(57)【要約】【課題】アナログのＷａｈの回路をもとに、その周波数特性だけでなく、歪みの挙動までシミュレートすることで、できる限りアナログに近い音を再現することができるデジタル回路構成の音色制御フィルタ（エフェクタ）を提供することを目的とする。【解決手段】入力楽音信号に周波数特性変調系の効果を付与して出力するデジタル回路構成の音色制御フィルタで、バンドパス段の構成要素となる積分器および乗算器とローパス段の構成要素となる積分器および乗算器とを含む２重積分型のフィルタ部を備えたものにおいて、ローパス段の周波数特性を決定する係数を固定にし、バンドパス段の周波数特性を決定する係数のみをコントロールする。また、アナログ機器で発生する歪みをシミュレートするため、バンドパス段の乗算を積分器の後で、しかも特殊な非線形で行なう。【選択図】　図１
2004133078.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力楽音信号に周波数特性変調系の効果を付与して出力するデジタル回路構成の音色制御フィルタであって、
バンドパス段の構成要素となる積分器および乗算器とローパス段の構成要素となる積分器および乗算器とを含む２重積分型のフィルタ部と、
前記ローパス段の周波数特性を決定する乗算器の乗算係数を固定の値とする手段と、
前記バンドパス段の周波数特性を決定する乗算器の乗算係数を、所定の変調信号に基づいて変化させる制御手段と
を備えることを特徴とする音色制御フィルタ。
【請求項２】
入力楽音信号に周波数特性変調系の効果を付与して出力するデジタル回路構成の音色制御フィルタであって、
バンドパス段の構成要素となる積分器および乗算器とローパス段の構成要素となる積分器および乗算器とを含む２重積分型のフィルタ部と、
前記ローパス段の周波数特性を決定する乗算器の乗算係数を固定の値とする手段と、
前記バンドパス段の周波数特性を決定する乗算器の乗算を、該バンドパス段の積分器の後で、かつ、所定の変調信号に基づいて変化させた乗算係数で行なう制御手段と、
前記バンドパス段の乗算器の出力を後段のローパス段に入力する前に、前記バンドパス段の乗算器の出力に対して、アナログ機器で発生する歪みをシミュレートするための所定の非線形変換を施す手段と
を備えることを特徴とする音色制御フィルタ。
【請求項３】
入力楽音信号に周波数特性変調系の効果を付与して出力するデジタル回路構成の音色制御フィルタであって、
バンドパス段の構成要素となる積分器および乗算器とローパス段の構成要素となる積分器および乗算器とを含む２重積分型のフィルタ部と、
前記パンドパス段の乗算器の乗算係数と、前記ローパス段の乗算器の乗算係数とを、それぞれ独立の割合や向きで制御する制御手段と
を備えることを特徴とする音色制御フィルタ。
【請求項４】
請求項１から３の何れか１つに記載の音色制御フィルタにおいて、
前記ローパス段は、アナログ機器でのコイルの抵抗によるＱの損失をシミュレートするための乗算器および加算器を含むことを特徴とする音色制御フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、周波数特性変調系の音色制御フィルタ（エフェクタ）に関し、特にアナログ回路で構成したものに近い音を再現できる音色制御フィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
音色制御フィルタ（あるいは効果付与装置）の１つとしてワウ・ワウ（ｗｏｗｗｏｗまたはｗａｈ　ｗａｈ：以下単にＷａｈと呼ぶ）が知られている。Ｗａｈは、ギターなどに使われる音色制御フィルタである。Ｗａｈは、バンドパスフィルタのピーク周波数を変化させることで入力楽音信号の音色を変化させる。周波数を変化させるには、フットペダルによる方法（ペダルワウ）や、入力が加わると自動で変化する方法（オートワウ）などがある。
【０００３】
Ｗａｈの構成は、大別すると、Ｑ一定のステートバリアブル（２重積分型）フィルタを用いたものと、負帰還型のＱ可変型（カットオフ周波数が低いほどＱが高い）のものに二分される。また、この他にもカットオフ周波数が高いほどＱが高くなる構成も考えられる。２重積分型フィルタを用いたものでは、出力を取り出す位置をＬＰ（ローパス）／ＢＰ（バンドパス）／ＨＰ（ハイパス）の何れかに切り替え可能なものが知られている。ＬＰ出力は音痩せしない（低音がしっかりと出る）のでベースに用いられたりする。一方、ギター用のＷａｈはほとんど負帰還型で、いわゆる典型的なＷａｈの音はこちらである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、デジタルエフェクタでＷａｈとして良く用いられるバンドパスフィルタは、２重積分型や標準型などさまざまな方式のものがあるが、何れにしてもＱが一定なので、カットオフ周波数が高くなったときに低域が削られて音が細くなる（低音が出ない）。一方、負帰還型のアナログＷａｈは、カットオフ周波数に関係なく、低域の特性がほとんど変化しないので、音が痩せない。そのため、デジタル回路構成のＷａｈでアナログのＷａｈの音を再現するには、負帰還型と同様の周波数特性の変化をするのが望ましい。
【０００５】
しかし、周波数特性を合わせたとしても、デジタルフィルタによるＷａｈにはまだ問題がある。音色制御フィルタとしてのＷａｈはＱが高いため、普通の入力レベルでも若干の歪みを生じることがあるが、この歪みはピークを抑える効果があり、アナログ機器の音の良い理由の１つである。しかし、デジタルフィルタでＷａｈを実現する場合、歪むと音が汚くなるので、なるべく歪まないように設定する。一方、歪まないと周波数特性のピークが音量によってはきつく感じられることが多く、デジタルフィルタによるＷａｈの音がきついとか、良くないと言われる原因となっている。
【０００６】
デジタルフィルタで歪んだ場合、構成によって歪みはさまざまである。標準型（バタフライ型）で歪むときたない感じ（カオス的だが汚い音）になる。また２重積分型では、歪むことで見かけのカットオフが下がる（飽和して係数が小さくなったのと同様の効果を生じる）ため、カットオフが変動してゲロゲロした音になることがある。歪みの質は２重積分型の方が良いが、これらの何れもアナログの歪みとは異なる。デジタル特有のきつさを抑えるには適度に歪ませるしか無いので、結局アナログ的な歪みをいかにシミュレートするかが重要である。
【０００７】
この発明は、上述の従来技術における問題点に鑑み、アナログのＷａｈの回路をもとに、その周波数特性だけでなく、歪みの挙動までシミュレートすることで、できる限りアナログに近い音を再現することができるデジタル回路構成の音色制御フィルタ（エフェクタ）を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、請求項１に係る発明は、入力楽音信号に周波数特性変調系の効果を付与して出力するデジタル回路構成の音色制御フィルタであって、バンドパス段の構成要素となる積分器および乗算器とローパス段の構成要素となる積分器および乗算器とを含む２重積分型のフィルタ部と、前記ローパス段の周波数特性を決定する乗算器の乗算係数を固定の値とする手段と、前記バンドパス段の周波数特性を決定する乗算器の乗算係数を、所定の変調信号に基づいて変化させる制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明は、入力楽音信号に周波数特性変調系の効果を付与して出力するデジタル回路構成の音色制御フィルタであって、バンドパス段の構成要素となる積分器および乗算器とローパス段の構成要素となる積分器および乗算器とを含む２重積分型のフィルタ部と、前記ローパス段の周波数特性を決定する乗算器の乗算係数を固定の値とする手段と、前記バンドパス段の周波数特性を決定する乗算器の乗算を、該バンドパス段の積分器の後で、かつ、所定の変調信号に基づいて変化させた乗算係数で行なう制御手段と、前記バンドパス段の乗算器の出力を後段のローパス段に入力する前に、前記バンドパス段の乗算器の出力に対して、アナログ機器で発生する歪みをシミュレートするための所定の非線形変換を施す手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に係る発明は、入力楽音信号に周波数特性変調系の効果を付与して出力するデジタル回路構成の音色制御フィルタであって、バンドパス段の構成要素となる積分器および乗算器とローパス段の構成要素となる積分器および乗算器とを含む２重積分型のフィルタ部と、前記パンドパス段の乗算器の乗算係数と、前記ローパス段の乗算器の乗算係数とを、それぞれ独立の割合や向きで制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に係る発明は、請求項１から３の何れか１つに記載の音色制御フィルタにおいて、前記ローパス段は、アナログ機器でのコイルの抵抗によるＱの損失をシミュレートするための乗算器および加算器を含むことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いてこの発明の実施の形態を説明する。
【００１３】
図１に、この発明の第１の実施の形態に係るＷａｈの概略構成を示す。この構成について説明する前に、従来より知られているアナログ回路構成のＷａｈから段階的にデジタルのＷａｈを構成していく過程について、図８〜図１０を参照して説明する。
【００１４】
図８は、アナログのＷａｈの簡略化した回路例を示す。図９は、図８のアナログ回路をブロック変換して構成したデジタルのＷａｈの回路例を示す。図８で共振回路（フィルタ部分）を構成するコイルＬ、抵抗ｒｃ、コンデンサＣの部分８０１を、図９のループ回路９０１に置き換える。また、ゲインｇａの初段のアンプからエミッタフォロアに対応するゲイン１のアンプを介してフィードバックする部分８０２を、図９のＮＦＢ部９０２に置き換える。さらに、図１０は、図９の回路からＮＦＢ部９０２をＨＰＦを省略して乗算に置き換えて（線形とする）、回路を整理したものである。図１０は、２重積分型のフィルタになっている。
【００１５】
図１の実施形態の回路は、図１０の回路から、バンドパス段の積分と乗算（係数ａ）の順を入れ換えて係数を正規化し、ゲイン配分を見直し、回路を整理して、さらにバンドパス段を制御する制御回路を追加したものである。図１において、入力楽音信号ＩＮは、ゲイン制御のための乗算器１０１に入力し、係数ｉｎｇが乗算される。乗算器１０１の出力は、加算器１０２に入力し、加算器１０２の出力はＢＰＦ（バンドパスフィルタ）１３０に入力する。ＢＰＦ１３０は、加算器１０３，１０５、乗算器１０４，１０７、および遅延回路（１サンプリング周期遅延）１０６からなる。ＢＰＦ１３０の出力は、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）１４０に入力する。ＬＰＦ１４０は、乗算器１０８、加算器１０９、および遅延回路（１サンプリング周期遅延）１１０からなる。ＬＰＦ１４０の出力は、加算器１０２にフィードバックされる。
【００１６】
カットオフ制御回路１１３は、ＬＦＯ（低周波発生器）１１１やＥＦ（エンベロープフォロワ）１１２の出力に基づいて、ＢＰＦ１３０の係数（詳しくは、乗算器１０４の係数ｂｐｃ）を生成出力する。ＬＦＯ１１１は、例えばユーザが操作するペダルの操作情報に応じた周波数の低周波信号を出力したり、あるいは指定された所定の周波数の低周波信号を出力するものである。ユーザのペダル操作に応じた出力を出す場合はペダルワウとなり、所定周波数の出力を出す場合はオートワウとなる。ＥＦ１１２は入力信号ＩＮのエンベロープレベルを抽出して出力する回路であり、カットオフ制御回路１１３は、入力信号のエンベロープレベルに応じたＢＰＦ１３０の係数を生成出力する。これにより、入力信号のレベルに同期して音色が変化するＷａｈ（オートワウ）が実現できる。
【００１７】
図１の構成では、ＬＰＦ１４０の係数を固定にし、ＢＰＦ１３０の係数のみをコントロールしている。これにより、アナログのＷａｈの基本的な周波数特性はシミュレーションできる。図２に、その周波数特性の例を示す。図１の構成では、通常の２重積分型（ＶＣＦ）のアナログＷａｈの特性と比べて、ＢＰＦのピーク周波数の変化に応じてＱが変化するため、バンドパス特性の低域部分のスロープが変化しないのが特徴である。すなわち、ＢＰＦのピーク周波数が移動しても低周波数域のカーブはほとんど変化していない。従って、楽器のファンダメンタル部分の特性が保存されるため、扱い易いという特徴がある。
【００１８】
次に、第２の実施形態について説明する。図３に、第２の実施形態に係るＷａｈの概略構成を示す。この構成についても、第１の実施形態と同様に、アナログ回路構成のＷａｈから段階的にデジタルのＷａｈを構成していく過程について、図９および図１１〜図１７を参照して説明する。
【００１９】
第１の実施形態で参照した図９の構成において、ＮＦＢ部分９０２を解くために、ＨＰＦ９２２を無視すると、加算器９２１への入力ｘと出力ｙとの関係は、下記の数１のようになる。
【００２０】
【数１】
2004133078.tif 000003
【００２１】
ここでアナログ回路でのアンプの非線形特性を考慮して、図９のＮＦＢ部分９０２を、図１１のように変形する。すなわち、非線形特性を持つハードクリップ１１０１を設けたとする。このハードクリップ１１０１が無いとき、出力信号ＯＵＴは下記の数２のように書ける。
【００２２】
【数２】
2004133078.tif 000004
【００２３】
この出力信号ＯＵＴと、ハードクリップ１１０１のクリップレベルｃｌｉｐｌｖｌとの大小関係を考えると、上述の入出力ｘとｙとは以下の数３の関係となる。
【００２４】
【数３】
2004133078.tif 000005
【００２５】
以上より、図９のブロック図は図１３のように書き換えることができる。ただし、１３０１は、図１２に示すような非線形変換を施す非線形変換部である。１３０２は、信号レベルをクリップレベルｃｌｉｐｌｖｌに制限するクリップ部である。
【００２６】
図１３をさらに書き換えて、図１４の回路を得る。これは、図１３の入力ゲイン制御用の乗算器と加算器の部分を除き、回路を整理したものである。さらに図１４の乗算器１４０１と１４０２を合わせて、乗算器１５０１で代表させることにより、図１５の回路を得る。
【００２７】
図１５の非線形変換部１５０２から出力ＯＵＴまでの部分を、クリップレベルｃｌｉｐｌｖｌ＝１として先の数３に従って図１６のように書き換える。なお、クリップレベルｃｌｉｐｌｖｌは相対的なものなので、１でなくともよい。ｖｏｌ＝１のときは、ＯＵＴ＝［（−ｇａ）／（１＋ｇａ）］・ｘとなり、ＯＵＴとｘとはほぼ同じとなりクリップしない（積分段でクリップしてしまう）。これらの理由により、積分段のマージンを確保するため、−ｇａの代わりにゲインＧ（｜Ｇ｜＞｜ｇａ｜）を用いて、図１６の回路を変更し、図１７の回路を得る。なお、シフトで済むようにＧ＝２Ｎとする（ここでは、Ｇ＝１０２４、ｇａは１００程度）。また、全体をｇａ／Ｇ倍するものとする。
【００２８】
図３に示す第２の実施形態の回路は、図１５の非線形変換部１５０２から出力ＯＵＴまでの部分を図１７で置き換えるとともに、ディレイフリーループ部分をＺ−１で置き換え、さらに係数を与える部分を付け加えたものである。ゲイン制御のための乗算器３０１も付け加えた。
【００２９】
図３において、入力信号ＩＮは、ゲイン制御のための乗算器３０１に入力し、係数ｉｎｇが乗算される。乗算器３０１の出力は、加算器３０２に入力し、加算器３０２の出力は加算器３０３に入力する。加算器３０３，３０４、遅延回路３０５、乗算器３０６，３０７、クリップ回路３０８、乗算器３０９、加算器３１１，３１２、クリップ回路３１３，３１４、加算器３１５、遅延回路３１６、および乗算器３１７は、バンドパス段に相当する。また、乗算器３２０、加算器３２１、および遅延回路３２２は、図１のＬＰＦ１４０に相当するＬＰＦ部分である。ＬＦＯ３２３、ＥＦ３２４、およびカットオフ制御回路３２５は、図１の各部１１１〜１１３に相当する部分である。
【００３０】
本実施形態の図３の構成は、特にアナログ機器で生じる歪みをシミュレートする非線形変換を含むことが特徴である。周波数特性だけでなく、歪みの挙動までシミュレートするので、きわめてアナログに近い楽音を再現することができる。ここでは簡単のためにハードクリップで行なっているが、ソフトクリップで行なっても良いし、バンドパス係数に応じた出入力の非線型テーブルを用いても良い。
【００３１】
図１や図３の構成で、Ｗａｈの基本的な周波数特性はシミュレーションできるが、アナログ機器のＷａｈと比べて、低い周波数のＱがやや強めになることが確認された。原因を調べたところ、アナログのＷａｈでは、用いているコイルの抵抗値が無視できないほど大きいためであることが分かった。その理由は、小さなコイルで高いインダクタンスを得るため、非常に細い線を用いているためである。
【００３２】
次に説明する第３の実施形態は、図１の構成にコイルの抵抗による影響を追加したものである。図４（ａ）のようにコイルＬの抵抗をＲとし、図に示すような電圧と電流を仮定する。これは図４（ｂ）のようなデジタル回路で置き換えられる。ディレイフリーループ部分を除去すると、図４（ｃ）の回路になる。ここで、下記の数４が成り立つ。
【００３３】
【数４】
2004133078.tif 000006
【００３４】
従って、図４（ｃ）の回路は図４（ｄ）で置き換えられる。これを、図１に適用する。ｄｔ／Ｌをｌｐｃと置き換えて、図５の回路を得る。図５において、５００番台の数字で示した各部は、図１の１００番台の数字で示した各部と、下２桁が同じ同士で対応している。図５が図１と異なるのは、ＬＰＦ５３０内に、図４で説明したコイルの抵抗を考慮した乗算器５４１と加算器５４２を備えていることである。これにより、アナログのＷａｈのコイルの抵抗による影響を考慮した処理がなされ、よりアナログ機器に近い楽音が得られる。
【００３５】
図６に、図５の構成のＷａｈの周波数特性の例を示す。図２のグラフに比べて、コイルの抵抗の影響に基づきピーク周波数が低いほどＱを落とすようになっている。なお、図４（ｄ）の構成は、図３の非線型を含む場合に対しても同様に適用できる。
【００３６】
次に、第４の実施形態を説明する。上述したように、図１の構成によれば、バンドパス特性の低域部分のスロープが変化しないので、楽器のファンダメンタル部分の特性が保存され扱い易いという特徴がある。しかし、場合によってはシンセサイザのスイープのような効果を得るため、従来のＶＣＦの特性が欲しい場合もある。また、この２つの特性の中間や、ローパス段のみ振った（低周波信号でＬＰＦのカットオフ周波数を変化させる）ような特殊な特性も再現できると便利である。図７に、そのような特性を実現する第４の実施形態の構成を示す。
【００３７】
図７において、７０１〜７１２の番号を付した各部は、図１の５０１〜５１２の番号を付した各部と、下２桁が同じ同士で対応している。セレクタ７１３は、ＥＦ７１１やＬＦＯ７１２やその他の信号源からの変調信号を選択するスイッチである。セレクタ７１３で選択された変調信号は、加算器７１４で−１と加算される。乗算器７１５、加算器７１６、および指数変換部７１７は、ＢＰＦ部７３０の係数を出力する部分である。これと独立して、ＬＰＦ７４０の係数を出力する部分として、乗算器７１８、加算器７１９、および指数変換部７２０が設けられている。
【００３８】
特に、図７では、ＢＰＦ部７３０の係数とＬＰＦ７４０の係数とを独立に制御する構成を採っていることが特徴である。ＢＰＦ部７３０の係数とＬＰＦ７４０の係数とを同期させて変化させればＶＣＦ（Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　Ｆｉｌｔｅｒ）、バンドパスの係数のみ変化させればＷａｈ、ローパスの係数のみ変化させればカットオフ周波数が高いほどＱが大きくなる特殊な効果が得られ、またこれらの中間の設定も可能である。
【００３９】
なお、ブロック変換で無視した要素による影響を補正するため、ＶＣＦの前段または後段にＨＰＦやＥＱなどを挿入しても良い。また、図４で説明したコイルの抵抗による損失を考慮した構成は、図７の回路にも適用できる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、アナログのＷａｈの回路をもとに、その周波数特性だけでなく、歪みの挙動までシミュレートすることで、できる限りアナログに近い音を再現することができるデジタル回路構成の音色制御フィルタ（エフェクタ）を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係るＷａｈの概略構成図
【図２】図１の構成の周波数特性の例を示す図
【図３】第２の実施の形態に係るＷａｈの概略構成図
【図４】コイルの抵抗による影響を考慮した回路の説明図
【図５】コイルの抵抗による影響を考慮して書き換えた第３の実施の形態に係るＷａｈの概略構成図
【図６】図５の構成のＷａｈの周波数特性の例を示す図
【図７】第４の実施の形態に係るＷａｈの概略構成図
【図８】アナログのＷａｈの簡略化した回路例を示す図
【図９】図８のアナログ回路をブロック変換して構成したデジタルのＷａｈの回路例を示す図
【図１０】図９から書き換えた回路例を示す図
【図１１】ＮＦＢ部分を書き換えた回路例を示す図
【図１２】非線形変換部の非線形特性を示す図
【図１３】図９から書き換えた回路例を示す図
【図１４】図１３から書き換えた回路例を示す図
【図１５】図１４から書き換えた回路例を示す図
【図１６】図１５の非線形変換部から出力までの部分を書き換えた回路例を示す図
【図１７】図１６から書き換えた回路例を示す図
【符号の説明】
１０１…乗算器、１０２，１０３…加算器、１０４…乗算器、１０５…加算器、１０６…遅延回路、１０７…乗算器、１０８…乗算器、１０９…加算器、１１０…遅延回路、１１１…ＬＦＯ（低周波発生器）、１１２…ＥＦ（エンベロープフォロワ）、１１３…カットオフ制御回路、１３０…ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）、１４０…ＬＰＦ（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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【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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