(57)【要約】      （修正有）【課題】電子楽器等においては、エフェクトの一態様として楽音信号を歪ませ、高調波を付加することが行われている。入力信号電圧が大きくなると、出力振幅は飽和し（過飽和状態）、矩形波に近似した波形にされ、過飽和状態においては、出力信号波形はほとんど変化しない。本発明は、過飽和状態においても音色が緩やかに変化することの出来る歪付加方法、歪付加装置およびプログラムを提供する。【解決手段】入力信号のピーク値を検出し、該ピーク値を保持することによって包絡線を抽出して成る包絡線信号を出力するピークホールド過程２１０と、前記包絡線信号に応じた直流オフセットを前記入力信号に加算するオフセット加算過程２６０と、前記オフセット加算過程の出力信号に高調波歪を付加する歪付加過程２４０とから構成される。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号のピーク値を検出し、該ピーク値を保持することによって包絡線を抽出して成る包絡線信号を出力するピークホールド過程と、
前記包絡線信号に応じた直流オフセットを前記入力信号に加算するオフセット加算過程と、
前記オフセット加算過程の出力信号に高調波歪を付加する歪付加過程と
から構成されることを特徴とする歪付加方法。
【請求項２】
前記オフセット加算過程は、前記高調波歪を付加した信号がクリップする場合に、前記入力信号に前記直流オフセットを加算する過程である
ことを特徴とする請求項１記載の歪付加方法。
【請求項３】
前記歪付加過程の出力信号を増幅する増幅過程と、
前記ピークホールド過程の出力信号に応じて該増幅過程の増幅度を変化する増幅度変化過程と
をさらに有することを特徴とする請求項１記載の歪付加方法。
【請求項４】
請求項１ないし３の何れかに記載の歪付加方法を実行することを特徴とする歪付加装置。
【請求項５】
請求項１ないし３の何れかに記載の歪付加方法を実行させることを特徴とするプログラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、楽音機器に用いて好適な歪付加方法、歪付加装置およびプログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子楽器等においては、エフェクトの一態様として、楽音信号を歪ませ高調波を付加するものが知られている。たとえば、特許文献１には、変調信号と被変調信号とを用い、被変調波を所定の位相区間において正負反転処理を行った楽音合成方法によって多数の高調波成分を発生する技術が開示されている。発生する高調波のうち、偶数次の高調波は基本波とオクターブの関係にあり、楽音としての親和性が高い。それ故、偶数次（特に二次）の高調波を付加することが好適である。たとえば、Ｖｉｎをエフェクトの入力信号電圧としたとき、二次特性の一例として、エフェクトの出力信号電圧Ｖｏｕｔが以下のように選定される。
Ｖｉｎ＜ＶＯにおいて
Ｖｏｕｔ＝−（Ｖｉｎ−ＶＯ）２＋ＶＯ２
Ｖｉｎ≧ＶＯにおいて
Ｖｏｕｔ＝ＶＯ２
この特性は原点を通り、Ｖｉｎ＝ＶＯの飽和点においてＶＯ２の値に飽和する（図１（ａ））。ここで、入力として正弦波信号を印加すると、図１（ｂ）のような歪波が出力される。この歪波においては、上下ピーク値が非対称になり、正の半波信号のピーク電圧は圧縮され、負の半波信号のピーク電圧は伸長される。一方、デジタル回路においては有効桁数に限界がある。したがって、入力信号の振幅を増加してゆくと、負の半波信号が正の半波信号より速くクリップし始める。たとえば、図１（ｂ）においては、破線のレベル（以下、「クリップレベル」という。）においてクリップが生ずる。
【０００３】
【特許文献１】
特公平５−２５１１７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、入力信号電圧がさらに大きくなると、出力振幅は正の半波信号においても飽和し（過飽和状態）、出力信号は矩形波に近似する波形に直流成分が重畳された波形になる（図１（ｃ））。ここで、図の一点鎖線は該矩形波の平均レベルを表す。それ故、過飽和状態においては、入力信号振幅が変化しても出力信号波形はほとんど変化しない問題点がある。たとえば、エレキギターからの信号で、オーバードライブ音を得る場合、信号振幅が過飽和状態にある間は、楽音信号にほとんど変化が現れないという問題が生じる。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、過飽和状態においても楽音信号を変化させることの出来る歪付加方法、歪付加装置およびプログラムを提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明にあっては、下記構成を具備することを特徴とする。なお、括弧内は例示である。
請求項１記載の歪付加方法にあっては、入力信号のピーク値を検出し、該ピーク値を保持することによって包絡線を抽出して成る包絡線信号を出力するピークホールド過程（ピークホールドユニット）と、前記包絡線信号に応じた直流オフセットを前記入力信号に加算するオフセット加算過程（加算器）と、前記オフセット加算過程の出力信号に高調波歪を付加する歪付加過程（歪付加ユニット）とから構成されることを特徴とする。
さらに、請求項２記載の構成にあっては、請求項１記載の歪付加方法において、前記オフセット加算過程は、前記高調波歪を付加した信号がクリップする場合に、前記入力信号に前記直流オフセットを加算する過程であることを特徴とする。
さらに、請求項３記載の構成にあっては、請求項１記載の歪付加方法において、前記歪付加過程の出力信号を増幅する増幅過程（ゲイン調整ユニット）と、前記ピークホールド過程の出力信号に応じて該増幅過程の増幅度を変化する増幅度変化過程とをさらに有することを特徴とする。
また、請求項４記載の歪付加装置にあっては、請求項１ないし３の何れかに記載の歪付加方法を実行することを特徴とする。
また、請求項５記載のプログラムにあっては、請求項１ないし３の何れかに記載の歪付加方法を実行させることを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
１．    実施形態のハードウェア構成
本発明の一実施形態である歪付加装置のハードウェア構成を図２を参照して説明する。
図２において、１０は入出力インターフェースであり、アナログ入出力インターフェース、デジタル入出力インターフェースから構成され、音声信号（楽音信号を含む。）が入出力される。なお、アナログ入出力インターフェースにおいてはＡ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器が使用される。
【０００７】
２０はＤＳＰであり、入出力インターフェース１０に接続され、入力信号（音声信号）を所定のアルゴリズムによりデジタル信号処理する。３０は操作部であり、各種スイッチ、ポインティングデバイスが設けられる。４０は表示部であり、液晶表示パネルにより構成される。５０はＣＰＵであり、各部を制御する。６０はＲＡＭであり、ワークメモリとして使用される。７０はＲＯＭであり、制御プログラム、各種パラメータが記憶されている。８０はバスラインであり、各部を接続する。以上の構成要素により、本実施形態の歪付加装置１００が構成される。
【０００８】
２．  実施形態のアルゴリズム構成
次に、ＤＳＰ２０あるいはＣＰＵ５０などによって、ソフトウェア的に実現される歪付加アルゴリズムの構成を図３（ａ）を参照して説明する。
図において、２１０はピークホールドユニットであり、入力信号のピーク値を検出し、該ピーク値を所定の時定数で保持する。これにより、入力信号の包絡線が抽出される。２２０は第１のレベル調整ユニットであり、ピークホールドユニット２１０により抽出された包絡線レベルに応じて、直流オフセットを設定する。なお、ピークホールドユニット２１０により抽出された包絡線レベルの値がクリップレベル以下の場合にはオフセット値には「０」が設定される。２３０は第２のレベル調整ユニットであり、入力信号の包絡線レベルに応じてゲイン調整ユニットの増幅度を設定する。２４０は歪付加ユニットであり、入力信号Ｖｉｎを以下の二乗特性を有する出力信号Ｖｏｕｔに変換する。
Ｖｉｎ＜ＶＯにおいて
Ｖｏｕｔ＝−（Ｖｉｎ−ＶＯ）２＋ＶＯ２
Ｖｉｎ≧ＶＯにおいて
Ｖｏｕｔ＝ＶＯ２
この変換により、Ｖｉｎ＜ＶＯにおいて、出力信号Ｖｏｕｔには、入力信号に比例する成分に加えて、直流成分および２次の高調波歪成分が付加される。２５０はゲイン調整ユニットであり、歪付加ユニット２４０の出力信号を増幅する。なお、ゲイン調整ユニット２５０における増幅度は第２のレベル調整ユニット２３０によって調整される。２６０は加算器であり、入力信号に対して、第１のレベル調整ユニット２２０において設定された直流オフセットを加算する。
【０００９】
３．  本実施形態の動作
本実施形態の歪付加装置１００の動作を、図２および図３（ａ）を参照して説明する。
図２において、入出力インターフェース１０を介して入力信号（音声信号）が供給されると、ＤＳＰ２０において該入力信号にエフェクト処理が施され、その結果が入出力インターフェース１０を介して出力される。ここで、エフェクト処理の内容として、二乗特性付加が含まれていれば、ＤＳＰ２０のマイクロプログラムによって、図３（ａ）のアルゴリズムが実行される。
【００１０】
図３（ａ）において、入力信号がピークホールドユニット２１０に供給されると、ピークホールドユニット２１０から該入力信号の包絡線信号が出力される。該包絡線信号が第１のレベル調整ユニット２２０に供給されると、直流オフセットが設定される。加算器２６０によって、該入力信号に該直流オフセットが加算され、歪付加ユニット２４０に供給される。
【００１１】
ここで、歪付加ユニット２４０の入出力特性は図３（ｂ）の通りである。図において、横軸は入力信号電圧、縦軸は出力信号電圧を示す。入力信号電圧がクリップレベル（ＣＬＰ）未満においては、その入出力特性は原点を通る二乗特性である。しかし、クリップレベル以上の入力信号電圧では、入力信号がクリップされ、出力信号電圧が変化しない。ここで、仮に範囲３０１，３０３，３０５，３０７の振幅の正弦波入力信号が歪付加ユニット２４０に入力されたとする。この場合について、加算器２６０による直流オフセットの加算を行わない場合の歪付加ユニット２４０の出力信号波形を図３（ｃ），（ｄ），（ｅ），（ｆ）に示す。図３（ｃ）においては、正弦波が二乗特性により変形し、図３（ｄ）においては、負の半波信号で一部波形がクリップする。さらに、図３（ｅ）の波形と、図３（ｆ）の波形とは、正の半波信号でも過飽和状態にされ、正の半波信号の波形は、負の半波信号でクリップしている波形と類似した波形にされている。また、図３（ｃ）〜（ｆ）のすべてにおいて、正の半波信号の期間と負の半波信号の期間とが等しい。
【００１２】
これに対して、実際には加算器２６０により、第１のレベル調整ユニット２２０によって設定された直流オフセットが正弦波入力信号に加算される。この加算結果の振幅が、図４（ａ）に示される範囲３１１，３１３，３１５，３１７であった場合についての歪付加ユニット２４０の出力信号波形を図４（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）に示す。ここで、入力信号の包絡線がクリップレベル未満の場合には直流オフセットが印加されず、入力信号の包絡線がクリップレベルを超過する場合には、入力レベルの上昇に応じて所定の電圧変化率により徐々に上昇する特性を有する直流オフセットが、入力信号に印加される。特に範囲３１３の入力においては、直流オフセットのためにクリップが発生しない（図４（ｃ））。範囲３１５，３１７においては、正の半波信号が過飽和状態にされ、負の半波信号もクリップされ、矩形波に近似した波形にされる（図４（ｄ），（ｅ））。そして、図４（ｅ）の波形の方が図４（ｄ）の波形よりも、負の半波信号の幅が短い。
【００１３】
さらに、入力レベルがさらに大きくなることにより、矩形波の負の半波信号の幅が極端に短い値になることを防ぐために、第１のレベル調整ユニット２２０において、直流オフセットの電圧変化率が低下される。以上述べた直流オフセットの電圧特性を図５（ｅ）に示す。図において、横軸は包絡線電圧であり、図５（ｄ）の横軸（入力信号電圧）と対応する。図５（ｅ）の縦軸は直流オフセット電圧であり、範囲３２０の入力レベルで直流オフセットは加算されない。それに対して、範囲３２０以外の入力レベルでは直線３３２の特性で直流オフセットを（入力レベルに対して所定の電圧変化率により）増加し、その後直線３３４の特性で直流オフセットを増加している。しかし、図から明らかなように、直線３３４においては、直線３３２と比較して、直流オフセットの電圧変化率は低下させられている。直線３３２の特性と直線３３４の特性との変化点および電圧変化率は、使用者の好みにより設定される。
【００１４】
このように、正の直流オフセットが正弦波入力信号に加算されることにより、ゼロクロス点が移動することになる。ゼロクロス点を移動した信号が歪付加ユニット２４０を通過することにより、二乗特性により飽和され、あるいは、有効桁数の制限によりクリップされる。それにより、正および負の半波信号の幅が変化した矩形波に近似した波形が得られる。
【００１５】
ところで、上述したピークホールドユニット２１０は、入力レベルが急激に小さくなった際に、ホールド出力も追従して小さくなる程度の時定数、すなわち、入力信号の振幅が変化する時間よりも短い時間、ピーク値を保持する程度の時定数を有している。たとえば、図５（ａ）のような大きな包絡線（波形３５１）および直後の小さな包絡線（波形３５３）を有する信号がピークホールドユニット２１０に入力されたとする。図５（ｂ）の実線に示されるように、ピークホールドユニット２１０の出力は、入力信号の包絡線（波形３５１，３５３）に近い波形３５５，３５７の包絡線信号になる。すなわち、小さな波形３５３の入力信号は範囲３６１の変化範囲で正常に動作する（図５（ｃ））。
【００１６】
これに対して、仮に時定数が長く設定され急激な入力信号の減衰に適応できないピークホールドユニットを用いた場合においては、小さな波形３５３の入力信号のときに、破線の包絡線（波形３５９）に対応するレベルの過大な直流オフセットが加わるため、飽和領域（範囲３６３）において出力振幅が小さく、かつ歪が付加されるという問題が生ずる（図５（ｃ））。
【００１７】
ところで、前述したように、入力レベルが変化することにより（範囲３０５，３０７）、歪付加ユニット２４０の出力波形である矩形波の正および負の半波信号の幅が変化する（図４（ｄ），（ｅ））。この場合においては、基本波周波数は変化しないものの、高調波の振幅レベル等が変化し、図４（ｄ）の波形よりも図４（ｅ）の波形の方が高調波成分が多い。また、人間の耳に聞こえる音量感は周波数によって異なる。したがって、図４（ｄ）と図４（ｅ）との波形では音量感が異なる。そこで、歪付加ユニット２４０の出力信号をゲイン調整ユニット２５０に供給することによってゲイン調整が行われる。すなわち、入力レベルが大きくなるほど大きな音量感が得られるようにゲイン調整が行われる。たとえば、図４（ｄ）の波形より図４（ｅ）の波形の方が入力レベルが大きいので、図４（ｅ）の方が大きな音量感が得られるように、レベル調整ユニット２３０により増幅度が設定される。
【００１８】
以上のように本実施形態によれば、直流オフセットの加算により、入力信号の包絡線レベルに応じて矩形波の半波信号の幅が変化するため、過飽和状態においても音色が緩やかに変化する。一方、エレキギターのような信号に対してオーバードライブ音を得る場合、過飽和状態でも弦振動の減衰に応じて”うねる”ようなオーバードライブ音が得られる。
【００１９】
４．    変形例
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように種々の変形が可能であり、全て本発明の範疇に含まれる。
（１）上記実施形態においては、入力レベルの変化に対して直流オフセットを２段階の直線状に変化させたが（図５（ｅ））、複数の直線状あるいは曲線状に変化させても良い。同様にゲイン調整ユニット２５０の増幅度を複数の直線状あるいは曲線状に変化させることが出来る。
（２）上記実施形態は、ＤＳＰによるソフトウェア的処理により歪付加方法を実行したが、同様の処理をアナログ回路によって実現しても良い。
（３）上記実施形態は、ＲＯＭ７０に格納されたプログラムによって歪付加方法を実行したが、パーソナルコンピュータ上で動作するアプリケーションプログラムによっても実行することが出来る。このアプリケーションプログラムをＣＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク等の記憶媒体に格納して頒布し、あるいは電気通信回線を通じて頒布してもよい。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の構成によれば、過飽和状態においても入力レベルの変化に応じて音色を緩やかに変化させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】歪付加ユニットの特性図である。
【図２】本発明の一実施形態である歪付加装置のハードウェア構成図である。
【図３】本発明の一実施形態である歪付加装置のアルゴリズム構成図および直流オフセットを付加しない場合の動作を説明するための図である。
【図４】直流オフセットを付加した場合の動作を説明するための図である。
【図５】ピークホールドユニットの特性を説明するための図および直流オフセット電圧を説明するための図である。
【符号の説明】
１０…入出力インターフェース、２０…ＤＳＰ、３０…操作部、４０…表示部、５０…ＣＰＵ、６０…ＲＡＭ、７０…ＲＯＭ、８０…バスライン、１００…歪付加装置、２１０…ピークホールドユニット、２２０，２３０…レベル調整ユニット、２４０…歪付加ユニット、２５０…ゲイン調整ユニット、２６０…加算器、３０１，３０３，３０５，３０７，３１１，３１３，３１５，３１７、３２０，３６１，３６３…範囲、３５１，３５３，３５５，３５７，３５９…波形
【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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