(57)【要約】【課題】再生される音声の品質を向上可能な音声帯域拡張装置及び音声帯域拡張方法を提供する。【解決手段】音声帯域拡張装置１は、音声信号の周波数スペクトルを算出する時間周波数変換部１１と、周波数スペクトルから、包絡振幅スペクトルと、周期性振幅スペクトルと、ランダム振幅スペクトルとを抽出する分離部１２と、包絡振幅スペクトルを広帯域化する包絡振幅スペクトル広帯域化部１３と、周期性振幅スペクトルを広帯域化する周期性振幅スペクトル広帯域化部１４と、ランダム振幅スペクトルを広帯域化するランダム振幅スペクトル広帯域化部１５と、広帯域化された包絡振幅スペクトル、周期性振幅スペクトル及びランダム振幅スペクトルを合成することにより、広帯域周波数スペクトルを合成する広帯域スペクトル算出部１７と、広帯域周波数スペクトルを周波数時間変換することにより、広帯域化された音声信号を生成する周波数時間変換部１８とを有する。【選択図】図１
2010286608.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の周波数帯域を有する音声信号を、所定の時間長を有するフレームごとに時間周波数変換することにより、該音声信号の周波数スペクトルを算出する時間周波数変換部と、
前記周波数スペクトルから、該周波数スペクトルの包絡振幅スペクトルと、周波数に対して周期的にスペクトル強度が変動する周期性振幅スペクトルと、周波数に対してランダムにスペクトル強度が変動するランダム振幅スペクトルとを抽出する分離部と、
前記包絡振幅スペクトルが有する周波数帯域を前記第１の周波数帯域と異なる第２の周波数帯域まで拡張することにより、前記包絡振幅スペクトルを広帯域化する包絡振幅スペクトル広帯域化部と、
前記周期性振幅スペクトルが有する周波数帯域を前記第２の周波数帯域まで拡張することにより、前記周期性振幅スペクトルを広帯域化する周期性振幅スペクトル広帯域化部と、
前記ランダム振幅スペクトルが有する周波数帯域を前記第２の周波数帯域まで拡張することにより、前記ランダム振幅スペクトルを広帯域化するランダム振幅スペクトル広帯域化部と、
前記広帯域化された包絡振幅スペクトルと、前記広帯域化された周期性振幅スペクトルと、前記広帯域化されたランダム振幅スペクトルを合成することにより、前記第１の周波数帯域及び前記第２の周波数帯域を有する広帯域周波数スペクトルを合成する広帯域スペクトル算出部と、
前記広帯域周波数スペクトルを周波数時間変換することにより、前記第１の周波数帯域及び前記第２の周波数帯域を有する音声信号を生成する周波数時間変換部と、
を有する音声帯域拡張装置。
【請求項２】
前記周期性振幅スペクトル広帯域化部は、前記第１の周波数帯域における周期性振幅スペクトルの包絡線を算出し、前記第２の周波数帯域においても当該包絡線を維持するように前記周期性振幅スペクトルを広帯域化する、請求項１に記載の音声帯域拡張装置。
【請求項３】
前記周期性振幅スペクトル広帯域化部は、前記第２の周波数帯域において周波数が高くなるほど前記広帯域化された周期性振幅スペクトルの周波数に対する周期性を弱くする、請求項１または２に記載の音声帯域拡張装置。
【請求項４】
前記ランダム振幅スペクトル広帯域化部は、前記第１の周波数帯域におけるランダム振幅スペクトルの包絡線を算出し、前記第２の周波数帯域においても当該包絡線を維持するように前記ランダム振幅スペクトルを広帯域化する、請求項１〜３の何れか一項に記載の音声帯域拡張装置。
【請求項５】
前記第１の周波数帯域に含まれる各周波数に対する前記周波数スペクトルの位相を表す位相スペクトルが有する周波数帯域を前記第２の周波数帯域にまで拡張することにより、前記位相スペクトルを広帯域化する位相スペクトル広帯域化部をさらに有し、
前記広帯域スペクトル算出部は、前記広帯域化された包絡振幅スペクトルと、前記広帯域化された周期性振幅スペクトルと、前記広帯域化されたランダム振幅スペクトルと、前記広帯域化された位相スペクトルを合成することにより、前記広帯域周波数スペクトルを合成する、請求項１〜４の何れか一項に記載の音声帯域拡張装置。
【請求項６】
第１の周波数帯域を有する音声信号を、所定の時間長を有するフレームごとに時間周波数変換することにより、該音声信号の周波数スペクトルを算出し、
前記周波数スペクトルから、該周波数スペクトルの包絡振幅スペクトルと、周波数に対して周期的にスペクトル強度が変動する周期性振幅スペクトルと、周波数に対してランダムにスペクトル強度が変動するランダム振幅スペクトルとを抽出し、
前記包絡振幅スペクトルが有する周波数帯域を前記第１の周波数帯域と異なる第２の周波数帯域まで拡張することにより、前記包絡振幅スペクトルを広帯域化し、
前記周期性振幅スペクトルが有する周波数帯域を前記第２の周波数帯域まで拡張することにより、前記周期性振幅スペクトルを広帯域化し、
前記ランダム振幅スペクトルが有する周波数帯域を前記第２の周波数帯域まで拡張することにより、前記ランダム振幅スペクトルを広帯域化し、
前記広帯域化された包絡振幅スペクトルと、前記広帯域化された周期性振幅スペクトルと、前記広帯域化されたランダム振幅スペクトルを合成することにより、前記第１の周波数帯域及び前記第２の周波数帯域を有する広帯域周波数スペクトルを合成し、
前記広帯域周波数スペクトルを周波数時間変換することにより、前記第１の周波数帯域及び前記第２の周波数帯域を有する音声信号を生成する、
ことを含む音声帯域拡張方法。
【請求項７】
第１の周波数帯域を有する音声信号を、所定の時間長を有するフレームごとに時間周波数変換することにより、該音声信号の周波数スペクトルを算出し、
前記周波数スペクトルから、該周波数スペクトルの包絡振幅スペクトルと、周波数に対して周期的にスペクトル強度が変動する周期性振幅スペクトルと、周波数に対してランダムにスペクトル強度が変動するランダム振幅スペクトルとを抽出し、
前記包絡振幅スペクトルが有する周波数帯域を前記第１の周波数帯域と異なる第２の周波数帯域まで拡張することにより、前記包絡振幅スペクトルを広帯域化し、
前記周期性振幅スペクトルが有する周波数帯域を前記第２の周波数帯域まで拡張することにより、前記周期性振幅スペクトルを広帯域化し、
前記ランダム振幅スペクトルが有する周波数帯域を前記第２の周波数帯域まで拡張することにより、前記ランダム振幅スペクトルを広帯域化し、
前記広帯域化された包絡振幅スペクトルと、前記広帯域化された周期性振幅スペクトルと、前記広帯域化されたランダム振幅スペクトルを合成することにより、前記第１の周波数帯域及び前記第２の周波数帯域を有する広帯域周波数スペクトルを合成し、
前記広帯域周波数スペクトルを周波数時間変換することにより、前記第１の周波数帯域及び前記第２の周波数帯域を有する音声信号を生成する、
ことをコンピュータに実行させる音声帯域拡張用コンピュータプログラム。
【請求項８】
第１の周波数帯域を有する符号化された音声信号を受信する通信部と、
前記音声信号を復号するベースバンド処理部と、
前記音声信号を広帯域化する制御部であって、
前記音声信号を、所定の時間長を有するフレームごとに時間周波数変換することにより、該音声信号の周波数スペクトルを算出し、
前記周波数スペクトルから、該周波数スペクトルの包絡振幅スペクトルと、周波数に対して周期的にスペクトル強度が変動する周期性振幅スペクトルと、周波数に対してランダムにスペクトル強度が変動するランダム振幅スペクトルとを抽出し、
前記包絡振幅スペクトルが有する周波数帯域を前記第１の周波数帯域と異なる第２の周波数帯域まで拡張することにより、前記包絡振幅スペクトルを広帯域化し、
前記周期性振幅スペクトルが有する周波数帯域を前記第２の周波数帯域まで拡張することにより、前記周期性振幅スペクトルを広帯域化し、
前記ランダム振幅スペクトルが有する周波数帯域を前記第２の周波数帯域まで拡張することにより、前記ランダム振幅スペクトルを広帯域化し、
前記広帯域化された包絡振幅スペクトルと、前記広帯域化された周期性振幅スペクトルと、前記広帯域化されたランダム振幅スペクトルを合成することにより、前記第１の周波数帯域及び前記第２の周波数帯域を有する広帯域周波数スペクトルを合成し、
前記広帯域周波数スペクトルを周波数時間変換することにより、前記第１の周波数帯域及び前記第２の周波数帯域を有する広帯域音声信号を生成する、
制御部と、
前記広帯域化音声信号を再生するスピーカと、
を有する電話機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ここに開示される実施形態は、音声信号が有する周波数帯域を拡張する音声帯域拡張装置、音声帯域拡張方法及び音声帯域拡張用コンピュータプログラムならびに電話機に関する。
【背景技術】
【０００２】
音声伝送システムでは、限られた伝送周波数帯域で音声信号を伝送するために、一般に、音声信号は狭帯域化され、その狭帯域化された音声信号が伝送される。そのため、音声信号を受信した受信機が再生する音声が含まれる周波数帯域も、元の音声が含まれる周波数帯域よりも狭くなるので、受信機により再生された音声の品質が劣化する。そこで、音声信号が含まれる周波数帯域を擬似的に拡張することで、再生音声の品質を向上させる技術が開発されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
例えば、特許文献１に開示された技術は、入力信号からスペクトル包絡情報と残差信号を抽出する。そしてその技術は、スペクトル包絡情報の周波数帯域と残差信号の周波数帯域をそれぞれ拡大し、周波数帯域が拡大されたスペクトル包絡情報と残差信号とを用いて音声を合成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２４８９９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
音声信号には、人の声のように、音声信号の周波数スペクトルの振幅値が周波数の変化に応じて周期的に変化する周期性振幅スペクトルと、周波数スペクトルの振幅値が周波数の変化によらずランダムに変化するランダム振幅スペクトルが含まれることがある。
しかし、従来の技術は、入力された音声信号から、周期性振幅スペクトルとランダム振幅スペクトルとを分離せず、スペクトルの包絡情報と残差信号を広帯域化する。また従来の技術は、周波数ごとの位相を表す位相スペクトルを考慮していない。そのため、従来の技術は、周期性振幅スペクトル、ランダム振幅スペクトル及び位相スペクトルを、それぞれの特徴に応じて広帯域化することができない。
【０００６】
自然な音質となるように音声信号を広帯域化するためには、広帯域化された周期性振幅スペクトル及びランダム振幅スペクトルも、元の音声信号に対応する周期性振幅スペクトル及びランダム振幅スペクトルと同じ特徴を持つことが望ましい。例えば、周期性振幅スペクトルの包絡線の周波数に対する傾きと、ランダム振幅スペクトルの包絡線の周波数に対する傾きが異なることがある。このような場合、従来の技術は、それぞれの振幅スペクトルの包絡線の傾きを保ちつつ、音声信号を広帯域化することができない。そのため、広帯域化された周期性振幅スペクトル及びランダム振幅スペクトルの特徴が、元の音声信号に対応する周期性振幅スペクトル及びランダム振幅スペクトルの特徴と異なってしまう。したがって、広帯域化された音声信号の品質が劣化する。
【０００７】
また、周期性振幅スペクトルについて、一般に、周波数が高くなるほど周期性が弱くなることが知られている。しかし、従来の技術は、周期性振幅スペクトルのみを分離して広帯域化できないので、このような周期性振幅スペクトルが有する性質を再現できない。そのため、再現された音声は、自然な音声にならないことがある。
さらに、従来の技術は、入力された音声信号を解析する単位であるフレーム間の位相の連続性を考慮していないので、音声の周波数と対応する角速度によって定まる位相がフレーム間で不連続となるおそれがある。そして、フレーム間で位相が不連続になると、再生された音声信号も不連続となるので、再生された音声信号の品質が劣化してしまう。
【０００８】
そこで、本明細書は、再生される音声の品質を向上可能な音声帯域拡張装置、音声帯域拡張方法及び音声帯域拡張用コンピュータプログラムならびに電話機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一つの実施形態によれば、音声帯域拡張装置が提供される。この音声帯域拡張装置は、第１の周波数帯域を有する音声信号を、所定の時間長を有するフレームごとに時間周波数変換することにより、音声信号の周波数スペクトルを算出する時間周波数変換部と、周波数スペクトルから、周波数スペクトルの包絡振幅スペクトルと、周波数に対して周期的にスペクトル強度が変動する周期性振幅スペクトルと、周波数に対してランダムにスペクトル強度が変動するランダム振幅スペクトルとを抽出する分離部と、包絡振幅スペクトルが有する周波数帯域を第１の周波数帯域と異なる第２の周波数帯域まで拡張することにより、包絡振幅スペクトルを広帯域化する包絡振幅スペクトル広帯域化部と、周期性振幅スペクトルが有する周波数帯域を第２の周波数帯域まで拡張することにより、周期性振幅スペクトルを広帯域化する周期性振幅スペクトル広帯域化部と、ランダム振幅スペクトルが有する周波数帯域を第２の周波数帯域まで拡張することにより、ランダム振幅スペクトルを広帯域化するランダム振幅スペクトル広帯域化部と、広帯域化された包絡振幅スペクトルと、広帯域化された周期性振幅スペクトルと、広帯域化されたランダム振幅スペクトルを合成することにより、第１の周波数帯域及び第２の周波数帯域を有する広帯域周波数スペクトルを合成する広帯域スペクトル算出部と、広帯域周波数スペクトルを周波数時間変換することにより、第１の周波数帯域及び第２の周波数帯域を有する音声信号を生成する周波数時間変換部とを有する。
【００１０】
また他の実施形態によれば、音声帯域拡張方法が提供される。この音声帯域拡張方法は、第１の周波数帯域を有する音声信号を、所定の時間長を有するフレームごとに時間周波数変換することにより、音声信号の周波数スペクトルを算出し、周波数スペクトルから、周波数スペクトルの包絡振幅スペクトルと、周波数に対して周期的にスペクトル強度が変動する周期性振幅スペクトルと、周波数に対してランダムにスペクトル強度が変動するランダム振幅スペクトルとを抽出し、包絡振幅スペクトルが有する周波数帯域を第１の周波数帯域と異なる第２の周波数帯域まで拡張することにより、包絡振幅スペクトルを広帯域化し、周期性振幅スペクトルが有する周波数帯域を第２の周波数帯域まで拡張することにより、周期性振幅スペクトルを広帯域化し、ランダム振幅スペクトルが有する周波数帯域を第２の周波数帯域まで拡張することにより、ランダム振幅スペクトルを広帯域化し、広帯域化された包絡振幅スペクトルと、広帯域化された周期性振幅スペクトルと、広帯域化されたランダム振幅スペクトルを合成することにより、第１の周波数帯域及び第２の周波数帯域を有する広帯域周波数スペクトルを合成し、広帯域周波数スペクトルを周波数時間変換することにより、第１の周波数帯域及び第２の周波数帯域を有する音声信号を生成することを含む。
【００１１】
さらに他の実施形態によれば、コンピュータに第１の周波数帯域を有する音声信号の周波数帯域を拡張させる音声帯域拡張用コンピュータプログラムが提供される。このコンピュータプログラムは、第１の周波数帯域を有する音声信号を、所定の時間長を有するフレームごとに時間周波数変換することにより、音声信号の周波数スペクトルを算出し、周波数スペクトルから、周波数スペクトルの包絡振幅スペクトルと、周波数に対して周期的にスペクトル強度が変動する周期性振幅スペクトルと、周波数に対してランダムにスペクトル強度が変動するランダム振幅スペクトルとを抽出し、包絡振幅スペクトルが有する周波数帯域を第１の周波数帯域と異なる第２の周波数帯域まで拡張することにより、包絡振幅スペクトルを広帯域化し、周期性振幅スペクトルが有する周波数帯域を第２の周波数帯域まで拡張することにより、周期性振幅スペクトルを広帯域化し、ランダム振幅スペクトルが有する周波数帯域を第２の周波数帯域まで拡張することにより、ランダム振幅スペクトルを広帯域化し、広帯域化された包絡振幅スペクトルと、広帯域化された周期性振幅スペクトルと、広帯域化されたランダム振幅スペクトルを合成することにより、第１の周波数帯域及び第２の周波数帯域を有する広帯域周波数スペクトルを合成し、広帯域周波数スペクトルを周波数時間変換することにより、第１の周波数帯域及び第２の周波数帯域を有する音声信号を生成する、ことをコンピュータに実行させる命令を有する。
【００１２】
さらに他の実施形態によれば、電話機が提供される。この電話機は、第１の周波数帯域を有する符号化された音声信号を受信する通信部と、音声信号を復号するベースバンド処理部と、音声信号を広帯域化する制御部と、広帯域化された音声信号を再生するスピーカとを有する。そして制御部は、音声信号を、所定の時間長を有するフレームごとに時間周波数変換することにより、音声信号の周波数スペクトルを算出し、周波数スペクトルから、周波数スペクトルの包絡振幅スペクトルと、周波数に対して周期的にスペクトル強度が変動する周期性振幅スペクトルと、周波数に対してランダムにスペクトル強度が変動するランダム振幅スペクトルとを抽出し、包絡振幅スペクトルが有する周波数帯域を第１の周波数帯域と異なる第２の周波数帯域まで拡張することにより、包絡振幅スペクトルを広帯域化し、周期性振幅スペクトルが有する周波数帯域を第２の周波数帯域まで拡張することにより、周期性振幅スペクトルを広帯域化し、ランダム振幅スペクトルが有する周波数帯域を第２の周波数帯域まで拡張することにより、ランダム振幅スペクトルを広帯域化し、広帯域化された包絡振幅スペクトルと、広帯域化された周期性振幅スペクトルと、広帯域化されたランダム振幅スペクトルを合成することにより、第１の周波数帯域及び第２の周波数帯域を有する広帯域周波数スペクトルを合成し、広帯域周波数スペクトルを周波数時間変換することにより、第１の周波数帯域及び第２の周波数帯域を有する広帯域音声信号を生成する。
【００１３】
本発明の目的及び利点は、請求項において特に指摘されたエレメント及び組み合わせにより実現され、かつ達成される。
上記の一般的な記述及び下記の詳細な記述の何れも、例示的かつ説明的なものであり、請求項のように、本発明を限定するものではないことを理解されたい。
【発明の効果】
【００１４】
本明細書に開示された音声帯域拡張装置、音声帯域拡張方法及び音声帯域拡張用コンピュータプログラムならびに電話機は、再生される音声の品質を向上することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】一つの実施形態に係る音声帯域拡張装置の概略構成図である。
【図２】（ａ）は周波数スペクトルに含まれる包絡振幅スペクトルの一例を示す図であり、（ｂ）は周期性振幅スペクトルの一例を示す図であり、（ｃ）はランダム振幅スペクトルの一例を示す図である。
【図３】周波数スペクトル分離処理の動作フローチャートである。
【図４】高周波数帯域包絡振幅スペクトル生成処理の動作フローチャートである。
【図５】高周波数帯域周期性振幅スペクトル生成処理の動作フローチャートである。
【図６】高周波数帯域ランダム振幅スペクトル生成処理の動作フローチャートである。
【図７】一つの実施形態に係る音声帯域拡張装置が実行する音声帯域拡張処理の動作フローチャートである。
【図８】音声帯域拡張装置が組み込まれた電話機の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図を参照しつつ、一つの実施形態による、音声帯域拡張装置について説明する。
この音声帯域拡張装置は、入力された音声信号を、包絡振幅スペクトルと、周期性振幅スペクトルと、ランダム振幅スペクトルと、位相スペクトルとに分離する。そしてこの音声帯域拡張装置は、各スペクトルの特徴に応じて各スペクトルの周波数帯域を高周波側へ広げることにより、再生される音声の品質を向上する。
なお、本実施形態では、一例として、音声帯域拡張装置に入力された音声信号は、300Hz〜4kHzの周波数帯域に含まれる。そして音声帯域拡張装置は、擬似的に4kHz〜8kHzの周波数帯域に含まれる音声信号成分を生成することにより、音声信号を広帯域化する。ただし、入力音声信号の周波数帯域は、300Hz〜4kHzに限られない。入力音声信号の周波数帯域は、300Hz〜3.4kHzであってもよい。また、音声帯域拡張装置が擬似的に生成する音声信号成分の周波数帯域も、4kHz〜8kHzに限られない。例えば、音声帯域拡張装置は、4kHz〜16kHzの周波数帯域に含まれる音声信号成分を生成してもよい。また音声帯域拡張装置は、入力音声信号の周波数帯域の下限よりも低周波数の可聴帯域、例えば、50Hz〜300Hzの周波数帯域に含まれる音声信号成分を生成してもよい。
【００１７】
図１は、一つの実施形態による音声帯域拡張装置１の概略構成図である。音声帯域拡張装置１は、バッファメモリ１０と、時間周波数変換部１１と、分離部１２と、包絡振幅スペクトル広帯域化部１３と、周期性振幅スペクトル広帯域化部１４と、ランダム振幅スペクトル広帯域化部１５と、位相スペクトル広帯域化部１６と、スペクトル合成部１７と、周波数時間変換部１８とを有する。
【００１８】
音声帯域拡張装置１が有するこれらの各部は、それぞれ別個の回路として形成される。あるいは音声帯域拡張装置１が有するこれらの各部は、その各部に対応する回路が集積された一つの集積回路として音声帯域拡張装置１に実装されてもよい。さらに、音声帯域拡張装置１が有するこれらの各部は、音声帯域拡張装置１が有するプロセッサ上で実行されるコンピュータプログラムにより実現される、機能モジュールであってもよい。
【００１９】
バッファメモリ１０は、入力音声信号を一時的に記憶する。そしてバッファメモリ１０に記憶された入力音声信号は、入力された時間順に沿って所定のフレーム単位で、時間周波数変換部１１により読み出される。
【００２０】
時間周波数変換部１１は、バッファメモリ１０から読み出した入力音声信号を、所定のフレーム単位で時間周波数変換することにより、入力音声信号の周波数スペクトルを算出する。なお、時間周波数変換部１１により実行される時間周波数変換は、例えば、高速フーリエ変換あるいは離散コサイン変換とすることができる。またフレーム長は、例えば、10msec〜80msecの何れかの期間とすることができる。
時間周波数変換部１１は、フレーム単位で周波数スペクトルを算出する度に、その算出された周波数スペクトルを分離部１２及びスペクトル合成部１７へ出力する。
【００２１】
ここで、周波数スペクトルは、包絡振幅スペクトル、周期性振幅スペクトル、ランダム振幅スペクトル及び位相スペクトルが合成されたものとして表すことができる。このうち、振幅に関する、包絡振幅スペクトル、周期性振幅スペクトル及びランダム振幅スペクトルは、それぞれ、周波数の変化に対して異なる特徴を持つことがある。
図２（ａ）は周波数スペクトルに含まれる包絡振幅スペクトルの一例を示す図であり、図２（ｂ）は周期性振幅スペクトルの一例を示す図であり、図２（ｃ）はランダム振幅スペクトルの一例を示す図である。
図２（ａ）〜図２（ｃ）において、横軸は周波数を表し、縦軸はスペクトルの強度を表す。また、周波数fnbuは、入力音声信号が有する周波数帯域の上限値を表す。図２（ａ）に示されるように、包絡振幅スペクトル２００は、例えば、特定の周波数で最大となり、その特定の周波数よりも周波数が高くなるにつれてなだらかに減少するスペクトル形状を有する。
また、図２（ｂ）に示されるように、周期性振幅スペクトル２１０は、周期的に変動する。またこの例では、周期性振幅スペクトル２１０の包絡線２１１は、周波数が高くなるにつれて強度が減少する関数となる。
一方、図２（ｃ）に示されるように、ランダム振幅スペクトル２２０は、例えば、周波数が高くなるにつれて全体的に増加する。そのため、ランダム振幅スペクトル２２０の包絡線２２１は、周波数が高くなるにつれて強度が増加するような関数となる。
【００２２】
このように、包絡振幅スペクトル、周期性振幅スペクトル及びランダム振幅スペクトルは、それぞれ、周波数の変化に対して異なる特徴を持つ。また、再生された音声信号が自然な音となるために、周波数fnbuよりも高い周波数帯域において擬似的に生成される各振幅スペクトルも、各振幅スペクトルが周波数fnbu以下の周波数の変化に対して持つ特徴と同じ特徴を持つことが好ましい。
例えば、周波数fnbuよりも高い高周波数帯域において、擬似的に生成される周期性振幅スペクトル２１２の極大値も、周波数が高くなるにつれて、包絡線２１１に沿って減少することが好ましい。また、周波数fnbuよりも高い高周波数帯域において、擬似的に生成されるランダム振幅スペクトル２２２の極大値も、周波数が高くなるにつれて、包絡線２２１に沿って増加することが好ましい。
【００２３】
そこで分離部１２は、時間周波数変換部１１から周波数スペクトルを受け取る度に、その周波数スペクトルから、包絡振幅スペクトルと、周期性振幅スペクトルと、ランダム振幅スペクトルとを抽出する。さらに分離部１２は、時間周波数変換部１１から周波数スペクトルを受け取る度に、位相スペクトルを抽出する。
【００２４】
図３は、分離部１２により実行される周波数スペクトル分離処理の動作フローチャートである。分離部１２は、周波数スペクトルから、次式に従って位相スペクトルを算出する（ステップＳ１０１）。
【数１】
2010286608.tif 000003
（１）式において、fは周波数である。また、ps[f]は、周波数fに対する位相を表す位相スペクトルである。さらにre[f]は、周波数fに対する周波数スペクトルの実部の成分を表す。さらに、im[f]は、周波数fに対する周波数スペクトルの虚部の成分を表す。
【００２５】
また分離部１２は、周波数スペクトルから、次式に従って対数パワースペクトルを算出する（ステップＳ１０２）。
【数２】
2010286608.tif 000004
（２）式において、fは周波数である。また、lps[f]は、周波数fの関数として表される対数パワースペクトルである。さらにre[f]は、周波数fに対する周波数スペクトルの実部の成分を表す。さらに、im[f]は、周波数fに対する周波数スペクトルの虚部の成分を表す。
対数パワースペクトルが算出された後、分離部１２は、対数パワースペクトルを時間周波数変換することにより、ケプストラムを算出する（ステップＳ１０３）。なお、時間周波数変換として、例えば、高速フーリエ変換あるいは離散コサイン変換が用いられる。そして分離部１２は、ケプストラムが最大値となるケフレンシーQmaxを求める（ステップＳ１０４）。なお、Qmaxは、周期性振幅スペクトルのピッチ周波数に相当する。
【００２６】
次に、分離部１２は、周波数スペクトルから包絡振幅スペクトル、周期性振幅スペクトル及びランダム振幅スペクトルを抽出するために、周期性振幅スペクトルに対応するケフレンシーの上限値及び下限値を次式に従って決定する（ステップＳ１０５）。
【数３】
2010286608.tif 000005
ここで、THLは、周期性振幅スペクトルに対応するケフレンシーの下限値である。またTHHは、周期性振幅スペクトルに対応するケフレンシーの上限値である。さらに、COEFLは、周期性振幅スペクトルに対応するケフレンシーの下限値THLを算出するための係数である。係数COEFLは、以下の条件を満たす任意の数に設定される。
0≦COEFL≦1                                            （５）
COEFHは、周期性振幅スペクトルに対応するケフレンシーの上限値THHを算出するための係数である。係数COEFHは、例えば、以下の条件を満たす任意の数に設定される。
1<COEFH<3                                              （６）
【００２７】
周期性振幅スペクトルに対応するケフレンシーの上限値及び下限値が決定されると、分離部１２は、ケプストラムから包絡振幅スペクトルを抽出する（ステップＳ１０６）。その際、分離部１２は、下限値THL以上のケフレンシーに対するケプストラムの成分を０に置換する。そして分離部１２は、置換後のケプストラムを周波数時間変換することにより、包絡振幅スペクトルを算出する。
また、分離部１２は、ケプストラムから周期性振幅スペクトルを抽出する（ステップＳ１０７）。その際、分離部１２は、下限値THL未満のケフレンシーに対するケプストラムの成分と、上限値THH以上のケフレンシーに対するケプストラムの成分を０に置換する。そして分離部１２は、置換後のケプストラムを周波数時間変換することにより、周期性振幅スペクトルを算出する。なお、THLとTHHの差が小さくなるほど、周期性振幅スペクトルのピッチ周波数に相当するスペクトルのみが算出される。
さらに、分離部１２は、ケプストラムからランダム振幅スペクトルを抽出する（ステップＳ１０８）。その際、分離部１２は、上限値THH未満のケフレンシーに対するケプストラムの成分を０に置換する。そして分離部１２は、置換後のケプストラムを周波数時間変換することにより、ランダム振幅スペクトルを算出する。
なお、ステップＳ１０６〜Ｓ１０８において実行される周波数時間変換は、ステップＳ１０３において実行される時間周波数変換の逆変換である。
また、分離部１２は、ステップＳ１０１の処理を、ステップＳ１０２〜Ｓ１０８の処理と並列に実行してもよい。あるいは分離部１２は、ステップＳ１０１の処理とステップＳ１０２〜Ｓ１０８の処理を実行する順序を入れ替えてもよい。さらに分離部１２は、ステップＳ１０６〜Ｓ１０８の処理を実行する順序を入れ替えてもよい。
【００２８】
分離部１２は、包絡振幅スペクトルを包絡振幅スペクトル広帯域化部１３へ渡す。また分離部１２は、元の周波数スペクトル及び周期性振幅スペクトルと、ケプストラムの最大値及びその最大値に対応するケフレンシーQmaxを周期性振幅スペクトル広帯域化部１４へ渡す。さらに分離部１２は、ランダム振幅スペクトルをランダム振幅スペクトル広帯域化部１５へ渡す。そして分離部１２は、元の周波数スペクトル及び位相スペクトルを位相スペクトル広帯域化部１６へ渡す。
【００２９】
包絡振幅スペクトル広帯域化部１３は、分離部１２から受け取った包絡振幅スペクトルの周波数帯域を広げる。そのために、包絡振幅スペクトル広帯域化部１３は、分離部１２から受け取った包絡振幅スペクトルに基づいて、入力音声信号の周波数帯域の上限よりも高い高周波数帯域の包絡振幅スペクトルを生成する。なお、高周波数帯域は、一例として、4kHz〜8kHzである。
【００３０】
図４は、包絡振幅スペクトル広帯域化部１３により実行される高周波数帯域包絡振幅スペクトル生成処理の動作フローチャートである。
包絡振幅スペクトル広帯域化部１３は、分離部１２から受け取った包絡振幅スペクトルを周波数方向に平滑化する（ステップＳ２０１）。例えば、包絡振幅スペクトル広帯域化部１３は、次式に従って包絡振幅スペクトルを平滑化する。
【数４】
2010286608.tif 000006
ここで関数PE(f)は、周波数fに対する包絡振幅スペクトルである。また関数PEsm(f)は、周波数fに対して平滑化された包絡振幅スペクトルである。wは、平滑化される周波数帯域の幅を表し、例えば、wは100Hzに設定される。
【００３１】
次に、包絡振幅スペクトル広帯域化部１３は、平滑化された包絡振幅スペクトルに基づいて、高周波数帯域における包絡振幅スペクトルの振幅を決定する（ステップＳ２０２）。例えば、包絡振幅スペクトル広帯域化部１３は、次式に従って高周波数帯域における包絡振幅スペクトルの振幅を決定する。
【数５】
2010286608.tif 000007
ここで係数rateは、予め、音声帯域拡張装置１が出力する音声が有する周波数帯域と等しい周波数帯域を持つ、さまざまな話者または発声内容が含まれる音声を用いて求められた、低周波数帯域の音声に対する高周波数帯域の音声の平均的なパワー比を表す。この低周波数帯域は、入力音声信号が有する周波数帯域である。一方、高周波数帯域は、包絡振幅スペクトル広帯域化部１３により生成される包絡振幅スペクトルが有する周波数帯域である。またfLは、高周波数帯域の下限値を表す。本実施形態では、fLは4kHzである。さらにΔwは、高周波数帯域と低周波数帯域の包絡線を滑らかに接続するための帯域幅に相当する。例えば、Δwは、100Hzに設定される。
【００３２】
包絡振幅スペクトル広帯域化部１３は、低周波数帯域における包絡振幅スペクトルと高周波数帯域における包絡振幅スペクトルが滑らかに接続されるように、高周波数帯域のうち、低周波数帯域に近接した帯域の包絡振幅スペクトルを補間する（ステップＳ２０３）。例えば、包絡振幅スペクトル広帯域化部１３は、次式に従って高周波数帯域のうち、低周波数帯域に近接した帯域における包絡振幅スペクトルを決定する。
【数６】
2010286608.tif 000008
【００３３】
なお、包絡振幅スペクトル広帯域化部１３は、他の方法によって高周波数帯域における包絡振幅スペクトルを生成してもよい。例えば、包絡振幅スペクトル広帯域化部１３は、入力音声信号が有する周波数帯域の上限値における、包絡振幅スペクトルの強度を、高周波数帯域に含まれる各周波数に対する包絡振幅スペクトルの強度としてもよい。あるいは、包絡振幅スペクトル広帯域化部１３は、入力音声信号が有する周波数帯域の上限値近傍における、包絡振幅スペクトルの接線、あるいは包絡振幅スペクトルを近似する３次スプライン関数を、高周波数帯域における包絡振幅スペクトルとして求めてもよい。
包絡振幅スペクトル広帯域化部１３は、高周波数帯域における包絡振幅スペクトルをスペクトル合成部１７へ出力する。
【００３４】
周期性振幅スペクトル広帯域化部１４は、分離部１２から受け取った周期性振幅スペクトルの周波数帯域を広げる。そのために、周期性振幅スペクトル広帯域化部１４は、分離部１２から受け取った周期性振幅スペクトルに基づいて、入力音声信号の周波数帯域の上限よりも高い高周波数帯域における周期性振幅スペクトルを生成する。なお、高周波数帯域は、一例として、4kHz〜8kHzである。
【００３５】
図５は、周期性振幅スペクトル広帯域化部１４により実行される高周波数帯域周期性振幅スペクトル生成処理の動作フローチャートである。
周期性振幅スペクトル広帯域化部１４は、分離部１２から受け取った周期性振幅スペクトルの包絡線を算出する（ステップＳ３０１）。包絡線を算出するために、周期性振幅スペクトル広帯域化部１４は、周期性振幅スペクトルの極大点を求める。極大点は、例えば、周波数fjにおけるスペクトルの強度をIj(j=1,2,...,n、ただしnは一つのフレームに含まれるスペクトル点数）としたとき、以下の条件を満たす点である。
Ij-1 < Ij かつ Ij+1 < Ij
周期性振幅スペクトル広帯域化部１４は、極大点(fj,Ij)の集合に対して、例えば、最小二乗法を適用することにより、近似的に各極大点(fj,Ij)を結ぶ直線I = af + bを包絡線として算出する。
あるいは、周期性振幅スペクトル広帯域化部１４は、各極大点(fj,Ij)を結ぶ３次スプライン関数を求め、最も周波数が高い極大点における、その３次スプライン関数を包絡線を表す関数として算出してもよい。
さらに、周期性振幅スペクトル広帯域化部１４は、周期性振幅スペクトルの極大点の代わりに、下記の条件を満たす極小点を求めてもよい。
Ij-1 > Ij かつ Ij+1 > Ij
そして周期性振幅スペクトル広帯域化部１４は、極小点(fj,Ij)の集合に対して、上記のように、最小二乗法または３次スプライン関数を適用することにより、包絡線を算出してもよい。
【００３６】
また、周期性振幅スペクトル広帯域化部１４は、周期性振幅スペクトルの初期位相を次式に従って算出する（ステップＳ３０２）。
【数７】
2010286608.tif 000009
ここでθ0は、周期性振幅スペクトルの初期位相である。またrepは、周期性振幅スペクトルに相当する、すなわち、閾値THL以上かつ閾値THH未満のケフレンシーにおけるケプストラムの最大値の実部であり、impは、周期性振幅スペクトルに相当するケプストラムの最大値の虚部である。
【００３７】
次に、周期性振幅スペクトル広帯域化部１４は、高周波数帯域における周期性振幅スペクトルを、入力音声信号が有する周波数帯域における周期性振幅スペクトルの包絡線の傾きを維持するように生成する（ステップＳ３０３）。その際、周期性振幅スペクトル広帯域化部１４は、再生される音声が自然な音声となるように、周波数が高くなるほど、周期性振幅スペクトルの周期性を弱くすることが好ましい。周期性振幅スペクトル広帯域化部１４は、例えば、次式に従って高周波数帯域における周期性振幅スペクトルを生成できる。
【数８】
2010286608.tif 000010
ここでPP(f)は、周波数fにおける周期性振幅スペクトルの強度を表す。また、c(f)は、周波数が高くなるほど大きくなる関数であり、c(f)の値は0〜1の範囲に含まれる。例えば、関数c(f)として、以下の関数を用いることができる。
c(f) = (f-fL)/(fH-fL)
ただし、fH、fLは、それぞれ、高周波数帯域の上限値及び下限値である。また、関数c(f)は、非線形な関数でもよい。例えば、関数c(f)として、以下の関数を用いてもよい。
c(f) = 1/(1+e-α(f-(fL+fH)/2))
係数αは、高周波数帯域の下限値fLにおいて関数c(f)が略0となり、かつ高周波数帯域の上限値fHにおいて関数c(f)が略1となるように定められる。
【００３８】
また（１１）式において、関数s(f)は包絡線を表す。この関数s(f)は、ステップＳ３０１で算出された包絡線の関数である。さらに、θfLは、周波数スペクトルの周波数fLにおける位相であり、次式により求められる。
θfL = θ0 + fL*2π/f
さらに、r(f)はランダム関数であり、例えば、r(f)の値は0〜1の範囲に含まれる。またTは、周期性振幅スペクトルの周期である。周期性振幅スペクトルの周期Tは、例えば、周波数のずれ量Δf（ただし、Δf>0）を初期値から徐々に大きくなるように変化させたときに、周期性振幅スペクトルの自己相関関数ACF()が最初に極大値となるΔfの値である。またΔfの初期値は、例えば、経験的に周期Tよりも小さいと推定される任意の正数に設定される。例えば、自己相関関数ACF()は、次式により表される。
【数９】
2010286608.tif 000011
ただし、NP(i)（i=1,2,...,N）は、時間周波数変換部１１により算出された周波数スペクトルを表すベクトルである。そのベクトルの各要素の値は、入力音声信号が有する周波数帯域をN等分したサブ周波数帯域の振幅値を表す。またNは、その周波数スペクトルを表すベクトルの要素の数である。そしてjは、周波数のずれ量Δfに対応する。周波数のずれ量Δfは、jにサブ周波数帯域の幅を乗じることにより算出される。
【００３９】
また、周期性振幅スペクトル広帯域化部１４は、（１１）式の代わりに、次式に従って高周波数帯域における周期性振幅スペクトルを生成してもよい。
【数１０】
2010286608.tif 000012
ここでPP(f)は、周波数fにおける周期性振幅スペクトルの強度を表す。また、c(f)は、周波数が高くなるほど大きくなる関数である。関数s(f)は包絡線を表す。θfLは、周波数スペクトルの周波数fLにおける位相である。またTは、周期性振幅スペクトルの周期である。そしてdT(f)はランダム関数であり、dT(f)の絶対値は、例えば、周期性振幅スペクトルの周期Tの10％〜20％の範囲に含まれる。
【００４０】
（１３）式では、周期性振幅スペクトルの周期Tに対して、周波数が高くなるほどランダム関数の寄与を大きくすることにより、周波数が高いほど、周期性振幅スペクトルの周期性が弱くなる。また、他の方法として、周期性振幅スペクトル広帯域化部１４は、関数s(f)にランダム関数を加算することにより、周波数が高いほど、周期性振幅スペクトルの周期性が弱くなるようにしてもよい。例えば、周期性振幅スペクトル広帯域化部１４は、（１３）式において、関数s(f)の代わりに(s(f)+c(f)dT(f))を用い、sin関数内の周波数fの係数を(2π/T)としてもよい。さらに、周期性振幅スペクトル広帯域化部１４は、周波数が高くなるほど周期性振幅スペクトルの周期性が弱まる他の方法を用いることができる。また、例えば、周期性振幅スペクトルがランダム振幅スペクトルよりも小さい場合、周期性振幅スペクトル広帯域化部１４は、高周波数帯域における周期性振幅スペクトルを、周波数によらず、周期Tが維持されるように生成してもよい。
【００４１】
最後に、周期性振幅スペクトル広帯域化部１４は、高周波数帯域における周期性振幅スペクトルをスペクトル合成部１７へ出力する。
【００４２】
ランダム振幅スペクトル広帯域化部１５は、分離部１２から受け取ったランダム振幅スペクトルの周波数帯域を広げる。そのために、ランダム振幅スペクトル広帯域化部１５は、分離部１２から受け取ったランダム振幅スペクトルに基づいて、入力音声信号の周波数帯域の上限よりも高い高周波数帯域におけるランダム振幅スペクトルを生成する。なお、高周波数帯域は、周期性振幅スペクトル広帯域化部１４によって生成される周期性振幅スペクトルの高周波数帯域と等しく、その高周波数帯域は、一例として、4kHz〜8kHzである。
【００４３】
図６は、ランダム振幅スペクトル広帯域化部１５により実行される高周波数帯域ランダム振幅スペクトル生成処理の動作フローチャートである。
ランダム振幅スペクトル広帯域化部１５は、ランダム振幅スペクトルの包絡線を算出する（ステップＳ４０１）。なお、包絡線の算出の具体的な方法は、例えば、周期性振幅スペクトル広帯域化部１４が周期性振幅スペクトルの包絡線を算出する方法と同じとすることができる。具体的には、ランダム振幅スペクトル広帯域化部１５は、ランダム振幅スペクトルの極大点または極小点を求め、それら極大点または極小点の集合に最小二乗法を適用することにより、包絡線を算出できる。
【００４４】
次に、ランダム振幅スペクトル広帯域化部１５は、高周波数帯域におけるランダム振幅スペクトルを、入力音声信号が有する周波数帯域におけるランダム振幅スペクトルの包絡線の傾きを維持するように生成する（ステップＳ４０２）。ランダム振幅スペクトル広帯域化部１５は、例えば、次式に従って高周波数帯域におけるランダム振幅スペクトルを生成できる。
【数１１】
2010286608.tif 000013
ここでPR(f)は、周波数fにおけるランダム振幅スペクトルの強度を表す。また関数sr(f)は、ステップＳ４０１で算出された、ランダム振幅スペクトルの包絡線の関数である。さらに、関数rr(f)はランダム関数である。ランダム関数rr(f)は、再生される音声が自然な音声になるように、高周波数帯域におけるランダム振幅スペクトルの絶対値が包絡線sr(f)の値を超えないランダムな値となるように設定される。例えば、rr(f)の値は-1〜1の範囲に含まれる。
【００４５】
ランダム振幅スペクトル広帯域化部１５は、高周波数帯域におけるランダム振幅スペクトルをスペクトル合成部１７へ出力する。
【００４６】
位相スペクトル広帯域化部１６は、高周波数帯域における周波数スペクトルの位相を決定する。
例えば、位相スペクトル広帯域化部１６は、高周波数帯域に含まれる周波数fに対する位相を、周波数fよりも所定周波数だけ低い周波数に対する位相と同じ値に設定する。所定周波数は、例えば、4kHzとすることができる。あるいは、位相スペクトル広帯域化部１６は、高周波数帯域に含まれる周波数fに対する位相を、入力音声信号が有する周波数帯域に含まれる何れかの周波数に対する位相としてもよい。
【００４７】
ただし、位相スペクトル広帯域化部１６は、時間的に連続するフレーム間で、各周波数に対する位相が連続するように、各周波数に対する位相を決定する。そこで、位相スペクトル広帯域化部１６は、着目フレームの前のフレームについて決定された各周波数に対する位相、周波数及びフレーム長から、着目フレーム開始時の各周波数に対する位相を推定位相として算出する。そして位相スペクトル広帯域化部１６は、推定位相と、着目フレームについて、上記のように決定された各周波数に対する位相との位相差を求める。位相スペクトル広帯域化部１６は、その位相差が所定の範囲を超えていれば、位相差が所定の範囲に含まれるように位相を補正する。
【００４８】
例えば、位相スペクトル広帯域化部１６は、次式に従って、フレームtにおける高周波数帯域に含まれる周波数fに対する位相φ(f,t)を決定する。
【数１２】
2010286608.tif 000014
（１５）式では、原則として、周波数fよりも4kHz低い周波数の位相が、周波数fの位相とされる。なお、周波数fよりも4kHz低い周波数が、入力音声信号に存在しない周波数帯域に含まれる場合、φ(f,t)は任意の値、例えば0に設定される。
【００４９】
また、位相スペクトル広帯域化部１６は、（１６）式に従って、（１５）式により算出された周波数fの位相φ(f,t)と、一つ前のフレーム(t-1)の位相φ(f,t-1)、周波数f及びフレーム長Δtから算出される推定位相との位相差Δφ(f,t)を算出する。そして位相スペクトル広帯域化部１６は、位相差Δφ(f,t)が(π-Δπ)よりも大きい場合、位相φ(f,t)に、オフセット値であるπ/2を減算する。一方、位相スペクトル広帯域化部１６は、位相差Δφ(f,t)が(-π+Δπ)よりも小さい場合、位相φ(f,t)に、オフセット値であるπ/2を加える。なお、Δπは、許容可能な位相差の最大値に相当する値であり、例えば、ユーザが位相のずれによる再生音の不連続性に気づかない位相差の最大値とすることができる。例えば、Δπは、π/2に設定される。
【００５０】
なお、位相スペクトル広帯域化部１６は、最初のフレームについてのみ、高周波数帯域に含まれる周波数fに対する位相を、周波数fよりも所定周波数だけ低い周波数に対する位相と同じ値に設定してもよい。そして位相スペクトル広帯域化部１６は、２番目以降のフレームについて、高周波数帯域に含まれる周波数fに対する位相を、上記の推定位相としてもよい。
位相スペクトル広帯域化部１６は、高周波数帯域における位相スペクトルをスペクトル合成部１７へ出力する。また位相スペクトル広帯域化部１６は、高周波数帯域における位相スペクトルを、次のフレームの位相スペクトルの算出に利用できるように、音声帯域拡張装置１が有するメモリに記憶する。
【００５１】
スペクトル合成部１７は、高周波数帯域における包絡振幅スペクトル、周期性振幅スペクトル、ランダム振幅スペクトル及び位相スペクトルを合成することにより、高周波数帯域における周波数スペクトルを生成する。そしてスペクトル合成部１７は、高周波数帯域における周波数スペクトルと、時間周波数変換部１１から受け取った、入力音声信号が有する周波数帯域の周波数スペクトルを結合することにより、広帯域周波数スペクトルを生成する。
【００５２】
スペクトル合成部１７は、高周波数帯域における周波数スペクトルを、次式に従って合成する。
【数１３】
2010286608.tif 000015
ただし、関数BR(f)は、合成された周波数スペクトルの実部を表し、関数BI(f)は、合成された周波数スペクトルの虚部を表す。また関数PE(f)は、高周波数帯域における包絡振幅スペクトルを表す。また関数PP(f)は、周期性振幅スペクトル広帯域化部１４により生成された、高周波数帯域における周期性振幅スペクトルを表す。さらにPR(f)は、ランダム振幅スペクトル広帯域化部１５により生成された、高周波数帯域におけるランダム振幅スペクトルを表す。さらにφ(f)は、位相スペクトル広帯域化部１６により生成された、高周波数帯域における位相スペクトルを表す。
スペクトル合成部１７は、生成した広帯域周波数スペクトルを周波数時間変換部１８へ出力する。
【００５３】
周波数時間変換部１８は、スペクトル合成部１７から受け取った広帯域周波数スペクトルを周波数時間変換することにより、擬似的に周波数帯域が拡張された音声信号を生成する。なお、周波数時間変換部１８が実行する周波数時間変換は、時間周波数変換部１１が実行する時間周波数変換の逆変換である。
そして周波数時間変換部１８は、生成した音声信号を出力する。
【００５４】
図７は、１フレーム長の音声信号に対して音声帯域拡張装置１により実行される音声帯域拡張処理の動作フローチャートである。なお、音声帯域拡張装置１は、図７に示される音声帯域拡張処理を、入力音声信号に含まれるフレームの数だけ繰り返し実行する。
まず、時間周波数変換部１１は、バッファメモリ１０から読み出した入力音声信号を、所定のフレーム単位で時間周波数変換することにより、入力音声信号の周波数スペクトルを算出する（ステップＳ５０１）。そして時間周波数変換部１１は、フレーム単位で周波数スペクトルを算出する度に、その算出された周波数スペクトルを分離部１２及びスペクトル合成部１７へ出力する。
【００５５】
分離部１２は、時間周波数変換部１１から周波数スペクトルを受け取る度に、その周波数スペクトルから、包絡振幅スペクトルと、周期性振幅スペクトルと、ランダム振幅スペクトルと、位相スペクトルとを抽出する（ステップＳ５０２）。分離部１２は、包絡振幅スペクトルを包絡振幅スペクトル広帯域化部１３へ渡す。また分離部１２は、元の周波数スペクトル及び周期性振幅スペクトルと、ケプストラムの最大値及びその最大値に対応するケフレンシーQmaxを周期性振幅スペクトル広帯域化部１４へ渡す。さらに分離部１２は、ランダム振幅スペクトルをランダム振幅スペクトル広帯域化部１５へ渡す。そして分離部１２は、元の周波数スペクトル及び位相スペクトルを位相スペクトル広帯域化部１６へ渡す。
【００５６】
ステップＳ５０２の後、包絡振幅スペクトル広帯域化部１３は、分離部１２から受け取った包絡振幅スペクトルに基づいて、入力音声信号が含まれる周波数帯域の上限値よりも高い高周波数帯域における包絡振幅スペクトルを生成する（ステップＳ５０３）。そして包絡振幅スペクトル広帯域化部１３は、高周波数帯域における包絡振幅スペクトルをスペクトル合成部１７へ出力する。
また、周期性振幅スペクトル広帯域化部１４は、分離部１２から受け取った周期性振幅スペクトルに基づいて、高周波数帯域における周期性振幅スペクトルを生成する（ステップＳ５０４）。そして周期性振幅スペクトル広帯域化部１４は、高周波数帯域における周期性振幅スペクトルをスペクトル合成部１７へ出力する。
【００５７】
さらに、ランダム振幅スペクトル広帯域化部１５は、分離部１２から受け取ったランダム振幅スペクトルに基づいて、高周波数帯域におけるランダム振幅スペクトルを生成する（ステップＳ５０５）。そしてランダム振幅スペクトル広帯域化部１５は、高周波数帯域におけるランダム振幅スペクトルをスペクトル合成部１７へ出力する。
また、位相スペクトル広帯域化部１６は、分離部１２から受け取った位相スペクトルに基づいて、高周波数帯域の位相スペクトルを生成する（ステップＳ５０６）。そしてランダム振幅スペクトル広帯域化部１５は、生成した高周波数帯域の位相スペクトルをスペクトル合成部１７へ出力する。
【００５８】
ステップＳ５０６の後、スペクトル合成部１７は、高周波数帯域の包絡振幅スペクトル、周期性振幅スペクトル、ランダム振幅スペクトル及び位相スペクトルを合成することにより、高周波数帯域における周波数スペクトルを合成する（ステップＳ５０７）。そしてスペクトル合成部１７は、入力音声信号が有する周波数帯域における周波数スペクトルと高周波数帯域における周波数スペクトルを結合することにより、広帯域周波数スペクトルを生成する（ステップＳ５０８）。スペクトル合成部１７は、広帯域周波数スペクトルを周波数時間変換部１８へ出力する。
【００５９】
最後に、周波数時間変換部１８は、スペクトル合成部１７から受け取った広帯域周波数スペクトルを周波数時間変換することにより、擬似的に周波数帯域が拡大された音声信号を生成する（ステップＳ５０９）。
なお、音声帯域拡張装置１は、上記のステップＳ５０３〜５０６の処理の実行順序を入れ替えてもよい。あるいは音声帯域拡張装置１は、上記のステップＳ５０３〜５０６の処理を並列に実行してもよい。
【００６０】
以上に説明してきたように、この音声帯域拡張装置は、入力音声信号の周波数スペクトルから、包絡振幅スペクトル、周期性振幅スペクトル、ランダム振幅スペクトル及び位相スペクトルをそれぞれ抽出し、各スペクトルをそれらの特徴に応じて別個に広帯域化する。そのため、この音声帯域拡張装置は、入力音声信号が有する周波数帯域における各スペクトルの特徴を保ったまま、各振幅スペクトルを広帯域化できる。さらにこの音声帯域拡張装置は、連続するフレーム間で高周波数帯域に含まれる各周波数に対する周波数スペクトルの位相の不連続性を抑制するので、再生音声が不連続になることを防止できる。したがって、この音声帯域拡張装置は、再生音声の音質を向上することができる。
【００６１】
なお、他の実施形態によれば、再生音声の不連続性がユーザにとって許容可能な範囲に収まると想定される場合、音声帯域拡張装置は、位相スペクトル広帯域化部を有さなくてもよい。この場合、音声帯域拡張装置の分離部は、周波数スペクトルから位相スペクトルを算出しない。その代わり、音声帯域拡張装置のスペクトル合成部は、例えば、高周波数帯域に含まれる各周波数に対する周波数スペクトルの位相を所定の設定値としてもよい。
【００６２】
図８は、上述した音声帯域拡張装置が組み込まれた電話機の概略構成図である。電話機１００は、制御部１０１と、ベースバンド処理部１０２と、呼制御部１０３と、通信部１０４と、アンテナ１０５と、マイクロフォン１０６と、スピーカ１０７を有する。このうち、制御部１０１、ベースバンド処理部１０２、呼制御部１０３及び通信部１０４は、それぞれ、別個の回路であってもよく、あるいは、これらの各部は、それら回路が集積された一つの集積回路であってもよい。
【００６３】
制御部１０１は、電話機１００全体を制御する。そして制御部１０１は、電話機１００で動作する各種のアプリケーションプログラムを実行する。そのために、制御部１０１は、プロセッサと不揮発性メモリ及び揮発性メモリを有する。そして制御部１０１は、電話機１００が有するキーパッドなどの操作部（図示せず）を介したユーザの操作により、電話などの通信を行うアプリケーションが起動されると、そのアプリケーションにしたがって呼制御部１０３を動作させる。
【００６４】
また制御部１０１は、マイクロホン１０６から取得した音声信号に対して情報源符号化処理を実行する。そして制御部１０１は、得られた信号をアップリンク信号としてベースバンド処理部１０２に渡す。また制御部１０１は、ベースバンド処理部１０２からダウンリンク信号を受け取ると、情報源符号化された音声信号を復号する。
さらに、制御部１０１は、上述した音声帯域拡張装置１を有する。そして制御部１０１は、復号された音声信号に対して、周波数帯域を拡張する処理を実行する。そして制御部１０１は、スピーカ１０７に、周波数帯域が拡張された音声信号を再生させる。
【００６５】
ベースバンド処理部１０２は、制御部１０１からアップリンク信号を受け取り、そのアップリンク信号に対して畳込み符号化あるいはターボ符号化などの誤り訂正用符号化処理及び拡散処理などの送信処理を実行し、その符号化されたアップリンク信号を通信部１０４へ出力する。
またベースバンド処理部１０２は、通信部１０４から受け取ったダウンリンク信号に対して、逆拡散処理及び誤り訂正復号処理などの受信処理を実行する。そしてベースバンド処理部１０２は、受信処理が施されたダウンリンク信号を制御部１０１へ出力する。
【００６６】
呼制御部１０３は、電話機１００と基地局装置との間における、呼び出し、応答、切断などの呼制御処理を実行する。そして呼制御部１０３は、その呼制御処理の結果に応じて、ベースバンド処理部１０２に対して動作の開始または終了を指示する。
【００６７】
通信部１０４は、ベースバンド処理部１０２から受信した、符号化されたアップリンク信号に対してDifferential Quadrature Phase Shift Keying（DQPSK）などの直交変調処理を行う。通信部１０４は、直交変調されたアップリンク信号を、無線周波数を持つ搬送波に重畳する。そして通信部１０４は、搬送波に重畳されたアップリンク信号を増幅し、その増幅されたアップリンク信号をアンテナ１０５を介して送信する。
また通信部１０４は、基地局から発信されたダウンリンク信号をアンテナ１０５を介して受信する。そして通信部１０４は、受信したダウンリンク信号を増幅する。そして、通信部１０４は、増幅されたダウンリンク信号を復調する。そして通信部１０４は、復調されたダウンリンク信号をベースバンド処理部１０２に渡す。
【００６８】
このように、本実施形態に係る音声帯域拡張装置が組み込まれた電話機は、受信した音声信号の周波数帯域を擬似的に拡張するので、再生される音声の品質を向上することができる。特に、この電話機は、受信した音声信号の周波数スペクトルから、包絡振幅スペクトル、周期性振幅スペクトル、ランダム振幅スペクトル及び位相スペクトルをそれぞれ抽出し、各スペクトルをそれらの特徴に応じて別個に広帯域化する。そのため、この電話機は、音声信号が有する周波数帯域における各スペクトルの特徴を保ったまま、各振幅スペクトルを広帯域化できる。さらにこの電話機は、連続するフレーム間で高周波数帯域に含まれる各周波数に対する周波数スペクトルの位相の不連続性を抑制するので、再生音声が不連続になることを防止できる。したがって、この電話機は、再生音声の音質を向上することができる。
【００６９】
ここに挙げられた全ての例及び特定の用語は、読者が、本発明及び当該技術の促進に対する本発明者により寄与された概念を理解することを助ける、教示的な目的において意図されたものであり、本発明の優位性及び劣等性を示すことに関する、本明細書の如何なる例の構成、そのような特定の挙げられた例及び条件に限定しないように解釈されるべきものである。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、本発明の精神及び範囲から外れることなく、様々な変更、置換及び修正をこれに加えることが可能であることを理解されたい。
【００７０】
以上説明した実施形態及びその変形例に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
第１の周波数帯域を有する音声信号を、所定の時間長を有するフレームごとに時間周波数変換することにより、該音声信号の周波数スペクトルを算出する時間周波数変換部と、
前記周波数スペクトルから、該周波数スペクトルの包絡振幅スペクトルと、周波数に対して周期的にスペクトル強度が変動する周期性振幅スペクトルと、周波数に対してランダムにスペクトル強度が変動するランダム振幅スペクトルとを抽出する分離部と、
前記包絡振幅スペクトルが有する周波数帯域を前記第１の周波数帯域と異なる第２の周波数帯域まで拡張することにより、前記包絡振幅スペクトルを広帯域化する包絡振幅スペクトル広帯域化部と、
前記周期性振幅スペクトルが有する周波数帯域を前記第２の周波数帯域まで拡張することにより、前記周期性振幅スペクトルを広帯域化する周期性振幅スペクトル広帯域化部と、
前記ランダム振幅スペクトルが有する周波数帯域を前記第２の周波数帯域まで拡張することにより、前記ランダム振幅スペクトルを広帯域化するランダム振幅スペクトル広帯域化部と、
前記広帯域化された包絡振幅スペクトルと、前記広帯域化された周期性振幅スペクトルと、前記広帯域化されたランダム振幅スペクトルを合成することにより、前記第１の周波数帯域及び前記第２の周波数帯域を有する広帯域周波数スペクトルを合成する広帯域スペクトル算出部と、
前記広帯域周波数スペクトルを周波数時間変換することにより、前記第１の周波数帯域及び前記第２の周波数帯域を有する音声信号を生成する周波数時間変換部と、
を有する音声帯域拡張装置。
（付記２）
前記周期性振幅スペクトル広帯域化部は、前記第１の周波数帯域における周期性振幅スペクトルの包絡線を算出し、前記第２の周波数帯域においても当該包絡線を維持するように前記周期性振幅スペクトルを広帯域化する、付記１に記載の音声帯域拡張装置。
（付記３）
前記周期性振幅スペクトル広帯域化部は、前記第２の周波数帯域において周波数が高くなるほど前記広帯域化された周期性振幅スペクトルの周波数に対する周期性を弱くする、付記１または２に記載の音声帯域拡張装置。
（付記４）
前記ランダム振幅スペクトル広帯域化部は、前記第１の周波数帯域におけるランダム振幅スペクトルの包絡線を算出し、前記第２の周波数帯域においても当該包絡線を維持するように前記ランダム振幅スペクトルを広帯域化する、付記１〜３の何れか一項に記載の音声帯域拡張装置。
（付記５）
前記第１の周波数帯域に含まれる各周波数に対する前記周波数スペクトルの位相を表す位相スペクトルが有する周波数帯域を前記第２の周波数帯域にまで拡張することにより、前記位相スペクトルを広帯域化する位相スペクトル広帯域化部をさらに有し、
前記広帯域スペクトル算出部は、前記広帯域化された包絡振幅スペクトルと、前記広帯域化された周期性振幅スペクトルと、前記広帯域化されたランダム振幅スペクトルと、前記広帯域化された位相スペクトルを合成することにより、前記広帯域周波数スペクトルを合成する、付記１〜４の何れか一項に記載の音声帯域拡張装置。
（付記６）
前記位相スペクトル広帯域化部は、第１のフレームにおける前記第２の周波数帯域に含まれる所定の周波数に対する前記周波数スペクトルの位相を、前記第１のフレームよりも前の第２のフレームにおいて決定された当該所定の周波数に対する前記周波数スペクトルの位相、当該所定の周波数及びフレーム長から算出される、前記第１のフレームの開始時点における位相と連続するように決定する、付記５に記載の音声帯域拡張装置。
（付記７）
第１の周波数帯域を有する音声信号を、所定の時間長を有するフレームごとに時間周波数変換することにより、該音声信号の周波数スペクトルを算出し、
前記周波数スペクトルから、該周波数スペクトルの包絡振幅スペクトルと、周波数に対して周期的にスペクトル強度が変動する周期性振幅スペクトルと、周波数に対してランダムにスペクトル強度が変動するランダム振幅スペクトルとを抽出し、
前記包絡振幅スペクトルが有する周波数帯域を前記第１の周波数帯域と異なる第２の周波数帯域まで拡張することにより、前記包絡振幅スペクトルを広帯域化し、
前記周期性振幅スペクトルが有する周波数帯域を前記第２の周波数帯域まで拡張することにより、前記周期性振幅スペクトルを広帯域化し、
前記ランダム振幅スペクトルが有する周波数帯域を前記第２の周波数帯域まで拡張することにより、前記ランダム振幅スペクトルを広帯域化し、
前記広帯域化された包絡振幅スペクトルと、前記広帯域化された周期性振幅スペクトルと、前記広帯域化されたランダム振幅スペクトルを合成することにより、前記第１の周波数帯域及び前記第２の周波数帯域を有する広帯域周波数スペクトルを合成し、
前記広帯域周波数スペクトルを周波数時間変換することにより、前記第１の周波数帯域及び前記第２の周波数帯域を有する音声信号を生成する、
ことを含む音声帯域拡張方法。
（付記８）
第１の周波数帯域を有する音声信号を、所定の時間長を有するフレームごとに時間周波数変換することにより、該音声信号の周波数スペクトルを算出し、
前記周波数スペクトルから、該周波数スペクトルの包絡振幅スペクトルと、周波数に対して周期的にスペクトル強度が変動する周期性振幅スペクトルと、周波数に対してランダムにスペクトル強度が変動するランダム振幅スペクトルとを抽出し、
前記包絡振幅スペクトルが有する周波数帯域を前記第１の周波数帯域と異なる第２の周波数帯域まで拡張することにより、前記包絡振幅スペクトルを広帯域化し、
前記周期性振幅スペクトルが有する周波数帯域を前記第２の周波数帯域まで拡張することにより、前記周期性振幅スペクトルを広帯域化し、
前記ランダム振幅スペクトルが有する周波数帯域を前記第２の周波数帯域まで拡張することにより、前記ランダム振幅スペクトルを広帯域化し、
前記広帯域化された包絡振幅スペクトルと、前記広帯域化された周期性振幅スペクトルと、前記広帯域化されたランダム振幅スペクトルを合成することにより、前記第１の周波数帯域及び前記第２の周波数帯域を有する広帯域周波数スペクトルを合成し、
前記広帯域周波数スペクトルを周波数時間変換することにより、前記第１の周波数帯域及び前記第２の周波数帯域を有する音声信号を生成する、
ことをコンピュータに実行させる音声帯域拡張用コンピュータプログラム。
（付記９）
第１の周波数帯域を有する符号化された音声信号を受信する通信部と、
前記音声信号を復号するベースバンド処理部と、
前記音声信号を広帯域化する制御部であって、
前記音声信号を、所定の時間長を有するフレームごとに時間周波数変換することにより、該音声信号の周波数スペクトルを算出し、
前記周波数スペクトルから、該周波数スペクトルの包絡振幅スペクトルと、周波数に対して周期的にスペクトル強度が変動する周期性振幅スペクトルと、周波数に対してランダムにスペクトル強度が変動するランダム振幅スペクトルとを抽出し、
前記包絡振幅スペクトルが有する周波数帯域を前記第１の周波数帯域と異なる第２の周波数帯域まで拡張することにより、前記包絡振幅スペクトルを広帯域化し、
前記周期性振幅スペクトルが有する周波数帯域を前記第２の周波数帯域まで拡張することにより、前記周期性振幅スペクトルを広帯域化し、
前記ランダム振幅スペクトルが有する周波数帯域を前記第２の周波数帯域まで拡張することにより、前記ランダム振幅スペクトルを広帯域化し、
前記広帯域化された包絡振幅スペクトルと、前記広帯域化された周期性振幅スペクトルと、前記広帯域化されたランダム振幅スペクトルを合成することにより、前記第１の周波数帯域及び前記第２の周波数帯域を有する広帯域周波数スペクトルを合成し、
前記広帯域周波数スペクトルを周波数時間変換することにより、前記第１の周波数帯域及び前記第２の周波数帯域を有する広帯域音声信号を生成する、
制御部と、
前記広帯域化音声信号を再生するスピーカと、
を有する電話機。
【符号の説明】
【００７１】
１    音声帯域拡張装置
１０    バッファメモリ
１１    時間周波数変換部
１２    分離部
１３    包絡振幅スペクトル広帯域化部
１４    周期性振幅スペクトル広帯域化部
１５    ランダム振幅スペクトル広帯域化部
１６    位相スペクトル広帯域化部
１７    スペクトル合成部
１８    周波数時間変換部
１００    電話機
１０１    制御部
１０２    ベースバンド処理部
１０３    呼制御部
１０４    通信部
１０５    アンテナ
１０６    マイクロフォン
１０７    スピーカ
【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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