帯域拡張装置
【課題】 帯域拡張成分においてスペクトル包絡のピークを正しく再現することにより、聴認度の向上を図ることができる帯域拡張装置を提供する。
【解決手段】 入力信号に基づいて帯域拡張成分を生成し、この生成した帯域拡張成分を入力信号に付加することにより入力信号の帯域を拡張する帯域拡張装置２である。この帯域拡張装置２は、入力信号から所定の帯域成分を抽出するための帯域成分抽出手段１４と、この抽出された所定の帯域成分をシフトさせるための周波数シフト手段２０と、シフトにより生成された帯域拡張成分と入力信号とを加算するための加算手段１０と、を備えている。周波数シフト手段２０は、所定の帯域成分のスペクトル包絡のピークにおける周波数に基づいて、所定の帯域成分をシフトさせる。
【解決手段】 入力信号に基づいて帯域拡張成分を生成し、この生成した帯域拡張成分を入力信号に付加することにより入力信号の帯域を拡張する帯域拡張装置２である。この帯域拡張装置２は、入力信号から所定の帯域成分を抽出するための帯域成分抽出手段１４と、この抽出された所定の帯域成分をシフトさせるための周波数シフト手段２０と、シフトにより生成された帯域拡張成分と入力信号とを加算するための加算手段１０と、を備えている。周波数シフト手段２０は、所定の帯域成分のスペクトル包絡のピークにおける周波数に基づいて、所定の帯域成分をシフトさせる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力信号に基づいて帯域拡張成分を生成し、この生成した帯域拡張成分を入力信号に付加することにより入力信号の帯域を拡張する帯域拡張装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、人の可聴上限周波数は２０ｋＨｚであると言われてきたが、近年の研究で２０ｋＨｚ以上の音を知覚していることが分かってきた。ところが、例えば携帯電話などの電話システムでは、伝送される音声信号の帯域は３００Ｈｚ〜３．４ｋＨｚであり、３．４ｋＨｚ以上の帯域成分はカットされている。また、例えばＣＤプレイヤなどのデジタル音響機器では、サンプリング周波数によって高域の再生上限周波数（例えば２２．０５ｋＨｚ）が決まっており、デジタル音響機器を再生するときには、この再生上限周波数以上の帯域成分がカットされる。このため、電話の通話時やデジタル音響機器の再生時などには、聴感上不自然な感じがする場合がある。
【０００３】
そこで、カットされた高域の帯域成分を再現して帯域を拡張することにより、電話の通話音質やデジタル音響機器の再生音質などを改善する帯域拡張装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。従来の帯域拡張装置は、入力信号から所定の帯域成分を抽出するためのハイパスフィルタと、この抽出された所定の帯域成分を高域側にシフトさせるための周波数シフト回路と、このようにシフトすることにより生成された高域拡張成分と入力信号とを加算するための加算器と、を備えている。周波数シフト回路による所定の帯域成分のシフト量は、所定の周波数範囲（９．４５ｋＨｚ〜１２．６ｋＨｚ）内にある基本周波数の倍音成分の周波数に設定されている。これにより、倍音列が高域まで連続して配置された高域拡張成分が生成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１０４０１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、入力信号の性質を表す重要な要素として、スペクトル包絡の１次共振モードのピークにおける周波数（以下、「ピーク周波数」という）がある。音声におけるスペクトル包絡のピーク周波数はホルマントピーク周波数であり、このホルマントピーク周波数は、声道伝達系の音韻を識別するために重要である。また、楽音におけるスペクトル包絡のピーク周波数は、楽器の種類及びその各部分の構造に基づく共振系の共鳴周波数であり、この共鳴周波数は、楽音の特徴を表すものとして重要である。このようなスペクトル包絡のピーク周波数は共鳴・共振現象であるため、逓倍となる周波数に高次共振モードを有するのが一般的である。従って、高域拡張成分を生成する際には、基本周波数の倍音と同様に、適切な周波数にスペクトル包絡の高次共振モードのピークを持たせることが重要となる。
【０００６】
しかしながら、上述のような従来の帯域拡張装置では、周波数シフト回路による所定の帯域成分のシフト量は、基本周波数及びその倍音に基づいて設定されており、スペクトル包絡のピーク周波数とは無関係であるため、高域拡張成分においてスペクトル包絡の高次共振モードのピークを再現することができなかった。そのため、自然な特性の入力信号を得るのは難しく、聴認度の向上には限界があった。
【０００７】
本発明の目的は、帯域拡張成分においてスペクトル包絡のピークを再現することにより、聴認度の向上を図ることができる帯域拡張装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の請求項１に記載の帯域拡張装置では、入力信号に基づいて帯域拡張成分を生成し、この生成した帯域拡張成分を入力信号に付加することにより入力信号の帯域を拡張する帯域拡張装置であって、
入力信号から所定の帯域成分を抽出するための帯域成分抽出手段と、この抽出された前記所定の帯域成分のスペクトル包絡のピークにおける周波数に基づいて前記所定の帯域成分をシフトさせるための周波数シフト手段と、このようにシフトすることにより生成された帯域拡張成分と前記入力信号とを加算するための加算手段と、を備えていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の請求項２に記載の帯域拡張装置では、前記周波数シフト手段は、前記帯域成分抽出手段により抽出された前記所定の帯域成分を高域側にシフトさせ、前記加算手段は、このようにシフトすることにより生成された前記帯域拡張成分としての高域拡張成分と前記入力信号とを加算し、
前記周波数シフト手段による前記所定の帯域成分のシフト量は、抽出された前記所定の帯域成分のスペクトル包絡のピークにおける周波数又はその逓倍の周波数であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の請求項３に記載の帯域拡張装置では、前記帯域成分抽出手段は、前記入力信号から前記所定の帯域成分を複数抽出し、前記周波数シフト手段は、この抽出された前記複数の所定の帯域成分を高域側にそれぞれシフトさせ、前記加算手段は、このようにシフトすることにより生成された複数の前記高域拡張成分と前記入力信号とを加算し、
前記周波数シフト手段による前記複数の所定の帯域成分の各々のシフト量は、前記複数の所定の帯域成分の各々のスペクトル包絡のピークにおける周波数又はその逓倍の周波数であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の請求項４に記載の帯域拡張装置では、前記周波数シフト手段は、シフトにより生成された前記高域拡張成分のスペクトル包絡のピークが前記入力信号の帯域外に配置されるように、そのシフト量を前記所定の帯域成分のスペクトル包絡のピークにおける周波数又はその逓倍の周波数に設定することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の請求項５に記載の帯域拡張装置では、前記周波数シフト手段は、前記帯域成分抽出手段により抽出された前記所定の帯域成分を低域側にシフトさせ、前記加算手段は、このようにシフトすることにより生成された前記帯域拡張成分としての低域拡張成分と前記入力信号とを加算し、
前記周波数シフト手段による前記所定の帯域成分のシフト量は、抽出された前記所定の帯域成分のスペクトル包絡のピークにおける周波数であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の請求項６に記載の帯域拡張装置では、前記入力信号は、マイクロホンや振動ピックアップ、骨伝導マイクロホン、デジタル音響機器、電話システム、人工声帯等により生成される音声信号又は楽音信号であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の請求項１に記載の帯域拡張装置によれば、周波数シフト手段は、帯域成分抽出手段により抽出された所定の帯域成分のスペクトル包絡のピークにおける周波数に基づいて、所定の帯域成分をシフトさせる。このシフトにより生成された帯域拡張成分と入力信号とが加算手段により加算されることにより、入力信号の帯域が拡張される。上述のようにシフトさせることによって、帯域拡張成分にスペクトル包絡の高次共振モード又は基底帯域のピークを再現することができ、それ故に、自然な特性の出力信号（即ち、加算手段より出力される信号）を得ることができ、聴認度の向上を図ることができる。例えば入力信号が音声信号である場合には、一般に、スペクトル包絡のピーク周波数は音声ホルマントピーク付近の音声ピッチ周波数の倍音（即ち、ホルマントピーク周波数）となり、周波数シフト手段によるシフト量はこのホルマントピーク周波数となる。周波数シフト手段により所定の帯域成分をホルマントピーク周波数に基づいてシフトさせることにより、ホルマントピーク周波数の高次共振モード周波数を中心とした音声ピッチ周波数間隔の帯域拡張成分を得ることができ、これにより、音声ホルマントピークの高次共振モードが強調された自然な音声を出力信号として得ることができる。また、例えば入力信号が楽音信号である場合には、一般に、スペクトル包絡のピーク周波数は楽器の構造に基づく共鳴ピーク周波数となり、周波数シフト手段によるシフト量はこの共鳴ピーク周波数となる。周波数シフト手段により所定の帯域成分を共鳴ピーク周波数に基づいてシフトさせることにより、共鳴ピーク周波数の高次共振モード周波数を中心とした音程周波数間隔の帯域拡張成分を得ることができ、これにより、楽器の構造に基づく共鳴ピークの高次共振モードが強調された自然な楽音を出力信号として得ることができる。
【００１５】
また、本発明の請求項２に記載の帯域拡張装置によれば、周波数シフト手段は、帯域成分抽出手段により抽出された所定の帯域成分を高域側にシフトさせる。このように高域側にシフトすることにより生成された高域拡張成分と入力信号とが加算手段により加算されることにより、入力信号の高域側に高域拡張成分が付加される。周波数シフト手段による所定の帯域成分のシフト量は、抽出された所定の帯域成分のスペクトル包絡のピークにおける周波数又はその逓倍の周波数であるので、高域拡張成分にスペクトル包絡の高次共振モードのピークを再現することができる。
【００１６】
また、本発明の請求項３に記載の帯域拡張装置によれば、帯域成分抽出手段は、入力信号から所定の帯域成分を複数抽出し、周波数シフト手段は、この抽出された複数の所定の帯域成分を高域側にそれぞれシフトさせる。周波数シフト手段による複数の所定の帯域成分の各々のシフト量は、複数の所定の帯域成分の各々のスペクトル包絡のピークにおける周波数又はその逓倍の周波数であるので、入力信号の高域側の帯域にスペクトル包絡のピークが複数存在する場合において、高域拡張成分にスペクトル包絡の複数の高次共振モードのピークを再現することができる。従って、スペクトル包絡の高次共振モードのピークの再現性が高められ、より自然な特性の出力信号を得ることができる。
【００１７】
また、本発明の請求項４に記載の帯域拡張装置によれば、周波数シフト手段は、シフトにより生成された高域拡張成分のスペクトル包絡のピークが入力信号の帯域外に配置されるように、そのシフト量を設定するので、入力信号の高域側に高域拡張成分が付加された際に、この高域拡張成分のスペクトル包絡に高次共振モードのピークを持たせることができ、スペクトル包絡のピークをより正確に再現することができる。
【００１８】
また、本発明の請求項５に記載の帯域拡張装置によれば、周波数シフト手段は、帯域成分抽出手段により抽出された所定の帯域成分を低域側にシフトさせる。このように低域側にシフトすることにより生成された低域拡張成分と入力信号とが加算手段により加算されることにより、入力信号の低域側に低域拡張成分が付加される。周波数シフト手段による所定の帯域成分のシフト量は、抽出された所定の帯域成分のスペクトル包絡のピークにおける周波数であるので、低域拡張成分にスペクトル包絡の基底帯域のピークを再現することができる。
【００１９】
また、本発明の請求項６に記載の帯域拡張装置によれば、入力信号は、マイクロホンや振動ピックアップ、骨伝導マイクロホン、デジタル音響機器、電話システム、人工声帯等により生成される音声信号又は楽音信号である。このようなマイクロホンや振動ピックアップ、骨伝導マイクロホン、デジタル音響機器、電話システム、人工声帯等は、その特性不足により高音域を出力するのが難しいが、これらに本発明の帯域拡張装置を適用することにより、自然な高音域を再現することができ、聴認度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態による帯域拡張装置を簡略的に示すブロック図である。
【図２】図１の周波数シフト回路を簡略的に示すブロック図である。
【図３】図１の高域拡張成分生成回路による高域拡張成分の生成過程を説明するための図である。
【図４】本発明の第２の実施形態による帯域拡張装置を簡略的に示すブロック図である。
【図５】図４の第１及び第２高域拡張成分生成回路による高域拡張成分の生成過程を説明するための図である。
【図６】本発明の第３の実施形態による帯域拡張装置を簡略的に示すブロック図である。
【図７】図６の低域拡張成分生成回路による低域拡張成分の生成過程を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照して、本発明に従う帯域拡張装置の各種実施形態について説明する。
［第１の実施形態］
まず、図１〜図３を参照して、第１の実施形態の帯域拡張装置について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態による帯域拡張装置を簡略的に示すブロック図であり、図２は、図１の周波数シフト回路を簡略的に示すブロック図であり、図３は、図１の高域拡張成分生成回路による高域拡張成分の生成過程を説明するための図である。
【００２２】
図１を参照して、図示の帯域拡張装置２は、オーバーサンプリング型ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４、高域拡張成分生成回路６、遅延回路８及び加算器１０（加算手段を構成する）を含んでいる。以下、これら各構成要素について説明する。
【００２３】
オーバーサンプリング型ローパスフィルタ４は、入力端子１２を介して入力された入力信号のサンプリング周波数ｆｓをｍ倍（ｍは２以上の整数）にオーバーサンプリングするとともに、入力信号の周波数ｆｓ／２以上の帯域を減衰させる（図３（ａ）参照）。なお、入力信号は、例えば電話システムにおける音声信号やデジタル音響機器における楽音信号である。例えば、入力信号が音声信号である場合には、オーバーサンプリング型ローパスフィルタ４は、入力信号のサンプリング周波数ｆｓを例えば８ｋＨｚから１６ｋＨｚにオーバーサンプリングする。
【００２４】
高域拡張成分生成回路６は、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１４（帯域成分抽出手段を構成する）、ピーク周波数検出回路１８、周波数シフト回路２０（周波数シフト手段を構成する）、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）２２及びレベル調整回路２４を含んでいる。
【００２５】
バンドパスフィルタ１４は、オーバーサンプリング型ローパスフィルタ４より出力された入力信号の帯域を制限する。即ち、バンドパスフィルタ１４は、入力信号から周波数ｆｓ／４〜ｆｓ／２の帯域を有する帯域成分を抽出する（図３（ｂ）参照）。
【００２６】
ピーク周波数検出回路１８は、バンドパスフィルタ１４より出力された帯域成分に基づき、そのスペクトル包絡のピーク（即ち、入力信号のスペクトル包絡の１次共振モードのピーク）における周波数、即ち、ピーク周波数ｆｐを検出する。このように検出されたピーク周波数ｆｐは、周波数シフト回路２０の正弦波信号発生器２６（後述する）に出力される。
【００２７】
周波数シフト回路２０は、バンドパスフィルタ１４より出力された帯域成分を周波数軸上でシフトさせるためのものである。この周波数シフト回路２０は、正弦波信号発生器２６及び乗算器２８を含んでいる（図２参照）。正弦波信号発生器２６は、ピーク周波数検出回路１８より出力されたピーク周波数ｆｐに基づき、このピーク周波数ｆｐを有する正弦波信号（正弦波の形状を有する信号）を発生させる。また、乗算器２８は、バンドパスフィルタ１４より出力された帯域成分と、正弦波信号発生器２６にて発生された正弦波信号とを乗算する。即ち、帯域成分をｓｉｎＡ（種々の周波数を含む信号）、正弦波信号をｃｏｓＢ（固定周波数の信号）とすると、乗算器２８によって次式（１）の演算が行われる。
【００２８】
【数１】
このように演算が行われると、帯域成分ｓｉｎＡが高域側に周波数ｆｐだけシフトされた成分ｓｉｎ（Ａ＋Ｂ）と、帯域成分ｓｉｎＡが低域側に周波数ｆｐだけシフトされた成分ｓｉｎ（Ａ−Ｂ）とが生成される（図３（ｃ）参照）。このとき、低域側の成分ｓｉｎ（Ａ−Ｂ）のスペクトル包絡のピーク周波数は０（零）、高域側の成分ｓｉｎ（Ａ＋Ｂ）のスペクトル包絡のピーク周波数は２ｆｐとなる。
【００２９】
ハイパスフィルタ２２は、周波数シフト回路２０より出力された低域側の成分ｓｉｎ（Ａ−Ｂ）を遮断する。これにより、ハイパスフィルタ２２からは、高域側の成分ｓｉｎ（Ａ＋Ｂ）、即ち、高域拡張成分（帯域拡張成分を構成する）が出力されるようになる（図３（ｄ）参照）。また、レベル調整回路２４は、ハイパスフィルタ２２より出力された高域拡張成分のレベル（強度）を所定値、具体的には、オーバーサンプリング型ローパスフィルタ４により帯域制限される前における入力信号の高域側の帯域のレベルに調整する。
【００３０】
遅延回路８は、入力信号を所定時間、具体的には、高域拡張成分の生成処理に要した時間だけ遅延させる。加算器１０は、高域拡張成分生成回路６により生成された高域拡張成分と入力信号とを加算する（図３（ｅ）参照）。
【００３１】
次に、上述した帯域拡張装置２による高域拡張成分の生成処理の流れについて説明する。まず、入力端子１２より入力された入力信号は、オーバーサンプリング型ローパスフィルタ４においてオーバーサンプリングされるとともに周波数ｆｓ／２以上の帯域が減衰される（図３（ａ）参照）。その後、この入力信号は、遅延回路８及び高域拡張成分生成回路６にそれぞれ入力される。
【００３２】
高域拡張成分生成回路６においては、次のようにして高域拡張成分の生成処理が行われる。まず、バンドパスフィルタ１４において、入力信号から周波数ｆｓ／４〜ｆｓ／２の帯域を有する帯域成分が抽出される（図３（ｂ）参照）。そして、ピーク周波数検出回路１８によってこの帯域成分のピーク周波数ｆｐが検出され、この検出されたピーク周波数ｆｐに基づき、周波数シフト回路２０において、帯域成分が高域側及び低域側にそれぞれ周波数ｆｐだけシフトされる（図３（ｃ）参照）。その後、ハイパスフィルタ２２において、低域側にシフトされた帯域成分が遮断され（図３（ｄ）参照）、レベル調整回路２４において、高域側にシフトされた帯域成分、即ち、高域拡張成分のレベルが調整される。このようにして高域拡張成分が生成され、そのスペクトル包絡のピーク周波数は２ｆｐとなる。
【００３３】
また、遅延回路８においては、入力信号が所定時間だけ遅延される。このように遅延された入力信号及び高域拡張成分は加算器１０において加算され、この加算された信号は、出力端子３０に出力信号として出力される。これにより、入力信号の高域側に高域拡張成分が付加される（図３（ｅ）参照）。このとき、上述のように入力信号を遅延させることにより、高域拡張成分の生成処理に要した時間遅延との整合を取ることができ、これにより加算器１０に入力される入力信号及び高域拡張成分の入力タイミングを一致させることができる。
【００３４】
以上のようにして入力信号の帯域が拡張され、そのスペクトル包絡のピーク周波数はｆｐ及び２ｆｐとなる。従って、出力信号において、周波数ｆｐにスペクトル包絡の１次共振モードのピーク、周波数ｆｐの逓倍となる周波数２ｆｐにスペクトル包絡の高次共振モードのピークをそれぞれ持たせることができ、それ故に、自然な特性の出力信号を得ることができ、聴認度の向上を図ることができる。
【００３５】
なお、本実施形態の帯域拡張装置２は種々の用途に適用することができる。例えば、帯域拡張装置２を電話システムに適用した場合には、自然な通話音声を得ることができるようになり、これにより、高齢者などが通話する際の聴認度を向上させることができ、また、他人になりすまして通話することによる犯罪行為（所謂、振り込め詐欺など）を防止することができる。また、帯域拡張装置２を喉頭摘出者向けの人工声帯などに適用した場合には、自然な音声を再現することができる。また、帯域拡張装置２をデジタル音響機器に適用した場合には、自然な再生音質を得ることができる。更に、入力信号を生成する例えばマイクロホンや振動ピックアップ、骨伝導マイクロホンなどは、その特性不足により高音域を出力するのは難しいが、これらに対して本実施形態の帯域拡張装置２を適用することにより、自然な高音域を再現することが容易となる。
【００３６】
また、本実施形態の帯域拡張装置２では、入力信号から周波数ｆｓ／４〜ｆｓ／２の帯域を有する帯域成分をバンドパスフィルタ１４により抽出するように構成したが、この抽出する帯域成分の帯域幅は適宜設定することができる。例えば周波数ｆｓ／８〜ｆｓ／２の帯域を有する帯域成分を抽出した場合において、そのスペクトル包絡のピーク周波数ｆｐが周波数ｆｓ／８〜ｆｓ／４の範囲内に存在するときには、周波数シフト回路２０による帯域成分のシフト量は、ピーク周波数ｆｐの逓倍である周波数ｎｆｐ（ｎは２以上の整数）に設定される。これにより、高域側にシフトすることにより生成された高域拡張成分のスペクトル包絡のピークを入力信号の帯域外、即ち、周波数ｆｓ／２〜ｆｓの範囲内に配置させることができる。
［第２の実施形態］
次に、図４及び図５を参照して、第２の実施形態の帯域拡張装置について説明する。図４は、本発明の第２の実施形態による帯域拡張装置を簡略的に示すブロック図であり、図５は、図４の第１及び第２高域拡張成分生成回路による高域拡張成分の生成過程を示す説明図である。なお、以下に示す各実施形態において、上記実施形態と実質上同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００３７】
図４を参照して、本実施形態の帯域拡張装置２Ａでは、２つの高域拡張成分生成回路、即ち、第１高域拡張成分生成回路６ａ及び第２高域拡張成分生成回路６ｂが設けられている。これら第１及び第２高域拡張成分生成回路６ａ，６ｂの各々は、上記実施形態の高域拡張成分生成回路６と同様に構成されている。第１高域拡張成分生成回路６ａのバンドパスフィルタ１４ａ（帯域成分抽出手段を構成する）は、図５（ｂ）中に破線で示すように、入力信号から周波数ｆｓ／４〜３ｆｓ／８の帯域を有する帯域成分を抽出する。ピーク周波数検出回路１８ａは、この帯域成分のピーク周波数ｆｐ１を検出し、周波数シフト回路２０ａは、この検出されたピーク周波数ｆｐ１に基づき、帯域成分を高域側及び低域側にそれぞれ周波数ｆｐ１だけシフトさせる。その後、図５（ｂ）中に実線で示すように、ハイパスフィルタ２２ａによって、高域側にシフトされた帯域成分、即ち、高域拡張成分が残るようになる。この高域拡張成分のスペクトル包絡のピーク周波数は２ｆｐ１となる。
【００３８】
また、第２高域拡張成分生成回路６ｂのバンドパスフィルタ１４ｂ（帯域成分抽出手段を構成する）は、図５（ｃ）中に破線で示すように、入力信号から周波数３ｆｓ／８〜ｆｓ／２の帯域を有する帯域成分を抽出する。ピーク周波数検出回路１８ｂは、この帯域成分のピーク周波数ｆｐ２を検出し、周波数シフト回路２０ｂは、この検出されたピーク周波数ｆｐ２に基づき、帯域成分を高域側及び低域側にそれぞれ周波数ｆｐ２だけシフトさせる。その後、図５（ｃ）中に実線で示すように、ハイパスフィルタ２２ｂによって、高域側にシフトされた帯域成分、即ち、高域拡張成分が残るようになる。この高域拡張成分のスペクトル包絡のピーク周波数は２ｆｐ２となる。
【００３９】
そして、入力信号と、第１及び第２高域拡張成分生成回路６ａ，６ｂによりそれぞれ生成された高域拡張成分とが加算器１０において加算されることにより、入力信号の帯域が拡張され、そのスペクトル包絡のピーク周波数はｆｐ１，ｆｐ２，２ｆｐ１，２ｆｐ２となる（図５（ｄ）参照）。従って、出力信号において、周波数ｆｐ１，ｆｐ２にスペクトル包絡の１次共振モードのピーク、それらの逓倍となる周波数２ｆｐ１，２ｆｐ２にスペクトル包絡の高次共振モードのピークをそれぞれ持たせることができ、それ故に、より自然な特性の出力信号を得ることができ、聴認度の向上を図ることができる。
【００４０】
なお、本実施形態の帯域拡張装置２Ａでは、２つの高域拡張成分生成回路６ａ，６ｂを設けたが、３つ以上の高域拡張成分生成回路を設けるようにし、入力信号から３つ以上の帯域成分を抽出するように構成することもできる。また、抽出する帯域成分の帯域幅も適宜設定することができる。また、上記第１の実施形態と同様に、シフトにより生成された高域拡張成分のスペクトル包絡のピークが入力信号の帯域外に配置されるように、ピーク周波数ｆｐ１（ｆｐ２）の逓倍である周波数ｎｆｐ１（ｎｆｐ２）を周波数シフト回路２０ａ（２０ｂ）のシフト量とすることもできる。
［第３の実施形態］
次に、図６及び図７を参照して、第３の実施形態の帯域拡張装置について説明する。図６は、本発明の第３の実施形態による帯域拡張装置を簡略的に示すブロック図であり、図７は、図６の低域拡張成分生成回路による低域拡張成分の生成過程を示す説明図である。
【００４１】
図６を参照して、本実施形態の帯域拡張装置２Ｂでは、オーバーサンプリング型バンドパスフィルタ３２、低域拡張成分生成回路３４、遅延回路８及び加算器１０を含んでいる。オーバーサンプリング型バンドパスフィルタ３２は、入力端子１２を介して入力された入力信号のサンプリング周波数ｆｓをオーバーサンプリングするとともに、入力信号の周波数ｆｓ／８以下の帯域及びｆｓ／２以上の帯域をそれぞれ減衰させる。
【００４２】
低域拡張成分生成回路３４は、バンドパスフィルタ１４（帯域成分抽出手段を構成する）、ピーク周波数検出回路１８、周波数シフト回路２０（周波数シフト手段を構成する）、ローパスフィルタ３６及びレベル調整回路２４を含んでいる。バンドパスフィルタ１４は、オーバーサンプリング型バンドパスフィルタ３２より出力された入力信号の帯域を制限する。即ち、バンドパスフィルタ１４は、入力信号から周波数ｆｓ／８〜ｆｓ／４の帯域を有する帯域成分を抽出する。
【００４３】
次に、図７をも参照して、本実施形態の帯域拡張装置２Ｂによる低域拡張成分の生成処理の流れについて説明する。入力端子１２より入力された入力信号は、オーバーサンプリング型バンドパスフィルタ３２においてオーバーサンプリングされるとともに、周波数ｆｓ／８以下の帯域及び周波数ｆｓ／２以上の帯域がそれぞれ減衰される（図７（ａ）参照）。その後、この入力信号は、遅延回路８及び低域拡張成分生成回路３４にそれぞれ入力される。
【００４４】
低域拡張成分生成回路３４においては、次のようにして低域拡張成分の生成処理が行われる。まず、バンドパスフィルタ１４において、入力信号から周波数ｆｓ／８〜ｆｓ／４の帯域を有する帯域成分が抽出される（図７（ｂ）参照）。そして、ピーク周波数検出回路１８によってこの帯域成分のピーク周波数ｆｐが検出され、この検出されたピーク周波数ｆｐに基づき、周波数シフト回路２０において、帯域成分が高域側及び低域側にそれぞれ周波数ｆｐだけシフトされる（図７（ｃ）参照）。その後、ローパスフィルタ３６において、高域側にシフトされた帯域成分が遮断され（図７（ｄ）参照）、レベル調整回路２４において、低域側にシフトされた帯域成分、即ち、低域拡張成分（帯域拡張成分を構成する）のレベルが調整される。このようにして低域拡張成分が生成され、そのスペクトル包絡のピーク周波数は０（零）となる。
【００４５】
また、遅延回路８においては、入力信号が所定時間だけ遅延される。このように遅延された入力信号及び低域拡張成分は加算器１０において加算され、この加算された信号は出力端子３０に出力される。これにより、入力信号の低域側に低域拡張成分が付加される（図７（ｅ）参照）。
【００４６】
以上のようにして入力信号の帯域が拡張され、そのスペクトル包絡のピーク周波数は０及びｆｐとなる。従って、出力信号において、周波数ｆｐにスペクトル包絡の１次共振モードのピーク、周波数０にスペクトル包絡の基底帯域のピークをそれぞれ持たせることができ、それ故に、自然な特性の出力信号を得ることができ、聴認度の向上を図ることができる。
【００４７】
以上、本発明に従う帯域拡張装置の各種実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。
【００４８】
上記第１及び第２の実施形態では、帯域成分抽出手段としてバンドパスフィルタ１４（１４ａ）（１４ｂ）を用いたが、バンドパスフィルタ１４（１４ａ）（１４ｂ）に代えてハイパスフィルタを用いることもできる。また、上記第３の実施形態では、帯域成分抽出手段としてバンドパスフィルタ１４を用いたが、バンドパスフィルタ１４に代えてローパスフィルタを用いることもできる。
【００４９】
また、上記各実施形態では、オーバーサンプリング型ローパスフィルタ４により入力信号をアナログ信号からデジタル信号に変換して処理するように構成したが、このようにデジタル信号に変換することなく、オーバーサンプリング型ローパスフィルタ４やバンドパスフィルタ１４（１４ａ）（１４ｂ）、周波数シフト回路２０（２０ａ）（２０ｂ）等において入力信号をアナログ信号で処理するように構成してもよい。
【００５０】
また、上記各実施形態では、サンプリング周波数ｆｓを２倍にオーバーサンプリングする場合について説明したが、２倍より大きなｍ倍（ｍは３以上の整数）にオーバーサンプリングする場合にも、上述と同様の処理が可能である。
【００５１】
また、入力信号をＤＦＴ（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）によって時間領域の信号から周波数領域の信号に変換した後に、帯域成分を抽出してこれを高域側（又は低域側）にシフトさせて高域拡張成分（又は低域拡張成分）を生成し、更にその後に、ＩＤＦＴ（Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）によって高域拡張成分（又は低域拡張成分）を周波数領域の信号から時間数領域の信号に変換し、この変換した高域拡張成分（又は低域拡張成分）と入力信号とを加算するように構成してもよい。
【符号の説明】
【００５２】
２，２Ａ，２Ｂ 帯域拡張装置
４ オーバーサンプリング型ローパスフィルタ
６ 高域拡張成分生成手段
８ 遅延回路
１０ 加算器
１４，１４ａ，１４ｂ バンドパスフィルタ
１８ａ，１８ａ，１８ｂ ピーク周波数検出回路
２０，２０ａ，２０ｂ 周波数シフト回路
２２，２２ａ，２２ｂ ハイパスフィルタ
２４，２４ａ，２４ｂ レベル調整回路
２６ 正弦波信号発生器
２８ 乗算器
３４ 低域拡張成分生成回路
３６ ローパスフィルタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力信号に基づいて帯域拡張成分を生成し、この生成した帯域拡張成分を入力信号に付加することにより入力信号の帯域を拡張する帯域拡張装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、人の可聴上限周波数は２０ｋＨｚであると言われてきたが、近年の研究で２０ｋＨｚ以上の音を知覚していることが分かってきた。ところが、例えば携帯電話などの電話システムでは、伝送される音声信号の帯域は３００Ｈｚ〜３．４ｋＨｚであり、３．４ｋＨｚ以上の帯域成分はカットされている。また、例えばＣＤプレイヤなどのデジタル音響機器では、サンプリング周波数によって高域の再生上限周波数（例えば２２．０５ｋＨｚ）が決まっており、デジタル音響機器を再生するときには、この再生上限周波数以上の帯域成分がカットされる。このため、電話の通話時やデジタル音響機器の再生時などには、聴感上不自然な感じがする場合がある。
【０００３】
そこで、カットされた高域の帯域成分を再現して帯域を拡張することにより、電話の通話音質やデジタル音響機器の再生音質などを改善する帯域拡張装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。従来の帯域拡張装置は、入力信号から所定の帯域成分を抽出するためのハイパスフィルタと、この抽出された所定の帯域成分を高域側にシフトさせるための周波数シフト回路と、このようにシフトすることにより生成された高域拡張成分と入力信号とを加算するための加算器と、を備えている。周波数シフト回路による所定の帯域成分のシフト量は、所定の周波数範囲（９．４５ｋＨｚ〜１２．６ｋＨｚ）内にある基本周波数の倍音成分の周波数に設定されている。これにより、倍音列が高域まで連続して配置された高域拡張成分が生成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１０４０１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、入力信号の性質を表す重要な要素として、スペクトル包絡の１次共振モードのピークにおける周波数（以下、「ピーク周波数」という）がある。音声におけるスペクトル包絡のピーク周波数はホルマントピーク周波数であり、このホルマントピーク周波数は、声道伝達系の音韻を識別するために重要である。また、楽音におけるスペクトル包絡のピーク周波数は、楽器の種類及びその各部分の構造に基づく共振系の共鳴周波数であり、この共鳴周波数は、楽音の特徴を表すものとして重要である。このようなスペクトル包絡のピーク周波数は共鳴・共振現象であるため、逓倍となる周波数に高次共振モードを有するのが一般的である。従って、高域拡張成分を生成する際には、基本周波数の倍音と同様に、適切な周波数にスペクトル包絡の高次共振モードのピークを持たせることが重要となる。
【０００６】
しかしながら、上述のような従来の帯域拡張装置では、周波数シフト回路による所定の帯域成分のシフト量は、基本周波数及びその倍音に基づいて設定されており、スペクトル包絡のピーク周波数とは無関係であるため、高域拡張成分においてスペクトル包絡の高次共振モードのピークを再現することができなかった。そのため、自然な特性の入力信号を得るのは難しく、聴認度の向上には限界があった。
【０００７】
本発明の目的は、帯域拡張成分においてスペクトル包絡のピークを再現することにより、聴認度の向上を図ることができる帯域拡張装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の請求項１に記載の帯域拡張装置では、入力信号に基づいて帯域拡張成分を生成し、この生成した帯域拡張成分を入力信号に付加することにより入力信号の帯域を拡張する帯域拡張装置であって、
入力信号から所定の帯域成分を抽出するための帯域成分抽出手段と、この抽出された前記所定の帯域成分のスペクトル包絡のピークにおける周波数に基づいて前記所定の帯域成分をシフトさせるための周波数シフト手段と、このようにシフトすることにより生成された帯域拡張成分と前記入力信号とを加算するための加算手段と、を備えていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の請求項２に記載の帯域拡張装置では、前記周波数シフト手段は、前記帯域成分抽出手段により抽出された前記所定の帯域成分を高域側にシフトさせ、前記加算手段は、このようにシフトすることにより生成された前記帯域拡張成分としての高域拡張成分と前記入力信号とを加算し、
前記周波数シフト手段による前記所定の帯域成分のシフト量は、抽出された前記所定の帯域成分のスペクトル包絡のピークにおける周波数又はその逓倍の周波数であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の請求項３に記載の帯域拡張装置では、前記帯域成分抽出手段は、前記入力信号から前記所定の帯域成分を複数抽出し、前記周波数シフト手段は、この抽出された前記複数の所定の帯域成分を高域側にそれぞれシフトさせ、前記加算手段は、このようにシフトすることにより生成された複数の前記高域拡張成分と前記入力信号とを加算し、
前記周波数シフト手段による前記複数の所定の帯域成分の各々のシフト量は、前記複数の所定の帯域成分の各々のスペクトル包絡のピークにおける周波数又はその逓倍の周波数であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の請求項４に記載の帯域拡張装置では、前記周波数シフト手段は、シフトにより生成された前記高域拡張成分のスペクトル包絡のピークが前記入力信号の帯域外に配置されるように、そのシフト量を前記所定の帯域成分のスペクトル包絡のピークにおける周波数又はその逓倍の周波数に設定することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の請求項５に記載の帯域拡張装置では、前記周波数シフト手段は、前記帯域成分抽出手段により抽出された前記所定の帯域成分を低域側にシフトさせ、前記加算手段は、このようにシフトすることにより生成された前記帯域拡張成分としての低域拡張成分と前記入力信号とを加算し、
前記周波数シフト手段による前記所定の帯域成分のシフト量は、抽出された前記所定の帯域成分のスペクトル包絡のピークにおける周波数であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の請求項６に記載の帯域拡張装置では、前記入力信号は、マイクロホンや振動ピックアップ、骨伝導マイクロホン、デジタル音響機器、電話システム、人工声帯等により生成される音声信号又は楽音信号であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の請求項１に記載の帯域拡張装置によれば、周波数シフト手段は、帯域成分抽出手段により抽出された所定の帯域成分のスペクトル包絡のピークにおける周波数に基づいて、所定の帯域成分をシフトさせる。このシフトにより生成された帯域拡張成分と入力信号とが加算手段により加算されることにより、入力信号の帯域が拡張される。上述のようにシフトさせることによって、帯域拡張成分にスペクトル包絡の高次共振モード又は基底帯域のピークを再現することができ、それ故に、自然な特性の出力信号（即ち、加算手段より出力される信号）を得ることができ、聴認度の向上を図ることができる。例えば入力信号が音声信号である場合には、一般に、スペクトル包絡のピーク周波数は音声ホルマントピーク付近の音声ピッチ周波数の倍音（即ち、ホルマントピーク周波数）となり、周波数シフト手段によるシフト量はこのホルマントピーク周波数となる。周波数シフト手段により所定の帯域成分をホルマントピーク周波数に基づいてシフトさせることにより、ホルマントピーク周波数の高次共振モード周波数を中心とした音声ピッチ周波数間隔の帯域拡張成分を得ることができ、これにより、音声ホルマントピークの高次共振モードが強調された自然な音声を出力信号として得ることができる。また、例えば入力信号が楽音信号である場合には、一般に、スペクトル包絡のピーク周波数は楽器の構造に基づく共鳴ピーク周波数となり、周波数シフト手段によるシフト量はこの共鳴ピーク周波数となる。周波数シフト手段により所定の帯域成分を共鳴ピーク周波数に基づいてシフトさせることにより、共鳴ピーク周波数の高次共振モード周波数を中心とした音程周波数間隔の帯域拡張成分を得ることができ、これにより、楽器の構造に基づく共鳴ピークの高次共振モードが強調された自然な楽音を出力信号として得ることができる。
【００１５】
また、本発明の請求項２に記載の帯域拡張装置によれば、周波数シフト手段は、帯域成分抽出手段により抽出された所定の帯域成分を高域側にシフトさせる。このように高域側にシフトすることにより生成された高域拡張成分と入力信号とが加算手段により加算されることにより、入力信号の高域側に高域拡張成分が付加される。周波数シフト手段による所定の帯域成分のシフト量は、抽出された所定の帯域成分のスペクトル包絡のピークにおける周波数又はその逓倍の周波数であるので、高域拡張成分にスペクトル包絡の高次共振モードのピークを再現することができる。
【００１６】
また、本発明の請求項３に記載の帯域拡張装置によれば、帯域成分抽出手段は、入力信号から所定の帯域成分を複数抽出し、周波数シフト手段は、この抽出された複数の所定の帯域成分を高域側にそれぞれシフトさせる。周波数シフト手段による複数の所定の帯域成分の各々のシフト量は、複数の所定の帯域成分の各々のスペクトル包絡のピークにおける周波数又はその逓倍の周波数であるので、入力信号の高域側の帯域にスペクトル包絡のピークが複数存在する場合において、高域拡張成分にスペクトル包絡の複数の高次共振モードのピークを再現することができる。従って、スペクトル包絡の高次共振モードのピークの再現性が高められ、より自然な特性の出力信号を得ることができる。
【００１７】
また、本発明の請求項４に記載の帯域拡張装置によれば、周波数シフト手段は、シフトにより生成された高域拡張成分のスペクトル包絡のピークが入力信号の帯域外に配置されるように、そのシフト量を設定するので、入力信号の高域側に高域拡張成分が付加された際に、この高域拡張成分のスペクトル包絡に高次共振モードのピークを持たせることができ、スペクトル包絡のピークをより正確に再現することができる。
【００１８】
また、本発明の請求項５に記載の帯域拡張装置によれば、周波数シフト手段は、帯域成分抽出手段により抽出された所定の帯域成分を低域側にシフトさせる。このように低域側にシフトすることにより生成された低域拡張成分と入力信号とが加算手段により加算されることにより、入力信号の低域側に低域拡張成分が付加される。周波数シフト手段による所定の帯域成分のシフト量は、抽出された所定の帯域成分のスペクトル包絡のピークにおける周波数であるので、低域拡張成分にスペクトル包絡の基底帯域のピークを再現することができる。
【００１９】
また、本発明の請求項６に記載の帯域拡張装置によれば、入力信号は、マイクロホンや振動ピックアップ、骨伝導マイクロホン、デジタル音響機器、電話システム、人工声帯等により生成される音声信号又は楽音信号である。このようなマイクロホンや振動ピックアップ、骨伝導マイクロホン、デジタル音響機器、電話システム、人工声帯等は、その特性不足により高音域を出力するのが難しいが、これらに本発明の帯域拡張装置を適用することにより、自然な高音域を再現することができ、聴認度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態による帯域拡張装置を簡略的に示すブロック図である。
【図２】図１の周波数シフト回路を簡略的に示すブロック図である。
【図３】図１の高域拡張成分生成回路による高域拡張成分の生成過程を説明するための図である。
【図４】本発明の第２の実施形態による帯域拡張装置を簡略的に示すブロック図である。
【図５】図４の第１及び第２高域拡張成分生成回路による高域拡張成分の生成過程を説明するための図である。
【図６】本発明の第３の実施形態による帯域拡張装置を簡略的に示すブロック図である。
【図７】図６の低域拡張成分生成回路による低域拡張成分の生成過程を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照して、本発明に従う帯域拡張装置の各種実施形態について説明する。
［第１の実施形態］
まず、図１〜図３を参照して、第１の実施形態の帯域拡張装置について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態による帯域拡張装置を簡略的に示すブロック図であり、図２は、図１の周波数シフト回路を簡略的に示すブロック図であり、図３は、図１の高域拡張成分生成回路による高域拡張成分の生成過程を説明するための図である。
【００２２】
図１を参照して、図示の帯域拡張装置２は、オーバーサンプリング型ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４、高域拡張成分生成回路６、遅延回路８及び加算器１０（加算手段を構成する）を含んでいる。以下、これら各構成要素について説明する。
【００２３】
オーバーサンプリング型ローパスフィルタ４は、入力端子１２を介して入力された入力信号のサンプリング周波数ｆｓをｍ倍（ｍは２以上の整数）にオーバーサンプリングするとともに、入力信号の周波数ｆｓ／２以上の帯域を減衰させる（図３（ａ）参照）。なお、入力信号は、例えば電話システムにおける音声信号やデジタル音響機器における楽音信号である。例えば、入力信号が音声信号である場合には、オーバーサンプリング型ローパスフィルタ４は、入力信号のサンプリング周波数ｆｓを例えば８ｋＨｚから１６ｋＨｚにオーバーサンプリングする。
【００２４】
高域拡張成分生成回路６は、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１４（帯域成分抽出手段を構成する）、ピーク周波数検出回路１８、周波数シフト回路２０（周波数シフト手段を構成する）、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）２２及びレベル調整回路２４を含んでいる。
【００２５】
バンドパスフィルタ１４は、オーバーサンプリング型ローパスフィルタ４より出力された入力信号の帯域を制限する。即ち、バンドパスフィルタ１４は、入力信号から周波数ｆｓ／４〜ｆｓ／２の帯域を有する帯域成分を抽出する（図３（ｂ）参照）。
【００２６】
ピーク周波数検出回路１８は、バンドパスフィルタ１４より出力された帯域成分に基づき、そのスペクトル包絡のピーク（即ち、入力信号のスペクトル包絡の１次共振モードのピーク）における周波数、即ち、ピーク周波数ｆｐを検出する。このように検出されたピーク周波数ｆｐは、周波数シフト回路２０の正弦波信号発生器２６（後述する）に出力される。
【００２７】
周波数シフト回路２０は、バンドパスフィルタ１４より出力された帯域成分を周波数軸上でシフトさせるためのものである。この周波数シフト回路２０は、正弦波信号発生器２６及び乗算器２８を含んでいる（図２参照）。正弦波信号発生器２６は、ピーク周波数検出回路１８より出力されたピーク周波数ｆｐに基づき、このピーク周波数ｆｐを有する正弦波信号（正弦波の形状を有する信号）を発生させる。また、乗算器２８は、バンドパスフィルタ１４より出力された帯域成分と、正弦波信号発生器２６にて発生された正弦波信号とを乗算する。即ち、帯域成分をｓｉｎＡ（種々の周波数を含む信号）、正弦波信号をｃｏｓＢ（固定周波数の信号）とすると、乗算器２８によって次式（１）の演算が行われる。
【００２８】
【数１】
このように演算が行われると、帯域成分ｓｉｎＡが高域側に周波数ｆｐだけシフトされた成分ｓｉｎ（Ａ＋Ｂ）と、帯域成分ｓｉｎＡが低域側に周波数ｆｐだけシフトされた成分ｓｉｎ（Ａ−Ｂ）とが生成される（図３（ｃ）参照）。このとき、低域側の成分ｓｉｎ（Ａ−Ｂ）のスペクトル包絡のピーク周波数は０（零）、高域側の成分ｓｉｎ（Ａ＋Ｂ）のスペクトル包絡のピーク周波数は２ｆｐとなる。
【００２９】
ハイパスフィルタ２２は、周波数シフト回路２０より出力された低域側の成分ｓｉｎ（Ａ−Ｂ）を遮断する。これにより、ハイパスフィルタ２２からは、高域側の成分ｓｉｎ（Ａ＋Ｂ）、即ち、高域拡張成分（帯域拡張成分を構成する）が出力されるようになる（図３（ｄ）参照）。また、レベル調整回路２４は、ハイパスフィルタ２２より出力された高域拡張成分のレベル（強度）を所定値、具体的には、オーバーサンプリング型ローパスフィルタ４により帯域制限される前における入力信号の高域側の帯域のレベルに調整する。
【００３０】
遅延回路８は、入力信号を所定時間、具体的には、高域拡張成分の生成処理に要した時間だけ遅延させる。加算器１０は、高域拡張成分生成回路６により生成された高域拡張成分と入力信号とを加算する（図３（ｅ）参照）。
【００３１】
次に、上述した帯域拡張装置２による高域拡張成分の生成処理の流れについて説明する。まず、入力端子１２より入力された入力信号は、オーバーサンプリング型ローパスフィルタ４においてオーバーサンプリングされるとともに周波数ｆｓ／２以上の帯域が減衰される（図３（ａ）参照）。その後、この入力信号は、遅延回路８及び高域拡張成分生成回路６にそれぞれ入力される。
【００３２】
高域拡張成分生成回路６においては、次のようにして高域拡張成分の生成処理が行われる。まず、バンドパスフィルタ１４において、入力信号から周波数ｆｓ／４〜ｆｓ／２の帯域を有する帯域成分が抽出される（図３（ｂ）参照）。そして、ピーク周波数検出回路１８によってこの帯域成分のピーク周波数ｆｐが検出され、この検出されたピーク周波数ｆｐに基づき、周波数シフト回路２０において、帯域成分が高域側及び低域側にそれぞれ周波数ｆｐだけシフトされる（図３（ｃ）参照）。その後、ハイパスフィルタ２２において、低域側にシフトされた帯域成分が遮断され（図３（ｄ）参照）、レベル調整回路２４において、高域側にシフトされた帯域成分、即ち、高域拡張成分のレベルが調整される。このようにして高域拡張成分が生成され、そのスペクトル包絡のピーク周波数は２ｆｐとなる。
【００３３】
また、遅延回路８においては、入力信号が所定時間だけ遅延される。このように遅延された入力信号及び高域拡張成分は加算器１０において加算され、この加算された信号は、出力端子３０に出力信号として出力される。これにより、入力信号の高域側に高域拡張成分が付加される（図３（ｅ）参照）。このとき、上述のように入力信号を遅延させることにより、高域拡張成分の生成処理に要した時間遅延との整合を取ることができ、これにより加算器１０に入力される入力信号及び高域拡張成分の入力タイミングを一致させることができる。
【００３４】
以上のようにして入力信号の帯域が拡張され、そのスペクトル包絡のピーク周波数はｆｐ及び２ｆｐとなる。従って、出力信号において、周波数ｆｐにスペクトル包絡の１次共振モードのピーク、周波数ｆｐの逓倍となる周波数２ｆｐにスペクトル包絡の高次共振モードのピークをそれぞれ持たせることができ、それ故に、自然な特性の出力信号を得ることができ、聴認度の向上を図ることができる。
【００３５】
なお、本実施形態の帯域拡張装置２は種々の用途に適用することができる。例えば、帯域拡張装置２を電話システムに適用した場合には、自然な通話音声を得ることができるようになり、これにより、高齢者などが通話する際の聴認度を向上させることができ、また、他人になりすまして通話することによる犯罪行為（所謂、振り込め詐欺など）を防止することができる。また、帯域拡張装置２を喉頭摘出者向けの人工声帯などに適用した場合には、自然な音声を再現することができる。また、帯域拡張装置２をデジタル音響機器に適用した場合には、自然な再生音質を得ることができる。更に、入力信号を生成する例えばマイクロホンや振動ピックアップ、骨伝導マイクロホンなどは、その特性不足により高音域を出力するのは難しいが、これらに対して本実施形態の帯域拡張装置２を適用することにより、自然な高音域を再現することが容易となる。
【００３６】
また、本実施形態の帯域拡張装置２では、入力信号から周波数ｆｓ／４〜ｆｓ／２の帯域を有する帯域成分をバンドパスフィルタ１４により抽出するように構成したが、この抽出する帯域成分の帯域幅は適宜設定することができる。例えば周波数ｆｓ／８〜ｆｓ／２の帯域を有する帯域成分を抽出した場合において、そのスペクトル包絡のピーク周波数ｆｐが周波数ｆｓ／８〜ｆｓ／４の範囲内に存在するときには、周波数シフト回路２０による帯域成分のシフト量は、ピーク周波数ｆｐの逓倍である周波数ｎｆｐ（ｎは２以上の整数）に設定される。これにより、高域側にシフトすることにより生成された高域拡張成分のスペクトル包絡のピークを入力信号の帯域外、即ち、周波数ｆｓ／２〜ｆｓの範囲内に配置させることができる。
［第２の実施形態］
次に、図４及び図５を参照して、第２の実施形態の帯域拡張装置について説明する。図４は、本発明の第２の実施形態による帯域拡張装置を簡略的に示すブロック図であり、図５は、図４の第１及び第２高域拡張成分生成回路による高域拡張成分の生成過程を示す説明図である。なお、以下に示す各実施形態において、上記実施形態と実質上同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００３７】
図４を参照して、本実施形態の帯域拡張装置２Ａでは、２つの高域拡張成分生成回路、即ち、第１高域拡張成分生成回路６ａ及び第２高域拡張成分生成回路６ｂが設けられている。これら第１及び第２高域拡張成分生成回路６ａ，６ｂの各々は、上記実施形態の高域拡張成分生成回路６と同様に構成されている。第１高域拡張成分生成回路６ａのバンドパスフィルタ１４ａ（帯域成分抽出手段を構成する）は、図５（ｂ）中に破線で示すように、入力信号から周波数ｆｓ／４〜３ｆｓ／８の帯域を有する帯域成分を抽出する。ピーク周波数検出回路１８ａは、この帯域成分のピーク周波数ｆｐ１を検出し、周波数シフト回路２０ａは、この検出されたピーク周波数ｆｐ１に基づき、帯域成分を高域側及び低域側にそれぞれ周波数ｆｐ１だけシフトさせる。その後、図５（ｂ）中に実線で示すように、ハイパスフィルタ２２ａによって、高域側にシフトされた帯域成分、即ち、高域拡張成分が残るようになる。この高域拡張成分のスペクトル包絡のピーク周波数は２ｆｐ１となる。
【００３８】
また、第２高域拡張成分生成回路６ｂのバンドパスフィルタ１４ｂ（帯域成分抽出手段を構成する）は、図５（ｃ）中に破線で示すように、入力信号から周波数３ｆｓ／８〜ｆｓ／２の帯域を有する帯域成分を抽出する。ピーク周波数検出回路１８ｂは、この帯域成分のピーク周波数ｆｐ２を検出し、周波数シフト回路２０ｂは、この検出されたピーク周波数ｆｐ２に基づき、帯域成分を高域側及び低域側にそれぞれ周波数ｆｐ２だけシフトさせる。その後、図５（ｃ）中に実線で示すように、ハイパスフィルタ２２ｂによって、高域側にシフトされた帯域成分、即ち、高域拡張成分が残るようになる。この高域拡張成分のスペクトル包絡のピーク周波数は２ｆｐ２となる。
【００３９】
そして、入力信号と、第１及び第２高域拡張成分生成回路６ａ，６ｂによりそれぞれ生成された高域拡張成分とが加算器１０において加算されることにより、入力信号の帯域が拡張され、そのスペクトル包絡のピーク周波数はｆｐ１，ｆｐ２，２ｆｐ１，２ｆｐ２となる（図５（ｄ）参照）。従って、出力信号において、周波数ｆｐ１，ｆｐ２にスペクトル包絡の１次共振モードのピーク、それらの逓倍となる周波数２ｆｐ１，２ｆｐ２にスペクトル包絡の高次共振モードのピークをそれぞれ持たせることができ、それ故に、より自然な特性の出力信号を得ることができ、聴認度の向上を図ることができる。
【００４０】
なお、本実施形態の帯域拡張装置２Ａでは、２つの高域拡張成分生成回路６ａ，６ｂを設けたが、３つ以上の高域拡張成分生成回路を設けるようにし、入力信号から３つ以上の帯域成分を抽出するように構成することもできる。また、抽出する帯域成分の帯域幅も適宜設定することができる。また、上記第１の実施形態と同様に、シフトにより生成された高域拡張成分のスペクトル包絡のピークが入力信号の帯域外に配置されるように、ピーク周波数ｆｐ１（ｆｐ２）の逓倍である周波数ｎｆｐ１（ｎｆｐ２）を周波数シフト回路２０ａ（２０ｂ）のシフト量とすることもできる。
［第３の実施形態］
次に、図６及び図７を参照して、第３の実施形態の帯域拡張装置について説明する。図６は、本発明の第３の実施形態による帯域拡張装置を簡略的に示すブロック図であり、図７は、図６の低域拡張成分生成回路による低域拡張成分の生成過程を示す説明図である。
【００４１】
図６を参照して、本実施形態の帯域拡張装置２Ｂでは、オーバーサンプリング型バンドパスフィルタ３２、低域拡張成分生成回路３４、遅延回路８及び加算器１０を含んでいる。オーバーサンプリング型バンドパスフィルタ３２は、入力端子１２を介して入力された入力信号のサンプリング周波数ｆｓをオーバーサンプリングするとともに、入力信号の周波数ｆｓ／８以下の帯域及びｆｓ／２以上の帯域をそれぞれ減衰させる。
【００４２】
低域拡張成分生成回路３４は、バンドパスフィルタ１４（帯域成分抽出手段を構成する）、ピーク周波数検出回路１８、周波数シフト回路２０（周波数シフト手段を構成する）、ローパスフィルタ３６及びレベル調整回路２４を含んでいる。バンドパスフィルタ１４は、オーバーサンプリング型バンドパスフィルタ３２より出力された入力信号の帯域を制限する。即ち、バンドパスフィルタ１４は、入力信号から周波数ｆｓ／８〜ｆｓ／４の帯域を有する帯域成分を抽出する。
【００４３】
次に、図７をも参照して、本実施形態の帯域拡張装置２Ｂによる低域拡張成分の生成処理の流れについて説明する。入力端子１２より入力された入力信号は、オーバーサンプリング型バンドパスフィルタ３２においてオーバーサンプリングされるとともに、周波数ｆｓ／８以下の帯域及び周波数ｆｓ／２以上の帯域がそれぞれ減衰される（図７（ａ）参照）。その後、この入力信号は、遅延回路８及び低域拡張成分生成回路３４にそれぞれ入力される。
【００４４】
低域拡張成分生成回路３４においては、次のようにして低域拡張成分の生成処理が行われる。まず、バンドパスフィルタ１４において、入力信号から周波数ｆｓ／８〜ｆｓ／４の帯域を有する帯域成分が抽出される（図７（ｂ）参照）。そして、ピーク周波数検出回路１８によってこの帯域成分のピーク周波数ｆｐが検出され、この検出されたピーク周波数ｆｐに基づき、周波数シフト回路２０において、帯域成分が高域側及び低域側にそれぞれ周波数ｆｐだけシフトされる（図７（ｃ）参照）。その後、ローパスフィルタ３６において、高域側にシフトされた帯域成分が遮断され（図７（ｄ）参照）、レベル調整回路２４において、低域側にシフトされた帯域成分、即ち、低域拡張成分（帯域拡張成分を構成する）のレベルが調整される。このようにして低域拡張成分が生成され、そのスペクトル包絡のピーク周波数は０（零）となる。
【００４５】
また、遅延回路８においては、入力信号が所定時間だけ遅延される。このように遅延された入力信号及び低域拡張成分は加算器１０において加算され、この加算された信号は出力端子３０に出力される。これにより、入力信号の低域側に低域拡張成分が付加される（図７（ｅ）参照）。
【００４６】
以上のようにして入力信号の帯域が拡張され、そのスペクトル包絡のピーク周波数は０及びｆｐとなる。従って、出力信号において、周波数ｆｐにスペクトル包絡の１次共振モードのピーク、周波数０にスペクトル包絡の基底帯域のピークをそれぞれ持たせることができ、それ故に、自然な特性の出力信号を得ることができ、聴認度の向上を図ることができる。
【００４７】
以上、本発明に従う帯域拡張装置の各種実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。
【００４８】
上記第１及び第２の実施形態では、帯域成分抽出手段としてバンドパスフィルタ１４（１４ａ）（１４ｂ）を用いたが、バンドパスフィルタ１４（１４ａ）（１４ｂ）に代えてハイパスフィルタを用いることもできる。また、上記第３の実施形態では、帯域成分抽出手段としてバンドパスフィルタ１４を用いたが、バンドパスフィルタ１４に代えてローパスフィルタを用いることもできる。
【００４９】
また、上記各実施形態では、オーバーサンプリング型ローパスフィルタ４により入力信号をアナログ信号からデジタル信号に変換して処理するように構成したが、このようにデジタル信号に変換することなく、オーバーサンプリング型ローパスフィルタ４やバンドパスフィルタ１４（１４ａ）（１４ｂ）、周波数シフト回路２０（２０ａ）（２０ｂ）等において入力信号をアナログ信号で処理するように構成してもよい。
【００５０】
また、上記各実施形態では、サンプリング周波数ｆｓを２倍にオーバーサンプリングする場合について説明したが、２倍より大きなｍ倍（ｍは３以上の整数）にオーバーサンプリングする場合にも、上述と同様の処理が可能である。
【００５１】
また、入力信号をＤＦＴ（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）によって時間領域の信号から周波数領域の信号に変換した後に、帯域成分を抽出してこれを高域側（又は低域側）にシフトさせて高域拡張成分（又は低域拡張成分）を生成し、更にその後に、ＩＤＦＴ（Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）によって高域拡張成分（又は低域拡張成分）を周波数領域の信号から時間数領域の信号に変換し、この変換した高域拡張成分（又は低域拡張成分）と入力信号とを加算するように構成してもよい。
【符号の説明】
【００５２】
２，２Ａ，２Ｂ 帯域拡張装置
４ オーバーサンプリング型ローパスフィルタ
６ 高域拡張成分生成手段
８ 遅延回路
１０ 加算器
１４，１４ａ，１４ｂ バンドパスフィルタ
１８ａ，１８ａ，１８ｂ ピーク周波数検出回路
２０，２０ａ，２０ｂ 周波数シフト回路
２２，２２ａ，２２ｂ ハイパスフィルタ
２４，２４ａ，２４ｂ レベル調整回路
２６ 正弦波信号発生器
２８ 乗算器
３４ 低域拡張成分生成回路
３６ ローパスフィルタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号に基づいて帯域拡張成分を生成し、この生成した帯域拡張成分を入力信号に付加することにより入力信号の帯域を拡張する帯域拡張装置であって、
入力信号から所定の帯域成分を抽出するための帯域成分抽出手段と、この抽出された前記所定の帯域成分のスペクトル包絡のピークにおける周波数に基づいて前記所定の帯域成分をシフトさせるための周波数シフト手段と、このようにシフトすることにより生成された帯域拡張成分と前記入力信号とを加算するための加算手段と、を備えていることを特徴とする帯域拡張装置。
【請求項２】
前記周波数シフト手段は、前記帯域成分抽出手段により抽出された前記所定の帯域成分を高域側にシフトさせ、前記加算手段は、このようにシフトすることにより生成された前記帯域拡張成分としての高域拡張成分と前記入力信号とを加算し、
前記周波数シフト手段による前記所定の帯域成分のシフト量は、抽出された前記所定の帯域成分のスペクトル包絡のピークにおける周波数又はその逓倍の周波数であることを特徴とする請求項１に記載の帯域拡張装置。
【請求項３】
前記帯域成分抽出手段は、前記入力信号から前記所定の帯域成分を複数抽出し、前記周波数シフト手段は、この抽出された前記複数の所定の帯域成分を高域側にそれぞれシフトさせ、前記加算手段は、このようにシフトすることにより生成された複数の前記高域拡張成分と前記入力信号とを加算し、
前記周波数シフト手段による前記複数の所定の帯域成分の各々のシフト量は、前記複数の所定の帯域成分の各々のスペクトル包絡のピークにおける周波数又はその逓倍の周波数であることを特徴とする請求項２に記載の帯域拡張装置。
【請求項４】
前記周波数シフト手段は、シフトにより生成された前記高域拡張成分のスペクトル包絡のピークが前記入力信号の帯域外に配置されるように、そのシフト量を前記所定の帯域成分のスペクトル包絡のピークにおける周波数又はその逓倍の周波数に設定することを特徴とする請求項２又は３に記載の帯域拡張装置。
【請求項５】
前記周波数シフト手段は、前記帯域成分抽出手段により抽出された前記所定の帯域成分を低域側にシフトさせ、前記加算手段は、このようにシフトすることにより生成された前記帯域拡張成分としての低域拡張成分と前記入力信号とを加算し、
前記周波数シフト手段による前記所定の帯域成分のシフト量は、抽出された前記所定の帯域成分のスペクトル包絡のピークにおける周波数であることを特徴とする請求項１に記載の帯域拡張装置。
【請求項６】
前記入力信号は、マイクロホンや振動ピックアップ、骨伝導マイクロホン、デジタル音響機器、電話システム、人工声帯等により生成される音声信号又は楽音信号であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の帯域拡張装置。
【請求項１】
入力信号に基づいて帯域拡張成分を生成し、この生成した帯域拡張成分を入力信号に付加することにより入力信号の帯域を拡張する帯域拡張装置であって、
入力信号から所定の帯域成分を抽出するための帯域成分抽出手段と、この抽出された前記所定の帯域成分のスペクトル包絡のピークにおける周波数に基づいて前記所定の帯域成分をシフトさせるための周波数シフト手段と、このようにシフトすることにより生成された帯域拡張成分と前記入力信号とを加算するための加算手段と、を備えていることを特徴とする帯域拡張装置。
【請求項２】
前記周波数シフト手段は、前記帯域成分抽出手段により抽出された前記所定の帯域成分を高域側にシフトさせ、前記加算手段は、このようにシフトすることにより生成された前記帯域拡張成分としての高域拡張成分と前記入力信号とを加算し、
前記周波数シフト手段による前記所定の帯域成分のシフト量は、抽出された前記所定の帯域成分のスペクトル包絡のピークにおける周波数又はその逓倍の周波数であることを特徴とする請求項１に記載の帯域拡張装置。
【請求項３】
前記帯域成分抽出手段は、前記入力信号から前記所定の帯域成分を複数抽出し、前記周波数シフト手段は、この抽出された前記複数の所定の帯域成分を高域側にそれぞれシフトさせ、前記加算手段は、このようにシフトすることにより生成された複数の前記高域拡張成分と前記入力信号とを加算し、
前記周波数シフト手段による前記複数の所定の帯域成分の各々のシフト量は、前記複数の所定の帯域成分の各々のスペクトル包絡のピークにおける周波数又はその逓倍の周波数であることを特徴とする請求項２に記載の帯域拡張装置。
【請求項４】
前記周波数シフト手段は、シフトにより生成された前記高域拡張成分のスペクトル包絡のピークが前記入力信号の帯域外に配置されるように、そのシフト量を前記所定の帯域成分のスペクトル包絡のピークにおける周波数又はその逓倍の周波数に設定することを特徴とする請求項２又は３に記載の帯域拡張装置。
【請求項５】
前記周波数シフト手段は、前記帯域成分抽出手段により抽出された前記所定の帯域成分を低域側にシフトさせ、前記加算手段は、このようにシフトすることにより生成された前記帯域拡張成分としての低域拡張成分と前記入力信号とを加算し、
前記周波数シフト手段による前記所定の帯域成分のシフト量は、抽出された前記所定の帯域成分のスペクトル包絡のピークにおける周波数であることを特徴とする請求項１に記載の帯域拡張装置。
【請求項６】
前記入力信号は、マイクロホンや振動ピックアップ、骨伝導マイクロホン、デジタル音響機器、電話システム、人工声帯等により生成される音声信号又は楽音信号であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の帯域拡張装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−２０９５４８（Ｐ２０１１−２０９５４８Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７７８３８（Ｐ２０１０−７７８３８）
【出願日】平成２２年３月３０日（２０１０．３．３０）
【出願人】（５０４０１７６８１）日本ロジックス株式会社 (8)
【出願人】（５１００８７６２３）株式会社システムアドバンス (2)
【出願人】（５０７０２２８０２）Ｔａｋｕｍｉ Ｖｉｓｉｏｎ株式会社 (14)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３０日（２０１０．３．３０）
【出願人】（５０４０１７６８１）日本ロジックス株式会社 (8)
【出願人】（５１００８７６２３）株式会社システムアドバンス (2)
【出願人】（５０７０２２８０２）Ｔａｋｕｍｉ Ｖｉｓｉｏｎ株式会社 (14)
【Ｆターム（参考）】
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