(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振幅の増加に従って増幅率が減少する偶関数の漸減関数に基づいて，デジタルオーディオ信号を非線形増幅する適応型乗算器と；
前記適応型乗算器の出力信号に第１定数を加算する第１定数加算器と；
前記第１定数加算器の出力信号と，前記デジタルオーディオ信号とを乗算する信号乗算器と；
前記信号乗算器の出力信号の利得を調整する利得乗算器と；
を備えることを特徴とする，オーディオ信号処理装置。
【請求項２】
前記適応型乗算器は，
前記デジタルオーディオ信号を２乗する２乗乗算器と；
第２定数から前記２乗乗算器の出力信号を減算する第２定数減算器と；
前記第２定数減算器の出力信号に第３定数を乗算する第３定数乗算器と；
前記第３定数乗算器の出力信号と，前記デジタルオーディオ信号とを乗算する出力乗算器と；
を備えることを特徴とする，請求項１に記載のオーディオ信号処理装置。
【請求項３】
前記適応型乗算器は，
前記デジタルオーディオ信号の絶対値を生成する絶対値生成器と；
第２定数から前記絶対値生成器の出力信号を減算する第２定数減算器と；
前記第２定数減算器の出力信号に第３定数を乗算する第３定数乗算器と；
前記第３定数乗算器の出力信号と，前記デジタルオーディオ信号とを乗算する出力乗算器と；
を備えることを特徴とする，請求項１に記載のオーディオ信号処理装置。
【請求項４】
入力段で，前記デジタルオーディオ信号のサンプル語長を拡張する語長拡張部と；
前記利得乗算器の出力信号のサンプル語長を縮小する語長縮小部と；
をさらに備えることを特徴とする，請求項１に記載のオーディオ信号処理装置。
【請求項５】
入力段で，前記デジタルオーディオ信号をアップサンプルするアップサンプラと；
前記利得乗算器の出力信号をダウンサンプルするダウンサンプラと；
をさらに備えることを特徴とする，請求項１に記載のオーディオ信号処理装置。
【請求項６】
前記利得乗算器の出力信号の高周波数帯域を制限する低域通過フィルタをさらに備えることを特徴とする，請求項１に記載のオーディオ信号処理装置。
【請求項７】
前記低域通過フィルタの遮断周波数は，前記デジタルオーディオ信号のサンプリング周波数の１／２であることを特徴とする，請求項６に記載のオーディオ信号処理装置。
【請求項８】
コンピュータを，
振幅の増加に従って増幅率が減少する偶関数の漸減関数に基づいて，デジタルオーディオ信号を非線形増幅する適応型乗算器と；
前記適応型乗算器の出力信号に第１定数を加算する第１定数加算器と；
前記第１定数加算器の出力信号と，前記デジタルオーディオ信号とを乗算する信号乗算器と；
前記信号乗算器の出力信号の利得を調整する利得乗算器と；
して機能させることを特徴とする，プログラム。
【請求項９】
コンピュータを，
振幅の増加に従って増幅率が減少する偶関数の漸減関数に基づいて，デジタルオーディオ信号を非線形増幅する適応型乗算器と；
前記適応型乗算器の出力信号に第１定数を加算する第１定数加算器と；
前記第１定数加算器の出力信号と，前記デジタルオーディオ信号とを乗算する信号乗算器と；
前記信号乗算器の出力信号の利得を調整する利得乗算器と；
して機能させるプログラムを記憶した，記憶媒体。
【請求項１０】
振幅の増加に従って増幅率が減少する偶関数の漸減関数に基づいて，デジタルオーディオ信号を非線形増幅する適応型乗算ステップと；
前記適応型乗算ステップによる出力信号に第１定数を加算する第１定数加算ステップと；
前記第１定数加算ステップによる出力信号と，前記デジタルオーディオ信号とを乗算する信号乗算ステップと；
前記信号乗算ステップによる出力信号の利得を調整する利得乗算ステップと；
を含むことを特徴とする，オーディオ信号処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，デジタルオーディオ信号を加工処理するオーディオ信号処理装置，オーディオ信号処理方法，プログラムおよび記憶媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータの処理速度の高速化およびメモリの記憶容量の増大化により，近年，アナログオーディオ信号を一旦デジタル化して，様々な加工を施し，所望するデジタルオーディオ信号を生成することが可能となった。
【０００３】
その一例として，デジタル化されたデジタルオーディオ信号から高調波を生成し，そのデジタルオーディオ信号に重ねることで，デジタルオーディオ信号の高域成分を再現する技術が知られている（例えば，特許文献１，２）。
【０００４】
しかし，上記の技術は，デジタルオーディオ信号の周波数帯域を単に拡張することを目的とし，デジタルオーディオ信号の周波数帯域以上の周波数を持つ高調波を付加しているだけで，デジタルオーディオ信号の周波数帯域内にある高調波成分を付加していない。
【０００５】
このような技術の下では，圧縮音声において省略されたデジタルオーディオ信号の周波数帯域内の倍音成分を復活することができず，対象となる音声によっては，聴感上好ましくなるという効果を得ることができなかった。
【０００６】
他にも，デジタルオーディオ信号の周波数帯域内にある高調波成分を付加して，周波数帯域を広げ，高音成分を増幅する技術が知られている（例えば，特許文献３，４）。ここでも，圧縮音声において省略されたデジタルオーディオ信号の周波数帯域内の倍音成分を復活することができない課題が残っている。
【０００７】
【特許文献１】特開平２−３１１００６号公報
【特許文献２】特開２００５−３３２４５号公報
【特許文献３】特開平５−２６６５８２号公報
【特許文献４】特表２００５−５０１２７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
かかる課題を解決するため，デジタルオーディオ信号から整数次高調波を生成し，それを原デジタルオーディオ信号に加算して，デジタルオーディオ信号の周波数帯域内の倍音成分を復活させるオーディオ信号処理装置が検討されている。
【０００９】
一方，一般的に，デジタルオーディオ信号の振幅は，低周波数で大きく，高周波数で小さい傾向にある。ここで，上記検討中のオーディオ信号処理装置を用いて，デジタルオーディオ信号の高周波数領域の整数次高周波を多く取り込もうとすると，高周波数領域と低周波数領域とが同レベルの増幅率で非線形増幅され，結果として，低周波数領域の振幅がクリッピングしてしまう。
【００１０】
本発明は，従来のデジタルオーディオ信号処理技術が有する上記問題点に鑑みてなされたものであり，本発明の目的は，デジタルオーディオ信号の振幅に応じて増幅率が相違する整数次高調波を付加することにより，音声圧縮によって欠落した倍音成分を補完し，聴感上好ましい音声を得ることが可能な，新規かつ改良されたオーディオ信号処理装置，オーディオ信号処理方法，プログラムおよび記憶媒体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，振幅の増加に従って増幅率が減少する偶関数の漸減関数に基づいて，デジタルオーディオ信号を非線形増幅する適応型乗算器と；上記適応型乗算器の出力信号に第１定数を加算する第１定数加算器と；上記第１定数加算器の出力信号と，上記デジタルオーディオ信号とを乗算する信号乗算器と；上記信号乗算器の出力信号の利得を調整する利得乗算器と；を備えることを特徴とする，オーディオ信号処理装置が提供される。
【００１２】
本発明では，フーリエ変換等を介さずに，簡易な構成で，少なくとも２次以上の高調波が保証される整数次高調波の付加処理が実現されるので，低消費電力化，高速処理化，低コスト化，また回路で構成すれば小型化を図ることができる。また，デジタルオーディオ信号の周波数帯域内の全ての成分を含む，２次高調波を主とした整数次高調波を，元となるデジタルオーディオ信号に付加しているので，音声圧縮により欠落した倍音成分を補完し，聴感上好ましい音声を得ることが可能となる。
【００１３】
また，適応型乗算器は，適応的（ａｄａｐｔｉｖｅ）な非線形関数である偶関数の漸減関数を用いて，振幅が大きいデジタルオーディオ信号に付加する高調波の非線形増幅率を下げ，振幅が小さいデジタルオーディオ信号に付加する高調波の非線形増幅率を上げることもできる。この場合，結果的に，低周波数領域の増幅率が小さく，高周波数領域の増幅率が大きくなり，高周波数領域においても十分な大きさの整数次高調波を付加することが可能となり，併せて低周波数領域におけるクリッピングも回避することができる。
【００１４】
上記適応型乗算器は，上記デジタルオーディオ信号を２乗する２乗乗算器と；第２定数から上記２乗乗算器の出力信号を減算する第２定数減算器と；上記第２定数減算器の出力信号に第３定数を乗算する第３定数乗算器と；上記第３定数乗算器の出力信号と，上記デジタルオーディオ信号とを乗算する出力乗算器と；を備えるとしても良い。
【００１５】
上記適応型乗算器は，デジタルオーディオ信号の振幅に応じて非線形増幅率を調整しつつ，最終的に２次および４次の高周波を含む偶数次の非線形増幅処理が実施される。かかる複数の偶数次高調波の付加によって，「音がクリーンである」「音がなめらかである」等の聴感上好ましい効果をさらに向上することができる。
【００１６】
上記適応型乗算器は，上記デジタルオーディオ信号の絶対値を生成する絶対値生成器と；第２定数から上記絶対値生成器の出力信号を減算する第２定数減算器と；上記第２定数減算器の出力信号に第３定数を乗算する第３定数乗算器と；上記第３定数乗算器の出力信号と，上記デジタルオーディオ信号とを乗算する出力乗算器と；を備えるとしてもよい。
【００１７】
上記適応型乗算器は，デジタルオーディオ信号の振幅に応じて非線形増幅率を調整しつつ，最終的に，２次，４次，…，無限次で表される偶数次の非線形増幅処理が実施される。かかる複数の偶数次高調波の付加によって，「音がクリーンである」「音がなめらかである」「音がきらびやかである」等の聴感上好ましい効果をさらに向上することができる。
【００１８】
入力段で，上記デジタルオーディオ信号のサンプル語長を拡張する語長拡張部と；上記利得乗算器の出力信号のサンプル語長を縮小する語長縮小部と；をさらに備えるとしてもよい。
【００１９】
語長拡張部は，入力されたデジタルオーディオ信号のサンプル語長（ビット長）を拡張する。こうしてデジタルオーディオ信号の分解能が上がり，フィルタ処理や高調波生成処理の演算精度を向上することができる。また，語長縮小部においてサンプル語長を縮小しているので，最終的には必要とされる出力のサンプル語長に合わせることができる。
【００２０】
入力段で，上記デジタルオーディオ信号をアップサンプルするアップサンプラと；上記利得乗算器の出力信号をダウンサンプルするダウンサンプラと；をさらに備えるとしてもよい。
【００２１】
アップサンプラは，元のサンプリング周波数を整数倍に上げる。逆にダウンサンプラは，周波数を整数倍に下げる。上記アップサンプラとダウンサンプラの構成により，当該オーディオ信号処理装置内では高いサンプリング周波数に基づいた処理が可能となる。
【００２２】
上記利得乗算器の出力信号の高周波数帯域を制限する低域通過フィルタ（ＬＰＦ：Ｌｏｗ  Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）をさらに備えるとしてもよい。かかる低域通過フィルタは，上記アップサンプラに伴って付加される。ここで，低域通過フィルタの遮断周波数を，アップサンプル前のサンプリング周波数の１／２とすることができる。
【００２３】
かかる構成により，アップサンプリングによって拡張された周波数帯域に発生するエイリアシングノイズを防止または軽減しつつ，音声圧縮により欠落したデジタルオーディオ信号の周波数帯域内の倍音成分を補完することが可能となる。
【００２４】
上記オーディオ信号処理装置は，複数の構成要素の集合体で表されるが，各構成要素が単体の装置に属する必要はない。また，上記構成要素は，電気回路もしくはコンピュータ上の機能モジュールとして機能するとしてもよい。さらに，上記構成要素間の接続は，直接接続に加え，他の構成要素を介して間接的に接続されている場合を含む。
【００２５】
コンピュータを，上記オーディオ信号処理装置として機能させるプログラムや，そのプログラムを記憶した，コンピュータで読み取り可能な記憶媒体も提供される。
【００２６】
また，上記オーディオ信号処理装置を利用して，振幅の増加に従って増幅率が減少する偶関数の漸減関数に基づいて，デジタルオーディオ信号を非線形増幅する適応型乗算ステップと；上記適応型乗算ステップによる出力信号に第１定数を加算する第１定数加算ステップと；上記第１定数加算ステップによる出力信号と，上記デジタルオーディオ信号とを乗算する信号乗算ステップと；上記信号乗算ステップによる出力信号の利得を調整する利得乗算ステップと；を含むことを特徴とする，オーディオ信号処理方法が提供される。
【００２７】
上述したオーディオ信号処理装置における従属項に対応する構成要素やその説明は，オーディオ信号処理方法，プログラムおよび記憶媒体にも適用可能である。
【発明の効果】
【００２８】
以上説明したように本発明によれば，簡易な構成で，デジタルオーディオ信号の周波数帯域内の周波数を含み，かつ，デジタルオーディオ信号の振幅に応じて増幅率が相違する整数次高調波を付加することができる。従って，音声圧縮によって欠落した倍音成分を補完し，聴感上好ましい音声を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００３０】
「「MPEG digital audio coding」Noll, P.;(Signal Processing Magazine, IEEE, Volume 14,Issue 5,Sept.1997Page(s):59〜81)」に示されているように，ＭＰ３（ＭＰＥＧ  Ａｕｄｉｏ  Ｌａｙｅｒ−３）等の不可逆圧縮音声においては，知覚符号化処理であるＡｕｄｉｔｏｒｙ  ＭａｓｋｉｎｇやＰｅｒｃｅｐｔｕａｌ  Ｃｏｄｉｎｇ等の処理によって，音圧の低い高調波成分が省略される。
【００３１】
また，これら圧縮音声は，「「Perceptual analysis related to MPEG1-layer3 coding system」Alarcon, S.S.;(Web Delivering of Music, 2002. WEDELMUSIC 2002. Proceedings. Second International Conference on9~11 Dec. 2002, IEEE, Page(s):230）」に示されるように，ＰＣＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｃｏｄｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）等の非圧縮音声に比べ，特に「オーディオファイル」と呼ばれる音楽の専門家等から，音質的に劣るという評価を受けている。
【００３２】
一方，従来の真空管アンプ等の聴感評価は高く，整数次高調波，特に２次高調波を多く含んだ音声が聴感上好ましい効果をもたらすことが知られている。例えば，「「The cool sound of tubes [vacuum tube musical applications]」Barbour, E.;(Spectrum, IEEE Volume 35, Issue 8, Aug. 1998 Page(s):24〜35)」によると，上記のような整数次高調波を含んだ音声は，「音がクリーンである」「音がなめらかである」等の評価を受けている。
【００３３】
このような背景から，デジタルオーディオ信号から高調波を生成し，元となるデジタルオーディオ信号にその高調波を重ねることにより，デジタルオーディオ信号の聴感上の音声を改善することが検討されている。
【００３４】
しかし，デジタルオーディオ信号の周波数帯域を単に拡張することを目的とした処理では，生成された高調波のうち，デジタルオーディオ信号の周波数帯域以上の周波数（例えば１６ｋＨｚ以上）の高調波のみが付加され，デジタルオーディオ信号の周波数帯域内にある高調波の周波数成分は付加されない。
【００３５】
例えば，デジタルオーディオ信号のサンプリング周波数を４４．１ｋＨｚとした場合において，基音２ｋＨｚのバイオリンの音の倍音（２次高調波）成分は４ｋＨｚであり，デジタルオーディオ信号の周波数帯域以上の周波数の高調波のみを付加する上記従来の技術では，この周波数成分は付加されずに除去されてしまう。圧縮音声においては，このようなデジタルオーディオ信号の周波数帯域内の倍音成分も往々にして省略されるので，結局，倍音成分は残らず，バイオリンの音の聴感上の音声の改善を得ることはできない。
【００３６】
本発明の実施形態では，デジタルオーディオ信号の周波数帯域内の成分をほぼ全て含む整数次高調波，特に２次高調波が主に含まれる偶数高調波を，元となるデジタルオーディオ信号に付加することによって，音声圧縮により欠落した倍音成分を補完し，聴感上好ましい音声を得ることが可能となる。
【００３７】
まず，本実施形態の説明に先立って，元となるデジタルオーディオ信号に２次高調波を付加する構成を説明する。かかるデジタルオーディオ信号の加工は，数式１によって実現される。
【数１】
0004661667.tif 000002
ここで，ｘは入力，ｙは出力，Ｇはオーディオ信号処理装置１０全体の利得，εは２次高調波の利得（増幅率）を示し，Ｇは１以下の数値であるのに対し，εは，０．０１等の小さい値で表される。また，本実施形態を通して，ｘは１以下の実数であり，ｘ＝１となる場合を０ｄＢと定義する。
【００３８】
図８は，数式１を実現するためのオーディオ信号処理装置１０の概略的な構成を示した機能ブロック図である。上記オーディオ信号処理装置１０は，乗算器１２，１４，１８と，加算器１６を含んで構成される。
【００３９】
まず，乗算器１２は，デジタルオーディオ信号ｘの入力を２乗し，ｘ２を生成する。そして，乗算器１４において，２次高調波の利得εを乗算してε・ｘ２を生成する。
【００４０】
そして，加算器１６は，原信号であるデジタルオーディオ信号ｘと，２次高調波ε・ｘ２とを加算し，（ｘ＋ε・ｘ２）を生成する。最後に乗算器１８がデジタルオーディオ信号全体の利得Ｇを乗算して，所望の出力ｙを得ることができる。
【００４１】
このようなオーディオ信号処理装置１０を用いて，デジタルオーディオ信号に２次の高調波を付加する場合，かかるオーディオ信号処理装置１０に設けられた非線形増幅器の増幅率は，振幅に関係なく均一の値εをとる。従って，そのデジタルオーディオ信号の周波数に拘わらず同程度の２次高調波が重畳される。
【００４２】
一方，一般的に，デジタルオーディオ信号の振幅は，低周波数で大きく，高周波数で小さい傾向にある。ここで，上記オーディオ信号処理装置１０を用いて，デジタルオーディオ信号の高周波数領域（振幅の小さい領域）の整数次高周波を多く取り込もうとすると，上述したように高周波数領域と低周波数領域とが同レベルの増幅率εで非線形増幅され，結果として，低周波数領域の振幅がクリッピングし，音が割れる現象が生じてしまう。
【００４３】
図９は，一般的なデジタルオーディオ信号の周波数成分を示した説明図である。ここで横軸は周波数を，縦軸はデジタルオーディオ信号の振幅を示し，振幅の最大値を１（０ｄＢ）としている。このようにデジタルオーディオ信号の振幅は，低周波数領域で大きく，高周波数領域で小さいことが多い。
【００４４】
図１０は，オーディオ信号処理装置１０を用いて，２次高調波を付加したデジタルオーディオ信号の周波数成分を示した説明図である。図９で説明したように，高周波数領域は，振幅が小さい場合が多いので，かかる領域に付加される整数次高調波の振幅を大きくすることが望まれる。しかし，かかる領域の整数次高調波の振幅を大きくすると，高周波数領域と低周波数領域とが同レベルの増幅率で非線形増幅され，結果として，低周波数領域の振幅が図１０の０ｄＢ近辺に示されるようにクリッピングしてしまう。
【００４５】
本発明の実施形態では，デジタルオーディオ信号の周波数帯域内の成分をほぼ全て含む整数次高調波を，元となるデジタルオーディオ信号に付加するのに加えて，その付加する整数次高調波の振幅の増幅率をデジタルオーディオ信号の振幅に応じて変化させ，振幅が大きいデジタルオーディオ信号に付加する高調波の非線形増幅率を下げ，振幅が小さいデジタルオーディオ信号に付加する高調波の非線形増幅率を上げている。
【００４６】
上述したように，デジタルオーディオ信号の周波数と振幅とは関連性があるので，上記デジタルオーディオ信号の振幅に応じて増幅率を変化させることが，周波数帯域毎の適した増幅率を得ることと等しくなる。以下，本実施形態のオーディオ信号処理装置を詳述する。
【００４７】
（第１の実施形態：オーディオ信号処理装置１００）
第１の実施形態における適応型乗算器の非線形関数をε（ｘ）とすると，オーディオ信号処理装置１００の非線形増幅部分の応答特性は数式２で表される。
【数２】
0004661667.tif 000003
【００４８】
図１は，上記数式２を実現するためのオーディオ信号処理装置１００の概略的な構成を示した機能ブロック図である。上記オーディオ信号処理装置１００は，語長拡張部１１０と，アップサンプラ１１２と，適応型乗算器１１４と，第１定数加算器１１６と，信号乗算器１２０と，利得乗算器１２２と，低域通過フィルタ１２４と，ダウンサンプラ１２６と，語長縮小部１２８とを含んで構成される。
【００４９】
当該オーディオ信号処理装置１００は，デジタルオーディオ信号が入力され，整数次高調波を原信号に付加する処理を施して出力する。かかるデジタルオーディオ信号は，ＣＤ，ＭＤ，ＭＰ３プレーヤー等のデジタルオーディオプレーヤー，または任意のデジタルオーディオ信号処理回路から出力される音声信号である。また，デジタルオーディオ信号は，上記の信号に限らず，アナログレコードプレーヤーやカセットデッキ等のアナログ音声出力，あるいはデジタルオーディオプレーヤーのアナログ音声出力によるアナログ信号をＡ／Ｄ変換した音声であってもよい。
【００５０】
上記語長拡張部１１０は，当該オーディオ信号処理装置１００の外部から入力されたデジタルオーディオ信号のサンプル語長を拡張してアップサンプラ１１２に送信する。入力されたデジタルオーディオ信号が１６ビットで形成される場合，その語長を例えば３２ビットに拡張する。こうしてデジタルオーディオ信号の分解能が上がり，後段の乗算器における演算精度を向上することができる。
【００５１】
上記アップサンプラ１１２は，語長拡張部１１０からのデジタルオーディオ信号をアップサンプルして適応型乗算器１１４と信号乗算器１２０にそれぞれ送信する。かかるアップサンプラ１１２としては，ポリフェイズフィルタ等の補間用フィルタを用いることができる。
【００５２】
このアップサンプラ１１２により，当該オーディオ信号処理装置１００内では，原信号より高いサンプリング周波数に基づいた処理が可能となる。例えば，アップサンプラ１１２のアップサンプルレートを２倍とすると，原デジタルオーディオ信号のサンプリング周波数ｆＳは，２×ｆＳにアップサンプルされる。このアップサンプラ１１２の前段において既にサンプリング周波数が拡張されている場合，かかるアップサンプル１１２を省略することができる。ここで，デジタルオーディオ信号のサンプリング周波数は，オーディオ信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する際のサンプリング周波数を言う。
【００５３】
上記適応型乗算器１１４は，適応的（ａｄａｐｔｉｖｅ）な非線形関数ε（ｘ）に基づいて，デジタルオーディオ信号を非線形増幅する。ここで「適応的」とは，入力されるデジタルオーディオ信号ｘの振幅値によって，ｘに乗算する計数を変化させることを言う。従って，非線形関数ε（ｘ）は，ｘの関数で表される。
【００５４】
適応型乗算器１１４は，デジタルオーディオ信号の振幅に応じて，付加する整数次高調波の振幅を変化させることができ，デジタルオーディオ信号が特定の振幅になる任意の周波数領域の整数次高調波を強調することが可能となる。
【００５５】
また，適応型乗算器１１４は，ｘの増加に従い増幅率が小さくなる偶関数の漸減関数で示されても良い。かかる漸減関数では，振幅が大きいデジタルオーディオ信号に付加する高調波の非線形増幅率を下げ，振幅が小さいデジタルオーディオ信号に付加する高調波の非線形増幅率を上げる。具体的には，ｘが０から１に増加するに従って，増幅率が任意の定数ε０から０に漸減する。この任意の定数ε０は，利用者によって個々に設定されてもよいし，予めプリセットされているとしてもよい。
【００５６】
このような偶関数の漸減関数を用いると，結果的に，低周波数領域における整数次高調波の非線形増幅率が小さく，高周波数領域における整数次高調波の非線形増幅率が大きくなり，高周波数領域においても十分な大きさの整数次高調波を付加することが可能となり，併せて低周波数領域におけるクリッピングも回避することができる。
【００５７】
上記第１定数加算器１１６は，適応型乗算器１１４の出力信号ε（ｘ）・ｘに第１定数１１８である「１」を加算する。
【００５８】
上記信号乗算器１２０は，加算器１１６の最終段の出力信号（１＋ε（ｘ）・ｘ）と，原信号であるデジタルオーディオ信号ｘとを乗算し，ｘ（１＋ε（ｘ）・ｘ）を導出する。
【００５９】
上記利得乗算器１２２は，当該利得乗算器１２２の出力がゲインオーバーを起こさないように調整された利得Ｇを，信号乗算器１２０の出力信号ｘ（１＋ε（ｘ）・ｘ）に乗算する。このようにして，数式２を満たす出力を得ることができる。
【００６０】
上記低域通過フィルタ１２４は，利得乗算器１２２の出力信号の高周波数帯域を制限し，低周波数帯域のみ通過させる。アップサンプラ１１２を含むオーディオ信号処理装置１００を介して非線形増幅を行うと，原信号の周波数成分は高くなる。例えば，高調波が２次の高調波の場合，原信号における周波数ｆＳ／４以上の周波数成分が，３次の高調波の場合，周波数ｆＳ／６以上の周波数成分が，同様にｎ次の高調波の場合，ｆＳ／２ｎ以上の周波数成分がナイキストリミットを越え，エイリアシングノイズとなってしまう。
【００６１】
このエイリアシングノイズを防ぐために，非線形増幅の最高次数をＮとして，Ｎ倍以上のアップサンプルを行う必要がある。従って，アップサンプラ１１２は，Ｌ≧Ｎ（Ｌ，Ｎは整数）となるアップサンプルレートＬを満たさなければならない。
【００６２】
また，低域通過フィルタ１２４は，アップサンプラ１１２の周波数帯域の上記のアップサンプルに応じて，エイリアシングノイズとなる，ｆＳ／２を超える周波数成分を最終的に除去もしくは削減して，エイリアシングノイズを抑制する。該遮断周波数ｆＳ／２は，アップサンプル前のサンプリング周波数がｆＳの場合である。このときのアップサンプルされたサンプリング周波数によっては，低域通過フィルタ１２４を省略することができる。
【００６３】
上記低域通過フィルタ１２４を実施する場合ｆＳ／２以上の周波数成分は，低域通過フィルタ１２４により取り除かれるが，ｆＳ／２以下のデジタルオーディオ信号の周波数帯域の成分は残っており，また，その成分自体の高調波も生成されるため，音声圧縮により欠落した倍音成分を補完することが可能となる。
【００６４】
上記ダウンサンプラ１２６は，低域通過フィルタ１２４からの信号をダウンサンプルする。例えば，当該オーディオ信号処理装置１００がデジタルオーディオ信号の中継装置として機能する場合，入力と出力のサンプリング周波数は等しくなければならない。ここで，当該オーディオ信号処理装置１００の出力フォーマットが，高いサンプリング周波数を許容できる場合，必要に応じてダウンサンプラ１２６を省略することが可能である。また，ダウンサンプラ１２６は，低域通過フィルタ１２４と一体形成され，高域の周波数成分を制限するとしてもよい。
【００６５】
上記語長縮小部１２８は，ダウンサンプラ１２６からの信号のサンプル語長を縮小する。上述したように，語長拡張部１１０は，当該オーディオ信号処理装置１００の外部から入力されたデジタルオーディオ信号のサンプル語長を拡張している。従って，オーディオ信号処理装置１００内で処理されているサンプル語長と，必要とされる出力のサンプル語長が相違する場合がある。語長縮小部１２８は，出力フォーマットに合わせてサンプル語長を縮小する。また，出力先が拡張したサンプル語長を許容する場合，当該語長縮小部１２８を省略することもできる。
【００６６】
本実施形態におけるオーディオ信号処理装置１００は，適応型乗算器１１４による非線形増幅によって，デジタルオーディオ信号の振幅に応じて付加する整数次高調波の振幅を変えることができる。従って，簡易な構成で，デジタルオーディオ信号の周波数帯域内の周波数を含み，かつ，デジタルオーディオ信号の振幅に応じて増幅率が相違する整数次高調波を付加することで，音声圧縮によって欠落した倍音成分の補完が可能となる。
【００６７】
具体的には，音声圧縮によって欠落した倍音成分を新たに創作，付加することで音声を加工し，特に，音声圧縮前の元の音声に近づけることを目的としている。また，一般に，偶数次の高調波を付加した音声は，温かく，または柔らかく，心地良い音声になり，奇数次の高調波を付加した音声は，ブライトでシャープな音声になると言われている。従って，整数次の高調波のバランスをうまくとることで，例えば，真空アンプによる真空管特有の音を生成することも可能となる。
【００６８】
上述した各構成要素は，電気回路（ハードウェア）で形成されてもよいし，コンピュータ上の機能モジュール（ソフトウェア）として機能するとしてもよい。また，コンピュータをオーディオ信号処理装置１００として機能させるプログラムやそのプログラムを記憶した，コンピュータで読み取り可能な記憶媒体も提供される。
【００６９】
（オーディオ信号処理方法）
また，上述したオーディオ信号処理装置１００を利用して，デジタルオーディオ信号を加工処理するオーディオ信号処理方法も提供される。
【００７０】
図２は，オーディオ信号処理方法の処理の流れを示したフローチャートである。まず，オーディオ信号処理装置１００は，入力されたデジタルオーディオ信号のサンプル語長を拡張して，アップサンプラ１１２に送信する（Ｓ２００）。
【００７１】
続いて，アップサンプラ１１２は，サンプル語長が拡張されたデジタルオーディオ信号をアップサンプルして適応型乗算器１１４と信号乗算器１２０にそれぞれ送信する（Ｓ２０２）。適応型乗算器１１４は，非線形関数ε（ｘ）に基づいて，アップサンプルされたデジタルオーディオ信号を非線形増幅する（Ｓ２０４）。
【００７２】
そして，第１定数加算器１１６は，適応型乗算器１１４の出力信号ε（ｘ）・ｘに第１定数１１８である「１」を加算し（Ｓ２０６），信号乗算器１２０は，その加算器１１６の出力信号（１＋ε（ｘ）・ｘ）と，原信号であるデジタルオーディオ信号ｘとを乗算する（Ｓ２０８）。
【００７３】
次に，利得乗算器１２２は，利得乗算器１２２の出力がゲインオーバーを起こさないように調整された利得Ｇを信号乗算器１２０の出力信号に乗算し（Ｓ２１０），低域通過フィルタ１２４は，利得乗算器１２２の出力信号の高周波数帯域を制限する（Ｓ２１２）。
【００７４】
そして，ダウンサンプラ１２６は，低域通過フィルタ１２４からの信号をダウンサンプルし（Ｓ２１４），最後に，語長縮小部１２８は，語長拡張部１１０によって拡張されたサンプル語長を元の語長に縮小する（Ｓ２１６）。
【００７５】
かかるオーディオ信号処理方法によっても，デジタルオーディオ信号の振幅に応じて増幅率が相違する整数次高調波を，原デジタルオーディオ信号に付加することにより，特定の周波数領域を強調しつつ，音声圧縮によって欠落した倍音成分を補完することができ，聴感上好ましい音声を得ることが可能となる。
【００７６】
（第２の実施形態：適応型乗算器３００）
第２の実施形態では，適応型乗算器１１４の他の実施形態について詳述する。
【００７７】
図３は，第２の実施形態による適応型乗算器３００の概略的な構成を示した機能ブロック図である。上記適応型乗算器３００は，２乗乗算器３１０と，第２定数減算器３１２と，第３定数乗算器３１６と，出力乗算器３１８とを含んで構成される。
【００７８】
上記２乗乗算器３１０は，原信号としてのデジタルオーディオ信号を掛け合わせて，２次の高調波を生成する。
【００７９】
上記第２定数減算器３１２は，第２定数３１４である「１」から２乗乗算器３１０の出力信号ｘ２を減算する。
【００８０】
上記第３定数乗算器３１６は，第２定数減算器３１２の出力信号（１―ｘ２）に第３定数ε０を乗算する。
【００８１】
上記出力乗算器３１８は，第３定数乗算器３１６の出力信号ε０（１―ｘ２）と，上記デジタルオーディオ信号ｘとを乗算する。
【００８２】
かかる適応型乗算器３００の出力信号は，
【数３】
0004661667.tif 000004
となる。
【００８３】
図４は，適応型乗算器３００による非線形増幅を示した説明図である。図４を参照すると，数式３で表される非線形増幅曲線は，ｘが０から１に増加するもしくはｘが０から−１に減少するに従って，増幅率が任意の定数ε０から０に漸減する漸減関数になっていることが理解される。従って，振幅が大きいデジタルオーディオ信号の整数次高調波の非線形増幅率を下げ，振幅が小さいデジタルオーディオ信号の整数次高調波の非線形増幅率を上げることが可能となる。
【００８４】
上記数式３を数式２に代入すると，
【数４】
0004661667.tif 000005
となる。これは，適応型乗算器３００を用いた場合のオーディオ信号処理装置１００の応答を示す。数式４を参照すると，適応型乗算器３００を用いたオーディオ信号処理装置１００は，２次の高調波と４次の高調波とによる偶数次の高調波が付加されることが分かる。
【００８５】
このような偶数次の高調波を付加することで，「音がクリーンである」「音がなめらかである」等の聴感上好ましい効果をさらに向上することができる。
【００８６】
（第３の実施形態：適応型乗算器４００）
第３の実施形態では，適応型乗算器１１４のさらに他の実施形態について詳述する。
【００８７】
図５は，第３の実施形態による適応型乗算器４００の概略的な構成を示した機能ブロック図である。上記適応型乗算器４００は，絶対値生成器４１０と，第２定数減算器４１２と，第３定数乗算器４１６と，出力乗算器４１８とを含んで構成される。
【００８８】
上記絶対値生成器４１０は，原信号としてのデジタルオーディオ信号ｘの絶対値｜ｘ｜を生成する。
【００８９】
上記第２定数減算器４１２は，第２定数４１４である「１」から絶対値生成器４１０の出力信号｜ｘ｜を減算する。
【００９０】
上記第３定数乗算器４１６は，第２定数減算器４１２の出力信号（１―｜ｘ｜）に第３定数ε０を乗算する。
【００９１】
上記出力乗算器４１８は，第３定数乗算器４１６の出力信号ε０（１―｜ｘ｜）と，上記デジタルオーディオ信号ｘとを乗算する。
【００９２】
かかる適応型乗算器４００の出力信号は，
【数５】
0004661667.tif 000006
となる。
【００９３】
図６は，適応型乗算器４００による非線形増幅を示した説明図である。図６を参照すると，数式５で表される非線形増幅曲線は，ｘが０から１に増加もしくはｘが０から−１に減少するに従って，増幅率が任意の定数ε０から０に漸減する漸減関数になっていることが理解される。従って，振幅が大きいデジタルオーディオ信号の整数次高調波の非線形増幅率を下げ，振幅が小さいデジタルオーディオ信号の整数次高調波の非線形増幅率を上げることが可能となる。
【００９４】
上記数式５を数式２に代入すると，
【数６】
0004661667.tif 000007
となる。これは，適応型乗算器４００を用いた場合のオーディオ信号処理装置１００の応答を示す。
【００９５】
数式６を具体的に検討すると，｜ｘ｜は，ｘの区間［−１，１］を一周期とする三角波と考えることができる。ここで，｜ｘ｜にフーリエ級数展開を用いると，｜ｘ｜が偶関数であることより，
【数７】
0004661667.tif 000008
と表される。ここでｂｋはフーリエ級数展開で決定される定数である。
【００９６】
かかる数式７に，
【数８】
0004661667.tif 000009
を適用すると，
【数９】
0004661667.tif 000010
となる。
【００９７】
ここで，ｃｎは，
【数１０】
0004661667.tif 000011
で表される特定の定数である。
【００９８】
さらに，上記数式９を数式６に代入すると，
【数１１】
0004661667.tif 000012
となる。この数式１１を参照すると，適応型乗算器３００を用いたオーディオ信号処理装置１００は，無限の偶数次の高調波が付加されることが分かる。
【００９９】
図７は，数式１１で表されるオーディオ信号処理装置１００の周波数振幅特性を示した説明図である。ここで横軸は，周波数を，縦軸は，デジタルオーディオ信号の振幅を示し，基本周波数の振幅を１（０ｄＢ）としている。かかる図７において，オーディオ信号処理装置１００により無限の偶数次の高調波が得られることが理解され，また，任意の定数ｃｎにより２次の高調波より４次の高調波の振幅が大きくなることも理解される。
【０１００】
このような偶数次の高調波を付加することで，「音がクリーンである」「音がなめらかである」「音がきらびやかである」等の聴感上好ましい効果をさらに向上することができる。
【０１０１】
上述した第２，３の実施形態によるオーディオ信号処理装置１００では，デジタルオーディオ信号に偶数次の高調波が付加され，これによって，音声圧縮によって失われた倍音成分が補完される。このような処理によって生成されたデジタルオーディオ信号は，聴感上好ましくなる効果を得ることができる。また，デジタルオーディオ信号が圧縮音声でなかったとしても，上記整数次高調波を付加する構成により，聴感上好ましくなる効果が得られる。
【０１０２】
また，上述した実施形態のオーディオ信号処理装置は，基本的に，デジタルフィルタとメモリのみで構成することができるため，フーリエ変換を利用するような複雑なアルゴリズムを適用する場合に比べ，少ない処理量で目的を達成することができ，必要とされるシステム資源，実装コストの点でも非常に有利である。
【０１０３】
以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１０４】
例えば，上述した実施形態においては，フィルタ処理を高速で実現可能なコンピュータを例に挙げているが，ポータブルオーディオプレーヤーやシステムステレオ等の比較的小型で安価なデジタルオーディオ機器でも本実施形態を適用することが可能である。この場合，高価かつ容積をとる真空管アンプ等を用いなくても，比較的小規模のデジタル回路の追加のみで，「クリーン」「なめらか」といった真空管アンプに類似した好ましい特徴の音色を得ることができる。その他にも，原理上全てのデジタルオーディオを用いた機器に適用できるため，カーオーディオ，デジタルテレビ，ホームシアターシステム等，極めて広い範囲の電子機器に応用することができる。
【０１０５】
また，上述した実施形態において，適応型乗算器の非線形関数として，（１―ｘ２）と（１―｜ｘ｜）を挙げて説明しているが，ｘが０から１に増加するに従って，増幅率が任意の定数ε０から０に漸減する偶関数の漸減関数であれば，かかる場合に限られず，例えば，ε０ｃｏｓ（ｘ），ε０（１−ｘ４），ε０（１−ｘ６）等様々な非線形関数を適用することができる。
【０１０６】
なお，本明細書のオーディオ信号処理方法における各工程は，必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく，並列的あるいは個別に実行される処理（例えば，並列処理あるいはオブジェクトによる処理）も含むとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】数式２を実現するためのオーディオ信号処理装置の概略的な構成を示した機能ブロック図である。
【図２】オーディオ信号処理方法の処理の流れを示したフローチャートである。
【図３】第２の実施形態による適応型乗算器の概略的な構成を示した機能ブロック図である。
【図４】適応型乗算器による非線形増幅を示した説明図である。
【図５】第３の実施形態による適応型乗算器の概略的な構成を示した機能ブロック図である。
【図６】適応型乗算器による非線形増幅を示した説明図である。
【図７】数式１１で表されるオーディオ信号処理装置の周波数振幅特性を示した説明図である。
【図８】数式１を実現するためのオーディオ信号処理装置の概略的な構成を示した機能ブロック図である。
【図９】一般的なデジタルオーディオ信号の周波数成分を示した説明図である。
【図１０】オーディオ信号処理装置を用いて，２次高調波を付加したデジタルオーディオ信号の周波数成分を示した説明図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１０，１００  オーディオ信号処理装置
１１０  語長拡張部
１１２  アップサンプラ
１１４，３００，４００  適応型乗算器
１１６  第１定数加算器
１２０  信号乗算器
１２２  利得乗算器
１２４  低域通過フィルタ
１２６  ダウンサンプラ
１２８  語長縮小部
３１０  ２乗乗算器
３１２，４１２  第２定数減算器
３１６，４１６  第３定数乗算器
３１８，４１８  出力乗算器
４１０  絶対値生成器
【図１】
0004661667.tif 000013
【図２】
0004661667.tif 000014
【図３】
0004661667.tif 000015
【図４】
0004661667.tif 000016
【図５】
0004661667.tif 000017
【図６】
0004661667.tif 000018
【図７】
0004661667.tif 000019
【図８】
0004661667.tif 000020
【図９】
0004661667.tif 000021
【図１０】
0004661667.tif 000022