JPWO2007116755A1 - デジタル信号処理装置及び倍音生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小信号レベルの音楽信号であっても確実に倍音を生成することができる倍音生成装置及びデジタル信号処理装置を提供する。【解決手段】音楽信号のデジタル信号処理を行い該デジタル信号処理可能な信号レベルの最大値よりも大きい信号レベルが発生すると当該信号レベルを前記最大値に抑制するＤＳＰ内において、第１レベル補正部１１が、音楽信号の信号レベルが最大値を越えるように音楽信号の信号レベルに補正係数を乗じてレベル補正を行い、第２レベル補正部１３が、第１レベル補正部１１により補正された音楽信号の信号レベルに（１／前記補正係数）を乗じてレベル補正を行う。【選択図】図９

Description

本発明は、倍音生成装置、デジタル信号処理装置及び倍音生成方法に関するものである。

ＭＰ３やＷＭＡといった圧縮された音楽信号は、ファイルサイズを縮小するため人間の耳に聞こえにくいとする高音域をカットしている。このため圧縮すると音が劣化してしまうという問題があった。そこで、上記音楽信号から倍音を生成して失われた高音域を復活させる倍音発生器が提案されている。

従来の倍音発生器は図１に示すような入出力特性を有するコンプレッサーを用いていた。同図に示すように、コンプレッサーは入力信号が所定値Ａ以下のときは線形に出力信号を出力し、入力信号が所定値Ａを越えると所定値Ａの出力信号を出力する。従って、図２（ａ）に示すような正弦波の音楽信号をコンプレッサーに入力すると、図２（ｂ）に示すように所定値Ａを越える部分が歪んだ音楽信号がコンプレッサーから出力される。図３に図２（ｂ）に示す音楽信号の周波数と信号レベルとの関係を示す。同図から明らかなように、図２（ｂ）に示す音楽信号には、元の音楽信号の周波数ｆ_１に加えこの周波数の倍音成分２ｆ_１、３ｆ_１、４ｆ_１…が発生している。

また、コンプレッサーの代わりに音楽信号の各種デジタル信号処理を行うＤＳＰ（デジタル信号処理装置）を用いて、ＤＳＰが図１に示す非線形の入出力特性と同等の非線形関数に従って音楽信号の信号レベルを変換して倍音を生成することも提案されている（特許文献１）。
特開平５−６１７７号公報

しかしながら、上述した従来の倍音生成方法では、信号レベルが所定値Ａ以下の小信号レベルの音楽信号については倍音を生成できないという問題や、コンプレッサー等の非線形入出力装置が必要となり回路規模が大きくなるという問題があった。

また、上述した従来の倍音生成方法では、音楽信号が含む全ての周波数について倍音を生成していた。このため、例えばボーカル領域の周波数帯のみの倍音を生成してボーカル領域が特に良く聞こえるようにすることができないという問題があった。

従って、本発明の目的は、例えば、小信号レベルの音楽信号であっても確実にかつ簡単に倍音を生成することができる倍音生成装置、デジタル信号処理装置及び倍音生成方法を提供することにある。

また、本発明の目的は、例えば、所定の周波数帯のみが特に良く聞こえる音楽信号を得ることができる倍音生成装置、デジタル信号処理装置及び倍音生成方法を提供することにある。

請求項１記載の発明は、音楽信号の所定値を越える信号レベルを前記所定値に抑制して前記音楽信号に倍音成分を発生させる倍音発生手段を備えた倍音生成装置において、前記音楽信号の信号レベルが前記所定値を越えるように前記音楽信号の信号レベルに補正係数を乗じてレベル補正を行った後に前記倍音発生手段により倍音成分を発生させる第１レベル補正手段と、前記倍音成分を発生させた前記音楽信号の信号レベルに（１／前記補正係数）を乗じてレベル補正を行う第２レベル補正手段とを備えたことを特徴とする倍音生成装置に存する。

請求項５記載の発明は、音楽信号に対して倍音成分を発生させる倍音発生手段を備えた倍音生成装置において、前記音楽信号から所定周波数帯のみを抽出して該抽出した所定周波数帯の音楽信号を前記倍音発生手段に供給する第１抽出手段と、前記倍音成分を発生させた音楽信号から前記所定周波数帯を除去して倍音成分のみを抽出する第２抽出手段と、前記音楽信号に前記第２抽出手段により抽出された前記倍音成分を加算する加算手段とを備えたことを特徴とする倍音生成装置に存する。

請求項６記載の発明は、音楽信号のデジタル信号処理を行い該デジタル信号処理可能な信号レベルの最大値よりも大きい信号レベルが発生すると当該信号レベルを前記最大値に抑制するデジタル信号処理装置において、前記音楽信号の信号レベルが前記最大値を越えるように前記音楽信号の信号レベルに補正係数を乗じてレベル補正して倍音成分を発生させる第１レベル補正手段と、前記第１レベル補正手段により補正された前記音楽信号の信号レベルに（１／前記補正係数）を乗じてレベル補正を行う第２のレベル補正手段とを備えたことを特徴とするデジタル信号処理装置に存する。

請求項９記載の発明は、音楽信号のデジタル処理を行うデジタル信号処理装置において、前記音楽信号の所定値を越える信号レベルを前記所定値に抑制して前記音楽信号に倍音成分を発生させる倍音発生手段と、前記音楽信号から所定周波数帯のみを抽出して該抽出した所定周波数帯の音楽信号を前記倍音発生手段に供給する第１抽出手段と、前記倍音成分を発生させた音楽信号から前記所定周波数帯を除去して倍音成分のみを抽出する第２抽出手段と、前記音楽信号に前記第２抽出手段により抽出された前記倍音成分を加算する加算手段とを備えたことを特徴とするデジタル信号処理装置に存する。

請求項１０記載の発明は、音楽信号に倍音成分を発生させる倍音生成方法において、前記音楽信号の信号レベルが所定値を越えるように前記音楽信号の信号レベルに補正係数を乗じてレベル補正を行った後に、前記音楽信号の所定値を越える信号レベルを前記所定値に抑制して倍音成分を発生させ、前記倍音成分を発生させた前記音楽信号の信号レベルに（１／前記補正係数）を乗じてレベル補正を行うことを特徴とする倍音生成方法に存する。

請求項１１記載の発明は、音楽信号に倍音成分を発生させる倍音生成方法において、前記音楽信号から所定周波数帯のみを抽出して、該抽出した所定周波数帯の音楽信号に対して倍音成分を発生させ、前記倍音成分を発生させた前記音楽信号から前記所定周波数帯を除去して前記倍音成分のみを抽出し、前記音楽信号に前記抽出した倍音成分を加算することを特徴とする倍音生成方法に存する。

従来、倍音発生器として用いられたコンプレッサーの入出力特性を示すグラフである。 （ａ）は図１に示す入出力特性を有するコンプレッサーに入力する音楽信号を示すグラフであり、（ｂ）は図１に示す入出力特性を有するコンプレッサーから出力された音楽信号を示すグラフである。 図２（ｂ）に示す音楽信号の周波数と信号レベルとの関係を示すグラフである。 本発明に係る倍音生成装置の基本構成の一例を示す構成図である。 本発明に係る倍音生成装置の基本構成の一例を示す構成図である。 本発明に係るデジタル信号処理装置の基本構成の一例を示す構成図である。 本発明に係るデジタル信号処理装置の基本構成の一例を示す構成図である。 本発明に係る倍音生成装置及びデジタル信号処理装置を組み込んだ再生装置の一実施の形態を示すブロック図である。 図８に示す再生装置を構成するＤＳＰの構成を示すブロック図である。 （ａ）は第１レベル補正部１１ａによるレベル補正が行われる前の音楽信号の信号レベルであり、（ｂ）は第１レベル補正部１１によるレベル補正が行われた後の音楽信号の信号レベルであり、（ｃ）及び（ｄ）は第２レベル補正部１３によりレベル補正された後の音楽信号の信号レベルである。 （ａ）は第１フィルタ部１４に入力される前の音楽信号の周波数特性を示し、（ｂ）は第１フィルタ部１４を通過した後の音楽信号の周波数特性を示し、（ｃ）は第１レベル補正部１１によるレベル補正が行われた後の音楽信号の周波数特性を示し、（ｄ）は第２フィルタ部１５を通過した後の音楽信号の周波数特性を示し、（ｅ）は加算部１６を通過した後の音楽信号の周波数特性を示す。

符号の説明

Ａ 所定値
Ｘ_ｍａｘ 最大値
１１ 第１レベル補正部（第１レベル補正手段）
１１ａ 第１補正係数乗算部（第１補正係数乗算手段）
１１ｂ 第２補正係数乗算部（第２補正係数乗算手段）
１１ｃ 係数補正手段（係数補正部）
１３ 第２レベル補正部（第２レベル補正手段）
１４ 第１フィルタ部（第１抽出手段）
１５ 第２フィルタ部（第２抽出手段）
１６ 加算部（加算手段）
１０３ ＤＳＰ（倍音発生手段）

以下、本発明に係る倍音生成装置及びデジタル信号処理装置の一最良の形態を、図４〜図７の図面を参照して説明する。なお、図４、図５は本発明に係る倍音生成装置の基本構成の一例を示す構成図であり、図６、図７は本発明に係るデジタル信号処理装置の基本構成の一例を示す構成図である。

図４において、倍音生成装置は、音楽信号の所定値を越える信号レベルを所定値に抑制して音楽信号に倍音成分を発生させる倍音発生手段１０３を備えた倍音生成装置において、音楽信号の信号レベルが所定値を越えるように音楽信号の信号レベルに補正係数を乗じてレベル補正を行った後に倍音発生手段１０３により倍音成分を発生させる第１レベル補正手段１１と、倍音成分を発生させた音楽信号の信号レベルに（１／補正係数）を乗じてレベル補正を行う第２レベル補正手段１３とを備えている。

これによれば、小信号レベルの音楽信号であっても第１レベル補正手段１１のレベル補正により信号レベルが所定値を越えるため、確実に倍音発生手段１０３によって音楽信号の信号レベルを抑制して倍音を発生させることができる。即ち、小信号レベルの音楽信号であっても確実に倍音を生成することができる。

また、倍音生成装置は、倍音発生手段１０３が、音楽信号のデジタル信号処理を行い該デジタル信号処理可能な信号レベルの最大値よりも大きい信号レベルが発生すると当該信号レベルを最大値に抑制するデジタル信号処理装置から構成され、そして、所定値が、最大値であってもよい。

これによれば、各種の音楽信号のデジタル信号処理を行うデジタル信号処理装置を倍音発生手段１０３として流用することができる。しかも、所定値が上記最大値であることによりデジタル信号処理装置をオーバーフローさせて倍音を生成することができるため、デジタル信号処理装置に非線形関数に従って演算処理などを行わせなくても倍音を生成することができ、少ない演算処理で倍音を生成することができる。

また、倍音生成装置は、第１レベル補正手段１１が、デジタル信号処理装置から構成されていて、音楽信号の信号レベルに第１補正係数を乗じる第１補正係数乗算手段１１ａと、第１補正係数を乗じた信号レベルにさらに予め定めた第２補正係数を乗じる第２補正係数乗算手段１１ｂと、第１補正係数を乗じた信号レベルと予め定めた目標値を第２補正係数で除した値との差が０になるように第１補正係数を補正する係数補正手段１１ｃとを有していてもよい。

これによれば、係数補正手段１１ｃが、信号レベルが目標値よりも小さい（目標値／第２補正係数）になるように第１補正係数を補正する。このため、目標値を最大値に近い値に設定しても、信号レベルに第１補正係数を乗じた時点で信号レベルが最大値を越えないようにすることができ、係数補正手段１１ｃがデジタル信号処理装置のオーバーフローの影響を受けることなく第１補正係数の補正を行うことができる。

また、倍音生成装置は、音楽信号から所定周波数帯のみを抽出して該抽出した所定周波数帯の音楽信号を第１レベル補正手段１１に供給する第１抽出手段１４と、倍音成分を発生させた音楽信号から所定周波数帯を除去して倍音成分のみを抽出する第２抽出手段１５と、音楽信号に第２レベル補正手段１３によりレベル補正された倍音成分を加算する加算手段１６とを備えていてもよい。これによれば、音楽信号を構成する周波数帯のうち所定周波数帯が特に良く聞こえる音楽信号を得ることができる。

図５において、倍音生成装置は、音楽信号の所定値を越える信号レベルを所定値に抑制して音楽信号に倍音成分を発生させる倍音発生手段１０３を備えた倍音生成装置において、音楽信号から所定周波数帯のみを抽出して該抽出した所定周波数帯の音楽信号を倍音発生手段１０３に供給する第１抽出手段１４と、倍音成分を発生させた音楽信号から所定周波数帯を除去して倍音成分のみを抽出する第２抽出手段１５と、音楽信号に第２抽出手段１５により抽出された倍音成分を加算する加算手段１６とを備えている。これによれば、音楽信号を構成する周波数帯のうち所定周波数帯が特に良く聞こえる音楽信号を得ることができる。

図６において、デジタル信号処理装置は、音楽信号のデジタル信号処理を行い該デジタル信号処理可能な信号レベルの最大値よりも大きい信号レベルが発生すると当該信号レベルを最大値に抑制するデジタル信号処理装置において、音楽信号の信号レベルが最大値を越えるように音楽信号の信号レベルに補正係数を乗じてレベル補正して倍音成分を発生させる第１レベル補正手段１１と、第１レベル補正手段１１により補正された音楽信号の信号レベルに（１／前記補正係数）を乗じてレベル補正を行う第２のレベル補正手段１３とを備えている。

これによれば、小信号レベルの音楽信号であっても第１レベル補正手段１１のレベル補正により信号レベルがデジタル信号処理装置の最大値を越えるため、確実にデジタル信号処理装置がオーバーフローして音楽信号の信号レベルを抑制して倍音を発生させることができる。即ち、小信号レベルの音楽信号であっても確実に倍音を生成することができる。しかも、デジタル信号処理装置をオーバーフローさせて倍音を生成することができるため、デジタル信号処理装置に非線形関数に従って演算処理などを行わせなくても倍音を生成することができ、少ない演算処理で倍音を生成することができる。

また、デジタル信号処理装置は、第１レベル補正手段１１が、音楽信号の信号レベルに第１補正係数を乗じる第１補正係数乗算手段１１ａと、第１補正係数を乗じた信号レベルにさらに第２補正係数を乗じる第２補正係数乗算手段１１ｂと、第１補正係数を乗じた信号レベルと予め定めた目標値を第２補正係数で除した値との差が０になるように第１補正係数を補正する係数補正手段１１ｃとを有していてもよい。

これによれば、係数補正手段１１ｃが、信号レベルが目標値よりも小さい（目標値／第２補正係数）になるように第１補正係数を補正する。このため、目標値を最大値に近い値に設定しても、信号レベルに第１補正係数を乗じた時点で信号レベルが最大値を越えないようにすることができ、係数補正手段１１ｃがデジタル信号処理装置のオーバーフローの影響を受けることなく第１補正係数の補正を行うことができる。

また、デジタル信号処理装置は、音楽信号から所定周波数帯のみを抽出して該抽出した所定周波数帯の音楽信号を第１レベル補正手段に供給する第１抽出手段１４と、前記倍音成分を発生させた音楽信号から所定周波数帯を除去して倍音成分のみを抽出する第２抽出手段１５と、音楽信号に第２レベル補正手段によりレベル補正された倍音成分を加算する加算手段１６とを備えていてもよい。これによれば、音楽信号を構成する周波数帯のうち所定周波数帯が特に良く聞こえる音楽信号を得ることができる。

図７において、デジタル信号処理装置は、音楽信号のデジタル処理を行うデジタル信号処理装置において、音楽信号に対して倍音成分を発生させる倍音発生手段１０３と、音楽信号から所定周波数帯のみを抽出して該抽出した所定周波数帯の音楽信号を倍音発生手段１０３に供給する第１抽出手段１４と、倍音成分を発生させた音楽信号から所定周波数帯を除去して倍音成分のみを抽出する第２抽出手段１５と、音楽信号に前記第２抽出手段１５により抽出された倍音成分を加算する加算手段１６とを備えている。これによれば、音楽信号を構成する周波数帯のうち所定周波数帯が特に良く聞こえる音楽信号を得ることができる。

また、本発明の一実施の形態に係る倍音生成方法は、音楽信号に倍音成分を発生させる倍音生成方法において、音楽信号の信号レベルが所定値を越えるように音楽信号の信号レベルに補正係数を乗じてレベル補正を行った後に、音楽信号の所定値を越える信号レベルを所定値に抑制して倍音成分を発生させ、倍音成分を発生させた音楽信号の信号レベルに（１／補正係数）を乗じてレベル補正を行う。

これによれば、小信号レベルの音楽信号であってもレベル補正により信号レベルが所定値を越えるため、確実に音楽信号の信号レベルを抑制して倍音を発生させることができる。即ち、小信号レベルの音楽信号であっても確実に倍音を生成することができる。

また、本発明の一実施の形態に係る倍音生成方法は、音楽信号に倍音成分を発生させる倍音生成方法において、音楽信号から所定周波数帯のみを抽出して、該抽出した所定周波数帯の音楽信号に対して倍音成分を発生させ、倍音成分を発生させた音楽信号から所定周波数帯を除去して倍音成分のみを抽出し、音楽信号に抽出した倍音成分を加算する。これによれば、音楽信号を構成する周波数帯のうち所定周波数帯が特に良く聞こえる音楽信号を得ることができる。

次に、上述した倍音生成装置及びデジタル信号処理装置を音楽再生装置に組み込む場合の実施例を以下説明する。なお、図８は倍音生成装置及びデジタル信号処理装置を組み込んだ音楽再生装置の構成の一例を示す構成図である。

この音楽再生装置は、例えばＤＶＤ（Digital Versatile Disc）やＣＤ（Compact Disc）、ハードディスク（Hard Disk）などの記録媒体に記録されているデジタルの音楽信号をスピーカによって再生可能な信号に処理する。この音楽再生装置１００には、処理した音楽情報を再生する出力部２００が接続されている。

出力部２００は、音楽再生装置１００から出力される音楽信号を再生出力する。この出力部２００は、デジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器２１０と、アンプ２２０と、スピーカ２３０とを備えている。Ｄ／Ａ変換器２１０は、音楽再生装置１００に接続され、音楽再生装置１００から出力されるデジタルの音楽信号をアナログに変換する。そして、Ｄ／Ａ変換器２１０は、アナログに変換した音楽信号をアンプ２２０へ出力する。

アンプ２２０は、Ｄ／Ａ変換器２１０に接続されているとともに、スピーカ２３０に接続されている。このアンプ２２０は、Ｄ／Ａ変換器２１０から出力されるアナログの音楽信号を増幅してスピーカ２３０から出力させる。

再生装置１００は、上述した記憶媒体から読み取ったデジタルの音楽信号が入力されるＤＩＲ（Digital Interface Receiver：デジタルインタフェースレシーバ）１０１と、圧縮された音楽信号を復調するデコーダ１０２と、復調された音楽信号の例えばミキシング処理やエフェクト処理などの各種信号処理を行うＤＳＰ（Digital Signal Processor：デジタル信号処理装置）１０３と、ＤＳＰ１０３を制御するＣＰＵ１０４とから構成されている。

上述したＤＳＰ１０３は、デジタル信号処理可能な信号レベルの最大値ｘ_ｍａｘ（＝所定値）よりも大きい信号レベルが発生するとオーバーフローして、その信号レベルを最大値ｘ_ｍａｘに抑制する。通常、デジタルの音楽信号の信号レベルは、ＤＳＰ１０３の最大値ｘ_ｍａｘを越えないようになっている。なお、上記信号レベルは絶対値である。

次に、上述したＤＳＰ１０３の構成について図９を参照して以下説明する。ＤＳＰ１０３は図示しないメモリに記憶されたプログラムにより、音楽信号から所定周波数帯のみを抽出する第１抽出手段としての第１フィルタ部１４と、音楽信号の信号レベルがＤＳＰ１０３の最大値ｘ_ｍａｘを越えるように音楽信号の信号レベルに補正係数２Ｗを乗じる第１レベル補正手段としての第１レベル補正部１１と、音楽信号の信号レベルに（１／補正係数２Ｗ）を乗じる第２レベル補正手段としての第２レベル補正部１３と、倍音成分を発生させた音楽信号から所定周波数帯を除去して倍音成分のみを抽出する第２抽出手段としての第２フィルタ部１５と、元の音楽信号に第２フィルタ部１５により抽出された倍音成分を加算する加算部１６とから構成されている。

上述した第１レベル補正部１１は、音楽信号の信号レベルｘに第１補正係数Ｗを乗じる第１補正係数乗算手段としての第１補正係数乗算部１１ａと、信号レベルｘに第１補正係数Ｗを乗じた値（以下ｘ・Ｗ）にさらに２（＝第２補正係数）を乗じる第２補正係数乗算手段としての第２補正係数乗算部１１ｂと、ｘ・Ｗと予め定めた目標値Ｖを２で除した値（＝以下Ｖ／２）との差が０になるように第１補正係数Ｗを補正する係数補正手段としての係数補正部１１ｃと、信号レベルｘに第１補正係数Ｗを乗じた値の絶対値（以下｜ｘ・Ｗ｜を係数補正部１１ｃに出力する絶対値部１１ｄとを備えている。なお、本実施例では、目標値Ｖは最大値よりも高い値に設定されている。

上述した係数補正部１１ｃは、上記（Ｖ／２）から上記｜ｘ・Ｗ｜を減算する減算部１１ｃ−１と、その減算値ｅ（＝（Ｖ／２）−｜ｘ・Ｗ｜）にステップサイズαを乗じた値α・ｅを第１補正係数Ｗに加算して第１補正係数Ｗを補正する補正部１１ｃ−２とを備えている。

上記補正部１１ｃ−２によって（ｎ−１）回目の補正が行われた時点での第１補正係数をＷ（ｎ）、ｎ回目の補正が行われた時点での第１補正係数をＷ（ｎ−１）としたときＷ（ｎ）とＷ（ｎ−１）とは以下の式（１）に示す関係となる。なお、ｎは任意の整数である。
Ｗ（ｎ）＝Ｗ（ｎ−１）＋αｅ
＝Ｗ（ｎ−１）＋α（Ｖ／２−｜ｘ・Ｗ｜） …（１）

上記式（１）から明らかなように、係数補正部１１ｃは、｜ｘ・Ｗ｜が（Ｖ／２）よりも大きければαｅがマイナスとなり、第１補正係数Ｗが小さくなるように補正され、｜ｘ・Ｗ｜が（Ｖ／２）よりも小さければαｅがプラスとなり、第１補正係数Ｗが大きくなるように補正される。また、｜ｘ・Ｗ｜と（Ｖ／２）との差が大きければαｅの値も大きくなり、大きいαｅが第１補正係数Ｗに加算又は減算され、｜ｘ・Ｗ｜と（Ｖ／２）との差が小さければαｅが小さくなり、小さいαｅが第１補正係数Ｗに加算又は減算される。即ち、係数補正部１１ｃは、信号レベルｘに第1補正係数Ｗを乗じた値｜ｘ・Ｗ｜がＶ／２となるように第１補正係数Ｗの補正を行う。これにより、第１補正係数乗算部１１ａによって音楽信号の信号レベルｘがＶ／２に近づくようにレベル補正され、第２補正係数乗算部１１ｂによって音楽信号の信号レベルｘがＶに近づくようにレベル補正される。

次に、上記第１及び第２レベル補正部１１、１３内での信号処理について、図１０を参照して以下説明する。図１０（ａ）は第１レベル補正部１１によるレベル補正が行われる前の音楽信号の信号レベルであり、（ｂ）は第１レベル補正部１１によるレベル補正が行われた後の音楽信号の信号レベルであり、（ｃ）及び（ｄ）は第２レベル補正部１３によりレベル補正された後の音楽信号の信号レベルである。なお、図１０（ａ）〜（ｃ）については説明を簡単にするために信号レベルを絶対値で表している。

今、ＤＳＰ１０３内に図１０（ａ）に示すような正弦波の音楽信号が入力されたとする。第１レベル補正部１１は、上述したように図１０（ａ）に示す音楽信号の信号レベルｘが目標値Ｖに近づくように信号レベルｘに補正係数２Ｗを乗じて信号レベルｘを補正する。この結果、図１０（ｂ）の点線で示すように音楽信号の信号レベルが目標値Ｖに対してオーバーシュート、アンダーシュートを繰り返すような補正係数２Ｗが信号レベルｘに乗算される。目標値Ｖは最大値ｘ_ｍａｘよりも大きな値に設定されている。従って、第１レベル補正部１１により音楽信号の信号レベルのうち閾値Ｋ（図１０（ａ）、（ｂ）参照）を越える部分が最大値ｘ_ｍａｘを越えるような補正係数２Ｗが乗算される。

信号レベルが最大値ｘ_ｍａｘを越えると、ＤＳＰ１０３がオーバーフローして最大値ｘ_ｍａｘを越える信号レベルを最大値ｘ_ｍａｘに抑制する。従って、第１レベル補正部１１により、図１０（ｂ）に示すように最大値ｘ_ｍａｘを越えた部分が歪み、倍音成分が発生した音楽信号が得られる。その後、第２レベル補正部１３が、図１０（ｂ）に示す音楽信号の信号レベルに（１／補正係数２Ｗ）を乗じて信号レベルが第１レベル補正部１１による補正が行われる前のレベルに戻す。これにより、図１０（ｃ）及び（ｄ）に示すように閾値Ｋ以上の信号レベルが歪み、倍音成分が発生した音楽信号が得られる。以上のことから明らかなようにＤＳＰ１０３が倍音発生手段に相当する。

上記閾値Ｋは目標値Ｖと最大値ｘ_ｍａｘとの関係で定まる値である。つまり、目標値Ｖが大きくなるほど閾値Ｋが小さくなり、ＤＳＰ１０３のオーバーフローする割合が大きくなる。なお本実施例では目標値Ｖとしては最大値ｘ_ｍａｘよりも大きく設定していたが、第１レベル補正部１１のレベル補正により信号レベルが目標値Ｖをオーバーシュートして、最大値ｘ_ｍａｘを越えるようであれば最大値ｘ_ｍａｘよりも小さい値に設定してもよい。即ち、目標値Ｖは音楽信号の信号レベルが最大値ｘ_ｍａｘを越えるような値に設定されていればよい。

上述した構成の音楽再生装置１００全体の動作について、図１１を参照して以下説明する。図１１（ａ）は第１フィルタ部１４に入力される前の音楽信号の周波数特性を示し、（ｂ）は第１フィルタ部１４を通過した後の音楽信号の周波数特性を示し、（ｃ）は第１レベル補正部１１ａによるレベル補正が行われた後の音楽信号の周波数特性を示し、（ｄ）は第２フィルタ部１５を通過した後の音楽信号の周波数特性を示し、（ｅ）は加算部１６を通過した後の音楽信号の周波数特性を示す。

まず、記録媒体などから読み取ったデジタルの音楽信号がＤＩＲ１０１を介してデコーダ１０２に入力される。デコーダ１０２は、ＭＰ３やＷＭＡといった圧縮形式で圧縮された音楽信号を復調して、ＤＳＰ１０３に対して供給する。図１１（ａ）に示すような周波数特性を有する音楽信号がＤＳＰ１０３内の第１フィルタ部１４に入力されると、第１フィルタ部１４は音楽信号から所定周波数帯のみを抽出して図１１（ｂ）に示すような所定周波数帯のみから成る音楽信号にする。なお、第１フィルタ部１４が抽出する所定周波数はたとえば複数の周波数帯（ボーカル領域、低音領域、高音領域など）からユーザが選択操作できるようになっており、ＣＰＵ１０４はユーザが選択した周波数帯を抽出するようにＤＳＰ１０３を制御する。

その後、第１レベル補正部１１、第２レベル補正部１３により音楽信号には、図１１（ｃ）に示すような倍音成分が発生する。次に、第２フィルタ部１５が図１１（ｄ）に示すように所定周波数帯を除去して倍音成分のみを抽出する。次に、加算部１６が、図１１（ｅ）に示すように元の音楽信号と第２フィルタ部１５により抽出された倍音成分とを加算する。図１１（ｅ）に示すように元の周波数成分に斜線で示す高周波の倍音成分を付加することができる。倍音成分が付加された音楽信号はその後各種信号処理を施された後、Ｄ／Ａ変換器２１０に出力される。

Ｄ／Ａ変換器２１０は、倍音成分が付加されたデジタルの音楽信号をアナログに変換した後、アンプ２２０を介してスピーカ２３０に出力する。そして、スピーカ２３０によって倍音成分が付加された音楽信号が再生される。

上述した音楽再生装置１００のＤＳＰ１０３によれば、小信号レベルの音楽信号であっても第１レベル補正部１１のレベル補正により信号レベルが最大値ｘ_ｍａｘを越えるため、確実にＤＳＰ１０３のオーバーフローが発生して音楽信号の信号レベルを抑制して倍音を発生させることができる。即ち、小信号レベルの音楽信号であっても確実に倍音を生成することができる。これによれば、小信号レベルの音楽信号であっても第１レベル補正部１１のレベル補正により信号レベルがＤＳＰ１０３の最大値を越えるため、確実にＤＳＰ１０３がオーバーフローして音楽信号の信号レベルを抑制して倍音を発生させることができる。即ち、小信号レベルの音楽信号であっても確実に倍音を生成することができる。しかも、ＤＳＰ１０３をオーバーフローさせて倍音を生成することができるため、ＤＳＰ１０３に非線形関数に従って演算処理などを行わせなくても倍音を生成することができ、少ない演算処理で倍音を生成することができる。

また、上述したＤＳＰ１０３によれば、第１レベル補正部１１が信号レベルに乗じる補正係数２Ｗを第１補正係数乗算部１１ａと第２補正係数乗算部１１ｂとによって２回に分けて乗算している。そして、係数補正部１１ｃが、信号レベルｘに第１補正係数Ｗを乗じた値ｘ・Ｗが目標値Ｖよりも小さい（Ｖ／２）になるように第１補正係数Ｗを補正している。たとえば、係数補正部１１ｃによってｘ・Ｖが目標値Ｖになるように第１補正係数Ｗを補正した場合、信号レベルに第１補正係数Ｗを乗じた時点で信号レベルが最大値ｘ_ｍａｘを越えてしまい、係数補正部１１ｃは最大値と目標値Ｖとの差が０になるように補正係数の補正を行ってしまい、ｘ・Ｖと目標値Ｖとの差が０になるような補正係数の補正を行うことができない。しかし本実施例では、目標値Ｖを最大値ｘ_ｍａｘに近い値に設定しても、信号レベルに第１補正係数Ｗを乗じた時点で信号レベルが最大値ｘ_ｍａｘを越えないようにすることができ、係数補正部１１ｃがＤＳＰ１０３のオーバーフローの影響を受けることなく第１補正係数Ｗの補正を行うことができる。

また、上述したＤＳＰ１０３によれば、第１フィルタ部１４によって音楽信号から所定周波数帯のみを抽出している。そして、該抽出した所定周波数帯の音楽信号に倍音成分を発生させた後、第２フィルタ部１５によって所定周波数帯を除去して倍音成分のみを抽出して、最後に加算部１６によって元の音楽信号に倍音成分を加算している。これによれば、音楽信号を構成する周波数帯のうち所定周波数帯が特に良く聞こえる音楽信号を得ることができる。たとえば、所定周波数帯をボーカル領域となるように設定すると、ボーカルがより響く音楽信号となり、所定周波数帯を低音領域となるように設定すると、低音がより響く音楽信号となる。

なお、上述した実施例によれば、ＤＳＰ１０３をオーバーフローさせて倍音を生成しているが、本発明はこれに限ったものではない。たとえば、ＤＳＰ１０３に図１に示すような入出力特性と同等の非線形関数の演算を行わせるプログラムを組み込んで倍音を生成できるようにしてもよい。この場合、図１中の所定値Ａを上記最大値ｘ_ｍａｘよりも小さい値に設定して、第１レベル補正部１１に音楽信号の信号レベルが所定値Ａを越えるように音楽信号の信号レベルに補正係数を乗じてレベル補正を行わせれば、上記ＤＳＰ１０３の非線形演算により倍音を生成することができる。

また、所定値Ａを上記最大値ｘ_ｍａｘよりも小さい値に設定すれば、第１レベル補正部１１としては、信号レベルに補正係数を乗じる補正係数乗算部と、信号レベルに補正係数を乗じた値と目標値Ｖとが０になるように補正係数を補正する係数補正部とから構成してもよい。

また、図１に示すような入出力特性を有するアナログのコンプレッサーを倍音発生手段としてもよい。この場合も、図１中の所定値Ａを上記最大値ｘ_ｍａｘよりも小さい値に設定して、ＤＳＰ１０３の第１レベル補正部１１に音楽信号の信号レベルが所定値Ａを越えるように音楽信号の信号レベルに補正係数を乗じてレベル補正を行わせる。そして、第１レベル補正部１１によりレベル補正を行った音楽信号をＤ／Ａ変換して、アナログの音楽信号に変換した後に、上記アナログのコンプレッサーに供給すれば倍音を生成することができる。

また、上述した実施例によれば、第２補正係数乗算部１１ｂでは第２補正係数として２を乗じていたが、本発明はこれに限ったものではない。第２補正係数としては、目標値Ｖ／第２補正係数が上記最大値ｘ_ｍａｘよりも小さい値になればどんな値でもよい。

また、上述した実施例によれば、ＤＳＰ１０３内の第１レベル補正部１１において、第１補正係数乗算部１１ａが音楽信号の信号レベルに第１補正係数Ｗを乗じて、第２補正係数乗算部１１ｂが第１補正係数Ｗを乗じた信号レベルにさらに２を乗じて、係数補正部１１ｃが第１補正係数Ｗを乗じた信号レベルｘと予め定めた目標値Ｖを２で除した値との差が０になるように第１補正係数Ｗを補正していたが、本発明ではこれに限ったものではない。たとえば、補正係数を補正することなく、図１０に示す閾値Ｋの信号レベルが確実に最大値ｘ_ｍａｘを越えるような大きい補正係数を乗じて、音楽信号の信号レベルが最大値ｘ_ｍａｘを越えるようにレベル補正を行ってもよい。

また、上述した実施例によれば、第１及び第２レベル補正部１１、１３をＤＳＰ１０３で構成していたが、本発明はこれに限ったものではなく、同等の働きをするアナログ回路で構成してもよい。

また、上述した実施例によれば、第１レベル補正手段としては、信号レベルｘを目標値（Ｖ／２）に近づける評価値として、誤差ｅそのものを用いていたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、評価値として二乗誤差ｅ^２を用いてこの二乗誤差ｅ^２が０になるように補正係数Ｗを補正してもよい。即ち、第１レベル補正手段としては、本発明の目的に反しない限りどんなアルゴリズムであってもよい。

また、上述した実施例によれば、第１及び第２レベル補正部１１、１３を設けていたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、倍音発生手段として音楽信号のピーク値を保持して倍音成分を発生させるピークホールド回路を用いる場合は、第１及び第２レベル補正部１１、１３を設ける必要がない。この場合、倍音生成装置は、音楽信号から所定周波数帯のみを抽出して該抽出した所定周波数帯の音楽信号を倍音発生手段としての例えばピークホールド回路に供給する第１フィルタ部１４と、倍音成分を発生させた音楽信号から所定周波数帯を除去して倍音成分のみを抽出する第２フィルタ部１５と、音楽信号に第２フィルタ部１５により抽出された倍音成分を加算する加算部１６とを有していれば良い。

また、前述した実施例は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

【０００１】
技術分野
［０００１］
本発明は、デジタル信号処理装置及び倍音生成方法に関するものである。
背景技術
［０００２］
ＭＰ３やＷＭＡといった圧縮された音楽信号は、ファイルサイズを縮小するため人間の耳に聞こえにくいとする高音域をカットしている。このため圧縮すると音が劣化してしまうという問題があった。そこで、上記音楽信号から倍音を生成して失われた高音域を復活させる倍音発生器が提案されている。
［０００３］
従来の倍音発生器は図１に示すような入出力特性を有するコンプレッサーを用いていた。同図に示すように、コンプレッサーは入力信号が所定値Ａ以下のときは線形に出力信号を出力し、入力信号が所定値Ａを越えると所定値Ａの出力信号を出力する。従って、図２（ａ）に示すような正弦波の音楽信号をコンプレッサーに入力すると、図２（ｂ）に示すように所定値Ａを越える部分が歪んだ音楽信号がコンプレッサーから出力される。図３に図２（ｂ）に示す音楽信号の周波数と信号レベルとの関係を示す。同図から明らかなように、図２（ｂ）に示す音楽信号には、元の音楽信号の周波数ｆ１に加えこの周波数の倍音成分２ｆ１、３ｆ１、４ｆ１…が発生している。
［０００４］
また、コンプレッサーの代わりに音楽信号の各種デジタル信号処理を行うＤＳＰ（デジタル信号処理装置）を用いて、ＤＳＰが図１に示す非線形の入出力特性と同等の非線形関数に従って音楽信号の信号レベルを変換して倍音を生成することも提案されている（特許文献１）。
特許文献１：特開平５−６１７７号公報
発明の開示
発明が解決しようとする課題
［０００５］
しかしながら、上述した従来の倍音生成方法では、信号レベルが所定値Ａ以下の小信号レベルの音楽信号については倍音を生成できないという問題や、コンプレッ

【０００２】
サー等の非線形入出力装置が必要となり回路規模が大きくなるという問題があった。
［０００６］
また、上述した従来の倍音生成方法では、音楽信号が含む全ての周波数について倍音を生成していた。このため、例えばボーカル領域の周波数帯のみの倍音を生成してボーカル領域が特に良く聞こえるようにすることができないという問題があった。
［０００７］
従って、本発明の目的は、例えば、小信号レベルの音楽信号であっても確実にかつ簡単に倍音を生成することができるデジタル信号処理装置及び倍音生成方法を提供することにある。
［０００８］
また、本発明の目的は、例えば、所定の周波数帯のみが特に良く聞こえる音楽信号を得ることができるデジタル信号処理装置及び倍音生成方法を提供することにある。
課題を解決するための手段
［０００９］
［００１０］
［００１１］
請求項１記載の発明は、音楽信号のデジタル信号処理を行い該デジタル信号処理可能な信号レベルの最大値よりも大きい信号レベルが発生すると当該信号レベルを前記最大値に抑制するデジタル信号処理装置において、前記音楽信号の

【０００３】
信号レベルが前記最大値を越えるように前記音楽信号の信号レベルに補正係数を乗じてレベル補正して倍音成分を発生させる第１レベル補正手段と、前記第１レベル補正手段により補正された前記音楽信号の信号レベルに（１／前記補正係数）を乗じてレベル補正を行う第２のレベル補正手段と、を備え、前記第１レベル補正手段が、前記音楽信号の信号レベルに第１補正係数を乗じる第１補正係数乗算手段と、前記第１補正係数を乗じた信号レベルにさらに第２補正係数を乗じる第２補正係数乗算手段と、前記第１補正係数を乗じた信号レベルと予め定めた目標値を前記第２補正係数で除した値との差が０になるように前記第１補正係数を補正する係数補正手段と、を有することを特徴とするデジタル信号処理装置。
［００１２］
請求項３記載の発明は、音楽信号のデジタル信号処理を行い該デジタル信号処理可能な信号レベルの最大値よりも大きい信号レベルが発生すると当該信号レベルを前記最大値に抑制するデジタル信号処理装置を用いて前記音楽信号に倍音成分を発生させる倍音生成方法であって、前記デジタル信号処理装置に、前記音楽信号の信号レルが前記最大値を越えるように前記音楽信号の信号レベルに補正係数を乗じてレベル補正して倍音成分を発生させる第１工程と、前記補正された前記音楽信号の信号レベルに（１／前記補正係数）を乗じてレベル補正させる第２工程と、を行わせ、前記第１工程において、前記デジタル信号処理装置に、前記音楽信号の信号レベルに第１補正係数を乗じさせ、前記第１補正係数を乗じた信号レベルにさらに第２補正係数を乗じさせ、前記第１補正係数を乗じた信号レベルと予め定めた目標値を前記第２補正係数で除した値との差が０になるように前記第１補正係数を補正させることを特徴とする倍音生成方法。
［００１３］
［００１４］
図面の簡単な説明
［００１５］
［図１］従来、倍音発生器として用いられたコンプレッサーの入出力特性を示すグラフである。
［図２］（ａ）は図１に示す入出力特性を有するコンプレッサーに入力する音楽信号を示

Claims (11)

1. 音楽信号の所定値を越える信号レベルを前記所定値に抑制して前記音楽信号に倍音成分を発生させる倍音発生手段を備えた倍音生成装置において、
   前記音楽信号の信号レベルが前記所定値を越えるように前記音楽信号の信号レベルに補正係数を乗じてレベル補正を行った後に前記倍音発生手段により倍音成分を発生させる第１レベル補正手段と、
   前記倍音成分を発生させた前記音楽信号の信号レベルに（１／前記補正係数）を乗じてレベル補正を行う第２レベル補正手段とを備えたことを特徴とする倍音生成装置。
2. 前記倍音発生手段が、前記音楽信号のデジタル信号処理を行い該デジタル信号処理可能な信号レベルの最大値よりも大きい信号レベルが発生すると当該信号レベルを前記最大値に抑制するデジタル信号処理装置から構成され、そして、
   前記所定値が、前記最大値であることを特徴とする請求項１記載の倍音生成装置。
3. 前記第１レベル補正手段が、前記デジタル信号処理装置から構成されていて、
   前記音楽信号の信号レベルに第１補正係数を乗じる第１補正係数乗算手段と、
   前記第１補正係数を乗じた信号レベルにさらに予め定めた第２補正係数を乗じる第２補正係数乗算手段と、
   前記第１補正係数を乗じた信号レベルと予め定めた目標値を前記第２補正係数で除した値との差が０になるように前記第１補正係数を補正する係数補正手段とを有することを特徴とする請求項２記載の倍音生成装置。
4. 前記音楽信号から所定周波数帯のみを抽出して該抽出した所定周波数帯の音楽信号を前記第１レベル補正手段に供給する第１抽出手段と、
   前記倍音成分を発生させた音楽信号から前記所定周波数帯を除去して倍音成分のみを抽出する第２抽出手段と、
   前記音楽信号に前記第２レベル補正手段によりレベル補正された前記倍音成分を加算する加算手段とを備えたことを特徴とする請求項３項記載の倍音生成装置。
5. 音楽信号に対して倍音成分を発生させる倍音発生手段を備えた倍音生成装置において、
   前記音楽信号から所定周波数帯のみを抽出して該抽出した所定周波数帯の音楽信号を前記倍音発生手段に供給する第１抽出手段と、
   前記倍音成分を発生させた音楽信号から前記所定周波数帯を除去して倍音成分のみを抽出する第２抽出手段と、
   前記音楽信号に前記第２抽出手段により抽出された前記倍音成分を加算する加算手段とを備えたことを特徴とする倍音生成装置。
6. 音楽信号のデジタル信号処理を行い該デジタル信号処理可能な信号レベルの最大値よりも大きい信号レベルが発生すると当該信号レベルを前記最大値に抑制するデジタル信号処理装置において、
   前記音楽信号の信号レベルが前記最大値を越えるように前記音楽信号の信号レベルに補正係数を乗じてレベル補正して倍音成分を発生させる第１レベル補正手段と、
   前記第１レベル補正手段により補正された前記音楽信号の信号レベルに（１／前記補正係数）を乗じてレベル補正を行う第２のレベル補正手段とを備えたことを特徴とするデジタル信号処理装置。
7. 前記第１レベル補正手段が、前記音楽信号の信号レベルに第１補正係数を乗じる第１補正係数乗算手段と、
   前記第１補正係数を乗じた信号レベルにさらに第２補正係数を乗じる第２補正係数乗算手段と、
   前記第１補正係数を乗じた信号レベルと予め定めた目標値を前記第２補正係数で除した値との差が０になるように前記第１補正係数を補正する係数補正手段とを有することを特徴とする請求項６記載のデジタル信号処理装置。
8. 前記音楽信号から所定周波数帯のみを抽出して該抽出した所定周波数帯の音楽信号を前記第１レベル補正手段に供給する第１抽出手段と、
   前記倍音成分を発生させた音楽信号から前記所定周波数帯を除去して倍音成分のみを抽出する第２抽出手段と、
   前記音楽信号に前記第２レベル補正手段によりレベル補正された前記倍音成分を加算する加算手段とを備えたことを特徴とする請求項６又は７項記載のデジタル信号処理装置。
9. 音楽信号のデジタル処理を行うデジタル信号処理装置において、
   前記音楽信号の所定値を越える信号レベルを前記所定値に抑制して前記音楽信号に倍音成分を発生させる倍音発生手段と、
   前記音楽信号から所定周波数帯のみを抽出して該抽出した所定周波数帯の音楽信号を前記倍音発生手段に供給する第１抽出手段と、
   前記倍音成分を発生させた音楽信号から前記所定周波数帯を除去して倍音成分のみを抽出する第２抽出手段と、
   前記音楽信号に前記第２抽出手段により抽出された前記倍音成分を加算する加算手段とを備えたことを特徴とするデジタル信号処理装置。
10. 音楽信号に倍音成分を発生させる倍音生成方法において、
    前記音楽信号の信号レベルが所定値を越えるように前記音楽信号の信号レベルに補正係数を乗じてレベル補正を行った後に、
    前記音楽信号の所定値を越える信号レベルを前記所定値に抑制して倍音成分を発生させ、
    前記倍音成分を発生させた前記音楽信号の信号レベルに（１／前記補正係数）を乗じてレベル補正を行うことを特徴とする倍音生成方法。
11. 音楽信号に倍音成分を発生させる倍音生成方法において、
    前記音楽信号から所定周波数帯のみを抽出して、
    該抽出した所定周波数帯の音楽信号に対して倍音成分を発生させ、
    前記倍音成分を発生させた前記音楽信号から前記所定周波数帯を除去して前記倍音成分のみを抽出し、
    前記音楽信号に前記抽出した倍音成分を加算することを特徴とする倍音生成方法。

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