(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の帯域に制限された入力信号に基づいて基本周波数の高さを分析する基本周波数分析部と、
前記入力信号に基づいて前記第１の帯域以外の第２の帯域を含む信号を生成する帯域外成分生成部と、
前記基本周波数が高い場合の方が前記基本周波数が低い場合よりも入力信号と第２の帯域を含む信号とのパワーの差が小さくなるように前記第２の帯域の周波数特性を制御する周波数特性制御部と、
前記帯域外成分生成部により生成された前記第２の帯域を含む信号に対して、前記周波数特性制御部による前記第２の帯域の周波数特性を反映させて、前記第２の帯域を含む周波数特性調整済みの信号を生成する帯域外成分調整部と、
前記入力信号と前記帯域外成分調整部により生成された前記第２の帯域を含む周波数特性調整済みの信号とを合成する信号合成部と、
を備えることを特徴とする帯域拡張装置。
【請求項２】
前記第２の帯域の周波数特性が０ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１に記載の帯域拡張装置。
【請求項３】
前記第１の帯域と前記第２の帯域との境界における増幅量が０ｄＢであることを特徴とする請求項１に記載の帯域拡張装置。
【請求項４】
前記第２の帯域の周波数特性が周波数に比例する関数であることを特徴とする請求項１に記載の帯域拡張装置。
【請求項５】
前記周波数特性制御部は、前記基本周波数が低い場合の減衰量を前記基本周波数が高い場合の減衰量以上とするように、前記第２の帯域の周波数特性を制御することを特徴とする請求項１に記載の帯域拡張装置。
【請求項６】
第１の帯域に制限された入力信号に基づいて基本周波数の高さを分析する基本周波数分析ステップと、
前記入力信号に基づいて前記第１の帯域以外の第２の帯域を含む信号を生成する帯域外成分生成ステップと、
前記基本周波数分析ステップで分析された前記基本周波数が高い場合の方が前記基本周波数が低い場合よりも入力信号と第２の帯域を含む信号とのパワーの差が小さくなるように前記第２の帯域の周波数特性を制御する周波数特性制御ステップと、
前記帯域外成分生成ステップで生成された前記第２の帯域を含む信号に対して、前記周波数特性制御ステップで制御された前記第２の帯域の周波数特性を反映させて、前記第２の帯域を含む周波数特性調整済みの信号を生成する帯域外成分調整ステップと、
前記入力信号と前記帯域外成分調整ステップで生成された前記第２の帯域を含む周波数特性調整済みの信号とを合成する信号合成ステップと、
を含むことを特徴とする帯域拡張方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、帯域拡張装置および帯域拡張方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固定電話システムや携帯電話システムなど、音声による通話を行うシステムでは、通常、帯域制限された音声信号が送・受信される。ここで、音声信号の高音質化を目的とし、帯域制限された音声信号の帯域を拡張する技術がある。例えば、デジタル変換された信号の折り返し信号を生成し、有声区間では遮断周波数が低く、無声区間では遮断周波数が高いローパスフィルタを切り替えて折り返し信号の帯域制限を行うことで、無声音区間でより高域まで帯域を拡張する技術がある。また、狭帯域信号と、狭帯域の下限周波数を遮断周波数とするローパスフィルタ処理によって得た低周波数の信号と、狭帯域信号の周期および振幅情報から音源波形を生成し、ハイパスフィルタ処理によって得た高周波帯の信号と、無声音の高周波成分信号と、を加算することにより広帯域の音声信号を得る技術がある。また、狭帯域信号の基本周波数を抽出し、狭帯域信号の線形予測分析によって線形予測残差信号を求め、この線形予測残差信号を基本周波数の整数倍だけ周波数軸方向にシフトして、線形予測合成することにより帯域拡張した信号を得、狭帯域信号と帯域拡張された信号とを加算して広帯域の音声信号を得る技術がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−８２６８５号公報
【特許文献２】特開平９−２５８７８７号公報
【特許文献３】特開平９−５５７７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１および図２に、帯域制限された音声信号の低域成分から高域成分を理想的に推定できた場合の音声信号のスペクトル（すなわち広帯域音声のスペクトル）の一例を示す。図１は基本周波数が高い（３４５Ｈｚ）場合の広帯域音声のスペクトルであり、図２は基本周波数が低い（１２５Ｈｚ）場合の図である。基本周波数は、平均的に男性で１００Ｈｚ程度であり、女性で２００Ｈｚ以上であるといわれている。図１と図２とを比較すると明らかなように、広帯域音声には、基本周波数が高いと高域と低域との音量差（パワーの差）が小さく、基本周波数が低いと高域と低域との音量差が大きいという特徴がある。本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、この特徴を見出した。
【０００５】
しかしながら、従来の帯域拡張技術では、図１および図２に示す特徴が考慮されていない。つまり、従来は、基本周波数が高くても低くても同じように高域の成分を生成するため、次のような問題が発生する。低域と同程度の音量の高域成分を生成する構成では、基本周波数が低い場合に、生成した高域成分の音量が理想的な音量よりも大きすぎてしまい、音質が劣化してしまう。一方、低域よりも小さな音量の高域成分を生成する構成では、基本周波数が高い場合に、生成した高域成分の音量が理想的な音量よりも小さすぎてしまい、十分な帯域拡張効果を得ることができない。すなわち、高音質の音声を再生することができない。
【０００６】
高音質の音声を再生することができる帯域拡張装置および帯域拡張方法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】
【０００７】
帯域拡張装置は、基本周波数分析部、帯域外成分生成部、周波数特性制御部、帯域外成分調整部および信号合成部を備えている。基本周波数分析部は、第１の帯域に制限された入力信号に基づいて基本周波数の高さを分析する。帯域外成分生成部は、入力信号に基づいて第１の帯域以外の第２の帯域を含む信号を生成する。周波数特性制御部は、基本周波数が高い場合の方が低い場合よりも入力信号と第２の帯域を含む信号とのパワーの差が小さくなるように第２の帯域の周波数特性を制御する。帯域外成分調整部は、帯域外成分生成部により生成された第２の帯域を含む信号に対して、周波数特性制御部による第２の帯域の周波数特性を反映させて、第２の帯域を含む周波数特性調整済みの信号を生成する。信号合成部は、入力信号と帯域外成分調整部により生成された第２の帯域を含む周波数特性調整済みの信号とを合成する。
【発明の効果】
【０００８】
開示の帯域拡張装置および帯域拡張方法によれば、高音質の音声を再生することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】基本周波数が高い場合の理想的な広帯域音声スペクトルの一例を示す特性図である。
【図２】基本周波数が低い場合の理想的な広帯域音声スペクトルの一例を示す特性図である。
【図３】実施例１にかかる帯域拡張装置を示すブロック図である。
【図４】実施例１にかかる帯域拡張方法を示すフローチャートである。
【図５】実施例２にかかる帯域拡張装置を適用した携帯電話機を示すブロック図である。
【図６】実施例２にかかる帯域拡張装置のハードウェア構成を示すブロック図である。
【図７】実施例２にかかる帯域拡張装置の機能的構成を示すブロック図である。
【図８】実施例２にかかる帯域拡張装置により生成された高域成分を示す図である。
【図９】実施例２にかかる帯域拡張装置においてｆ0からαを求める関係式を表すグラフである。
【図１０】実施例２にかかる帯域拡張装置により制御された周波数特性を示す図である。
【図１１】実施例２にかかる帯域拡張装置により合成された出力スペクトルを示す図である。
【図１２】実施例２にかかる帯域拡張方法を示すフローチャートである。
【図１３】実施例３にかかる帯域拡張装置の機能的構成を示すブロック図である。
【図１４】実施例３にかかる帯域拡張装置においてｆ0からｆcを求める関係式を表すグラフである。
【図１５】実施例３にかかる帯域拡張装置においてｆcからＧ（ｆ）を求める関係式を表すグラフである。
【図１６】実施例３にかかる帯域拡張方法を示すフローチャートである。
【図１７】実施例４にかかる帯域拡張装置の機能的構成を示すブロック図である。
【図１８】実施例４にかかる帯域拡張装置においてｆ0からＧLを求める関係式を表すグラフである。
【図１９】実施例４にかかる帯域拡張装置においてＧLに基づいてＧ（ｆ）を求める関係式を表すグラフである。
【図２０】実施例４にかかる帯域拡張方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、この発明にかかる帯域拡張装置および帯域拡張方法の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。帯域拡張装置および帯域拡張方法は、帯域制限された入力信号の基本周波数が高い場合の方が低い場合よりも入力信号と拡張された帯域を含む信号とのパワーの差が小さくなるように、拡張される帯域の周波数特性を制御することで、高音質の音声を再生するものである。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【００１１】
（実施例１）
・帯域拡張装置の説明
図３は、実施例１にかかる帯域拡張装置を示すブロック図である。図３に示すように、帯域拡張装置は、基本周波数分析部１、帯域外成分生成部２、周波数特性制御部３、帯域外成分調整部４および信号合成部５を備えている。これらの各部は、例えば後述する帯域拡張方法をプロセッサに実行させる帯域拡張プログラムをプロセッサが実行することにより実現される。帯域拡張装置には、第１の帯域に制限された狭帯域の入力信号が入力する。基本周波数分析部１は、入力信号に基づいて基本周波数の高さを分析する。帯域外成分生成部２は、入力信号に基づいて第２の帯域を含む信号を生成する。第２の帯域は、第１の帯域以外の帯域であって、第１の帯域に対して周波数の高い帯域であってもよいし、第１の帯域に対して周波数の低い帯域であってもよい。
【００１２】
周波数特性制御部３は、基本周波数が高い場合の方が低い場合よりも入力信号と第２の帯域を含む信号とのパワーの差が小さくなるように第２の帯域の周波数特性を制御する。帯域外成分調整部４は、帯域外成分生成部２により生成された第２の帯域を含む信号に対して、周波数特性制御部３による第２の帯域の周波数特性を反映させて、第２の帯域を含む周波数特性調整済みの信号を生成する。信号合成部５は、入力信号と帯域外成分調整部４により生成された第２の帯域を含む周波数特性調整済みの信号とを合成する。信号合成部５により合成された信号は、帯域拡張装置の出力信号として出力される。この出力信号の帯域は、第１の帯域と第２の帯域とを合わせた広帯域となる。
【００１３】
・帯域拡張方法の説明
図４は、実施例１にかかる帯域拡張方法を示すフローチャートである。図４に示すように、帯域拡張処理が開始されると、まず、帯域拡張装置は、基本周波数分析部１により、入力信号に基づいて基本周波数の高さを分析する（ステップＳ１）。また、帯域拡張装置は、帯域外成分生成部２により、入力信号に基づいて第２の帯域を含む信号を生成する（ステップＳ２）。ステップＳ１およびステップＳ２の処理順序は問わない。
【００１４】
次いで、帯域拡張装置は、周波数特性制御部３により、基本周波数が高い場合の方が低い場合よりも入力信号と第２の帯域を含む信号とのパワーの差が小さくなるように第２の帯域の周波数特性を制御する（ステップＳ３）。次いで、帯域拡張装置は、帯域外成分調整部４により、第２の帯域を含む信号に対して第２の帯域の周波数特性を反映させて、第２の帯域を含む周波数特性調整済みの信号を生成する（ステップＳ４）。次いで、帯域拡張装置は、信号合成部５により、入力信号と第２の帯域を含む周波数特性調整済みの信号とを合成し（ステップＳ５）、一連の帯域拡張処理を終了する。
【００１５】
実施例１によれば、入力信号の基本周波数が高い場合に、入力信号と拡張された第２の帯域を含む信号とのパワーの差（音量差）が小さくなるので、図１に示す理想的な広帯域音声スペクトル例に近いスペクトルが得られる。また、入力信号の基本周波数が低い場合に、入力信号と拡張された第２の帯域を含む信号とのパワーの差（音量差）が大きくなるので、図２に示す理想的な広帯域音声スペクトル例に近いスペクトルが得られる。つまり、入力信号の基本周波数に応じて第２の帯域の周波数特性を制御することによって、高音質の音声を再生することができる。
【００１６】
（実施例２）
実施例２は、帯域拡張装置を携帯電話機に適用したものである。なお、帯域拡張装置は、携帯電話機に限らず、固定電話システムの電話機などの音声による通話を行う装置に適用することができる。実施例２では、帯域制限された入力信号から高域成分を生成し、この高域成分と入力信号とを合成して帯域を拡張する場合について説明する。入力信号の帯域は第１の帯域に相当し、高域成分の帯域は第２の帯域に相当する。
【００１７】
図５は、実施例２にかかる帯域拡張装置を適用した携帯電話機を示すブロック図である。図５に示すように、携帯電話機は、デコード部１１、帯域拡張装置１２、デジタルアナログ変換部（Ｄ／Ａ）１３、アンプ１４およびスピーカ１５を備えている。図５には、受信した音声信号の帯域を拡張して音声を再生する部分の構成が示されている。図５では、音声を送信データに変換する部分や、通信関係、表示関係および操作関係などの音声処理に関与しない部分の構成については省略されている。
【００１８】
デコード部１１は、受信信号を復調および復号して、例えば８ｋＨｚの帯域の信号を出力する。帯域拡張装置１２は、デコード部１１の出力信号の帯域を拡張して例えば１６ｋＨｚの帯域の信号を出力する。デジタルアナログ変換部１３は、帯域拡張装置１２の出力信号をアナログ信号に変換する。アンプ１４は、デジタルアナログ変換部１３の出力信号を増幅する。スピーカ１５は、デジタルアナログ変換部１３の出力信号を音声に変えて出力する。
【００１９】
・帯域拡張装置の説明
図６は、実施例２にかかる帯域拡張装置のハードウェア構成を示すブロック図である。図６に示すように、帯域拡張装置１２は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ、中央処理装置）２１、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ、ランダムアクセスメモリ）２２およびＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ、読み出し専用メモリ）２３を備えている。各構成部はバス２４に接続されている。
【００２０】
ＲＯＭ２３は、後述する帯域拡張方法をＣＰＵ２１に実行させる帯域拡張処理プログラムを記憶している。ＲＡＭ２２は、ＣＰＵ２１のワークエリアとして使用される。ＲＡＭ２２は、デコード部１１の出力信号からなるデータを格納する。ＣＰＵ２１は、ＲＯＭ２３から読み出した帯域拡張処理プログラムをＲＡＭ２２に展開し、帯域拡張処理プロセスを実行する。
【００２１】
図７は、実施例２にかかる帯域拡張装置の機能的構成を示すブロック図である。図７に示すように、帯域拡張装置１２は、高速フーリエ変換部（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）３１、パワースペクトル算出部３２および帯域外成分生成部としての高域成分生成部３３を備えている。高速フーリエ変換部３１は、入力信号ｘ（ｎ）に対して高速フーリエ変換処理（例えば２５６点）を行い、入力スペクトルＸ（ｆ）を求める。ｎはサンプル番号であり、ｆは周波数番号である。
【００２２】
パワースペクトル算出部３２は、例えば次の（１）式に従って入力スペクトルＸ（ｆ）からパワースペクトルＳ（ｆ）を算出する。高域成分生成部３３は、例えば次の（２）式に従って周波数番号６４から１２７までの入力スペクトルＸ（ｆ）を周波数番号１２８以降の高域側にシフトして高域スペクトルＸh（ｆ）を生成する。図８は、高域成分生成部により生成された高域成分を示す図である。図８に示すように、高域成分生成部３３は、単純に入力信号（二点鎖線で示す）を高域側にシフトしただけである。この時点では、高域成分（実線で示す）の減衰特性は調整されていない。
【００２３】
【数１】
0005598536.tif 000002
【００２４】
【数２】
0005598536.tif 000003
【００２５】
また、帯域拡張装置１２は、基本周波数分析部３４、周波数特性制御部３５および帯域外成分調整部としての高域成分調整部３６を備えている。基本周波数分析部３４は、例えば次の（３）式に従ってパワースペクトルＳ（ｆ）の自己相関から基本周波数ｆ0を求める。
【００２６】
【数３】
0005598536.tif 000004
【００２７】
周波数特性制御部３５は、例えば図９に示すようなグラフで表される関係式に従って基本周波数ｆ0から高域の減衰特性の傾きαを求める。図９は、ｆ0からαを求める関係式をグラフ化したものである。図９において、周波数番号４は１２５Ｈｚに対応しており、例えば男性の一般的な基本周波数（１５０Ｈｚ程度）に対応している。周波数番号８は２５０Ｈｚに対応しており、例えば女性の一般的な基本周波数（３００Ｈｚ程度）に対応している。基本周波数ｆ0は、この１２５Ｈｚから２５０Ｈｚを含む範囲およびその近辺で変動する。
【００２８】
図９によれば、基本周波数ｆ0が周波数番号４以下である場合は、αは例えば−１２ｄＢ／ｋＨｚで一定である。基本周波数ｆ0が周波数番号４以上８以下である場合は、αは例えば一定の傾きで０ｄＢ／ｋＨｚに近づく。基本周波数ｆ0が周波数番号８以上である場合は、αは例えば０ｄＢ／ｋＨｚで一定である。なお、図９の縦軸および横軸の数値は一例である。周波数特性制御部３５は、例えば次の（４）式に従って高域の減衰特性の傾きαから高域の減衰特性Ｇ（ｆ）を算出する。（４）式のｆに０を代入すると、周波数番号１２８の減衰特性Ｇ（ｆ）は０ｄＢとなる。つまり、入力信号の帯域と高域成分の帯域との境界における増幅量は０ｄＢとなる。
【００２９】
【数４】
0005598536.tif 000005
【００３０】
図１０は、周波数特性制御部により制御された周波数特性を示す図である。図１０に示すように、入力信号の帯域の増幅量は０ｄＢである。高域成分の帯域では、上述したように入力信号の帯域との境界での増幅量が０ｄＢであり、それよりも高域側での増幅量は０ｄＢ以下である。高域成分の帯域では、周波数が高くなるにつれて上述した高域の減衰特性の傾きαで減衰量が大きくなる。つまり、図１０に示す例では、高域成分の帯域の減衰特性は、周波数に比例する関数である。
【００３１】
また、図９を参照しながら説明したように、基本周波数ｆ0が高いほど高域の減衰特性の傾きαが小さくなるので、図１０に示す高域成分の帯域における直線の傾きは緩やかになる。一方、基本周波数ｆ0が低いほど高域の減衰特性の傾きαが大きくなるので、図１０に示す高域成分の帯域における直線の傾きが急峻になる。従って、高域成分の帯域では、基本周波数ｆ0が低い場合の減衰量が、基本周波数ｆ0が高い場合の減衰量以上となる。なお、図１０の縦軸の数値は一例である。
【００３２】
高域成分調整部３６は、例えば次の（５）式に示すように、高域成分生成部３３で生成された高域スペクトルＸh（ｆ）に周波数特性制御部３５により制御された高域の減衰特性Ｇ（ｆ）を乗算して、周波数特性調整後の高域スペクトルＸ'h（ｆ）を生成する。
【００３３】
【数５】
0005598536.tif 000006
【００３４】
また、帯域拡張装置１２は、信号合成部としてのスペクトル合成部３７および逆高速フーリエ変換部（ＩＦＦＴ：Ｉｎｖｅｒｓｅ  ＦＦＴ）３８を備えている。スペクトル合成部３７は、高速フーリエ変換部３１から出力された入力スペクトルＸ（ｆ）と高域成分調整部３６から出力された周波数特性調整後の高域スペクトルＸ'h（ｆ）とを合成し、出力スペクトルＹ(ｆ)を生成する。例えば次の（６）式に示すように、出力スペクトルＹ(ｆ)は、周波数番号０から１２７までは入力スペクトルＸ（ｆ）となり、周波数番号１２８から２５５までは周波数特性調整後の高域スペクトルＸ'h（ｆ）となる。
【００３５】
【数６】
0005598536.tif 000007
【００３６】
図１１は、スペクトル合成部により合成された出力スペクトルを示す図である。図１１に示すように、高域成分の帯域のスペクトルは、単純に入力信号の帯域のスペクトルを高域側にシフトしたスペクトルではなく、基本周波数ｆ0の高さに応じて入力信号の帯域のスペクトルよりも減衰したスペクトルとなる。逆高速フーリエ変換部３８は、出力スペクトルＹ(ｆ)に対して逆高速フーリエ変換処理（例えば５１２点）を行い、出力信号ｙ（ｎ）を求める。帯域拡張装置１２の機能的構成における各部は、ＣＰＵ２１が、例えば後述する帯域拡張方法をＣＰＵ２１に実行させる帯域拡張処理プログラムをＲＡＭ２２に展開し、帯域拡張処理プロセスを実行することにより実現される。
【００３７】
・帯域拡張方法の説明
図１２は、実施例２にかかる帯域拡張方法を示すフローチャートである。図１２に示すように、帯域拡張処理が開始されると、まず、帯域拡張装置１２は、高速フーリエ変換部３１により入力信号ｘ（ｎ）に対して高速フーリエ変換処理を行い、入力信号ｘ（ｎ）を入力スペクトルＸ（ｆ）に変換する（ステップＳ１１）。次いで、帯域拡張装置１２は、パワースペクトル算出部３２により例えば上述した（１）式の計算を行い、入力スペクトルＸ（ｆ）をパワースペクトルＳ（ｆ）に変換する（ステップＳ１２）。また、帯域拡張装置１２は、高域成分生成部３３により、例えば上述した（２）式に従って入力スペクトルＸ（ｆ）から高域スペクトルＸh（ｆ）を生成する（ステップＳ１３）。
【００３８】
次いで、帯域拡張装置１２は、基本周波数分析部３４により例えば上述した（３）式の計算を行い、パワースペクトルＳ（ｆ）の自己相関に基づいて基本周波数ｆ0を分析する（ステップＳ１４）。次いで、帯域拡張装置１２は、周波数特性制御部３５により例えば図９に示すようなグラフで表される関係式に従って基本周波数ｆ0に対応する高域の減衰特性の傾きαを求める（ステップＳ１５）。次いで、帯域拡張装置１２は、周波数特性制御部３５により例えば上述した（４）式の計算を行い、高域の減衰特性の傾きαから高域の減衰特性Ｇ（ｆ）を算出する（ステップＳ１６）。
【００３９】
次いで、帯域拡張装置１２は、高域成分調整部３６により例えば上述した（５）式のように高域スペクトルＸh（ｆ）に高域の減衰特性Ｇ（ｆ）を乗算して、周波数特性調整後の高域スペクトルＸ'h（ｆ）を生成する（ステップＳ１７）。なお、ステップＳ１３は、ステップＳ１１の後、ステップＳ１７の前までであれば、いずれのタイミングで実施されてもよい。
【００４０】
次いで、帯域拡張装置１２は、スペクトル合成部３７により入力スペクトルＸ（ｆ）、すなわち低域スペクトルと周波数特性調整後の高域スペクトルＸ'h（ｆ）とを合成し、出力スペクトルＹ(ｆ)を生成する（ステップＳ１８）。次いで、帯域拡張装置１２は、逆高速フーリエ変換部３８により出力スペクトルＹ(ｆ)に対して逆高速フーリエ変換処理を行い、出力スペクトルＹ(ｆ)を出力信号ｙ（ｎ）に変換する（ステップＳ１９）。そして、一連の帯域拡張処理を終了する。
【００４１】
実施例２によれば、入力信号の基本周波数が高い場合に、入力信号と高域成分の信号とのパワーの差（音量差）が小さくなるので、図１に示す理想的な広帯域音声スペクトル例に近いスペクトルが得られる。また、入力信号の基本周波数が低い場合に、入力信号と高域成分の信号とのパワーの差（音量差）が大きくなるので、図２に示す理想的な広帯域音声スペクトル例に近いスペクトルが得られる。従って、高音質の音声を再生することができる。
【００４２】
（実施例３）
実施例３は、帯域拡張装置を音声会議装置に適用したものである。なお、帯域拡張装置は、音声会議装置に限らず、固定電話機や携帯電話機などの音声による通話を行う装置に適用することができる。実施例３では、帯域制限された入力信号から高域成分を生成し、この高域成分と入力信号とを合成して帯域を拡張する場合について説明する。入力信号の帯域は第１の帯域に相当し、高域成分の帯域は第２の帯域に相当する。
【００４３】
音声会議装置において、受信した音声信号の帯域を拡張して音声を再生する部分の構成については、図５に示す構成と同様であるので、重複する説明を省略する。
【００４４】
・帯域拡張装置の説明
実施例３にかかる帯域拡張装置のハードウェア構成については、図６に示す構成と同様であるので、重複する説明を省略する。
【００４５】
図１３は、実施例３にかかる帯域拡張装置の機能的構成を示すブロック図である。なお、実施例２と同様の構成については、実施例２と同一の符号を付して重複する説明を省略する。図１３に示すように、帯域拡張装置１２は、高速フーリエ変換部３１および帯域外成分生成部としての高域成分生成部４１を備えている。高速フーリエ変換部３１については、実施例２において説明したとおりである。高域成分生成部４１は、例えば次の（７）式に従って周波数番号３１から１２７までの入力スペクトルＸ（ｆ）を高域側に折り返して周波数番号１２８以降の高域スペクトルＸh（ｆ）を生成する。この時点では、高域成分の減衰特性は調整されていない。
【００４６】
【数７】
0005598536.tif 000008
【００４７】
また、帯域拡張装置１２は、基本周波数分析部４２、基本周波数平滑化部４３、周波数特性制御部４４、高域成分調整部３６、スペクトル合成部３７および逆高速フーリエ変換部３８を備えている。基本周波数分析部４２は、例えば次の（８）式に従って入力信号ｘ（ｎ）の自己相関から基本周期ｔ0を求める。基本周波数分析部４２は、例えば次の（９）式に従って基本周期ｔ0から基本周波数ｆ0を求める。
【００４８】
【数８】
0005598536.tif 000009
【００４９】
【数９】
0005598536.tif 000010
【００５０】
基本周波数平滑化部４３は、例えば図１４に示すようなグラフで表される関係式に従って基本周波数ｆ0から高域の遮断周波数ｆcを求める。図１４は、ｆ0からｆcを求める関係式をグラフ化したものである。図１４において、周波数番号４および８、周波数１２５Ｈｚおよび２５０Ｈｚについては、実施例２で説明したとおりである。
【００５１】
図１４によれば、基本周波数ｆ0が周波数番号４以下である場合は、ｆcは例えば５０００Ｈｚで一定である。基本周波数ｆ0が周波数番号４以上８以下である場合は、ｆcは例えば一定の傾きで例えば７０００Ｈｚに近づく。基本周波数ｆ0が周波数番号８以上である場合は、ｆcは例えば７０００Ｈｚで一定である。なお、図１４の縦軸および横軸の数値は一例である。
【００５２】
周波数特性制御部４４は、例えば図１５に示すようなグラフで表される関係式に従って高域の遮断周波数ｆcから高域の減衰特性Ｇ（ｆ）を求める。図１５は、ｆcからＧ（ｆ）を求める関係式をグラフ化したものである。
【００５３】
図１５によれば、基本周波数ｆ0が「ｆc−１６」以下である場合は、Ｇ（ｆ）は例えば０ｄＢで一定である。基本周波数ｆ0が「ｆc−１６」以上「ｆc＋１６」以下である場合は、Ｇ（ｆ）は例えば一定の傾きで−３０ｄＢに近づく。基本周波数ｆ0が「ｆc＋１６」以上である場合は、Ｇ（ｆ）は例えば−３０ｄＢで一定である。なお、図１５の縦軸および横軸の数値は一例である。高域の遮断周波数ｆcは、図１４に示す例に従えば５０００Ｈｚから７０００Ｈｚまでの範囲で変動する。
【００５４】
高域成分調整部３６、スペクトル合成部３７および逆高速フーリエ変換部３８については、実施例２において説明したとおりである。帯域拡張装置１２の機能的構成における各部は、ＣＰＵ２１が、例えば後述する帯域拡張方法をＣＰＵ２１に実行させる帯域拡張処理プログラムをＲＡＭ２２に展開し、帯域拡張処理プロセスを実行することにより実現される。
【００５５】
・帯域拡張方法の説明
図１６は、実施例３にかかる帯域拡張方法を示すフローチャートである。図１６に示すように、帯域拡張処理が開始されると、まず、帯域拡張装置１２は、高速フーリエ変換部３１により入力信号ｘ（ｎ）に対して高速フーリエ変換処理を行い、入力信号ｘ（ｎ）を入力スペクトルＸ（ｆ）に変換する（ステップＳ２１）。また、帯域拡張装置１２は、高域成分生成部４１により、例えば上述した（７）式に従って入力スペクトルＸ（ｆ）から高域スペクトルＸh（ｆ）を生成する（ステップＳ２２）。
【００５６】
次いで、帯域拡張装置１２は、基本周波数分析部４２により例えば上述した（８）式および（９）式の計算を行い、基本周期ｔ0および基本周波数ｆ0を分析する（ステップＳ２３）。次いで、帯域拡張装置１２は、基本周波数平滑化部４３により、例えば図１４に示すようなグラフで表される関係式に従って基本周波数ｆ0から高域の遮断周波数ｆcを求める（ステップＳ２４）。次いで、帯域拡張装置１２は、周波数特性制御部４４により、例えば図１５に示すようなグラフで表される関係式に従って高域の遮断周波数ｆcから高域の減衰特性Ｇ（ｆ）を求める（ステップＳ２５）。
【００５７】
これ以降は、実施例２のステップＳ１７からステップＳ１９までと同様である（ステップＳ２６〜ステップＳ２８）。そして、一連の帯域拡張処理を終了する。なお、ステップＳ２２は、ステップＳ２１の後、高域スペクトルＸh（ｆ）に高域の減衰特性Ｇ（ｆ）を乗算するステップＳ２６の前までであれば、いずれのタイミングで実施されてもよい。実施例３によれば、実施例２と同様の効果が得られる。
【００５８】
（実施例４）
実施例４は、帯域拡張装置を携帯電話機に適用し、帯域制限された入力信号から低域成分を生成し、この低域成分と入力信号とを合成して帯域を拡張するものである。なお、帯域拡張装置は、携帯電話機に限らず、音声による通話を行う装置に適用することができる。入力信号の帯域は第１の帯域に相当し、低域成分の帯域は第２の帯域に相当する。
【００５９】
携帯電話機において、受信した音声信号の帯域を拡張して音声を再生する部分の構成については、図５に示す構成と同様であるので、重複する説明を省略する。ただし、実施例４では、帯域拡張装置１２は、デコード部１１の出力信号の帯域を拡張して例えば８ｋＨｚの帯域の信号を出力する。
【００６０】
・帯域拡張装置の説明
実施例４にかかる帯域拡張装置のハードウェア構成については、図６に示す構成と同様であるので、重複する説明を省略する。
【００６１】
図１７は、実施例４にかかる帯域拡張装置の機能的構成を示すブロック図である。なお、実施例２と同様の構成については、実施例２と同一の符号を付して重複する説明を省略する。図１７に示すように、帯域拡張装置１２は、高速フーリエ変換部３１、パワースペクトル算出部３２および基本周波数分析部３４を備えている。高速フーリエ変換部３１、パワースペクトル算出部３２および基本周波数分析部３４については、実施例２において説明したとおりである。
【００６２】
また、帯域拡張装置１２は、帯域外成分生成部としての低域成分生成部５１、周波数特性制御部５２および帯域外成分調整部としての低域成分調整部５３を備えている。低域成分生成部５１は、例えば次の（１０）式に従って周波数番号が基本周波数ｆ0の番号から基本周波数ｆ0の番号の３倍の番号までの入力スペクトルＸ（ｆ）を周波数番号が０から基本周波数ｆ0の番号の２倍の番号までの低域側にシフトして低域スペクトルＸL（ｆ）を生成する。この時点では、低域成分の減衰特性は調整されていない。
【００６３】
【数１０】
0005598536.tif 000011
【００６４】
周波数特性制御部５２は、例えば図１８に示すようなグラフで表される関係式に従って基本周波数ｆ0から低域の目標減衰量ＧLを求める。図１８は、ｆ0からＧLを求める関係式をグラフ化したものである。図１８において、周波数番号４および８、周波数１２５Ｈｚおよび２５０Ｈｚについては、実施例２で説明したとおりである。
【００６５】
図１８によれば、基本周波数ｆ0が周波数番号４以下である場合は、ＧLは例えば０ｄＢで一定である。基本周波数ｆ0が周波数番号４以上８以下である場合は、ＧLは例えば一定の傾きで−１２ｄＢに近づく。基本周波数ｆ0が周波数番号８以上である場合は、ＧLは例えば−１２ｄＢで一定である。なお、図１８の縦軸および横軸の数値は一例である。
【００６６】
周波数特性制御部５２は、例えば図１９に示すようなグラフで表される関係式に従って低域の目標減衰量ＧLに基づいて低域の減衰特性Ｇ（ｆ）を算出する。図１９は、ＧLに基づいてＧ（ｆ）を求める関係式をグラフ化したものである。図１９によれば、周波数が基本周波数ｆ0以下である場合は、Ｇ（ｆ）は例えばＧLで一定である。周波数が基本周波数ｆ0以上ｆ0の２倍以下である場合は、Ｇ（ｆ）は例えば一定の傾きで最大値ＧMAXである例えば−６０ｄＢに近づく。周波数が基本周波数ｆ0の２倍以上である場合は、Ｇ（ｆ）は例えば最大値ＧMAXで一定である。なお、図１９の横軸の数値は一例である。
【００６７】
低域成分調整部５３は、例えば次の（１１）式に示すように、低域成分生成部５１で生成された低域スペクトルＸL（ｆ）に周波数特性制御部５２により制御された低域の減衰特性Ｇ（ｆ）を乗算して、周波数特性調整後の低域スペクトルＸ'L（ｆ）を生成する。
【００６８】
【数１１】
0005598536.tif 000012
【００６９】
また、帯域拡張装置１２は、スペクトル合成部５４および逆高速フーリエ変換部５５を備えている。スペクトル合成部５４は、例えば次の（１２）式に示すように、高速フーリエ変換部３１から出力された入力スペクトルＸ（ｆ）と低域成分調整部５３から出力された周波数特性調整後の低域スペクトルＸ'L（ｆ）とを合成し、出力スペクトルＹ(ｆ)を生成する。
【００７０】
【数１２】
0005598536.tif 000013
【００７１】
逆高速フーリエ変換部５５は、出力スペクトルＹ(ｆ)に対して逆高速フーリエ変換処理（例えば２５６点）を行い、出力信号ｙ（ｎ）を求める。帯域拡張装置１２の機能的構成における各部は、ＣＰＵ２１が、例えば後述する帯域拡張方法をＣＰＵ２１に実行させる帯域拡張処理プログラムをＲＡＭ２２に展開し、帯域拡張処理プロセスを実行することにより実現される。
【００７２】
・帯域拡張方法の説明
図２０は、実施例４にかかる帯域拡張方法を示すフローチャートである。図２０に示すように、帯域拡張処理が開始されると、まず、帯域拡張装置１２は、実施例２のステップＳ１１と同様にして入力信号ｘ（ｎ）を入力スペクトルＸ（ｆ）に変換する（ステップＳ３１）。次いで、帯域拡張装置１２は、実施例２のステップＳ１２と同様にして入力スペクトルＸ（ｆ）をパワースペクトルＳ（ｆ）に変換する（ステップＳ３２）。次いで、帯域拡張装置１２は、実施例２のステップＳ１４と同様にしてパワースペクトルＳ（ｆ）に基づいて基本周波数ｆ0を分析する（ステップＳ３３）。
【００７３】
次いで、帯域拡張装置１２は、低域成分生成部５１により、例えば上述した（１０）式に従って入力スペクトルＸ（ｆ）および基本周波数ｆ0から低域スペクトルＸL（ｆ）を生成する（ステップＳ３４）。また、帯域拡張装置１２は、周波数特性制御部５２により例えば図１８に示すようなグラフで表される関係式に従って基本周波数ｆ0から低域の目標減衰量ＧLを求める（ステップＳ３５）。次いで、帯域拡張装置１２は、周波数特性制御部５２により例えば図１９に示すようなグラフで表される関係式に従って低域の目標減衰量ＧLに基づいて低域の減衰特性Ｇ（ｆ）を求める（ステップＳ３６）。なお、ステップＳ３４は、ステップＳ３３の後、ステップＳ３７の前までであれば、いずれのタイミングで実施されてもよい。
【００７４】
次いで、帯域拡張装置１２は、低域成分調整部５３により例えば上述した（１１）式のように低域スペクトルＸL（ｆ）に低域の減衰特性Ｇ（ｆ）を乗算して、周波数特性調整後の低域スペクトルＸ'L（ｆ）を生成する（ステップＳ３７）。次いで、帯域拡張装置１２は、スペクトル合成部５４により、例えば上述した（１２）式に従って入力スペクトルＸ（ｆ）、すなわち高域スペクトルと周波数特性調整後の低域スペクトルＸ'L（ｆ）とを合成し、出力スペクトルＹ(ｆ)を生成する（ステップＳ３８）。次いで、帯域拡張装置１２は、逆高速フーリエ変換部５５により出力スペクトルＹ(ｆ)に対して逆高速フーリエ変換処理を行い、出力スペクトルＹ(ｆ)を出力信号ｙ（ｎ）に変換する（ステップＳ３９）。そして、一連の帯域拡張処理を終了する。実施例４によれば、低域側に帯域を拡張する場合も実施例２と同様の効果が得られる。
【００７５】
上述した実施の形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
【００７６】
（付記１）第１の帯域に制限された入力信号に基づいて基本周波数の高さを分析する基本周波数分析部と、
前記入力信号に基づいて前記第１の帯域以外の第２の帯域を含む信号を生成する帯域外成分生成部と、
前記基本周波数に基づいて前記第２の帯域の周波数特性を制御する周波数特性制御部と、
前記帯域外成分生成部により生成された前記第２の帯域を含む信号に対して、前記周波数特性制御部による前記第２の帯域の周波数特性を反映させて、前記第２の帯域を含む周波数特性調整済みの信号を生成する帯域外成分調整部と、
前記入力信号と前記帯域外成分調整部により生成された前記第２の帯域を含む周波数特性調整済みの信号とを合成する信号合成部と、
を備えることを特徴とする帯域拡張装置。
【００７７】
（付記２）前記第２の帯域の周波数特性が０ｄＢ以下であることを特徴とする付記１に記載の帯域拡張装置。
【００７８】
（付記３）前記第１の帯域と前記第２の帯域との境界における増幅量が０ｄＢであることを特徴とする付記１に記載の帯域拡張装置。
【００７９】
（付記４）前記第２の帯域の周波数特性が周波数に比例する関数であることを特徴とする付記１に記載の帯域拡張装置。
【００８０】
（付記５）前記周波数特性制御部は、前記基本周波数が低い場合の減衰量を前記基本周波数が高い場合の減衰量以上とするように、前記第２の帯域の周波数特性を制御することを特徴とする付記１に記載の帯域拡張装置。
【００８１】
（付記６）第１の帯域に制限された入力信号に基づいて基本周波数の高さを分析する基本周波数分析ステップと、
前記入力信号に基づいて前記第１の帯域以外の第２の帯域を含む信号を生成する帯域外成分生成ステップと、
前記基本周波数分析ステップで分析された前記基本周波数に基づいて前記第２の帯域の周波数特性を制御する周波数特性制御ステップと、
前記帯域外成分生成ステップで生成された前記第２の帯域を含む信号に対して、前記周波数特性制御ステップで制御された前記第２の帯域の周波数特性を反映させて、前記第２の帯域を含む周波数特性調整済みの信号を生成する帯域外成分調整ステップと、
前記入力信号と前記帯域外成分調整ステップで生成された前記第２の帯域を含む周波数特性調整済みの信号とを合成する信号合成ステップと、
を含むことを特徴とする帯域拡張方法。
【００８２】
（付記７）前記帯域外成分調整ステップでは、前記第２の帯域の周波数特性を０ｄＢ以下にすることを特徴とする付記６に記載の帯域拡張方法。
【００８３】
（付記８）前記帯域外成分調整ステップでは、前記第１の帯域と前記第２の帯域との境界における増幅量を０ｄＢにすることを特徴とする付記６に記載の帯域拡張方法。
【００８４】
（付記９）前記周波数特性制御ステップでは、前記第２の帯域の周波数特性を周波数に比例する関数とすることを特徴とする付記６に記載の帯域拡張方法。
【００８５】
（付記１０）前記周波数特性制御ステップでは、前記基本周波数が低い場合の減衰量を前記基本周波数が高い場合の減衰量以上とするように、前記第２の帯域の周波数特性を制御することを特徴とする付記６に記載の帯域拡張方法。
【符号の説明】
【００８６】
１，３４，４２  基本周波数分析部
２，３３，４１，５１  帯域外成分生成部
３，３５，４４，５２  周波数特性制御部
４，３６，５３  帯域外成分調整部
５，３７，５４  信号合成部
【図１】
0005598536.tif 000014
【図２】
0005598536.tif 000015
【図３】
0005598536.tif 000016
【図４】
0005598536.tif 000017
【図５】
0005598536.tif 000018
【図６】
0005598536.tif 000019
【図７】
0005598536.tif 000020
【図８】
0005598536.tif 000021
【図９】
0005598536.tif 000022
【図１０】
0005598536.tif 000023
【図１１】
0005598536.tif 000024
【図１２】
0005598536.tif 000025
【図１３】
0005598536.tif 000026
【図１４】
0005598536.tif 000027
【図１５】
0005598536.tif 000028
【図１６】
0005598536.tif 000029
【図１７】
0005598536.tif 000030
【図１８】
0005598536.tif 000031
【図１９】
0005598536.tif 000032
【図２０】
0005598536.tif 000033