(57)【要約】  オーディオ信号処理装置１００は、入力オーディオ信号１０１の基本周期を検出する周期検出部１０２と、周期検出部１０２が検出した基本周期に基づき整数倍の周期の矩形波１０７を生成する矩形波生成部１０６と、入力オーディオ信号１０１の強度に略同一比例した振幅補正係数１０９を算出する振幅補正係数生成部１０３と、矩形波１０７と振幅補正係数１０９とを乗算して振幅補正後矩形波１１０を生成する第１の乗算器１０８と、振幅補正後矩形波１１０と入力オーディオ信号１０１とを加算する加算器１０４とを備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力オーディオ信号の基本周期を検出する周期検出部と、
前記周期検出部が検出した基本周期に基づき、整数倍の周期の信号を生成する信号生成部と、
前記信号生成部が生成した信号と前記入力オーディオ信号とを加算する加算器とを備えるオーディオ信号処理装置。
【請求項２】
信号生成部は、周期検出部が検出した基本周期に基づき、入力オーディオ信号のＮ周期毎に符号が反転する矩形波の信号を生成することを特徴とする請求項１記載のオーディオ信号処理装置。
【請求項３】
入力オーディオ信号の強度に比例するように、信号生成部が生成した信号の強度を補正する振幅補正部を備えることを特徴とする請求項１記載のオーディオ信号処理装置。
【請求項４】
振幅補正部は、
入力オーディオ信号の強度に略同一比例した振幅補正係数を算出する振幅補正係数生成部と、
信号生成部が生成した信号と前記振幅補正係数生成部が算出した振幅補正係数とを乗算する第１の乗算器とを有することを特徴とする請求項３記載のオーディオ信号処理装置。
【請求項５】
振幅補正係数生成部は、入力オーディオ信号の実効値の推定値に比例する値を振幅補正係数とすることを特徴とする請求項４記載のオーディオ信号処理装置。
【請求項６】
振幅補正係数生成部は、入力オーディオ信号の瞬時振幅値に比例する値を振幅補正係数とすることを特徴とする請求項４記載のオーディオ信号処理装置。
【請求項７】
周期検出部が検出した基本周期に基づき、入力オーディオ信号のＮ周期毎に初期化した窓関数の値を出力する窓関数出力部と、
信号生成部が生成した信号と、前記窓関数出力部が出力した値とを乗算する第２の乗算器とを備えることを特徴とする請求項１記載のオーディオ信号処理装置。
【請求項８】
窓関数出力部は、初期化時から所定の有限区間までは値を出力し、該有限区間以外の区間はゼロ値を出力することを特徴とする請求項７記載のオーディオ信号処理装置。
【請求項９】
窓関数出力部は、初期化時に任意の初期値を出力し、該初期化時以降は単調減少する値を出力することを特徴とする請求項７記載のオーディオ信号処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、圧縮符号化されたオーディオ信号を再生するオーディオ信号処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のオーディオＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｄｉｓｋ）に代えて、近年では、オーディオ信号にＡＡＣ（Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ａｕｄｉｏ  Ｃｏｄｅｃ）又はＭＰ３（ＭＰＥＧ  Ａｕｄｉｏ  Ｌａｙｅｒ  ３）等の圧縮符号化処理を施すことにより、オーディオ信号の記憶装置容量及び送受信通信量を節減する技術が普及している。しかしながら、圧縮符号化されたオーディオ信号は、低音成分の迫力がなくなり、音の厚み感が減少する傾向があった。【０００３】
そこで、例えば特許文献１に、圧縮符号化されたオーディオ信号の低音成分を改善するための効果付加装置が提案されている。図６は、特許文献１に提案されている効果付加装置１０の構成を示すブロック図である。この効果付加装置１０は、ＡＡＣ、ＭＰ３等の圧縮率の高い音楽信号を復号したオーディオ信号を入力として用い、ゲイン付与回路１１が入力オーディオ信号の正側波形部分と負側波形部分とで異なる非線形なゲインを付与する。続いて、高域成分作成回路１２が、ゲイン付与回路１１で非線形なゲインを付与された入力オーディオ信号の高域成分に基づいて、この高域成分よりも高域のオーディオ信号成分を作成し、他方、低域成分作成回路１３が、ゲイン付与回路１１で非線形なゲインを付与された入力オーディオ信号の低域成分に基づいて、この低域成分よりも低域のオーディオ信号成分を作成する。そして、加算合成回路１４が、ゲインが付与された入力オーディオ信号と、高域のオーディオ信号成分と、低域のオーディオ信号成分とを加算合成することで、入力オーディオ信号の音質を改善することができる。特に低域に関しては、低域成分作成回路１３において入力オーディオ信号の低域よりも低い周波数の低域成分を生成するので、迫力のある低域増強効果が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１７８６７５号公報
【発明の概要】
【０００５】
従来のオーディオ信号処理装置は以上のように構成されているので、入力オーディオ信号に非線形なゲインを付与することにより広い周波数帯域にわたって非線形歪を生じてしまい、強調したい低域及び高域以外の成分の音質も変形してしまうという課題があった。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、圧縮符号化処理によって劣化したオーディオ信号の低域成分のみを回復させることで、迫力のある豊かな低域増強効果を実現するオーディオ信号処理装置を提供することを目的とする。
【０００７】
この発明に係るオーディオ信号処理装置は、入力オーディオ信号の基本周期を検出する周期検出部と、周期検出部が検出した基本周期に基づき、整数倍の周期の信号を生成する信号生成部と、信号生成部が生成した信号と入力オーディオ信号とを加算する加算器とを備えるようにしたものである。
【０００８】
この発明によれば、入力オーディオ信号の基本周期に基づき、整数倍の周期の信号を生成し、この信号と入力オーディオ信号とを加算するようにしたので、圧縮符号化処理によって劣化したオーディオ信号の低域成分のみを回復させることで、迫力のある豊かな低域増強効果を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態１に係るオーディオ信号処理装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す矩形波生成部が生成する矩形波の一例を示すグラフである。
【図３】この発明の実施の形態２に係るオーディオ信号処理装置の構成を示すブロック図である。
【図４】図３に示す窓関数出力部が出力する窓関数出力値の一例を示すグラフであり、図４（ａ）は条件１の窓関数出力値、図４（ｂ）は条件２の窓関数出力値を示す。
【図５】実施の形態２に係るオーディオ信号処理装置による窓処理の一例を示すグラフであり、図５（ａ）は矩形波の周波数特性、図５（ｂ）は条件１の窓関数を用いたときの窓処理後矩形波の周波数特性である。
【図６】特許文献１に係る効果付加装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るオーディオ信号処理装置１００の構成を示すブロック図である。図１に示すオーディオ信号処理装置１００は、入力オーディオ信号１０１の基本周期を検出する周期検出部１０２と、基本周期の２倍の周期の矩形波１０７を生成する矩形波生成部（信号生成部）１０６と、矩形波１０７の振幅を入力オーディオ信号１０１の振幅に合わせるための振幅補正係数１０９を算出する振幅補正係数生成部１０３と、矩形波１０７を振幅補正係数１０９で補正する第１の乗算器１０８と、振幅補正後矩形波１１０を入力オーディオ信号１０１に加算する加算器１０４とからなる。
【００１１】
図１に示すオーディオ信号処理装置１００は、圧縮符号化されたオーディオデータを不図示のデコーダによって復号して、入力オーディオ信号１０１として用いる。この入力オーディオ信号１０１は、オーディオ信号処理装置１００に入力されると３つに分岐され、周期検出部１０２、振幅補正係数生成部１０３及び加算器１０４にそれぞれ入力される。
【００１２】
周期検出部１０２は、入力オーディオ信号１０１の基本周期を検出する。基本周期の検出方法としては、自己相関関数を算出する方法等の公知の技術を用いればよく、詳細な説明は省略する。なお、この自己相関関数を算出する方法は精度の高い検出方法として知られているが、これに限定されるものではなく、その他、入力オーディオ信号１０１のピーク値を検出する方法、ゼロクロス点を検出する方法、前後サンプルの差分値の極大値又は極小値を検出する方法等、任意の検出方法を用いてもよい。
周期検出部１０２は、検出した基本周期に基づいて、入力オーディオ信号１０１の基本周期の１周期分が識別可能な信号を生成する。周期検出部１０２は、例えば１周期に１回の割合でインパルス信号を生成し、それ以外のときはゼロ値信号を生成する。もちろん、これ以外の生成方法であってもよく、例えば１周期毎に出力値を任意の値に変化させた信号を生成する方法でもよい。これ以降、周期検出部１０２が生成する、１周期分が識別可能となる任意の信号を総称して同期信号１０５と称す。
この同期信号１０５は、周期検出部１０２から矩形波生成部１０６へ出力される。
【００１３】
矩形波生成部１０６は、入力された同期信号１０５に従い、１周期毎に符号（例えば正負）が反転する矩形波１０７を生成する。図２は、矩形波生成部１０６が生成する矩形波１０７の一例を示すグラフである。図２において、左縦軸の振幅を参照する入力オーディオ信号１０１を実線で示し、右縦軸の正負を参照する矩形波１０７を破線で示す。図２に示す通り、矩形波生成部１０６により、入力オーディオ信号１０１の１周期毎に正負が反転した矩形波１０７が生成される。この矩形波１０７は入力オーディオ信号１０１の基本周波数（低域成分）の２倍の周期、半分の周波数となる。
この矩形波１０７は、矩形波生成部１０６から第１の乗算器１０８へ出力される。
【００１４】
振幅補正部は振幅補正係数生成部１０３と第１の乗算器１０８からなる。
振幅補正係数生成部１０３は、矩形波１０７の強度を入力オーディオ信号１０１の強度に比例させるための振幅補正係数１０９を算出する。振幅補正係数１０９の算出方法としては、入力オーディオ信号１０１の実効値を推定し、推定した実効値に対して、予め設定された比例定数αを乗じる方法がある。ここで、比例定数αは、通常、１以下の値を用いる。
実効値の推定方法としては、入力オーディオ信号１０１のパワーの短時間平均値の平方根を算出する方法、又は、入力オーディオ信号１０１の振幅絶対値の短時間平均値を算出する方法がある。或いは、入力オーディオ信号１０１の瞬時振幅値を実効値の代わりとして用いる方法でもよい。ただし、入力オーディオ信号１０１は、通常、高域成分を含むことから瞬時振幅値の強度の変動が激しくなる場合があり、そのまま実効値に用いると矩形波の強度の変動も激しくなるため安定した効果を得られないことがある。よって、この場合には、振幅補正係数生成部１０３は先ずＬＰＦ（Ｌｏｗ  Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）により入力オーディオ信号１０１の高域成分をカットし、その後の信号の瞬時振幅値を用いるほうが好ましい。
この振幅補正係数１０９は、振幅補正係数生成部１０３から第１の乗算器１０８へ出力される。
【００１５】
第１の乗算器１０８は、入力された矩形波１０７と振幅補正係数１０９とを乗算することで矩形波１０７の振幅を補正し、振幅補正した振幅補正後矩形波１１０を加算器１０４へ出力する。
【００１６】
加算器１０４は、入力された入力オーディオ信号１０１と振幅補正後矩形波１１０とを加算し、出力信号１１１として外部へ出力する。
【００１７】
このように、オーディオ信号処理装置１００では、入力オーディオ信号１０１の基本周波数、即ち低域成分よりもさらに低い周波数の信号成分、振幅補正後矩形波１１０を生成することができるため、迫力のある低域増強効果を入力オーディオ信号１０１に付与することができる。
【００１８】
また、入力オーディオ信号１０１の低域成分よりもさらに低い周波数の信号成分、振幅補正後矩形波１１０を生成し、もとの入力オーディオ信号１０１に加算することで低域増強効果を実現しているため、もとの入力オーディオ信号１０１の中高域成分の非線形な変形がなく、良好な音質を実現できる。
【００１９】
また、振幅補正部が、入力オーディオ信号１０１の強度に追従するように矩形波１０７の振幅補正を行うため、時々刻々と変化する入力オーディオ信号１０１の強度に追従した自然な低域増強効果を付与できる。
【００２０】
以上より、実施の形態１によれば、オーディオ信号処理装置１００を、入力オーディオ信号１０１の基本周期を検出する周期検出部１０２と、周期検出部１０２が検出した基本周期に基づき２倍の周期の矩形波１０７を生成する矩形波生成部１０６と、入力オーディオ信号１０１の強度に略同一比例した振幅補正係数１０９を算出する振幅補正係数生成部１０３と、矩形波１０７と振幅補正係数１０９とを乗算して振幅補正後矩形波１１０を生成する第１の乗算器１０８と、振幅補正後矩形波１１０と入力オーディオ信号１０１とを加算する加算器１０４とを備えるように構成した。このため、圧縮符号化処理によって劣化した入力オーディオ信号１０１の低域成分のみを回復させることができ、迫力のある豊かな低域増強効果を実現するオーディオ信号処理装置１００を提供することができる。
【００２１】
また、実施の形態１によれば、振幅補正係数生成部１０３は、入力オーディオ信号１０１の実効値の推定値に比例する値を振幅補正係数１０９とするか、又は、入力オーディオ信号１０１の瞬時振幅値に比例する値を振幅補正係数１０９とするように構成した。このため、経時変化する入力オーディオ信号１０１の強度に追従した自然な低域増強効果を得ることができる。
【００２２】
なお、上記実施の形態１では、振幅補正係数生成部１０３がいずれの算出方法を用いて振幅補正係数１０９を算出しても、振幅補正係数１０９が時間変動する場合がある。時間変動する振幅補正係数１０９は周波数成分を持つため、この振幅補正係数１０９を用いて第１の乗算器１０８が矩形波１０７の振幅を補正すると、振幅変調と同様の処理を施すことになる。ここで、矩形波１０７は、その周波数を奇数倍した高調波成分も含んでいるため、振幅変調時に発生する混変調によって不要な周波数成分の信号をも生成してしまう場合がある。よって、このような不要な周波数成分の生成を防ぐために、第１の乗算器１０８の前段にＬＰＦを設け、矩形波１０７から高調波成分を取り除いておくほうが好ましい。
【００２３】
また、上記実施の形態１では、矩形波生成部１０６が、入力オーディオ信号１０１の１周期毎に符号を反転させて、基本周期の２倍の周期の矩形波１０７を生成する構成としたが、これに限定されるものではなく、Ｎ（Ｎは整数とする）周期毎に符号を反転させて、基本周期の整数倍の周期の矩形波を生成する構成であってもよい。また、矩形波生成部１０６は、矩形波に限らず、入力オーディオ信号１０１の基本周期の整数倍の信号を生成する構成であってもよい。これらの構成の場合でも、入力オーディオ信号１０１の基本周波数、即ち低域成分よりもさらに低い周波数の信号成分を生成することができるため、迫力のある低域増強効果を付与できる。
【００２４】
実施の形態２．
図３は、実施の形態２に係るオーディオ信号処理装置１００ａの構成を示すブロック図であり、図３において図１と同一又は相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。このオーディオ信号処理装置１００ａは、新たに、窓関数出力部２０１と、第２の乗算器２０２とを備える。
【００２５】
窓関数出力部２０１は、周期検出部１０２が生成した同期信号１０５を用いて入力オーディオ信号１０１の周期を特定し、Ｎ周期に一度の割合で初期化した窓関数の値、即ち窓関数出力値２０３を出力する。ここで、Ｎは、矩形波生成部１０６が用いる値と同値とする。例えば、矩形波生成部１０６が、入力オーディオ信号１０１の１（＝Ｎ）周期毎に符号を反転させた矩形波１０７を生成する場合には、窓関数出力部２０１も入力オーディオ信号１０１の１（＝Ｎ）周期毎に窓関数を初期化する。
【００２６】
第２の乗算器２０２は、入力された矩形波１０７と窓関数出力値２０３とを乗算して窓処理を行い、窓処理された窓処理後矩形波２０４を第１の乗算器１０８へ出力する。
【００２７】
ここで、窓関数出力部２０１及び第２の乗算器２０２によって実施される窓処理の詳細を説明する。
窓関数出力部２０１で用いる窓関数は、三角窓、方形窓、ハミング窓、ハニング窓、カイザー窓、ブラックマン窓等、公知の窓関数のうち、以下の２つの条件のいずれかに従うものとする。
条件１：初期化時から予め設定した区間（サンプル時間）までは有限値を出力し、それ以降ではゼロ値を出力する
条件２：初期化時には予め設定した初期値を出力し、それ以降では単調減少する値を出力する
【００２８】
条件１の窓関数には固定長の任意の窓を用いることができるが、窓関数出力値２０３が滑らかに変化するものを用いるほうがより好ましい。そこで、例えば窓長Ｌのカイザー窓を用いる。図４（ａ）は、窓関数出力部２０１が出力する条件１の窓関数出力値２０３の一例を示すグラフであり、窓長Ｌ＝１４７、急峻形状を決めるパラメータβ＝８としたカイザー窓を用いたときの窓関数出力値２０３の時間波形を示す。なお、窓長Ｌは任意の値でよく、この例では、窓長Ｌ＝１４７が、サンプリング周波数が４４．１ｋＨｚのときに３００Ｈｚの周期に相当する長さである。
【００２９】
条件２の窓関数は、例えば初期値をＳとして、１より小さい係数γを直前の窓関数出力値２０３に順次乗算することで実現することができる。即ち、窓関数出力値２０３をＷ（ｔ）、ｔを初期化時からのオフセット時間とし、下式（１）として窓を生成する。図４（ｂ）は、窓関数出力部２０１が出力する条件２の窓関数出力値２０３の一例を示すグラフであり、初期値Ｓ＝１、係数γ＝０．９８としたときの窓関数出力値２０３の時間波形を示す。
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【００３０】
図４（ａ），（ｂ）において、初期化時（ｔ＝０）の時刻を矢印で示す。図によれば、条件１の窓関数を使用したときも条件２の窓関数を使用したときも、共に、初期化時刻の直後では比較的大きな値を出力するが、ある時刻以降では略ゼロ値を出力するようになる様子が確認できる。
【００３１】
第２の乗算器２０２において、矩形波１０７と図４に示すような窓関数出力値２０３とを乗算すれば、矩形波１０７の周波数が低くなるほど乗算後の窓処理後矩形波２０４のパワーが小さくなる。これは、矩形波１０７の周波数が低いほど一定時間における初期化の割合が少なくなり、窓処理後矩形波２０４の値がゼロに近い値となる区間が相対的に長くなるためである。また、窓処理後矩形波２０４の値が比較的大きな値となる区間は、周波数に依存せずに初期化直後の一定区間に限られ、窓処理後矩形波２０４のパワーの減少効果は、周波数が１／２倍になると１周期（時間）が２倍になる点では周波数に対して略６ｄＢ／ｏｃｔとなる。
【００３２】
本実施の形態２では、入力オーディオ信号１０１の基本周波数が１００Ｈｚのとき、Ｎ＝１なら５０Ｈｚの振幅補正後矩形波１１０が生成されることとなり、また、入力オーディオ信号１０１の基本周波数が５０Ｈｚのとき、Ｎ＝１なら２５Ｈｚの振幅補正後矩形波１１０が生成されることとなる。
５０Ｈｚの信号は楽器のベース等で演奏可能な周波数範囲であるため、音楽的に有用な信号と考えられるが、２５Ｈｚの信号は通常のスピーカの低域再生限界を下回る周波数であり、このようなスピーカで大きなパワーの２５Ｈｚ信号を再生すると歪が発生し、音楽的に有害な信号と成り得る。
しかしながら、本実施の形態２では、入力オーディオ信号１０１の基本周波数が非常に低い場合でも、窓関数出力値２０３及び第２の乗算器２０２の窓処理によってスピーカの低域再生限界を下回るような超低域成分のパワー増加を抑えることができるため、歪感のない豊かな低域増強効果を得られる。
【００３３】
また、条件１の窓関数を用いる場合、窓処理後矩形波２０４に不連続点が発生せず、不要な高調波の生成を抑えることができる。図５は窓処理の一例を示すグラフであり、図５（ａ）は矩形波１０７の周波数特性、図５（ｂ）は条件１の窓関数を用いたときの窓処理後の窓処理後矩形波２０４の周波数特性である。なお、図５に示す例では、条件１の窓関数として図４（ａ）と等しい窓関数を用いた。図５（ａ）に示す周波数特性より、矩形波１０７には２０ｋＨｚ以上の高域まで高調波が発生している。一方、図５（ｂ）に示す周波数特性より、窓処理後矩形波２０４には６００Ｈｚ程度以降の高調波が発生しておらず、窓処理によって高調波成分が抑えられることが確認できる。
出力信号１１１に過剰な高調波が存在すると、再生時、割れたような不快な音として知覚されることとなるが、条件１の窓を用いて生成された出力信号１１１は不要な高調波生成が抑制されているので不快音になることはない。
【００３４】
また、一般的に、窓関数を生成する際に複雑な三角関数の解を求める必要があり、演算量増大の要因となってしまうが、条件２の窓関数を用いる場合には、直前の出力値Ｗ（ｔ−１）に係数γを乗算するだけで窓関数出力値２０３（Ｗ（ｔ））を求めることができるため、演算量を抑えることができる。また、窓関数出力部２０１をアナログ回路で実現する場合にも、コンデンサを用意し、入力オーディオ信号１０１の基本周期に同期した同期信号１０５に合わせて放電させる構成とする等、簡易な構成で実現できる。
【００３５】
以上より、実施の形態２によれば、オーディオ信号処理装置１００ａを、周期検出部１０２が検出した基本周期に基づき、入力オーディオ信号１０１のＮ周期毎に初期化した窓関数出力値２０３を出力する窓関数出力部２０１と、矩形波生成部１０６が生成した矩形波１０７と窓関数出力値２０３とを乗算する第２の乗算器２０２とを備えるように構成した。このため、入力オーディオ信号１０１の基本周波数が非常に低い場合にも超低域成分のパワー増加を抑えて、歪感のない豊かな低域増強効果を実現するオーディオ信号処理装置１００ａを提供することができる。
【００３６】
また、実施の形態２によれば、窓関数出力部２０１が窓関数出力値２０３として、初期化時から所定の有限区間までは値を出力し、該有限区間以外の区間はゼロ値を出力するように構成した。このため、不要な高調波の生成を抑えることができる。
【００３７】
また、実施の形態２によれば、窓関数出力部２０１が窓関数出力値２０３として、初期化時に初期値Ｓを出力し、該初期化時以降は単調減少する値を出力するように構成した。このため、窓関数生成のための演算量を抑えることができ、また、窓関数出力部２０１をアナログ回路で実現する場合にも簡易な構成で実現可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
この発明に係るオーディオ信号処理装置は、圧縮符号化処理によって劣化したオーディオ信号の低域成分のみを回復させることで、迫力のある豊かな低域増強効果を実現することができるため、圧縮符号化されたオーディオ信号を再生するオーディオ信号処理装置等に用いるのに適している。
【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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【国際調査報告】
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2011001589.tif 000011
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