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1. WO2020157888 - DISPOSITIF D'EXTENSION DE BANDE DE FRÉQUENCE, PROCÉDÉ D'EXTENSION DE BANDE DE FRÉQUENCE ET PROGRAMME D'EXTENSION DE BANDE DE FRÉQUENCE

Document

明 細 書

発明の名称 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

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003   0004  

先行技術文献

特許文献

0005  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0006   0007  

課題を解決するための手段

0008   0009  

発明の効果

0010  

図面の簡単な説明

0011  

発明を実施するための形態

0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065  

符号の説明

0066  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11  

図面

1   2   3   4   5   6   7   8  

明 細 書

発明の名称 : 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

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F c1[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F c2[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F c2[Hz]は、第1のバンドパスフィルタ1011の中心周波数F c1[Hz]の2倍の周波数であることが望ましい。例えば、F c1=10000[Hz]の場合は、F c2=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F c1[Hz]である信号D1のパワーと入力信号D0の周波数F c2[Hz]=2F c1[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]


[0028]
 ここで、O inは、入力信号D0の周波数傾きを示し、P bpf1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、P bpf2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、O apf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、O lpf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O apfとO lpfを保持している。
[0029]
 なお、式(1)及び(2)では、P bpf1,P bpf2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、O lpfである。O lpfは、予め設定された値である。例えば、-24[dB/Oct]の周波数傾きO lpf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、O apfである。O apf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]


[0036]
 式(3)において、S lpf(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、S apf(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O in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O apf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S apf(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O in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O lpf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S lpf(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O in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O lpf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O apf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(O apf-O lpf)と周波数傾きの差(O apf-O in)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O in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O in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O in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O in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]


[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、cor max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cor maxを算出して、最大正規化自己相関値cor max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cor max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cor max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cor max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cor max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。

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]
 前記算出部は、
 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]
 前記算出部は、
 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]
 前記算出部は、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]
 前記算出部は、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。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]