(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号の帯域幅より広い帯域幅を持つ出力信号を生成する周波数帯域拡張装置であって、
前記入力信号のパワーの周波数に対する傾きである周波数傾きに基づいて重みづけ係数を算出する算出部と、
ホワイトノイズ信号を発生させるノイズ発生部と、
前記ホワイトノイズ信号にフィルタ処理を施すことによって第１のホワイトノイズ信号を生成する低域通過フィルタと、
前記ホワイトノイズ信号の位相特性を調整することによって第２のホワイトノイズ信号を生成する位相調整部と、
前記重みづけ係数を用いて前記第１のホワイトノイズ信号と前記第２のホワイトノイズ信号とを重みづけ加算することによって、第３のホワイトノイズ信号を生成する重みづけ加算部と、
前記入力信号と前記第３のホワイトノイズ信号に対応する信号とを加算することによって前記出力信号を生成する信号加算部と
を備え、                                    
前記位相調整部は、前記第２のホワイトノイズ信号の位相特性が前記第１のホワイトノイズ信号の位相特性と同じになるように構成される
ことを特徴とする周波数帯域拡張装置。
【請求項２】
前記第３のホワイトノイズ信号の低域周波数成分を減衰させることによって第４のホワイトノイズ信号を生成する高域通過フィルタをさらに備え、
前記信号加算部は、前記入力信号と前記第４のホワイトノイズ信号とを加算することによって前記出力信号を生成する
ことを特徴とする請求項１に記載の周波数帯域拡張装置。
【請求項３】
前記重みづけ加算部は、
前記入力信号の前記周波数傾きが小さくなるほど、前記低域通過フィルタを通過した前記第１のホワイトノイズ信号の重みづけを大きくし且つ前記位相調整部を通過した第２のホワイトノイズ信号の重みづけを小さくして、前記第３のホワイトノイズ信号を生成し、
前記入力信号の前記周波数傾きが大きくなるほど、前記低域通過フィルタを通過した前記第１のホワイトノイズ信号の重みづけを小さくし且つ前記位相調整部を通過した第２のホワイトノイズ信号の重みづけを大きくして、前記第３のホワイトノイズ信号を生成する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の周波数帯域拡張装置。
【請求項４】
前記重みづけ加算部は、
前記入力信号の前記周波数傾きが前記第１のホワイトノイズ信号の周波数傾きから前記第２のホワイトノイズ信号の周波数傾きまでの範囲内にあるときに、
前記入力信号の前記周波数傾きが小さくなるほど、前記低域通過フィルタを通過した前記第１のホワイトノイズ信号の重みづけを大きくし且つ前記位相調整部を通過した第２のホワイトノイズ信号の重みづけを小さくして、前記第３のホワイトノイズ信号を生成し、
前記入力信号の前記周波数傾きが大きくなるほど、前記低域通過フィルタを通過した前記第１のホワイトノイズ信号の重みづけを小さくし且つ前記位相調整部を通過した第２のホワイトノイズ信号の重みづけを大きくして、前記第３のホワイトノイズ信号を生成する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の周波数帯域拡張装置。
【請求項５】
前記重みづけ加算部は、前記入力信号の前記周波数傾きが前記第１のホワイトノイズ信号の周波数傾きより小さいときに、前記低域通過フィルタを通過した前記第１のホワイトノイズ信号を前記第３のホワイトノイズ信号とすることを特徴とする請求項４に記載の周波数帯域拡張装置。
【請求項６】
前記重みづけ加算部は、前記入力信号の前記周波数傾きが前記第２のホワイトノイズ信号の周波数傾きより大きいときに、前記位相調整部を通過した前記第２のホワイトノイズ信号を前記第３のホワイトノイズ信号とすることを特徴とする請求項４又は５に記載の周波数帯域拡張装置。
【請求項７】
前記算出部は、
前記入力信号を通過させる第１のバンドパスフィルタと、
前記第１のバンドパスフィルタの中心周波数と異なる中心周波数を持ち、前記入力信号を通過させる第２のバンドパスフィルタと、
を有し、
前記第１のバンドパスフィルタを通過した信号のパワーと前記第２のバンドパスフィルタを通過した信号のパワーとから前記入力信号の周波数傾きを計算する
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の周波数帯域拡張装置。
【請求項８】
前記入力信号に対して非線形処理を行うことによって、非線形処理された信号を出力する非線形処理部と、
前記ホワイトノイズ信号と前記非線形処理された信号とを合成することによって、合成ホワイトノイズ信号を生成する信号合成部と
をさらに備え、
前記低域通過フィルタは、前記合成ホワイトノイズ信号から前記第１のホワイトノイズ信号を生成し、
前記位相調整部は、前記合成ホワイトノイズ信号から前記第２のホワイトノイズ信号を生成する
ことを特徴とする請求項１から７までのいずれか１項に記載の周波数帯域拡張装置。
【請求項９】
入力信号の周期性を推定することによって最大正規化自己相関値を計算する周期性推定部をさらに備え、
前記信号合成部は、前記最大正規化自己相関値に基づいて前記ホワイトノイズ信号と前記非線形処理された信号とを合成することによって、前記合成ホワイトノイズ信号を生成する
ことを特徴とする請求項８に記載の周波数帯域拡張装置。
【請求項１０】
入力信号の帯域幅より広い帯域幅を持つ出力信号を生成する周波数帯域拡張装置によって実行される周波数帯域拡張方法であって、
前記入力信号のパワーの周波数に対する傾きである周波数傾きに基づいて重みづけ係数を算出するステップと、
ホワイトノイズ信号を発生させるステップと、
前記ホワイトノイズ信号にフィルタ処理を施すことによって第１のホワイトノイズ信号を生成するステップと、
前記ホワイトノイズ信号の位相特性を調整することによって第２のホワイトノイズ信号を生成するステップと、
前記重みづけ係数を用いて前記第１のホワイトノイズ信号と前記第２のホワイトノイズ信号とを重みづけ加算することによって、第３のホワイトノイズ信号を生成するステップと、
前記入力信号と前記第３のホワイトノイズ信号に対応する信号とを加算することによって前記出力信号を生成するステップと
を備え、
前記第２のホワイトノイズ信号の位相特性が前記第１のホワイトノイズ信号の位相特性と同じである
ことを特徴とする周波数帯域拡張方法。
【請求項１１】
入力信号の帯域幅より広い帯域幅を持つ出力信号を生成するための周波数帯域拡張プログラムであって、
前記入力信号のパワーの周波数に対する傾きである周波数傾きに基づいて重みづけ係数を算出する処理と、
ホワイトノイズ信号を発生させる処理と、
前記ホワイトノイズ信号にフィルタ処理を施すことによって第１のホワイトノイズ信号を生成する処理と、
前記ホワイトノイズ信号の位相特性を調整することによって第２のホワイトノイズ信号を生成する処理であって、前記第１のホワイトノイズ信号の位相特性と前記第２のホワイトノイズ信号の位相特性とが同じである処理と、
前記重みづけ係数を用いて前記第１のホワイトノイズ信号と前記第２のホワイトノイズ信号とを重みづけ加算することによって、第３のホワイトノイズ信号を生成する処理と、
前記入力信号と前記第３のホワイトノイズ信号に対応する信号とを加算することによって前記出力信号を生成する処理と
をコンピュータに実行させることを特徴とする周波数帯域拡張プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周波数帯域拡張装置、周波数帯域拡張方法、及び周波数帯域拡張プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ＣＤ（Ｃｏｐａｃｔ  Ｄｉｓｃ）規格では、サンプリング周波数は、４４．１［ｋＨｚ］に規定されている。この場合、再現できる上限の帯域幅は、サンプリング周波数の２分の１である２２．０５［ｋＨｚ］である。また、ＡＡＣ（Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ａｕｄｉｏ  Ｃｏｄｅｃ）、ＭＰ３（ＭＰＥＧ  Ａｕｄｉｏ  Ｌａｙｐｅｒ  ３）、などの圧縮符号化処理においても、再現できる上限の帯域幅が制限されている。そこで、デジタル化により失われた高域成分を疑似的に復元することで、より高音質な音をユーザに提供するための方法が提案さている。【０００３】
特許文献１は、フーリエ変換を用いて入力信号を周波数領域の信号に変換し、入力信号のスペクトルに基づいて拡張する帯域のスペクトルを生成し、入力信号のスペクトルのパワーに基づいて拡張するスペクトルのパワーを決定することにより、周波数帯域を拡張する方法を記載している。【０００４】
特許文献２は、フーリエ変換を用いて入力信号を周波数領域の信号に変換し、補間のために用いる基準周波数帯域及び補間の対象となる被補間周波数帯域を特定し、基準周波数帯域のスペクトル分布と同じ分布のスペクトルを、包絡線に沿うように被補間周波数帯域に外挿することにより、周波数帯域を拡張する方法を記載している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１３４２６０号公報
【特許文献２】特開２００２−１７５０９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記文献に記載された方法では、周波数帯域を拡張するための処理としてフーリエ変換が用いられているので、演算量が多くなり、高い演算能力を持つＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）が必要になるという課題がある。【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、少ない演算量で入力信号の周波数帯域を拡張することができる周波数帯域拡張装置、並びに、少ない演算量で入力信号の周波数帯域を拡張するために使用される周波数帯域拡張方法及び周波数帯域拡張プログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様に係るに係る周波数帯域拡張装置は、入力信号の帯域幅より広い帯域幅を持つ出力信号を生成する周波数帯域拡張装置であって、前記入力信号のパワーの周波数に対する傾きである周波数傾きに基づいて重みづけ係数を算出する算出部と、ホワイトノイズ信号を発生させるノイズ発生部と、前記ホワイトノイズ信号にフィルタ処理を施すことによって第１のホワイトノイズ信号を生成する低域通過フィルタと、前記ホワイトノイズ信号の位相特性を調整することによって第２のホワイトノイズ信号を生成する位相調整部と、前記重みづけ係数を用いて前記第１のホワイトノイズ信号と前記第２のホワイトノイズ信号とを重みづけ加算することによって、第３のホワイトノイズ信号を生成する重みづけ加算部と、前記入力信号と前記第３のホワイトノイズ信号に対応する信号とを加算することによって前記出力信号を生成する信号加算部とを備え、前記位相調整部は、前記第２のホワイトノイズ信号の位相特性が前記第１のホワイトノイズ信号の位相特性と同じになるように構成されることを特徴とする。【０００９】
本発明の一態様に係るに係る周波数帯域拡張方法は、入力信号の帯域幅より広い帯域幅を持つ出力信号を生成する周波数帯域拡張装置によって実行される方法であって、前記入力信号のパワーの周波数に対する傾きである周波数傾きに基づいて重みづけ係数を算出するステップと、ホワイトノイズ信号を発生させるステップと、前記ホワイトノイズ信号にフィルタ処理を施すことによって第１のホワイトノイズ信号を生成するステップと、前記ホワイトノイズ信号の位相特性を調整することによって第２のホワイトノイズ信号を生成するステップと、前記重みづけ係数を用いて前記第１のホワイトノイズ信号と前記第２のホワイトノイズ信号とを重みづけ加算することによって、第３のホワイトノイズ信号を生成するステップと、前記入力信号と前記第３のホワイトノイズ信号に対応する信号とを加算することによって前記出力信号を生成するステップとを備え、前記第２のホワイトノイズ信号の位相特性が前記第１のホワイトノイズ信号の位相特性と同じであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、少ない演算量で入力信号の周波数帯域を拡張することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１に係る周波数帯域拡張装置のハードウェア構成の例を示す図である。
【図２】実施の形態１に係る周波数帯域拡張装置のハードウェア構成の他の例を示す図である。
【図３】実施の形態１に係る周波数帯域拡張装置の構成を概略的に示す機能ブロック図である。
【図４】図３に示される周波数傾き推定部の構成を概略的に示す機能ブロック図である。
【図５】実施の形態１に係る周波数帯域拡張装置の動作を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態２に係る周波数帯域拡張装置の構成を概略的に示す機能ブロック図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係る周波数帯域拡張装置の構成を概略的に示す機能ブロック図である。
【図８】実施の形態１から３のいずれかに係る周波数帯域拡張装置を含む音響装置のハードウェア構成の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の実施の形態に係る周波数帯域拡張装置、周波数帯域拡張方法、及び周波数帯域拡張プログラムを、図面を参照しながら説明する。以下の実施の形態は、例にすぎず、本発明の範囲内で種々の変更が可能である。
【００１３】
《１》実施の形態１．
《１−１》構成
図１は、実施の形態１に係る周波数帯域拡張装置１のハードウェア構成の例を示す図である。図１に示される例では、周波数帯域拡張装置１は、例えば、ソフトウェアとしてのプログラム、すなわち、周波数帯域拡張プログラムを格納するメモリ２０と、メモリ２０に格納されたプログラムを実行する演算処理部としてのプロセッサ１０とを備えている。プロセッサ１０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）などの情報処理回路である。メモリ２０は、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）などの揮発性の記憶装置である。周波数帯域拡張装置１は、例えば、コンピュータである。
【００１４】
実施の形態１に係る周波数帯域拡張プログラムは、情報を記録する記録媒体から媒体情報読取装置（図示せず）を介して又はインターネットなどに接続可能な通信インタフェース（図示せず）を介してメモリ２０に格納される。実施の形態１に係る周波数帯域拡張プログラムは、プロセッサ１０によって実行されることができる。また、実施の形態１に係る周波数帯域拡張方法は、メモリ２０に格納される周波数帯域拡張プログラムを実行するプロセッサ１０によって実現されることができる。
【００１５】
周波数帯域拡張装置１は、タッチパネルなどのユーザ操作部である入力装置、放送信号を受信する放送波受信装置、各種の音声信号記録媒体を再生するメディア再生装置、などの各種機器が接続される入力インタフェース３０を備えている。また、周波数帯域拡張装置１は、音声を出力するための音響信号処理回路などが接続される出力インタフェース４０を備えている。また、周波数帯域拡張装置１は、各種情報を記憶するＨＤＤ（Ｈａｒｄ  Ｄｉｓｋ  Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｄｒｉｖｅ）、などの記憶装置５０を備えてもよい。記憶装置５０は、周波数帯域拡張装置１の外部の記憶装置であってもよい。周波数帯域拡張装置１が、外部の装置と通信するための通信インタフェース（図示せず）を備える場合には、記憶装置５０は、通信インタフェースを介して接続可能なクラウド上に存在する記憶装置であってもよい。
【００１６】
図２は、実施の形態１に係る周波数帯域拡張装置１のハードウェア構成の他の例を示す図である。図２に示される例では、周波数帯域拡張装置１は、処理回路６０と、入力インタフェースとしての入力回路７０と、出力インタフェースとしての出力回路８０と、記憶装置５０とを備えている。処理回路６０は、例えば、専用のハードウェアである。処理回路６０は、メモリに記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各回路の機能を実現するプロセッサを含んでもよい。また、処理回路６０の一部を専用の回路で実現し、処理回路６０の他の一部をソフトウェア又はファームウェアを実行するプロセッサを含む回路で実現してもよい。
【００１７】
図３は、実施の形態１に係る周波数帯域拡張装置１の構成を概略的に示す機能ブロック図である。図３に示されるように、周波数帯域拡張装置１は、周波数傾き推定部１０１と、ノイズ発生部１０２と、低域通過フィルタ１０３と、位相調整部１０４と、重みづけ加算部１０５と、高域通過フィルタ１０６と、信号加算部１０７とを備えている。これらの構成は、図１に示されるプロセッサ１０、又は図２に示される処理回路６０によって実現可能である。
【００１８】
実施の形態１では、周波数帯域拡張装置１の出力信号Ｄ９の帯域幅は、周波数帯域拡張装置１の入力信号Ｄ０の帯域幅よりも大きい。実施の形態１では、入力信号Ｄ０の帯域幅が２４０００［Ｈｚ］であり、出力信号Ｄ９の帯域幅が４８０００［Ｈｚ］である場合を説明する。ただし、入力信号Ｄ０の帯域幅及び出力信号Ｄ９の帯域幅は、上記値に限定されない。
【００１９】
周波数傾き推定部１０１は、入力信号Ｄ０の周波数傾きを推定し、推定された周波数傾きを用いて重みづけ係数Ｄ３（すなわち、後述するα）を算出する。周波数傾き推定部１０１は、重みづけ係数Ｄ３の算出部である。
【００２０】
図４は、周波数傾き推定部１０１の構成を概略的に示す機能ブロック図である。図４に示されるように、周波数傾き推定部１０１は、第１のバンドパスフィルタ１０１１と、第２のバンドパスフィルタ１０１２と、重みづけ係数計算部１０１３とを備えている。
【００２１】
第１のバンドパスフィルタ１０１１は、入力信号Ｄ０にフィルタ処理を施して、フィルタ処理された信号Ｄ１を出力する。つまり、第１のバンドパスフィルタ１０１１は、入力信号Ｄ０のうちの通過帯域の周波数成分のみを通過させて、信号Ｄ１を出力する。第１のバンドパスフィルタ１０１１としては、中心周波数がＦｃ１［Ｈｚ］であるＩＩＲ（Ｉｎｆｉｎｉｔｅ  Ｉｍｐｕｌｉｓｅ  Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタ又はＦＩＲ（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｉｍｐｕｌｓｅ  Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタを用いることができる。また、第１のバンドパスフィルタ１０１１の通過帯域幅は、例えば、５００［Ｈｚ］程度である。ただし、第１のバンドパスフィルタ１０１１の通過帯域幅は、上記値に限定されない。
【００２２】
第２のバンドパスフィルタ１０１２は、入力信号Ｄ０にフィルタ処理を施して、フィルタ処理された信号Ｄ２を出力する。つまり、第２のバンドパスフィルタ１０１２は、入力信号Ｄ０のうちの通過帯域の周波数成分のみを通過させて、信号Ｄ２を出力する。第２のバンドパスフィルタ１０１２としては、中心周波数がＦｃ２［Ｈｚ］であるＩＩＲフィルタ又はＦＩＲフィルタを用いることができる。また、第２のバンドパスフィルタ１０１２の中心周波数Ｆｃ２［Ｈｚ］は、第１のバンドパスフィルタ１０１１の中心周波数Ｆｃ１［Ｈｚ］の２倍の周波数であることが望ましい。例えば、Ｆｃ１＝１００００［Ｈｚ］の場合は、Ｆｃ２＝２００００［Ｈｚ］であることが望ましい。また、第２のバンドパスフィルタ１０１２の通過帯域幅は、第１のバンドパスフィルタ１０１１の通過帯域幅と同じである。
【００２３】
重みづけ係数計算部１０１３は、第１のバンドパスフィルタ１０１１を通過した信号Ｄ１のパワー（すなわち、振幅に対応する値）と第２のバンドパスフィルタ１０１２を通過した信号Ｄ２のパワーとから、周波数傾きを推定し、周波数傾きを用いて重みづけ係数Ｄ３を算出する。つまり、重みづけ係数計算部１０１３は、入力信号Ｄ０の周波数Ｆｃ１［Ｈｚ］である信号Ｄ１のパワーと入力信号Ｄ０の周波数Ｆｃ２［Ｈｚ］＝２Ｆｃ１［Ｈｚ］である信号Ｄ２のパワーとから、入力信号Ｄ０のパワーの周波数に対する傾きである周波数傾きを推定し、周波数傾きを用いて重みづけ係数Ｄ３を算出する。
【００２４】
重みづけ係数計算部１０１３は、第１のバンドパスフィルタ１０１１を通過した信号Ｄ１を用いて、現在のサンプルからＬサンプル分さかのぼった時点のサンプルまでの区間におけるＬ個のサンプルのパワーの二乗平均パワーを算出する。Ｌは、予め決められた正の整数である。そのため、重みづけ係数計算部１０１３は、第１のバンドパスフィルタ１０１１を通過した信号Ｄ１を小サンプル分、バッファリングする。小サンプルとは、例えば、５ｍｓ以下の期間内におけるサンプルである。したがって、実施の形態１におけるバッファサイズは、フーリエ変換のためのバッファサイズに比べて非常に小さい。
【００２５】
次に、重みづけ係数計算部１０１３は、第２のバンドパスフィルタ１０１２を通過した信号Ｄ２を用いて、現在のサンプルからＬサンプル分さかのぼった時点のサンプルまでの区間におけるＬ個のサンプルのパワーの二乗平均パワーを算出する。重みづけ係数計算部１０１３は、この算出の際に、第１のバンドパスフィルタ１０１１の場合と同じバッファサイズのバッファリングを行う。
【００２６】
次に、重みづけ係数計算部１０１３は、第１のバンドパスフィルタ１０１１を通過した信号Ｄ１の二乗平均パワーと第２のバンドパスフィルタ１０１２を通過した信号Ｄ２の二乗平均パワーとを用いて、以下の式（１）及び（２）により、重みづけ係数α（又はＤ３）を算出する。
【００２７】
【数１】
0006903242.tif 000002
【００２８】
ここで、Ｏｉｎは、入力信号Ｄ０の周波数傾きを示し、Ｐｂｐｆ１は、第１のバンドパスフィルタ１０１１を通過した信号Ｄ１の二乗平均パワーを示し、Ｐｂｐｆ２は、第２のバンドパスフィルタ１０１２を通過した信号Ｄ２の二乗平均パワーを示す。また、Ｏａｐｆは、後述の位相調整部１０４で位相調整が施されたホワイトノイズ信号Ｄ６の周波数傾きを示し、Ｏｌｐｆは、後述の低域通過フィルタ１０３を通過したホワイトノイズ信号Ｄ５の周波数傾きを示す。重みづけ係数計算部１０１３は、予め周波数傾きＯａｐｆとＯｌｐｆを保持している。
【００２９】
なお、式（１）及び（２）では、Ｐｂｐｆ１，Ｐｂｐｆ２として二乗平均パワーが用いられているが、二乗平均パワーの代わりに、ＲＭＳ（Ｒｏｏｔ  Ｍｅａｎ  Ｓｑｕａｒｅ）又は平均振幅、などを用いることも可能である。
【００３０】
図３を用いた説明に戻る。ノイズ発生部１０２は、ホワイトノイズを模擬した信号であるホワイトノイズ信号Ｄ４を生成する。
【００３１】
低域通過フィルタ１０３は、ノイズ発生部１０２から出力されたホワイトノイズ信号Ｄ４を通過させることで高域周波数成分を減衰させて、ホワイトノイズ信号Ｄ５を出力する。ホワイトノイズ信号Ｄ５は、第１のホワイトノイズ信号とも言う。このとき、低域通過フィルタ１０３で用いられるカットオフ周波数は、２４０００［Ｈｚ］であり、低域通過フィルタ１０３を通過したホワイトノイズ信号Ｄ５の周波数傾きは、Ｏｌｐｆである。Ｏｌｐｆは、予め設定された値である。例えば、−２４［ｄＢ／Ｏｃｔ］の周波数傾きＯｌｐｆは、４次のＩＩＲフィルタによって実現できる。なお、他の方法、例えば、ＦＩＲフィルタなどにより、同様の周波数特性を再現することも可能である。
【００３２】
位相調整部１０４は、ノイズ発生部１０２から出力されたホワイトノイズ信号Ｄ４の位相特性を調整して、位相特性が調整されたホワイトノイズ信号Ｄ６を出力する。ホワイトノイズ信号Ｄ６は、第２のホワイトノイズ信号とも言う。位相調整部１０４を通過したホワイトノイズ信号Ｄ６の周波数傾きは、Ｏａｐｆである。Ｏａｐｆは、予め設定された値である。位相調整部１０４は、ホワイトノイズ信号Ｄ４の位相特性のみを調整して、ホワイトノイズ信号Ｄ４の他の特性を変更しないことが望ましい。この位相調整は、位相特性が調整されたホワイトノイズ信号Ｄ６の位相特性が、低域通過フィルタ１０３を通過したホワイトノイズ信号Ｄ５の位相特性と同じになるように行われる。Ｍを正の整数としたときに、２Ｍ次の低域通過型ＩＩＲフィルタの位相特性とＭ次のＡＰＦ（Ａｌｌ  Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）の位相特性とが同一になることが知られている。例えば、低域通過フィルタ１０３が４次のＩＩＲフィルタで構成されている場合には、予め位相調整部１０４を２次のＡＰＦで構成することにより、低域通過フィルタ１０３の位相特性と位相調整部１０４の位相特性とを同じにすることができる。
【００３３】
なお、低域通過フィルタ１０３がＦＩＲフィルタで構成されている場合には、位相特性が線形位相特性をもつので、位相調整部１０４は、ＦＩＲフィルタのタップ数の２分の１に等しいサンプル数分、ホワイトノイズ信号Ｄ４を遅延させれば、ホワイトノイズ信号Ｄ５の位相特性と同じ位相特性を持つホワイトノイズ信号Ｄ６を生成することができる。
【００３４】
重みづけ加算部１０５は、周波数傾き推定部１０１から出力された重みづけ係数Ｄ３（すなわち、α）、低域通過フィルタ１０３を通過したホワイトノイズ信号Ｄ５、及び位相調整部１０４で位相調整されたホワイトノイズ信号Ｄ６から、重みづけ加算によって得られたホワイトノイズ信号Ｄ７を生成する。ホワイトノイズ信号Ｄ７は、第３のホワイトノイズ信号とも言う。このとき、重みづけ加算部１０５によって行われる処理は、例えば、以下の式（３）で表される。
【００３５】
【数２】
0006903242.tif 000003
【００３６】
式（３）において、Ｓｌｐｆ（ｔ）は、低域通過フィルタ１０３を通過したホワイトノイズ信号Ｄ５を示し、Ｓａｐｆ（ｔ）は、位相調整部１０４を通過したホワイトノイズ信号Ｄ６を示し、Ｓ´（ｔ）は、重みづけ加算によって得られたホワイトノイズ信号Ｄ７を示す。また、ｔは、時間インデックスを示す整数である。
【００３７】
式（２）と式（３）とから、入力信号Ｄ０の周波数傾きＯｉｎが、位相調整部１０４を通過したホワイトノイズ信号Ｄ６の周波数傾きＯａｐｆより大きい場合には、α＝０になるので、重みづけ加算によって得られたホワイトノイズ信号Ｄ７の振幅であるＳ´（ｔ）は、位相調整部１０４を通過したホワイトノイズ信号Ｄ６の振幅であるＳａｐｆ（ｔ）に等しい。このときには、位相特性のみが調整されており、ホワイトノイズ信号Ｄ４に比べて振幅が変更されていないホワイトノイズ信号Ｄ７を用いて、広い帯域幅を持つ出力信号Ｄ９が生成される。
【００３８】
また、式（２）と式（３）とから、入力信号Ｄ０の周波数傾きＯｉｎが、低域通過フィルタ１０３を通過したホワイトノイズ信号Ｄ５の周波数傾きＯｌｐｆより小さい場合には、α＝１になるので、重みづけ加算によって得られたホワイトノイズ信号Ｄ７の振幅であるＳ´（ｔ）は、低域通過フィルタ１０３を通過したホワイトノイズ信号Ｄ５の振幅であるＳｌｐｆ（ｔ）に等しい。このときには、ホワイトノイズ信号Ｄ４に比べて振幅が減衰されているホワイトノイズ信号Ｄ７を用いて、広い帯域幅を持つ出力信号Ｄ９が生成される。
【００３９】
また、式（２）と式（３）とから、入力信号Ｄ０の周波数傾きＯｉｎが、低域通過フィルタ１０３を通過したホワイトノイズ信号Ｄ５の周波数傾きＯｌｐｆから位相調整部１０４を通過したホワイトノイズ信号Ｄ６の周波数傾きＯａｐｆまでの範囲内であるときには、０＜α＜１である。このとき、αは、周波数傾きの差（Ｏａｐｆ−Ｏｌｐｆ）と周波数傾きの差（Ｏａｐｆ−Ｏｉｎ）との比率に応じた値である。つまり、入力信号Ｄ０の周波数傾きＯｉｎが大きくなるほど、αは０に近づき、入力信号Ｄ０の周波数傾きＯｉｎが小さくなるほど、αは１に近づく。
【００４０】
言い換えれば、入力信号Ｄ０の周波数傾きＯｉｎが小さくて、αが１に近いときには、低域通過フィルタ１０３を通過したホワイトノイズ信号Ｄ５に近いホワイトノイズ信号を、入力信号Ｄ０に加算することによって、帯域幅の広い出力信号Ｄ９を生成する。また、入力信号Ｄ０の周波数傾きＯｉｎが大きく、αが０に近いときには、位相調整部１０４を通過したホワイトノイズ信号Ｄ６に近いホワイトノイズ信号を、入力信号Ｄ０に加算することによって、帯域幅の広い出力信号Ｄ９を生成する。
【００４１】
高域通過フィルタ１０６は、重みづけ加算によって得られたホワイトノイズ信号Ｄ７にフィルタ処理を施して、フィルタ処理されたホワイトノイズ信号Ｄ８を出力する。ホワイトノイズ信号Ｄ８は、第４のホワイトノイズ信号とも言う。つまり、高域通過フィルタ１０６は、ホワイトノイズ信号Ｄ７のうちの通過帯域の周波数成分のみを通過させて、ホワイトノイズ信号Ｄ８を出力する。このとき、高域通過フィルタ１０６としては、例えば、カットオフ周波数が２４０００［Ｈｚ］であるＦＩＲフィルタを用いる。なお、高域通過フィルタ１０６として、他のフィルタを採用することも可能である。例えば、高域通過フィルタ１０６として、２４０００［Ｈｚ］のカットオフ周波数を持つＩＩＲフィルタを用いてもよい。なお、高域通過フィルタ１０６のカットオフ周波数は、上記値に限定されない。
【００４２】
信号加算部１０７は、入力信号Ｄ０と高域通過フィルタ１０６を通過したホワイトノイズ信号Ｄ８とを加算することによって、出力信号Ｄ９を生成する。信号加算部１０７は、入力信号Ｄ０に、ホワイトノイズ信号Ｄ７に対応する信号、例えば、ホワイトノイズ信号Ｄ７を加算することによって、出力信号Ｄ９を生成することも可能である。
【００４３】
《１−２》動作
図５は、実施の形態１に係る周波数帯域拡張装置１の動作を示すフローチャートである。ステップＳ１１において、周波数傾き推定部１０１は、入力信号Ｄ０から、入力信号Ｄ０の周波数傾きを推定する。
【００４４】
次のステップＳ１２において、低域通過フィルタ１０３は、ノイズ発生部１０２から出力されたホワイトノイズ信号Ｄ４を通過させて、ホワイトノイズ信号Ｄ５を出力する。
【００４５】
次のステップＳ１３において、位相制御部１０４は、ノイズ発生部１０２から出力されたホワイトノイズ信号Ｄ４を通過させて、ホワイトノイズ信号Ｄ６を出力する。位相制御部１０４は、ホワイトノイズ信号Ｄ６の位相特性が、ホワイトノイズ信号Ｄ５の位相特性と同じになるように、設定されている。
【００４６】
次のステップＳ１４において、周波数傾き推定部１０１は、入力信号Ｄ０の周波数傾きから重みづけ係数を算出し、また、重みづけ加算部１０５は、ホワイトノイズ信号Ｄ５及びＤ６を重みづけ加算する。
【００４７】
次のステップＳ１５において、高域通過フィルタ１０６は、重みづけ加算で得られたホワイトノイズ信号Ｄ７を通過させて、ホワイトノイズ信号Ｄ８を出力する。
【００４８】
次のステップＳ１６において、信号加算部１０７は、入力信号Ｄ０と高域通過フィルタ１０６を通過したホワイトノイズ信号Ｄ８とを加算することによって、出力信号Ｄ９を生成する。
【００４９】
《１−３》効果
以上に説明したように、実施の形態１に係る周波数帯域拡張装置１、周波数帯域拡張方法、又は周波数帯域拡張プログラムを用いれば、第１のバンドパスフィルタ１０１１を通過した信号Ｄ１及び第２のバンドパスフィルタ１０１２を通過した信号Ｄ２から入力信号Ｄ０の周波数傾きを推定し、推定された周波数傾きに基づいて算出された重みづけ係数αによって任意の周波数傾きのホワイトノイズ信号を生成して、これを入力信号Ｄ０と加算することにより、適切に周波数帯域を拡張することができる。
【００５０】
また、実施の形態１では、フーリエ変換を用いないため、安価なＤＳＰへの実装が容易であり、またバッファサイズも非常に小さいので、入力信号の急な時間変動にも瞬時に追従できる。
【００５１】
《２》実施の形態２．
図６は、実施の形態２に係る周波数帯域拡張装置２の構成を概略的に示す機能ブロック図である。図６において、図３に示される構成要素と同一又は対応する構成要素には、図３に示される符号と同じ符号が付されている。実施の形態２に係る周波数帯域拡張装置２は、非線形処理部２０１及び信号合成部２０２を備えた点において、実施の形態１に係る周波数帯域拡張装置１と相違する。この点以外に関しては、実施の形態２に係る周波数帯域拡張装置２は、実施の形態１に係る周波数帯域拡張装置１と同じである。
【００５２】
非線形処理２０１は、入力信号Ｄ０に対して非線形処理を行うことにより、入力信号Ｄ０の倍音成分を含む非線形処理された信号Ｄ０ａを出力する。非線形処理２０１によって行われる非線形処理は、例えば、全波整流処理又は半波整流処理などである。ただし、非線形処理２０１によって行われる非線形処理として、全波整流処理及び半波整流処理以外の処理を用いることも可能である。
【００５３】
信号合成部２０２は、非線形処理部２０１から出力された信号Ｄ０ａとホワイトノイズ信号Ｄ１４とを加算することによって、ホワイトノイズ信号Ｄ４ａを低域通過フィルタ１０３及び位相調整部１０４へと出力する。ホワイトノイズ信号Ｄ４ａは、合成ホワイトノイズ信号とも言う。これ以降の処理は、実施の形態１における対応する処理と同じである。
【００５４】
以上に説明したように、実施の形態２に係る周波数帯域拡張装置２、周波数帯域拡張方法、又は周波数帯域拡張プログラムを用いれば、入力信号Ｄ０が、バイオリンなどの倍音成分を持つ音源から発せられた音である場合に、拡張される周波数帯域のスペクトルを高精度に生成することができる。
【００５５】
《３》実施の形態３．
図７は、実施の形態３に係る周波数帯域拡張装置３の構成を概略的に示す機能ブロック図である。図７において、図６に示される構成要素と同一又は対応する構成要素には、図６に示される符号と同じ符号が付されている。実施の形態３に係る周波数帯域拡張装置３は、周波数推定処理部３０１を備えた点及び信号合成部３０２が行う処理の内容の点において、実施の形態２に係る周波数帯域拡張装置２と相違する。これらの点以外に関しては、実施の形態３に係る周波数帯域拡張装置３は、実施の形態２に係る周波数帯域拡張装置２と同じである。
【００５６】
周期性推定処理部３０１は、入力信号Ｄ０に対して自己相関分析を行うことによって、信号Ｄ０ｂを出力する。つまり、周期性推定処理部３０１を加えることで、より高精度に拡張する帯域の周波数包絡を生成することができる。周期性推定処理部３０１によって行われる処理は、例えば、以下の式（４）によって表される。
【００５７】
【数３】
0006903242.tif 000004
【００５８】
式（４）において、ｘ（ｔ）は、時間インデックスｔにおける入力信号Ｄ０の値を示し、τは、遅延させるサンプル数を示す整数である。また、Ｎは、分析区間のバッファサイズを示す整数であり、ｃｏｒｍａｘは、周期性推定処理部３０１から出力される信号Ｄ０ｂの最大正規化自己相関値を示す。
【００５９】
式（４）に示されるように、周期性推定処理部３０１は、入力信号Ｄ０がどの程度周期的であるかを示す最大正規化自己相関値ｃｏｒｍａｘを算出して、最大正規化自己相関値ｃｏｒｍａｘを信号Ｄ０ｂとして信号合成部３０２に出力する。
【００６０】
信号合成部３０２は、ホワイトノイズ信号Ｄ４と非線形処理部２０１によって非線形処理された信号Ｄ０ａとを、最大正規化自己相関値ｃｏｒｍａｘに基づいて合成処理し、この合成処理によって得られたホワイトノイズ信号Ｄ４ｂを低域通過フィルタ１０３及び位相調整部１０４へと出力する。ホワイトノイズ信号Ｄ４ｂは、合成ホワイトノイズ信号とも言う。このとき、信号合成部３０２は、最大正規化自己相関値ｃｏｒｍａｘが予め決められた閾値以上であれば、非線形処理部２０１から出力された信号Ｄ０ａをホワイトノイズ信号Ｄ４ｂとして出力し、最大正規化自己相関値が前記閾値より低ければホワイトノイズ信号Ｄ４をホワイトノイズ信号Ｄ４ｂとして出力するようにしてもよい。また、信号合成部３０２は、算出した最大正規化自己相関値ｃｏｒｍａｘに基づいて、ホワイトノイズ信号Ｄ４と非線形処理部２０１から出力された信号Ｄ０との処理された入力信号とを重みづけ加算してもよい。つまり、信号合成部３０２は、算出した最大正規化自己相関値ｃｏｒｍａｘが大きいほど、非線形処理部２０１から出力された信号Ｄ０ａの重みが大きくなり、ホワイトノイズ信号Ｄ４の重みが小さくなる、重みづけ加算を行ってもよい。
【００６１】
以上に説明したように、実施の形態３に係る周波数帯域拡張装置３、周波数帯域拡張方法、又は周波数帯域拡張プログラムを用いれば、入力信号Ｄ０が、バイオリンなどの倍音成分を持つ音源から発せられた音である場合に、拡張される周波数帯域のスペクトルを高精度に生成することができ、また正規化自己相関値に応じて適応的に帯域のスペクトルを生成することができる。
【００６２】
《４》変形例．
図８は、実施の形態１から３のいずれかに係る周波数帯域拡張装置を含む音響装置４のハードウェア構成の例を示す図である。図８に示される音響装置４は、制御回路１１と、放送波受信装置１２と、メディア再生装置１３と、ＤＡＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ  ｔｏ  Ａｎａｌｏｇ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）回路１４と、アンプ１５と、スピーカ１６とを備えている。
【００６３】
制御回路１１は、実施の形態１から３のいずれかに係る周波数帯域拡張装置を含むことができる。放送波受信装置１２は、放送波に基づく音声信号を制御装置１１に提供する。メディア再生装置１３は、例えば、ＣＤ、ＤＶＤ、ＢＬＵ−ＲＡＹ  Ｄｉｓｃ（登録商標）、などの光情報記録媒体に記録されている音声データを再生する再生装置である。音響装置は、放送波受信装置１２及びメディア再生装置１３を備える代わりに、インターネットから音声信号を受信するための通信装置を備えてもよい。
【００６４】
メディア再生装置１３又は放送波受信装置１２から出力されたステレオ信号は、ＤＡＣ回路１４でアナログ信号に変換され、このアナログ信号はアンプ１５を通して、スピーカ１６に渡される。
【００６５】
音響装置４は、制御回路１１に、実施の形態１から３のいずれかに係る周波数帯域拡張装置を含んでいるので、高音質な音を出力することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１，２，３  周波数帯域拡張装置、  ４  音響装置、  １０１  周波数傾き推定部、  １０２  ノイズ発生部、  １０３  低域通過フィルタ、  １０４  位相調整部、  １０５  重みづけ加算部、  １０６  高域通過フィルタ、  １０７  信号加算部、  １０１１  第１のバンドパスフィルタ、  １０１２  第２のバンドパスフィルタ、  １０１３  重みづけ係数計算部、  ２０１  非線形処理部、  ２０２，３０２  信号合成部、  ３０１  周期性推定処理部、  Ｄ０  入力信号、  Ｄ４  ホワイトノイズ信号、  Ｄ９  出力信号。
【図１】
0006903242.tif 000005
【図２】
0006903242.tif 000006
【図３】
0006903242.tif 000007
【図４】
0006903242.tif 000008
【図５】
0006903242.tif 000009
【図６】
0006903242.tif 000010
【図７】
0006903242.tif 000011
【図８】
0006903242.tif 000012