(57)【要約】【課題】偶数次と奇数次の倍音を両方含んだ高調波を簡単な構成且つ少ない処理量で生成し、良好な低音域の音質を得る。【解決手段】入力される音声信号の正側半波を２乗し、負側半波を３乗して、両者を合成することで高調波を生成する。正側半波の２乗により奇数次および２次の倍音成分が得られ、負側半波の３乗により偶数次および１，３次の倍音成分が得られる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力された音声信号の高調波を生成して出力する高調波生成装置において、
前記入力された音声信号から正側半波を抽出する正側半波抽出手段と、
前記入力された音声信号から負側半波を抽出する負側半波抽出手段と、
前記正側半波抽出手段によって抽出された正側半波および前記負側半波抽出手段によって抽出された負側半波の一方を偶数乗し、他方を奇数乗する演算処理手段と、
前記演算処理手段により偶数乗された信号と奇数乗された信号を合成して前記高調波として出力する合成手段と、
を具備することを特徴とする高調波生成装置。
【請求項２】
前記偶数乗は２乗であり、前記奇数乗は３乗であることを特徴とする請求項１に記載の高調波生成装置。
【請求項３】
前記演算処理手段は、正側半波を偶数乗し負側半波を奇数乗するものであって、
前記入力された音声信号の２次倍音を生成する２次倍音生成手段を更に備え、
前記２次倍音生成手段によって生成された２次倍音を加算することにより前記出力する高調波に含まれる２次倍音のレベルを調整する
ことを特徴とする請求項１に記載の高調波生成装置。
【請求項４】
入力された音声信号から低音域成分の高調波を生成し、該高調波と前記音声信号とを加算して出力することにより音声の低音域を増強する低音増強装置において、
前記低音域成分の音声信号から正側半波を抽出する正側半波抽出手段と、
前記低音域成分の音声信号から負側半波を抽出する負側半波抽出手段と、
前記正側半波抽出手段によって抽出された正側半波および前記負側半波抽出手段によって抽出された負側半波の一方を偶数乗し、他方を奇数乗する演算処理手段と、
前記演算処理手段により偶数乗された信号と奇数乗された信号を合成して前記高調波を出力する合成手段と、
を具備することを特徴とする低音増強装置。
【請求項５】
入力された音声信号の高調波を生成して出力する高調波生成装置のコンピュータに、
前記入力された音声信号から正側半波を抽出するステップと、
前記入力された音声信号から負側半波を抽出するステップと、
前記抽出された正側半波および負側半波の一方を偶数乗し、他方を奇数乗するステップと、
前記偶数乗された信号と奇数乗された信号を合成して前記高調波として出力するステップと、
を実行させるためのコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音声信号の高調波を生成する高調波生成装置、および高調波生成によって音声の低音域を増強する低音増強装置、ならびにコンピュータプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
音声信号の高調波を生成する方法として、入力波形を全波整流する方法や、入力波形をクリップして歪ませる方法等が知られている。図７および図８を参照して、これらを説明する。図７は、波形の変化を示した図であり、横軸は時間、縦軸は波形の振幅である。図８は、生成した高調波に含まれる各次数の倍音成分を示した図であり、横軸は倍音の次数、縦軸は各倍音の相対強度である。正弦波状の入力波形（図７（Ａ））は、全波整流の場合、負側の半波成分がその符号を反転させられて、同図（Ｂ）に示す波形に変化する。この波形を周波数で分解したものが図８（Ａ）のスペクトルであり、高調波の成分には偶数次の倍音のみが含まれる。また、クリップの場合、振幅の絶対値が所定値を超えたところで振幅が飽和させられて、入力波形は図７（Ｃ）に示す波形に変化する。図８（Ｂ）はこの波形のスペクトルであり、高調波の成分には奇数次の倍音のみが含まれる。このように、入力波形を全波整流したりクリップしたりする方法では、偶数次または奇数次の倍音のみからなる高調波が生成されることになる。
【０００３】
図９は、音声信号の高調波を生成する方法として上記以外の方法を用いた、従来の高調波生成装置の例を示した構成図である。
図９（Ａ）の高調波生成装置では、半波抽出部１０１によって抽出した入力波形の正側半波を演算部１０２において所定のレベル変換テーブルを用いてクリップするとともに、反転部１０５で符号を反転した後に半波抽出部１０３によって抽出した入力波形の負側半波を演算部１０２とは異なるレベル変換テーブルを用いて演算部１０４においてクリップして、これら２つのクリップした信号を合成して出力している（特許文献１参照）。これにより、入力波形の正側と負側それぞれの半波が異なる態様でクリップされるので、奇数倍音への片寄りが防止された高調波が発生される。
【０００４】
図９（Ｂ）の高調波生成装置では、半波抽出部２０１によって抽出した入力波形の正側半波を演算部２０２において２乗するとともに、半波抽出部２０３によって抽出した入力波形の負側半波を演算部２０４において２乗した後に更に反転部２０５で符号を反転し、演算部２０２の出力と反転部２０５の出力を合成して出力している（特許文献２参照）。これにより、奇数次倍音のみを含んだ高調波が発生される。
【０００５】
図９（Ｃ）の高調波生成装置では、上記図９（Ｂ）の高調波生成装置の前段に、入力波形のレベルをオフセットさせるオフセット付与部２０６が設けられている（特許文献２参照）。そして、オフセット付与部２０６で入力波形にオフセットを付与することにより、奇数次倍音と偶数次倍音の両方を含んだ高調波が発生され、更に、オフセット量を変化させることで、奇数次倍音と偶数次倍音の割合を制御可能としている。
【０００６】
ところで、ある周波数の音（基本波）が存在していなくても、その周波数に対応する高調波の音が存在していれば基本波の音程が知覚できるという現象が知られている。この現象を利用して、例えば小型のスピーカ等、低音域の再生能力が十分にないスピーカにおいて、高調波を再生することによってあたかもその基本波に相当する低音が再生されているように聴取者に知覚させる試みが、近年行われている。
【特許文献１】特開２０００−９９０５９号公報
【特許文献２】特許第３４６２５９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように高調波の再生によって基本波の音程を知覚させる場合、基本波の偶数次倍音と奇数次倍音が両方とも高調波に含まれていることが効果的である。
しかしながら、上述したように、入力波形を単純に全波整流したりクリップしたりする方法や、図９（Ｂ）の方法においては、偶数次または奇数次どちらか一方の倍音のみを含んだ高調波しか生成することができない。図９（Ａ）および（Ｃ）の構成を用いれば、偶数次と奇数次の両方の倍音を含んだ高調波を生成することができるが、それぞれ次のような問題がある。
【０００８】
即ち、図９（Ａ）の構成の場合、入力波形をクリップによって変形させているが、クリップは一定値以上の振幅を飽和させる処理であるため、入力信号が大きい時と小さい時とでクリップのされ方に大きな差が生じて生成される高調波に含まれる倍音成分が異なってしまい、低音域の音質を安定して良好な状態に保持することができない。また、クリップを行うためのレベル変換テーブルが必要であるため、構成が複雑となってしまう。
また、図９（Ｃ）の構成の場合、オフセット処理や符号の反転処理を行う必要があるので、構成が複雑になるとともに処理量が増大してしまう。なお、図９（Ｂ）および（Ｃ）の各高調波生成装置の出力を所定の比率で混合する構成とすることにより、偶数次倍音と奇数次倍音のバランスを制御することが可能であるが（特許文献２参照）、構成が更に複雑になるという欠点がある。
【０００９】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、偶数次と奇数次の倍音を両方含んだ高調波を簡単な構成且つ少ない処理量で生成することが可能であり、また効果的に低音域の音程を知覚させることが可能な高調波生成装置、低音増強装置、およびコンピュータプログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、入力された音声信号の高調波を生成して出力する高調波生成装置において、前記入力された音声信号から正側半波を抽出する正側半波抽出手段と、前記入力された音声信号から負側半波を抽出する負側半波抽出手段と、前記正側半波抽出手段によって抽出された正側半波および前記負側半波抽出手段によって抽出された負側半波の一方を偶数乗し、他方を奇数乗する演算処理手段と、前記演算処理手段により偶数乗された信号と奇数乗された信号を合成して前記高調波として出力する合成手段と、を具備することを特徴とする。
【００１１】
この発明において、音声信号を正側半波と負側半波に分離し、その一方を偶数乗、他方を奇数乗して合成する。正側または負側の半波を偶数乗することにより主として奇数次の倍音を含んだ高調波が得られ、奇数乗することにより主として偶数次の倍音を含んだ高調波が得られる。
したがって、本発明によれば、奇数次と偶数次の倍音を両方含む高調波を生成することができる。また、その高調波は正側半波と負側半波の一方を偶数乗し他方を奇数乗することで得られるので、構成が簡単且つ処理量が少なくて済む。さらに、偶数乗や奇数乗の処理により生成される高調波には、入力される音声信号の大小によらず一定の相対強度を持つ倍音成分が含まれるので、入力レベルの違いによる音色変化を少なくすることができる。
【００１２】
また、上記高調波生成装置において、前記偶数乗は２乗であり、前記奇数乗は３乗であることを特徴とする。
【００１３】
この発明において、正側半波と負側半波の一方を２乗し他方を３乗するので、入力される音声信号の大きさが変化したときの出力信号の大きさの変化は、４乗以上する場合と比べて小さい。よって、入力レベルの違いによる音色変化を少なくすることができる。
【００１４】
また、上記高調波生成装置において、前記演算処理手段は、正側半波を偶数乗し負側半波を奇数乗するものであって、前記入力された音声信号の２次倍音を生成する２次倍音生成手段を更に備え、前記２次倍音生成手段によって生成された２次倍音を加算することにより前記出力する高調波に含まれる２次倍音のレベルを調整することを特徴とする。
【００１５】
正側半波を偶数乗し負側半波を奇数乗する場合、生成される２次倍音は、半波の偶数乗から得られたものと奇数乗から得られたものとでその符号が逆であるため、合成後にレベルが低下している。この発明によれば、その低下分を２次倍音の加算によって調整するので、音質をより自然な感じにすることができる。
【００１６】
また本発明は、入力された音声信号から低音域成分の高調波を生成し、該高調波と前記音声信号とを加算して出力することにより音声の低音域を増強する低音増強装置において、前記低音域成分の音声信号から正側半波を抽出する正側半波抽出手段と、前記低音域成分の音声信号から負側半波を抽出する負側半波抽出手段と、前記正側半波抽出手段によって抽出された正側半波および前記負側半波抽出手段によって抽出された負側半波の一方を偶数乗し、他方を奇数乗する演算処理手段と、前記演算処理手段により偶数乗された信号と奇数乗された信号を合成して前記高調波を出力する合成手段と、を具備することを特徴とする。
【００１７】
また本発明は、入力された音声信号の高調波を生成して出力する高調波生成装置のコンピュータに、前記入力された音声信号から正側半波を抽出するステップと、前記入力された音声信号から負側半波を抽出するステップと、前記抽出された正側半波および負側半波の一方を偶数乗し、他方を奇数乗するステップと、前記偶数乗された信号と奇数乗された信号を合成して前記高調波として出力するステップと、を実行させるためのコンピュータプログラムである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、偶数次と奇数次の倍音を両方含んだ高調波を簡単な構成且つ少ない処理量で生成することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施形態による高調波生成装置の構成を示すブロック図である。同図において、高調波生成装置１０は、正側半波抽出部１１と、２乗演算部１２と、負側半波抽出部１３と、３乗演算部１４と、増幅器１５，１６と、合成器１７と、を含んで構成される。
【００２０】
音声信号は、この高調波生成装置１０の入力端子２０を介して正側半波抽出部１１と負側半波抽出部１３へ供給される。ここで、以降の説明では音声信号は１つの正弦波であるとするが、実際には複数の正弦波の集合である。
正側半波抽出部１１は、入力された音声信号（正弦波）から正側半波、即ち音声信号の値が正の部分のみを抽出して、２乗演算部１２へ供給する。
【００２１】
２乗演算部１２は、正側半波抽出部１１から出力された信号を２乗して出力する。２乗演算部１２から出力される出力信号を図２に示す。同図（Ａ）は出力信号の波形であり、横軸は時間、縦軸は波形の振幅を表す。また同図（Ｂ）は出力信号のスペクトルであり、横軸は倍音の次数、縦軸は各倍音の相対強度を表す。２乗演算部１２において音声信号の正側半波が２乗されることにより、図２（Ｂ）に示されるように、２乗演算部１２の出力信号は、奇数次（１次、３次、５次、７次、…）の倍音成分と、２次の倍音成分と、直流成分とを含んでいる。なお、これら各次数の倍音成分の相対強度は、入力される音声信号の大きさによらず一定である。
【００２２】
２乗演算部１２からの出力信号は、増幅器１５によって所定の増幅率で増幅されて、合成器１７へ入力される。
【００２３】
一方、負側半波抽出部１３は、入力された音声信号から負側半波、即ち音声信号の値が負の部分のみを抽出して、３乗演算部１４へ供給する。
【００２４】
３乗演算部１４は、負側半波抽出部１３から出力された信号を３乗して出力する。３乗演算部１４から出力される出力信号を図３に示す。同図（Ａ）は出力信号の波形であり、横軸は時間、縦軸は波形の振幅を表す。また同図（Ｂ）は出力信号のスペクトルであり、横軸は倍音の次数、縦軸は各倍音の相対強度を表す。３乗演算部１４において音声信号の負側半波が３乗されることにより、図３（Ｂ）に示されるように、３乗演算部１４の出力信号は、偶数次（２次、４次、６次、８次、…）の倍音成分と、１次の倍音成分と、３次の倍音成分と、直流成分とを含んでいる。なお、これら各次数の倍音成分の相対強度は、入力される音声信号の大きさによらず一定である。
【００２５】
３乗演算部１４からの出力信号は、増幅器１６によって所定の増幅率で増幅されて、合成器１７へ入力される。
合成器１７は、正側半波が２乗された増幅器１５からの信号と負側半波が３乗された増幅器１６からの信号を合成して、出力端子２１から出力する。この出力される高調波の波形とスペクトルをそれぞれ図４（Ａ）および（Ｂ）に示す。同図（Ａ）において横軸は時間、縦軸は波形の振幅を表し、また同図（Ｂ）において横軸は倍音の次数、縦軸は各倍音の相対強度を表す。なおここで、２次の倍音成分は、正側半波が２乗されたものと負側半波が３乗されたものとの和として得られるが、両者は符合が逆であるため、合成によってレベルが他のもの（１次や３次）と比べて低下している。
【００２６】
このように、本実施形態によれば、入力される音声信号の正側半波を２乗し、負側半波を３乗して、両者を合成することで高調波を生成する。正側半波の２乗により奇数次および２次の倍音成分が得られ、負側半波の３乗により偶数次および１，３次の倍音成分が得られるので、偶数次と奇数次の両方の倍音を含んだ高調波を生成することができる。そして、従来のようにレベル変換テーブルやオフセット処理部や反転処理部などを用いないので、構成が簡単であるとともに処理量が少なくて済む。また、図２（Ｂ）と図３（Ｂ）に示される各次数の倍音成分の相対強度は入力される音声信号の大きさによらず一定であるので、生成された高調波によって得られる音質を安定させることができる。
【００２７】
図５は、本発明の他の実施形態による高調波生成装置の構成を示すブロック図である。同図において、高調波生成装置１０Ａは、正側半波抽出部１１と、２乗演算部１２と、負側半波抽出部１３と、３乗演算部１４と、増幅器１５，１６，１９と、合成器１７と、２次倍音生成部１８と、を含んで構成される。２次倍音生成部１８と増幅器１９以外の構成は図１の構成と同じであるので、それらの説明は省略する。
【００２８】
２次倍音生成部１８へは、入力端子２０を介して音声信号が供給される。２次倍音生成部１８は、入力された音声信号から２次のみの倍音を生成して増幅器１９へ出力する。２次倍音生成部１８は、例えば、上述した２乗演算部によって構成することができる。また、２乗演算部と所定の帯域の信号のみを通過させるバンドパスフィルタの組み合わせによっても構成することができる。増幅器１９は、２次倍音を所定の増幅率で増幅して合成器１７へ入力する。これにより、上述した図１の構成における２次の倍音成分のレベル低下を補償するようになっている。増幅器１９の増幅率は、このレベル低下の補償を適切に行える値に設定するのが好ましい。
本実施形態によれば、生成される高調波に含まれる２次の倍音成分の相対強度が適切に調整されるので、高調波により得られる音質をより自然な感じにすることができる。
【００２９】
図６は、本発明の一実施形態による低音増強装置の構成を示すブロック図である。同図において、低音増強装置１は、ローパスフィルタ２２と、高調波生成装置１０と、合成器２３と、を含んで構成される。
【００３０】
音声信号は、この低音増強装置１の入力端子２４を介してローパスフィルタ２２へ供給される。この音声信号は再生すべき音声の全周波数帯域の信号成分からなるものであり、ローパスフィルタ２２は、このうち所定の周波数以下の低音域成分の信号のみを通過させて、高調波生成装置１０へ入力する。高調波生成装置１０は、図１に示したものと同じ構成のものであり、ローパスフィルタ２２を通過して入力された上記低音域の信号から高調波を生成する。この高調波には、上述したように、偶数次と奇数次両方の倍音が含まれている。なお、高調波生成装置１０に代えて、図５に示した高調波生成装置１０Ａを適用することも、もちろん可能である。
【００３１】
合成器２３へは、高調波生成装置１０から出力される低音域の音声信号の高調波と、入力端子２４へ供給されたそのままの音声信号とが入力される。合成器２３は、これら２つの信号を合成して、合成した音声信号を出力端子２５から出力する。この出力信号によって図示しないスピーカが駆動されるが、当該スピーカが上記低音域の音声（基本波）を再生する十分な能力を有しない場合でも、低音域の高調波が再生されることで、聴取者は基本波の音程を知覚することができる。
【００３２】
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
【００３３】
例えば、２乗演算部１２に代えて入力信号を偶数乗する偶数乗演算部を適用し、３乗演算部１４に代えて入力信号を奇数乗する奇数乗演算部を適用することもできる。この場合も、偶数乗演算部からは主として入力信号の奇数次倍音が出力され、奇数乗演算部からは主として入力信号の偶数次倍音が出力されるので、上述した実施形態と同様に、偶数次と奇数次の両方の倍音を含んだ高調波を生成することができる。また、構成が簡易で処理量が少ない点も、上述の実施形態と同じである。但し、累乗の指数が４乗、５乗…と上がっていくと、入力信号の振幅と出力信号の振幅の間の非線形性が大きくなる。上述の実施形態のように、２乗と３乗を適用した場合には、入力される音声信号の大きさが変化したときの出力信号の大きさの変化が４乗以上する場合と比べて小さいため、入力レベルの違いによる音色変化を少なくすることができるメリットがある。
【００３４】
また、上述の実施形態とは逆に、正側半波を３乗（奇数乗）し、負側半波を２乗（偶数乗）する構成としてもよく、同様の効果を得ることができる。
【００３５】
また、本発明はＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）等のコンピュータによって実施することも可能であり、上述した各部の処理を実行するためのコンピュータプログラムを当該コンピュータに読み込ませて実行することで、本発明を実施できる。その際には、コンピュータプログラムを格納するメモリや、デジタル信号（音声信号や生成した高調波）を入出力するためのインタフェース等を適宜設け、高調波生成装置と低音増強装置を構成すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態による高調波生成装置の構成を示すブロック図である。
【図２】２乗演算部からの出力信号を示す図である。
【図３】３乗演算部からの出力信号を示す図である。
【図４】図１の高調波生成装置の出力信号を示す図である。
【図５】本発明の他の実施形態による高調波生成装置の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の一実施形態による低音増強装置の構成を示すブロック図である。
【図７】従来の高調波生成方法において、波形の変化を示す図である。
【図８】従来の高調波生成方法において、生成した高調波に含まれる各次数の倍音成分を示す図である。
【図９】従来の高調波生成装置の例を示した構成図である。
【符号の説明】
【００３７】
１…低音増強装置  １０…高周波生成装置  １１…正側半波抽出部  １２…２乗演算部  １３…負側半波抽出部  １４…３乗演算部  １５，１６，１９…増幅器  １７，２３…合成器  １８…２次倍音生成部  ２０，２４…入力端子  ２１，２５…出力端子  ２２…ローパスフィルタ
【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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