(57)【要約】【課題】音声信号はアナログ的に発生することが多く、その特徴としてダイナミックレンジが大きく、小レベルのオーディオ信号をデジタル処理する時、量子化ビット不足による歪みが発生する事がある。【解決手段】ｎビットの音声信号に対して変曲点から周波数（Ｆ）と振幅（Ａ）を推定し（２）、音声信号の特定の周波数（Ｆｄ）のスペクトルの強度（Ｒ）を算出する（６）。特定の周波数（Ｆｄ）のスペクトルの強度（Ｒ）が大きい場合には入力をそのまま出力するフィルタ係数を生成し、小さい場合には推定された音声信号の周波数（Ｆ）の高調波成分を除去する低域通過フィルタのフィルタ係数Ｃを生成する（３）。フィルタ部（５）は、ｎビットの音声信号をαビット分ビットシフトしたｎ＋αビットの音声信号を、生成されたフィルタ係数（Ｃ）を用いて、フィルタ処理する。スペクトル強度（Ｒ）が大きいときは、ｎ＋αビットの音声信号が、そのまま出力される。【選択図】図１
2010114553.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎビット（ｎは正の整数）の音声信号をαビット分（αは正の整数）ビットシフトしてｎ＋αビットの音声信号を生成する原データビットシフト部と、
前記ｎビットの音声信号の変曲点を検出し、該変曲点から該音声信号の周波数と振幅を推定する周波数振幅推定部と、
前記音声信号の予め定められた特定の周波数のスペクトルの強度が所定の閾値よりも大きいか否かを判定する特定周波数検出部と、
前記特定周波数検出部により前記特定周波数のスペクトルの強度が前記所定の閾値以下と判定されたときは、前記原データビットシフト部から出力された音声信号に対し、前記周波数振幅推定部で推定された前記周波数及び振幅に基づいて生成された低域通過フィルタ係数を用いてエッジ保存型平滑化処理を行なうことにより得られた音声信号を出力し、
前記特定周波数検出部により前記特定周波数のスペクトルの強度が前記閾値よりも大きいと判定されたときは、前記原データビットシフト部から出力された音声信号をそのまま出力する
選択的フィルタ処理部と
を備えた音声信号処理装置。
【請求項２】
前記選択的フィルタ処理部は、
前記特定周波数検出部により前記特定周波数のスペクトルの強度が、前記所定の閾値よりも大きいか否かを示す判定結果信号と、前記周波数振幅推定部により推定された周波数及び振幅を示す信号とに基づいて、フィルタ係数を生成するフィルタ係数生成部と、
前記原データビットシフト部から出力された音声信号に対してフィルタ処理を行い、フィルタ処理後の音声信号を出力するフィルタ部とを有し、
前記フィルタ係数生成部は、
前記判定結果信号が、前記特定周波数のスペクトルの強度が前記所定の閾値以下であると判定されたことを示すときは、前記原データビットシフト部から出力された音声信号に対してエッジ保存型平滑化処理を行なわせるための低域通過フィルタ係数を生成し、
前記判定結果信号が、前記特定周波数のスペクトルの強度が前記所定の閾値よりも大きいと判定されたことを示すときは、前記フィルタ部に、前記原データビットシフト部から出力された音声信号をそのまま出力させるためのフィルタ係数を生成し、
前記フィルタ部は、前記フィルタ係数生成部で生成されたフィルタ係数を用いて、前記原データビットシフト部から出力された音声信号に対してフィルタ処理を行なう
ことを特徴とする請求項１に記載の音声信号処理装置。
【請求項３】
前記フィルタ係数生成部は、
前記特定周波数のスペクトルの強度が前記閾値以下の場合には、
前記推定された振幅が大きいほど前記低域通過フィルタ係数の次数を小さくする
ことを特徴とする請求項２に記載の音声信号処理装置。
【請求項４】
前記フィルタ係数生成部は、
前記低域通過フィルタ係数の候補として、
カットオフ周波数と次数が異なる複数の低域通過フィルタ係数を格納するフィルタ係数テーブルを備える
ことを特徴とする請求項３に記載の音声信号処理装置。
【請求項５】
前記フィルタ部が、前記低域通過フィルタ係数を与えられたときにεフィルタとして動作するものであることを特徴とする請求項２に記載の音声信号処理装置。
【請求項６】
前記選択的フィルタ処理部は、
前記周波数振幅推定部により推定された周波数及び振幅を示す信号に基づいて、低域通過フィルタ係数を生成するフィルタ係数生成部と、
前記原データビットシフト部から出力された音声信号を入力として、前記低域通過フィルタ係数を用いてエッジ保存型平滑化フィルタ処理を行い、フィルタ処理後の音声信号を出力するエッジ保存型平滑化フィルタ部と、
前記エッジ保存型平滑化フィルタ部の出力信号と前記原データビットシフト部から出力された音声信号のいずれかを選択して出力する選択部とを有し、
前記選択部は、
前記特定周波数検出部により前記特定周波数のスペクトルの強度が前記所定の閾値以下であると判定されたときは、前記エッジ保存型平滑化フィルタ部の出力信号を選択し、
前記特定周波数検出部により前記特定周波数のスペクトルの強度が前記閾値よりも大きいと判定されたときは、前記原データビットシフト部から出力された音声信号を選択する
ことを特徴とする請求項１に記載の音声信号処理装置。
【請求項７】
前記フィルタ係数生成部は、
前記推定された振幅が大きいほど前記低域通過フィルタの次数を小さくする
ことを特徴とする請求項６に記載の音声信号処理装置。
【請求項８】
前記フィルタ係数生成部は、
前記低域通過フィルタ係数の候補として、
カットオフ周波数と次数が異なる複数の低域通過フィルタ係数を格納するフィルタ係数テーブルを備える
ことを特徴とする請求項７に記載の音声信号処理装置。
【請求項９】
前記エッジ保存型平滑化フィルタ部が、εフィルタであることを特徴とする請求項６に記載の音声信号処理装置。
【請求項１０】
前記周波数振幅推定部は、
前記ｎビットの音声信号が一連の単調増加を開始する点又は終了する点及び一連の単調減少を開始する点又は終了する点を前記変曲点として検出する変曲点検出部と、
検出した変曲点の位置の区間長から周波数を推定する周波数推定部と、
検出した変曲点のレベル差を振幅として推定する振幅推定部と
を備えることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の音声信号処理装置。
【請求項１１】
前記変曲点検出部は、
前記ｎビットの音声信号の一次微分データを算出する一次微分算出部と、
前記一次微分データの符号が正に変化した点及び負に変化した点を、前記変曲点として検出する符号変化点検出部とを備える
ことを特徴とする請求項１０に記載の音声信号処理装置。
【請求項１２】
前記符号変化点検出部は、前記一次微分データが、符号が負である状態又は値がゼロである状態から符号が正である状態に変わった点、及び符号が正である状態又は値がゼロである状態から符号が負である状態に変わった点を、前記符号が変化した点として検出することを特徴とする請求項１１に記載の音声信号処理装置。
【請求項１３】
前記特定周波数検出部にてスペクトルの強度を算出する特定周波数は、サンプリング周波数の半分付近であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の音声信号処理装置。
【請求項１４】
前記特定周波数検出部は、
前記特定の周波数の余弦波と正弦波の基本パターンと前記入力音声信号を重畳させた結果に基づいて前記特定の周波数のスペクトルの強度を算出する
ことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の音声信号処理装置。
【請求項１５】
前記特定周波数検出部は、
前記特定の周波数の余弦波の基本パターンと、前記入力音声信号とを重畳させた結果得られる信号の値の二乗と、
前記特定の周波数の正弦波の基本パターンと、前記入力音声信号とを重畳させた結果得られる信号の値の二乗の和を前記特定の周波数のスペクトルの強度として算出する
ことを特徴とする請求項１４に記載の音声信号処理装置。
【請求項１６】
ｎビット（ｎは正の整数）の音声信号をαビット分（αは正の整数）ビットシフトしてｎ＋αビットの音声信号を生成する原データビットシフトステップと、
前記ｎビットの音声信号の変曲点を検出し、該変曲点から該音声信号の周波数と振幅を推定する周波数振幅推定ステップと、
前記音声信号の予め定められた特定の周波数のスペクトルの強度が所定の閾値よりも大きいか否かを判定する特定周波数検出ステップと、
前記特定周波数検出ステップにより前記特定周波数のスペクトルの強度が前記所定の閾値以下と判定されたときは、前記原データビットシフトステップでビットシフトされた音声信号に対し、前記周波数振幅推定ステップで推定された前記周波数及び振幅に基づいて生成された低域通過フィルタ係数を用いてエッジ保存型平滑化処理を行なうことにより得られた音声信号を出力し、
前記特定周波数検出ステップにより前記特定周波数のスペクトルの強度が前記閾値よりも大きいと判定されたときは、前記ｎ＋αビットの音声信号をそのまま出力する
選択的フィルタ処理ステップと
を備えた音声信号処理方法。
【請求項１７】
前記選択的フィルタ処理ステップは、
前記特定周波数検出ステップにより前記特定周波数のスペクトルの強度が、前記所定の閾値よりも大きいか否かを示す判定結果信号と、前記周波数振幅推定ステップにより推定された周波数及び振幅を示す信号とに基づいて、フィルタ係数を生成するフィルタ係数生成ステップと、
前記ｎ＋αビットの音声信号に対してフィルタ処理を行い、フィルタ処理後の音声信号を出力するフィルタステップとを有し、
前記フィルタ係数生成ステップは、
前記判定結果信号が、前記特定周波数のスペクトルの強度が前記所定の閾値以下であると判定されたことを示すときは、前記ｎ＋αビットの音声信号に対してエッジ保存型平滑化処理を行なわせるための低域通過フィルタ係数を生成し、
前記判定結果信号が、前記特定周波数のスペクトルの強度が前記所定の閾値よりも大きいと判定されたことを示すときは、前記フィルタステップに、前記ｎ＋αビットの音声信号をそのまま出力させるためのフィルタ係数を生成し、
前記フィルタステップは、前記フィルタ係数生成ステップで生成されたフィルタ係数を用いて、前記ｎ＋αビットの音声信号に対してフィルタ処理を行なう
ことを特徴とする請求項１６に記載の音声信号処理方法。
【請求項１８】
前記フィルタ係数生成ステップは、
前記特定周波数のスペクトルの強度が前記閾値以下の場合には、
前記推定された振幅が大きいほど前記低域通過フィルタ係数の次数を小さくする
ことを特徴とする請求項１７に記載の音声信号処理方法。
【請求項１９】
前記フィルタ係数生成ステップは、
前記低域通過フィルタ係数の候補として、
カットオフ周波数と次数が異なる複数の低域通過フィルタ係数を格納するフィルタ係数テーブルを備える
ことを特徴とする請求項１８に記載の音声信号処理方法。
【請求項２０】
前記フィルタステップが、前記低域通過フィルタ係数を与えられたときにεフィルタ処理を行なうことを特徴とする請求項１７に記載の音声信号処理方法。
【請求項２１】
前記選択的フィルタ処理ステップは、
前記周波数振幅推定ステップにより推定された周波数及び振幅を示す信号に基づいて、低域通過フィルタ係数を生成するフィルタ係数生成ステップと、
前記ｎ＋αビットの音声信号を入力として、前記低域通過フィルタ係数を用いてエッジ保存型平滑化フィルタ処理を行い、フィルタ処理後の音声信号を出力するエッジ保存型平滑化フィルタステップと、
前記フィルタ処理後の音声信号と前記ｎ＋αビットの音声信号のいずれかを選択して出力する選択ステップとを有し、
前記選択ステップは、
前記特定周波数検出ステップにより前記特定周波数のスペクトルの強度が前記所定の閾値以下であると判定されたときは、前記フィルタ処理後の音声信号を選択し、
前記特定周波数検出ステップにより前記特定周波数のスペクトルの強度が前記閾値よりも大きいと判定されたときは、前記ｎ＋αビットの音声信号を選択する
ことを特徴とする請求項１６に記載の音声信号処理方法。
【請求項２２】
前記フィルタ係数生成ステップは、
前記推定された振幅が大きいほど前記低域通過フィルタの次数を小さくする
ことを特徴とする請求項２１に記載の音声信号処理方法。
【請求項２３】
前記フィルタ係数生成ステップは、
前記低域通過フィルタ係数の候補として、
カットオフ周波数と次数が異なる複数の低域通過フィルタ係数を格納するフィルタ係数テーブルを備える
ことを特徴とする請求項２２に記載の音声信号処理方法。
【請求項２４】
前記エッジ保存型平滑化フィルタステップが、εフィルタ処理を行なうことを特徴とする請求項２１に記載の音声信号処理方法。
【請求項２５】
前記周波数振幅推定ステップは、
前記ｎビットの音声信号が一連の単調増加を開始する点又は終了する点及び一連の単調減少を開始する点又は終了する点を前記変曲点として検出する変曲点検出ステップと、
検出した変曲点の位置の区間長から周波数を推定する周波数推定ステップと、
検出した変曲点のレベル差を振幅として推定する振幅推定ステップと
を備えることを特徴とする請求項１６乃至２４のいずれかに記載の音声信号処理方法。
【請求項２６】
前記変曲点検出ステップは、
前記ｎビットの音声信号の一次微分データを算出する一次微分算出ステップと、
前記一次微分データの符号が正に変化した点及び負に変化した点を、前記変曲点として検出する符号変化点検出ステップとを備える
ことを特徴とする請求項２５に記載の音声信号処理方法。
【請求項２７】
前記符号変化点検出ステップは、前記一次微分データが、符号が負である状態又は値がゼロである状態から符号が正である状態に変わった点、及び符号が正である状態又は値がゼロである状態から符号が負である状態に変わった点を、前記符号が変化した点として検出することを特徴とする請求項２６に記載の音声信号処理方法。
【請求項２８】
前記特定周波数検出ステップにてスペクトルの強度を算出する特定周波数は、サンプリング周波数の半分付近であることを特徴とする請求項１６至２７のいずれかに記載の音声信号処理方法。
【請求項２９】
前記特定周波数検出ステップは、
前記特定の周波数の余弦波と正弦波の基本パターンと前記入力音声信号を重畳させた結果に基づいて前記特定の周波数のスペクトルの強度を算出する
ことを特徴とする請求項１６乃至２８のいずれかに記載の音声信号処理方法。
【請求項３０】
前記特定周波数検出ステップは、
前記特定の周波数の余弦波の基本パターンと、前記入力音声信号とを重畳させた結果得られる信号の値の二乗と、
前記特定の周波数の正弦波の基本パターンと、前記入力音声信号とを重畳させた結果得られる信号の値の二乗の和を前記特定の周波数のスペクトルの強度として算出する
ことを特徴とする請求項２９に記載の音声信号処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音声信号処理装置及び方法に関し、特に、デジタル音声信号の量子化歪みを改善する技術に関する。より詳しく述べれば、本発明は、デジタル音声信号のビット数を拡張したデータを生成する技術に係わるものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、オーディオ機器における音声信号処理のデジタル化は一般的となっている。例えば、ＣＤなどは１６ビット量子化、サンプリング周波数４４．１ｋＨｚ（デジタル・オーディオ・テープの規格はサンプリング周波数４８ｋＨｚ）が規格として定められている。
一方、音声信号のソースはもともとアナログ的に生成されるような自然音が一般的であり、その入力レベルのダイナミックレンジは非常に広い。よって、微小レベルで変化する音声信号には量子化により波形歪みが発生する。
【０００３】
下記の特許文献１では、このような量子化のビット数不足による信号歪みに対応するために
（ａ）入力されたデジタルデータのサンプルデータ毎のデータ変化のうち、変化しない区間をはさんだＬＳＢの変化の時間長を判断基準として、異なるカットオフ周波数を有するローパスフィルタのうち少なくとも一つを選定して、信号出力を得ること、及び
（ｂ）ＬＳＢ変化の時間間隔からレベルの変化率を判別し、その判別された期間で波形変化をなめらかにするＬＳＢよりも下位のデータ列を生成後、ＬＳＢ変化点の前後にわたってＬＳＢ以下のデータを生成してビット拡張することが記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特公平７−７３１８６号公報
【非特許文献１】雛元孝夫監修、棟安実治、夫田口亮著、「非線形ディジタル信号処理」朝倉書店、１９９９年３月２０日、ｐ．７２−７４、ｐ．１０６−１０８
【０００５】
なお、上記の非特許文献１については、後に言及する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１による方法は、ＬＳＢ変化の時間長のみでカットオフ周波数を選択している。つまりＬＳＢ変化がある度にカットオフ周波数が変化する。また、ＬＳＢ変化の時間長のみで正確にカットオフ周波数を選択するは困難である。例えば一定周波数の正弦波でもＬＳＢ変化の時間長は一定ではない。そのため、長い時間範囲でみると処理の繋ぎ目がなめらかに変化せず、歪みが十分補正されない。
【０００７】
本発明は前記問題点を解決するためになされたもので、量子化前の音声信号波形により近い波形の音声を生成することができる音声信号処理装置及び方法を提供することを目的とする。本発明はまた、音声信号が特定の周波数の成分を含む場合には、該特定の周波数の成分を失うことなく、出力することを可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の音声信号処理装置は、
ｎビット（ｎは正の整数）の音声信号をαビット分（αは正の整数）ビットシフトしてｎ＋αビットの音声信号を生成する原データビットシフト部と、
前記ｎビットの音声信号の変曲点を検出し、該変曲点から該音声信号の周波数と振幅を推定する周波数振幅推定部と、
前記音声信号の予め定められた特定の周波数のスペクトルの強度が所定の閾値よりも大きいか否かを判定する特定周波数検出部と、
前記特定周波数検出部により前記特定周波数のスペクトルの強度が前記所定の閾値以下と判定されたときは、前記原データビットシフト部から出力された音声信号に対し、前記周波数振幅推定部で推定された前記周波数及び振幅に基づいて生成された低域通過フィルタ係数を用いてエッジ保存型平滑化処理を行なうことにより得られた音声信号を出力し、
前記特定周波数検出部により前記特定周波数のスペクトルの強度が前記閾値よりも大きいと判定されたときは、前記原データビットシフト部から出力された音声信号をそのまま出力する
選択的フィルタ処理部と
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ｎビットの音声信号から周波数と振幅を推定し、その周波数と振幅に基づいて決定された低域通過フィルタ係数を使って平滑化することで、量子化によって発生する高調波成分を除去し、量子化による音声信号の波形歪みを補正することができる。またエッジ保存型平滑化フィルタ処理を行なうことにより、信号振幅が急峻に大きく変化する領域を有する音声信号の再現性を損なわないようにすることができる。さらに音声信号が特定の周波数の成分を含む場合には、エッジ保存型平滑化フィルタを施さないので、当該特定の周波数の成分を失うことなく、そのまま出力することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る音声信号処理装置の構成を示す図である。実施の形態１に係る音声信号処理装置は、入力端子１、周波数振幅推定部２、特定周波数検出部６、フィルタ係数生成部３、原データビットシフト部４、及びフィルタ部５を備える。
【００１１】
図１に示される音声信号処理装置では、ｎビット（ｎは正の整数）の音声信号(入力音声信号)Ｘが入力端子１から原データビットシフト部４、周波数振幅推定部２、及び特定周波数検出部６に入力される。
【００１２】
原データビットシフト部４は、ｎビットの音声信号Ｘをαビット分（αは正の整数）ビットシフト（ビット拡張）したｎ＋αビットの音声信号（ビットシフト後音声信号）Ｘ’をフィルタ部５に出力する。
【００１３】
周波数振幅推定部２は、入力された音声信号Ｘの変曲点を検出し、相前後する変曲点の間隔から該音声信号Ｘの周波数を推定するとともに、相前後する変曲点の信号の値の差から前記音声信号の振幅を推定してフィルタ係数生成部３に周波数Ｆと振幅Ａを出力する。
【００１４】
特定周波数検出部６は、音声信号Ｘの予め定められた特定周波数Ｆｄのスペクトルの強度Ｒを算出し、該強度Ｒが所定の閾値よりも大きいか否かを示す信号(強度判定結果信号)ＤＲを、フィルタ係数生成部３に出力する。強度判定結果信号ＤＲは、強度Ｒが所定の閾値ＲＴＨよりも大きいときは第１の値、例えば「１」を取り、強度が所定の閾値ＲＴＨ以下のときは、第２の値、例えば「０」を取る。
【００１５】
フィルタ係数生成部３は、強度判定結果信号ＤＲと、周波数Ｆと振幅Ａとに基づいてフィルタ係数Ｃを生成して、フィルタ部５に出力する。
このフィルタ係数Ｃは、強度判定結果信号ＤＲが第２の値のとき（スペクトルの強度Ｒが閾値ＲＴＨ以下のとき）は、周波数Ｆと振幅Ａに基づいて生成され、フィルタ部５をエッジ保存型平滑化フィルタとして動作させるためのもの（低域通過フィルタ係数）であり、強度判定結果信号ＤＲが第１の値のとき（スペクトルの強度Ｒが閾値ＲＴＨよりも大きいとき）は、フィルタ部５に、入力された信号をそのまま出力させるためのものである。
【００１６】
フィルタ部５は、原データビットシフト部４から出力される、ｎ＋αビットの音声信号Ｘ’に対してフィルタ係数Ｃを用いてフィルタ処理し、ｎ＋αビットの音声信号Ｙを出力する。先にも述べたように、スペクトルの強度Ｒが比較的小さい場合には、エッジ保存型平滑化処理が行なわれ、スペクトルの強度Ｒが比較的大きい場合には、入力をそのまま出力する処理が行なわれる。
【００１７】
フィルタ係数生成部３とフィルタ部５とで、特定周波数のスペクトルの強度Ｒが所定の閾値以下のときは、ビットシフト後音声信号Ｘ’に対し、周波数Ｒ及び振幅Ａに基づいて生成された低域通過フィルタ係数を用いてエッジ保存型平滑化処理を行なうことにより得られた音声信号Ｙを出力し、特定周波数のスペクトルの強度Ｒが閾値よりも大きいときは、ビットシフト後音声信号Ｘ’をそのまま出力する選択的フィルタ処理部１０が構成されている。
【００１８】
図２（ａ）〜（ｃ）は、図１の音声信号処理装置で処理される音声信号の一例を示す図である。図２（ａ）は周波数ｆ１の正弦波のアナログ音声信号を示している。図２（ａ）及び図２（ｂ）で横軸は時間ｔ、図２（ａ）の縦軸は信号レベルを示している。このアナログ信号が標本化、量子化されて、図２（ｂ）のようなｎビットの周波数ｆ１の正弦波のデジタル音声信号が生成され、入力端子１に入力される。図２（ｂ）の縦軸は信号Ｘ（ｉ）のレベルを示している。図２（ｂ）に示すデジタル音声信号Ｘ（ｉ）は、相連続するサンプリング点（黒丸で表されている）毎の、デジタル信号の列であり、時間（を表す数値）ｉは、サンプリング点毎に１ずつ増加する。
図２（ｃ）の実線は図２（ｂ）の音声信号Ｘ（ｉ）の周波数スペクトル、点線は（後述の）低域通過フィルタの周波数特性を示している。図２（ｃ）の横軸は周波数ｆ、縦軸はパワー及びゲインを示している。図２（ｃ）の周波数スペクトルが示すように量子化前のアナログ信号は周波数ｆ１の正弦波であるが、量子化により得られるデジタル音声信号Ｘ（ｉ）には、２次高調波ｆ２や３次高調波ｆ３などの高調波が含まれる。
【００１９】
図１の音声信号処理装置では、例えば、図２（ｃ）の実線が示すような周波数ｆ１を周波数振幅推定部２で推定し、特定周波数検出部６で特定周波数Ｆｄの強さが所定の閾値以下であると判定された場合には、図２（ｃ）の点線のようなカットオフ周波数特性を実現するための低域通過フィルタ係数を生成する。このときカットオフ周波数ｆｃ１は、ｆ１とｆ２の間に設定される。周波数ｆ１が推定できればｆ２は自明である。生成したカットオフ周波数ｆｃ１の特性を持つフィルタ係数を用いて平滑化を行うことで、音声信号からｆ２やｆ３のような高調波を取り除くことができる。
【００２０】
以下、図１の音声信号処理装置の構成要素について順に説明する。
図３（ａ）及び（ｂ）は、原データビットシフト部４の動作を説明するための図である。横軸は時間ｉを示し、縦軸は信号レベルを示している。図３（ａ）はｎビットの音声信号Ｘ（図２（ｂ）に示された信号と同じ）を示し、図３（ｂ）はｎ＋αビットの音声信号Ｘ’を示している。原データビットシフト部４は、図３（ａ）に示すようなｎビットの音声信号をαビットだけビットシフトし、図３（ｂ）に示したようなｎ＋αビットの音声信号をフィルタ部５に出力する。
【００２１】
図４は、周波数振幅推定部２の詳細な構成を示す図である。周波数振幅推定部２は、図４に示すように、変曲点検出部７、周波数推定部８、及び振幅推定部９を備えている。
【００２２】
変曲点検出部７は、ｎビットの音声信号が一連の単調増加を開始する点又は終了する点及び一連の単調減少を開始する点又は終了する点を変曲点として検出する。ここで、「一連の単調増加」とは、途中で減少が生じることのない（同じ値が続くことはあっても良い）増加の連続を意味する。この一連の単調増加の区間内では、
Ｘ（ｉ）≦Ｘ（ｉ＋１）
の関係が連続して（すべてのサンプリング点ｉにおいて）満たされる。
同様に、「一連の単調減少」とは、途中で増加が生じることのない（同じ値が続くことはあっても良い）減少の連続を意味する。この一連の単調減少の区間内では、
Ｘ（ｉ）≧Ｘ（ｉ＋１）
の関係が連続して（全てのサンプリング点ｉにおいて）満たされる。
【００２３】
図示の変曲点検出部７は、一次微分算出部１１及び符号変化点検出部１２を備える。
一次微分算出部１１は、入力されたｎビットの音声信号Ｘ（ｉ）から一次微分データＤ（ｉ）を算出して出力する。例えば、一次微分算出部１１は、
各サンプリング点における前記ｎビットの音声信号をＸ（ｉ）で表し、
次のサンプリング点における前記ｎビットの音声信号をＸ（ｉ＋１）で表すとき、
Ｄ（ｉ）＝Ｘ（ｉ＋１）−Ｘ（ｉ）
で得られるＤ（ｉ）を、一次微分データとして出力する。
【００２４】
符号変化点検出部１２は、一次微分データＤの符号が正に変化した点及び負に変化した点を、変曲点として検出する。より具体的には、符号変化点検出部１２は、一次微分データＤが、符号が負である状態又は値がゼロである状態から符号が正である状態に変わった点（以下、「正への変化点」と言う）、及び符号が正である状態又は値がゼロである状態から符号が負である状態に変わった点（以下「負への変化点」と言う）を、上記の「符号が変化した点」として検出する。符号変化点検出部１２の出力は２値データＰＭであり、「正への変化点」から、「負への変化点」までは、第１の値（例えば「１」）を取り、「負への変化点」から、「正への変化点」までは、第２の値（例えば「０」）を取る。
符号変化点検出部１２のこのような動作は、一次微分データＤ（ｉ）から符号のみの２値データＰＭへ変換する動作（ただし、「０」の場合は前データの符号とする）と言うこともできる。
上記の一次微分算出部１１と符号変化点検出部１２とで構成される変曲点検出部７は、ｎビットの音声信号が一連の単調増加を開始する点及び一連の単調減少を開始する点を変曲点として検出し、検出された変曲点の位置で第１の値、例えば「１」となり、それ以外の位置で第２の値、例えば「０」となる信号ＳＬを生成する。
【００２５】
周波数推定部８は音声信号の変曲点と前の（直前の）変曲点の区間長を算出して周波数Ｆとして出力する。
振幅推定部９は音声信号の変曲点と前の（直前の）変曲点の音声信号のレベル差を振幅Ａとして出力する。
【００２６】
図５（ａ）〜（ｄ）は、周波数振幅推定部２の動作を説明するための図である。横軸は時間ｉを示している。
図５（ａ）はｎビットの音声信号Ｘ（ｉ）を示し、図５（ｂ）は音声信号の一次微分データＤ（ｉ）を示し、図５（ｃ）は２値データＰＭを示し、図５（ｄ）は音声信号の変曲点位置の検出結果を示す信号ＳＬを示している。
図５（ａ）に示すｎビットの音声信号が入力された場合、一次微分算出部１１は、図５（ｂ）のような一次微分データＤ（ｉ）を算出する。
符号変化点検出部１２は、一次微分データＤから図５（ｃ）のような符号のみの２値データＰＭに変換して、図５（ｄ）に示すようにその２値データＰＭが変化する位置ｉｃ＝ｉ１、ｉ２、ｉ３（その時間軸上の位置が縦方向に延びた点線で示されている）を検出し、検出位置で信号ＳＬの値を「１」にする。
よって、周波数推定部８及び振幅推定部９は、ｉ１〜ｉ２区間では周波数としてＦ＝１／（ｉ２−ｉ１）、振幅としてＡ＝｜Ｘ（ｉ２）−Ｘ（ｉ１）｜をそれぞれ求め、ｉ２〜ｉ３区間では、周波数としてＦ＝１／（ｉ３−ｉ２）、振幅としてＡ＝｜Ｘ（ｉ３）−Ｘ（ｉ２）｜をそれぞれ求める。求められた周波数Ｆ及び振幅Ａはフィルタ係数生成部３に供給される。
【００２７】
図５（ａ）〜（ｄ）を参照して説明したように、図４に示す周波数振幅推定部２で算出される音声信号の一次微分データの符号の変化する位置（「正への変化点」及び「負への変化点」）は音声信号の変曲点として扱われ、その相前後する変曲点の時間間隔の逆数が、音声信号の周波数であると推定することができる。また、変曲点は、一連の単調増加の開始点又は一連の単調減少の開始点であるので、相前後する変曲点の信号値の差が振幅であると推定することができる。
【００２８】
図４に示す周波数振幅推定部２では、音声信号に含まれる最も高い周波数の成分の半周期を推定することで周波数を算出することができ、同時に変曲点における信号値の差から振幅を算出することができる。
【００２９】
そして、このようにして推定された周波数及び振幅に基づいて決定されたフィルタ係数が、それぞれの区間（相前後する変曲点相互の区間）の信号値に対するフィルタリングに用いられる。たとえば、図５（ａ）〜（ｄ）の相前後する変曲点ｉ１、ｉ２により求められた周波数、振幅により決定されたフィルタ係数を用いて、変曲点ｉ１の次のサンプル点から、変曲点ｉ２までのデータに対するフィルタリングが行われる。
【００３０】
なお、上記の変曲点検出部７は、ｎビットの音声信号が一連の単調増加を開始する点及び一連の単調減少を開始する点を変曲点として検出するものであるが、代わりにｎビットの音声信号が一連の単調増加を終了する点及び一連の単調減少を終了する点を変曲点として検出するように変曲点検出部を構成しても良い。その場合には、一次微分算出部として、
Ｄ（ｉ）＝Ｘ（ｉ）−Ｘ（ｉ−１）
で得られるＤ（ｉ）を、一次微分データとして出力するものを用い、符号変化点検出部として、一次微分データＤの符号が負に変化した点より前で、それに最も近い正であった点、及び一次微分データＤの符号が正に変化した点より前で、それに最も近い負であった点を検出するものを用いれば良い。
【００３１】
特定周波数検出部６は、予め定められた特定周波数のみのスペクトルの強度を算出する。検出したい周波数（特定周波数）Ｆｄを設定し、その周波数の余弦波（ＣＯＳ波）及び正弦波（ＳＩＮ波）を基本パターンを生成し、該基本パターンと音声信号Ｘを重畳させた結果に基づいて特定周波数Ｆｄのスペクトルの強度Ｒを算出する。
【００３２】
具体的には、スペクトルの強度Ｒ（ｉ）は、式（１）で表される。
ここで、Ｘ（ｉ）は入力レベル、Ｆｄは特定周波数、Ｆｓはサンプリング周波数、ｋは注目点からの相対的な位置（サンプル数で表した距離及び方向で定義される）、ｍは予め設定された次数（計算に用いられるサンプル数）、Ｒ（ｉ）は時間ｉを中心としたｍサンプル区間の周波数Ｆｄのスペクトルの強度である。
【００３３】
【数１】
2010114553.tif 000003
【００３４】
図６（ａ）及び（ｂ）、図７（ａ）〜（ｄ）、並びに図８（ａ）〜（ｄ）は、特定周波数検出部６の動作を説明するための図である。検出したい周波数（特定周波数）をＦｄ＝Ｆｓ／４とした場合の特定周波数検出部６の動作を例にして説明する。図６（ａ）及び（ｂ）はスペクトルの強度算出に用いる基本パターンを示している。図６（ａ）はＦｄ＝Ｆｓ／４の時のＣＯＳ波の基本パターン（ｃｏｓ｛（２πＦｄ／Ｆｓ）ｋ｝で表される）を示し、図６（ｂ）はＦｄ＝Ｆｓ／４の時のＳＩＮ波の基本パターン（ｓｉｎ｛（２πＦｄ／Ｆｓ）ｋ｝で表される）を示している。
【００３５】
図７（ａ）〜（ｄ）は入力信号Ｘ（ｉ）に特定周波数が含まれている時の特定周波数検出部６の動作を説明するための図である。図７（ａ）〜（ｄ）で横軸は時間ｉを示す。図７（ａ）で縦軸は信号Ｘ（ｉ）のレベルを示し、図７（ｂ）〜（ｄ）で縦軸はパワーを示している。
図７（ａ）は特定周波数Ｆｄと同じ周波数の正弦波の音声信号Ｘ（ｉ）を示している。図７（ｂ）は、図７（ａ）の音声信号と図６（ａ）の基本パターンの重畳結果であるＲｃ（ｉ）を示している。図７（ｃ）は、図７（ａ）の音声信号と図６（ｂ）の基本パターンの重畳結果であるＲｓ（ｉ）を示している。図７（ｄ）は、図７（ｂ）のＲｃ（ｉ）と図７（ｃ）のＲｓ（ｉ）の二乗和（Ｒ（ｉ）＝｛Ｒｓ（ｉ）｝２＋｛Ｒｃ（ｉ）｝２）であり、特定周波数Ｆｄのスペクトルの強度Ｒ（ｉ）を示している。
【００３６】
図８（ａ）〜（ｄ）は入力信号Ｘ（ｉ）に特定周波数が含まれていない時の特定周波数検出部６の動作を説明するための図である。図８（ａ）〜（ｄ）で横軸は時間ｉを示す。図８（ａ）で縦軸は信号レベルＸ（ｉ）を示し、図８（ｂ）〜（ｄ）で縦軸はパワーを示している。
図８（ａ）は特定周波数Ｆｄと異なる周波数の一例として特定周波数Ｆｄの２分の１の周波数（Ｆｄ／２）の正弦波の音声信号を示している。図８（ｂ）は、図８（ａ）の音声信号と図６（ａ）の基本パターンの重畳結果であるＲｃ（ｉ）を示している。図８（ｃ）は、図８（ａ）の音声信号と図６（ｂ）の基本パターンの重畳結果であるＲｓ（ｉ）を示している。図８（ｄ）は、図８（ｂ）のＲｃ（ｉ）と図８（ｃ）のＲｓ（ｉ）の二乗和であり、特定周波数Ｆｄのスペクトルの強度Ｒ（ｉ）を示している。
【００３７】
図７（ｄ）と図８（ｄ）が示すように、入力信号に特定周波数Ｆｄを含む場合、スペクトルの強度Ｒ（ｉ）は大きい値になり、入力信号に特定周波数Ｆｄを含まない場合、スペクトルの強度Ｒ（ｉ）は小さい値になる。
【００３８】
図９（ａ）及び（ｂ）は、周波数ｆ１の正弦波の音声信号Ｘが入力された場合の特定周波数検出部６の動作を説明するための図である。図９（ａ）及び（ｂ）で横軸は時間ｉを示し、図９（ａ）で縦軸は信号レベルを示し、図９（ｂ）で縦軸はスペクトルの強度を示している。
ここで特定周波数ＦｄはＦｓ／２付近に設定したものとする。図９（ａ）に示すような音声信号Ｘは特定周波数Ｆｄとは異なる周波数ｆ１の正弦波なので（図示の例では、ｆ１＝２Ｆｄ／９として図示している）、スペクトルの強度Ｒは、図９（ｂ）に示すように非常に小さい値となる。
【００３９】
以上のように特定周波数検出部６は、音声信号に特定周波数が含まれれば大きい値、含まなければ小さい値となるスペクトルの強度Ｒを算出し、この強度Ｒが閾値ＲＴＨより大きいか否かを示す信号ＤＲを出力することができる。
【００４０】
フィルタ係数生成部３は、特定周波数検出部６より出力された強度判定結果信号ＤＲが第１の値を取る場合（スペクトルの強度Ｒが閾値ＲＴＨより大きいことを示す場合）には入力をそのまま出力するフィルタ係数Ｃを生成し、特定周波数検出部６より出力された強度判定結果信号ＤＲが第２の値を取る場合（スペクトルの強度Ｒが閾値ＲＴＨ以下であることを示す場合）には周波数Ｆと振幅Ａに基づいて低域通過フィルタ係数Ｃを選択してフィルタ部５に出力する。
ここで閾値ＲＴＨは音声信号に特定周波数が含まれているかいないかと判断する基準値で、予め設定される。
【００４１】
フィルタ部５に、入力をそのまま出力させるには、フィルタ係数生成部３は、フィルタ係数として、着目点のサンプル値に対する係数として「１」、他のサンプル値に対する係数として「０」をフィルタ部５に供給する。
【００４２】
低域通過フィルタ係数Ｃを生成する場合には、音声信号の周波数に基づいて低域通過フィルタのカットオフ周波数特性を決定し、周波数と振幅に基づいて低域通過フィルタの次数を決定する。
例えば図１０の実線のような周波数特性を持つ音声信号の場合、図１０の点線のようなカットオフ周波数特性を実現するための低域通過フィルタ係数を生成する。この場合、周波数ｆ１が推定できればｆ２は自明であるため、ｆ１とｆ２の間にカットオフ周波数ｆｃ１を設定する。
【００４３】
また、周波数と振幅から傾きを求めて次数を決定する。例えば、周波数が同じであれば、振幅Ａが大きいほど次数を小さくする。
【００４４】
フィルタ係数生成部３として、上記のような考慮に基づいて生成された、カットオフ周波数と次数が互いに異なる複数組の低域通過フィルタ係数を予め候補として格納するフィルタ係数テーブル（その一例が図１１に示されている）を備え、推定された周波数Ｆと振幅Ａに基づいて、該複数の候補のいずれかを選択して、低域通過フィルタ係数Ｃとして出力するものを用いても良い。図１１に示されるフィルタ係数テーブルに格納されたフィルタ係数は、カットオフ周波数と次数が互いに異なるものである。
【００４５】
以上のようにフィルタ係数生成部３は、音声信号に特定の周波数を含む場合には入力をそのまま出力するフィルタ係数を生成し、含まない場合には推定された周波数Ｆの高調波成分をカットし、推定された振幅Ａが大きいほど低域通過フィルタの次数が小さいフィルタ係数を生成する。
【００４６】
低域通過フィルタ係数が供給されると、フィルタ部５はエッジ保存型平滑化フィルタとして動作する。
ここで、エッジ保存型平滑化フィルタについて説明する。エッジ保存型平滑化フィルタとは、急峻で大きな変化が存在する部分の先鋭度を保存しながら、小さな変化のみを平滑化するフィルタであり、εフィルタ、トリムド平均値フィルタ（ＤＷ−ＭＴＭフィルタ）、バイラテラルフィルタなどがある。εフィルタ及びトリムド平均値フィルタ（ＤＷ−ＭＴＭフィルタ）は上記の非特許文献１に説明されている。以下、例としてエッジ保存型平滑化フィルタをεフィルタとして説明する。
【００４７】
εフィルタによる一次元処理は、式（２）で表される。
ここで、ｘ（ｉ）は入力レベル、ｙ（ｉ）は出力レベル、ａｋは低域通過フィルタ係数、ｋは着目点からの相対的な位置、ｍは次数、εは閾値である。
【００４８】
【数２】
2010114553.tif 000004
【００４９】
ｕの絶対値が閾値ε以下の場合ｆ（ｕ）＝ｕとなり、ｕの絶対値が閾値εより大きい場合ｆ（ｕ）＝０となる。式（２）では、ｕをｘ（ｉ−ｋ）−ｘ（ｉ）としている。
【００５０】
着目点ｉの信号レベルｘ（ｉ）と着目点ｉの周辺の位置ｉ−ｋの信号レベルｘ（ｉ−ｋ）との差分
ｘ（ｉ−ｋ）−ｘ（ｉ）
が小さい場合、
ｆ（ｕ）＝ｆ｛ｘ（ｉ−ｋ）−ｘ（ｉ）｝
はほぼ線形であり、係数ａｋの総和を１と仮定すると、式（２）は式（３）と書き換えられ、これは重み付平均値フィルタと等しくなる。
【００５１】
【数３】
2010114553.tif 000005
【００５２】
一方、着目点ｉの信号レベルｘ（ｉ）と着目点ｉの周辺の位置ｉ−ｋの信号レベルｘ（ｉ−ｋ）との差分
ｘ（ｉ−ｋ）−ｘ（ｉ）
が大きい場合、
ｆ（ｕ）＝ｆ｛ｘ（ｉ−ｋ）−ｘ（ｉ）｝
は０であり、式（２）は式（４）と書き換えられ、着目点の値がそのまま出力される。
ｙ（ｉ）＝ｘ（ｉ）      …（４）
従って、εフィルタは急峻で大きな変化が存在する部分を保存しながら、小さな変化のみを平滑化する。
【００５３】
図１２は、εフィルタの動作を説明するための図である。図１２（ａ）はεフィルタの入力信号ｘ（ｉ）を示し、図１２（ｂ）は図１２（ａ）の位置ｉ１を着目点とした時の
ｆ｛ｘ（ｉ１−ｋ）−ｘ（ｉ１）｝
を示している。
【００５４】
図１２（ａ）のような緩やかな傾斜を持つ信号がεフィルタの入力信号の場合、次数が大きすぎると着目点と周辺の点の差分が閾値を超えてしまい、図１２（ｂ）のようにその領域が０とされて重み付平均を取るため平滑化の効果が弱まる。
【００５５】
εフィルタなどのエッジ保存型平滑化フィルタの多くは低域通過フィルタに比べて、急峻で大きな変化を保存できる利点がある。しかし、信号が緩やかな傾斜を持つ場合、平滑化の性能が低くなる。そこで、図１の音声信号処理装置では音声信号の周波数と振幅を推定することにより信号の傾斜を考慮している。周波数が同じで振幅が大きい場合、傾斜は急になるのでフィルタの次数を小さくし、εフィルタでの平滑化の性能を上げている。
【００５６】
以下では、フィルタ部５は、低域通過フィルタ係数が供給されたとき、εフィルタとして機能して、平滑化処理を行うものとして説明する。εフィルタは原データビットシフト部４におけるビットシフトにより増えたビット数を小振幅成分として扱う。つまり、ｎビットからｎ＋αビットにビットシフトする場合、εフィルタの閾値εは２のα乗とする。これにより、ｎビットにおける１ＬＳＢ以下の段差を平滑化する。
【００５７】
図１３（ａ）及び（ｂ）は、εフィルタとして動作しているときのフィルタ部５の動作を説明するための図である。横軸は時間ｉを示し、縦軸は信号レベルを示している。図１３（ａ）はｎ＋αビットの音声信号Ｘ’（ｉ）を示し、図１３（ｂ）はεフィルタ処理されたｎ＋αビットの音声信号Ｙ（ｉ）を示している。フィルタ部５では、ｎ＋αビットの音声信号から高調波を除去するカットオフ周波数特性を実現するフィルタ係数Ｃを用いて平滑化処理を行うことで、図１３（ａ）に示すようなｎ＋αビットの音声信号から量子化による波形歪みを補正し、図１３（ｂ）に示したようなｎ＋αビットの音声信号を出力する。
【００５８】
このように、フィルタ部５をエッジ保存型平滑化フィルタ、例えばεフィルタとして動作させることでｎビットの音声信号から高調波を除去し、波形歪みを補正したｎ＋αビットの音声信号を出力することができる。
【００５９】
次に、特定周波数Ｆｄを含むｎビットの音声信号が入力された場合の図１の音声信号処理装置の動作について説明する。ここで特定周波数Ｆｄはサンプリング周波数の半分付近の高周波数とする
【００６０】
図１４（ａ）〜（ｃ）は、図１の音声信号処理装置に入力されるサンプリング周波数の半分付近の周波数の高周波を含んだ音声信号の一例を示す図である。
図１４（ａ）はサンプリング周波数の半分付近の周波数ｆ８の正弦波のアナログ音声信号を示している。図１４（ａ）の横軸は時間ｔ、縦軸は信号レベルを示している。このアナログ信号が標本化、量子化されて、図１４（ｂ）のようなｎビットの周波数ｆ８の正弦波のデジタル音声信号が生成され、入力端子１に入力される。図で縦方向の点線がサンプリングタイミングを示す。図示の例では、音声信号の振幅の１／２（ピークとボトムの差の１／２）が、ｎビットの信号のＬＳＢのステップ幅に相当する場合を想定している。
図１４（ｂ）の横軸は時間ｉ、縦軸は信号レベルを示している。図１４（ｂ）に示すデジタル音声信号は、相連続するサンプリング点毎の、デジタル信号の列であり、時間（を表す数値）ｉは、サンプリング点毎に１ずつ増加する。
サンプル周波数が音声信号の周波数の半分と少し異なるため、図１４（ｂ）に示すように、音声信号の位相に対して、サンプル位相が少しずつずれ、サンプル値のレベルが連続して同じちとなる（信号のつぶれが起こる）区間（ｉａからｉｂまで）が生じる。図１４（ｃ）の実線は図１４（ｂ）の音声信号の周波数スペクトル、点線は（後述の）低域通過フィルタの周波数特性を示している。図１４（ｃ）の横軸は周波数ｆ、縦軸はパワー及びゲインを示している。図１４（ｃ）の周波数スペクトルが示すように周波数ｆ８はサンプリング周波数の半分付近なのでｆ８より高い周波数の高調波はあまりない。
【００６１】
単一正弦波で考えた場合、低振幅、高周波数であるほど量子化により信号が潰れてしまい、同じレベルが連続する傾向が強い。特にサンプリング周波数の半分付近では、この現象は顕著である。また、図１４（ｃ）が示すように基本周波数がサンプリング周波数の半分付近の場合、高調波はあまりなく、高調波を除去することの効果は少ない。
【００６２】
図１４（ｂ）のようなｎビットで量子化された周波数ｆ８の正弦波の音声信号Ｘが入力された場合の図１の音声信号処理装置の動作を説明する。音声信号Ｘは周波数振幅推定部２、特定周波数検出部６、原データビットシフト部４に入力される。
【００６３】
図１５（ａ）〜（ｄ）は、周波数ｆ８の正弦波の音声信号Ｘが入力された場合の、周波数振幅推定部２の動作を説明するための図である。横軸は時間ｉを示している。
図１５（ａ）はｎビットの音声信号Ｘ（ｉ）を示し、図１５（ｂ）は音声信号の一次微分データＤ（ｉ）を示し、図１５（ｃ）は２値データＰＭを示し、図１５（ｄ）は音声信号の変曲点位置の検出結果を示す信号ＳＬを示している。
図１５（ａ）に示すｎビットの音声信号が入力された場合、一次微分算出部１１は、図１５（ｂ）のような一次微分データ（Ｄｉ）を算出する。
符号変化点検出部１２は、一次微分データＤから図１５（ｃ）のような符号のみの２値データＰＭに変換して、図１５（ｄ）に示すようにその２値データＰＭが変化する位置ｉｃ＝ｉ４〜ｉ１９（その時間軸上の位置が縦方向に延びた点線で示されている）を検出し、検出位置で信号ＳＬの値を「１」にする。
よって、周波数推定部８及び振幅推定部９は、ｉ４〜ｉ５区間では周波数としてＦ＝１／（ｉ５−ｉ４）、振幅としてＡ＝｜Ｘ（ｉ５）−Ｘ（ｉ４）｜をそれぞれ求め、求められた周波数Ｆ及び振幅Ａはフィルタ係数生成部３に供給される。この時、求められたＦは入力信号の周波数ｆ８とほぼ同じである。同様にｉ５〜ｉ１１区間、ｉ１２〜ｉ１９区間でも正確に周波数Ｆを求めることができる。
【００６４】
一方で、ｉ１１〜ｉ１２区間では、周波数としてＦ＝１／（ｉ１２−ｉ１１）、振幅としてＡ＝｜Ｘ（ｉ１２）−Ｘ（ｉ１１）｜をそれぞれ求め、求められた周波数Ｆ及び振幅Ａはフィルタ係数生成部３に供給される。求められたＦは入力信号の周波数ｆ８と大きく異なる。
【００６５】
図１６（ａ）及び（ｂ）は、周波数ｆ８の正弦波の音声信号Ｘが入力された場合の特定周波数検出部６の動作を説明するための図である。横軸は時間ｉを示している。ここで特定周波数ＦｄはＦｓ／２付近に設定されているものとする。図１６（ａ）に示すような音声信号Ｘは特定周波数Ｆｄ付近の周波数ｆ８の正弦波なので、図１６（ｂ）に示すような大きい値のスペクトルの強度Ｒをフィルタ係数生成部３に出力する。
【００６６】
フィルタ係数生成部３には、大きい値のスペクトルの強度Ｒが入力されるため、入力をそのまま出力する係数をフィルタ部５に出力する。
【００６７】
図１７（ａ）及び（ｂ）は、周波数ｆ８の正弦波の音声信号Ｘが入力された場合の、原データビットシフト部４の動作を説明するための図である。横軸は時間ｉを示し、縦軸は信号レベルを示している。図１７（ａ）はｎビットの音声信号Ｘを示し、図１７（ｂ）はｎ＋αビットの音声信号Ｘ’を示している。原データビットシフト部４は、図１７（ａ）に示すようなｎビットの音声信号をαビットだけビットシフトし、図１７（ｂ）に示したようなｎ＋αビットの音声信号をフィルタ部５に出力する。
【００６８】
図１８（ａ）及び（ｂ）は、周波数ｆ８の正弦波の音声信号Ｘが入力された場合の、フィルタ部５の動作を説明するための図である。横軸は時間ｉを示し、縦軸は信号レベルを示している。図１８（ａ）はｎ＋αビットの音声信号Ｘ’（ｉ）を示し、図１８（ｂ）はフィルタ処理されたｎ＋αビットの音声信号Ｙ（ｉ）を示している。
フィルタ部５には、入力をそのまま出力するフィルタ係数が入力されるため、図１８（ａ）に示すようなｎ＋αビットの音声信号をそのまま（図１８（ｂ））出力する。
【００６９】
このように、図１の音声信号処理装置はｎビットの音声信号に特定周波数が含まれる場合、ビットシフトのみを行ったｎ＋αビットの音声信号を出力することができる。
【００７０】
ここで特定周波数検出部６が設けられていない場合の動作を１９（ａ）及び（ｂ）を参照して説明する。図１９（ａ）及び（ｂ）で横軸は周波数ｆを示している。図１４（ａ）〜（ｃ）、図１５（ａ）〜（ｄ）のｉ４〜ｉ１１区間、ｉ１２〜ｉ１９区間では上記のように正確に周波数を求められるため、図１９（ａ）に点線で示すようなカットオフ周波数特性を実現する低域通過フィルタ係数を生成する。一方で、ｉ１１〜ｉ１２区間では求められた周波数が間違っているため、図１９（ｂ）の点線のようにカットオフ周波数特性の低域通過フィルタ係数を生成する。そのため、平滑化処理にてｉ１１〜ｉ１２区間では周波数ｆ８も除去されてしまう。
【００７１】
これに対して、特定周波数検出部６が設けられている場合には、図１の音声信号処理装置では、入力音声信号に量子化で潰れてしまうような高周波数が含まれている場合、周波数振幅推定部２では周波数を誤検出するが、特定周波数検出部６で正確に周波数を検出できるため、基本周波数が除去されることはない。
【００７２】
以上のように、図１の音声信号処理装置では音声信号の周波数と振幅を推定して、その周波数と振幅に基づいたカットオフ周波数特性と次数を有する低域通過フィルタ係数を生成して平滑化するため、音声信号の量子化による波形歪みを的確に補正することができる。一方で平滑化の際にエッジ保存型平滑化フィルタを適用しているため、信号振幅が急峻に大きく変化する領域を有する音声信号入力波形の再現性を損なわない。
【００７３】
また、ｎビットの音声信号に特定周波数が含まれる場合、ビットシフトのみを行ったｎ＋αビットの音声信号を出力することができる。
【００７４】
これまではフィルタ部５はεフィルタとして動作するものである構成で説明したが、図１の音声信号処理装置はこの構成に限ったものではない。バイラテラルフィルタ、トリムド平均値フィルタ（ＤＷ−ＭＴＭフィルタ）などの他の種類のエッジ保存型フィルタとして動作するものでも同様の効果が期待できる。
【００７５】
また、これまで特定周波数はサンプリング周波数の半分付近として説明してきたが、図１の音声信号処理装置ではこの周波数に限ったものではない。例えば特定周波数を任意の周波数、例えば１０ｋＨｚとして設定すれば、該任意の周波数を含む信号は平滑化せずに出力する。
【００７６】
図２０は、以上に説明した図１の音声信号処理装置の処理工程を示すフローチャートである。
まず、入力端子１よりｎビットの音声信号が周波数振幅推定部２、原データビットシフト部４、及び特定周波数検出部６に入力される。原データビットシフト部４は、ｎビットの音声信号をαビット分ビットシフトしたｎ＋αビットの音声信号をフィルタ部５に出力する（ＳＴ１１）。周波数振幅推定部２はｎビットの音声信号から周波数Ｆと振幅Ａを推定してフィルタ係数生成部３に出力する（ＳＴ１２）。特定周波数検出部６では、特定の周波数Ｆｄのスペクトルの強度Ｒを算出して該強度Ｒが閾値ＲＴＨより大きいか否かを示す信号ＤＲをフィルタ生成部３に出力する（ＳＴ１３）。そして、強度Ｒが閾値地ＲＴＨ以下であれば（ステップＳＴ１４でＹＥＳ）ステップＳＴ１５に進み、強度Ｒが閾値地ＲＴＨより大きければ（ステップＳＴ１４でＮＯ）ステップＳＴ１７に進む。
【００７７】
ステップＳＴ１５では、周波数Ｆと振幅Ａに基づいて低域通過フィルタ係数を生成し、フィルタ部５に出力する。
この場合、フィルタ部５は、低域通過フィルタ係数が供給されているので、エッジ保存型平滑化フィルタとして動作し、ｎ＋αビットの音声信号に対して低域通過フィルタ処理を行なって、ｎ＋αビットの音声信号を出力する（ＳＴ１６）。
ステップＳＴ１７では、フィルタ係数生成部３は入力をそのまま出力するフィルタ係数を生成する。
この場合、フィルタ部５は、入力されているｎ＋αビットの音声信号の着目点のサンプル値に対して係数「１」を掛け、その前後のサンプル値に「０」を掛けることで、入力されている音声信号をそのまま出力する（ＳＴ１８）。
ステップＳＴ１６でフィルタ部５から出力された音声信号またはステップＳＴ１８でフィルタ部５から出力された音声信号が、音声信号処理装置の出力となる。
【００７８】
図１に示す音声信号処理装置は、ソフトウエアで、即ちプログラムされたコンピュータで実現することもできる。その場合、コンピュータによる処理の手順は、図２０を参照して上記したのと同様である。
【００７９】
実施の形態２．
図２１は、実施の形態２の音声信号処理装置を示す。図２１に示される音声信号処理装置は、図１を参照して説明した実施の形態１の音声信号処理装置と概して同じであるが、選択的フィルタ処理部１０の構成が異なる。図示の選択的フィルタ処理部１０は、周波数振幅推定部２により推定された周波数Ｆ及び振幅Ａを示す信号を受け、低域通過フィルタ係数Ｃを生成するフィルタ係数生成部１３と、ビットシフト後音声信号Ｘ’を入力として、低域通過フィルタ係数Ｃを用いたフィルタ処理後の音声信号を出力するエッジ保存型平滑化フィルタ部１５と、エッジ保存型平滑化フィルタ部１５の出力信号とビットシフト後音声信号Ｘ’のいずれかを選択して出力する選択部１６とを備える。
【００８０】
フィルタ係数生成部１３は、エッジ保存型平滑化フィルタ部１５に、周波数振幅推定部２で推定された周波数Ｆ及び振幅Ａに基づいて、ビットシフト後音声信号Ｘ’に対してエッジ保存型平滑化処理を行なわせるための低域通過フィルタ係数Ｃを生成する。
このようなフィルタ係数生成部１３の処理は、図１に示されたフィルタ係数生成部３において、特定周波数のスペクトルの強度Ｒが閾値ＲＴＨ以下のときに行なわれる、低域通過フィルタ係数Ｃの生成と同じであり、フィルタ係数の生成も実施の形態１と同様に行い得る。
【００８１】
エッジ保存型平滑化フィルタ部１５は、フィルタ係数生成部１３で生成されたフィルタ係数Ｃを用いて、ビットシフト後音声信号Ｘ’に対してフィルタ処理を行なった結果を出力する。
選択部１６は、特定周波数検出部６により検出された特定周波数のスペクトルの強度Ｒが所定の閾値ＲＴＨ以下のときは、エッジ保存型平滑化フィルタ部１５の出力信号を選択し、特定周波数検出部６により検出された特定周波数のスペクトルの強度Ｒが閾値よりも大きいときは、ビットシフト後音声信号Ｘ’を選択する。
このような構成の選択的フィルタ処理部１０は図１に示される実施の形態１の音声信号処理装置の選択的フィルタ処理部１０と全体として同じ機能を有し、その出力信号Ｙは、図１の実施の形態１と同じである。したがって、実施の形態２の音声信号処理装置も実施の形態１の音声信号処理装置と同様の効果を奏する。
エッジ保存型平滑化フィルタ部１５としては、実施の形態１でフィルタ部５について説明したのと同様にεフィルタを用い得る。
【００８２】
実施の形態２の音声信号処理装置の動作は、図２２のフローチャートで表すこともできる。
まず、入力端子１よりｎビットの音声信号が周波数振幅推定部２、原データビットシフト部４、及び特定周波数検出部６に入力される。原データビットシフト部４は、ｎビットの音声信号をαビット分ビットシフトしたｎ＋αビットの音声信号をエッジ保存型平滑化フィルタ部１５に出力する（ＳＴ１１）。周波数振幅推定部２はｎビットの音声信号から周波数Ｆと振幅Ａを推定してフィルタ係数生成部３に出力する（ＳＴ１２）。特定周波数検出部６では、特定の周波数Ｆｄのスペクトルの強度Ｒを算出して該強度Ｒが閾値ＲＴＨより大きいか否かを示す信号ＤＲをフィルタ生成部３に出力する（ＳＴ１３）。強度Ｒが閾値ＲＴＨ以下の場合には（ＳＴ１４でＹＥＳ）、ステップＳＴ１５に進み、強度Ｒが閾値ＲＴＨより大きい場合には（ＳＴ１４でＮＯ）、ステップＳＴ２２に進む。
【００８３】
ステップＳＴ１５では、フィルタ係数生成部３は周波数Ｆと振幅Ａに基づいて低域通過フィルタ係数をエッジ保存型平滑化フィルタ部１５に出力する。
この場合、エッジ保存型平滑化フィルタ部１５は、供給されたフィルタ係数を用いてｎ＋αビットの音声信号に対してエッジ保存型平滑化フィルタ処理を行って、ｎ＋αビットの音声信号を出力し（ＳＴ１６）、選択部１６がエッジ保存型平滑化フィルタ部１５の出力を選択する（ＳＴ２１）。
ステップＳＴ２２では、選択部１６が原データビットシフト部４の出力を選択して出力する。
このような処理の結果、ステップＳＴ１６でエッジ保存型平滑化フィルタ部１５から出力された音声信号またはステップＳＴ１１で原データビットシフト部４から出力された音声信号が、音声信号処理装置の出力となる。
【００８４】
図２１に示す音声信号処理装置は、ソフトウエアで、即ちプログラムされたコンピュータで実現することもできる。その場合、コンピュータによる処理の手順は、図２２を参照して上記したのと同様である。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明の音声信号処理装置は、たとえば、カーオーディオなどの音声信号処理装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の実施の形態１に係る音声信号処理装置の構成を示すブロック図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態１で処理される音声信号の一例を示す図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は、原データビットシフト部４の動作を示す図である。
【図４】周波数振幅推定部２の一例を示すブロック図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は、図４の周波数振幅推定部２の動作を示す図である。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は、特定周波数検出部６の動作を示す図である。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は、特定周波数検出部６の動作を示す図である。
【図８】（ａ）〜（ｄ）は、特定周波数検出部６の動作を示す図である。
【図９】（ａ）及び（ｂ）は、特定周波数検出部６の動作を示す図である。
【図１０】は、音声信号の周波数と、それに適した低域通過特性を示す図である。
【図１１】フィルタ係数生成部３内に記憶された係数テーブルの一例を示す図である。
【図１２】（ａ）及び（ｂ）は、εフィルタの動作を説明するための図である。
【図１３】（ａ）及び（ｂ）は、εフィルタとして動作しているときのフィルタ部５の動作を示す図である。
【図１４】（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態１のｎビットの音声信号の一例を示す図である。
【図１５】（ａ）〜（ｄ）は、周波数振幅推定部２の動作を示す図である。
【図１６】（ａ）及び（ｂ）は、特定周波数検出部６の動作を示す図である。
【図１７】（ａ）及び（ｂ）は、原データビットシフト部４の動作を示す図である。
【図１８】（ａ）及び（ｂ）は、フィルタ部５の動作を示す図である。
【図１９】（ａ）及び（ｂ）は、特定周波数検出部６が設けられていない場合の動作を説明するための図である。
【図２０】実施の形態１に係る音声信号処理装置の処理工程を示すフローチャートである。
【図２１】本発明の実施の形態２に係る音声信号処理装置の構成を示すブロック図である。
【図２２】実施の形態２に係る音声信号処理装置の処理工程を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００８７】
１  入力端子、  ２  周波数振幅推定部、  ３  フィルタ係数生成部、  ４  原データビットシフト部、  ５  フィルタ部、  ６  特定周波数検出部、  ７  変曲点検出部、  ８  周波数推定部、  ９  振幅推定部、  １１  一次微分算出部、  １２  符号変化点検出部、  １３  フィルタ係数生成部、  １５  エッジ保存型平滑化フィルタ部、  １６  選択部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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