JP2005318598A - 信号処理におけるまたはそれに関する改善 - Google Patents

Abstract

【課題】低周波オーディオ信号を音響心理的に聴取者に知覚させるのに適したオーディオ信号を生成する信号処理装置である。
【解決手段】低周波信号の波形を時間および／またはレベルについて整形した。
【効果】低周波信号の倍音を生成する。これは、ピークホールド信号発生器および整流器を用いて、またはピークホールド減衰信号発生器を用いて実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、オーディオ信号処理の方法および装置に関し、特に低域周波数の音響心理学的な知覚を介してより明瞭な低音を伝えるのに適用される。

スピーカなどの音響変換器では、一般的に低音（すなわち、低域周波数）周波数帯域を再生するのが困難である。

明瞭な低音周波数帯域を発生させるために、倍音を利用することが知られている。このことは、基本音が存在しない場合であっても、低周波音の倍音があると聴取者には低い基本周波数が「聴こえる」という音響心理学的な現象からもたらされる。

公知の装置または方法では、コンプレッサやリミッタなどの装置を用いてダイナミックレンジ（すなわち、音量または信号レベル）全域にわたって信号を変化させる。

本発明の目的は、少なくとも既存の方法および装置にとって代わる有用な方法および装置となりうる改良されたオーディオ信号処理方法またはオーディオ信号処理装置を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、以下の説明から明らかになり得る。

本発明は、一局面によれば、低周波オーディオ信号を音響心理学的に聴取者に知覚させるのに適したオーディオ信号を生成する信号処理装置に関するものであり、この装置は、低周波信号の波形を時間について整形することにより低周波信号の倍音を生成するピークホールド信号発生手段を含む。

好ましくは、上記ピークホールド信号発生器は、低周波信号の波形をレベルについて整形する信号減衰手段を含む。

好ましくは、上記倍音生成手段は、奇数および偶数倍音を生成する。

好ましくは、上記装置は、偶数倍音を生成する整流器を含む。

好ましくは、上記ピークホールド信号発生器は、ピークホールド減衰信号発生器を備える。

好ましくは、上記低周波信号の波形は、時間およびレベルについて非対称に整形される。

別の局面では、本発明は、低周波オーディオ信号を音響心理学的に聴取者に知覚させるのに適したオーディオ出力信号を生成するために低周波オーディオ信号を処理する方法に関するものであり、この方法は、実質的にピークマグニチュードまで低周波信号に追随し、零交叉に達した後は再び逆の極性において前記信号に追随することによって、低周波信号の波形を時間について整形するステップを含む。

好ましくは、上記方法は、実質的にピークマグニチュードまで前記低周波信号に追随し、その後前記ピークマグニチュードを所定のレートで減衰させることによって、前記低周波信号の波形を時間およびレベルについて整形するステップを含む。

本発明はまた、広義には、本明細書で開示する新規な任意の特徴部分からなるか、または複数の特徴部分を組合せたものと言うことができる。

本発明のさらなる新規な態様は、以下の説明から明らかとされる。

以下に、添付図面を参照して本発明の実施形態を例を挙げて説明する。
図１は、本発明の信号処理回路の第１の実施形態の概略ブロック図である。
図２は、本発明の信号処理回路の第２の実施形態の概略ブロック図である。
図３は、本発明の信号処理回路の第３の実施形態の概略ブロック図である。
図４は、本発明の信号処理回路の第４の実施形態の概略ブロック図である。
図５は、図４の実施形態において使用されるピークホールド減衰生成器によって生成された倍音波形の例を示すグラフである。測定音の４４．１ｋＨｚのサンプリング・レートで示される時間を横軸に、信号レベルを縦軸に示す。
図６は、倍音成分の第１の例の周波数（Ｈｚ）−信号強度（ｄＢ）のグラフである。
図７は、倍音成分の第２の例の周波数（Ｈｚ）−信号強度（ｄＢ）のグラフである。
図８は、倍音成分の第３の例の周波数（Ｈｚ）−信号強度（ｄＢ）のグラフである。

図１に、信号処理システムの第１の実施形態のブロック図を示す。

図１に示す回路は、ソフトウェアにて実施してもよく、、物理的ハードウェアを用いて実施してもよい。さらに、この回路は、デジタル形式またはアナログ形式で構成することもできる。どちらの形式でも、所望の結果が得られる多数の理論および技術がある。

このシステムの目的は、任意のオーディオ出力機構によって任意のオーディオソースから聴取者により明瞭な低音を伝えることにある。

チャンネルごとに（Ｌ、Ｒなど。本発明は単一チャンネルまたは複数チャンネルのオーディオ・システムに適用可能である。）オーディオソース入力信号をハイパスフィルタ（１、２）にかけて低音成分を除去し、後に使用するため、チャンネルごとにろ波された入力信号を生成することが望ましい（ろ波後の入力信号）。次に、これらのチャンネルのオーディオソース入力信号を加算して（３）、原音中に低音周波数成分の全量を含んだ単一ソース信号を生成することが好ましい。その後、得られた信号をハイパスフィルタ（４）およびローパスフィルタ（５）にかけて、極超低音周波数帯域および非低音周波数帯域を除去し、低音ソース信号を生成する。

通常（６）で示される倍音生成部を用いて、倍音を上記の低音ソース信号に付加する。このプロセスによって、低音出力信号が生成され、次いでこの信号がろ波後の入力信号と合成される。このプロセスの詳細については後述する。

最終的に出力される音響は、ろ波後の入力信号（７、８）の各々に低音出力信号を加算し、その結果をオーディオ出力信号（スピーカ、ヘッドフォン等）に与えることで生成される。ピーキング・イコライザ（一般にステレオ・システムに搭載されている標準的な「低音ブースト」に類似のもの）（９）を適宜付加するかまたはその後に別途設け、さらにオーディオ出力信号に低音出力レベル調整を行い、それによってすでに付加された倍音成分を全量含んだ状態であってもさらに低周波数応答を向上させることができる。

倍音生成部（６）は、次のように機能させることが好ましい。低音ソース信号をピークホールド信号発生器（１０）に与える。ピークホールド信号発生器は、入力信号に追従して、その増加（または減少）に伴い、連続的に増加（または減少）し、入力信号が正負いずれの範囲でもその最大の値に保持される出力信号を生成する。入力信号が正から負または負から正の信号レベルに遷移するとき、ピークホールド信号発生器の出力は０（ゼロ）に設定される。この発生器は、オーディオ信号を時間について対称的に整形することにより、基本周波数の奇数倍音を生成する。人間の耳が「位相音痴（phase deaf）」である、すなわちオーディオ信号の位相が聴取者には判別できないので、このプロセスは容易に機能しうる。このようにオーディオ信号を整形することにより、倍音生成器は、特定の一連の倍音を付加することで、倍音出力の位相に関係なく、所望の音響心理学的な低周波数応答が得られる。

上記低音入力には、ヒステリシス関数を適用することが好ましく、これにより、入力信号レベルが所定のスレショルド値より低い場合、ピークホールド信号発生器から出力させないようにする。これは、信号遷移範囲を０（ゼロ）のみから±信号の範囲に拡張することによって実現される。

その後、ピークホールド信号発生器出力（ピークホールド出力信号）を半波整流し（１１）（これにより、原信号の正部分のみが保持される。）、偶数倍音を生成することが好ましい。それに続いて、直流阻止フィルタ（１２）を通過させ、上記出力信号の直流バイアスを除去する。これが整流器出力信号である。

次いで、算術加算器１３において（加算および／または減算を適宜組合せることによって）、ピークホールド出力信号、低音ソース信号、および整流器出力信号を最終出力レベルゲインと加算して、倍音成分を多く含む低音信号を生成する。次いで、この倍音を含む低音信号をハイパスおよびローパスフィルタにかけて、望ましくないか、またはオーディオ出力手法によって再生できない倍音成分を除去し、低減する。

このアルゴリズムは、デジタル形式でもアナログ形式でも容易に実現することができる。デジタル形式では、アルゴリズムは、所定のフィルタとして例えばオーディオ双２次フィルタを用い、および倍音生成器のピークホールド信号および整流信号を生成させる基本的な数学的関数を利用することによって実現できる。

アナログ形式では、ピークホールド信号発生器は、調整可能なピーク検出回路もしくはコンデンサ充電回路により、または出力信号を発生させるその他の手段により実現され、零交叉（信号遷移によりスレショルド値に達する）まで上記ソース入力低音信号のピーク値に保持できる。半波整流および直流阻止フィルタは、単純な整流ダイオードからオペアンプまでの様々な方法で実現することができる。

ピークホールド信号発生器によって行われる波形整形は、次のように記述することができる。
ａ）入力の増減中は入力信号に追随する。
ｂ）＋ｖｅ値および−ｖｅ値では、そのレベルで信号を保持する。
ｃ）零交叉時に保持された値をゼロにリセットする。

ヒステリシス関数を入力レベルに適用して、入力信号が特定の信号レベル（−３０ｄＢと規定）を超えたときのみ、出力を制限することが好ましい。このことは、「ゼロにリセットする」入力の範囲をゼロ入力に対して±３０ｄＢレベルの範囲に拡張することによって実現できる。これによって、過渡的な交差をなくすとともに、さらにより高い周波数の低音成分を不必要に生成することなく、存在する最も低い低音周波数を確実に検出しかつ生成する。

ヒステリシスを備えたピークホールドプロセスは、以下のように簡潔に記述することができる。
Ｓ（ｔ）−時間（ｔ）でのソース信号
Ｏ（ｔ）−時間（ｔ）での出力信号
レベル−ヒステリシス・レベル（±最小レベル／必要な音量）
とすると、
（Ｓ（ｔ）≧−レベル）かつ（Ｓ（ｔ）≦＋レベル）の場合、
Ｏ（ｔ）＝０．０
上記条件を満たさず、（Ｓ（ｔ）＞Ｏ（ｔ−１））かつ（Ｓ（ｔ）＞０．０）の場合、
Ｏ（ｔ）＝Ｓ（ｔ）
上記２つの条件を満たさず、（Ｓ（ｔ）＜Ｏ（ｔ−１））かつ（Ｓ（ｔ）＜０．０）の場合、
Ｏ（ｔ）＝Ｓ（ｔ）
上記いずれの条件をも満たさない場合、
Ｏ（ｔ）＝Ｏ（ｔ−１）
終わり

処理経路において、＋３ｄＢのスケーリングゲインを加えて、種々の倍音と合成された信号レベルとのバランスを適切にとった。最終出力ゲインを補償するために相応して大きくすることで、初期ソース信号の３ｄＢ低下を同様に使用できた。このゲイン調整は、開発中に各信号のゲインが個別に調整可能となったソフトウェア・インターフェースによるものである。このゲインを加えた結果、倍音および低音の加算部への各入力について、ゲインファクタを公称、「０ｄＢ」とすることができた。

図１に掲げた周波数カットオフ値は、１００Ｈｚ対応のスピーカ用にソフトウェアを実行させる際に、（入力に対して）０ｄＢの総合ゲインが得られるように特に選択されたものである。ソフトウェアによる好ましい実施態様では、適切にカスケード接続されたデジタルオーディオ双２次フィルタ（２次）を用いて、所望のフィルタ次数を生成する。より低周波数帯域を扱うヘッドフォンまたはスピーカでは、異なるフィルタ・カットオフ設定値を用いる必要がありうる。簡単な１回の調整で出力周波数のカットオフ限界を変えることによって基本周波数をより多く出力に付加することができ、その結果、さらに豊かな低音が得られる。ただし、これにより、出力信号にそれに応じた電力が付加されることになる。

ソフトウェアを実行することで−１５ｄＢ、２０Ｈｚから１ｋＨｚの間で正弦波スイープ試験を行い、適切に付加された倍音を有する比較的平坦な−１５ｄＢの出力信号を生成するようにフィルタ・カットオフを調整することで、０ｄＢゲイン経路であることが検証された。出力は、７０Ｈｚ〜１００Ｈｚの周波数帯域に対して１．５ｄＢの適度なゲインを有し、また１８０Ｈｚの入力フィルタ・カットオフ周波数付近で１．５ｄＢ低下することが分かった。

生成信号のスペクトル成分では、（１３０Ｈｚ未満の）低周波数帯域で倍音が著しく増加し、その結果、冒頭述べた基本波が無い場合の原理により、３０Ｈｚ程度の低域周波数帯域が、１００Ｈｚの公称周波数レスポンスをもつスピーカで「聞くことが可能」となる。入力周波数が高くなると、最終の倍音カットオフ・フィルタがこれらのより高次の倍音を非常に大きく減衰させるので、１つまたは２つの倍音のみが付加されることになる。

上記の生成された倍音は、滑らかに減衰するスペクトル中に基音ならびにすべての奇数倍音および偶数倍音を含んでいる。楽音とはならない５次以上の奇数倍音も生成されるが、カットオフ周波数を選択することによって、ほとんどの入力信号にこのような高次の奇数倍音を含めるのを厳しく規制する。５０Ｈｚ未満の信号には、これらの倍音が含まれるが、このような倍音は、この超低周波数帯域の音が知覚されるのに大いに役立つと考えられ、場合によっては最初に存在した周波数よりも知覚可能なより低域周波数を生成することがある。

最初の低音入力加算器については、次の２つの異なる方法で調べた。
ａ）図示した直接加算（Ｌチャンネル信号＋Ｒチャンネル信号）
ｂ）ろ波後に加算（Ｌチャンネル信号−ろ波後のＲチャンネル信号）＋（Ｒチャンネル信号−ろ波後のＬチャンネル信号）

２番目の方法は、ほとんどの入力媒体に、著しく大きなオーディオ遮断能力を与えることが分かった。それによって、非常に低い周波数の男性の声に付加される倍音効果が低減した。しかし、このことは、非常に高次のフィルタをフィルタ間の重なり部分に利用しない限り、カットオフ時に特定周波数帯域に鋭いノッチを生じるという副作用をもたらした。

図２に本発明の第２の実施形態を示す。図２、３および４に示す各部が、図１のそれと同一または類似の場合、同じ参照番号を付している。図２から明らかなように、本実施形態におけるフィルタは、図１のいくつかのフィルタと比べわずかに異なるカットオフ周波数を有しており、生成される倍音は、加算接続部１３で基音から減算される。また、加算接続部１３で加算／減算される各成分のゲインを調整することができる。

図３の実施形態では、基音を加算または減算せずに、奇数倍音成分および偶数倍音成分を加算することによって、図１および図２に示す実施態様を簡略化している。

図４の実施形態では、ピークホールド信号発生器の保持時間を変更し、所望の倍音をさらに付加しかつ生成するようにしている。そのため、個別に設けられたピークホールド信号発生器、整流器、および直流阻止フィルタの代わりに、ピークホールド減衰信号発生器２０を使用している。本実施形態ではさらに、人間の耳が「位相音痴」であるという特性を利用し、１つのプロセスで奇数倍音および偶数倍音を生成するようにピークホールド信号発生器を変更可能としている。好ましい実施形態では、この信号発生器の変更は、保持された信号の減衰を調整することによって行われる。また、保持された信号をリセットするために異なる遷移点を用いることが好ましい。

このプロセスは、以下のように簡潔に記述することができる。
Ｓ（ｔ）−時間（ｔ）でのソース信号
Ｏ（ｔ）−時間（ｔ）での出力信号
減衰−特定の信号減衰係数
ａｂｓ（）−信号の絶対レベル／音量
とすると、
（ａｂｓ（Ｓ（ｔ））＞Ｏ（ｔ−１））の場合
Ｏ（ｔ）＝Ｓ（ｔ）
上記条件を満たさない場合、
Ｏ（ｔ）＝減衰*Ｏ（ｔ−１）
終わり

これにより、時間についてだけでなくレベルについても、非対称形の波形が生成される。その結果、偶数倍音および奇数倍音の双方が生成される。倍音生成の程度は、減衰率または減衰特性を調整することによって、容易に調整できる。好ましい実施形態では、この調整は、本実施例においてコンデンサの放電曲線と同様の挙動を示す減衰係数を調整することによって行われる。出力信号を適切に減衰させるために、実際の減衰係数は、１．０より小さく（すなわち、ユニティー・ゲイン以下に）しなければならない。

上記の減衰係数は、次に例示する式によって計算することができる。
減衰係数＝２．０−ｅｘｐ（設定値／サンプリング・レート）

ここで、「設定値」は、ユーザが任意に設定可能な減衰定数であり、付加される倍音量を調整するために用いられる。本実施例では、サンプリング・レートを４４．１ｋＨｚに仮定した場合、上記設定値は１００〜１０００の範囲で任意に設定される。これらの定数を用いることにより得られるオーディオ信号およびそれらのスペクトルを図５〜８に示す。設定値は、図６では２００、図７では５００、図８では１０００である。

先に概説した様々なプロセスにより入力としてチャープ（Ｃｈｉｒｐ）正弦波スイープ信号を利用することによって、倍音のスペクトル成分を確認してきた。所望の倍音量を適切なレベルで加えながらでも、それぞれの場合のゲインおよびフィルタ設定を適切に調整することで、全スイーププロセスに安定した出力レベルをもたらすようにした。

本明細書に記載したように、本発明の範囲内で本発明の多くの様々な実施形態を採りうる。例えば、信号の低音成分抽出や再結合の多くの異なる理論および技術（マルチバンド・フィルタリング、入力差分加算、マルチチャンネルオーディオソース専用のＬＦＥチャンネルの使用など）があり、それらのいずれも本発明に適用できる。

本発明の信号処理回路の第１の実施形態の概略ブロック図である。 本発明の信号処理回路の第２の実施形態の概略ブロック図である。 本発明の信号処理回路の第３の実施形態の概略ブロック図である。 本発明の信号処理回路の第４の実施形態の概略ブロック図である。 図４の実施形態において使用されるピークホールド減衰生成器によって生成された倍音波形の例を示すグラフである。測定音の４４．１ｋＨｚのサンプリング・レートで示される時間を横軸に、信号レベルを縦軸に示す。 倍音成分の第１の例の周波数（Ｈｚ）−信号強度（ｄＢ）のグラフである。 倍音成分の第２の例の周波数（Ｈｚ）−信号強度（ｄＢ）のグラフである。 倍音成分の第３の例の周波数（Ｈｚ）−信号強度（ｄＢ）のグラフである。

符号の説明

１、２、４ ハイパスフィルタ
３ 加算器
５ ローパスフィルタ
６ 倍音生成部、倍音生成器セクション
７、８ 加算器
９ ピーキング・イコライザ
１０ ピークホールド信号発生器
１１ 半波(全波)整流器
１２ 直流阻止フィルタ
１３ 加算器
２０ ピークホールド減衰信号発生器

Claims (8)

1. 低周波オーディオ信号を音響心理的に聴取者に知覚させるのに適したオーディオ信号を生成する信号処理装置であって、前記低周波信号の波形を時間について整形することにより前記低周波信号の倍音を生成するピークホールド信号発生手段を含む信号処理装置。
2. 前記ピークホールド信号発生器は、前記低周波信号の波形をレベルについて整形する信号減衰手段を含む請求項１に記載の信号処理装置。
3. 前記倍音生成手段が、奇数および偶数倍音を生成する請求項２に記載の信号処理装置。
4. 偶数倍音を生成する整流器をさらに含む請求項１に記載の信号処理装置。
5. 前記ピークホールド信号発生器が、ピークホールド減衰信号発生器を備える請求項２に記載の信号処理装置。
6. 前記低周波信号の波形が、時間およびレベルに関して非対称に整形される請求項２に記載の信号処理装置。
7. 低周波オーディオ信号を音響心理学的に聴取者に知覚させるのに適したオーディオ出力信号を生成するために低周波オーディオ信号を処理する方法であって、実質的にピークマグニチュードまで前記低周波信号に追随し、零交叉に達した後は再び逆の極性において前記信号に追随することによって、前記低周波信号の波形を時間について整形するステップを含む方法。
8. 実質的にピークマグニチュードまで前記低周波信号に追随し、その後前記ピークマグニチュードを所定のレートで減衰させることによって、前記低周波信号の波形を時間およびレベルについて整形するステップを含む請求項９に記載の方法。
   
   

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