(57)【要約】【課題】  棚型特性（または階段特性）を有するＩＩＲ型フィルタを複数段直列接続して構成されるフィルタを含み、周波数値およびゲイン値の組からなる複数組の設定値を設定して、これらの設定値を通過する任意の周波数応答特性を実現するデジタル信号処理装置およびデジタル信号処理方法を提供する。【解決手段】  デジタル信号処理装置は、フィルタ設定部が、フィルタ部の実現周波数応答特性Ｈを算出し、希望周波数応答特性Ｄとの誤差Ｅを算出する誤差算出部を含み、誤差算出部からの出力を受けてカットオフ周波数ｆｃおよびゲインｇｎを示す棚型特性Ｈｎを有するＭ次のＩＩＲ型フィルタＳｎを複数Ｎ段直列接続して構成されるフィルタ部の複数のＩＩＲ型フィルタＳｎのそれぞれのカットオフ周波数ｆｃを増減させ、かつ、ＩＩＲ型フィルタＳｎのそれぞれの次数をＭ次から増減させて誤差Ｅを小さくするようにフィルタ部を設定する。【選択図】  図１
2012213076.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音声信号に所定の周波数応答特性を与えるデジタル信号処理装置であって、
該音声信号を入力する入力部と、該音声信号を出力する出力部と、
該入力部と該出力部との間に接続されて、カットオフ周波数ｆｃおよびゲインｇｎを示す棚型特性Ｈｎを有するＭ次（Ｍ：１以上の整数）のＩＩＲ型フィルタＳｎを複数Ｎ段（Ｎ：２以上の整数）直列接続して構成されるフィルタ部と、
周波数値Ｆｎおよびゲイン値Ｇｎの組からなる複数（Ｎ＋１）組の設定値（Ｆｎ、Ｇｎ）を設定して該フィルタ部の希望周波数応答特性Ｄを設定する希望特性設定部と、
該希望特性設定部の該設定値（Ｆｎ、Ｇｎ）に対応して該カットオフ周波数ｆｃおよび該ゲインｇｎを定め、該フィルタ部のそれぞれのＩＩＲ型フィルタＳｎを設定するフィルタ設定部と、
を有し、
該フィルタ設定部が、該フィルタ部の実現周波数応答特性Ｈを算出し、該希望周波数応答特性Ｄと該実現周波数応答特性Ｈとの誤差Ｅを算出する誤差算出部を含み、該誤差算出部からの出力を受けて該フィルタ部の複数の該ＩＩＲ型フィルタＳｎのそれぞれの該カットオフ周波数ｆｃを増減させ、かつ、該ＩＩＲ型フィルタＳｎのそれぞれの次数を該Ｍ次から増減させて該誤差Ｅを小さくするように該フィルタ部を設定する、
デジタル信号処理装置。
【請求項２】
前記フィルタ設定部が、前記誤差Ｅを前記周波数値Ｆｎにおける前記希望周波数応答特性Ｄのゲイン値Ｄｎと前記実現周波数応答特性Ｈのゲイン値Ｈｎとの差の絶対値Ｅｎとして算出し、該誤差値Ｅｎが所定値よりも小さくなるように対応する前記ＩＩＲ型フィルタＳｎの該カットオフ周波数値ｆｃを変更して設定し、かつ、隣接する周波数値Ｆｎ＋１における該希望周波数応答特性Ｄのゲイン値Ｄｎ＋１と該実現周波数応答特性Ｈのゲイン値Ｈｎ＋１との差の絶対値Ｅｎ＋１を算出し、該誤差値Ｅｎ＋１が所定値よりも小さくなるように該ＩＩＲ型フィルタＳｎの前記次数Ｍを増加させ、該ＩＩＲ型フィルタＳｎの該次数Ｍが変更される場合には、該誤差値Ｅｎおよび該誤差値Ｅｎ＋１を再帰的に繰り返し算出し、該誤差Ｅを所定値よりも小さくするように該フィルタ部を設定する、
請求項１に記載のデジタル信号処理装置。
【請求項３】
音声信号に所定の周波数応答特性を与えるデジタル信号処理方法であって、
カットオフ周波数ｆｃおよびゲインｇｎを示す棚型特性Ｈｎを有するＭ次（Ｍ：１以上の整数）のＩＩＲ型フィルタＳｎを複数Ｎ段（Ｎ：２以上の整数）直列接続してフィルタ部を構成するステップと、
該フィルタ部に該音声信号を入力するステップと、該フィルタ部から該音声信号を出力するステップと、
該フィルタ部の希望特性設定部において、周波数値Ｆｎおよびゲイン値Ｇｎの組からなる複数（Ｎ＋１）組の設定値（Ｆｎ、Ｇｎ）を設定して該フィルタ部の希望周波数応答特性Ｄを設定するステップと、
該フィルタ部のフィルタ設定部において、該希望特性設定部の該設定値（Ｆｎ、Ｇｎ）に対応して該カットオフ周波数ｆｃおよび該ゲインｇｎを定め、該フィルタ部のそれぞれのＩＩＲ型フィルタＳｎを設定するステップと、
を含み、
該フィルタ設定部において、該フィルタ部の実現周波数応答特性Ｈを算出し、該希望周波数応答特性Ｄと該実現周波数応答特性Ｈとの誤差Ｅを算出するステップと、該誤差Ｅを受けて該フィルタ部の複数の該ＩＩＲ型フィルタＳｎのそれぞれの該カットオフ周波数ｆｃを増減させるステップと、該ＩＩＲ型フィルタＳｎのそれぞれの次数を該Ｍ次から増減させて該誤差Ｅを小さくするように該フィルタ部を設定するステップと、を含む、
デジタル信号処理方法。
【請求項４】
前記フィルタ設定部において、前記誤差Ｅを前記周波数値Ｆｎにおける前記希望周波数応答特性Ｄのゲイン値Ｄｎと前記実現周波数応答特性Ｈのゲイン値Ｈｎとの差の絶対値Ｅｎとして算出するステップと、該誤差値Ｅｎが所定値よりも小さくなるように対応する前記ＩＩＲ型フィルタＳｎの該カットオフ周波数値ｆｃを変更して設定するステップと、隣接する周波数値Ｆｎ＋１における該希望周波数応答特性Ｄのゲイン値Ｄｎ＋１と該実現周波数応答特性Ｈのゲイン値Ｈｎ＋１との差の絶対値Ｅｎ＋１を算出するステップと、該誤差値Ｅｎ＋１が所定値よりも小さくなるように該ＩＩＲ型フィルタＳｎの前記次数Ｍを増加させるステップと、該ＩＩＲ型フィルタＳｎの該次数Ｍが変更される場合には、該誤差値Ｅｎおよび該誤差値Ｅｎ＋１を再帰的に繰り返し算出し、該誤差Ｅを所定値よりも小さくするように該フィルタ部を設定するステップと、を含む、
請求項３に記載のデジタル信号処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音声信号に所定の周波数応答特性を与えるデジタル信号処理装置およびデジタル信号処理方法に関し、特に、棚型特性（または階段特性）を有するＩＩＲ型フィルタ（Shelving Filter、シェルビングフィルタ）を複数段直列接続して構成されるフィルタを含み、周波数値およびゲイン値の組からなる複数組の設定値を設定して、これらの設定値を通過する任意の周波数応答特性を実現するデジタル信号処理装置およびデジタル信号処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
音声信号を再生するＡＶレシーバー等の映像音響機器、あるいは、パーソナルコンピューター等の電子計算機では、希望する周波数値およびゲイン値を複数組入力して音声信号に所定の周波数応答特性を与えるイコライザーを実現するデジタル信号処理装置またはデジタル信号処理方法を含むものがある。所定の周波数応答特性を与えるイコライザーとしては、代表的には周波数が固定されるグラフィックイコライザーがあり、また、周波数が可変できるパラメトリックイコライザーがある。これらのイコライザーは、複数のバンドパスフィルタ（あるいはピーキングフィルタ）を含む場合が多い。
【０００３】
ただし、従来のピークフィルタまたはバンドパスフィルタを用いるパラメトリックイコライザーでは、任意の周波数値およびゲイン値の組からなる設定値を複数組自由に設定して、所望の周波数応答特性を有するイコライザーを実現しようとしても、個々のピークフィルタまたはバンドパスフィルタが相互に影響しあって、これらの設定値を通過する周波数応答特性を実現できない場合がある。つまり、所定の帯域を通過させるバンドパスフィルタを複数用いる構成では、通過周波数帯域が隣接するフィルタ同士の間で重畳する帯域が存在するので、周波数応答特性がある１点で任意の周波数値およびゲイン値を通過したとしても、他の点では任意の周波数値およびゲイン値からずれてしまう場合がある。
【０００４】
例えば、従来には、他のバンドからの漏れゲインが影響する場合にも適正に目標特性が得られるようにゲイン調整を行うように、入力信号の所定複数の周波数バンドごとにゲインを可変設定するように構成されたゲイン設定手段と、上記周波数バンドごとに目標のゲインが得られるようにするにあたり、少なくとも互いに隣接する周波数バンドについて、一方の周波数バンドに目標のゲイン値が設定された場合の他方の周波数バンドへの漏れゲイン値を得ると共に、更新処理として、上記一方の周波数バンドから上記他方の周波数バンドへの漏れゲイン値に基づき上記他方の周波数バンドに設定されるべきゲイン値を更新する処理と、この更新されたゲイン値が設定された場合における上記他方の周波数バンドからの漏れゲイン値に基づき上記一方の周波数バンドに設定されるべきゲイン値を更新する処理とを交互に繰り返し行った結果に基づき、上記ゲイン設定手段により各周波数バンドごとに設定されるべきゲイン値を調整するゲイン調整手段と、を備えることを特徴とする信号処理装置がある（特許文献１）。
【０００５】
また、従来には、バンドパスフィルタに代えて棚型特性（または階段特性）を有するシェルビングフィルタを複数直列に接続して、任意の周波数値およびゲイン値の組からなる複数の設定値を通過する周波数応答特性を実現するイコライザーがある（特許文献２）。例えば、シェルビングフィルタを並列接続するローパスフィルタおよびハイパスフィルタで構成するものとして、ｎ−１個の周波数限界点によって区分された隣接するｎ個の周波数範囲を有するデジタル信号用の等化装置において、等化装置は縦続接続されたｎ−１個のフィルタ回路と、制御ユニットとを具備し、前記縦続接続されたｎ−１個のフィルタ回路のそれぞれは前記ｎ−１個の周波数限界点のそれぞれ１つに対応して設けられており、各フィルタ回路は、そのフィルタ回路に対応する周波数限界点を周波数限界とする１個のデジタルローパスフィルタと１個のデジタルハイパスフィルタとの並列回路により構成され、それらのデジタルローパスフィルタおよびデジタルハイパスフィルタはそれぞれ相補的な伝達関数を有しており、それらデジタルローパスフィルタおよびデジタルハイパスフィルタの通過帯域の利得はそれらの出力を加重する手段によって調節可能に構成され、各フィルタ回路はさらに加重する手段を介して並列に出力されるデジタルローパスフィルタの出力とデジタルハイパスフィルタの出力とを結合してそのフィルタ回路の出力として出力する結合段を備えており、前記制御ユニットは前記縦続接続されたｎ−１個のフィルタ回路のそれぞれに設けられている前記デジタルローパスフィルタとデジタルハイパスフィルタの出力の加重量を制御するように構成され、各周波数限界点の両側の隣接する２つの周波数範囲においては周波数の増加された周波数範囲のほうが振幅を増加させるときには、前記制御ユニットによってその周波数限界点に対応するフィルタ回路のデジタルハイパスフィルタからの出力信号がデジタルローパスフィルタからの出力信号よりも大きな加重を割当てられ、各周波数限界点の両側の隣接する２つの周波数範囲においては周波数の増加された周波数範囲のほうが振幅を減少させるときには、前記制御ユニットによってその周波数限界点に対応するフィルタ回路のデジタルローパスフィルタからの出力信号がデジタルハイパスフィルタからの出力信号よりも大きな加重を割当てられるように構成されている等化装置がある（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１６６１９５号公報  （第１図〜第１０図）
【特許文献２】国際公開第２００９／１１２８２５号パンフレット（第１図〜第１１図）
【特許文献３】特許第４２５９６２６号公報  （第１図〜第１０図）
【０００７】
特許文献２のシェルビングフィルタを複数直列に接続するイコライザーでは、従来のバンドパスフィルタ、または、ピーキングフィルタの場合よりも任意の周波数値およびゲイン値の組からなる複数の設定値を通過する周波数応答特性を実現しやすいという利点がある。ただし、特許文献２のイコライザーの設計方法では、直列に接続する全てのシェルビングフィルタをそれぞれ決定してから、実現する周波数応答特性と希望する周波数応答特性との誤差を測定し、これを補正することになっており、イコライザーを実現するデジタル信号処理装置としては実装が容易でない、という問題がある。また、デジタル信号処理でシェルビングフィルタを実現する場合に、特に次数Ｍが２以上の高次のＩＩＲフィルタ（再帰形フィルタ、巡回形フィルタ）を用いるときに棚型特性のカットオフ周波数を指定する演算手法を採用すると、ＩＩＲフィルタの次数Ｍを適切に決定するのが難しいという問題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記の従来技術が有する問題を解決するためになされたものであり、その目的は、棚型特性（または階段特性）を有するＩＩＲ型フィルタを複数段直列接続して構成されるフィルタを含み、周波数値およびゲイン値の組からなる複数組の設定値を設定して、これらの設定値を通過する任意の周波数応答特性を実現するデジタル信号処理装置およびデジタル信号処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のデジタル信号処理装置は、音声信号に所定の周波数応答特性を与えるデジタル信号処理装置であって、音声信号を入力する入力部と、音声信号を出力する出力部と、入力部と出力部との間に接続されて、カットオフ周波数ｆｃおよびゲインｇｎを示す棚型特性Ｈｎを有するＭ次（Ｍ：１以上の整数）のＩＩＲ型フィルタＳｎを複数Ｎ段（Ｎ：２以上の整数）直列接続して構成されるフィルタ部と、周波数値Ｆｎおよびゲイン値Ｇｎの組からなる複数（Ｎ＋１）組の設定値（Ｆｎ、Ｇｎ）を設定してフィルタ部の希望周波数応答特性Ｄを設定する希望特性設定部と、希望特性設定部の設定値（Ｆｎ、Ｇｎ）に対応してカットオフ周波数ｆｃおよびゲインｇｎを定め、フィルタ部のそれぞれのＩＩＲ型フィルタＳｎを設定するフィルタ設定部と、を有し、フィルタ設定部が、フィルタ部の実現周波数応答特性Ｈを算出し、希望周波数応答特性Ｄと実現周波数応答特性Ｈとの誤差Ｅを算出する誤差算出部を含み、誤差算出部からの出力を受けてフィルタ部の複数のＩＩＲ型フィルタＳｎのそれぞれのカットオフ周波数ｆｃを増減させ、かつ、ＩＩＲ型フィルタＳｎのそれぞれの次数をＭ次から増減させて誤差Ｅを小さくするようにフィルタ部を設定する。
【００１０】
好ましくは、本発明のデジタル信号処理装置は、フィルタ設定部が、誤差Ｅを周波数値Ｆｎにおける希望周波数応答特性Ｄのゲイン値Ｄｎと実現周波数応答特性Ｈのゲイン値Ｈｎとの差の絶対値Ｅｎとして算出し、誤差値Ｅｎが所定値よりも小さくなるように対応するＩＩＲ型フィルタＳｎのカットオフ周波数値ｆｃを変更して設定し、かつ、隣接する周波数値Ｆｎ＋１における希望周波数応答特性Ｄのゲイン値Ｄｎ＋１と実現周波数応答特性Ｈのゲイン値Ｈｎ＋１との差の絶対値Ｅｎ＋１を算出し、誤差値Ｅｎ＋１が所定値よりも小さくなるようにＩＩＲ型フィルタＳｎの次数Ｍを増加させ、ＩＩＲ型フィルタＳｎの次数Ｍが変更される場合には、誤差値Ｅｎおよび誤差値Ｅｎ＋１を再帰的に繰り返し算出し、誤差Ｅを所定値よりも小さくするようにフィルタ部を設定する。
【００１１】
また、本発明のデジタル信号処理方法は、音声信号に所定の周波数応答特性を与えるデジタル信号処理方法であって、カットオフ周波数ｆｃおよびゲインｇｎを示す棚型特性Ｈｎを有するＭ次（Ｍ：１以上の整数）のＩＩＲ型フィルタＳｎを複数Ｎ段（Ｎ：２以上の整数）直列接続してフィルタ部を構成するステップと、フィルタ部に音声信号を入力するステップと、フィルタ部から音声信号を出力するステップと、フィルタ部の希望特性設定部において、周波数値Ｆｎおよびゲイン値Ｇｎの組からなる複数（Ｎ＋１）組の設定値（Ｆｎ、Ｇｎ）を設定してフィルタ部の希望周波数応答特性Ｄを設定するステップと、フィルタ部のフィルタ設定部において、希望特性設定部の設定値（Ｆｎ、Ｇｎ）に対応してカットオフ周波数ｆｃおよびゲインｇｎを定め、フィルタ部のそれぞれのＩＩＲ型フィルタＳｎを設定するステップと、を含み、フィルタ設定部において、フィルタ部の実現周波数応答特性Ｈを算出し、希望周波数応答特性Ｄと実現周波数応答特性Ｈとの誤差Ｅを算出するステップと、誤差Ｅを受けてフィルタ部の複数のＩＩＲ型フィルタＳｎのそれぞれのカットオフ周波数ｆｃを増減させるステップと、ＩＩＲ型フィルタＳｎのそれぞれの次数をＭ次から増減させて誤差Ｅを小さくするようにフィルタ部を設定するステップと、を含む。
【００１２】
好ましくは、本発明のデジタル信号処理方法は、フィルタ設定部において、誤差Ｅを周波数値Ｆｎにおける希望周波数応答特性Ｄのゲイン値Ｄｎと実現周波数応答特性Ｈのゲイン値Ｈｎとの差の絶対値Ｅｎとして算出するステップと、誤差値Ｅｎが所定値よりも小さくなるように対応するＩＩＲ型フィルタＳｎのカットオフ周波数値ｆｃを変更して設定するステップと、隣接する周波数値Ｆｎ＋１における希望周波数応答特性Ｄのゲイン値Ｄｎ＋１と実現周波数応答特性Ｈのゲイン値Ｈｎ＋１との差の絶対値Ｅｎ＋１を算出するステップと、誤差値Ｅｎ＋１が所定値よりも小さくなるようにＩＩＲ型フィルタＳｎの次数Ｍを増加させるステップと、ＩＩＲ型フィルタＳｎの次数Ｍが変更される場合には、誤差値Ｅｎおよび誤差値Ｅｎ＋１を再帰的に繰り返し算出し、誤差Ｅを所定値よりも小さくするようにフィルタ部を設定するステップと、を含む。
【００１３】
以下、本発明の作用について説明する。
【００１４】
本発明のデジタル信号処理装置ならびにデジタル信号処理方法は、入力される音声信号に所定の周波数応答特性を与えて出力するように、カットオフ周波数ｆｃおよびゲインｇｎを示す棚型特性Ｈｎを有するＭ次（Ｍ：１以上の整数）のＩＩＲ型フィルタＳｎを複数Ｎ段（Ｎ：２以上の整数）直列接続してフィルタ部を構成する。このフィルタ部は、周波数値Ｆｎおよびゲイン値Ｇｎの組からなる複数（Ｎ＋１）組の設定値（Ｆｎ、Ｇｎ）を設定してフィルタの希望周波数応答特性Ｄを設定する希望特性設定部と、希望特性設定部の設定値（Ｆｎ、Ｇｎ）に対応してカットオフ周波数ｆｃおよびゲインｇｎを定め、フィルタ部のそれぞれのＩＩＲ型フィルタＳｎを設定するフィルタ設定部と、を有する。
【００１５】
ユーザーが複数（Ｎ＋１）組の設定値（Ｆｎ、Ｇｎ）を設定してフィルタの希望周波数応答特性Ｄを設定すると、このデジタル信号処理装置ならびにデジタル信号処理方法では、誤差算出部からの出力を受けてフィルタ部の対応する直列接続されているＮ段のＩＩＲ型フィルタＳｎのそれぞれのカットオフ周波数ｆｃを増減させ、かつ、ＩＩＲ型フィルタＳｎのそれぞれの次数をＭ次から増減させることにより、誤差Ｅを小さくするようにフィルタ部を設定することができる。
【００１６】
具体的には、フィルタ設定部は、誤差Ｅを周波数値Ｆｎにおける希望周波数応答特性Ｄのゲイン値Ｄｎと実現周波数応答特性Ｈのゲイン値Ｈｎとの差の絶対値Ｅｎとして算出し、さらに、誤差値Ｅｎが所定値よりも小さくなるように対応するＩＩＲ型フィルタＳｎのカットオフ周波数値ｆｃを変更して設定する。また、フィルタ設定部は、隣接する周波数値Ｆｎ＋１における希望周波数応答特性Ｄのゲイン値Ｄｎ＋１と実現周波数応答特性Ｈのゲイン値Ｈｎ＋１との差の絶対値Ｅｎ＋１を算出し、誤差値Ｅｎ＋１が所定値よりも小さくなるようにＩＩＲ型フィルタＳｎの次数Ｍを増加させ、ＩＩＲ型フィルタＳｎの次数Ｍが変更される場合には、誤差値Ｅｎおよび誤差値Ｅｎ＋１を再帰的に繰り返し算出し、誤差Ｅを所定値よりも小さくするようにフィルタ部を設定する。
【００１７】
このように、本発明のデジタル信号処理装置ならびにデジタル信号処理方法では、棚型特性Ｈｎを有する高次のＩＩＲ型フィルタＳｎを複数Ｎ段直列接続してフィルタ部を構成するのにあたって、カットオフ周波数値ｆｃが隣接するＩＩＲ型フィルタ同士が相互に影響する場合でも、次数Ｍを変更してその影響による誤差を最小にするので、周波数値およびゲイン値の組からなる複数組の設定値を設定するだけで、これらの設定値を通過する任意の周波数応答特性を実現することができる。また、高次のＩＩＲフィルタを用いる棚型特性のフィルタでフィルタ特性が低域側と高域側とで非対称になる場合にも、希望の複数の設定値を通過する周波数応答特性を実現することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のデジタル信号処理装置およびデジタル信号処理方法は、棚型特性（または階段特性）を有するＩＩＲ型フィルタを複数段直列接続して構成されるフィルタであっても、周波数値およびゲイン値の組からなる複数組の設定値を設定して、これらの設定値を通過する任意の周波数応答特性を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の好ましい実施形態によるデジタル信号処理装置１を説明するブロック図である。（実施例１）
【図２】本発明の好ましい実施形態によるデジタル信号処理装置１のフィルタ部４において、直列接続する複数の棚型フィルタの動作を説明する図である。（実施例１）
【図３】本発明の好ましい実施形態によるデジタル信号処理方法において、棚型フィルタのカットオフ周波数ｆｃを決定するステップを説明する図である。（実施例１）
【図４】本発明の好ましい実施形態によるデジタル信号処理方法において、ＩＩＲ型フィルタの次数Ｍを決定するステップを説明する図である。（実施例１）
【図５】本発明の好ましい実施形態によるデジタル信号処理装置１のフィルタ部４において、ＩＩＲ型フィルタの次数Ｍを変化させた場合の実現周波数応答特性Ｈを説明するグラフである。（実施例１）
【図６】本発明の好ましい実施形態によるデジタル信号処理方法において、棚型フィルタのカットオフ周波数ｆｃとＩＩＲ型フィルタの次数Ｍを決定するステップを説明するフローチャートである。（実施例１）
【図７】本発明の好ましい実施形態によるデジタル信号処理装置１のフィルタ部４における実現周波数応答特性Ｈを説明するグラフである。（実施例１）
【図８】本発明の好ましい実施形態によるデジタル信号処理装置１のフィルタ部４における他の実現周波数応答特性Ｈを説明するグラフである。（実施例２）
【図９】本発明の好ましい実施形態によるデジタル信号処理装置１のフィルタ部４における直列接続するそれぞれのＩＩＲ型フィルタＳｎの次数Ｍのリストである。（実施例２）
【図１０】比較例の他のデジタル信号処理装置１０のフィルタ部４において、ピーク特性フィルタまたは帯域通過型フィルタを用いた場合の実現周波数応答特性Ｈを説明するグラフである。（比較例１〜４）
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の好ましい実施形態によるデジタル信号処理装置およびデジタル信号処理方法について説明するが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。
【実施例１】
【００２１】
図１は、本発明の好ましい実施形態によるデジタル信号処理装置１を説明するブロック図である。例えば、デジタル信号処理装置１は、（図示しない）パーソナルコンピューター等の電子計算機であって、音声信号を含むコンテンツファイルを再生する際に、希望する周波数値およびゲイン値を、ユーザーがＧＵＩを使って複数組入力し、音声信号に所定の周波数応答特性を与えるイコライザープログラムを含む。イコライザープログラムは、パーソナルコンピューターの（図示しない）中央演算回路（ＣＰＵ）またはデジタル・シグナル・プロセッサー（ＤＳＰ）で実行され、棚型特性を有する複数のＩＩＲ型フィルタを直列接続してフィルタ部４を構成するデジタル信号処理方法を含む。なお、図および説明を分かりやすくするために、（図示しない）パーソナルコンピューターの全体構成と、デジタル信号処理装置１の説明に不要な一部の構成の図示を省略している。
【００２２】
デジタル信号処理装置１は、音声信号を入力する入力部２と、音声信号を出力する出力部３と、入力部と出力部との間に接続されるフィルタ部４と、フィルタ部４の希望周波数応答特性Ｄを設定する希望特性設定部５と、フィルタ部４のそれぞれのＩＩＲ型フィルタＳｎを設定するフィルタ設定部６と、を有する。入力部２は、音声信号がデジタル信号である場合にはＤＩＲ回路を、アナログ信号である場合にはＡ／Ｄ回路を含んでいてもよい。また、出力部３は、フィルタ部４から出力されるデジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ回路を含んでいてもよい。
【００２３】
フィルタ部４は、ＣＰＵまたはＤＳＰを含んで構成される。フィルタ部４は、棚型特性を有するＮ段のＩＩＲ型フィルタＳｎを直列接続して構成する。希望特性設定部５は、（図示しない）ＧＵＩを含み、周波数値Ｆｎおよびゲイン値Ｇｎの組からなる複数Ｎ＋１組の設定値（Ｆｎ、Ｇｎ）を設定する設定部５１と、フィルタ部の希望周波数応答特性Ｄを演算する演算部５２と、を含む。ユーザーは、キー等を操作して画面上に所望の希望周波数応答特性Ｄを（図示しない）表示部に表示して、自由に設定することができる。
【００２４】
また、フィルタ設定部６は、希望特性設定部５の設定値（Ｆｎ、Ｇｎ）に対応して、それぞれのＩＩＲ型フィルタＳｎのカットオフ周波数ｆｃおよびゲインｇｎを定めて、フィルタ部４のそれぞれのＩＩＲ型フィルタＳｎを設定する設定部６１と、フィルタ部４の実現周波数応答特性Ｈを算出する算出部６２と、希望周波数応答特性Ｄと実現周波数応答特性Ｈとの誤差Ｅを算出する誤差算出部６３を含む。フィルタ設定部６は、後述するように、誤差算出部６３からの出力を受けてフィルタ部４の複数のＩＩＲ型フィルタＳｎのそれぞれのカットオフ周波数ｆｃを増減させ、かつ、ＩＩＲ型フィルタＳｎのそれぞれの次数をＭ次から増減させて誤差Ｅを小さくするようにフィルタ部４を設定する。
【００２５】
図２は、デジタル信号処理装置１のフィルタ部４において、直列接続する複数の棚型フィルタの動作を説明する図である。図２では、図示するように、３組の設定値（Ｆｎ、Ｇｎ）、（Ｆｎ＋１、Ｇｎ＋１）、（Ｆｎ＋２、Ｇｎ＋２）を通過する希望周波数応答特性Ｄのフィルタを実現する場合に、それぞれｇｎおよびｇｎ＋１をゲインとして持つ２つの棚型フィルタＳｎおよびＳｎ＋１を直列に接続する。棚型フィルタＳｎの周波数特性はＨｎであって、カットオフ周波数ｆｃｎは、周波数値Ｆｎ＋１およびＦｎの対数スケール上での中間の値であり、そのゲインはｇｎである。また、２つ目の棚型フィルタＳｎ＋１の周波数特性はＨｎ＋１であって、カットオフ周波数ｆｃｎ＋１は、周波数値Ｆｎ＋１およびＦｎ＋２の対数スケール上での中間の値であり、そのゲインはｇｎ＋１である。棚型フィルタを直列接続する方法では、隣接する棚型フィルタ同士が干渉するのが、図示する周波数値Ｆｎ＋１付近のみになるので、これら２つの棚型フィルタのゲインの和（ｇｎ）+（ｇｎ＋１）を、所望のゲイン差（Ｇｎ＋２）に等しく設定することで、実現周波数応答特性Ｈを希望周波数応答特性Ｄに近づけることができる。
【００２６】
図３は、棚型フィルタのカットオフ周波数ｆｃｎを決定するステップを説明する図であり、図４は、ＩＩＲ型フィルタの次数Ｍを決定するステップを説明する図である。このデジタル信号処理方法では、所定の周波数値Ｆｎにおける求めるフィルタＳｎの特性Ｈｎ（ゲインｇｎ）が希望する値Ｇｎになり、その誤差Ｅｒｒｏｒが所定値よりも小さくなるように棚型フィルタのカットオフ周波数をｆｃｎ（図３（ａ））からｆｃｎ’（図３（ｂ））に変えてフィルタＳｎの特性Ｈｎ’を設定する。さらに、このデジタル信号処理方法では、特性Ｈｎ（ゲインｇｎ）が所定の周波数値Ｆｎ＋１において希望する値Ｇｎ＋１になるように、その誤差Ｅｒｒｏｒが所定値よりも小さくなるように求める棚型フィルタＳｎのＩＩＲ型フィルタの次数を、Ｍ（図４（ａ））からＭ＋１（図４（ｂ））に変えてフィルタＳｎの特性Ｈｎ’を設定する。棚型フィルタＳｎのＩＩＲ型フィルタの次数Ｍが変更された場合には、上述の棚型フィルタのカットオフ周波数ｆｃｎを決定するステップを再度行い、これらを再帰的に繰り返すことで棚型フィルタのパラメータの調整を行う。
【００２７】
図５は、デジタル信号処理装置１のフィルタ部４において、ＩＩＲ型フィルタの次数Ｍを変化させた場合の実現周波数応答特性Ｈを説明するグラフである。具体的には、６点を通過する希望周波数応答特性Ｄを実現するようにＮ＝５段の直列接続するＩＩＲ型フィルタの次数Ｍを共通して変化させる場合に、図５（ａ）は次数Ｍ＝２、図５（ｂ）は次数Ｍ＝４、図５（ｃ）は次数Ｍ＝６、図５（ｄ）は次数Ｍ＝８、の場合の実現周波数応答特性Ｈである。図５に図示するように、ＩＩＲ型フィルタを用いる棚型フィルタＳｎでは、カットオフ周波数の前後の任意の２点を通過する実現周波数応答特性Ｈｎを定める場合に、階段状に差がつく低域側と高域側とでレベル差が大きいと、ＩＩＲフィルタの次数Ｍを大きくしないと希望周波数応答特性Ｄとの誤差Ｅが大きくなる。つまり、ゲインの変化量が大である周波数区間では、より急峻な高次の棚型フィルタを使用することで、希望の複数の設定値を通過する周波数応答特性を実現することができる。
【００２８】
図６は、このデジタル信号処理方法において、棚型フィルタＳｎのカットオフ周波数ｆｃｎとＩＩＲ型フィルタの次数Ｍを決定するステップを説明するフローチャートである。Ｎ段の直列接続するＩＩＲ型フィルタの希望周波数応答特性Ｄ（通過点Ｎ＋１点）の最初の通過点として、カウンターｎを１に設定する（Ｓ１）。カウンターｎは、その値ｎが直列接続する棚型フィルタの段数の順番の番号に対応し、カウンターｎが値（Ｎ＋１）と等しければ、つまりＮ段分のフィルタが設定し終われば、処理終了する（Ｓ２：Ｙｅｓ）。Ｓ２がＮｏであれば、ＩＩＲ型フィルタのカットオフ周波数ｆｃｎを所定の周波数値ｓｑｒｔ（Ｆｎ＋１＊Ｆｎ）の周波数値に設定し、さらに次数Ｍ＝２に初期設定する（Ｓ３）。なお、次数Ｍ＝１として初期設定してもよい。
【００２９】
次に、カットオフ周波数ｆｃｎおよび次数Ｍを用いて棚型特性Ｈｎを実現する棚型ＩＩＲ型フィルタＳｎのフィルタ係数を決定する（Ｓ４）。次に、カットオフ周波数ｆｃｎの低い側の周波数での設定値Ｆｎでのゲインｇｎを計算する（Ｓ５）。ゲインｇｎは、ｇｎ=|H(z)|(z=exp(i2πＦｎ/fs), fs=サンプリング周波数)として計算できる。Ｓ５で求めたゲインｇｎとH(z)が周波数Ｆｎで要求されるゲインＤ（つまり、設定値のゲイン値Ｇｎ）との差が所定値Ｅｎ以下であれば（Ｓ６：Ｙｅｓ）、次のステップＳ７に処理を進める。そうでなければ（Ｓ６：Ｎｏ）、カットオフ周波数ｆｃｎを変更するように所定αを掛け合わせてカットオフ周波数ｆｃｎ’を更新し（Ｓ１０）、ステップＳ４に処理をもどす。ステップＳ７では、カットオフ周波数ｆｃｎの高い側の周波数での設定値Ｆｎ＋１でのゲインｇｎ＋１を計算する（Ｓ７）。ゲインｇｎ＋１は、Ｇ１=|H(z)|(z=exp(i2π(Ｆｎ+1)/fs),
fs=サンプリング周波数)として計算できる。Ｓ７で求めたゲインｇｎ＋１とH(z)が周波数Ｆｎ+１で要求されるゲインＤ（つまり、設定値のゲイン値Ｇｎ＋１）との差が所定値Ｅｎ＋１以下であれば（Ｓ８：Ｙｅｓ）、次のステップＳ９に処理を進めてカウンターｎをｎ＋１に設定し、ステップＳ２に戻る。そうでなければ（Ｓ８：Ｎｏ）、ＩＩＲ型フィルタのカットオフ周波数ｆｃｎを所定の周波数値ｓｑｒｔ（Ｆｎ＋１＊Ｆｎ）の周波数値に設定し、さらに次数Ｍを１つ増加させてＭ＋１に設定し、ステップＳ４に処理をもどす。
【００３０】
すなわち、このデジタル信号処理方法では、フィルタ設定部４において、誤差Ｅを周波数値Ｆｎにおける希望周波数応答特性Ｄのゲイン値Ｄｎと実現周波数応答特性Ｈのゲイン値Ｈｎとの差の絶対値Ｅｎとして算出するステップ（Ｓ６）と、誤差値Ｅｎが所定値よりも小さくなるように対応するＩＩＲ型フィルタＳｎのカットオフ周波数値ｆｃを変更して設定するステップ（Ｓ１０）と、隣接する周波数値Ｆｎ＋１における希望周波数応答特性Ｄのゲイン値Ｄｎ＋１と実現周波数応答特性Ｈのゲイン値Ｈｎ＋１との差の絶対値Ｅｎ＋１を算出するステップ（Ｓ８）と、誤差値Ｅｎ＋１が所定値よりも小さくなるようにＩＩＲ型フィルタＳｎの次数Ｍを増加させるステップ（Ｓ１１）と、ＩＩＲ型フィルタＳｎの次数Ｍが変更される場合には、誤差値Ｅｎおよび誤差値Ｅｎ＋１を再帰的に繰り返し算出し、誤差Ｅを所定値よりも小さくするようにフィルタ部を設定するステップ（Ｓ４）と、を含む。
【００３１】
図７は、フィルタ部４における実現周波数応答特性Ｈを説明するグラフである。つまり、上記のデジタル信号処理方法により生成されたイコライザーでは、実現される周波数特性のゲインの変化量が小さい周波数応答区間では、ＩＩＲフィルタの次数Ｍが６の場合のグラフ（図５（ｃ））、または、次数Ｍが８の場合のグラフ（図５（ｄ））より滑らかになり、画一的に直列接続するＩＩＲフィルタの次数Ｍを決定する場合よりも、適切な次数Ｍがそれぞれの棚型フィルタにおいて選択されていることがわかる。
【実施例２】
【００３２】
図８は、フィルタ部４における他の実現周波数応答特性Ｈを説明するグラフである。具体的には、先の実施例よりもはるかに多い２０点を通過する希望周波数応答特性Ｄを実現するようにＮ＝１９段の直列接続するＩＩＲ型フィルタＳｎにより、フィルタ部４を構成する。先の実施例で説明したデジタル信号処理方法により、図８に図示するように、任意の２０点を滑らかに通過するフィルタ特性を実現することができる。図９は、Ｎ＝１９段の直列接続するそれぞれのＩＩＲ型フィルタＳｎの次数Ｍのリストである。上記のデジタル信号処理方法により生成されたイコライザーでは、次数Ｍは２から１４の間で様々な値に変化している。
【００３３】
一方で、図１０は、比較例の他の（図示しない）デジタル信号処理装置１０のフィルタ部４において、ピーク特性フィルタまたは帯域通過型フィルタを用いた場合の実現周波数応答特性Ｈを説明するグラフである。（比較例１〜４）。具体的には、図１０（ａ）および（ｂ）が棚型特性のフィルタに代えてピークフィルタを用いる場合であり、図１０（ｃ）および（ｄ）が棚型特性のフィルタに代えて帯域通過型（バンドパス）フィルタを用いる場合である。
【００３４】
直列接続する複数のピークフィルタを用いる場合には、図１０（ａ）のようにそれぞれのピークフィルタの帯域幅を狭く（bandwidth=0.25）すると、それぞれの設定値を通過するものの設定値の間で谷が生じてしまい、図１０（ｂ）のようにそれぞれのピークフィルタの帯域幅を広く（bandwidth=1/sqrt(2)）すると、設定値の間での谷は無くなるものの隣接する帯域への干渉により指定した特性からずれて、誤差が生じてしまうという問題がある。それぞれのピークフィルタの帯域幅を広げすぎると、隣接する３つのピークフィルタを調整しなければならなくなり、フィルタ特性の設定が困難になる。
【００３５】
直列接続する複数のバンドパスフィルタを用いる場合には、図１０（ｃ）のようにそれぞれのバンドパスフィルタの共振の鋭さＱを大きく(Q=4.0)すると、それぞれの設定値を通過するものの設定値の間で谷が生じてしまい、図１０（ｄ）のようにそれぞれのバンドパスフィルタの共振の鋭さＱを小さく(Q=1.0)すると、設定値の間での谷は無くなるものの隣接する帯域への干渉により指定した特性からずれて、誤差が生じてしまうという問題がある。バンドパスフィルタでは、ピークフィルタの場合よりも隣接する帯域間の干渉が大きくなるので、どのようなＱ値を用いても、フィルタ特性の設定が困難になる。
【００３６】
これらの比較例に対して、本実施例のデジタル信号処理方法では、直列接続する複数の棚型特性のフィルタよりフィルタ部を構成しており、かつ、直列接続するＩＩＲフィルタを最初から順番に調整すればよいので、調整が容易で時間も掛からないという利点がある。つまり、このデジタル信号処理方法では、棚型フィルタのカットオフ周波数ｆｃｎを決定するステップと、ＩＩＲ型フィルタの次数Ｍを決定するステップと、を再帰的に繰り返し、隣接する２つのフィルタ間でのみ調整を完了させるので、隣接する３つの棚型フィルタを調整せずに済み、フィルタ特性の設定が容易になる。さらに、棚型フィルタのカットオフ周波数ｆｃｎを決定するステップを含むので、高次のＩＩＲフィルタを用いる棚型特性のフィルタにおいてフィルタ特性が低域側と高域側とで非対称になる場合にも、周波数値およびゲイン値の組からなる複数組の設定値を設定して、これらの設定値を通過する任意の周波数応答特性を実現できる。
【００３７】
なお、本実施例では、ＩＩＲ型フィルタの次数Ｍの初期値を２としたが、次数Ｍは、２以上の整数であればよく、初期値もＭ＝４と他の値にしてもよい。また、上記の実施例では、最も低い帯域周波数に対応するｎ＝１（１番目）の棚型特性のフィルタＳ１を決めて、順次カウンターｎを大きくして次に低い帯域周波数に対応する棚型特性のフィルタＳ２を決めているが、このようにカウンターｎを１つずつ増加する場合に限られない。最も高い帯域周波数に対応する棚型特性のフィルタから、順次に低い帯域周波数に対応する棚型特性のフィルタを決めていってもよい。また、中央の帯域付近のｎ番目の棚型特性のフィルタＳｎを決めて、低域側または高域側へそれぞれ隣接する帯域に順番に棚型特性のフィルタを決めていってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
なお、本発明は上記実施例に限定されない。デジタル信号処理装置およびデジタル信号処理方法は、パーソナルコンピューター等の電子計算機だけでなく、任意の複数組の設定値を通過する任意の周波数応答特性を実現する映像音響機器にも適用が可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１            デジタル信号処理装置
２            入力部
３            出力部
４            フィルタ部
５            希望特性設定部
６            フィルタ設定部
【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６】
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【図９】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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