(57)【要約】【課題】  入力信号のスペクトル特性を反映させて入力信号の帯域を拡張できるようにする。【解決手段】  本発明は、周波数帯域が制限された入力信号を、その帯域外の信号成分を含むように拡張する帯域拡張装置に関する。そして、入力信号に基づいて、その帯域外の信号成分を生成する帯域外信号生成手段と、入力信号のスペクトル特性に応じ、生成された帯域外信号成分の加算比率を決定する加算比率決定手段と、生成された帯域外信号成分に対し、決定された加算比率を適用した後、入力信号に加算する合成手段とを有することを特徴とする。【選択図】      図１
2007310296.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数帯域が制限された入力信号を、その帯域外の信号成分を含むように拡張する帯域拡張装置において、
上記入力信号に基づいて、その帯域外の信号成分を生成する帯域外信号生成手段と、
上記入力信号のスペクトル特性に応じ、生成された上記帯域外信号成分の加算比率を決定する加算比率決定手段と、
生成された上記帯域外信号成分に対し、決定された加算比率を適用した後、上記入力信号に加算する合成手段と
を有することを特徴とする帯域拡張装置。
【請求項２】
上記加算比率決定手段は、
上記入力信号の持つ周波数帯域を複数の帯域に分割する帯域分割回路と、
上記分割された各帯域の信号電力を求める信号電力算出回路と、
上記各帯域の信号電力の関係から上記加算比率を生成する第１の加算比率生成回路とを有する
ことを特徴とする請求項１に記載の帯域拡張装置。
【請求項３】
上記加算比率決定手段は、
上記入力信号を用いて線形予測係数を求めるＬＰＣ算出回路と、
上記求められた線形予測係数の特性に応じて加算比率を生成する第２の加算比率生成回路とを有する
ことを特徴とする請求項１に記載の帯域拡張装置。
【請求項４】
上記ＬＰＣ算出回路として、復号処理によって上記入力信号を得る復号器内に設けられているものを流用することを特徴とする請求項３に記載の帯域拡張装置。
【請求項５】
周波数帯域が制限された入力信号を、その帯域外の信号成分を含むように拡張する帯域拡張方法において、
帯域外信号生成手段、加算比率決定手段及び合成手段を備え、
上記帯域外信号生成手段は、上記入力信号に基づいて、その帯域外の信号成分を生成し、
上記加算比率決定手段は、上記入力信号のスペクトル特性に応じ、生成された上記帯域外信号成分の加算比率を決定し、
上記合成手段は、生成された上記帯域外信号成分に対し、決定された加算比率を適用した後、上記入力信号に加算する
ことを特徴とする帯域拡張方法。
【請求項６】
上記加算比率決定手段は、上記入力信号の持つ周波数帯域を複数の帯域に分割し、上記分割された各帯域の信号電力を求め、上記各帯域の信号電力の関係から上記加算比率を生成することを特徴とする請求項５に記載の帯域拡張方法。
【請求項７】
上記加算比率決定手段は、上記入力信号を用いて線形予測係数を求め、求められた線形予測係数の特性に応じて加算比率を生成することを特徴とする請求項５に記載の帯域拡張方法。
【請求項８】
上記加算比率決定手段は、上記入力信号を用いて線形予測係数を求める構成として、復号処理によって上記入力信号を得る復号器内に設けられているものを流用することを特徴とする請求項７に記載の帯域拡張方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は帯域拡張装置及び方法に関し、例えば、通信、放送等で伝送される周波数帯域の狭い音声信号に対し、受信側にて周波数帯域を拡張して広帯域の音声信号を得る場合に適用し得るものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、電話によって伝送される音声信号の周波数帯域は３００Ｈｚ〜３．４ｋＨｚであり、本来、人間が発する音声の周波数帯域に比べてはるかに狭いものとなっている。このため、電話を通した音声は、こもったような貧弱な品質となっている。
【０００３】
このような問題に対して、例えば、特許文献１の記載技術のように、受信側で、音声信号の周波数帯域を高域側に拡張して、品質の向上を図るものがある。特許文献１の記載技術では、受信した音声信号（低域信号）から、それよりも高い帯域の音声信号（高域信号）を生成し、低域信号に高域信号を加算することで、広帯域の音声信号を得ている。ここで、特許文献１の記載技術は、低域信号に対する高域信号の加算比率を外部からの操作で可変できることに特徴を有している。
【特許文献１】特開２０００−１３４１６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１の記載技術においては、加算比率は、使用者の好みを反映させるためのものであり、対象となる音声信号の性質とは無関係のものとなっている。本来、人間が発する音声は、例えば、有声音と無声音とではそのスペクトル特性が異なっている。有声音の場合には、低域成分の方が高域成分に比して多く、逆に、無声音の場合には、高域成分の方が低域成分に比して多くなる。特許文献１の記載技術では、このような特性が反映されないため、帯域拡張後の信号において十分な品質の向上が図れないという課題があった。
【０００５】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、入力信号のスペクトル特性を反映させて入力信号の帯域を拡張でき、高品質な帯域拡張信号を得ることができる帯域拡張装置及び方法を提供しようとしたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の本発明は、周波数帯域が制限された入力信号を、その帯域外の信号成分を含むように拡張する帯域拡張装置において、（１）上記入力信号に基づいて、その帯域外の信号成分を生成する帯域外信号生成手段と、（２）上記入力信号のスペクトル特性に応じ、生成された上記帯域外信号成分の加算比率を決定する加算比率決定手段と、（３）生成された上記帯域外信号成分に対し、決定された加算比率を適用した後、上記入力信号に加算する合成手段とを有することを特徴とする。
【０００７】
また、第２の本発明は、周波数帯域が制限された入力信号を、その帯域外の信号成分を含むように拡張する帯域拡張方法において、帯域外信号生成手段、加算比率決定手段及び合成手段を備え、（１）上記帯域外信号生成手段は、上記入力信号に基づいて、その帯域外の信号成分を生成し、（２）上記加算比率決定手段は、上記入力信号のスペクトル特性に応じ、生成された上記帯域外信号成分の加算比率を決定し、（３）上記合成手段は、生成された上記帯域外信号成分に対し、決定された加算比率を適用した後、上記入力信号に加算することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、入力信号のスペクトル特性を反映させて入力信号の帯域を拡張でき、高品質な帯域拡張信号を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（Ａ）第１の実施形態
以下、本発明による帯域拡張装置及び方法を、音声信号の帯域拡張に適用した第１の実施形態を、図面を参照しながら詳述する。
【００１０】
図１は、第１の実施形態に係る音声信号帯域拡張装置の全体構成を示すブロック図である。
【００１１】
図１において、第１の実施形態の音声信号帯域拡張装置１００は、アップサンプリング回路１０１、スペクトル特性分析回路１０２、高域成分生成回路１０３、加算回路１０４及び乗算回路１０５を有する。第１の実施形態の音声信号帯域拡張装置１００には、例えば、図示しない遠方から到来した音声信号ｓ（ｎ）が入力され、この音声信号ｓ（ｎ）は狭帯域の信号（デジタル信号）である。
【００１２】
アップサンプリング回路１０１は、周知の方法を用いて、入力音声信号ｓ（ｎ）のサンプリング周波数を増加（例えば、２倍）させるものである。
【００１３】
高域成分生成回路１０３は、入力音声信号ｓ（ｎ）から、入力音声信号ｓ（ｎ）が持っていた周波数帯域よりも高い周波数帯域の成分（高域成分）を生成するものである。高域成分の生成方法として、例えば、上述した特許文献１に記載の方法や特開平９−２５８７８７号公報に記載の方法を適用することができる。特許文献１に記載の方法に従うと、高域成分生成回路１０３は、例えば、入力音声信号ｓ（ｎ）の各サンプル間にゼロを挿入してサンプリング周波数を増加（２倍）させた後、高域成分を生成し、生成した高域成分を、高域を通過させるバンドパスフィルタを通した後、高域信号ｓｕ（ｎ）として出力する。
【００１４】
スペクトル特性分析回路１０２は、入力音声信号ｓ（ｎ）のスペクトル特性を分析して適応ゲインｇを得るものである。
【００１５】
乗算回路１０５は、高域成分生成回路１０３から出力された高域信号ｓｕ（ｎ）に、スペクトル特性分析回路１０２から出力された適応ゲインｇを乗算するものである。
【００１６】
加算回路１０４は、アップサンプリング回路１０１からのアップサンプリングされた音声信号（低域信号）ｓｄ（ｎ）と、乗算回路１０５からのゲイン調整された高域信号ｓｕ（ｎ）×ｇとを加算し、広帯域音声信号ｓｏ（ｎ）を得て出力するものである。
【００１７】
図２は、第１の実施形態のスペクトル特性分析回路１０２における詳細構成を示すブロック図である。
【００１８】
第１の実施形態のスペクトル特性分析回路１０２は、低域バンドパスフィルタ回路２０１、高域バンドパスフィルタ回路２０２、パワー計算回路２０３、２０４、及び、第１の適応ゲイン計算回路２０５を備える。
【００１９】
低域バンドパスフィルタ回路２０１は、例えば、入力音声信号ｓ（ｎ）の周波数帯域（例えば、０〜４ｋＨｚ）のうち、下半分の周波数帯域（例えば、０〜２ｋＨｚ）の成分を抽出するものであり、一方、高域バンドパスフィルタ回路２０２は、上半分の周波数帯域（例えば、２〜４ｋＨｚ）を抽出するものでる。なお、低域バンドパスフィルタ回路２０１に代え、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）を適用しても良く、高域バンドパスフィルタ回路２０２に代え、ＨＰＦ（ハイパスフィルタ）を適用しても良い。
【００２０】
パワー計算回路２０３は、低域バンドパスフィルタ回路２０１からの出力信号のパワーＰｌを計算するものであり、パワー計算回路２０４は、高域バンドパスフィルタ回路２０２からの出力信号のパワーＰｕを計算するものである。
【００２１】
第１の適応ゲイン計算回路２０５は、パワー計算回路２０３及び２０４から出力されたパワーＰｌ及びＰｕから、適応ゲインｇを計算するものである。第１の適応ゲイン計算回路２０５は、例えば、（１）式に従って、適応ゲインｇを計算し、上述のように、乗算回路１０５に出力する。
【００２２】
ｇ＝√（Ｐｕ／Ｐｌ）                                              …（１）
ここで、（１）式は、入力音声信号ｓ（ｎ）の帯域内における低域と高域とのパワー関係が、入力音声信号ｓ（ｎ）の帯域と、それより高域の生成した高域信号間のパワー関係にも類推適用できるとして、適応ゲインｇを算出させるものである。
【００２３】
第１の実施形態の音声信号帯域拡張装置１００において、入力音声信号ｓ（ｎ）は、アップサンプリング回路１０１、スペクトル特性分析回路１０２及び高域成分生成回路１０３に与えられる。アップサンプリング回路１０１は、入力音声信号ｓ（ｎ）をアップサンプリングし、アップサンプリング後の音声信号ｓｄ（ｎ）を加算回路１０４に与え、スペクトル特性分析回路１０２は、入力音声信号ｓ（ｎ）のスペクトル特性に応じて適応ゲインｇを算出して乗算回路１０５に与え、高域成分生成回路１０３は、入力音声信号ｓ（ｎ）から高域信号ｓｕ（ｎ）を生成して乗算回路１０５に与えられる。これにより、乗算回路１０５において、生成された高域信号ｓｕ（ｎ）に適応ゲインｇが乗算され、加算回路１０４において、その乗算出力ｓｕ（ｎ）×ｇとアップサンプリング後の音声信号ｓｄ（ｎ）とが加算され、加算回路１０４から、入力音声信号ｓ（ｎ）の帯域を拡張した広帯域音声信号ｓｏ（ｎ）が出力される。
【００２４】
第１の実施形態によれば、入力音声信号のスペクトル特性に合わせて、適応的に、生成された高域信号の加算比率を変化させて帯域を拡張した音声信号を生成するようにしたので、従来よりも高品質な帯域拡張音声信号を得ることができる。
【００２５】
（Ｂ）第２の実施形態
次に、本発明による帯域拡張装置及び方法を、音声信号の帯域拡張に適用した第２の実施形態を、図面を参照しながら詳述する。
【００２６】
第２の実施形態の音声信号帯域拡張装置も、その全体構成は上述した図１で表すことができる。第２の実施形態の音声信号帯域拡張装置は、スペクトル特性分析回路１０２の詳細構成が第１の実施形態と異なっている。
【００２７】
図３は、第２の実施形態のスペクトル特性分析回路（以下、符号１０２Ａを用いる）の詳細構成を示すブロック図である。図３において、第２の実施形態のスペクトル特性分析回路１０２Ａは、ＬＰＣ分析回路３０１、ＬＰＣ−ＬＳＰ変換回路３０２及び第２の適応ゲイン計算回路３０３を有する。
【００２８】
ＬＰＣ分析回路３０１は、入力音声信号ｓ（ｎ）を用いて、２次のＬＰＣ分析（線形予測分析）を実施し、ＬＰＣ係数ａ１、ａ２を出力する。
【００２９】
ＬＰＣ−ＬＳＰ変換回路３０２は、ＬＰＣ分析回路３０１から出力されたＬＰＣ係数ａ１、ａ２を、ＬＳＰ（線スペクトル対）係数ｂ１、ｂ２に変換して出カするものである。
【００３０】
第２の適応ゲイン計算回路３０３は、ＬＰＣ−ＬＳＰ変換回路３０２から出力されたＬＳＰ係数ｂ１、ｂ２を利用して、後述するようにして適応ゲインｇを計算するものである。第２の適応ゲイン計算回路３０３は、以下のようなＬＳＰ係数ｂ１、ｂ２の特質を利用して、適応ゲインｇを計算する。
【００３１】
ＬＳＰ係数ｂ１、ｂ２は、周波数に対応したパラメータであり、図４に例示するように、入力音声信号ｓ（ｎ）に含まれる周波数のパワーが大きい部分の値（周波数）となっている。両ＬＳＰ係数ｂ１及びｂ２の差分は、図４に例示するように、パワーの集中度合いに対応しており、差分が小さいことはその近傍の周波数成分が他の部分よりも突出していることを表し（図４（Ｃ）参照）、差分が大きいことは他の部分との差が小さいことを表している（図４（Ｄ）参照）。すなわち、ＬＳＰ係数ｂ１、ｂ２は、入力音声信号ｓ（ｎ）の帯域より高域でのパワーを推測し得るパラメータになっており、第２の適応ゲイン計算回路３０３は、ＬＳＰ係数ｂ１、ｂ２を利用して適応ゲインｇを計算する。
【００３２】
図５及び図６は、第２の適応ゲイン計算回路３０３による適応ゲインｇの計算方法の説明図である。
【００３３】
第２の適応ゲイン計算回路３０３は、図５に示すように、入力音声信号ｓ（ｎ）の帯域を１／２（０．５）ずつに分割した領域ＡＲ１、ＡＲ２を設定する（なお、２等分ではなく、不均等に２分して２個の領域ＡＲ１、ＡＲ２を設定するようにしても良い）。そして、第２の適応ゲイン計算回路３０３は、２個のＬＳＰ係数ｂ１、ｂ２が２個の領域ＡＲ１、ＡＲ２にどのように属しているかを判別する。
【００３４】
（ケース１）
２個のＬＳＰ係数ｂ１、ｂ２が共に領域ＡＲ１に属している場合には（例えば、図４（Ａ）、（Ｃ）参照）、後述する（２）式に従って、集中度合パラメータｔを算出し、算出した集中度合パラメータｔが所定値（ここでは３とする）より小さいか否かを判別する。算出した集中度合パラメータｔが３より小さいときには、１／ｔを適応ゲインｇとして出力し、集中度合パラメータｔが３以上のときには、１／３を適応ゲインｇとして出力する。
【００３５】
ｔ＝０．５／（｜ｂ２−ｂ１｜）                                    …（２）
２個のＬＳＰ係数ｂ１、ｂ２が共に領域ＡＲ１に属していることは、入力音声信号ｓ（ｎ）の帯域より高域の部分は、入力音声信号ｓ（ｎ）の帯域の平均パワーよりパワーが弱いことを表しているとみなす。図４の例では、図４（Ａ）及び（Ｃ）が該当する。また、集中度合パラメータｔが大きいことは集中度合が高いことを表している。図４の例では、図４（Ｃ）の方が図４（Ａ）より集中度合が大きい。２個のＬＳＰ係数ｂ１、ｂ２が共に領域ＡＲ１に属して集中度合が高い場合は、高域成分のパワーは、集中度合が低い場合より一段と小さいと推測される。そこで、集中度合パラメータｔが大きい方の適応ゲインｇを小さくすると共に、生成した高域信号ｓｕ（ｔ）が無意味とならないように下限値を設定するようにした。
【００３６】
（ケース２）
ＬＳＰ係数ｂ１とＬＳＰ係数ｂ２とで属する領域が異なる場合には、すなわち、ＬＳＰ係数ｂ１が領域ＡＲ１に属し、ＬＳＰ係数ｂ２が領域ＡＲ２に属している場合には、第２の適応ゲイン計算回路３０３は適応ゲインｇを１に設定して出力する。
【００３７】
ＬＳＰ係数ｂ１とＬＳＰ係数ｂ２とで属する領域が異なる場合は、入力音声信号ｓ（ｎ）は、図４（Ｄ）に例示するような概ねフラットのスペクトル特性を有するので、それより高域の高域信号ｓｕ（ｔ）も同様なゲインを有するものとみなし、適応ゲインｇを１に設定して出力する。
【００３８】
（ケース３）
２個のＬＳＰ係数ｂ１、ｂ２が共に領域ＡＲ２に属している場合には（例えば、図４（Ｂ）参照）、上述した（２）式に従って、集中度合パラメータｔを算出し、算出した集中度合パラメータｔが所定値（ここでは３とする）より小さいか否かを判別する。算出した集中度合パラメータｔが３より小さいときには、ｔを適応ゲインｇとして出力し、集中度合パラメータｔが３以上のときには、３を適応ゲインｇとして出力する。
【００３９】
２個のＬＳＰ係数ｂ１、ｂ２が共に領域ＡＲ２に属していることは、入力音声信号ｓ（ｎ）の帯域より高域の部分は、入力音声信号ｓ（ｎ）の帯域の平均パワーよりパワーが強いことを表していると見なす。図４の例では、図４（Ｂ）が該当する。また、集中度合パラメータｔが大きいことは集中度合が高いことを表している。２個のＬＳＰ係数ｂ１、ｂ２が共に領域ＡＲ２に属して集中度合が高い場合は、高域成分のパワーは、集中度合が低い場合より一段と大きいと推測される。そこで、集中度合パラメータｔが大きい方の適応ゲインｇを大きくすると共に、適応後の高域信号ｓｕ（ｔ）×ｇが過度に大きくならないように適応ゲインｇに上限を設定するようにした。
【００４０】
第２の実施形態によっても、入力音声信号のスペクトル特性に合わせて、適応的に、生成された高域信号の加算比率を変化させて帯域を拡張した音声信号を生成するようにしたので、従来よりも高品質な帯域拡張音声信号を得ることができる。
【００４１】
ここで、第２の実施形態によれば、入力音声信号のスペクトル特性を、パワーの集中度をも含めて捉えて適応ゲインを制御するようにしたので、第１の実施形態以上に、生成した帯域拡張音声信号の高品質化が期待できる。
【００４２】
（Ｃ）他の実施形態
上記各実施形態においては、スペクトル特性分析回路１０２、１０２Ａの全ての構成要素が、スペクトル特性分析回路１０２、１０２Ａの専用の構成要素のように説明したが、他の回路における同様な機能を実現する構成要素を、スペクトル特性分析回路１０２、１０２Ａの構成要素として流用するようにしても良い。
【００４３】
一般に、ＶｏＩＰを用いたＩＰ電話機などでは、音声信号を符号化して伝送し、受信側で復号して再生音声を得ている。ここで用いられる音声符号化方式は、その内部処理においてＬＰＣ係数、ＬＳＰパラメータを用いるものが多く、これらのＬＰＣ係数、ＬＳＰパラメータを第２の実施形態で流用するようにしても良い。この場合には、ＬＰＣ分析回路３０１及び又はＬＰＣ−ＬＳＰ変換回路３０２を不要とすることができる。
【００４４】
また、第１の実施形態においては、入力音声信号の帯域を２分割してスペクトル特性（パワー比の平方根）を求めるものを示し、第２の実施形態においては、入力音声信号のスペクトル特性として２つのＬＳＰパラメータを求めるものを示したが、適応ゲインの算出に供する値は２つに限定されず、３以上であっても良い。
【００４５】
例えば、入力音声信号の帯域を３分割して各分割帯域のパワーを求め、３つのパワーの値から、生成される高域信号の帯域でのパワーを外挿し、適応ゲインを算出するようにしても良い。また例えば、２を超える数のＬＳＰパラメータから、生成される高域信号の帯域での成分強度を外挿し、適応ゲインを算出するようにしても良い。
【００４６】
上記第２の実施形態においては、ＬＰＣ係数をＬＳＰパラメータに変換した後、適応ゲインｇを定めるものを示したが、複数のＬＰＣ係数の関係に基づいて、適応ゲインｇを定めるようにしても良い。また、スペクトラム包絡を求める他の分析方法を利用するようにしても良い。
【００４７】
上記各実施形態では、拡張対象の信号が音声信号である場合を示したが、他の種類の信号であっても良い。例えば、音響信号であっても良い。また、拡張帯域も高域に限定されず、低域側も拡張するようにしても良い。
【００４８】
また、上記各実施形態について、各構成要素がハードウェアに実現されているイメージで説明したが、全て又は一部の構成要素がソフトウェア的に処理を実行するものであって良いことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】第１の実施形態に係る音声信号帯域拡張装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】第１の実施形態におけるスペクトル特性分析回路の詳細構成を示すブロック図である。
【図３】第２の実施形態におけるスペクトル特性分析回路の詳細構成を示すブロック図である。
【図４】第２の実施形態におけるＬＳＰ係数の特質の説明図である。
【図５】第２の実施形態における適応ゲインの決定方法の説明図（１）である。
【図６】第２の実施形態における適応ゲインの決定方法の説明図（２）である。
【符号の説明】
【００５０】
１００…音声信号帯域拡張装置、１０１…アップサンプリング回路、１０２、１０２Ａ…スペクトル特性分析回路、１０３…高域成分生成回路、１０４…加算回路、１０５…乗算回路、２０１…低域バンドパスフィルタ回路、２０２…高域バンドパスフィルタ回路、２０３、２０４…パワー計算回路、２０５…第１の適応ゲイン計算回路、３０１…ＬＰＣ分析回路、３０２…ＬＰＣ−ＬＳＰ変換回路、３０３…第２の適応ゲイン計算回路。
【図１】
2007310296.tif 000003
【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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