オーディオ信号の帯域を拡張するための装置および信号処理プログラム
【課題】オーディオ信号のデジタル化で失われた高音域の情報を補うことにより帯域を拡張し、人間の耳に快適な音質に改善すること。
【解決手段】所定の量子化数で量子化する量子化器１０２と、量子化器の入出力の差を算出する第１の加算器１０３と、第１の加算器の出力を所定の伝達特性で処理する信号処理器１０４と、入力されるオーディオ信号と第１の信号処理器の出力との差を算出して量子化器に入力する第２の加算器１０１とでデルタシグマ変調器１０５を構成し、量子化器の出力の所定の帯域のレベルを検出するレベル検出器１０６と、レベル検出器の出力と第１の加算器の出力を乗算する乗算器１０７と、乗算器の出力の所定の帯域を通過させるバンドパスフィルタ１０８と、バンドパスフィルタの出力を増幅または減衰させるアッテネータ１０９と、量子化器の出力とアッテネータの出力とを加算する第３の加算器１１０とを有する。
【解決手段】所定の量子化数で量子化する量子化器１０２と、量子化器の入出力の差を算出する第１の加算器１０３と、第１の加算器の出力を所定の伝達特性で処理する信号処理器１０４と、入力されるオーディオ信号と第１の信号処理器の出力との差を算出して量子化器に入力する第２の加算器１０１とでデルタシグマ変調器１０５を構成し、量子化器の出力の所定の帯域のレベルを検出するレベル検出器１０６と、レベル検出器の出力と第１の加算器の出力を乗算する乗算器１０７と、乗算器の出力の所定の帯域を通過させるバンドパスフィルタ１０８と、バンドパスフィルタの出力を増幅または減衰させるアッテネータ１０９と、量子化器の出力とアッテネータの出力とを加算する第３の加算器１１０とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オーディオ機器におけるオーディオ信号、特に高音域の音質の向上を図り、人間の耳に快適なオーディオ信号を再生できるオーディオ信号の帯域を拡張するための装置および信号処理プログラムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
オーディオ信号再生装置に於いて、記録媒体からの読出し信号の低次高調波成分だけでなく、高次高調波成分を簡単な構成で生成して読出し信号に加えることにより、自然な再生音を得ることを目的とした従来技術のオーディオ信号再生装置が、特許文献１において開示されている。そのオーディオ信号再生装置の構成を図１０に示す。図１０に於いて、オーディオ再生信号は、ＬＰＦ１００１と、絶対値回路１００３と乗算器１００４で構成される高調波生成回路１００２と、ＨＰＦ１００５と、加算器１００６と、Ｄ／Ａ変換器１００７とを備えて構成される。
【０００３】
まず、入力されたオーディオ信号は、ＬＰＦ１００１でオーバーサンプリング処理される。オーバーサンプリング処理されたオーディオ信号を基に、絶対値回路１００３と乗算器１００４で構成される高調波生成回路１００２は高調波を生成する。そして、生成された高調波信号はＨＰＦ１００５にて所定の帯域を通過させ、加算器１００６にて、オーバーサンプリングされたオーディオ信号と加算し、Ｄ／Ａ変換器１００７にてアナログ信号に変換し、帯域拡張したオーディオ信号を出力する。
【特許文献１】特開平７−９３９００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上説明した従来技術では、入力されたオーディオ信号を基に高調波を生成し、入力されたオーディオ信号に付加することにより高音域を拡大している。しかしながら、上述の従来技術のオーディオ信号再生装置においては、以下に示す問題点を有していた。
【０００５】
（１）デジタルオーディオ信号に限定した内容であり、オーディオ再生装置で、ラジオ音声、外部入力等によるアナログオーディオ信号に対応するには、Ａ／Ｄ変換器が別途必要になり現実的でない。
【０００６】
（２）再生装置に特化した形であり、アナログ信号のデジタル化における情報欠落を補完して高音質に記録することができない。
【０００７】
（３）入力オーディオ信号を広帯域処理した後に、再生処理（Ｄ／Ａ変換）を実施するため、オーディオ再生装置全体で見た場合、同一機能ブロックが重複して無駄が多い。
【０００８】
本発明の目的は、以上の問題点を解決し、デルタシグマ変調器の構成を拡張して、高音域の帯域を拡張するため、入力信号がアナログ信号であってもデジタル信号であっても簡単な構成で実現できる。更に、デジタルアンプの構成に近いため、デジタルアンプの音質改善が可能であると共に、再生系における同一機能ブロックの重複を避けることができる自然な音質を持つオーディオ信号の帯域を拡張するための装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために、第１の発明に係るオーディオ信号の帯域を拡張するための装置は、所定の量子化数で量子化する量子化器と、量子化器の入出力の差を算出する第１の加算器と、第１の加算器の出力を所定の伝達特性で処理する第１の信号処理器と、入力されるオーディオ信号と第１の信号処理器の出力との差を算出して量子化器に入力する第２の加算器とで構成したデルタシグマ変調器と、量子化器の出力の所定の帯域のレベルを検出するレベル検出器と、レベル検出器の出力と第１の加算器の出力を乗算する乗算器と、乗算器の出力の所定の帯域を通過させるバンドパスフィルタと、量子化器の出力とバンドパスフィルタの出力とを加算する第３の加算器とを備えたものであり、オーディオ信号の高域に、信号レベルに同期した量子化雑音を付加することにより、帯域を拡張する。
【００１０】
第２の発明に係るオーディオ信号の帯域を拡張するための装置は、所定の量子化数で量子化する量子化器と、量子化器の入出力の差を算出して量子化器に入力する第１の加算器と、第１の加算器の出力を所定の伝達特性で処理する第１の信号処理器と、入力されるオーディオ信号と第１の信号処理器の出力との差を算出する第２の加算器とで構成したデルタシグマ変調器と、量子化器の出力を基に高調波を生成する第２の信号処理器と、量子化器の出力の所定の帯域のレベルを検出するレベル検出器と、レベル検出器の出力と第２の信号処理器の出力を乗算する乗算器と、乗算器の出力の所定の帯域を通過させるバンドパスフィルタと、量子化器の出力とバンドパスフィルタの出力とを加算する第３の加算器とを備えたものであり、オーディオ信号の高域に、高調波を付加することにより、帯域を拡張する。
【００１１】
第３の発明に係るオーディオ信号の帯域を拡張するための装置は、所定の量子化数で量子化する量子化器と、量子化器の入出力の差を算出して量子化器に入力する第１の加算器と、第１の加算器の出力を所定の伝達特性で処理する第１の信号処理器と、入力されるオーディオ信号と第１の信号処理器の出力との差を算出する第２の加算器とで構成したデルタシグマ変調器と、量子化器の出力を基に高調波を生成する第２の信号処理器と、第２の信号処理器の出力と第１の加算器の出力を加算する第４の加算器と、量子化器の出力の所定の帯域のレベルを検出するレベル検出器と、レベル検出器の出力と第４の加算器の出力を乗算する乗算器と、乗算器の出力の所定の帯域を通過させるバンドパスフィルタと、量子化器の出力と前記バンドパスフィルタの出力とを加算する第３の加算器とを備えたものであり、オーディオ信号の高域に、信号レベルに同期した量子化雑音および高調波を付加することにより、帯域を拡張する。
【００１２】
第４の発明に係るオーディオ信号の帯域を拡張するための装置は、第３の加算器の出力を電力増幅する電力増幅器と、電力増幅器の出力から所定の帯域を通過させるローパスフィルタとを備えたものであり、電力増幅器の帯域を拡張する。
【００１３】
第５の発明に係るオーディオ信号の帯域を拡張するための装置は、入力されるオーディオ信号は、デジタル信号であり、入力されるオーディオ信号を前記入力されるオーディオ信号の持つ帯域以上の帯域を有する量子化器の量子化数に再量子化されたデジタルオーディオ信号を出力するものであり、デジタルオーディオ信号の帯域を拡張する。
【００１４】
第６の発明に係るオーディオ信号の帯域を拡張するための装置は、入力されるオーディオ信号は、アナログ信号であり、入力されるオーディオ信号を入力されるオーディオ信号の持つ帯域以上の帯域を有する量子化器の量子化数を持つデジタル信号に変換したオーディオ信号を出力するものであり、アナログオーディオ信号の帯域を拡張する。
【００１５】
第７の発明に係るオーディオ信号の帯域を拡張するための装置は、バンドパスフィルタの出力レベルを調整可能としたものであり、第３の加算器で加算する２つの信号のレベルを相対的に調整できる。
【００１６】
第８の発明に係るオーディオ信号の帯域を拡張するための装置は、バンドパスフィルタの低域側の遮断特性を調整可能としたものであり、ユーザーによる音質の選択が出来る。
【００１７】
第９の発明に係るオーディオ信号の帯域を拡張するための装置は、バンドパスフィルタの高域側の遮断特性を−６ｄＢ／ｏｃｔもしくは−１２ｄＢ／ｏｃｔとしたものである。
【００１８】
第１０の発明に係る信号処理プログラムは、第１乃至第３の発明に係るオーディオ信号の帯域を拡張するための装置の各構成要素の機能をコンピュータで実行させるものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係るオーディオ信号の帯域を拡張するための装置によれば、入力されるオーディオ信号をデルタシグマ変調器により所定の量子化数を有するデジタル信号に変換する。その際に発生する量子化雑音をデルタシグマ変調器の出力を基にレベル調整を行い、帯域通過フィルタで帯域制限を行い、入力されたオーディオ信号に加算することにより、帯域拡張を行っている。
【００２０】
入力されるアナログオーディオ信号を高精度なデジタル信号に変換する、或いは入力されるデジタル信号を再量子化して高精度なアナログ信号に変換するのに活用されているデルタシグマ変調（シグマデルタ変調）の構成を有するため、入力するオーディオ信号がアナログ信号でもデジタル信号でも入力されたオーディオ信号の帯域が拡張できる効果を有している。
【００２１】
更に、デルタシグマ変調器の出力を電力増幅することでデジタルアンプが容易に構成できるため、デジタルアンプの再生信号の帯域拡張が容易となり、デジタルアンプの高音質化が容易となる。また、デジタルアンプで再生帯域の拡張ができるため複数の再生装置で同一の機能を重複することが無くなる効果を有している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２３】
（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信号の帯域を拡張するための装置の構成ブロック図である。図１において、Ｔ１は入力端子、Ｔ２は出力端子、１０１，１０３，１１０は加算器、１０７は乗算器、１０９はアッテネータ、１０２は量子化器、１０５はデルタシグマ変調器、１０４は第１の信号処理器としての信号処理ブロック、１０６はレベル検出器、１０８はバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）である。図１を用いて本発明の実施の形態１の動作を説明する。
【００２４】
オーディオ信号は、入力端子Ｔ１を経由して入力される。入力されたオーディオ信号は、１０１〜１０４で構成されるデルタシグマ変調器１０５にて所定のサンプリング周波数と所定の量子化数を持つデジタル信号に変換される。すなわち、加算器１０３で量子化器１０２の入出力差（量子化雑音、量子化ノイズ）を算出し、この量子化雑音を所定の伝達特性（Ｈ(ｚ-1)）を持つ信号処理ブロック１０４で処理した後、加算器１０１は入力端子Ｔ１からの入力信号と信号処理ブロック１０４の出力信号との差を算出し、量子化器１０２に入力する構成を有している。この様な量子化雑音をある伝達特性で処理して帰還する構成を有することで所望のオーディオ帯域では量子化雑音のレベルが小さくなる様に周波数特性を変化させている。例えば、デルタシグマ変調器１０５の入力信号をｘ、出力をｙ、量子化雑音をＮｑ、信号処理ブロック１０４の伝達関数をＨ(ｚ-1)とすると、
ｙ＝ｘ＋（１−Ｈ(ｚ-1)）Ｎｑ
となる。Ｈ(ｚ-1)＝ｚ-1とすれば、デルタシグマ変調器１０５の出力は、
ｙ＝ｘ＋（１−ｚ-1）Ｎｑ
と表され、１次のノイズシェーピング特性を持つことになる。
【００２５】
デルタシグマ変調器は、より少ない量子化数で高ダイナミックレンジを得るための手段として公知であり、ここでは詳細の説明は省略する。
【００２６】
次に、デルタシグマ変調器１０５で発生する量子化雑音（加算器１０３の出力）は、デルタシグマ変調器１０５が高ダイナミックレンジを有するものであれば、入力との相関が少ない広帯域な無相関ノイズとしての性質を持つ。
【００２７】
一方、レベル検出器１０６は、デルタシグマ変調器１０５の出力信号の所定帯域の信号レベルを検出する。この検出結果を量子化雑音（加算機１０３の出力）に乗算器１０７にて乗算することで、量子化雑音がデルタシグマ変調器１０５の出力信号の信号レベルに同期した形になる。そして、乗算器１０７の出力は、バンドパスフィルタ１０８で所定の帯域のみを通過させる。そして、アッテネータ１０９でレベルを増加減した後、加算器１１０にてデルタシグマ変調器１０５の出力信号に加算して、出力端子Ｔ２を介して出力する。
【００２８】
以上の様な構成の本発明の実施の形態１に対して、デジタルオーディオ信号を入力した場合を説明する。
【００２９】
再生したいデジタルオーディオ信号は、図２に示すオーバーサンプリング型低域通過フィルタ（オーバーサンプリング型ＬＰＦ）にてオーバーサンプリングされる。図３は、オーバーサンプリング型低域通過フィルタ（オーバーサンプリング型ＬＰＦ）２０１の動作説明図である。
【００３０】
図２において、ディジタルオーディオ信号がオーバーサンプリング型低域通過フィルタ２０１に入力される。このディジタルオーディオ信号は、例えばコンパクトディスク（ＣＤ）から再生された信号であり、このとき、当該信号は、サンプリング周波数ｆｓ＝４４．１ｋＨｚと、語長（量子化数）＝１６ビットとを有する信号である。オーバーサンプリング型低域通過フィルタ２０１は、図２に示すように、オーバーサンプリング回路２０２と、デジタル低域通過フィルタ（ＬＰＦ）２０３とを備えて構成され、入力されたデジタルオーディオ信号のサンプリング周波数ｆｓをｐ倍（ｐは、２以上の正の整数である。）し、かつ周波数ｆｓ／２から周波数ｐｆｓ／２までの不要な帯域の信号を６０ｄＢ以上減衰させるディジタルフィルタ回路である。
【００３１】
例えば、ｐ＝２であるとき、サンプリング周波数ｆｓ（サンプリング周期Ｔｓ＝１／ｆｓ）を有するデジタルオーディオ信号は、オーバーサンプリング回路２０２に入力され、オーバーサンプリング回路２０２は、入力されたディジタルオーディオ信号のデータＤ１に対して、図３に示すように、各隣接する２つのデータＤ１の中間位置（時間軸に対して）にサンプリング周期ＴｓでゼロデータＤ２を挿入して補間することによりオーバーサンプリング処理を実行して、サンプリング周波数２ｆｓ（サンプリング周期Ｔｓ／２）を有するディジタルオーディオ信号に変換した後、デジタル低域通過フィルタ２０３に出力する。デジタル低域通過フィルタ２０３は、（ａ）周波数０〜０．４５ｆｓの通過帯域と、（ｂ）周波数０．４５ｆｓ〜ｆｓの阻止帯域と、（ｃ）周波数ｆｓ以上で６０ｄＢ以上の減衰量とを有して、入力ディジタルオーディオ信号を低域通過ろ波することにより、上記オーバーサンプリング処理により発生される折り返し雑音を除去するように帯域制限して、実質的に入力デジタルオーディオ信号の持つ有効な帯域（周波数０〜０．４５ｆｓ）のみを通過させるものである。
【００３２】
図１の構成に入力する場合のオーバーサンプリング率ｐは、デルタシグマ変調器１０５の所望スペックと量子化器１０２の量子化数及び信号処理ブロック１０４の特性によって決定される。一般的にはｐ≧３２となる。
【００３３】
上記のようにオーバーサンプリングされたデジタルオーディオ信号は、入力端子Ｔ１を介して入力される。デルタシグマ変調器１０５で発生する量子化雑音(入力信号がデジタル信号の場合、再量子化雑音、再量子化ノイズと呼ばれる)は、デルタシグマ変調器１０５を高性能なものに設計すると、擬似的に入力信号と無相関な広帯域なランダム雑音信号とみなせる。
【００３４】
一方、レベル検出器１０６は、デルタシグマ変調器１０５の出力信号の所定の帯域（仮に入力信号がＣＤであれば、１０〜２０ｋＨｚ）をフィルタで抽出し、抽出した信号のレベルを求める。ここで、検出する信号のレベルとしては、瞬時値、平均値、エンベロープ等があるが、エンベロープが望ましい。レベル検出器１０６で検出した信号レベルを乗算器１０７にて、量子化雑音（加算機１０３の出力）に乗算する。そして、ＢＰＦ１０８にて帯域制限されて帯域拡張信号として生成される。そして、アッテネータ１０９でレベルを増加減することで調整した後、加算器１１０にてデルタシグマ変調器１０５の出力信号に加算する。
【００３５】
従って、本実施の形態１によれば、デルタシグマ変調器で発生した量子化雑音を用いて帯域拡張信号を生成し、原信号に加算して帯域拡張できるという特有の効果を有している。
【００３６】
ここで、デジタル帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）１０８は、図４に示すように、高域通過フィルタ（ＨＰＦ）４０１と、低域通過フィルタである１／ｆ特性フィルタ４０２とを縦続接続して構成され、例えば、入力されるディジタルオーディオ信号がＣＤプレイヤーなどからの圧縮されていないデジタル信号であるとき、帯域通過フィルタ１０８は好ましくは以下の仕様を有する。
（１）低域側のカットオフ周波数ｆＬＣ＝概略ｆｓ／２。
（２）低域側の遮断特性は周波数ｆｓ／４で８０ｄＢ以上の減衰量。その減衰量は、原音の量子化数に基づくＳＮ比近辺となる。例えば原音の量子化数が１６ビットであれば、理論ＳＮは９８ｄＢとなるので、好ましくは、８０〜１００ｄＢ以上の減衰量を有する。ここで、低域側の遮断特性が緩やかなほど、ソフトな音質となる一方、低域側の遮断特性が急峻なほど、シャープな音質傾向となる。後者の場合、原音の音質傾向を損なうことなく、帯域拡張の効果が出る。従って、デジタル高域通過フィルタ４０１の、上記低域側の遮断特性を、外部のコントローラからユーザの指示信号に従って例えば上記の２つの特性の間で選択的に変化できるように切り換え可能にすることが好ましい。
（３）高域側のカットオフ周波数ｆＨＣ＝概略ｆｓ／２。
（４）高域側の遮断特性は−６ｄＢ／ｏｃｔ（図５参照）。
【００３７】
ここで、１／ｆ特性フィルタ４０２は、図５に示すように、周波数０からｆｓ／２までの帯域Ｂ１よりも高い、周波数ｆｓ／２からｐ・ｆｓ／２までの帯域Ｂ２において−６ｄＢ／ｏｃｔの傾斜を有する減衰特性を備えた、いわゆる１／ｆ特性の低域通過フィルタである。ここで、ｐはオーバーサンプリング率である。
【００３８】
帯域通過フィルタ１０８は、入力されるデジタル信号を上述のように帯域通過ろ波して、帯域通過ろ波後のデジタル帯域拡張信号をアッテネータ１０９を介して加算器１１０に出力する。さらに、加算器１１０は、アッテネータ１０９からのデジタル帯域拡張信号を、デルタシグマ変調器１０５からのデジタルオーディオ信号に加算することにより、原音のデジタルオーディオ信号に加えてデジタル帯域拡張信号を含むデジタルオーディオ信号を出力端子Ｔ２を介して出力する。
【００３９】
ここで、アッテネータ１０９はレベル制御回路であって、入力される信号のレベル（振幅値）を、制御信号に基づいた増幅度（当該増幅度は正の増幅処理もあるが、負の減衰処理も可能である。）で変化させ、入力信号の信号レベルを増加減する。アッテネータ１０９は、デルタシグマ変調器１０５からのデジタルオーディオ信号のレベルと、帯域通過フィルタ１０８からのデジタル帯域拡張信号のレベルとを相対的に調整するために用いられる。この調整は、好ましくは、加算器１１０において、例えば周波数ｆｓ／２においてこれら２つの信号のレベルが実質的に一致するように、すなわちスペクトルの連続性を保持するように設定される。
【００４０】
以上の実施の形態１においては、１／ｆ特性フィルタ４０２を用いているが、本発明はこれに限らず、１／ｆ特性フィルタ４０２に代えて、図６の減衰特性を有する１／ｆ２特性フィルタを備えてもよい。ここで、１／ｆ２特性フィルタは、図６に示すように、周波数０からｆｓ／２までの帯域Ｂ１よりも高い、周波数ｆｓ／２からｐ・ｆｓ／２までの帯域Ｂ２において−１２ｄＢ／ｏｃｔの傾斜を有する減衰特性を備えた、いわゆる１／ｆ２特性の低域通過フィルタである。
【００４１】
以上の実施の形態１においては、入力されるデジタルオーディオ信号がＣＤプレイヤーなどからの圧縮されていないデジタル信号であるときの帯域通過フィルタ１０８の好ましい仕様について説明したが、入力されるデジタルオーディオ信号が、ＭＤ（Mini Disc）プレイヤーからのデジタル信号（以下、ＭＤ信号という。）、もしくは、ＭＰＥＧ−４のオーディオ信号で用いられるＡＡＣ（Advanced Audio Coding）により圧縮符号化されたデジタルオーディオ信号（以下、ＡＡＣ信号という。）であるときは、帯域通過フィルタ１０８の低域側及び高域側のカットオフ周波数ｆｓ／２を、これらの圧縮音声信号の再生帯域上限周波数に設定することが好ましい。ここで、ＭＤ信号及びＡＡＣ信号のサンプリング周波数ｆｓは例えば４４．１ｋＨｚ又は４８ｋＨｚであり、ＡＡＣ信号のハーフレート信号の場合のサンプリング周波数ｆｓは２２．０５ｋＨｚ又は２４ｋＨｚである。前者の場合において、再生帯域上限周波数は概ね１０ｋＨｚないし１８ｋＨｚであり、後者の場合において、再生帯域上限周波数は概ね５ｋＨｚないし９ｋＨｚである。
【００４２】
次に入力信号がアナログオーディオ信号の場合を説明する。入力信号がアナログの場合、図２に示すオーバーサンプリング型ＬＰＦは使用せずに、入力端子Ｔ１に入力されて、デルタシグマ変調器１０５にて、デジタル信号に変換される。この場合も、量子化器１０２で発生する量子化雑音を帯域拡張信号に用い、レベル検出器１０６で検出した信号と乗算し、バンドパスフィルタ１０８で帯域制限を施し、アッテネータ１０９でレベル調整を行い、加算器１１０にてデルタシグマ変調器１０５の出力に加算して、出力端子Ｔ２を介して出力する構成を有する。入力信号をデジタル信号に変換した後、帯域を拡張することで、基の信号以上に帯域拡張できる。それによって、音質の制御が可能となる特有の効果を有している。
【００４３】
更に、図１の出力信号を図７に示す構成に入力することで、Ｄ級電力増幅器（デジタルアンプ）を構成できる。
【００４４】
図７において、７０１は入力信号を１ビットのパルス幅信号に変換するＰＷＭ、７０２は、ＰＷＭ７０１の出力信号を基に、電力増幅デバイス７０３及び７０４を駆動するための信号を生成するドライバーで、ドライバー７０２と電力増幅デバイス７０３，７０４で電力増幅器７０５を構成する。７０６はコイル、７０７はコンデンサでローパスフィルタ７０８を構成する。
【００４５】
すなわち、図１に示す出力端子Ｔ２からの出力信号は、デルタシグマ変調器１０５の量子化器１０２の量子化数によっても異なるが、図７に示す波形Ａの様な多値の信号とする。
【００４６】
この信号は、ＰＷＭ７０１により、振幅方向の諧調がパルス幅として表現される波形Ｂに示すような、２値(１ビット)の信号に変換される。そして、電力増幅器７０５にて電力増幅され波形Ｃのようになる。次に、所望の特性を持つ（通常は、オーディオ帯域を通過させる）ローパスフィルタ７０８でろ波されて、波形Ｄの様なアナログ信号に変換されて、出力端子を経由して負荷（図示していない、通常スピーカ或いはヘッドホーン）に電力を供給する。
【００４７】
以上の様な構成で、アナログ入力信号、デジタル入力信号の双方に対応でき且つ再生帯域が広いＤ級電力増幅器を提供できるという特有の効果を有している。
【００４８】
以上説明したように、本発明に係る実施の形態１によれば、入力された信号（アナログ信号またはデジタル信号）を量子化する際に発生する量子化雑音を帯域通過フィルタで帯域制限を行い、レベル制御した後、量子化されたオーディオ信号に加算することにより、帯域拡張を行っている。奇数次高調波成分のみを発生させる従来技術と比較して、本発明の実施の形態１では、広帯域なランダムノイズを用いて帯域拡張信号を生成するため、固有の高調波構造を有さないため自然な感じが得られ、音質上違和感や劣化が無く、オーディオ信号の帯域を拡張できる効果を有している。
【００４９】
また、従来例のように帯域拡張を行った後にＤ／Ａ変換するのではなく、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、或いは、デジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器を構成するのに用いられるデルタシグマ変調器で発生する量子化雑音を用いて帯域拡張信号を生成して、帯域拡張を行う。このようにＡ／Ｄ変換或いはＤ／Ａ変換の中で帯域拡張ができるため、ローコスト、省電力で帯域拡張ができる効果と、入力信号がアナログであってもデジタルであっても実現可能な効果を有している。
【００５０】
更に、上述のようにデルタシグマ変調器を応用した構成であるため、デジタルアンプ（Ｄ級アンプ）での帯域拡張の実現が容易である効果を有している。
【００５１】
なお、本実施の形態１では、Ｔ２からの出力信号を多値のデジタル信号として説明したが、２値のデジタル信号の場合は、ＰＷＭ７０１を経由せずに、直接ドライバ７０２に入力すればよいことは言うまでもない。
【００５２】
（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２におけるオーディオ信号の帯域を拡張するための装置の構成ブロック図である。図８において、実施の形態１で説明したものと同じ番号が記載されているブロックは、同一の機能を有しているため、本実施の形態２では説明を省略する。デルタシグマ変調器１０５から出力された信号は、第２の信号処理器としての非線形処理ブロック８０１にて、非線形処理されることで、高調波を生成する。この高調波を含む非線形処理ブロック８０１の出力信号は、レベル検出器１０６の出力との積を乗算器１０７で行い、バンドパスフィルタ１０８にて所望の帯域を取り出し、帯域拡張信号を生成して、アッテネータ１０９にてレベルを増加減することで調整を行い、加算器１１０にて、デルタシグマ変調器１０５の出力と加算する構成を持つ。
【００５３】
ここで高調波を生成する非線形処理ブロック８０１は、例えば、入力信号を半波整流、全波整流、二乗等の処理をする簡単な構成でも良い。また、オーディオ増幅器が発生する高調波構造や楽器が発生する高調波構造等をシミュレートして発生させても良い。
【００５４】
以上説明したように、本発明に係る実施の形態２によれば、入力された信号（アナログ信号またはデジタル信号）をデルタシグマ変調器で量子化し、その出力を基に高調波を生成し、帯域通過フィルタで帯域制限を行い、レベル制御した後、デルタシグマ変調器の出力オーディオ信号に加算することにより、帯域拡張を行っている。
【００５５】
本実施の形態は、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換、或いは、デジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換をデルタシグマ変調方式とし、その構成するのに用いられるデルタシグマ変調器に高調波を発生するブロックを付加して帯域制限することで帯域拡張信号を生成して、デルタシグマ変調器の出力に加算するという簡単な構成で実現できるため、ローコスト、省電力で帯域拡張ができる効果と、入力信号がアナログであってもデジタルであっても実現可能な効果を有している。
【００５６】
（実施の形態３）
図９は、本発明の実施の形態３におけるオーディオ信号の帯域を拡張するための装置の構成ブロック図である。図９において、実施の形態１及び２で説明したものと同じ番号が記載されているブロックは、同一の機能を有しているため、本実施の形態３では説明を省略する。デルタシグマ変調器１０５から出力された信号は、非線形処理ブロック８０１にて、非線形処理されることで、高調波を生成する。この高調波を含む非線形処理ブロック８０１の出力信号は、アッテネータ９０１でレベルを増加減する。また、デルタシグマ変調器１０５で発生する量子化雑音（加算器１０３の出力）はアッテネータ９０２でレベルが増加減される。そして、アッテネータ９０１，９０２の出力は、加算器９０３で加算される。そして、この加算結果は、レベル検出器１０６の出力との積を乗算器１０７で行い、バンドパスフィルタ１０８にて所望の帯域を取り出し、帯域拡張信号を生成して、アッテネータ１０９にてレベルを増加減することで調整を行い、加算器１１０にて、デルタシグマ変調器１０５の出力と加算する構成を持つ。
【００５７】
ここで帯域拡張信号として、デルタシグマ変調器１０５の出力を基に高調波を生成した信号に、デルタシグマ変調器１０５で発生する量子化雑音用いた広帯域ランダムノイズを加算したものを帯域制限して帯域拡張信号を生成している。
【００５８】
そのため、実施の形態１及び２で述べた作用効果に加えて、原音（入力信号）に基づいて生成したランダム信号を帯域拡張信号として使用することで、高調波のみの帯域拡張信号に比べて、より自然に聴こえるという特有の効果を有している。
【００５９】
以上の実施の形態１から３においては、オーディオ信号の帯域を拡張するための装置を、ハードウエアのディジタル信号処理回路で構成しているが、本発明はこれに限らず、例えば、図１、図８及び図９の構成を信号処理プログラムで実現して、当該信号処理プログラムをＤＳＰ（ディジタル・シグナル・プロセッサ）により実行してもよい。
【００６０】
なお、図１、図８及び図９におけるアッテネータ１０９，９０１，９０２は、他のブロックにレベルを増加減できる機能があれば、省略してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明にかかるオーディオ信号の帯域を拡張するための装置は、オーディオ機器におけるオーディオ信号、特に高音域の音質の向上を図り、人間の耳に快適なオーディオ信号の再生が可能になるので、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器並びにデジタルアンプの高音質化
等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施の形態１におけるオーディオ信号の帯域を拡張するための装置の構成を示すブロック図
【図２】オーバーサンプリング型ＬＰＦ２０１の構成を示すブロック図
【図３】オーバーサンプリングの動作の説明図
【図４】バンドパスフィルタ１０８の構成を示すブロック図
【図５】バンドパスフィルタ１０８の特性の説明図
【図６】バンドパスフィルタ１０８の特性の説明図
【図７】Ｄ級電力増幅器の構成を示すブロック図
【図８】本発明の実施の形態２におけるオーディオ信号の帯域を拡張するための装置の構成を示すブロック図
【図９】本発明の実施の形態３におけるオーディオ信号の帯域を拡張するための装置の構成を示すブロック図
【図１０】従来技術のオーディオ信号再生装置の構成を示すブロック図
【符号の説明】
【００６３】
１０１ 加算器
１０２ 量子化器
１０３ 加算器
１０４ 信号処理ブロック
１０５ デルタシグマ変調器
１０６ レベル検出器
１０７ 乗算器
１０８ バンドパスフィルタ
１０９ アッテネータ
１１０ 加算器
７０５ 電力増幅器
７０８ ローパスフィルタ
８０１ 非線形処理ブロック
９０１，９０２ アッテネータ
９０３ 加算器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オーディオ機器におけるオーディオ信号、特に高音域の音質の向上を図り、人間の耳に快適なオーディオ信号を再生できるオーディオ信号の帯域を拡張するための装置および信号処理プログラムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
オーディオ信号再生装置に於いて、記録媒体からの読出し信号の低次高調波成分だけでなく、高次高調波成分を簡単な構成で生成して読出し信号に加えることにより、自然な再生音を得ることを目的とした従来技術のオーディオ信号再生装置が、特許文献１において開示されている。そのオーディオ信号再生装置の構成を図１０に示す。図１０に於いて、オーディオ再生信号は、ＬＰＦ１００１と、絶対値回路１００３と乗算器１００４で構成される高調波生成回路１００２と、ＨＰＦ１００５と、加算器１００６と、Ｄ／Ａ変換器１００７とを備えて構成される。
【０００３】
まず、入力されたオーディオ信号は、ＬＰＦ１００１でオーバーサンプリング処理される。オーバーサンプリング処理されたオーディオ信号を基に、絶対値回路１００３と乗算器１００４で構成される高調波生成回路１００２は高調波を生成する。そして、生成された高調波信号はＨＰＦ１００５にて所定の帯域を通過させ、加算器１００６にて、オーバーサンプリングされたオーディオ信号と加算し、Ｄ／Ａ変換器１００７にてアナログ信号に変換し、帯域拡張したオーディオ信号を出力する。
【特許文献１】特開平７−９３９００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上説明した従来技術では、入力されたオーディオ信号を基に高調波を生成し、入力されたオーディオ信号に付加することにより高音域を拡大している。しかしながら、上述の従来技術のオーディオ信号再生装置においては、以下に示す問題点を有していた。
【０００５】
（１）デジタルオーディオ信号に限定した内容であり、オーディオ再生装置で、ラジオ音声、外部入力等によるアナログオーディオ信号に対応するには、Ａ／Ｄ変換器が別途必要になり現実的でない。
【０００６】
（２）再生装置に特化した形であり、アナログ信号のデジタル化における情報欠落を補完して高音質に記録することができない。
【０００７】
（３）入力オーディオ信号を広帯域処理した後に、再生処理（Ｄ／Ａ変換）を実施するため、オーディオ再生装置全体で見た場合、同一機能ブロックが重複して無駄が多い。
【０００８】
本発明の目的は、以上の問題点を解決し、デルタシグマ変調器の構成を拡張して、高音域の帯域を拡張するため、入力信号がアナログ信号であってもデジタル信号であっても簡単な構成で実現できる。更に、デジタルアンプの構成に近いため、デジタルアンプの音質改善が可能であると共に、再生系における同一機能ブロックの重複を避けることができる自然な音質を持つオーディオ信号の帯域を拡張するための装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために、第１の発明に係るオーディオ信号の帯域を拡張するための装置は、所定の量子化数で量子化する量子化器と、量子化器の入出力の差を算出する第１の加算器と、第１の加算器の出力を所定の伝達特性で処理する第１の信号処理器と、入力されるオーディオ信号と第１の信号処理器の出力との差を算出して量子化器に入力する第２の加算器とで構成したデルタシグマ変調器と、量子化器の出力の所定の帯域のレベルを検出するレベル検出器と、レベル検出器の出力と第１の加算器の出力を乗算する乗算器と、乗算器の出力の所定の帯域を通過させるバンドパスフィルタと、量子化器の出力とバンドパスフィルタの出力とを加算する第３の加算器とを備えたものであり、オーディオ信号の高域に、信号レベルに同期した量子化雑音を付加することにより、帯域を拡張する。
【００１０】
第２の発明に係るオーディオ信号の帯域を拡張するための装置は、所定の量子化数で量子化する量子化器と、量子化器の入出力の差を算出して量子化器に入力する第１の加算器と、第１の加算器の出力を所定の伝達特性で処理する第１の信号処理器と、入力されるオーディオ信号と第１の信号処理器の出力との差を算出する第２の加算器とで構成したデルタシグマ変調器と、量子化器の出力を基に高調波を生成する第２の信号処理器と、量子化器の出力の所定の帯域のレベルを検出するレベル検出器と、レベル検出器の出力と第２の信号処理器の出力を乗算する乗算器と、乗算器の出力の所定の帯域を通過させるバンドパスフィルタと、量子化器の出力とバンドパスフィルタの出力とを加算する第３の加算器とを備えたものであり、オーディオ信号の高域に、高調波を付加することにより、帯域を拡張する。
【００１１】
第３の発明に係るオーディオ信号の帯域を拡張するための装置は、所定の量子化数で量子化する量子化器と、量子化器の入出力の差を算出して量子化器に入力する第１の加算器と、第１の加算器の出力を所定の伝達特性で処理する第１の信号処理器と、入力されるオーディオ信号と第１の信号処理器の出力との差を算出する第２の加算器とで構成したデルタシグマ変調器と、量子化器の出力を基に高調波を生成する第２の信号処理器と、第２の信号処理器の出力と第１の加算器の出力を加算する第４の加算器と、量子化器の出力の所定の帯域のレベルを検出するレベル検出器と、レベル検出器の出力と第４の加算器の出力を乗算する乗算器と、乗算器の出力の所定の帯域を通過させるバンドパスフィルタと、量子化器の出力と前記バンドパスフィルタの出力とを加算する第３の加算器とを備えたものであり、オーディオ信号の高域に、信号レベルに同期した量子化雑音および高調波を付加することにより、帯域を拡張する。
【００１２】
第４の発明に係るオーディオ信号の帯域を拡張するための装置は、第３の加算器の出力を電力増幅する電力増幅器と、電力増幅器の出力から所定の帯域を通過させるローパスフィルタとを備えたものであり、電力増幅器の帯域を拡張する。
【００１３】
第５の発明に係るオーディオ信号の帯域を拡張するための装置は、入力されるオーディオ信号は、デジタル信号であり、入力されるオーディオ信号を前記入力されるオーディオ信号の持つ帯域以上の帯域を有する量子化器の量子化数に再量子化されたデジタルオーディオ信号を出力するものであり、デジタルオーディオ信号の帯域を拡張する。
【００１４】
第６の発明に係るオーディオ信号の帯域を拡張するための装置は、入力されるオーディオ信号は、アナログ信号であり、入力されるオーディオ信号を入力されるオーディオ信号の持つ帯域以上の帯域を有する量子化器の量子化数を持つデジタル信号に変換したオーディオ信号を出力するものであり、アナログオーディオ信号の帯域を拡張する。
【００１５】
第７の発明に係るオーディオ信号の帯域を拡張するための装置は、バンドパスフィルタの出力レベルを調整可能としたものであり、第３の加算器で加算する２つの信号のレベルを相対的に調整できる。
【００１６】
第８の発明に係るオーディオ信号の帯域を拡張するための装置は、バンドパスフィルタの低域側の遮断特性を調整可能としたものであり、ユーザーによる音質の選択が出来る。
【００１７】
第９の発明に係るオーディオ信号の帯域を拡張するための装置は、バンドパスフィルタの高域側の遮断特性を−６ｄＢ／ｏｃｔもしくは−１２ｄＢ／ｏｃｔとしたものである。
【００１８】
第１０の発明に係る信号処理プログラムは、第１乃至第３の発明に係るオーディオ信号の帯域を拡張するための装置の各構成要素の機能をコンピュータで実行させるものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係るオーディオ信号の帯域を拡張するための装置によれば、入力されるオーディオ信号をデルタシグマ変調器により所定の量子化数を有するデジタル信号に変換する。その際に発生する量子化雑音をデルタシグマ変調器の出力を基にレベル調整を行い、帯域通過フィルタで帯域制限を行い、入力されたオーディオ信号に加算することにより、帯域拡張を行っている。
【００２０】
入力されるアナログオーディオ信号を高精度なデジタル信号に変換する、或いは入力されるデジタル信号を再量子化して高精度なアナログ信号に変換するのに活用されているデルタシグマ変調（シグマデルタ変調）の構成を有するため、入力するオーディオ信号がアナログ信号でもデジタル信号でも入力されたオーディオ信号の帯域が拡張できる効果を有している。
【００２１】
更に、デルタシグマ変調器の出力を電力増幅することでデジタルアンプが容易に構成できるため、デジタルアンプの再生信号の帯域拡張が容易となり、デジタルアンプの高音質化が容易となる。また、デジタルアンプで再生帯域の拡張ができるため複数の再生装置で同一の機能を重複することが無くなる効果を有している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２３】
（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信号の帯域を拡張するための装置の構成ブロック図である。図１において、Ｔ１は入力端子、Ｔ２は出力端子、１０１，１０３，１１０は加算器、１０７は乗算器、１０９はアッテネータ、１０２は量子化器、１０５はデルタシグマ変調器、１０４は第１の信号処理器としての信号処理ブロック、１０６はレベル検出器、１０８はバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）である。図１を用いて本発明の実施の形態１の動作を説明する。
【００２４】
オーディオ信号は、入力端子Ｔ１を経由して入力される。入力されたオーディオ信号は、１０１〜１０４で構成されるデルタシグマ変調器１０５にて所定のサンプリング周波数と所定の量子化数を持つデジタル信号に変換される。すなわち、加算器１０３で量子化器１０２の入出力差（量子化雑音、量子化ノイズ）を算出し、この量子化雑音を所定の伝達特性（Ｈ(ｚ-1)）を持つ信号処理ブロック１０４で処理した後、加算器１０１は入力端子Ｔ１からの入力信号と信号処理ブロック１０４の出力信号との差を算出し、量子化器１０２に入力する構成を有している。この様な量子化雑音をある伝達特性で処理して帰還する構成を有することで所望のオーディオ帯域では量子化雑音のレベルが小さくなる様に周波数特性を変化させている。例えば、デルタシグマ変調器１０５の入力信号をｘ、出力をｙ、量子化雑音をＮｑ、信号処理ブロック１０４の伝達関数をＨ(ｚ-1)とすると、
ｙ＝ｘ＋（１−Ｈ(ｚ-1)）Ｎｑ
となる。Ｈ(ｚ-1)＝ｚ-1とすれば、デルタシグマ変調器１０５の出力は、
ｙ＝ｘ＋（１−ｚ-1）Ｎｑ
と表され、１次のノイズシェーピング特性を持つことになる。
【００２５】
デルタシグマ変調器は、より少ない量子化数で高ダイナミックレンジを得るための手段として公知であり、ここでは詳細の説明は省略する。
【００２６】
次に、デルタシグマ変調器１０５で発生する量子化雑音（加算器１０３の出力）は、デルタシグマ変調器１０５が高ダイナミックレンジを有するものであれば、入力との相関が少ない広帯域な無相関ノイズとしての性質を持つ。
【００２７】
一方、レベル検出器１０６は、デルタシグマ変調器１０５の出力信号の所定帯域の信号レベルを検出する。この検出結果を量子化雑音（加算機１０３の出力）に乗算器１０７にて乗算することで、量子化雑音がデルタシグマ変調器１０５の出力信号の信号レベルに同期した形になる。そして、乗算器１０７の出力は、バンドパスフィルタ１０８で所定の帯域のみを通過させる。そして、アッテネータ１０９でレベルを増加減した後、加算器１１０にてデルタシグマ変調器１０５の出力信号に加算して、出力端子Ｔ２を介して出力する。
【００２８】
以上の様な構成の本発明の実施の形態１に対して、デジタルオーディオ信号を入力した場合を説明する。
【００２９】
再生したいデジタルオーディオ信号は、図２に示すオーバーサンプリング型低域通過フィルタ（オーバーサンプリング型ＬＰＦ）にてオーバーサンプリングされる。図３は、オーバーサンプリング型低域通過フィルタ（オーバーサンプリング型ＬＰＦ）２０１の動作説明図である。
【００３０】
図２において、ディジタルオーディオ信号がオーバーサンプリング型低域通過フィルタ２０１に入力される。このディジタルオーディオ信号は、例えばコンパクトディスク（ＣＤ）から再生された信号であり、このとき、当該信号は、サンプリング周波数ｆｓ＝４４．１ｋＨｚと、語長（量子化数）＝１６ビットとを有する信号である。オーバーサンプリング型低域通過フィルタ２０１は、図２に示すように、オーバーサンプリング回路２０２と、デジタル低域通過フィルタ（ＬＰＦ）２０３とを備えて構成され、入力されたデジタルオーディオ信号のサンプリング周波数ｆｓをｐ倍（ｐは、２以上の正の整数である。）し、かつ周波数ｆｓ／２から周波数ｐｆｓ／２までの不要な帯域の信号を６０ｄＢ以上減衰させるディジタルフィルタ回路である。
【００３１】
例えば、ｐ＝２であるとき、サンプリング周波数ｆｓ（サンプリング周期Ｔｓ＝１／ｆｓ）を有するデジタルオーディオ信号は、オーバーサンプリング回路２０２に入力され、オーバーサンプリング回路２０２は、入力されたディジタルオーディオ信号のデータＤ１に対して、図３に示すように、各隣接する２つのデータＤ１の中間位置（時間軸に対して）にサンプリング周期ＴｓでゼロデータＤ２を挿入して補間することによりオーバーサンプリング処理を実行して、サンプリング周波数２ｆｓ（サンプリング周期Ｔｓ／２）を有するディジタルオーディオ信号に変換した後、デジタル低域通過フィルタ２０３に出力する。デジタル低域通過フィルタ２０３は、（ａ）周波数０〜０．４５ｆｓの通過帯域と、（ｂ）周波数０．４５ｆｓ〜ｆｓの阻止帯域と、（ｃ）周波数ｆｓ以上で６０ｄＢ以上の減衰量とを有して、入力ディジタルオーディオ信号を低域通過ろ波することにより、上記オーバーサンプリング処理により発生される折り返し雑音を除去するように帯域制限して、実質的に入力デジタルオーディオ信号の持つ有効な帯域（周波数０〜０．４５ｆｓ）のみを通過させるものである。
【００３２】
図１の構成に入力する場合のオーバーサンプリング率ｐは、デルタシグマ変調器１０５の所望スペックと量子化器１０２の量子化数及び信号処理ブロック１０４の特性によって決定される。一般的にはｐ≧３２となる。
【００３３】
上記のようにオーバーサンプリングされたデジタルオーディオ信号は、入力端子Ｔ１を介して入力される。デルタシグマ変調器１０５で発生する量子化雑音(入力信号がデジタル信号の場合、再量子化雑音、再量子化ノイズと呼ばれる)は、デルタシグマ変調器１０５を高性能なものに設計すると、擬似的に入力信号と無相関な広帯域なランダム雑音信号とみなせる。
【００３４】
一方、レベル検出器１０６は、デルタシグマ変調器１０５の出力信号の所定の帯域（仮に入力信号がＣＤであれば、１０〜２０ｋＨｚ）をフィルタで抽出し、抽出した信号のレベルを求める。ここで、検出する信号のレベルとしては、瞬時値、平均値、エンベロープ等があるが、エンベロープが望ましい。レベル検出器１０６で検出した信号レベルを乗算器１０７にて、量子化雑音（加算機１０３の出力）に乗算する。そして、ＢＰＦ１０８にて帯域制限されて帯域拡張信号として生成される。そして、アッテネータ１０９でレベルを増加減することで調整した後、加算器１１０にてデルタシグマ変調器１０５の出力信号に加算する。
【００３５】
従って、本実施の形態１によれば、デルタシグマ変調器で発生した量子化雑音を用いて帯域拡張信号を生成し、原信号に加算して帯域拡張できるという特有の効果を有している。
【００３６】
ここで、デジタル帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）１０８は、図４に示すように、高域通過フィルタ（ＨＰＦ）４０１と、低域通過フィルタである１／ｆ特性フィルタ４０２とを縦続接続して構成され、例えば、入力されるディジタルオーディオ信号がＣＤプレイヤーなどからの圧縮されていないデジタル信号であるとき、帯域通過フィルタ１０８は好ましくは以下の仕様を有する。
（１）低域側のカットオフ周波数ｆＬＣ＝概略ｆｓ／２。
（２）低域側の遮断特性は周波数ｆｓ／４で８０ｄＢ以上の減衰量。その減衰量は、原音の量子化数に基づくＳＮ比近辺となる。例えば原音の量子化数が１６ビットであれば、理論ＳＮは９８ｄＢとなるので、好ましくは、８０〜１００ｄＢ以上の減衰量を有する。ここで、低域側の遮断特性が緩やかなほど、ソフトな音質となる一方、低域側の遮断特性が急峻なほど、シャープな音質傾向となる。後者の場合、原音の音質傾向を損なうことなく、帯域拡張の効果が出る。従って、デジタル高域通過フィルタ４０１の、上記低域側の遮断特性を、外部のコントローラからユーザの指示信号に従って例えば上記の２つの特性の間で選択的に変化できるように切り換え可能にすることが好ましい。
（３）高域側のカットオフ周波数ｆＨＣ＝概略ｆｓ／２。
（４）高域側の遮断特性は−６ｄＢ／ｏｃｔ（図５参照）。
【００３７】
ここで、１／ｆ特性フィルタ４０２は、図５に示すように、周波数０からｆｓ／２までの帯域Ｂ１よりも高い、周波数ｆｓ／２からｐ・ｆｓ／２までの帯域Ｂ２において−６ｄＢ／ｏｃｔの傾斜を有する減衰特性を備えた、いわゆる１／ｆ特性の低域通過フィルタである。ここで、ｐはオーバーサンプリング率である。
【００３８】
帯域通過フィルタ１０８は、入力されるデジタル信号を上述のように帯域通過ろ波して、帯域通過ろ波後のデジタル帯域拡張信号をアッテネータ１０９を介して加算器１１０に出力する。さらに、加算器１１０は、アッテネータ１０９からのデジタル帯域拡張信号を、デルタシグマ変調器１０５からのデジタルオーディオ信号に加算することにより、原音のデジタルオーディオ信号に加えてデジタル帯域拡張信号を含むデジタルオーディオ信号を出力端子Ｔ２を介して出力する。
【００３９】
ここで、アッテネータ１０９はレベル制御回路であって、入力される信号のレベル（振幅値）を、制御信号に基づいた増幅度（当該増幅度は正の増幅処理もあるが、負の減衰処理も可能である。）で変化させ、入力信号の信号レベルを増加減する。アッテネータ１０９は、デルタシグマ変調器１０５からのデジタルオーディオ信号のレベルと、帯域通過フィルタ１０８からのデジタル帯域拡張信号のレベルとを相対的に調整するために用いられる。この調整は、好ましくは、加算器１１０において、例えば周波数ｆｓ／２においてこれら２つの信号のレベルが実質的に一致するように、すなわちスペクトルの連続性を保持するように設定される。
【００４０】
以上の実施の形態１においては、１／ｆ特性フィルタ４０２を用いているが、本発明はこれに限らず、１／ｆ特性フィルタ４０２に代えて、図６の減衰特性を有する１／ｆ２特性フィルタを備えてもよい。ここで、１／ｆ２特性フィルタは、図６に示すように、周波数０からｆｓ／２までの帯域Ｂ１よりも高い、周波数ｆｓ／２からｐ・ｆｓ／２までの帯域Ｂ２において−１２ｄＢ／ｏｃｔの傾斜を有する減衰特性を備えた、いわゆる１／ｆ２特性の低域通過フィルタである。
【００４１】
以上の実施の形態１においては、入力されるデジタルオーディオ信号がＣＤプレイヤーなどからの圧縮されていないデジタル信号であるときの帯域通過フィルタ１０８の好ましい仕様について説明したが、入力されるデジタルオーディオ信号が、ＭＤ（Mini Disc）プレイヤーからのデジタル信号（以下、ＭＤ信号という。）、もしくは、ＭＰＥＧ−４のオーディオ信号で用いられるＡＡＣ（Advanced Audio Coding）により圧縮符号化されたデジタルオーディオ信号（以下、ＡＡＣ信号という。）であるときは、帯域通過フィルタ１０８の低域側及び高域側のカットオフ周波数ｆｓ／２を、これらの圧縮音声信号の再生帯域上限周波数に設定することが好ましい。ここで、ＭＤ信号及びＡＡＣ信号のサンプリング周波数ｆｓは例えば４４．１ｋＨｚ又は４８ｋＨｚであり、ＡＡＣ信号のハーフレート信号の場合のサンプリング周波数ｆｓは２２．０５ｋＨｚ又は２４ｋＨｚである。前者の場合において、再生帯域上限周波数は概ね１０ｋＨｚないし１８ｋＨｚであり、後者の場合において、再生帯域上限周波数は概ね５ｋＨｚないし９ｋＨｚである。
【００４２】
次に入力信号がアナログオーディオ信号の場合を説明する。入力信号がアナログの場合、図２に示すオーバーサンプリング型ＬＰＦは使用せずに、入力端子Ｔ１に入力されて、デルタシグマ変調器１０５にて、デジタル信号に変換される。この場合も、量子化器１０２で発生する量子化雑音を帯域拡張信号に用い、レベル検出器１０６で検出した信号と乗算し、バンドパスフィルタ１０８で帯域制限を施し、アッテネータ１０９でレベル調整を行い、加算器１１０にてデルタシグマ変調器１０５の出力に加算して、出力端子Ｔ２を介して出力する構成を有する。入力信号をデジタル信号に変換した後、帯域を拡張することで、基の信号以上に帯域拡張できる。それによって、音質の制御が可能となる特有の効果を有している。
【００４３】
更に、図１の出力信号を図７に示す構成に入力することで、Ｄ級電力増幅器（デジタルアンプ）を構成できる。
【００４４】
図７において、７０１は入力信号を１ビットのパルス幅信号に変換するＰＷＭ、７０２は、ＰＷＭ７０１の出力信号を基に、電力増幅デバイス７０３及び７０４を駆動するための信号を生成するドライバーで、ドライバー７０２と電力増幅デバイス７０３，７０４で電力増幅器７０５を構成する。７０６はコイル、７０７はコンデンサでローパスフィルタ７０８を構成する。
【００４５】
すなわち、図１に示す出力端子Ｔ２からの出力信号は、デルタシグマ変調器１０５の量子化器１０２の量子化数によっても異なるが、図７に示す波形Ａの様な多値の信号とする。
【００４６】
この信号は、ＰＷＭ７０１により、振幅方向の諧調がパルス幅として表現される波形Ｂに示すような、２値(１ビット)の信号に変換される。そして、電力増幅器７０５にて電力増幅され波形Ｃのようになる。次に、所望の特性を持つ（通常は、オーディオ帯域を通過させる）ローパスフィルタ７０８でろ波されて、波形Ｄの様なアナログ信号に変換されて、出力端子を経由して負荷（図示していない、通常スピーカ或いはヘッドホーン）に電力を供給する。
【００４７】
以上の様な構成で、アナログ入力信号、デジタル入力信号の双方に対応でき且つ再生帯域が広いＤ級電力増幅器を提供できるという特有の効果を有している。
【００４８】
以上説明したように、本発明に係る実施の形態１によれば、入力された信号（アナログ信号またはデジタル信号）を量子化する際に発生する量子化雑音を帯域通過フィルタで帯域制限を行い、レベル制御した後、量子化されたオーディオ信号に加算することにより、帯域拡張を行っている。奇数次高調波成分のみを発生させる従来技術と比較して、本発明の実施の形態１では、広帯域なランダムノイズを用いて帯域拡張信号を生成するため、固有の高調波構造を有さないため自然な感じが得られ、音質上違和感や劣化が無く、オーディオ信号の帯域を拡張できる効果を有している。
【００４９】
また、従来例のように帯域拡張を行った後にＤ／Ａ変換するのではなく、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、或いは、デジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器を構成するのに用いられるデルタシグマ変調器で発生する量子化雑音を用いて帯域拡張信号を生成して、帯域拡張を行う。このようにＡ／Ｄ変換或いはＤ／Ａ変換の中で帯域拡張ができるため、ローコスト、省電力で帯域拡張ができる効果と、入力信号がアナログであってもデジタルであっても実現可能な効果を有している。
【００５０】
更に、上述のようにデルタシグマ変調器を応用した構成であるため、デジタルアンプ（Ｄ級アンプ）での帯域拡張の実現が容易である効果を有している。
【００５１】
なお、本実施の形態１では、Ｔ２からの出力信号を多値のデジタル信号として説明したが、２値のデジタル信号の場合は、ＰＷＭ７０１を経由せずに、直接ドライバ７０２に入力すればよいことは言うまでもない。
【００５２】
（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２におけるオーディオ信号の帯域を拡張するための装置の構成ブロック図である。図８において、実施の形態１で説明したものと同じ番号が記載されているブロックは、同一の機能を有しているため、本実施の形態２では説明を省略する。デルタシグマ変調器１０５から出力された信号は、第２の信号処理器としての非線形処理ブロック８０１にて、非線形処理されることで、高調波を生成する。この高調波を含む非線形処理ブロック８０１の出力信号は、レベル検出器１０６の出力との積を乗算器１０７で行い、バンドパスフィルタ１０８にて所望の帯域を取り出し、帯域拡張信号を生成して、アッテネータ１０９にてレベルを増加減することで調整を行い、加算器１１０にて、デルタシグマ変調器１０５の出力と加算する構成を持つ。
【００５３】
ここで高調波を生成する非線形処理ブロック８０１は、例えば、入力信号を半波整流、全波整流、二乗等の処理をする簡単な構成でも良い。また、オーディオ増幅器が発生する高調波構造や楽器が発生する高調波構造等をシミュレートして発生させても良い。
【００５４】
以上説明したように、本発明に係る実施の形態２によれば、入力された信号（アナログ信号またはデジタル信号）をデルタシグマ変調器で量子化し、その出力を基に高調波を生成し、帯域通過フィルタで帯域制限を行い、レベル制御した後、デルタシグマ変調器の出力オーディオ信号に加算することにより、帯域拡張を行っている。
【００５５】
本実施の形態は、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換、或いは、デジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換をデルタシグマ変調方式とし、その構成するのに用いられるデルタシグマ変調器に高調波を発生するブロックを付加して帯域制限することで帯域拡張信号を生成して、デルタシグマ変調器の出力に加算するという簡単な構成で実現できるため、ローコスト、省電力で帯域拡張ができる効果と、入力信号がアナログであってもデジタルであっても実現可能な効果を有している。
【００５６】
（実施の形態３）
図９は、本発明の実施の形態３におけるオーディオ信号の帯域を拡張するための装置の構成ブロック図である。図９において、実施の形態１及び２で説明したものと同じ番号が記載されているブロックは、同一の機能を有しているため、本実施の形態３では説明を省略する。デルタシグマ変調器１０５から出力された信号は、非線形処理ブロック８０１にて、非線形処理されることで、高調波を生成する。この高調波を含む非線形処理ブロック８０１の出力信号は、アッテネータ９０１でレベルを増加減する。また、デルタシグマ変調器１０５で発生する量子化雑音（加算器１０３の出力）はアッテネータ９０２でレベルが増加減される。そして、アッテネータ９０１，９０２の出力は、加算器９０３で加算される。そして、この加算結果は、レベル検出器１０６の出力との積を乗算器１０７で行い、バンドパスフィルタ１０８にて所望の帯域を取り出し、帯域拡張信号を生成して、アッテネータ１０９にてレベルを増加減することで調整を行い、加算器１１０にて、デルタシグマ変調器１０５の出力と加算する構成を持つ。
【００５７】
ここで帯域拡張信号として、デルタシグマ変調器１０５の出力を基に高調波を生成した信号に、デルタシグマ変調器１０５で発生する量子化雑音用いた広帯域ランダムノイズを加算したものを帯域制限して帯域拡張信号を生成している。
【００５８】
そのため、実施の形態１及び２で述べた作用効果に加えて、原音（入力信号）に基づいて生成したランダム信号を帯域拡張信号として使用することで、高調波のみの帯域拡張信号に比べて、より自然に聴こえるという特有の効果を有している。
【００５９】
以上の実施の形態１から３においては、オーディオ信号の帯域を拡張するための装置を、ハードウエアのディジタル信号処理回路で構成しているが、本発明はこれに限らず、例えば、図１、図８及び図９の構成を信号処理プログラムで実現して、当該信号処理プログラムをＤＳＰ（ディジタル・シグナル・プロセッサ）により実行してもよい。
【００６０】
なお、図１、図８及び図９におけるアッテネータ１０９，９０１，９０２は、他のブロックにレベルを増加減できる機能があれば、省略してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明にかかるオーディオ信号の帯域を拡張するための装置は、オーディオ機器におけるオーディオ信号、特に高音域の音質の向上を図り、人間の耳に快適なオーディオ信号の再生が可能になるので、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器並びにデジタルアンプの高音質化
等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施の形態１におけるオーディオ信号の帯域を拡張するための装置の構成を示すブロック図
【図２】オーバーサンプリング型ＬＰＦ２０１の構成を示すブロック図
【図３】オーバーサンプリングの動作の説明図
【図４】バンドパスフィルタ１０８の構成を示すブロック図
【図５】バンドパスフィルタ１０８の特性の説明図
【図６】バンドパスフィルタ１０８の特性の説明図
【図７】Ｄ級電力増幅器の構成を示すブロック図
【図８】本発明の実施の形態２におけるオーディオ信号の帯域を拡張するための装置の構成を示すブロック図
【図９】本発明の実施の形態３におけるオーディオ信号の帯域を拡張するための装置の構成を示すブロック図
【図１０】従来技術のオーディオ信号再生装置の構成を示すブロック図
【符号の説明】
【００６３】
１０１ 加算器
１０２ 量子化器
１０３ 加算器
１０４ 信号処理ブロック
１０５ デルタシグマ変調器
１０６ レベル検出器
１０７ 乗算器
１０８ バンドパスフィルタ
１０９ アッテネータ
１１０ 加算器
７０５ 電力増幅器
７０８ ローパスフィルタ
８０１ 非線形処理ブロック
９０１，９０２ アッテネータ
９０３ 加算器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の量子化数で量子化する量子化器と、
前記量子化器の入出力の差を算出する第１の加算器と、
前記第１の加算器の出力を所定の伝達特性で処理する第１の信号処理器と、
入力されるオーディオ信号と前記第１の信号処理器の出力との差を算出して前記量子化器に入力する第２の加算器と
で構成したデルタシグマ変調器と、
前記量子化器の出力の所定の帯域のレベルを検出するレベル検出器と、
前記レベル検出器の出力と前記第１の加算器の出力を乗算する乗算器と、
前記乗算器の出力の所定の帯域を通過させるバンドパスフィルタと、
前記量子化器の出力と前記バンドパスフィルタの出力とを加算する第３の加算器とを備えたオーディオ信号の帯域を拡張するための装置。
【請求項２】
所定の量子化数で量子化する量子化器と、
前記量子化器の入出力の差を算出する第１の加算器と、
前記第１の加算器の出力を所定の伝達特性で処理する第１の信号処理器と、
入力されるオーディオ信号と前記第１の信号処理器の出力との差を算出して前記量子化器に入力する第２の加算器と
で構成したデルタシグマ変調器と、
前記量子化器の出力を基に高調波を生成する第２の信号処理器と、
前記量子化器の出力の所定の帯域のレベルを検出するレベル検出器と、
前記レベル検出器の出力と前記第２の信号処理器の出力を乗算する乗算器と、
前記乗算器の出力の所定の帯域を通過させるバンドパスフィルタと、
前記量子化器の出力と前記バンドパスフィルタの出力とを加算する第３の加算器とを備えたオーディオ信号の帯域を拡張するための装置。
【請求項３】
所定の量子化数で量子化する量子化器と、
前記量子化器の入出力の差を算出する第１の加算器と、
前記第１の加算器の出力を所定の伝達特性で処理する第１の信号処理器と、
入力されるオーディオ信号と前記第１の信号処理器の出力との差を算出して前記量子化器に入力する第２の加算器と
で構成したデルタシグマ変調器と、
前記量子化器の出力を基に高調波を生成する第２の信号処理器と、
前記第２の信号処理器の出力と前記第１の加算器の出力を加算する第４の加算器と、
前記量子化器の出力の所定の帯域のレベルを検出するレベル検出器と、
前記レベル検出器の出力と前記第４の加算器の出力を乗算する乗算器と、
前記乗算器の出力の所定の帯域を通過させるバンドパスフィルタと、
前記量子化器の出力と前記バンドパスフィルタの出力とを加算する第３の加算器とを備えたオーディオ信号の帯域を拡張するための装置。
【請求項４】
前記第３の加算器の出力を電力増幅する電力増幅器と、
前記電力増幅器の出力から所定の帯域を通過させるローパスフィルタとを備えたことを特徴とする請求項１乃至３記載のオーディオ信号の帯域を拡張するための装置。
【請求項５】
前記入力されるオーディオ信号は、デジタル信号であり、前記入力されるオーディオ信号を前記入力されるオーディオ信号の持つ帯域以上の帯域を有する前記量子化器の量子化数に再量子化されたデジタルオーディオ信号を出力することを特徴とする請求項１乃至４記載のオーディオ信号の帯域を拡張するための装置。
【請求項６】
前記入力されるオーディオ信号は、アナログ信号であり、前記入力されるオーディオ信号を前記入力されるオーディオ信号の持つ帯域以上の帯域を有する前記量子化器の量子化数を持つデジタル信号に変換したオーディオ信号を出力することを特徴とする請求項１乃至４記載のオーディオ信号の帯域を拡張するための装置。
【請求項７】
前記バンドパスフィルタの出力レベルを調整可能としたことを特徴とする請求項１乃至３記載のオーディオ信号の帯域を拡張するための装置。
【請求項８】
前記バンドパスフィルタの低域側の遮断特性を調整可能としたことを特徴とする請求項１乃至３記載のオーディオ信号の帯域を拡張するための装置。
【請求項９】
前記バンドパスフィルタの高域側の減衰特性を−６ｄＢ／ｏｃｔもしくは−１２ｄＢ／ｏｃｔとしたことを特徴とする請求項１乃至３記載のオーディオ信号の帯域を拡張するための装置。
【請求項１０】
請求項１乃至３記載のオーディオ信号の帯域を拡張するための装置の各構成要素の機能をコンピュータで実行させるための信号処理プログラム。
【請求項１】
所定の量子化数で量子化する量子化器と、
前記量子化器の入出力の差を算出する第１の加算器と、
前記第１の加算器の出力を所定の伝達特性で処理する第１の信号処理器と、
入力されるオーディオ信号と前記第１の信号処理器の出力との差を算出して前記量子化器に入力する第２の加算器と
で構成したデルタシグマ変調器と、
前記量子化器の出力の所定の帯域のレベルを検出するレベル検出器と、
前記レベル検出器の出力と前記第１の加算器の出力を乗算する乗算器と、
前記乗算器の出力の所定の帯域を通過させるバンドパスフィルタと、
前記量子化器の出力と前記バンドパスフィルタの出力とを加算する第３の加算器とを備えたオーディオ信号の帯域を拡張するための装置。
【請求項２】
所定の量子化数で量子化する量子化器と、
前記量子化器の入出力の差を算出する第１の加算器と、
前記第１の加算器の出力を所定の伝達特性で処理する第１の信号処理器と、
入力されるオーディオ信号と前記第１の信号処理器の出力との差を算出して前記量子化器に入力する第２の加算器と
で構成したデルタシグマ変調器と、
前記量子化器の出力を基に高調波を生成する第２の信号処理器と、
前記量子化器の出力の所定の帯域のレベルを検出するレベル検出器と、
前記レベル検出器の出力と前記第２の信号処理器の出力を乗算する乗算器と、
前記乗算器の出力の所定の帯域を通過させるバンドパスフィルタと、
前記量子化器の出力と前記バンドパスフィルタの出力とを加算する第３の加算器とを備えたオーディオ信号の帯域を拡張するための装置。
【請求項３】
所定の量子化数で量子化する量子化器と、
前記量子化器の入出力の差を算出する第１の加算器と、
前記第１の加算器の出力を所定の伝達特性で処理する第１の信号処理器と、
入力されるオーディオ信号と前記第１の信号処理器の出力との差を算出して前記量子化器に入力する第２の加算器と
で構成したデルタシグマ変調器と、
前記量子化器の出力を基に高調波を生成する第２の信号処理器と、
前記第２の信号処理器の出力と前記第１の加算器の出力を加算する第４の加算器と、
前記量子化器の出力の所定の帯域のレベルを検出するレベル検出器と、
前記レベル検出器の出力と前記第４の加算器の出力を乗算する乗算器と、
前記乗算器の出力の所定の帯域を通過させるバンドパスフィルタと、
前記量子化器の出力と前記バンドパスフィルタの出力とを加算する第３の加算器とを備えたオーディオ信号の帯域を拡張するための装置。
【請求項４】
前記第３の加算器の出力を電力増幅する電力増幅器と、
前記電力増幅器の出力から所定の帯域を通過させるローパスフィルタとを備えたことを特徴とする請求項１乃至３記載のオーディオ信号の帯域を拡張するための装置。
【請求項５】
前記入力されるオーディオ信号は、デジタル信号であり、前記入力されるオーディオ信号を前記入力されるオーディオ信号の持つ帯域以上の帯域を有する前記量子化器の量子化数に再量子化されたデジタルオーディオ信号を出力することを特徴とする請求項１乃至４記載のオーディオ信号の帯域を拡張するための装置。
【請求項６】
前記入力されるオーディオ信号は、アナログ信号であり、前記入力されるオーディオ信号を前記入力されるオーディオ信号の持つ帯域以上の帯域を有する前記量子化器の量子化数を持つデジタル信号に変換したオーディオ信号を出力することを特徴とする請求項１乃至４記載のオーディオ信号の帯域を拡張するための装置。
【請求項７】
前記バンドパスフィルタの出力レベルを調整可能としたことを特徴とする請求項１乃至３記載のオーディオ信号の帯域を拡張するための装置。
【請求項８】
前記バンドパスフィルタの低域側の遮断特性を調整可能としたことを特徴とする請求項１乃至３記載のオーディオ信号の帯域を拡張するための装置。
【請求項９】
前記バンドパスフィルタの高域側の減衰特性を−６ｄＢ／ｏｃｔもしくは−１２ｄＢ／ｏｃｔとしたことを特徴とする請求項１乃至３記載のオーディオ信号の帯域を拡張するための装置。
【請求項１０】
請求項１乃至３記載のオーディオ信号の帯域を拡張するための装置の各構成要素の機能をコンピュータで実行させるための信号処理プログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００７−３３４１７３（Ｐ２００７−３３４１７３Ａ）
【公開日】平成１９年１２月２７日（２００７．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１６８３１９（Ｐ２００６−１６８３１９）
【出願日】平成１８年６月１９日（２００６．６．１９）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月２７日（２００７．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月１９日（２００６．６．１９）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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