すなわち、θ
＝Ωのときである。

【０１１９】ここで、このローパスフィルタの周波数Ω
における周波数応答の大きさ（振幅特性）は、零点ベク
トルＶ₁ とベクトルＶ₂ のそれぞれの長さの比で定ま
る。そして、この零点ベクトルＶ₁ の値は常に１である
から、周波数応答の大きさは、ベクトルＶ₂ の大きさの
逆数に比例し、上述のようにθ＝Ωで最大となる。また
周波数応答の大きさのピークは、ｒの値により定まり、
ｒの値が１に近づくほど大きくなる。図１７は、Ω＝−
π〜πにおけるこの周波数応答の大きさを表している。

【０１２０】一方、周波数応答の位相は、実軸と零点ベ
クトルＶ₁ とのなす角Ωから、実軸とベクトルＶ₂ との
なす角を引いた値になる。以上の説明から明らかなよう
に、各音階ｔ（１≦ｔ≦Ｎ）の中心周波数ｆ_tとサンプ
リング周波数ｆ_s を用いて、θ＝２πｆ_s ／ｆ_t で求ま
るθの値を決めれば、図１８に示されるように、各帯域
の中心周波数ｆ_t でピークを有するローパスフィルタが
実現される。

【０１２１】この場合、ピークの大きさは、前述のよう
にｒの値により変化するが、このｒの値を選択してピー
クが隣の帯域に影響するのを防ぎ、また前述のＣＹの値
を選択して各帯域の出力Ｗt(n)のレベルがほぼ等しくな
るように設定することができる。

【０１２２】上記ｒとＣＹの値は、例えば次のようにし
て求めることができる。今、各音階ｔの中心周波数ｆ_t
と、それからΔｆ離れた隣の音階ｔ＋１の中心周波数ｆ
_t+1 （＝ｆ_t ＋Δｆ）との周波数応答の大きさの比をｍ
とすると、

【０１２３】

【数９】

【０１２４】というｒについての４次方程式を解き、そ
の結果、得られたｒのうち、０＜ｒ＜１であるｒを選
び、各係数−２ｒｃｏｓθ、ｒ² を求めることができ
る。数値計算の結果、例えばノートナンバーＡ4 に対応
する中心周波数が４４０［Ｈｚ］であり、サンプリング
周波数ｆ_s ＝５［ｋＨｚ］、ｍ＝４とすると、 −２ｒｃｏｓθ＝-1.9773 ｒ² ＝ 0.9851 ＣＹ＝ 36.7 となる。その他の帯域についても同じようにして求める
ことができる。

【０１２５】以上のような伝達関数Ｈ1(z)を有するロー
パスフィルタと伝達関数Ｈ2t(z) を有するローパスフィ
ルタが、図１１に示されるようにカスケードに接続され
ることにより、各伝達関数の積として表される全体の伝
達関数Ｈt(z)によって、図１２で前述したように、疑似
的なバンドパスフィルタの特性が実現される。

【０１２６】つぎに、図１９は、図１１のエンベロープ
抽出部に対応するローパスフィルタ伝達特性Ｈ_Et(z) を
ハードウエアのイメージで示した構成図である。これ
は、前述したローパスフィルタＨ2t(z) と同じ形の２次
のＩＩＲディジタルフィルタで、その伝達関数は、

【０１２７】

【数１０】

【０１２８】である。この式は数６式で前述したローパ
スフィルタの伝達関数Ｈ2t(z) において、ｒ＝０．９、
θ＝０としたものに等しい。図１９において、絶対値回
路１９０１は、図１１のローパスフィルタＨ2t(z)の出
力Ｗt(n)の絶対値｜Ｗt(n)｜を出力し、次のディジタル
フィルタ部に送る。１９０２、１９０３はサンプリング
・クロック１周期分の遅延を与える遅延素子、１９０
４、１９０５及び１９０６は乗算器で、各乗算器には同
図に示される各係数が乗算される。また、１９０７及び
１９０８は加算器である。

【０１２９】ＤＳＰ１１６では、図１９に示される構成
のローパスフィルタと等価なフィルタ演算処理が、

【０１３０】

【数１１】

【０１３１】なる離散演算処理により実現される。この
ローパスフィルタの周波数特性は、図２０に示されるよ
うに、最大値を示すレゾナンスをΩ＝０に有する。この
ローパスフィルタのカットオフ周波数は、エンベロープ
抽出という目的から、先の最低帯域のローパスフィルタ
Ｈ2t(z) のカットオフ周波数よりも、はるかに低い周波
数に設定される。

【０１３２】ここで、係数ＣＥは、各音階ｔ毎のそれぞ
れの出力レベルを合わせるためのものである。図２１
は、図１９のローパスフィルタで得られたエンベロープ
信号Ｅt(n)を、ローパスフィルタＨ2t(z) の出力の絶対
値｜Ｗt(n)｜と対比させて模式的に示した図である。図
１９の絶対値回路１９０１に相当する演算によって、入
力信号の負の波高値（図２１の破線）が正の波高値に変
換された上で、ローパスフィルタ処理が行われる。これ
により、各音階ｔ毎のエンベロープを求める動作が実現
される。 ＜フィルタ処理の具体的動作＞上述のフィルタ処理の改
良原理に従い、入力される音響信号の音階（ピッチ）を
求める動作を、図２２の動作フローチャートを用いて説
明する。この動作フローチャートは、図３のステップＳ
３０４の部分の詳細であり、ＤＳＰ１１６が、オペレー
ションＲＯＭ２０３内に記憶されているマイクロプログ
ラムを実行する動作として実現される。

【０１３３】図２２の動作フローチャートに従ったフィ
ルタ処理により、音響信号の各サンプルｘ(n) が入力さ
れて図３のステップS304のフィルタ処理が繰り返し実行
される毎に、図１１の各音階共通のハイパスフィルタ部
及び各音階毎のローパスフィルタイミング部とエンベロ
ープ抽出部に相当する処理が時分割処理で実行されるこ
とにより、サンプリング周期毎に各音階のエンベロープ
信号Ｅt(n)が得られ、それが図３のステップS305の処理
によりＣＰＵ１０１に転送される。

【０１３４】図２２の動作フローチャートに関連し、ワ
ークＲＡＭ１１８には、図１のＡ／Ｄ変換器１１５から
入力される現在、１サンプル前及び２サンプル前の各音
響信号を保持する各変数ｘ(n) 、ｘ(n-1) 及びｘ(n-2)
、図１１の伝達関数Ｈ1(z)を有するハイパスフィルタ
部の現在、１サンプル前及び２サンプル前の各出力を保
持する各変数ｓ(n) 、ｓ(n-1) 及びｓ(n-2) 、図１１の
伝達関数Ｈ2t(z) を有する各音階ｔに対応するローパス
フィルタ部の現在、１サンプル前及び２サンプル前の各
出力を保持する各変数Ｗt(n)、Ｗt(n-1)及びＷt(n-2)
（１≦ｔ≦Ｎ）、そうして、図１１の伝達関数Ｈ_Et(z)
を有する各音階ｔに対応するエンベロープ抽出部の現
在、１サンプル前及び２サンプル前の各出力を保持する
各変数Ｅt(n)、Ｅt(n-1)及びＥt(n-2)（１≦ｔ≦Ｎ）
が、それぞれ格納される。

【０１３５】図２２において、まず、Ａ／Ｄ変換器１１
５から入力されてくる１サンプル分の音響信号が、図２
のワークＲＡＭ１１８内の変数ｘ(n) に格納される（ス
テップS2201 ）。

【０１３６】次に、ワークＲＡＭ１１８内の各変数ｘ
(n) 、ｘ(n-1) 及びｘ(n-2) から図２のレジスタ群２０
８内の各レジスタに、現在のサンプルと過去２サンプル
分の音響信号が読み出され、図１１の伝達関数Ｈ1(z)で
示されるハイパスフィルタ処理が実行される（ステップ
S2202 ）。この処理は、前述の数４式で表される演算処
理であり、図２の乗算器２０５および加減算器２０７を
使って実行される。このとき数４式の演算に用いられる
各フィルタ係数は、ＲＯＭ１１７から読み出される。こ
の結果得られた出力は、ワークＲＡＭ１１８内の変数ｓ
(n) に格納される。

【０１３７】以上のハイパスフィルタ処理は、各帯域で
共通な処理であるため、１回のみ実行される。次に、図
１１の伝達関数Ｈ2t(z) を有する各音階ｔに対応するロ
ーパスフィルタ処理と、伝達関数Ｈ_Et(z) を有する各音
階ｔに対応するエンベロープ抽出処理が続けて実行され
る。

【０１３８】これらの処理は、各音階ｔに対応して、Ｎ
音階分の時分割処理として繰り返される。そのために、
図２のレジスタ群２０８内に、Ｎ音階分の時分割処理を
行うための繰り返し制御用のレジスタｔが設けられ、ス
テップS2203 でレジスタｔの値が１に初期設定される。

【０１３９】そして、ステップS2204 とS2205 で１音階
分のローパスフィルタ処理とエンベロープ抽出処理が終
了する毎に、ステップS2206 でレジスタｔの内容がＮに
達したか否かが判定され、達していなければ、ステップ
S2207 においてレジスタｔの内容がインクリメントさ
れ、ステップS2204 とS2205 の処理が繰り返される。

【０１４０】このジャッジ処理は、図２の加減算器２０
７とフラグレジスタ２０６によって実行され、アドレス
カウンタ２０２によって、ステップS2204、およびS2205
に対応するプログラム命令群がオペレーションＲＯＭ
２０３から繰り返し読み出される。

【０１４１】まず、ＲＯＭ１１７から、レジスタｔで示
される番号に対応する音階のフィルタ係数ＣＹ、２ｒｃ
ｏｓθ及びｒ² が読み出される。そして、ワークＲＡＭ
１１８の各変数ｓ(n) 、ｓ(n-1) 及びｓ(n-2) から図２
のレジスタ群２０８内の各レジスタに、現在のサンプル
と過去２サンプル分のステップS2202 におけるハイパス
フィルタ処理の出力信号が読み出され、これらの信号に
対して上述のフィルタ係数を用いて図１１の伝達関数Ｈ
2t(z) で示されるローパスフィルタ処理が実行される
（ステップS2204 ）。この処理は、前述の数７式で表さ
れる演算処理であり、図２の乗算器２０５および加減算
器２０７を使って実行される。この結果得られた出力
は、ワークＲＡＭ１１８内の変数Ｗt(n)に格納される。
なお、この変数の添え字ｔは、現在のレジスタｔの値に
対応している。

【０１４２】続いて、ＲＯＭ１１７から、レジスタｔで
示される番号に対応する音階のフィルタ係数ＣＥ、「1.
8 」及び「0.81」が読み出される。そして、上述のロー
パスフィルタ処理の出力である変数Ｗt(n)の内容と、ワ
ークＲＡＭ１１８からレジスタ群２０８内のレジスタに
読み出された過去２サンプルのローパスフィルタ処理の
出力Ｗt(n-1)及びＷt(n-2)に対して、上述のフィルタ係
数を用いて図１１の伝達関数Ｈ_Et(z) で示されるエンベ
ロープ抽出処理（ローパスフィルタ処理）が実行される
（ステップS2205 ）。この処理は、前述の数１１式で表
される演算処理であり、図２の乗算器２０５および加減
算器２０７を使って実行される。この結果得られた出力
は、ワークＲＡＭ１１８内の変数Ｅt(n)に格納される。
なお、この変数の添え字ｔは、現在のレジスタｔの値に
対応している。

【０１４３】以上、ステップS2204 〜S2207 の処理の繰
り返しにより、図１１のＮ音階分のローパスフィルタ部
とエンベロープ抽出部に相当する処理が行われ、この結
果、サンプリング周期毎に各音階のエンベロープ信号Ｅ
t(n)が得られ、それが図３のステップS305の処理により
ＣＰＵ１０１に転送される。ゼロクロス検出処理による発音処理 続いて、図４のＣＰＵ処理におけるゼロクロス検出処理
による発音処理について説明する。

【０１４４】前述したように、図４のステップS403の判
定において、ＤＳＰ１１６でのゼロクロス検出（図３の
ステップS303）により得られたノート・ナンバーPIT の
値が所定の音階Ｋより下である、即ち、入力された音響
信号のピッチが低いと判定されたら、ステップS404にお
いて、ＤＳＰ１１６でのゼロクロス検出の処理結果に基
づいて、楽音発生回路１０８に対して発音処理が実行さ
れる。

【０１４５】図２３は、図４のステップS404のゼロクロ
ス検出処理による発音処理の動作フローチャートであ
る。この動作フローチャートは、ＣＰＵ１０１が、ＲＡ
Ｍ１０３内の制御プログラムを実行する動作として実現
される。

【０１４６】図２３の動作フローチャートに関連して、
ＲＡＭ１０３には、ＤＳＰ１１６から転送されてきたピ
ッチに対応するノート・ナンバーを格納する変数PIT と
エンベロープ値を格納する変数ＥＮＶ、及び現在発音中
のノートナンバーを保持する変数ON NOW等が保持されて
いる。

【０１４７】図２３において、まず、ＤＳＰ１１６から
転送されてきたエンベロープ値ＥＮＶの値が、所定の閾
値THRESHOLD を超え、かつノートナンバーPIT の値が０
より大きいか否かが判定される（ステップS2301 ）。

【０１４８】その判定がＮＯならば、図１の楽音発生回
路１０８で発音中の全ての楽音に対して消音が指示さ
れ、かつ発音中の音が無いことを示すために変数ON NOW
がクリアされて（ステップS2306 ）、ゼロクロス検出に
よる発音処理を終了する。

【０１４９】即ち、エンベロープ値ＥＮＶの値は、図６
のステップS606に対応する図８の動作フローチャートな
どから理解されるように、入力音響信号の平均的な振幅
を示している。従って、入力音響信号の平均振幅が小さ
いうちは、入力音響信号に基づく発音処理は行われない
ということになる。

【０１５０】また、ノートナンバーPIT の値が０である
ということは、図７の動作フローチャートで示されるＤ
ＳＰ１１６でのゼロクロス検出において、STATUS FLAG
の値が４にならずに実質的なノートナンバーの検出（ス
テップS621）が行われなかったということになる。従っ
て、このような場合にも、入力音響信号に基づく発音処
理は行われないということになる。

【０１５１】図２３のステップS2301 の判定がＹＥＳな
らば、変数ON NOWの値が０か否か判別されることにより
現在発音中の音がないか否かが判定され（ステップS230
2 ）、その判定がＹＥＳならば、ステップS2305 に進
む。

【０１５２】ステップS2305 の判定がＮＯで現在発音中
の音があると判定されたなら、発音中のノートナンバー
を示す変数ON NOWの内容と抽出されたノートナンバーを
示す変数PIT の内容が比較される（ステップS2303 ）。

【０１５３】比較の結果、両者が一致すれば、再発音す
る必要がないのでそのままゼロクロス検出による発音処
理を終了し、両者が一致しなければ、発音すべきノート
ナンバーが変化したことになるため、現在発音中の音の
消音が楽音発生回路１０８に対して指示された後に（ス
テップS2304 ）、ステップS2305が実行される。

【０１５４】ステップS2305 では、ノートナンバーPIT
で示される音階の楽音の発音が楽音発生回路１０８に対
して指示されると共に、変数ON NOWに変数PIT の値が代
入されて、現在、変数PIT に対応する音階の楽音が発音
中であることが示される。この処理の後、ゼロクロス検
出による発音処理を終了する。

【０１５５】以上のようにして、入力された音響信号の
ピッチが低い場合には、ゼロクロス検出によって得られ
る音階（ピッチ）データを用いて楽音が発音される。フィルタ処理による発音処理 続いて、図４のＣＰＵ処理におけるフィルタ処理による
発音処理について説明する。

【０１５６】前述したように、図４のステップS403の判
定において、ＤＳＰ１１６でのゼロクロス検出（図３の
ステップS303）により得られたノート・ナンバーPIT の
値が所定の音階Ｋより上である、即ち、入力された音響
信号のピッチが高いと判定されたら、ステップS404にお
いて、ＤＳＰ１１６でのフィルタ処理（図３のステップ
S304）の処理結果に基づいて、楽音発生回路１０８に対
して発音処理が実行される（ステップS405）。

【０１５７】図２４は、図４のステップS404のフィルタ
処理による発音処理の動作フローチャートである。この
動作フローチャートもゼロクロス検出の場合と同様、Ｃ
ＰＵ１０１がＲＡＭ１０３内の制御プログラムを実行す
る動作として実現される。

【０１５８】図２４で、まず、ＤＳＰ１１６から転送さ
れてきたＮ音階分のエンベロープ信号Ｅt(n)（１≦ｔ≦
Ｎ）がＲＡＭ１０３に格納される（ステップS2401 ）。
次に、これらのエンベロープ信号Ｅt(n)（１≦ｔ≦Ｎ）
のうち、その値が所定の閾値を越えているものが全部取
り出される（ステップS2402 ）。

【０１５９】上記閾値を越えているエンベロープ信号が
あれば（ステップS2403 の判定がＹＥＳならば）、それ
らのうち値が最大となるものが抽出され、そのエンベロ
ープ信号に対応する音階が検出される（ステップS240
4）。ここで、上記Ｎ個の音階は、予めＲＯＭ１０２等
にプリセットされており、ＣＰＵ１０１は、値が最大と
なるエンベロープ信号の番号ｔでＲＯＭ１０２をアクセ
スすることにより、その音階を検出する。

【０１６０】次に、取り出された音階の楽音が、楽音発
生回路１０８において現在発音中か否かが判定される
（ステップS2405 ）。発音中であるならば（ステップS2
405 の判定がＹＥＳならば）、再発音する必要がないの
でそのままフィルタ処理による発音処理を終了し、発音
中でないならば、別の音階の楽音が発音中か否かが判定
される（ステップS2406 ）。

【０１６１】そして、別の音階の楽音が発音中でないな
らば（ステップS2406 の判定がＮＯならば）、ステップ
S2404 で取り出された音階による楽音の発音が楽音発生
回路１０８に対して指示される（ステップS2407 ）。

【０１６２】また、別の音階の楽音が発音中であるなら
ば、その楽音の消音処理を行った後に（ステップS2408
）、ステップS2407 の発音処理が行われる。ステップS
2407 の処理の後、フィルタ処理による発音処理を終了
する。

【０１６３】以上のようにして、入力された音響信号の
ピッチが高い場合には、フィルタ処理によって得られる
音階（ピッチ）データを用いて楽音が発音される。

【０１６４】

【発明の効果】本発明によれば、ゼロクロス検出による
ピッチ抽出方式の出力とディジタルフィルタリングによ
るピッチ抽出方式の出力をピッチ周波数に応じて切替え
て選択することにより、両者の長所を生かした高精度な
ピッチ抽出を実現することが可能となる。

【０１６５】特に、ディジタルフィルタリングによるピ
ッチ抽出方式がピッチ周波数の高い範囲でのみ使用され
ることにより、フィルタ係数の値を小さくすることがで
き、通常のＤＳＰ等によって容易にディジタルフィルタ
を構成することが可能となる。

【０１６６】更に、本発明によるピッチ抽出装置が電子
楽器の音階検出装置として使用される場合、音階が高い
範囲の音階周波数の差は大きな値となるため、カットオ
フ周波数の急俊なディジタルフィルタを構成する必要が
なくなり、その結果バンドパスフィルタの次数を低くす
ることができ、ＤＳＰ等によるリアルタイム処理を容易
に実現可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の全体構成図である。

【図２】ＤＳＰの全体構成図である。

【図３】ＤＳＰ処理の全体動作フローチャートである。

【図４】ＣＰＵ処理の全体動作フローチャートである。

【図５】ゼロクロス検出の原理説明図である。

【図６】ゼロクロス検出の動作フローチャート（その
１）である。

【図７】ゼロクロス検出の動作フローチャート（その
２）である。

【図８】ゼロクロス検出におけるエンベロープ抽出の動
作フローチャートである。

【図９】フィルタ処理の基本機能ブロック図である。

【図１０】バンドパスフィルタＨt(z)の特性図である。

【図１１】フィルタ処理の改良機能ブロック図である。

【図１２】バンドパスフィルタＨ1(z)・Ｈ2t(z) の特性
図である。ある。

【図１３】ハイパスフィルタＨ1(z)の構成図である。

【図１４】ハイパスフィルタＨ1(z)の特性図である。

【図１５】ローパスフィルタＨ2t(z) の構成図である。

【図１６】ローパスフィルタＨ2t(z) の極と零点及び極
ベクトルと零ベクトルの関係図である。

【図１７】ローパスフィルタＨ2t(z) の振幅特性図であ
る。ある。

【図１８】ローパスフィルタＨ2t(z) の特性図である。
ある。

【図１９】ローパスフィルタＨ_Et(z) の構成図である。

【図２０】ローパスフィルタＨ_Et(z) の特性図である。

【図２１】｜Ｗt(n)｜とＥt(n)の関係図である。

【図２２】フィルタ処理の動作フローチャートである。

【図２３】ゼロクロス検出による発音処理の動作フロー
チャートである。

【図２４】フィルタ処理による発音処理の動作フローチ
ャートである。

【符号の説明】

１０１ ＣＰＵ １０２ ＲＯＭ １０３ ＲＡＭ １０４ プリンタ １０５ ディスプレイ １０６ キーボード １０７ バス １０８ 楽音発生回路 １０９ オーディオシステム １１０ スピーカ １１１ 音階検出部 １１２ マイク １１３ マイクアンプ １１４ ローパスフィルタ １１５ Ａ／Ｄ変換器 １１６ ＤＳＰ １１７ ＲＯＭ ２０１ インタフェース ２０２ アドレスカウンタ ２０３ オペレーションＲＯＭ ２０４ デコーダ ２０５ 乗算器 ２０６ フラグレジスタ ２０７ 加減算器 ２０８ レジスタ群

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力される音響信号から値が負又は正の
   第１の極性から他方の第２の極性へ変化するゼロクロス
   点を順次検出し、該各ゼロクロス点間の間隔から前記音
   響信号のピッチ情報を検出する第１のピッチ検出手段
   と、 前記音響信号に対して異なる特性のディジタルフィルタ
   リング処理を時分割で順次行うことにより、該処理に対
   応する各々所定の複数の周波数に関する各周波数スペク
   トルのレベルを検出し、該各周波数スペクトルのレベル
   を判定することにより前記音響信号のピッチ情報を検出
   する第２のピッチ検出手段と、 前記第１のピッチ検出手段又は前記第２のピッチ検出手
   段の何れかで検出されたピッチ情報が所定の周波数閾値
   以下のピッチ周波数に対応しているならば前記第１のピ
   ッチ検出手段からのピッチ情報を出力し、所定の周波数
   閾値以上のピッチ周波数に対応しているならば前記第２
   のピッチ検出手段からのピッチ情報を出力する選択手段
   と、 を有することを特徴とするピッチ抽出装置。
2. 【請求項２】 前記第１のピッチ検出手段は、 前記音響信号が負又は正の第１の極性から他方の第２の
   極性へゼロクロスするゼロクロス点から次に前記第２の
   極性から前記第１の極性へゼロクロスするゼロクロス点
   までの間隔を第１の間隔として計測する第１の間隔計測
   手段と、 該第１の間隔計測手段による計測の終了後、前記音響信
   号が前記第１の極性から前記第２の極性へゼロクロスす
   るゼロクロス点から次に前記第２の極性から前記第１の
   極性へゼロクロスするゼロクロス点までの各々の区間の
   間隔を第２の間隔として順次計測する第２の間隔計測手
   段と、 前記第１の間隔計測手段による計測が開始されたゼロク
   ロス点からの間隔を逐次計測する第３の間隔計測手段
   と、 前記第２の計測手段が前記各第２の間隔の計測を開始し
   た各時点において前記第３の間隔計測手段が計測してい
   る間隔を周期情報として順次更新しながら記憶する間隔
   記憶手段と、 前記第１の間隔計測手段が計測した前記第１の間隔と前
   記第２の間隔計測手段が順次計測した前記各第２の間隔
   が、所定の許容誤差範囲内で一致したか否かを順次判定
   する判定手段と、 該判定手段が前記一致を検出した時点で前記時間記憶手
   段に記憶されている前記周期情報を前記音響信号のピッ
   チ情報として出力し、その後、前記第１の間隔計測手段
   による計測処理から順に前記各処理を繰り返させること
   により前記音響信号からピッチ情報を順次抽出する繰り
   返し制御手段と、 を含むことを特徴とする請求項１に記載のピッチ抽出装
   置。
3. 【請求項３】 前記第２のピッチ検出手段は、 所定の特性のハイパスフィルタリング処理と、前記各所
   定の周波数でピークを有するレゾナンスが付加された各
   ローパスフィルタリング処理とを前記音響信号に対して
   時分割のカスケード処理として順次実行し、 その結果得られる前記各所定の周波数に対応する各出力
   信号から各エンベロープ成分を抽出する信号処理を時分
   割で順次実行し、 その結果得られる前記各所定の周波数に対応する各エン
   ベロープ成分として前記各周波数スペクトルのレベルを
   検出する、 ことを特徴とする請求項１又は２の何れか１項に記載の
   ピッチ抽出装置。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３の何れか１項に記載のピ
   ッチ抽出装置からのピッチ情報に対応する音階の楽音を
   発生する楽音発生手段を更に有する、 ことを特徴とする電子楽器。