(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
時間軸上のデジタルオーディオ信号がフレーム単位で複数の周波数帯域に分割された圧縮符号化信号を入力し、少なくとも各帯域毎のビット割り当て情報と各帯域毎のスケール情報とを用いて前記圧縮符号化信号を再生するオーディオ帯域拡張装置であって、
前記圧縮符号化信号をデコードして、前記ビット割り当て情報と前記スケール情報と前記時間軸上のデジタルオーディオ信号を含むデコード信号を出力するデコード手段と、
前記デコード手段から出力された前記時間軸上のデジタルオーディオ信号を非線形な処理系を通過させて歪ませることにより高調波を発生させ、前記高調波を含む前記時間軸上のデジタルオーディオ信号を出力する非線形手段と、
前記デコード手段で取り出された前記ビット割り当て情報を参照し、前記ビット割り当て情報で示される割り当てが存在する最高周波数以下の周波数を遮断して、その周波数を超える時間軸上のデジタルオーディオ信号成分を前記非線形手段の出力信号から取り出す周波数可変高域通過フィルタと、
前記デコード手段で取り出された前記スケール情報に応じて、前記スケール情報の示す信号レベルが大きい場合は出力レベルが大きくなるように、また、前記スケール情報の示す信号レベルが小さい場合は出力レベルが小さくなるように、かつ、出力信号のスペクトルレベルの包絡が前記デコード信号のスペクトルレベルの包絡に略連続するように、前記周波数可変高域通過フィルタ手段の出力レベルを制御するレベル制御手段と、
前記レベル制御手段により制御された前記周波数可変高域通過フィルタ手段の出力と前記デコード手段の出力信号であるデコード信号とを加算し、帯域が拡張された時間軸上のデジタルオーディオ信号を出力する出力信号加算手段と、を具備することを特徴とするオーディオ帯域拡張装置。
【請求項２】
時間軸上のデジタルオーディオ信号がフレーム単位で複数の周波数帯域に分割された圧縮符号化信号を入力し、少なくとも各帯域毎のビット割り当て情報と各帯域毎のスケール情報とを用いて前記圧縮符号化信号を再生するオーディオ帯域拡張装置であって、
前記圧縮符号化信号をデコードして、前記ビット割り当て情報と前記スケール情報と前記時間軸上のデジタルオーディオ信号を含むデコード信号を出力するデコード手段と、
デジタルオーディオ帯域における高周波ノイズデータを発生するディザ生成手段と、
前記デコード手段で取り出された前記ビット割り当て情報を参照し、前記ビット割り当て情報で示される割り当てが存在する最高周波数以下の周波数を遮断して、その周波数を超えるノイズ成分を前記ディザ生成手段の出力信号から取り出す周波数可変高域通過フィルタと、
前記デコード手段で取り出された前記スケール情報に応じて、前記スケール情報の示す信号レベルが大きい場合は出力レベルが大きくなるように、また、前記スケール情報の示す信号レベルが小さい場合は出力レベルが小さくなるように、かつ、出力信号のスペクトルレベルの包絡が前記デコード信号のスペクトルレベルの包絡に略連続するように、前記周波数可変高域通過フィルタ手段の出力レベルを制御するレベル制御手段と、
前記レベル制御手段により制御された前記周波数可変高域通過フィルタ手段の出力と前記デコード手段の出力信号であるデコード信号とを加算し、帯域が拡張された時間軸上のデジタルオーディオ信号を出力する出力信号加算手段と、を具備することを特徴とするオーディオ帯域拡張装置。
【請求項３】
時間軸上のデジタルオーディオ信号がフレーム単位で複数の周波数帯域に分割された圧縮符号化信号を入力し、少なくとも各帯域毎のビット割り当て情報と各帯域毎のスケール情報とを用いて前記圧縮符号化信号を再生するオーディオ帯域拡張装置であって、
前記圧縮符号化信号をデコードして、前記ビット割り当て情報と前記スケール情報と前記時間軸上のデジタルオーディオ信号を含むデコード信号を出力するデコード手段と、
前記デコード手段から出力された前記時間軸上のデジタルオーディオ信号を非線形な処理系を通過させて歪ませることにより高調波を発生させ、前記高調波を含む前記時間軸上のデジタルオーディオ信号を出力する非線形手段と、
デジタルオーディオ帯域における高周波ノイズデータを発生するディザ生成手段と、
前記非線形手段の出力とディザ生成手段の出力とを加算する高域信号加算手段と、
前記デコード手段で取り出された前記ビット割り当て情報を参照し、前記ビット割り当て情報で示される割り当てが存在する最高周波数以下の周波数を遮断して、その周波数を超える時間軸上のデジタルオーディオ信号成分を前記高域信号加算手段の出力信号から取り出す周波数可変高域通過フィルタと、
前記デコード手段で取り出された前記スケール情報に応じて、前記スケール情報の示す信号レベルが大きい場合は出力レベルが大きくなるように、また、前記スケール情報の示す信号レベルが小さい場合は出力レベルが小さくなるように、かつ、出力信号のスペクトルレベルの包絡が前記デコード信号のスペクトルレベルの包絡に略連続するように、前記周波数可変高域通過フィルタ手段の出力レベルを制御するレベル制御手段と、
前記レベル制御手段により制御された前記周波数可変高域通過フィルタ手段の出力と前記デコード手段の出力信号であるデコード信号とを加算し、帯域が拡張された時間軸上のデジタルオーディオ信号を出力する出力信号加算手段と、を具備することを特徴とするオーディオ帯域拡張装置。
【請求項４】
時間軸上のデジタルオーディオ信号がフレーム単位で複数の周波数帯域に分割された圧縮符号化信号を入力し、少なくとも各帯域毎のビット割り当て情報と各帯域毎のスケール情報とを用いて前記圧縮符号化信号を再生するオーディオ帯域拡張装置であって、
前記圧縮符号化信号をデコードして、前記ビット割り当て情報と前記スケール情報と前記時間軸上のデジタルオーディオ信号を含むデコード信号を出力するデコード手段と、
前記デコード手段から出力された前記時間軸上のデジタルオーディオ信号を非線形な処理系を通過させて歪ませることにより高調波を発生させ、前記高調波を含む前記時間軸上のデジタルオーディオ信号を出力する非線形手段と、
デジタルオーディオ帯域における高周波ノイズデータを発生するディザ生成手段と、
前記非線形手段の出力とディザ生成手段の出力とを加算する高域信号加算手段と、
前記デコード手段で取り出された前記ビット割り当て情報を参照し、前記ビット割り当て情報で示される割り当てが存在する最高周波数以下の周波数を遮断して、その周波数を超える時間軸上のデジタルオーディオ信号成分を前記高域信号加算手段の出力信号から取り出す周波数可変高域通過フィルタと、
前記デコード手段で取り出された前記スケール情報を所定の平滑フィルタを用いて時間軸上で平滑化し、出力レベルの変動が緩慢になるように前記周波数可変高域通過フィルタ手段の出力レベルを制御して帯域拡張信号を出力するレベル制御手段と、
前記デコード手段で取り出された前記スケール情報を参照し、集中スペクトルの場合は前記レベル制御手段の前記帯域拡張信号を遮断し、複数のスペクトルの場合は前記レベル制御手段の前記帯域拡張信号を出力するスイッチ手段と、
前記スイッチ手段の出力と前記デコード手段の出力信号であるデコード信号とを加算し、帯域が拡張された時間軸上のデジタルオーディオ信号を出力する出力信号加算手段と、を具備することを特徴とするオーディオ帯域拡張装置。
【請求項５】
前記デコード手段から出力される時間軸上のデジタルオーディオ信号を、圧縮処理時のサンプリング周波数の２倍以上のサンプリング周波数でオーバーサンプリングを行うと共に、前記オーバーサンプリングによる折り返し雑音成分を除去するオーバーサンプリングフィルタを、前記デコード手段と前記出力信号加算手段との間に設けたことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項記載のオーディオ帯域拡張装置。
【請求項６】
前記非線形手段及び前記周波数可変高域通過フィルタの演算語長は、前記デコード手段のデコード信号の語長より大きいことを特徴とする請求項１，３，４の何れか１項記載のオーディオ帯域拡張装置。
【請求項７】
前記ディザ生成手段及び前記周波数可変高域通過フィルタの演算語長は、前記デコード手段のデコード信号の語長より大きいことを特徴とする請求項２，３，４の何れか１項記載のオーディオ帯域拡張装置。
【請求項８】
前記非線形手段及び前記周波数可変高域通過フィルタは、その演算語長を前記デコード手段のデコード信号の語長より大きくすると共に、前記デコード信号の語長のＬＳＢ幅に略同じ振幅の信号成分を加算したものであることを特徴とする請求項１，３，４の何れか１項記載のオーディオ帯域拡張装置。
【請求項９】
前記ディザ生成手段及び前記周波数可変高域通過フィルタは、その演算語長を前記デコード信号の語長のＬＳＢ幅に略同じ振幅の信号成分を加算したものであることを特徴とする請求項２，３，４の何れか１項記載のオーディオ帯域拡張装置。
【請求項１０】
前記非線形手段は、
正負に振幅する信号の片側のみ取り出すハーフクリップ手段、又は片側の振幅を反対側に折り返す絶対値化手段であることを特徴とする請求項１，３，４の何れか１項記載のオーディオ帯域拡張装置。
【請求項１１】
前記非線形手段は、
前記デコード手段のデコード信号から所定の周波数帯域に制限した信号に対して歪ませるものであることを特徴とする請求項１，３，４の何れか１項記載のオーディオ帯域拡張装置。
【請求項１２】
前記ディザ生成手段は、
所定の振幅内で確率密度が三角分布となるダイヤモンドディザ生成手段であることを特徴とする請求項２，３，４の何れか１項記載のオーディオ帯域拡張装置。
【請求項１３】
前記ダイヤモンドディザ生成手段は、
互いに独立な２つのＰＮ系列生成手段ＰＡの出力とＰＮ系列生成手段ＰＢの出力とを加算するものであることを特徴とする請求項１２記載のオーディオ帯域拡張装置。
【請求項１４】
前記ダイヤモンドディザ生成手段は、
１つのＰＮ系列生成手段ＰＰから出力される信号において互いに異なり重なり合わない部分要素ＰＰＡ及び部分要素ＰＰＢを加算するものであることを特徴とする請求項１２記載のオーディオ帯域拡張装置。
【請求項１５】
前記ディザ生成手段は、
所定の振幅内で確率密度が釣鐘型分布となるベル型ディザ生成手段であることを特徴とする請求項２，３，４の何れか１項記載のオーディオ帯域拡張装置。
【請求項１６】
前記ベル型ディザ生成手段は、
互いに独立な３つのＰＮ系列生成手段ＰＡの出力、ＰＮ系列生成手段ＰＢの出力、ＰＮ系列生成手段ＰＣの出力を加算することにより、確率分布が釣鐘型分布に近似されたディザ信号を生成するものであることを特徴とする請求項１５記載のオーディオ帯域拡張装置。
【請求項１７】
前記ベル型ディザ生成手段は、
１つのＰＮ系列生成手段ＰＰから出力される信号において互いに異なり重なり合わない部分要素ＰＰＡ、部分要素ＰＰＢ、部分要素ＰＰＣを加算することにより、確率分布が釣鐘型分布に近似されたディザ信号を生成するものであることを特徴とする請求項１５記載のオーディオ帯域拡張装置。
【請求項１８】
前記ディザ生成手段は、
出力スペクトル分布が１／ｆ特性であることを特徴とする請求項２，３，４の何れか１項記載のオーディオ帯域拡張装置。
【請求項１９】
前記レベル制御手段は、
前記デコード手段で取り出されるスケール情報を所定の平滑フィルタを用いて平滑化し、出力レベルの変動を緩慢にすることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項記載のオーディオ帯域拡張装置。
【請求項２０】
前記平滑フィルタは、
アタック特性とレリーズ特性を夫々制御するものであることを特徴とする請求項１９記載のオーディオ帯域拡張装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音響機器における音響信号の再生音、特に高音域の再生音質の向上を図り、人間の耳に快適な音響信号を出力できるオーディオ帯域拡張装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
オーディオ再生信号に対して、再生周波数帯の高音域上限、又は可聴周波数帯域の高音域上限を越える周波数のスペクトルを持つ信号を作成し、この信号を元のオーディオ再生信号に付加するというオーディオ帯域拡張方法があった。
【０００３】
以下に、このようなオーディオ帯域拡張方法を実現する従来のオーディオ帯域拡張装置について説明する。図７は従来のオーディオ帯域拡張装置の構成例を示すブロック図である。このオーディオ帯域拡張装置は、オーバーサンプリング型ローパスフィルタ（オーバーサンプリングＬＰＦ）７１、バンドパスフィルタ７２、整流回路７３、ハイパスフィルタ７４、スペクトル解析回路７５、レベル制御回路７６、加算回路７７を含んで構成される。
【０００４】
入力信号Ｓ７０１として、例えばコンパクトディスク（以下、ＣＤという）から再生されたデジタル信号を入力する。ＣＤの場合、このデジタル信号はサンプリング周波数（Ｆｓ）４４. １ｋＨｚ、語長１６ビットの信号である。
【０００５】
オーバーサンプリングＬＰＦ７１は、入力信号Ｓ７０１のサンプリング周波数を２倍にアップサンプルすると共に、２２. ０５ｋＨｚを越える不要な帯域を遮断する。バンドパスフィルタ７２はオーバーサンプリングＬＰＦ７１の出力Ｓ７０２の帯域を制限する。入力信号Ｓ７０１のサンプリング周波数をＦｓとすると、バンドパスフィルタ７２からは、例えばＦｓ／４〜Ｆｓ／２の帯域を持つ信号が出力される。
【０００６】
整流回路７３はバンドパスフィルタ７２の出力Ｓ７０３を半波又は両波整流することで、入力信号Ｓ７０１の高調波を発生させる。ハイパスフィルタ７４は、整流回路７３の出力Ｓ７０４の低域成分を遮断してＦｓ／２以上のスペクトルを持つ信号を出力する。スペクトル解析回路７５は、オーバーサンプリングＬＰＦ７１の出力Ｓ７０２の高域成分のスペクトル強度を検出する。高域成分として例えばＦｓ／４〜Ｆｓ／２のスペクトル強度が検出される。
【０００７】
レベル制御回路７６は、スペクトル解析回路７５の出力Ｓ７０６に応じてハイパスフィルタ７４の出力信号Ｓ７０５のレベルを制御する。レベル制御回路７６は、入力信号Ｓ７０２のＦｓ／４〜Ｆｓ／２におけるスペクトル強度が大きい場合、ハイパスフィルタ７４の出力レベルを大きくし、スペクトル強度が小さい場合はハイパスフィルタ７４の出力レベルを小さくする。加算回路７７は、オーバーサンプリングＬＰＦ７１の出力Ｓ７０２と、レベル制御回路７６の出力Ｓ７０７を加算して出力信号Ｓ７０８を出力する。
【０００８】
以上のように、入力信号の持つ帯域以上のスペクトルを持つ高調波を発生させ、入力信号の高域スペクトル強度に応じて発生させた高調波成分を、入力信号に付加することで、オーディオ帯域を拡張していた。
【０００９】
以上のようなオーディオ帯域拡張装置を、ＣＤだけでなくミニディスク（ＭＤ）などの圧縮符号化技術を利用した装置にも使用したいという要望があった。
【００１０】
図８はＭＤで用いられる符号化信号の構成（信号配置）の一例を示した説明図である。この図は符号化信号の１フレームを示している。１フレームには、例えば５１２サンプルなどの音声データが圧縮して符号化されている。１フレームは、システム情報Ｓ８０１、ビット割り当て情報Ｓ８０２、スケール情報Ｓ８０３、スペクトル情報Ｓ８０４から成る。システム情報Ｓ８０１は周波数帯域の分割数などシステム的な情報を示している。ビット割り当て情報Ｓ８０２は、音声データを各周波数帯域に分割したとき、各帯域の割り当てビット数を示している。スケール情報Ｓ８０３は、各帯域のピークレベルを示している。スペクトル情報Ｓ８０４は、各帯域毎にスケール情報Ｓ８０３で正規化された形で、ビット配分情報Ｓ８０２の示すビット数に量子化されたスペクトルデータが入れられている。
【００１１】
図９に上記の符号化信号をデコードするデコーダのブロック図を示す。逆多重化部９１は符号化信号Ｓ９０１を入力して、逆多重化を行い、ビット割り当て情報Ｓ９０２とスケール情報Ｓ９０３とスペクトル情報Ｓ９０４とを出力する。
【００１２】
逆量子化部９２は、ビット割り当て情報Ｓ９０２の示すビット数に従って各周波数帯域のスペクトル情報Ｓ９０４を逆量子化し、逆量子化信号Ｓ９０５を出力する。逆正規化部９３は、スケール情報Ｓ９０３に従って、逆量子化信号Ｓ９０５を逆正規化し、スペクトル信号Ｓ９０６を出力する。
【００１３】
周波数合成部９４は、スペクトル信号Ｓ９０６を直交変換フィルタ処理によって合成し、デジタルオーディオ信号であるデコード信号Ｓ９０７を出力する。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の構成では、以下に示す問題点を有していた。即ち、入力信号としてＭＤの再生出力などのように、圧縮符号化信号をデコードした信号を入力した場合、サンプリング周波数の１／２（Ｆｓ／２）までスペクトルが必ずしも存在するとは限らず、入力信号と帯域を拡張するために付加する信号との間にスペクトルの谷間が生じることがあった。
【００１５】
以下に上記の問題点について具体的に説明する。図１０（ａ）は各周波数帯域における符号化信号のビット割り当て情報を示し、図１０（ｂ）は各周波数帯域におけるスケール情報の一例を示す。周波数帯域として、例えば２２. ０５ｋＨｚまでが１６に分割されていたとする。圧縮符号化は人間の聴覚特性を利用しているため、例えば低域から１６ｋＨｚを越えるような高い周波数のビット割り当てを少なくしたり、場合によっては割り当てを行わないこともあり得る。図１０（ａ）の例では第１４〜第１６の帯域に割り当てを行っていない。このような符号化信号をデコードすると、第１〜第１３までの帯域の信号のみを有するデコード信号が出力される。
【００１６】
図１１はこのような圧縮符号化のデコード信号に従来のオーディオ帯域拡張装置を適用した場合のスペクトル図である。この図に示すように、第１４〜第１６の帯域に信号エネルギーがなく、第１６を越える帯域にのみに図の斜線領域で示したような帯域拡張された信号が加算される。このため、スペクトルの谷間が生じてしまい、聴感上不自然な帯域拡張となってしまう。
【００１７】
また他の問題点として、入力信号をスペクトル解析してからレベル制御を行うように構成されているため、レベル制御に時間の遅れを生じるという問題点がある。また、正弦波のような単一のスペクトルを有する信号が入力された場合も、ランダムノイズが付加され、信号が劣化してしまう問題点もあった。
【００１８】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、圧縮符号化信号を再生した信号でも、高域部にスペクトルの谷間を発生させず、レベル制御の時間遅れがなく、正弦波のような集中スペクトル信号が入力されても、信号劣化が発生しないオーディオ帯域拡張装置を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本願の請求項１の発明は、時間軸上のデジタルオーディオ信号がフレーム単位で複数の周波数帯域に分割された圧縮符号化信号を入力し、少なくとも各帯域毎のビット割り当て情報と各帯域毎のスケール情報とを用いて前記圧縮符号化信号を再生するオーディオ帯域拡張装置であって、前記圧縮符号化信号をデコードして、前記ビット割り当て情報と前記スケール情報と前記時間軸上のデジタルオーディオ信号を含むデコード信号を出力するデコード手段と、前記デコード手段から出力された前記時間軸上のデジタルオーディオ信号を非線形な処理系を通過させて歪ませることにより高調波を発生させ、前記高調波を含む前記時間軸上のデジタルオーディオ信号を出力する非線形手段と、前記デコード手段で取り出された前記ビット割り当て情報を参照し、前記ビット割り当て情報で示される割り当てが存在する最高周波数以下の周波数を遮断して、その周波数を超える時間軸上のデジタルオーディオ信号成分を前記非線形手段の出力信号から取り出す周波数可変高域通過フィルタと、前記デコード手段で取り出された前記スケール情報に応じて、前記スケール情報の示す信号レベルが大きい場合は出力レベルが大きくなるように、また、前記スケール情報の示す信号レベルが小さい場合は出力レベルが小さくなるように、かつ、出力信号のスペクトルレベルの包絡が前記デコード信号のスペクトルレベルの包絡に略連続するように、前記周波数可変高域通過フィルタ手段の出力レベルを制御するレベル制御手段と、前記レベル制御手段により制御された前記周波数可変高域通過フィルタ手段の出力と前記デコード手段の出力信号であるデコード信号とを加算し、帯域が拡張された時間軸上のデジタルオーディオ信号を出力する出力信号加算手段と、を具備することを特徴とするものである。
【００２０】
本願の請求項２の発明は、時間軸上のデジタルオーディオ信号がフレーム単位で複数の周波数帯域に分割された圧縮符号化信号を入力し、少なくとも各帯域毎のビット割り当て情報と各帯域毎のスケール情報とを用いて前記圧縮符号化信号を再生するオーディオ帯域拡張装置であって、前記圧縮符号化信号をデコードして、前記ビット割り当て情報と前記スケール情報と前記時間軸上のデジタルオーディオ信号を含むデコード信号を出力するデコード手段と、デジタルオーディオ帯域における高周波ノイズデータを発生するディザ生成手段と、前記デコード手段で取り出された前記ビット割り当て情報を参照し、前記ビット割り当て情報で示される割り当てが存在する最高周波数以下の周波数を遮断して、その周波数を超えるノイズ成分を前記ディザ生成手段の出力信号から取り出す周波数可変高域通過フィルタと、前記デコード手段で取り出された前記スケール情報に応じて、前記スケール情報の示す信号レベルが大きい場合は出力レベルが大きくなるように、また、前記スケール情報の示す信号レベルが小さい場合は出力レベルが小さくなるように、かつ、出力信号のスペクトルレベルの包絡が前記デコード信号のスペクトルレベルの包絡に略連続するように、前記周波数可変高域通過フィルタ手段の出力レベルを制御するレベル制御手段と、前記レベル制御手段により制御された前記周波数可変高域通過フィルタ手段の出力と前記デコード手段の出力信号であるデコード信号とを加算し、帯域が拡張された時間軸上のデジタルオーディオ信号を出力する出力信号加算手段と、を具備することを特徴とするものである。
【００２１】
本願の請求項３の発明は、時間軸上のデジタルオーディオ信号がフレーム単位で複数の周波数帯域に分割された圧縮符号化信号を入力し、少なくとも各帯域毎のビット割り当て情報と各帯域毎のスケール情報とを用いて前記圧縮符号化信号を再生するオーディオ帯域拡張装置であって、前記圧縮符号化信号をデコードして、前記ビット割り当て情報と前記スケール情報と前記時間軸上のデジタルオーディオ信号を含むデコード信号を出力するデコード手段と、前記デコード手段から出力された前記時間軸上のデジタルオーディオ信号を非線形な処理系を通過させて歪ませることにより高調波を発生させ、前記高調波を含む前記時間軸上のデジタルオーディオ信号を出力する非線形手段と、デジタルオーディオ帯域における高周波ノイズデータを発生するディザ生成手段と、前記非線形手段の出力とディザ生成手段の出力とを加算する高域信号加算手段と、前記デコード手段で取り出された前記ビット割り当て情報を参照し、前記ビット割り当て情報で示される割り当てが存在する最高周波数以下の周波数を遮断して、その周波数を超える時間軸上のデジタルオーディオ信号成分を前記高域信号加算手段の出力信号から取り出す周波数可変高域通過フィルタと、前記デコード手段で取り出された前記スケール情報に応じて、前記スケール情報の示す信号レベルが大きい場合は出力レベルが大きくなるように、また、前記スケール情報の示す信号レベルが小さい場合は出力レベルが小さくなるように、かつ、出力信号のスペクトルレベルの包絡が前記デコード信号のスペクトルレベルの包絡に略連続するように、前記周波数可変高域通過フィルタ手段の出力レベルを制御するレベル制御手段と、前記レベル制御手段により制御された前記周波数可変高域通過フィルタ手段の出力と前記デコード手段の出力信号であるデコード信号とを加算し、帯域が拡張された時間軸上のデジタルオーディオ信号を出力する出力信号加算手段と、を具備することを特徴とするものである。
【００２２】
本願の請求項４の発明は、時間軸上のデジタルオーディオ信号がフレーム単位で複数の周波数帯域に分割された圧縮符号化信号を入力し、少なくとも各帯域毎のビット割り当て情報と各帯域毎のスケール情報とを用いて前記圧縮符号化信号を再生するオーディオ帯域拡張装置であって、前記圧縮符号化信号をデコードして、前記ビット割り当て情報と前記スケール情報と前記時間軸上のデジタルオーディオ信号を含むデコード信号を出力するデコード手段と、前記デコード手段から出力された前記時間軸上のデジタルオーディオ信号を非線形な処理系を通過させて歪ませることにより高調波を発生させ、前記高調波を含む前記時間軸上のデジタルオーディオ信号を出力する非線形手段と、デジタルオーディオ帯域における高周波ノイズデータを発生するディザ生成手段と、前記非線形手段の出力とディザ生成手段の出力とを加算する高域信号加算手段と、前記デコード手段で取り出された前記ビット割り当て情報を参照し、前記ビット割り当て情報で示される割り当てが存在する最高周波数以下の周波数を遮断して、その周波数を超える時間軸上のデジタルオーディオ信号成分を前記高域信号加算手段の出力信号から取り出す周波数可変高域通過フィルタと、前記デコード手段で取り出された前記スケール情報を所定の平滑フィルタを用いて時間軸上で平滑化し、出力レベルの変動が緩慢になるように前記周波数可変高域通過フィルタ手段の出力レベルを制御して帯域拡張信号を出力するレベル制御手段と、前記デコード手段で取り出された前記スケール情報を参照し、集中スペクトルの場合は前記レベル制御手段の前記帯域拡張信号を遮断し、複数のスペクトルの場合は前記レベル制御手段の前記帯域拡張信号を出力するスイッチ手段と、前記スイッチ手段の出力と前記デコード手段の出力信号であるデコード信号とを加算し、帯域が拡張された時間軸上のデジタルオーディオ信号を出力する出力信号加算手段と、を具備することを特徴とするものである。
【００２３】
本願の請求項５の発明は、請求項１〜４の何れか１項のオーディオ帯域拡張装置において、前記デコード手段から出力される時間軸上のデジタルオーディオ信号を、圧縮処理時のサンプリング周波数の２倍以上のサンプリング周波数でオーバーサンプリングを行うと共に、前記オーバーサンプリングによる折り返し雑音成分を除去するオーバーサンプリングフィルタを、前記デコード手段と前記出力信号加算手段との間に設けたことを特徴とするものである。
【００２４】
本願の請求項６の発明は、請求項１，３，４の何れか１項のオーディオ帯域拡張装置において、前記非線形手段及び前記周波数可変高域通過フィルタの演算語長は、前記デコード手段のデコード信号の語長より大きいことを特徴とするものである。
【００２５】
本願の請求項７の発明は、請求項２，３，４の何れか１項のオーディオ帯域拡張装置において、前記ディザ生成手段及び前記周波数可変高域通過フィルタの演算語長は、前記デコード手段のデコード信号の語長より大きいことを特徴とするものである。
【００２６】
本願の請求項８の発明は、請求項１，３，４の何れか１項のオーディオ帯域拡張装置において、前記非線形手段及び前記周波数可変高域通過フィルタは、その演算語長を前記デコード手段のデコード信号の語長より大きくすると共に、前記デコード信号の語長のＬＳＢ幅に略同じ振幅の信号成分を加算したものであることを特徴とするものである。
【００２７】
本願の請求項９の発明は、請求項２，３，４の何れか１項のオーディオ帯域拡張装置において、前記ディザ生成手段及び前記周波数可変高域通過フィルタは、その演算語長を前記デコード信号の語長のＬＳＢ幅に略同じ振幅の信号成分を加算したものであることを特徴とするものである。
【００２８】
本願の請求項１０の発明は、請求項１，３，４の何れか１項のオーディオ帯域拡張装置において、前記非線形手段は、正負に振幅する信号の片側のみ取り出すハーフクリップ手段、又は片側の振幅を反対側に折り返す絶対値化手段であることを特徴とするものである。
【００２９】
本願の請求項１１の発明は、請求項１，３，４の何れか１項のオーディオ帯域拡張装置において、前記非線形手段は、前記デコード手段のデコード信号から所定の周波数帯域に制限した信号に対して歪ませることを特徴とするものである。
【００３０】
本願の請求項１２の発明は、請求項２，３，４の何れか１項のオーディオ帯域拡張装置において、前記ディザ生成手段は、所定の振幅内で確率密度が三角分布となるダイヤモンドディザ生成手段であることを特徴とするものである。
【００３１】
本願の請求項１３の発明は、請求項１２のオーディオ帯域拡張装置において、前記ダイヤモンドディザ生成手段は、互いに独立な２つのＰＮ系列生成手段ＰＡの出力とＰＮ系列生成手段ＰＢの出力とを加算することを特徴とするものである。
【００３２】
本願の請求項１４の発明は、請求項１２のオーディオ帯域拡張装置において、前記ダイヤモンドディザ生成手段は、１つのＰＮ系列生成手段ＰＰから出力される信号において互いに異なり重なり合わない部分要素ＰＰＡ及び部分要素ＰＰＢを加算することを特徴とするものである。
【００３３】
本願の請求項１５の発明は、請求項２，３，４の何れか１項のオーディオ帯域拡張装置において、前記ディザ生成手段は、所定の振幅内で確率密度が釣鐘型分布となるベル型ディザ生成手段であることを特徴とするものである。
【００３４】
本願の請求項１６の発明は、請求項１５のオーディオ帯域拡張装置において、前記ベル型ディザ生成手段は、互いに独立な３つのＰＮ系列生成手段ＰＡの出力、ＰＮ系列生成手段ＰＢの出力、ＰＮ系列生成手段ＰＣの出力を加算することにより、確率分布が釣鐘型分布に近似されたディザ信号を生成することを特徴とするものである。
【００３５】
本願の請求項１７の発明は、請求項１５のオーディオ帯域拡張装置において、前記ベル型ディザ生成手段は、１つのＰＮ系列生成手段ＰＰの互いに異なり重なり合わない部分要素ＰＰＡ、部分要素ＰＰＢ、部分要素ＰＰＣを加算したことを特徴とするものである。
【００３６】
本願の請求項１８の発明は、請求項２，３，４の何れか１項のオーディオ帯域拡張装置において、前記ディザ生成手段は、出力スペクトル分布が１／ｆ特性であることを特徴とするものである。
【００４０】
本願の請求項１９の発明は、請求項１〜４の何れか１項のオーディオ帯域拡張装置において、前記レベル制御手段は、前記デコード手段で取り出されるスケール情報を所定の平滑フィルタを用いて平滑化し、出力レベルの変動を緩慢にすることを特徴とするものである。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施の形態におけるオーディオ帯域拡張装置について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるオーディオ帯域拡張装置の構成を示すブロック図である。このオーディオ帯域拡張装置は、デコーダ１、オーバーサンプリング型ローパスフィルタ（オーバーサンプリングＬＰＦ）２、バンドパスフィルタ３、整流回路４、スライディングバンド型ハイパスフィルタ（スライディングバンドＨＰＦ）５、レベル制御回路６、加算回路７を含んで構成される。
【００４２】
デコーダ１は圧縮符号化信号をデコードして、ビット割り当て情報Ｓ１０２とスケール情報Ｓ１０３と時間軸上のデジタルオーディオ信号を含むデコード信号Ｓ１０４を出力するデコード手段である。バンドパスフィルタ３及び整流回路４は、デコーダ１からオーバーサンプリングＬＰＦ２を介して出力された時間軸上のデジタルオーディオ信号を歪ませる非線形手段である。
【００４３】
スライディングバンドＨＰＦ５は、デコーダ１で取り出されたビット割り当て情報Ｓ１０２を参照し、ビット割り当て情報で示される最高周波数より高域のオーディオ成分を非線形手段の出力信号から取り出す周波数可変高域通過フィルタである。レベル制御回路６は、デコーダ１で取り出されたスケール情報Ｓ１０３に応じて、スライディングバンドＨＰＦ５の出力レベルを制御するレベル制御手段である。
【００４４】
加算回路７は、レベル制御回路６により制御されたスライディングバンドＨＰＦ５の出力とオーバーサンプリングＬＰＦ２のデコード信号とを加算し、帯域が拡張されたオーディオ信号を出力する出力信号加算手段である。
【００４５】
このような構成のオーディオ帯域拡張装置の動作について説明する。入力信号として、図８で説明したような符号化信号Ｓ１０１がデコーダ１に入力される。この信号は例えばミニディスク（ＭＤ）から再生されたものであれば、サンプリング周波数（Ｆｓ）が４４．１ｋＨｚの信号である。
【００４６】
デコーダ１は、図９で説明したデコード処理と同様の方法でデコード処理を行う。デコーダ１は符号化信号Ｓ１０１を逆多重化して、システム情報、ビット割り当て情報、スケール情報、スペクトル情報を夫々取り出し、ビット割り当て情報Ｓ１０２とスケール情報Ｓ１０３とを出力するとともに、これらの信号から逆量子化、逆正規化、周波数合成を行って、デコード信号Ｓ１０４を出力する。
【００４７】
オーバーサンプリングＬＰＦ２は、入力されたデコード信号Ｓ１０４のサンプリング周波数を正の整数倍、例えば２倍にてサンプリングを行い、且つ不要な帯域を減衰させる。２倍の場合、入力信号のサンプリング周波数の２分の１以上の帯域、即ち２２. ０５ｋＨｚ以上を例えば６０ｄＢ以上減衰させる。
【００４８】
バンドパスフィルタ３はオーバーサンプリングＬＰＦ２の出力Ｓ１０５の帯域を制限する。デコード信号Ｓ１０４のサンプリング周波数をＦｓとすれば、バンドパスフィルタ３からは、例えばＦｓ／４〜Ｆｓ／２の帯域を持つ時間軸上のデジタルオーディオ信号Ｓ１０６が出力される。整流回路４はバンドパスフィルタ３の出力Ｓ１０６を半波（ハーフクリップ手段）又は両波整流（絶対値化手段）といった非線形処理を行なうことで、入力信号の高調波を発生させる。仮に、Ｆｓ／４未満の信号成分を使って高調波を発生させた場合、Ｆｓ／２以下の帯域にＦｓ／４未満の信号成分の整数倍にあたる高調波が発生し、もとのオーディオ信号に混ざってしまう。そこで、Ｆｓ／４未満の信号成分を除いて高調波を発生させると、Ｆｓ／２以下の帯域での新しい信号成分の発生を回避することができる。つまり、高調波成分を得ながら、もとのオーディオ信号と非線形系で作られた歪信号との混合を防ぐことができる。
【００４９】
スライディングバンドＨＰＦ５は、整流回路４の出力Ｓ１０７に対し、ビット割り当て情報Ｓ１０２の割り当てが存在する最高の周波数以下の周波数、即ち割り当てが０でない最高の周波数以下の周波数を遮断して、その周波数を越える周波数スペクトルを持つ信号Ｓ１０８を出力する。
【００５０】
レベル制御回路６は、スケール情報Ｓ１０３によって高域周波数成分のスペクトル強度、例えばＦｓ／４〜Ｆｓ／２の信号レベルを求め、そのレベルに応じてスライディングバンドＨＰＦ５の出力レベルを制御する。レベル制御回路６は、符号化信号のＦｓ／４〜Ｆｓ／２における信号レベルが大きい場合、スライディングバンドＨＰＦ５の出力レベルを大きくし、信号レベルが小さい場合はスライディングバンドＨＰＦ５の出力レベルを小さくする。
【００５１】
加算回路７は、オーバーサンプリングＬＰＦ２の出力Ｓ１０５と、レベル制御回路６の出力Ｓ１０９とを加算し、帯域が拡大された出力信号Ｓ１１０を出力する。
【００５２】
以上のように本実施の形態によれば、バンドパスフィルタ３、整流回路４、スライディングバンドＨＰＦ５を用い、デコード信号に含まれるスペクトル帯域以上の高調波を発生させ、レベル制御回路６でレベル情報を利用してデコード信号の高域スペクトル強度に応じたレベル制御を行い、デコード信号に加算して出力するようにしている。こうすると、必ずしも全ての帯域にビットの割り当てがされていない圧縮符号化信号をデコードした信号に対して帯域拡張しても、スペクトルの谷間の生じないオーディオ帯域拡張装置を実現することができる。
【００５３】
また、本実施の形態によれば、デコーダ１が逆多重化処理で、そのフレームのデコード処理をする前処理として取り出したスケール情報とビット割り当て情報とを用い、レベル制御とスライディングバンドＨＰＦのカットオフ周波数を指定することで、デコード信号と同じタイミングで制御を行うことができる。このため、帯域拡張のために加算する信号の制御が遅れて聴感上不自然にならないオーディオ帯域拡張装置を実現することができる。
【００５４】
（実施の形態２）
次に本発明の実施の形態２におけるオーディオ帯域拡張装置について説明する。図２は本実施の形態におけるオーディオ帯域拡張装置の構成を示すブロック図であり、図１と同一部分は同一の符号を付けて説明する。このオーディオ帯域拡張装置は、デコーダ１、オーバーサンプリングＬＰＦ２、スライディングバンドＨＰＦ５、レベル制御回路６、加算回路７、ディザ発生回路８を含んで構成される。
【００５５】
ディザ発生回路８はホワイトノイズ又はオーディオ帯域における高周波ノイズを発生するディザ生成手段である。スライディングバンドＨＰＦ５は、デコーダ１で取り出されたビット割り当て情報Ｓ１０２を参照し、ビット割り当て情報で示される最高周波数より高域のホワイトノイズ成分をディザ発生回路８の出力信号から取り出す周波数可変高域通過フィルタである。
【００５６】
このような構成のオーディオ帯域拡張装置の動作について説明する。入力信号として、図８で説明したような符号化信号Ｓ１０１がデコーダ１に入力される。この信号は例えばＭＤから再生されたものであれば、サンプリング周波数Ｆｓが４４．１ｋＨｚの信号である。
【００５７】
デコーダ１は、図９で説明したデコード処理と同様の方法でデコード処理を行う。デコーダ１は、符号化信号Ｓ１０１を逆多重化して、システム情報、ビット割り当て情報、スケール情報、スペクトル情報を夫々取り出し、ビット割り当て情報Ｓ１０２とスケール情報Ｓ１０３とを出力すると共に、これらの信号から逆量子化、逆正規化、周波数合成を行って、デコード信号Ｓ１０４を出力する。
【００５８】
オーバーサンプリングＬＰＦ２は、入力されたデコード信号Ｓ１０４のサンプリング周波数を正の整数倍、例えば２倍にしてサンプリングを行い、且つ不要な帯域を減衰させる。２倍の場合、入力信号のサンプリング周波数の２分の１以上の帯域、即ち２２. ０５ｋＨｚ以上を例えば６０ｄＢ以上減衰させる。
【００５９】
ディザ発生回路８は０〜Ｆｓの帯域でスペクトル強度が均一に分布しているホワイトノイズを発生する。スライディングバンドＨＰＦ５は、ディザ発生回路８の出力Ｓ１１１に対し、ビット割り当て情報Ｓ１０２の割り当てが存在する周波数、即ち割り当てが０でない最高の周波数以下の周波数を遮断して、その周波数を越える周波数スペクトルを持つ信号Ｓ１０８を出力する。
【００６０】
レベル制御回路６は、スケール情報Ｓ１０３によって高域周波数成分のスペクトル強度、例えばＦｓ／４〜Ｆｓ／２の信号レベルを求め、そのレベルに応じてスライディングバンドＨＰＦ５の出力レベルを制御する。レベル制御回路６は、符号化信号のＦｓ／４〜Ｆｓ／２における信号レベルが大きい場合、ハイパスフィルタ５の出力レベルを大きくし、信号レベルが小さい場合は出力レベルを小さくする。加算回路７は、オーバーサンプリングＬＰＦ２の出力Ｓ１０５とレベル制御回路６の出力Ｓ１０９とを加算し、この加算信号を出力信号Ｓ１１０として出力する。
【００６１】
以上のように本実施の形態によれば、ディザ発生回路８とスライディングバンドＨＰＦ５とを用いて、デコード信号に含まれるスペクトル帯域以上の高調波を発生させ、レベル制御回路６でレベル情報を利用してデコード信号の高域スペクトル強度に応じたレベル制御をしてデコード信号に加算して出力するようにしている。こうすると、必ずしも全ての帯域にビットの割り当てがされていない圧縮符号化信号をデコードした信号に対して帯域拡張を行っても、スペクトルの谷間の生じないオーディオ帯域拡張装置を実現することができる。
【００６２】
また、本実施の形態によれば、デコーダ１は、逆多重化処理でそのフレームのデコード処理をする前処理として取り出したスケール情報とビット割り当て情報とを用い、レベル制御とスライディングバンドＨＰＦのカットオフ周波数を指定することで、デコード信号と同じタイミングで制御を行うことができる。このため、帯域拡張のために加算する信号の制御が遅れて聴感上不自然になることのないオーディオ帯域拡張装置を実現することができる。
【００６３】
（実施の形態３）
次に本発明の実施の形態３におけるオーディオ帯域拡張装置について説明する。図３は本実施の形態におけるオーディオ帯域拡張装置の構成を示すブロック図であり、図２と同一部分は同一の符号を付けて説明する。このオーディオ帯域拡張装置は、デコーダ１、オーバーサンプリングＬＰＦ２、バンドパスフィルタ３、整流回路４、スライディングバンドＨＰＦ５、レベル制御回路６、加算回路７、ディザ発生回路８、加算回路９を含んで構成される。
【００６４】
加算回路９は、整流回路４の出力とディザ発生回路８の出力とを加算する高域信号加算手段である。スライディングバンドＨＰＦ５は、デコーダ１で取り出されたビット割り当て情報Ｓ１０２を参照し、ビット割り当て情報で示される最高周波数より高域のオーディオ成分を加算回路９の出力信号から取り出す周波数可変高域通過フィルタである。
【００６５】
レベル制御回路６は、デコーダ１で取り出されたスケール情報Ｓ１０２に応じて、スライディングバンドＨＰＦ５の出力レベルを制御するレベル制御手段である。加算回路７は、レベル制御回路６により制御されたスライディングバンドＨＰＦ５の出力と、デコーダ１のデコード信号とを加算し、帯域が拡張されたオーディオ信号を出力する出力信号加算手段である。
【００６６】
このような構成のオーディオ帯域拡張装置に動作について説明する。入力信号として、図８を用いて説明したような符号化信号Ｓ１０１がデコーダ１に入力される。この信号は例えばＭＤから再生されたものであれば、サンプリング周波数（Ｆｓ）が４４．１ｋＨｚの信号である。
【００６７】
デコーダ１は、図９を用いて説明したデコード処理と同様の方法でデコード処理を行う。デコーダ１は符号化信号Ｓ１０１を逆多重化して、システム情報、ビット割り当て情報、スケール情報、スペクトル情報を夫々取り出し、ビット割り当て情報Ｓ１０２とスケール情報Ｓ１０３を出力すると共に、これらの信号から逆量子化、逆正規化、周波数合成を行って、デコード信号Ｓ１０４を出力する。
【００６８】
オーバーサンプリングＬＰＦ２は、入力されたデコード信号Ｓ１０４のサンプリング周波数を正の整数倍、例えば２倍にしてサンプリングを行い、且つ不要な帯域を減衰させる。２倍の場合、入力信号のサンプリング周波数の２分の１以上の帯域、即ち２２. ０５ｋＨｚ以上を例えば６０ｄＢ以上減衰させる。
【００６９】
バンドパスフィルタ３はオーバーサンプリングＬＰＦ２の出力Ｓ１０５の帯域を制限する。入力信号Ｓ１０４のサンプリング周波数をＦｓとすれば、バンドパスフィルタ３からは、例えばＦｓ／４〜Ｆｓ／２の帯域を持つ信号Ｓ１０６が出力される。整流回路４はバンドパスフィルタ３の出力Ｓ１０６を半波又は両波整流することで、入力信号の高調波を発生させる。
【００７０】
ディザ発生回路８の詳細を図４に示す。ディザ発生回路８はＰＮ系列ノイズ発生器４１，４２，４３、加算回路４４、１／ｆ特性フィルタ４５を含んで構成される。ＰＮ系列ノイズ発生器４１，４２，４３は互いに独立して動作し、０〜Ｆｓの帯域でスペクトル強度が均一に分布し、どの周波数成分を持ったスペクトルが発生するかの確率分布が一様となるホワイトノイズを発生する。
【００７１】
加算回路４４は、ＰＮ系列ノイズ発生器４１，４２，４３の各出力を加算する。このように加算することで、加算後のノイズは振幅の確率分布の形状がガウス分布に近い釣り鐘型（ベル型）になり、自然音に近づく。１／ｆ特性フィルタ４５は加算回路４４の出力信号を周波数の増加とともに減衰させる、即ち１／ｆの周波数特性になるようにして出力する。
【００７２】
尚、ディザ発生回路８は、所定の振幅内で確率密度が三角分布となるダイヤモンドディザ生成手段であってもよい。またダイヤモンドディザ生成手段は、互いに独立の２つのＰＮ系列生成手段ＰＡの出力とＰＮ系列生成手段ＰＢの出力とを加算するものである。またダイヤモンドディザ生成手段は、１つのＰＮ系列生成手段ＰＰから出力される信号において互いに異なり重なり合わない部分要素ＰＰＡ及び部分要素ＰＰＢを加算するものであってもよい。
【００７３】
またディザ発生回路８は、所定の振幅内で確率密度が釣鐘型分布となるベル型ディザ生成手段であっても良い。このベル型ディザ生成手段は、互いに独立な３つのＰＮ系列生成手段ＰＡの出力、ＰＮ系列生成手段ＰＢの出力、ＰＮ系列生成手段ＰＣの出力を加算するものである。またベル型ディザ生成手段は、１つのＰＮ系列生成手段ＰＰから出力される信号において互いに異なり重なり合わない部分要素ＰＰＡ, 部分要素ＰＰＢ、部分要素ＰＰＣを加算するものであってもよい。
【００７４】
図３の加算回路９は整流回路４の出力Ｓ１０７と、ディザ発生回路８の出力Ｓ１１１とを加算する。スライディングバンドＨＰＦ５は、加算回路９の出力Ｓ１１２に対し、ビット割り当て情報Ｓ１０２の割り当てが存在する周波数、即ち割り当てが０でない最高の周波数以下の周波数を遮断して、その周波数を越える周波数スペクトルを持つ信号Ｓ１０８を出力する。
【００７５】
レベル制御回路６は、スケール情報Ｓ１０３によって高域周波数成分のスペクトル強度、例えばＦｓ／４〜Ｆｓ／２の信号レベルを求め、そのレベルに応じてスライディングバンドＨＰＦ５の出力レベルを制御する。レベル制御回路６は、符号化信号のＦｓ／４〜Ｆｓ／２における信号レベルが大きい場合は、ハイパスフィルタ５の出力レベルを大きくし、信号レベルが小さい場合はハイパスフィルタ５の出力レベルを小さくする。加算回路７は、オーバーサンプリングＬＰＦ２の出力Ｓ１０５とレベル制御回路６の出力Ｓ１０９とを加算し、加算信号を出力信号Ｓ１１０として出力する。
【００７６】
以上のように、本実施の形態によれば、バンドパスフィルタ３、整流回路４、ディザ発生回路８、スライディングバンドＨＰＦ５を用いて、デコード信号に含まれるスペクトル帯域以上の高調波を発生させ、レベル制御回路６でレベル情報を利用してデコード信号の高域スペクトル強度に応じたレベル制御を行い、デコード信号に加算している。このような構成によれば、必ずしも全ての帯域にビットの割り当てがされていない圧縮符号化信号をデコードした信号に対して帯域拡張しても、スペクトルの谷間の生じないオーディオ帯域拡張装置を実現することができる。
【００７７】
また、本実施の形態によれば、デコーダ１が逆多重化処理でそのフレームのデコード処理をする前処理として取り出したスケール情報とビット割り当て情報とを用い、レベル制御とスライディングバンドＨＰＦ５のカットオフ周波数を指定することで、デコード信号と同じタイミングで制御を行うことができる。このため、帯域拡張のために加算する信号の制御が遅れて聴感上不自然になることのないオーディオ帯域拡張装置を実現することができる。
【００７８】
また、本実施の形態によれば、整流回路４で発生させた高調波成分と、釣り鐘型に近い確率分布で１／ｆ特性の周波数分布をもつディザ信号を合成することで、より聴感上自然なオーディオ帯域拡張装置を実現することができる。
【００７９】
（実施の形態４）
次に本発明の実施の形態４におけるオーディオ帯域拡張装置について説明する。図５は本実施の形態におけるオーディオ帯域拡張装置の構成を示すブロック図であり、図３と同一部分は同一の符号を付けて説明する。このオーディオ帯域拡張装置は、デコーダ１、オーバーサンプリングＬＰＦ２、バンドパスフィルタ３、整流回路４、スライディングバンドＨＰＦ５、レベル制御回路６、加算回路７、ディザ発生回路８、加算回路９、スイッチ１０を含んで構成される。
【００８０】
スイッチ１０は、デコーダ１で取り出されたスケール情報Ｓ１０３を参照し、集中スペクトルの場合はレベル制御回路６から出力された帯域拡張信号を遮断し、複数のスペクトルの場合はレベル制御回路６から出力された帯域拡張信号を出力するスイッチ手段である。加算回路７は、スイッチ１０の出力とオーバーサンプリングＬＰＦ２から出力されたデコード信号とを加算し、帯域が拡張されたオーディオ信号を出力する出力信号加算手段である。
【００８１】
このような構成のオーディオ帯域拡張装置の動作について説明する。入力信号として、図８で説明したような符号化信号Ｓ１０１が入力される。この信号は例えばＭＤから再生されたものであれば、サンプリング周波数Ｆｓが４４．１ｋＨｚの信号である。
【００８２】
デコーダ１は、図９で説明したデコード処理と同様の方法を用いてデコード処理を行う。デコーダ１は、符号化信号Ｓ１０１を逆多重化して、システム情報、ビット割り当て情報、スケール情報、スペクトル情報を夫々取り出し、ビット割り当て情報Ｓ１０２とスケール情報Ｓ１０３とを出力すると共に、これらの信号から逆量子化、逆正規化、周波数合成を行って、デコード信号Ｓ１０４を出力する。
【００８３】
オーバーサンプリングＬＰＦ２は、入力されたデコード信号Ｓ１０４のサンプリング周波数を正の整数倍、例えば２倍にしてサンプリングを行い、且つ不要な帯域を減衰させる。２倍の場合、入力信号のサンプリング周波数の２分の１以上の帯域、即ち２２. ０５ｋＨｚ以上を例えば６０ｄＢ以上減衰させる。
【００８４】
バンドパスフィルタ３はオーバーサンプリングＬＰＦ２の出力Ｓ１０５の帯域を制限する。入力信号Ｓ１０４のサンプリング周波数をＦｓとすれば、バンドパスフィルタ３からは、例えばＦｓ／４〜Ｆｓ／２の帯域を持つ信号Ｓ１０６が出力される。
【００８５】
整流回路４はバンドパスフィルタ３の出力Ｓ１０６を半波間又は両波整流することで、入力信号の高調波を発生させる。ディザ発生回路８は０〜Ｆｓの帯域でスペクトル強度が均一に分布しているホワイトノイズを発生する。加算回路９は整流回路４の出力Ｓ１０７とディザ発生回路８の出力Ｓ１１１とを加算する。
【００８６】
スライディングバンドＨＰＦ５は、加算回路９の出力Ｓ１１２に対し、ビット割り当て情報Ｓ１０２の割り当てが存在する周波数、即ち割り当てが０でない最高の周波数以下の周波数を遮断して、その周波数を越える周波数スペクトルを持つ信号Ｓ１０８を出力する。
【００８７】
レベル制御回路６は、スケール情報Ｓ１０３によって高域周波数成分のスペクトル強度、例えばＦｓ／４〜Ｆｓ／２の信号レベルを求め、そのレベルに応じてスライディングバンドＨＰＦ５の出力レベルを制御する。レベル制御回路６は、符号化信号のＦｓ／４〜Ｆｓ／２における信号レベルが大きい場合、スライディングバンドＨＰＦ５の出力レベルを大きくし、信号レベルが小さい場合はスライディングバンドＨＰＦ５の出力レベルを小さくする。
【００８８】
スイッチ１０はスケール情報Ｓ１０３の出力に応じてオン又はオフする。例えばスケール情報の最大に対し、その近傍、即ち上下に隣接ずる周波数帯域以外のスケール情報が、最大に対し例えば２０デシベル以上低い場合、スイッチ１０をオフにし、それ以外ではオンとする。加算回路７はオーバーサンプリングＬＰＦ２の出力Ｓ１０５と、スイッチ１０の出力Ｓ１１３とを加算し、加算信号を出力信号Ｓ１１０して出力する。
【００８９】
図６は集中スペクトル信号を入力した場合の動作を示す説明図である。単一正弦波のような集中スペクトル信号の場合、図６（ａ）に示すように、特定の帯域又はその近傍の帯域のみにしか大きな値を示すスケール情報がない。従って、スイッチ１０はオフとなり、デコード信号には帯域拡張信号は加算されず、図６（ｂ）に示すように元のの集中スペクトル信号のみが出力される。
【００９０】
以上のように本実施の形態によれば、バンドパスフィルタ３、整流回路４、ディザ発生回路８、スライディングバンドＨＰＦ５を用いてデコード信号に含まれるスペクトル帯域以上の高調波を発生させる。そして、レベル制御回路６でレベル情報を利用してデコード信号の高域スペクトル強度に応じたレベル制御を行い、デコード信号に加算するようにしている。このため、必ずしも全ての帯域にビットの割り当てがされていない圧縮符号化信号をデコードした信号に対して帯域拡張しても、スペクトルの谷間の生じないオーディオ帯域拡張装置を実現することができる。
【００９１】
また、本実施の形態によれば、デコーダ１が逆多重化処理で、そのフレームのデコード処理をする前処理として取り出したスケール情報とビット割り当て情報とを用い、レベル制御とスライディングバンドＨＰＦのカットオフ周波数を指定することで、デコード信号と同じタイミングで制御を行うことができる。このため、帯域拡張のために加算する信号の制御が遅れて、聴感上不自然になることのないオーディオ帯域拡張装置を実現することができる。
【００９２】
また、本実施の形態によれば、スペクトル情報から集中スペクトル信号であると判定された場合、スイッチがオフとなり、帯域拡張信号が付加されない。このため、正弦波信号のような信号がデコーダから出力された場合、この信号が劣化しなくなる。
【００９３】
尚、以上の実施の形態において、レベル制御回路６のスケール情報Ｓ１０３の入力部に平滑フィルタを設け、デコーダ１で取り出されるスケール情報を時間軸に沿って平滑化するようにしてもよい。平滑化フィルタとは時間軸上のスペクトルピークへのレベル上昇とレベル下降とを演算により平滑化するもので、レベル制御回路６の出力レベルの変動を緩慢にすることができる。また上記の平滑フィルタは、時間軸上のスペクトルピークへのレベル上昇特性であるアタック特性と、レベル下降特性であるレリーズ特性を夫々制御できるものでもよい。アタック特性とレリーズ特性の緩慢さ、急峻さを調整することで聴感による特性、つまり聴こえ方を調整することができ、帯域拡張時により自然な聴感を実現する。
【００９４】
またバンドパスフィルタ３及び整流回路４による非線形手段と、ディザ発生回路８と、スライディグバンドＨＰＦ５とは、その演算語長をデコーダ１のデコード信号の語長より大きくし、デコード信号Ｓ１０４の語長のＬＳＢ幅に略同じ振幅の信号成分を加算したものであってもよい。例えばデコーダ１から出力されるデコード信号Ｓ１０４の語長を１６ビットとすると、この信号のＬＳＢ、即ち最下位ビットの１６ビット目とほぼ同じ振幅になるよう、これより下位に４ビットのノイズ（ディザ信号）を加算するようにする。これにより、聴感上のビット精度が向上しビット量子化に起因する量子化ノイズが感覚上知覚しにくくなるという効果が得られる。
【００９５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、バンドパスフィルタ、整流回路、ディザ発生回路、スライディングバンド型ハイパスフィルタでデコード信号に含まれるスペクトル帯域以上の高調波を発生させ、レベル制御回路でレベル情報を利用してデコード信号の高域スペクトル強度に応じたレベル制御をしてデコード信号に加算して出力するようにしている。このため、必ずしも全ての帯域にビットの割り当てがされていない圧縮符号化信号をデコードした場合、デコード信号に帯域拡張してもスペクトルの谷間の生じないオーディオ信号が得られる。
【００９６】
またオーディオ信号が記録された媒体から、スケール情報及びビット割り当て情報などの周波数情報が直接得られるため、ＰＣＭのオーディオ信号が記録された媒体の場合と比較して、再生オーディオ帯域を拡大するためのハードウェア又はソフトウェアの負担が軽減される効果がある。
【００９７】
特に請求項１〜３記載の発明によれば、デコーダが逆多重化処理でそのフレームのデコード処理をする前処理として取り出したスケール情報とビット割り当て情報とを、レベル制御とスライディングバンド型ハイパスフィルタのカットオフ周波数の指定に使用することで、デコード信号と同じタイミングで制御を行うことができる。このため、帯域拡張のために加算する信号の制御が遅れて聴感上不自然になることのないオーディオ信号が得られる。
【００９８】
特に請求項４記載の発明によれば、スペクトル情報から集中スペクトル信号であると判定された場合、帯域拡張信号が付加されないため、正弦波信号のような信号が劣化してしまうことがない。
【００９９】
特に請求項２〜４記載の発明によれば、整流回路で発生させた高調波成分と、釣り鐘型に近い確率分布で１／ｆ特性の周波数分布をもつディザ信号を合成するすることで、特定の帯域が強調されることなく、より聴感上自然なオーディオ信号が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるオーディオ帯域拡張装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態２におけるオーディオ帯域拡張装置の構成図である。
【図３】本発明の実施の形態３におけるオーディオ帯域拡張装置の構成図である。
【図４】実施の形態２，３，４にオーディオ帯域拡張装置に用いられるディザ発生回路のブロック図である。
【図５】本発明の実施の形態４におけるオーディオ帯域拡張装置の構成図である。
【図６】集中スペクトル信号を入力した場合、実施の形態４のオーディオ帯域拡張装置の動作を示す説明図である。
【図７】従来例のオーディオ帯域拡張装置の構成図である。
【図８】符号化信号の構成を示す信号配置図である。
【図９】符号化信号をデコードするデコーダのブロック図である。
【図１０】（ａ）は符号化信号のビット割り当て情報、（ｂ）はスケール情報の一例を示す周波数特性図である。
【図１１】圧縮符号化のデコード信号に、従来のオーディオ帯域拡張装置を適用した場合のスペクトル図である。
【符号の説明】
１  デコーダ
２  オーバーサンプリング型ローパスフィルタ（オーバーサンプリングＬＰＦ）
３  バンドパスフィルタ
４  整流回路
５  スライディングバンド型ハイパスフィルタ（スライディングバンドＨＰＦ）
６  レベル制御回路
７，９，４４  加算回路
８  ディザ発生回路
１０  スイッチ
４１，４２，４３  ＰＮ系列ノイズ発生器
４５  １／ｆ特性フィルタ
９１  逆多重化部
９２  逆量子化部
９３  逆正規化部
９４  周波数合成部
【図１】
0003751225.tif 000002
【図２】
0003751225.tif 000003
【図３】
0003751225.tif 000004
【図４】
0003751225.tif 000005
【図５】
0003751225.tif 000006
【図６】
0003751225.tif 000007
【図７】
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【図８】
0003751225.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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