JP5777041B2 - 帯域拡張装置及びプログラム、並びに、音声通信装置 - Google Patents

Description

本発明は帯域拡張装置及びプログラム、並びに、音声通信装置に関し、例えば、帯域が制限された電話音声信号に対して、制限帯域を超える信号成分を付加して広帯域音声信号に変換する場合に適用し得るものである。

音声通信である電話システムの多くは、伝送可能な音声信号の周波数が高々４ｋＨｚに制限されている。これは、本来人間が発する音声に比べてはるかに周波数範囲が狭く、このため貧弱な品質となっている。このような課題に対して、例えば、特許文献１の記載技術のように、制限帯域を超える信号成分を生成、付加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、帯域が制限された音声信号（以下、狭帯域信号若しくは狭帯域音声信号と呼ぶ）をＬＰＣ分析し、スペクトル概形を表すＬＰＣ係数とスペクトル概形を除去した残差信号とに分離し、得られたＬＰＣ係数を予め定められた変換則に従って広帯域化し、得られた残差信号を非線形処理により広帯域化し、広帯域化されたＬＰＣ係数と広帯域化された残差信号とから広帯域音声信号を合成し、その後、制限帯域を超える部分を抜き出して元の狭帯域信号に付加することにより、狭帯域信号を広帯域化している。

特開２００９−２２３２１０

一般に残差信号はスペクトル概形が白色化されており、ＬＰＣ係数による合成処理は残差信号に対して所定のスペクトル概形を付与する処理であると言える。

特許文献１の記載技術では、例えば、狭帯域信号に対するＬＰＣ係数と、帯域が制限されていない広帯域信号に対するＬＰＣ係数との関係を予め求めておき、広帯域化の処理では、この関係を利用して、狭帯域信号を分析して得られたＬＰＣ係数から広帯域化されたＬＰＣ係数に変換している。

一方、白色化されている狭帯域残差信号を非線形処理により広帯域化しているが、非線形処理により広帯域化された広帯域残差信号は、必ずしもそのスペクトル概形が白色にならない。このため、広帯域残差信号のスペクトル概形が白色であることを前提とした広帯域ＬＰＣ係数と、そのスペクトル概形が白色でない広帯域残差信号とから広帯域音声信号が合成される場合も生じる。

さらに、仮に広帯域残差信号が白色化されていたとしても、上述のようなＬＰＣ係数の広帯域化では、狭帯域ＬＰＣ係数と好適な対応関係にある広帯域ＬＰＣ係数が必ずしも得られるとは限らない。このような対応関係が不十分な広帯域ＬＰＣ係数を適用して合成された広帯域音声信号は、意図しないスペクトル概形を持ち、品質が劣化する場合がある。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、非線形処理を利用して生成された、周波数帯域が拡張された信号の意図しない品質劣化を抑えることができる帯域拡張装置及びプログラム、並びに、音声通信装置を提供しようとしたものである。

第１の本発明は、周波数帯域が制限された狭帯域の信号に対し、非線形処理を施す非線形処理手段を有し、周波数帯域が拡張された信号を形成する帯域拡張装置において、上記周波数帯域が拡張された信号のスペクトル概形を求め、求めたスペクトル概形を平坦化した特性を白色雑音に対して付与した信号を生成し、上記周波数帯域が拡張された信号に重畳する雑音重畳手段を備えることを特徴とする。

第２の本発明は、周波数帯域が制限された狭帯域の信号の、周波数帯域が拡張された信号を形成するための帯域拡張プログラムであって、（１）コンピュータを、周波数帯域が制限された狭帯域の信号に対し、非線形処理を施して、周波数帯域が拡張された信号を形成する非線形処理手段として機能させると共に、（２）コンピュータを、上記周波数帯域が拡張された信号のスペクトル概形を求め、求めたスペクトル概形を平坦化した特性を白色雑音に対して付与した信号を生成し、上記周波数帯域が拡張された信号に重畳する雑音重畳手段として機能させることを特徴とする。

第３の本発明は、受信した音声信号の帯域が制限されている音声通信装置において、第１の本発明の帯域拡張装置を備え、受信した音声信号の帯域を拡張することを特徴とする。

本発明によれば、非線形処理を利用して生成された、周波数帯域が拡張された信号の意図しない品質劣化を抑えることができる。

第１の実施形態に係る帯域拡張装置の内部構成を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る音声通信装置の主要部構成を示すブロック図である。 第２の実施形態に係る帯域拡張装置の内部構成を示すブロック図である。 第３の実施形態に係る帯域拡張装置の内部構成を示すブロック図である。 第４の実施形態に係る帯域拡張装置の内部構成を示すブロック図である。

（Ａ）第１の実施形態
以下、本発明による帯域拡張装置及びプログラム、並びに、音声通信装置の第１の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

（Ａ−１）第１の実施形態の構成
図２は、第１の実施形態に係る音声通信装置の主要部構成を示すブロック図である。

第１の実施形態の音声通信装置１は、例えば、ＩＰ電話装置（ソフトフォンを含む）であり、送信する音声信号を圧縮符号化すると共に、受信した符号化音声信号を復号するコーデック装置２を備えている。コーデック装置２から出力された復号音声信号は狭帯域信号ｓ（ｎ）であって、音声帯域を高域側に拡張する第１の実施形態の帯域拡張装置３に与えられるようになされている。なお、第１の実施形態の音声通信装置１がソフトフォンの場合には、コーデック装置２や帯域拡張装置３は、ＣＰＵ、及び、このＣＰＵが実行するプログラム（コーデックプログラムや帯域拡張プログラム）によって実現される。

図１は、第１の実施形態に係る帯域拡張装置３の内部構成を示すブロック図である。仮に、第１の実施形態の帯域拡張装置３が、ＣＰＵ、及び、このＣＰＵが実行する帯域拡張プログラム（第１の実施形態の帯域拡張プログラム）によって実現された場合であっても、機能的には、図１で表すことができる。

図１において、第１の実施形態の帯域拡張装置３は、アップサンプリング回路１０１、ＬＰＣ分析回路１０２、残差非線形処理回路１０３、白色化回路１０４、ＬＰＣ係数広帯域化回路１０５、ＬＰＣ合成回路１０６、帯域通過回路１０７及び加算回路１０８を有する。

帯域拡張装置３において、コーデック装置２から出力された狭帯域信号ｓ（ｎ）は、アップサンプリング回路１０１及びＬＰＣ分析回路１０２に与えられる。なお、コーデック装置２から出力された狭帯域信号ｓ（ｎ）は、狭い帯域に応じたサンプリング周波数のデジタル音声信号であり、帯域拡張後の広帯域から見ると、サンプリング周波数が不十分なものである。

アップサンプリング回路１０１は、狭帯域信号ｓ（ｎ）のサンプリング周波数を増加させ、アップサンプリング信号ｓｕ（ｎ）を加算回路１０８に出力するものである。

ＬＰＣ分析回路１０２は、狭帯域信号ｓ（ｎ）を用いたＬＰＣ分析を実施し、得られたＬＰＣ係数ａをＬＰＣ係数広帯域化回路１０５に出力すると共に、狭帯域信号ｓ（ｎ）のスペクトル概形を除去した残差信号ｅ（ｎ）を残差非線形処理回路１０３に出力するものである。

残差非線形処理回路１０３は、狭帯域の残差信号ｅ（ｎ）のサンプリング周波数を増加させた後、全波整流などの非線形処理を施して広帯域化された残差信号ｅｎ（ｎ）を得て白色化回路１０４に出力するものである。残差非線形処理回路１０３が行う非線形処理は、全波整流に限定されず、半波整流、クリッピングなど、狭帯域信号ｓ（ｎ）についての制限帯域を超えた制限帯域外の成分が生じる非線形処理であれば良く、その手法は限定されないものである。ここで、残差非線形処理回路１０３の非線形処理により広帯域化された広帯域残差信号は、必ずしもそのスペクトル概形が白色になるとは限らないものである。

白色化回路１０４は、第１の実施形態に係る帯域拡張装置３の特徴をなしている構成要素である。白色化回路１０４は、スペクトル概形が白色ではない広帯域残差信号ｅｎ（ｎ）が入力された際に白色化し、スペクトル概形が白色の広帯域残差信号ｅｗ（ｎ）をＬＰＣ合成回路１０６に出力するものである。白色化回路１０４による白色化方法は問われないものである。白色化回路１０４は、例えば、残差非線形処理回路１０３から出力された広帯域残差信号ｅｎ（ｎ）を用いたＬＰＣ分析を実施し、広帯域残差信号ｅｎ（ｎ）のスペクトル概形を除去した広帯域残差信号ｅｗ（ｎ）を出力する。このスペクトル概形の除去により、スペクトル概形が平滑化されて白色となる。また例えば、白色化回路１０４は、ＦＦＴにより周波数領域の信号に変換し、スペクトル概形を白色のスペクトル概形に整形した後逆ＦＦＴすることを通して、広帯域残差信号ｅ（ｎ）のスペクトル概形を除去（平滑化）する。

ＬＰＣ係数広帯域化回路１０５は、狭帯域ＬＰＣ係数ａを広帯域化し、広帯域ＬＰＣ係数ａｗをＬＰＣ合成回路１０６に出力するものである。ＬＰＣ係数の広帯域化方法も、限定されるものではない。上述した特許文献１に記載の手法が適用できる。その他、特開２０１０−５５０００、特開２０１０−５５００２、特開平１１−１２６０９８などに記載の手法も適用できる。

ＬＰＣ合成回路１０６は、白色化回路１０４からの広帯域残差信号ｅｗ（ｎ）とＬＰＣ係数広帯域化回路１０５からの広帯域ＬＰＣ係数ａｗとからＬＰＣ合成処理を実施し、合成広帯域信号ｓｒ（ｎ）を得て帯域通過回路１０７に出力するものである。

帯域通過回路１０７は、合成広帯域信号ｓｒ（ｎ）に対して、狭帯域信号ｓ（ｎ）についての制限帯域以外の帯域部分を通過させ、その帯域通過信号ｓｂ（ｎ）を加算回路１０８に出力するものである。帯域通過信号ｓｂ（ｎ）は、狭帯域信号ｓ（ｎ）が備えない帯域の信号であり、言い換えると、拡張帯域の信号である。

加算回路１０８は、アップサンプリング回路１０１から出力されたアップサンプリング信号（帯域的には狭帯域信号と同様）ｓｕ（ｎ）と、帯域通過回路１０７から出力された拡張帯域信号ｓｂ（ｎ）とを加算し、広帯域信号ｓｗ（ｎ）を得て、当該帯域拡張装置３からの出力信号として出力するものである。

（Ａ−２）第１の実施形態の動作
次に、第１の実施形態の帯域拡張装置３の動作を、図面を参照しながら詳述する。なお、第１の実施形態の音声通信装置１の動作説明は省略する。

コーデック装置２から出力された狭帯域信号ｓ（ｎ）は、アップサンプリング回路１０１及びＬＰＣ分析回路１０２に与えられる。

狭帯域信号ｓ（ｎ）は、アップサンプリング回路１０１においてサンプリング周波数が増加され、その増加後のアップサンプリング信号ｓｕ（ｎ）が加算回路１０８に出力される。

狭帯域信号ｓ（ｎ）に対し、ＬＰＣ分析回路１０２によってＬＰＣ分析が実施され、得られたＬＰＣ係数ａがＬＰＣ係数広帯域化回路１０５に出力されると共に、残差信号ｅ（ｎ）が残差非線形処理回路１０３に出力される。狭帯域の残差信号ｅ（ｎ）は、残差非線形処理回路１０３においてそのサンプリング周波数が高められると共に、非線形処理が施されて広帯域化され、広帯域となった残差信号ｅｎ（ｎ）が白色化回路１０４に出力される。広帯域の残差信号ｅｎ（ｎ）は、白色化回路１０４において白色化され、その白色化された広帯域残差信号ｅｗ（ｎ）がＬＰＣ合成回路１０６に出力される。狭帯域ＬＰＣ係数ａは、ＬＰＣ係数広帯域化回路１０５において広帯域化され、広帯域ＬＰＣ係数ａｗがＬＰＣ合成回路１０６に出力される。白色化回路１０４からの広帯域残差信号ｅｗ（ｎ）とＬＰＣ係数広帯域化回路１０５からの広帯域ＬＰＣ係数ａｗとは、ＬＰＣ合成回路１０６に与えられて、ＬＰＣ合成処理が実施され、得られた合成広帯域信号ｓｒ（ｎ）が帯域通過回路１０７に出力される。

合成広帯域信号ｓｒ（ｎ）は、帯域通過回路１０７によって、狭帯域信号ｓ（ｎ）についての制限帯域以外の帯域部分に濾波され、その帯域通過信号ｓｂ（ｎ）が加算回路１０８に出力され。

アップサンプリング回路１０１から出力されたアップサンプリング信号と、帯域通過回路１０７から出力された拡張帯域信号ｓｂ（ｎ）とが加算回路１０８において加算され、得られた広帯域信号ｓｗ（ｎ）が当該帯域拡張装置３の次段装置に出力される。

（Ａ−３）第１の実施形態の効果
第１の実施形態によれば、非線形処理後の残差信号を白色化するようにしたので、ＬＰＣ合成により生成された広帯域信号が意図しないスペクトル概形を持つ場合が少なくなり、音質の劣化を抑えることができる。

（Ｂ）第２の実施形態
次に、本発明による帯域拡張装置及びプログラム、並びに、音声通信装置の第２の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

（Ｂ−１）第２の実施形態の構成
第２の実施形態も音声通信装置の構成は第１の実施形態と同様であり、以下では、第２の実施形態の帯域拡張装置の構成を説明する。

図３は、第２の実施形態に係る帯域拡張装置３Ａの内部構成を示すブロック図である。仮に、第２の実施形態の帯域拡張装置３Ａが、ＣＰＵ、及び、このＣＰＵが実行する帯域拡張プログラム（第２の実施形態の帯域拡張プログラム）によって実現された場合であっても、機能的には、図３で表すことができる。図３において、上述した第１の実施形態に係る図１との同一、対応部分には同一符号を付して示している。

図３において、第２の実施形態の帯域拡張装置３Ａは、アップサンプリング回路１０１、ＬＰＣ分析回路１０２、残差非線形処理回路１０３、ＬＰＣ係数広帯域化回路１０５、ＬＰＣ合成回路１０６、帯域通過回路１０７、加算回路１０８及び白色雑音重畳部２００を有する。白色雑音重畳部２００は、有声無声判定回路２０１、広帯域ＬＰＣ分析回路２０２、白色雑音発生回路２０３、ＬＰＣ雑音合成回路２０４及び加算回路２０５を有する。

アップサンプリング回路１０１、ＬＰＣ分析回路１０２、残差非線形処理回路１０３、ＬＰＣ係数広帯域化回路１０５、ＬＰＣ合成回路１０６、帯域通過回路１０７及び加算回路１０８は、第１の実施形態と同様に機能するものである。

第２の実施形態の帯域拡張装置３Ａは、第１の実施形態の白色化回路１０４に代えて、白色雑音重畳部２００を備えている。白色化回路１０４が省略されているため、残差非線形処理回路１０３から出力された広帯域の残差信号ｅｎ（ｎ）は、ＬＰＣ合成回路１０６に出力され、ＬＰＣ合成回路１０６は、広帯域の残差信号ｅｎ（ｎ）とＬＰＣ係数広帯域化回路１０５からの広帯域ＬＰＣ係数ａｗとを用いて、ＬＰＣ合成処理を実施する。そのため、ＬＰＣ合成回路１０６から出力された合成広帯域信号ｓｒ（ｎ）は、第１の実施形態の場合より、スペクトル概形が意図しない形になり易い。

白色雑音重畳部２００は、ＬＰＣ合成回路１０６からの合成広帯域信号ｓｒ（ｎ）に、白色信号を重畳することにより、合成広帯域信号ｓｒ（ｎ）における意図しない周波数成分を目立たなくしようとしたものである。すなわち、狭帯域信号から生成された広帯域信号に対して、スペクトル概形が類似した雑音信号を重畳し、意図しないスペクトル概形による異音を聴感的に検知し難くし、音質の劣化を抑えようとしたものである。

白色雑音重畳部２００における有声無声判定回路２０１には狭帯域信号ｓ（ｎ）が入力される。有声無声判定回路２０１は、狭帯域信号ｓ（ｎ）を用いて有声音か無声音かを判定し、有声無声判定結果ｖを白色雑音発生回路２０３に出力するものである。有声無声判定回路２０１は、有声音であればｖ＝１を、無声音であればｖ＝０を出力する。有声無声判定回路２０１における有声無声判定方法は、いかなる方法を適用しても良い。例えば、狭帯域信号ｓ（ｎ）の周期性を監視し、周期性が強い場合に有声音と判定する方法を適用できる。

広帯域ＬＰＣ分析回路２０２は、合成広帯域信号ｓｒ（ｎ）を用いてＬＰＣ分析を実施し、合成広帯域ＬＰＣ係数ｗをＬＰＣ雑音合成回路２０４に出力すると共に、合成広帯域信号ｓｒ（ｎ）のスペクトル概形を除去した合成広帯域残差信号ｓｅ（ｎ）を白色雑音発生回路２０３に出力するものである。

白色雑音発生回路２０３は、合成広帯域残差信号ｓｅ（ｎ）と同じパワの白色雑音を発生し、発生した白色雑音に重畳度合いを規定するゲインαを乗じた白色雑音信号ｐ（ｎ）をＬＰＣ雑音合成回路２０４に出力するものである。ゲインαは、有声無声判定結果ｖに応じた値をとるものであり、例えば、（１）式に示す値をとる。（１）式は、ｖ＝１（有声音）のときにα＝β（但し、０＜β＜１とする）とし、ｖ＝０（無声音）のときにα＝１とするものである。すなわち、無声音（無声音区間）のときの方が有声音（有声音区間）より白色雑音の重畳度合を多くするようにしている。なお、有声無声判定結果ｖは、２値ではなく周期性の度合いに応じて段階的に変化する多値（３値以上）であっても良い。

α＝β＋（１−β）×（１−ｖ） …（１）
ＬＰＣ雑音合成回路２０４は、合成広帯域ＬＰＣ係数ｗにリーク係数を乗じるなどしてスペクトル概形をある程度平坦化した後、白色雑音信号ｐ（ｎ）の合成白色雑音信号ｐｓ（ｎ）を生成し、加算回路２０５に出力するものである。

加算回路２０５は、ＬＰＣ合成回路１０６から出力された合成広帯域信号ｓｒ（ｎ）とＬＰＣ雑音合成回路２０４から出力された合成白色雑音信号ｐｓ（ｎ）とを加算して帯域通過回路１０７に出力するものである。

（Ｂ−２）第２の実施形態の動作
次に、第２の実施形態の帯域拡張装置３Ａの動作を、図面を参照しながら詳述する。

コーデック装置２から出力された狭帯域信号ｓ（ｎ）は、アップサンプリング回路１０１、ＬＰＣ分析回路１０２及び有声無声判定回路２０１に与えられる。

狭帯域信号ｓ（ｎ）は、アップサンプリング回路１０１においてサンプリング周波数が増加され、その増加後のアップサンプリング信号ｓｕ（ｎ）が加算回路１０８に出力される。

狭帯域信号ｓ（ｎ）に対し、ＬＰＣ分析回路１０２によってＬＰＣ分析が実施され、得られたＬＰＣ係数ａがＬＰＣ係数広帯域化回路１０５に出力されると共に、残差信号ｅ（ｎ）が残差非線形処理回路１０３に出力される。狭帯域の残差信号ｅ（ｎ）は、残差非線形処理回路１０３においてそのサンプリング周波数が高められると共に、非線形処理が施されて広帯域化され、広帯域となった残差信号ｅｎ（ｎ）がＬＰＣ合成回路１０６に出力される。狭帯域ＬＰＣ係数ａは、ＬＰＣ係数広帯域化回路１０５において広帯域化され、広帯域ＬＰＣ係数ａｗがＬＰＣ合成回路１０６に出力される。残差非線形処理回路１０３からの広帯域残差信号ｅｎ（ｎ）とＬＰＣ係数広帯域化回路１０５からの広帯域ＬＰＣ係数ａｗとは、ＬＰＣ合成回路１０６に与えられて、ＬＰＣ合成処理が実施され、得られた合成広帯域信号ｓｒ（ｎ）が広帯域ＬＰＣ分析回路２０２及び加算回路２０５に出力される。

また、有声無声判定回路２０１によって、狭帯域信号ｓ（ｎ）が有声音か無声音かが判定され、有声無声判定結果ｖが白色雑音発生回路２０３に出力される。ＬＰＣ合成回路１０６から出力された合成広帯域信号ｓｒ（ｎ）は、広帯域ＬＰＣ分析回路２０２においてＬＰＣ分析され、得られた合成広帯域ＬＰＣ係数ｗがＬＰＣ雑音合成回路２０４に出力されると共に、得られた合成広帯域残差信号ｓｅ（ｎ）が白色雑音発生回路２０３に出力される。白色雑音発生回路２０３によって、合成広帯域残差信号ｓｅ（ｎ）と同じパワの白色雑音が発生されると共に、発生された白色雑音に、有声無声判定結果ｖに応じた値をとるゲインαが乗算され、得られた白色雑音信号ｐ（ｎ）がＬＰＣ雑音合成回路２０４に出力される。合成広帯域ＬＰＣ係数ｗは、ＬＰＣ雑音合成回路２０４においてリーク係数が乗算されてスペクトル概形がある程度平坦化され、平坦化されたＬＰＣ係数と白色雑音信号ｐ（ｎ）とから、ＬＰＣ雑音合成回路２０４によって合成白色雑音信号ｐｓ（ｎ）が生成され、加算回路２０５に出力される。ＬＰＣ合成回路１０６から出力された合成広帯域信号ｓｒ（ｎ）とＬＰＣ雑音合成回路２０４から出力された合成白色雑音信号ｐｓ（ｎ）とが加算回路２０５によって加算されて帯域通過回路１０７に出力される。

この加算信号ｓｒ（ｎ）＋ｐｓ（ｎ）は、帯域通過回路１０７によって、狭帯域信号ｓ（ｎ）についての制限帯域以外の帯域部分に濾波され、その帯域通過信号ｓｂ（ｎ）が加算回路１０８に出力される。

アップサンプリング回路１０１から出力されたアップサンプリング信号と、帯域通過回路１０７から出力された拡張帯域信号ｓｂ（ｎ）とが加算回路１０８において加算され、得られた広帯域信号ｓｗ（ｎ）が当該帯域拡張装置３Ａの次段装置に出力される。

（Ｂ−３）第２の実施形態の効果
第２の実施形態によれば、狭帯域信号から生成された広帯域信号に対して、スペクトル概形が類似した雑音信号を重畳するようにしたので、意図しないスペクトル概形による異音を聴感的に検知し難くし、音質の劣化を抑えることができる。さらに、第２の実施形態によれば、拡張の元となる狭帯域信号の特性に応じて雑音の付加量を制御するようにしたので、より効果的に音質の劣化を抑えることができる。

（Ｃ）第３の実施形態
次に、本発明による帯域拡張装置及びプログラム、並びに、音声通信装置の第３の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

第３の実施形態も音声通信装置の構成は第１の実施形態と同様であり、以下では、第３の実施形態の帯域拡張装置の構成を説明する。

図４は、第３の実施形態に係る帯域拡張装置３Ｂの内部構成を示すブロック図である。仮に、第３の実施形態の帯域拡張装置３Ｂが、ＣＰＵ、及び、このＣＰＵが実行する帯域拡張プログラム（第３の実施形態の帯域拡張プログラム）によって実現された場合であっても、機能的には、図４で表すことができる。図４において、上述した第１の実施形態に係る図１や第２の実施形態に係る図３との同一、対応部分には同一符号を付して示している。

図４において、第３の実施形態の帯域拡張装置３Ｂは、アップサンプリング回路１０１、ＬＰＣ分析回路１０２、残差非線形処理回路１０３、白色化回路１０４、ＬＰＣ係数広帯域化回路１０５、ＬＰＣ合成回路１０６、帯域通過回路１０７、加算回路１０８及び白色雑音重畳部２００を有する。白色雑音重畳部２００は、第２の実施形態と同様に、有声無声判定回路２０１、広帯域ＬＰＣ分析回路２０２、白色雑音発生回路２０３、ＬＰＣ雑音合成回路２０４及び加算回路２０５を有する。

図３及び図４の比較から明らかなように、第３の実施形態の帯域拡張装置３Ｂは、第２の実施形態の帯域拡張装置３Ａの構成に白色化回路１０４を加えたものとなっている。また別な見方をすれば、図１及び図４の比較から明らかなように、第３の実施形態の帯域拡張装置３Ｂは、第１の実施形態の帯域拡張装置３の構成に白色雑音重畳部２００を加えたものとなっている。

白色化回路１０４は、広帯域残差信号ｅｎ（ｎ）を白色化するものであり、白色化された広帯域残差信号ｅｗ（ｎ）は、ＬＰＣ合成回路１０６によるＬＰＣ合成に用いられる。そのため、広帯域残差信号ｅｎ（ｎ）を白色化しても、広帯域ＬＰＣ係数ａｗとの相性等によって、ＬＰＣ合成回路１０６からの合成広帯域信号ｓｒ（ｎ）のスペクトル概形に意図しない周波数成分が生じる恐れがある。

第３の実施形態は、白色化された広帯域残差信号ｅｗ（ｎ）を用いたＬＰＣ合成の結果に意図しない周波数成分が生じたとしても、それが問題となることがないように、白色雑音重畳部２００による重畳処理を施すこととしたものである。

第３の実施形態によれば、第１の実施形態の効果と第２の実施形態の効果とが相乗され、さらに効果的に音質の劣化を抑えることができる。

（Ｄ）第４の実施形態
次に、本発明による帯域拡張装置及びプログラム、並びに、音声通信装置の第４の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

第４の実施形態も音声通信装置の構成は第１の実施形態と同様であり、以下では、第４の実施形態の帯域拡張装置の構成を説明する。

図５は、第４の実施形態に係る帯域拡張装置３Ｃの内部構成を示すブロック図である。仮に、第４の実施形態の帯域拡張装置３Ｃが、ＣＰＵ、及び、このＣＰＵが実行する帯域拡張プログラム（第４の実施形態の帯域拡張プログラム）によって実現された場合であっても、機能的には、図５で表すことができる。図５において、上述した第２の実施形態に係る図３との同一、対応部分には同一符号を付して示している。

図５において、第４の実施形態の帯域拡張装置３Ｃは、アップサンプリング回路１０１、音声非線形処理回路３００、帯域通過回路１０７、加算回路１０８及び白色雑音重畳部２００を有する。白色雑音重畳部２００は、第２の実施形態と同様に、有声無声判定回路２０１、広帯域ＬＰＣ分析回路２０２、白色雑音発生回路２０３、ＬＰＣ雑音合成回路２０４及び加算回路２０５を有する。

上述した第１〜第３の実施形態においては、狭帯域信号ｓ(ｎ)に対してＬＰＣ分析を実行して、声道情報（ＬＰＣ係数）と声帯信号（残差信号）とを得て、それぞれ広帯域化し、その後、ＬＰＣ合成して広帯域信号ｓｒ(ｎ)を得ていた。

この第４の実施形態は、狭帯域信号ｓ(ｎ)を声道情報（ＬＰＣ係数）と声帯信号（残差信号）とに分けることなく、広帯域信号ｓｒ(ｎ)に変換する構成を採用している。かかる構成要素が、音声非線形処理回路３００である。

音声非線形処理回路３００は、狭帯域信号ｓ（ｎ）のサンプリング周波数を増加させた後、全波整流などの非線形処理を施して広帯域信号ｓｒ（ｎ）を得るものである。音声非線形処理回路３００が行う非線形処理は、全波整流に限定されず、半波整流、クリッピングなど、狭帯域信号ｓ（ｎ）についての制限帯域を超えた制限帯域外の成分が生じる非線形処理であれば良く、その手法は限定されないものである。なお、アップサンプリング回路１０１からの出力信号を音声非線形処理回路３００への入力信号とし、音声非線形処理回路３００におけるサンプリング周波数の増加を省略するようにしても良い。

ここで、音声非線形処理回路３００から出力された広帯域信号ｓｒ（ｎ）は、そのスペクトル概形が意図した形になっているとは限らないものである。そのため、この第４の実施形態では、白色雑音重畳部２００による重畳処理を施すこととしている。

第４の実施形態によれば、狭帯域信号を声道情報（ＬＰＣ係数）と声帯信号（残差信号）とに分けることなく、狭帯域信号から広帯域信号を生成する方式を適用しても、上述した第２の実施形態と同様な効果を奏することができる。

因みに、ＬＰＣ係数の広帯域化処理は、必ずしも好適な広帯域ＬＰＣ係数が得られず、ＬＰＣ係数の広帯域化処理自体が意図しないスペクトル概形を付与することとなってしまう場合があり、このような場合は、むしろＬＰＣ分析、合成処理を実施しない方が音質の劣化が少ない。第４の実施形態は、このような状況に応じられるものとなっている。

（Ｅ）他の実施形態
上記各実施形態では、いずれかの実施形態の帯域拡張装置を備えた音声通信装置を示したが、音声通信装置が、第１〜第４の実施形態の帯域拡張装置の２以上の帯域拡張装置を備え、どの帯域拡張装置を適用するかをユーザが選択できるようにしても良い。

この場合において、同一の音声通信装置に搭載される複数の帯域拡張装置は、同一の構成要素を共通に利用するように構成され、信号経路上に適宜設けられている選択スイッチの選択によって、いずれかの帯域拡張装置として機能できるようにしても良い。

上記第１〜第３の実施形態では、声道分析方法としてＬＰＣ分析を適用したものを示したが、他の声道分析方法を適用するようにしても良い。

上記第４の実施形態は、音声非線形処理回路３００の後段に白色雑音重畳部２００を設けたものを示したが、白色雑音重畳部２００に代え、第１の実施形態におけると同様な白色化回路を、音声非線形処理回路３００の後段に設けるようにしても良い。

上記では、上記各実施形態の帯域拡張装置を利用した音声通信装置の例として、ＩＰ電話装置を挙げたが、帯域拡張装置の用途はこれに限定されないことは勿論である。ＶｏＩＰゲートウェイやＶｏＩＰサーバ等の音声通信装置に搭載される帯域拡張装置に、本発明を適用するようにしても良い。

１…音声通信装置、３、３Ａ〜３Ｃ…帯域拡張装置、１０１…アップサンプリング回路、１０２…ＬＰＣ分析回路、１０３…残差非線形処理回路、１０４…白色化回路、１０５…ＬＰＣ係数広帯域化回路、１０６…ＬＰＣ合成回路、１０７…帯域通過回路、１０８…加算回路、２００…白色雑音重畳部、２０１…有声無声判定回路、２０２…広帯域ＬＰＣ分析回路、２０３…白色雑音発生回路、２０４…ＬＰＣ雑音合成回路、２０５…加算回路、３００…音声非線形処理回路。

Claims (6)

1. 周波数帯域が制限された狭帯域の信号に対し、非線形処理を施す非線形処理手段を有し、周波数帯域が拡張された信号を形成する帯域拡張装置において、
   上記周波数帯域が拡張された信号のスペクトル概形を求め、求めたスペクトル概形を平坦化した特性を白色雑音に対して付与した信号を生成し、上記周波数帯域が拡張された信号に重畳する雑音重畳手段を備えることを特徴とする帯域拡張装置。
2. 上記雑音重畳手段は、周波数帯域の拡張対象の信号の周期性特性に応じて重畳量を変更することを特徴とする請求項１に記載の帯域拡張装置。
3. 上記非線形処理が施された信号を白色化する白色化手段をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の帯域拡張装置。
4. 上記非線形処理手段は、周波数帯域の拡張対象の信号から、そのスペクトル概形を除去した信号に対して非線形処理を施すことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の帯域拡張装置。
5. 周波数帯域が制限された狭帯域の信号の、周波数帯域が拡張された信号を形成するための帯域拡張プログラムであって、
   コンピュータを、周波数帯域が制限された狭帯域の信号に対し、非線形処理を施して、周波数帯域が拡張された信号を形成する非線形処理手段として機能させると共に、
   コンピュータを、上記周波数帯域が拡張された信号のスペクトル概形を求め、求めたスペクトル概形を平坦化した特性を白色雑音に対して付与した信号を生成し、上記周波数帯域が拡張された信号に重畳する雑音重畳手段として機能させる
   ことを特徴とする帯域拡張プログラム。
6. 受信した音声信号の帯域が制限されている音声通信装置において、
   請求項１〜４のいずれかに記載の帯域拡張装置を備え、受信した音声信号の帯域を拡張することを特徴とする音声通信装置。

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