JP3687096B2 - 音響信号コンプレッサ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音声信号や楽音信号などの音響信号のレベルを制限する音響信号コンプレッサ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンプレッサは、音響信号のダイナミックレンジを圧縮する装置である。ディジタルコンプレッサは、ディジタル音響信号を入力とするコンプレッサである。ディジタルコンプレッサでは、例えば、入力信号のレベルを対数変換し、所定のスレショルドとレシオに応じた変換を施した後、指数変換し、これと入力信号とを乗算する、というような処理を行なっている。他の方法として、テーブルを用いる方法や、折れ線近似で振幅比を決める方法などもある。
【０００３】
特開平３−２１８１０９号には、入力信号を所定時間遅延した信号に、入力信号のレベル値に対応した値を乗算（入力レベルの小さな音響信号のレベルを増加させ、かつ入力レベルの大きな音響信号のレベルを減少させるようにする）することにより、音響信号のダイナミックレンジを変更するディジタルコンプレッサが開示されている。特開平６−３３２４５４号には、複数チャンネル分累算されたディジタル楽音信号から振幅エンベロープを検出し、入力信号レベルが小さな領域で一定のゲインを表しかつ入力信号レベルの大きな領域では徐々に減少するゲインを表す出力信号を出力する非線形変換回路を介することにより、ダイナミックレンジを変更する電子楽器が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来のディジタルコンプレッサでは、その特性が固定的であり、電子楽器などに適用したとき、面白みのない平板な楽音になりがちであった。近年では、楽音に歪みを与えることにより、変化が豊かで効果的な楽音を生成したいという要求がある。
【０００５】
この発明は、上述の従来形における問題点に鑑み、面白みがなく平板な音となりがちであるという従来のディジタルコンプレッサの欠点を解消し、構成が簡単で、入出力関係が固定的でないようなディジタルコンプレッサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、入力信号の振幅レベルを検出するエンベロープフォロワと、該振幅レベルに基づいて除数を決定する変換手段と、被除数を入力し、前記被除数を前記除数で除算する演算を行なうとともに、該除算をフィルタ演算で実行する除算フィルタ手段と、前記入力信号に前記除算結果を乗算することにより、前記入力信号の振幅を制御する第１の乗算手段とを備え、前記エンベロープフォロワは、前記入力信号に対して全波整流を行なう全波整流手段と、前記全波整流手段の出力から、後記する第２の乗算手段の出力を減算する減算手段と、前記減算手段の出力に対して半波整流を行なう半波整流手段と、前記半波整流手段の出力に、外部から供給された乗算係数を乗算する第３の乗算手段と、前記第３の乗算手段の出力に、後記する第２の乗算手段の出力を加算する第１の加算手段と、前記第１の加算手段の出力を遅延させて出力する第１の遅延手段と、前記第１の遅延手段の出力に、外部から供給された乗算係数を乗算し、乗算結果を前記減算手段および前記第１の加算手段に供給する第２の乗算手段とを備え、前記変換手段は、前記エンベロープフォロワの第１の加算手段の出力に、外部から供給された乗算係数を乗算する第４の乗算手段と、前記第４の乗算手段の乗算結果に、外部から供給されたオフセット値を加算し、その加算結果を前記除数として供給する第２の加算手段とを備え、前記除算フィルタ手段は、入力した信号を遅延させて出力する第２の遅延手段と、前記除数に前記第２の遅延手段の出力を乗算する第５の乗算手段と、前記第５の乗算手段の乗算結果を、外部から供給されたスレッショルド値から減算するとともに、前記第２の遅延手段の出力を加算し、その結果を、除算結果として前記遅延手段および前記第１の乗算手段に出力する加減算手段とを備え、前記第１から第５の乗算手段、前記第１および第２の加算手段、前記エンベロープフォロワ内の減算手段、並びに、前記除算フィルタ手段内の加減算手段は、何れも、所定の上限値または下限値をオーバーフローまたはアンダーフローしたときには該上限値または該下限値を出力するものであることを特徴とする。
請求項２に係る発明は、入力信号の振幅レベルを検出するエンベロープフォロワと、該振幅レベルに基づいて除数を決定する変換手段と、被除数を入力し、前記被除数を前記除数で除算する演算を行なうとともに、該除算をフィルタ演算で実行する除算フィルタ手段と、前記入力信号に前記除算結果を乗算することにより、前記入力信号の振幅を制御する第１の乗算手段とを備え、前記エンベロープフォロワは、前記入力信号に対して全波整流を行なう全波整流手段と、前記全波整流手段の出力から、後記する第２の乗算手段の出力を減算する減算手段と、前記減算手段の出力に対して半波整流を行なう半波整流手段と、前記半波整流手段の出力に、外部から供給された乗算係数を乗算する第３の乗算手段と、前記第３の乗算手段の出力に、後記する第２の乗算手段の出力を加算する第１の加算手段と、前記第１の加算手段の出力を遅延させて出力する第１の遅延手段と、前記第１の遅延手段の出力に、外部から供給された乗算係数を乗算し、乗算結果を前記減算手段および前記第１の加算手段に供給する第２の乗算手段とを備え、前記変換手段は、前記エンベロープフォロワの第１の加算手段の出力に、外部から供給された乗算係数を乗算する第４の乗算手段と、前記第４の乗算手段の乗算結果に、外部から供給されたオフセット値を加算し、その加算結果を前記除数として供給する第２の加算手段とを備え、前記除算フィルタ手段は、入力した信号を遅延させて出力する第２の遅延手段と、前記除数に前記第２の遅延手段の出力を乗算する第５の乗算手段と、前記第５の乗算手段の乗算結果を、外部から供給されたスレッショルド値に加算し、その結果を、除算結果として前記遅延手段および前記第１の乗算手段に出力する第３の加算手段とを備え、前記第１から第５の乗算手段、前記第１から第３の加算手段、および、前記エンベロープフォロワ内の減算手段は、何れも、所定の上限値または下限値をオーバーフローまたはアンダーフローしたときには該上限値または該下限値を出力するものであることを特徴とする。
【０００７】
請求項３に係る発明は、請求項１または３に記載の音響信号コンプレッサ装置において、前記除算フィルタ手段は、１サンプリング周期で前記除算の演算を複数回行なうことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いてこの発明の実施の形態を説明する。
【０００９】
図１は、この発明の実施の形態に係るディジタルコンプレッサの基本構成を示すブロック図である。このコンプレッサは、エンベロープフォロワ１０１、変換回路１０２、除算フィルタ１０３、および乗算器１０４を備える。
【００１０】
エンベロープフォロワ１０１は、入力信号のエンベロープレベルを抽出して出力する回路である。変換回路１０２は、エンベロープフォロワ１０１で抽出した入力信号のエンベロープのレベルを除数ｙに変換する。除算フィルタ１０３は、被除数ｘと変換回路１０２からの除数ｙを入力し、ｘ／ｙを演算出力する。乗算器１０４は、除算フィルタ１０３の出力ｚ＝ｘ／ｙと入力信号ｉｎとを乗算する。乗算器１０４の出力ｏｕｔ＝ｉｎ＊ｚが本コンプレッサの出力となる。通常は、乗算器１０４の後段にレベル調整のアンプがつながるが、ここでは省略してある。
【００１１】
乗算器１０４の乗算結果ｏｕｔは、除算フィルタ１０３の出力ｚと入力信号ｉｎとを乗算して得ている。除算フィルタ１０３では、入力信号のエンベロープのレベルが大きいほど出力値ｚ＝ｘ／ｙは小さくなり、入力信号のエンベロープのレベルが小さいほど出力値ｚ＝ｘ／ｙは大きくなる。これにより、入力信号ｉｎのレベルに応じた出力信号ｏｕｔのレベル制限を実現することができる。
【００１２】
図２は、図１のディジタルコンプレッサの具体的な構成例である。このコンプレッサは、全波整流部２０１、減算器２０２、半波整流部２０３、乗算器２０４、加算器２０５、遅延回路２０６、乗算器２０７、乗算器２０８、加算器２０９、減算器２１０、遅延回路２１１、乗算器２１２、および乗算器２２４を備えている。各加算器および各乗算器は、オーバフロープロテクト付きのものであり、所定の上限値または下限値をオーバフローしたときには、その上限値または下限値を出力する。付番２０１から２０６の部分が、図１の１０１に相当するエンベロープフォロワ２２１である。付番２０８と２０９の部分が、図１の１０２に相当する変換回路２２２である。付番２１０から２１２の部分が、図１の１０３に相当する除算フィルタ２２３である。乗算器２２４が、図１の乗算器１０４に相当する。図２のディジタルコンプレッサは、例えばＤＳＰ（ディジタルシグナルプロセッサ）とマイクロプログラムにより構成することができる。
【００１３】
エンベロープフォロワ２２１において、入力信号は全波整流部２０１に入力する。全波整流部２０１は、入力信号に対する全波整流、すなわち入力が負のときに正に変換する処理を行なう。全波整流部２０１の出力は、減算器２０２に入力する。減算器２０２は、入力信号から乗算器２０７の乗算結果を減算して出力する。減算器２０２の出力は、半波整流部２０３に入力する。半波整流部２０３は、入力信号に対し、正の範囲のみを通し負の範囲は出力しない。半波整流部２０３の出力は、乗算器２０４に入力し、乗算係数ａｒと乗算される。加算器２０５は、その乗算結果を入力し、乗算器２０７の乗算結果と加算する。加算器２０５の出力は、遅延回路２０６に入力する。遅延回路２０６は、入力信号を１サンプリング周期だけ遅延して出力する遅延回路である。遅延回路２０６の出力は、乗算器２０７に入力し、乗算係数ｒｒと乗算される。その乗算結果は、減算器２０２と加算器２０５に入力する。
【００１４】
加算器２０２、半波整流部２０３、乗算器２０４、加算器２０５、遅延回路２０６、および乗算器２０７は、半波整流器とローパスフィルタ（ＬＰＦ：Low Pass Filter）を兼ねた回路になっている。乗算器２０４の乗算係数ａｒはアタックレートで、信号の立ち上がりの時間的変化を決定するパラメータである。乗算器２０７の乗算係数ｒｒはリリースレイトで、信号が下がってくる際の時間的変化を決定するパラメータである。乗算係数ａｒおよびｒｒを適宜設定することによって、立ち上がりが速く下りてくるのがゆっくりであるローパスフィルタ特性が得られる。加算器２０５の出力を、エンベロープフォロワ２２１の出力ｅｆとして、次段の変換回路２２２に入力する。
【００１５】
変換回路２２２では、エンベロープフォロワ２２１の出力ｅｆを乗算器２０８に入力し乗算係数ｒａｔと乗算する。乗算器２０８の出力は、加算器２０９に入力し、オフセット値ｏｆｓと加算される。乗算係数ｒａｔは、コンプレッサのコンプレッションレシオに相当し、コンプレッサのかかり具合を決めるパラメータである。オフセット値ｏｆｓは、ｋｎｅｅ（コンプレッサのかかり具合がハードかソフトか）を決めるパラメータである。加算器２０９の出力（すなわち、ｅｆ＊ｒａｔ＋ｏｆｓ）は、変換回路２２２の出力ｙとして、除算フィルタ２２３の除数端子に入力する。なお、＊は乗算を意味するものとする。
【００１６】
除算フィルタ２２３の被除数端子にはスレショルドレベルｔｈ（図１の被除数ｘである）が入力する。スレショルドレベルｔｈは、加算器２１０に入力する。加算器２１０の出力は、遅延回路２１１に入力する。遅延回路２１１は、入力信号を１サンプリング周期だけ遅延して出力する遅延回路である。遅延回路２１１の出力は、加算器２１０および乗算器２１２に入力する。乗算器２１２は、遅延回路２１１の出力に変換回路２２２からの出力ｙを乗算し、乗算結果を減算器２１０に入力する。減算器２１０は、スレショルドレベルｔｈから乗算器２１２の乗算結果を減算し、遅延回路２１１からの出力を加算する。減算器２１０の出力は、除算フィルタ２２３の出力として、乗算器２２４に入力する。
【００１７】
除算フィルタ２２３は、ＩＩＲ（Infinite Impulse Response）フィルタを構成しており、その伝達関数は、
となる。充分な時間が経過して安定したときの出力は、上記の伝達関数Ｈ（ｚ）でｚ-1＝１と置いて、
Ｈ（ｚ）＝ｔｈ／（ｏｆｓ＋ｒａｔ＊ｅｆ）＝ｘ／ｙ
となる。
【００１８】
なお、変換回路２２２と除算フィルタ２２３は、図３の回路でも代替できる。図３の回路では、伝達関数は、
となる。充分な時間が経過して安定したときの出力は、上記の伝達関数Ｈ（ｚ）でｚ-1＝１と置いて、
Ｈ（ｚ）＝ｔｈ／（ｏｆｓ＋ｒａｔ＊ｅｆ）＝ｘ／ｙ
となるので、図２の回路と等価であることが判る。
【００１９】
図４〜図８を参照して、図２のコンプレッサの特性について詳しく説明する。図４〜図８において、図２の回路への入力をｉｎ、出力をｏｕｔ、除数をｙ、被除数をｘ（＝ｔｈ）、除算結果をｄとする。充分な時間が経過した状態（時間→∞）を考慮するものとし、そのためエンベロープフォロワ２２１は全波整流に置き換えて、フィルタの特性を求めるものとする。また、除算フィルタ２２３のＤＣ応答（ｚ-1→１，時間→∞と等価）でレベルを求めるものとする。入力ｉｎは−１≦ｉｎ≦１の範囲で有意であるものとし、図２の各部での演算もこの範囲で有意とする。この範囲外はオーバフローとする。
【００２０】
図４は、コンプレッションレシオｒａｔ＝１、オフセット値ｏｆｓ＝０とし、スレショルドレベルｔｈ＝ｘのみを変化させるときの出力特性を示す図である。図４（ａ）は、入力ｉｎと除数ｙとの関係を示す。入力ｉｎを全波整流して絶対値｜ｉｎ｜とし、変換回路２２２でｙ＝｜ｉｎ｜＊ｒａｔ＋ｏｆｓとするから、変換回路２２２の出力である除数ｙは図４（ａ）に示すようになる。
【００２１】
図４（ｂ）は、入力ｉｎと除算結果ｄの関係を示す。除算結果ｄ＝ｘ／ｙであり（ｘ＝ｔｈ）、除数ｙは図４（ａ）に示すとおりであるから、除算結果ｄのグラフは図４（ｂ）のようになる。スレショルドレベルｔｈ＝ｘのときの除算結果ｄのグラフを実線４０１に示し、スレショルドレベルｔｈ＝ｘ’（ただし、ｘ’＜ｘ）のときの除算結果ｄのグラフを破線４０２に示す。入力ｉｎの絶対値が小さいほど、図４（ａ）から判るように除数ｙが小さくなり、除算結果ｄ＝ｘ／ｙは大きくなる。入力ｉｎの絶対値が被除数ｘより小さいと、除算結果ｄは１を超えてオーバフローになる。オーバフローのときは、除算結果ｄ＝１が出力される。図４（ｂ）のグラフのｄ＝１の平坦部４０３は、除算結果ｄがオーバフローした範囲を示す。
【００２２】
図４（ｃ）は、入力ｉｎと出力ｏｕｔの関係を示す。出力ｏｕｔは、乗算器２２４で図４（ｂ）の除算結果ｄに入力ｉｎを乗算した結果である。入力ｉｎの絶対値が被除数ｘより小さい範囲ではｄ＝１であるので、出力ｏｕｔ＝入力ｉｎである。したがって、この範囲では傾き１のグラフ４１１のようになり、出力ｏｕｔは入力ｉｎにしたがってリニアに変化する。入力ｉｎの絶対値が大きくなってｘを超えると、除算結果ｄ＝ｘ／ｙでｙは入力ｉｎの絶対値と等しいので、出力ｏｕｔ＝ｄ＊ｉｎ＝ｘまたは−ｘとなる。図４（ｃ）のｏｕｔ＝ｘおよびｏｕｔ＝−ｘの平坦部４１２は、この範囲である。出力ｏｕｔは、入力ｉｎの絶対値が大きくなっても、所定範囲にレベルが制限され、コンプレッサの動作が実現されている。また、スレショルドレベルｔｈ＝ｘを変化させることにより、平坦部４１２のレベルを変更制御できる。例えば、スレショルドレベルｔｈ＝ｘ’（ただし、ｘ’＜ｘ）としたときは、平坦部は破線のグラフ４１３に示すようになり、出力ｏｕｔをより狭い範囲にレベル制限することができる。この場合、図４（ｂ）に示した平坦部４０３の範囲も、−ｘからｘまでの範囲が、より狭い−ｘ’からｘ’までの範囲となり、これに伴って図４（ｃ）の傾き１のグラフ４１１の範囲も同様に−ｘ’からｘ’までの範囲となる。
【００２３】
図５は、コンプレッションレシオｒａｔ＝１−ｘ、オフセット値ｏｆｓ＝ｘとし、スレショルドレベルｔｈをオフセット値ｏｆｓと同じ値にして変化させるときの出力特性を示す図である。コンプレッションレシオｒａｔは、この変化に連動させるものとする。図５（ａ）は、入力ｉｎと除数ｙとの関係を示す。入力ｉｎを全波整流して絶対値｜ｉｎ｜とし、変換回路２２２でｙ＝｜ｉｎ｜＊ｒａｔ＋ｏｆｓとするから、変換回路２２２の出力である除数ｙは図５（ａ）に示すようになる。特に、入力ｉｎ＝０のとき、ｙ＝ｏｆｓ＝ｘである。入力｜ｉｎ｜＝１のとき、ｙ＝１−ｘ＋ｘ＝１である。スレショルドレベルｔｈ＝ｘのときの除数ｙのグラフを実線５０１に示し、スレショルドレベルｔｈ＝ｘ’（ただし、ｘ’＜ｘ）のときの除数ｙのグラフを破線５０２に示す。
【００２４】
図５（ｂ）は、入力ｉｎと除算結果ｄの関係を示す。除算結果ｄ＝ｘ／ｙであり（ｘ＝ｔｈ）、除数ｙは図５（ａ）に示すとおりであるから、除算結果ｄのグラフは図５（ｂ）のようになる。特に、入力ｉｎ＝０のとき、ｙ＝ｏｆｓ＝ｘとなるから、ｄ＝１である。また、｜ｉｎ｜＝１のとき、ｙ＝｜ｉｎ｜＊（１−ｘ）＋ｘ＝１となるから、ｄ＝ｘである。上述のｔｈ＝ｘのときの除算結果ｄのグラフを実線５１１に示し、ｔｈ＝ｘ’（ただし、ｘ’＜ｘ）のときの除算結果ｄのグラフを破線５１２に示す。
【００２５】
図５（ｃ）は、入力ｉｎと出力ｏｕｔの関係を示す。出力ｏｕｔは、乗算器２２４で図５（ｂ）の除算結果ｄに入力ｉｎを乗算した結果であるから、図５（ｃ）のグラフ５２１のようになる。入力ｉｎ＝０のとき出力ｏｕｔ＝０で、入力ｉｎ＝１のとき出力ｏｕｔ＝ｘである。出力ｏｕｔは、入力ｉｎの絶対値が大きくなっても、所定範囲にレベルが制限され、コンプレッサの動作が実現されている。また、スレショルドレベルｔｈ＝ｘを変化させることにより、レベル制限する範囲を変更制御できる。例えば、ｔｈ＝ｘ’（ただし、ｘ’＜ｘ）としたときは、出力ｏｕｔは破線のグラフ５２２に示すようになり、出力ｏｕｔをより狭い範囲にレベル制限することができる。
【００２６】
図６は、コンプレッションレシオｒａｔ＜１−ｘ、オフセット値ｏｆｓ＝ｘとし、ｔｈ＝ｏｆｓ＝固定値として、コンプレッションレシオｒａｔを変化させるときの出力特性を示す図である。図６（ａ）は、入力ｉｎと除数ｙとの関係を示す。入力ｉｎを全波整流して絶対値｜ｉｎ｜とし、変換回路２２２でｙ＝｜ｉｎ｜＊ｒａｔ＋ｏｆｓとするから、変換回路２２２の出力である除数ｙは図６（ａ）に示すようになる。特に、入力ｉｎ＝０のとき、ｙ＝ｏｆｓ＝ｘである。入力｜ｉｎ｜＝１のとき、ｙ＝ｒａｔ＋ｘ＜１である。スレショルドレベルｔｈ＝ｘのときの除数ｙのグラフを実線６０１に示す。
【００２７】
図６（ｂ）は、入力ｉｎと除算結果ｄの関係を示す。除算結果ｄ＝ｘ／ｙであり（ｘ＝ｔｈ）、除数ｙは図６（ａ）に示すとおりであるから、除算結果ｄのグラフは図６（ｂ）のグラフ６１１のようになる。特に、入力ｉｎ＝０のとき、ｙ＝ｏｆｓ＝ｘとなるから、ｄ＝１である。また、｜ｉｎ｜＝１のとき、ｙ＝｜ｉｎ｜＊ｒａｔ＋ｘ＝ｒａｔ＋ｘ＜１となるから、ｄ＞ｘである。
【００２８】
図６（ｃ）は、入力ｉｎと出力ｏｕｔの関係を示す。出力ｏｕｔは、乗算器２２４で図６（ｂ）の除算結果ｄに入力ｉｎを乗算した結果であるから、図６（ｃ）のグラフ６２１のようになる。入力ｉｎ＝０のとき出力ｏｕｔ＝０で、入力ｉｎ＝１のとき出力ｏｕｔ＝ｄ＝ｘ／ｙ＞ｘである。出力ｏｕｔは、入力ｉｎの絶対値が大きくなっても、所定範囲にレベルが制限され、コンプレッサの動作が実現されている。また、コンプレッションレシオｒａｔを変化させることにより、除算結果ｄのグラフ６１１や出力ｏｕｔのグラフ６２１の変化の程度を変更制御でき、これによりコンプレッサのかかり具合を制御できる。例えば、オフセット値ｏｆｓ＝スレッショルドレベルｔｈ（＝ｘ）を固定値としたままコンプレッションレシオｒａｔを最小値（＝０）から最大値（＝１−ｘ）まで変化させることにより、コンプレッサがかかっていない状態（ゲイン＝１で一定）から最大にかかっている状態（図５の実線５２１）まで連続的に変化させることができる。これが、後に説明するｋｎｅｅ＝ｓｏｆｔの場合のパラメータｒａｔｉｏに応じたコンプレッサ特性の変化に対応している。
【００２９】
図７は、スレショルドレベルｔｈ＝ｘを固定値とし、除数ｙの入力ｉｎに対するグラフが（ｘ，ｘ）を通るようにオフセット値ｏｆｓを決定して、コンプレッションレシオｒａｔを変化させるときの出力特性を示す図である。図７（ａ）は、入力ｉｎと除数ｙとの関係を示す。（ｘ，ｘ）を通るようにすることから、ｉｎとｙとの関係式は、ｉｎが０から１の範囲でｙ−ｘ＝ｒａｔ＊（ｉｎ−ｘ）となる。これより、ｙ＝ｒａｔ＊（ｉｎ−ｘ）＋ｘ＝ｒａｔ＊ｉｎ＋（１−ｒａｔ）＊ｘであるから、ｏｆｓ＝（１−ｒａｔ）＊ｘである。特に、ｒａｔ＝１のときは図４の場合と同じであり、図７（ａ）のグラフ７０１は図４（ａ）と、図７（ｂ）のグラフ７１１（平坦部７１４も含む）は図４（ｂ）のグラフ４０１（平坦部４０３も含む）と、図７（ｃ）のグラフ７２１および７２２は図４（ｃ）のグラフ４１１および４１２と、それぞれ同じである。
【００３０】
図７では他にｒａｔ＝０．５の場合と０．２５の場合を図示した。上記のｉｎとｙとの関係式より、これらの場合のｙのグラフは図７（ａ）の７０２，７０３に示すようになる。除算結果ｄ＝ｘ／ｙであり、ｙ＜ｘの範囲では除算結果ｄがオーバフローし、図７（ｂ）の除算結果ｄのグラフでｄ＝１の平坦部７１４を形成している。平坦部７１４の外側では、除算結果ｄは７１１，７１２に示すとおりとなる。
【００３１】
図７（ｃ）は、入力ｉｎと出力ｏｕｔの関係を示し、図７（ｂ）の除算結果ｄに入力ｉｎを乗算した結果である。図７（ｂ）の平坦部７１４の範囲、すなわち−ｘからｘまでの範囲では傾き１のグラフ７２１のようになり、出力ｏｕｔは入力ｉｎにしたがってリニアに変化する。その外側の範囲では、ｒａｔの値に応じたグラフ７２３，７２４のようになる。特に、オーバフローする−ｘからｘまでの範囲は変更することなくリニアな特性とし、−ｘからｘまでの範囲の外側では、コンプレッションレシオｒａｔの値を変更することにより、コンプレッションのかかり具合を制御できる。すなわち、コンプレッションレシオｒａｔ＝０はコンプレッサがかかっていない状態であり、ｒａｔ＝１はコンプレッサが最大にかかっている状態（図７の実線７２２）である。これが、後に説明するｋｎｅｅ＝ｈａｒｄの場合のパラメータｒａｔｉｏに応じたコンプレッサ特性の変化に対応している。
【００３２】
図８は、スレショルドレベルｔｈ＝ｘを固定値とし、除数ｙの入力ｉｎに対するグラフが（１，１）を通るようにして、オフセット値ｏｆｓを変化させる（すなわち、ｋｎｅｅが可変）ときの出力特性を示す図である。コンプレッションレシオｒａｔは、オフセット値ｏｆｓに連動して変化させる。図８（ａ）は、入力ｉｎと除数ｙとの関係を示す。（１，１）を通るようにすることから、ｉｎとｙとの関係式は、ｉｎが０から１の範囲でｙ＝（１−ｏｆｓ）ｉｎ＋ｏｆｓとなる。したがって、ｒａｔ＝１−ｏｆｓである。
【００３３】
特に、ｏｆｓ＝０のときは図４で説明したのと同様であるから、図８（ａ）のグラフ８０１は図４（ａ）と、図８（ｂ）のグラフ８１１（平坦部８１４も含む）は図４（ｂ）のグラフ４０１（平坦部４０３も含む）と、図８（ｃ）のグラフ８２１および８２２は図４（ｃ）のグラフ４１１および４１２と、それぞれ同じである。また、ｏｆｓ＝ｘの場合は、図５で説明したのと同様であるから、図８（ａ）のグラフ８０３は図５（ａ）のグラフ５０１と、図８（ｂ）のグラフ８１３は図５（ｂ）のグラフ５１１と、図８（ｃ）のグラフ８２４は図５（ｃ）のグラフ５２１と、それぞれ同じである。
【００３４】
図８では他にｏｆｓを０＜ｏｆｓ＜ｘの範囲にとった場合を示した。この場合、入力ｉｎと除数ｙとの関係式は上述の通りであるから、除数ｙのグラフは図８（ａ）の８０２に示すようになる。図８（ｂ）の除算結果ｄ＝ｘ／ｙのグラフでは、除数ｙが固定値ｔｈ＝ｘより小さくなる範囲でオーバフローが起こり、この範囲でｄ＝１となる。この範囲は、−（ｘ−ｏｆｓ）／（１−ｏｆｓ）から（ｘ−ｏｆｓ）／（１−ｏｆｓ）までの範囲である。この範囲の外側では、グラフ８１２に示すようになる。
【００３５】
図８（ｃ）は、入力ｉｎと出力ｏｕｔの関係を示し、図８（ｂ）の除算結果ｄに入力ｉｎを乗算した結果である。図８（ｂ）の平坦部の範囲、すなわち−（ｘ−ｏｆｓ）／（１−ｏｆｓ）から（ｘ−ｏｆｓ）／（１−ｏｆｓ）までの範囲では傾き１のグラフになり、出力ｏｕｔは入力ｉｎにしたがってリニアに変化する。その外側の範囲では、グラフ８２３のようになる。本例では、オフセット値ｏｆｓの値を変更することにより、図８（ｃ）のように特性を変更して、コンプレッサが最大にかかっている状態におけるゲイン変化特性（図８（ｃ）のような）の肩のなだらかさを制御することができる。この肩のなだらかさを制御するパラメータは、ｋｎｅｅと呼ばれている。
【００３６】
上述の図４〜図８では充分な時間が経過した後のコンプレッサの特性を説明したが、実際には除算フィルタ部分で出力が安定するまでの時間遅れがあり、またエンベロープフォロワ部分でも同様の時間遅れがある。特に、図２（あるいは図３）の除算フィルタでは、ＬＰＦの係数に除数ｙを与えた形で構成しているので、除数ｙに応じて時定数が変化し、除算結果に達する時間も異なる。除数ｙが大きいほど時定数は小さくなり、除算結果に至る到達時間も速くなる。また、除数ｙが小さいほど時定数が大きくなり、除算結果に至る到達時間は遅くなる。したがって、入力信号のエンベロープレベルが大きくなったときにこれを押え込むのは速いが、小さいレベルでの変動にはゆっくり追従する。レベルが１／１００程度の変化をしたとき時定数は2.3ms程度（サンプリング周波数が44.1kHzのとき）なので、実用上問題はない。却って、この時間遅れにより、入力が変化したとき少しオーバシュート気味に変化した後に安定した結果に到達するので、従来のコンプレッサでは得ることができない変化が豊かで効果的な楽音を生成できる。
【００３７】
なお、図２の各部は、所定のサンプリングクロックに同期して動作しており、１サンプリング周期で１回動作するように構成されているが、除算フィルタ２２３での処理を１サンプリング周期で複数回行なうことにより応答速度を上げることができる。これは一種のオーバサンプリングで、時定数はその回数分の１となる。
【００３８】
以上のようにして、図２のコンプレッサにおいては、上述したような各種のパラメータを設定することによりその特性を制御できる。実際に電子楽器の効果付与装置などに適用した場合は、ユーザが適当な操作子で以下のような値を設定できるようにし、これらの設定値から上述の各種のパラメータ値を決めればよい。例えば、図６のようにｔｈ＝ｏｆｓを固定値としてｒａｔを変化させる例であれば、
（１）ｒａｔｉｏ：１〜∞の範囲
（２）ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ：−４８〜−６（ｄＢ）の範囲
（３）ｋｎｅｅ：ｓｏｆｔまたはｈａｒｄの別
の３つの値をユーザに設定させ、
（１）ｋｎｅｅ＝ｓｏｆｔのときは
ｒａｔ＝（１−ｔｈ）＊（ｒａｔｉｏ−１）／ｒａｔｉｏ
ｏｆｓ＝ｔｈ
ｔｈ＝ｐｏｗ（１０，ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ／２０）
（２）ｋｎｅｅ＝ｈａｒｄのときは
ｒａｔ＝（ｒａｔｉｏ−１）／ｒａｔｉｏ
ｏｆｓ＝ｔｈ＊（１−ｒａｔ）
ｔｈ＝ｐｏｗ（１０，ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ／２０）
とすればよい。ｐｏｗはｄＢ値をリニア値に変換する関数である。他の図の特性に対しても同様にすればよい。
【００３９】
これによりユーザは、ｒａｔｉｏを所望の値に設定することでコンプレッサのかかり具合を調整でき、ｔｈｒｅｓｈｏｌｄを所望の値に設定することでコンプレッサのかかるレベルを調整することができる。また、ユーザは、コンプレッサのかかり方について、ソフトかハードかを選択できる。また、図４〜図８の各特性を組み合わせてもよいし、切り替え可能（例えば、モード切り替え手段を設け、第１のモードのときは図４の特性、第２のモードのときは図５の特性、…というようにする）にしてもよい。
【００４０】
図９は、本発明のコンプレッサを適用する電子楽器の構成例を示す。この電子楽器は、マイコン９０１、演奏入力部９０２、パネル９０３、各種入出力（Ｉ／Ｏ）インタフェース９０４、音源９０５、エフェクタ９０６、ディジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）９０７、およびサウンドシステム９０８を備える。
【００４１】
マイコン９０１は、この電子楽器全体の動作を制御する処理装置である。演奏入力部９０２は、ユーザが演奏操作する鍵盤などの操作子である。パネル９０３は、各種の設定を行なうための操作子や表示部を備えており、例えば上述のｒａｔｉｏやｔｈｒｅｓｈｏｌｄやｋｎｅｅを設定する操作子を含む。音源９０５は、マイコン９０１からの指示に応じてディジタル楽音信号を発生する音源であり、その方式は任意である。例えば、波形メモリ音源、ＦＭ音源、あるいは物理モデル音源などでもよいし、外部からの波形入力でもよい。エフェクタ９０６は、音源９０５から出力される楽音信号に対して効果を付与するエフェクタであり、本発明に係るコンプレッサを含む。エフェクタ９０６の出力は、ディジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）９０７でアナログ楽音信号に変換され、サウンドシステム９０８により放音される。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、除算フィルタを用いて除算演算を行なうようにしているので、テーブルが不要であり、該除算フィルタの構成も非常に単純なもので済むので、簡単な構成で様々な制御が可能なコンプレッサを実現することができる。さらに、除算フィルタにおける時間遅れがあるため、固定的な入出力関係でなく、従来のコンプレッサでは得ることができない変化が豊かで効果的な楽音を生成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るコンプレッサのブロック図
【図２】実施の形態のコンプレッサの構成例を示す図
【図３】変換回路と除算フィルタの別の構成例を示す図
【図４】実施の形態のコンプレッサの特性の例（その１）を示す図
【図５】実施の形態のコンプレッサの特性の例（その２）を示す図
【図６】実施の形態のコンプレッサの特性の例（その３）を示す図
【図７】実施の形態のコンプレッサの特性の例（その４）を示す図
【図８】実施の形態のコンプレッサの特性の例（その５）を示す図
【図９】本発明の適用例である電子楽器の構成例を示す図
【符号の説明】
１０１，２２１……エンベロープフォロワ、１０２，２２２……変換回路、１０３，２２３……除算フィルタ、１０４，２０４，２０７，２０８，２１２，２２４……乗算器、２０１……全波整流部、２０２，２１０……減算器、２０３……半波整流部、２０５，２０９……加算器、２０６，２１１……遅延回路。
【発明の属する技術分野】
本発明は、音声信号や楽音信号などの音響信号のレベルを制限する音響信号コンプレッサ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンプレッサは、音響信号のダイナミックレンジを圧縮する装置である。ディジタルコンプレッサは、ディジタル音響信号を入力とするコンプレッサである。ディジタルコンプレッサでは、例えば、入力信号のレベルを対数変換し、所定のスレショルドとレシオに応じた変換を施した後、指数変換し、これと入力信号とを乗算する、というような処理を行なっている。他の方法として、テーブルを用いる方法や、折れ線近似で振幅比を決める方法などもある。
【０００３】
特開平３−２１８１０９号には、入力信号を所定時間遅延した信号に、入力信号のレベル値に対応した値を乗算（入力レベルの小さな音響信号のレベルを増加させ、かつ入力レベルの大きな音響信号のレベルを減少させるようにする）することにより、音響信号のダイナミックレンジを変更するディジタルコンプレッサが開示されている。特開平６−３３２４５４号には、複数チャンネル分累算されたディジタル楽音信号から振幅エンベロープを検出し、入力信号レベルが小さな領域で一定のゲインを表しかつ入力信号レベルの大きな領域では徐々に減少するゲインを表す出力信号を出力する非線形変換回路を介することにより、ダイナミックレンジを変更する電子楽器が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来のディジタルコンプレッサでは、その特性が固定的であり、電子楽器などに適用したとき、面白みのない平板な楽音になりがちであった。近年では、楽音に歪みを与えることにより、変化が豊かで効果的な楽音を生成したいという要求がある。
【０００５】
この発明は、上述の従来形における問題点に鑑み、面白みがなく平板な音となりがちであるという従来のディジタルコンプレッサの欠点を解消し、構成が簡単で、入出力関係が固定的でないようなディジタルコンプレッサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、入力信号の振幅レベルを検出するエンベロープフォロワと、該振幅レベルに基づいて除数を決定する変換手段と、被除数を入力し、前記被除数を前記除数で除算する演算を行なうとともに、該除算をフィルタ演算で実行する除算フィルタ手段と、前記入力信号に前記除算結果を乗算することにより、前記入力信号の振幅を制御する第１の乗算手段とを備え、前記エンベロープフォロワは、前記入力信号に対して全波整流を行なう全波整流手段と、前記全波整流手段の出力から、後記する第２の乗算手段の出力を減算する減算手段と、前記減算手段の出力に対して半波整流を行なう半波整流手段と、前記半波整流手段の出力に、外部から供給された乗算係数を乗算する第３の乗算手段と、前記第３の乗算手段の出力に、後記する第２の乗算手段の出力を加算する第１の加算手段と、前記第１の加算手段の出力を遅延させて出力する第１の遅延手段と、前記第１の遅延手段の出力に、外部から供給された乗算係数を乗算し、乗算結果を前記減算手段および前記第１の加算手段に供給する第２の乗算手段とを備え、前記変換手段は、前記エンベロープフォロワの第１の加算手段の出力に、外部から供給された乗算係数を乗算する第４の乗算手段と、前記第４の乗算手段の乗算結果に、外部から供給されたオフセット値を加算し、その加算結果を前記除数として供給する第２の加算手段とを備え、前記除算フィルタ手段は、入力した信号を遅延させて出力する第２の遅延手段と、前記除数に前記第２の遅延手段の出力を乗算する第５の乗算手段と、前記第５の乗算手段の乗算結果を、外部から供給されたスレッショルド値から減算するとともに、前記第２の遅延手段の出力を加算し、その結果を、除算結果として前記遅延手段および前記第１の乗算手段に出力する加減算手段とを備え、前記第１から第５の乗算手段、前記第１および第２の加算手段、前記エンベロープフォロワ内の減算手段、並びに、前記除算フィルタ手段内の加減算手段は、何れも、所定の上限値または下限値をオーバーフローまたはアンダーフローしたときには該上限値または該下限値を出力するものであることを特徴とする。
請求項２に係る発明は、入力信号の振幅レベルを検出するエンベロープフォロワと、該振幅レベルに基づいて除数を決定する変換手段と、被除数を入力し、前記被除数を前記除数で除算する演算を行なうとともに、該除算をフィルタ演算で実行する除算フィルタ手段と、前記入力信号に前記除算結果を乗算することにより、前記入力信号の振幅を制御する第１の乗算手段とを備え、前記エンベロープフォロワは、前記入力信号に対して全波整流を行なう全波整流手段と、前記全波整流手段の出力から、後記する第２の乗算手段の出力を減算する減算手段と、前記減算手段の出力に対して半波整流を行なう半波整流手段と、前記半波整流手段の出力に、外部から供給された乗算係数を乗算する第３の乗算手段と、前記第３の乗算手段の出力に、後記する第２の乗算手段の出力を加算する第１の加算手段と、前記第１の加算手段の出力を遅延させて出力する第１の遅延手段と、前記第１の遅延手段の出力に、外部から供給された乗算係数を乗算し、乗算結果を前記減算手段および前記第１の加算手段に供給する第２の乗算手段とを備え、前記変換手段は、前記エンベロープフォロワの第１の加算手段の出力に、外部から供給された乗算係数を乗算する第４の乗算手段と、前記第４の乗算手段の乗算結果に、外部から供給されたオフセット値を加算し、その加算結果を前記除数として供給する第２の加算手段とを備え、前記除算フィルタ手段は、入力した信号を遅延させて出力する第２の遅延手段と、前記除数に前記第２の遅延手段の出力を乗算する第５の乗算手段と、前記第５の乗算手段の乗算結果を、外部から供給されたスレッショルド値に加算し、その結果を、除算結果として前記遅延手段および前記第１の乗算手段に出力する第３の加算手段とを備え、前記第１から第５の乗算手段、前記第１から第３の加算手段、および、前記エンベロープフォロワ内の減算手段は、何れも、所定の上限値または下限値をオーバーフローまたはアンダーフローしたときには該上限値または該下限値を出力するものであることを特徴とする。
【０００７】
請求項３に係る発明は、請求項１または３に記載の音響信号コンプレッサ装置において、前記除算フィルタ手段は、１サンプリング周期で前記除算の演算を複数回行なうことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いてこの発明の実施の形態を説明する。
【０００９】
図１は、この発明の実施の形態に係るディジタルコンプレッサの基本構成を示すブロック図である。このコンプレッサは、エンベロープフォロワ１０１、変換回路１０２、除算フィルタ１０３、および乗算器１０４を備える。
【００１０】
エンベロープフォロワ１０１は、入力信号のエンベロープレベルを抽出して出力する回路である。変換回路１０２は、エンベロープフォロワ１０１で抽出した入力信号のエンベロープのレベルを除数ｙに変換する。除算フィルタ１０３は、被除数ｘと変換回路１０２からの除数ｙを入力し、ｘ／ｙを演算出力する。乗算器１０４は、除算フィルタ１０３の出力ｚ＝ｘ／ｙと入力信号ｉｎとを乗算する。乗算器１０４の出力ｏｕｔ＝ｉｎ＊ｚが本コンプレッサの出力となる。通常は、乗算器１０４の後段にレベル調整のアンプがつながるが、ここでは省略してある。
【００１１】
乗算器１０４の乗算結果ｏｕｔは、除算フィルタ１０３の出力ｚと入力信号ｉｎとを乗算して得ている。除算フィルタ１０３では、入力信号のエンベロープのレベルが大きいほど出力値ｚ＝ｘ／ｙは小さくなり、入力信号のエンベロープのレベルが小さいほど出力値ｚ＝ｘ／ｙは大きくなる。これにより、入力信号ｉｎのレベルに応じた出力信号ｏｕｔのレベル制限を実現することができる。
【００１２】
図２は、図１のディジタルコンプレッサの具体的な構成例である。このコンプレッサは、全波整流部２０１、減算器２０２、半波整流部２０３、乗算器２０４、加算器２０５、遅延回路２０６、乗算器２０７、乗算器２０８、加算器２０９、減算器２１０、遅延回路２１１、乗算器２１２、および乗算器２２４を備えている。各加算器および各乗算器は、オーバフロープロテクト付きのものであり、所定の上限値または下限値をオーバフローしたときには、その上限値または下限値を出力する。付番２０１から２０６の部分が、図１の１０１に相当するエンベロープフォロワ２２１である。付番２０８と２０９の部分が、図１の１０２に相当する変換回路２２２である。付番２１０から２１２の部分が、図１の１０３に相当する除算フィルタ２２３である。乗算器２２４が、図１の乗算器１０４に相当する。図２のディジタルコンプレッサは、例えばＤＳＰ（ディジタルシグナルプロセッサ）とマイクロプログラムにより構成することができる。
【００１３】
エンベロープフォロワ２２１において、入力信号は全波整流部２０１に入力する。全波整流部２０１は、入力信号に対する全波整流、すなわち入力が負のときに正に変換する処理を行なう。全波整流部２０１の出力は、減算器２０２に入力する。減算器２０２は、入力信号から乗算器２０７の乗算結果を減算して出力する。減算器２０２の出力は、半波整流部２０３に入力する。半波整流部２０３は、入力信号に対し、正の範囲のみを通し負の範囲は出力しない。半波整流部２０３の出力は、乗算器２０４に入力し、乗算係数ａｒと乗算される。加算器２０５は、その乗算結果を入力し、乗算器２０７の乗算結果と加算する。加算器２０５の出力は、遅延回路２０６に入力する。遅延回路２０６は、入力信号を１サンプリング周期だけ遅延して出力する遅延回路である。遅延回路２０６の出力は、乗算器２０７に入力し、乗算係数ｒｒと乗算される。その乗算結果は、減算器２０２と加算器２０５に入力する。
【００１４】
加算器２０２、半波整流部２０３、乗算器２０４、加算器２０５、遅延回路２０６、および乗算器２０７は、半波整流器とローパスフィルタ（ＬＰＦ：Low Pass Filter）を兼ねた回路になっている。乗算器２０４の乗算係数ａｒはアタックレートで、信号の立ち上がりの時間的変化を決定するパラメータである。乗算器２０７の乗算係数ｒｒはリリースレイトで、信号が下がってくる際の時間的変化を決定するパラメータである。乗算係数ａｒおよびｒｒを適宜設定することによって、立ち上がりが速く下りてくるのがゆっくりであるローパスフィルタ特性が得られる。加算器２０５の出力を、エンベロープフォロワ２２１の出力ｅｆとして、次段の変換回路２２２に入力する。
【００１５】
変換回路２２２では、エンベロープフォロワ２２１の出力ｅｆを乗算器２０８に入力し乗算係数ｒａｔと乗算する。乗算器２０８の出力は、加算器２０９に入力し、オフセット値ｏｆｓと加算される。乗算係数ｒａｔは、コンプレッサのコンプレッションレシオに相当し、コンプレッサのかかり具合を決めるパラメータである。オフセット値ｏｆｓは、ｋｎｅｅ（コンプレッサのかかり具合がハードかソフトか）を決めるパラメータである。加算器２０９の出力（すなわち、ｅｆ＊ｒａｔ＋ｏｆｓ）は、変換回路２２２の出力ｙとして、除算フィルタ２２３の除数端子に入力する。なお、＊は乗算を意味するものとする。
【００１６】
除算フィルタ２２３の被除数端子にはスレショルドレベルｔｈ（図１の被除数ｘである）が入力する。スレショルドレベルｔｈは、加算器２１０に入力する。加算器２１０の出力は、遅延回路２１１に入力する。遅延回路２１１は、入力信号を１サンプリング周期だけ遅延して出力する遅延回路である。遅延回路２１１の出力は、加算器２１０および乗算器２１２に入力する。乗算器２１２は、遅延回路２１１の出力に変換回路２２２からの出力ｙを乗算し、乗算結果を減算器２１０に入力する。減算器２１０は、スレショルドレベルｔｈから乗算器２１２の乗算結果を減算し、遅延回路２１１からの出力を加算する。減算器２１０の出力は、除算フィルタ２２３の出力として、乗算器２２４に入力する。
【００１７】
除算フィルタ２２３は、ＩＩＲ（Infinite Impulse Response）フィルタを構成しており、その伝達関数は、
Ｈ（ｚ）＝ｔｈ／（ｏｆｓ＋ｒａｔ＊ｅｆ）＝ｘ／ｙ
となる。
【００１８】
なお、変換回路２２２と除算フィルタ２２３は、図３の回路でも代替できる。図３の回路では、伝達関数は、
Ｈ（ｚ）＝ｔｈ／（ｏｆｓ＋ｒａｔ＊ｅｆ）＝ｘ／ｙ
となるので、図２の回路と等価であることが判る。
【００１９】
図４〜図８を参照して、図２のコンプレッサの特性について詳しく説明する。図４〜図８において、図２の回路への入力をｉｎ、出力をｏｕｔ、除数をｙ、被除数をｘ（＝ｔｈ）、除算結果をｄとする。充分な時間が経過した状態（時間→∞）を考慮するものとし、そのためエンベロープフォロワ２２１は全波整流に置き換えて、フィルタの特性を求めるものとする。また、除算フィルタ２２３のＤＣ応答（ｚ-1→１，時間→∞と等価）でレベルを求めるものとする。入力ｉｎは−１≦ｉｎ≦１の範囲で有意であるものとし、図２の各部での演算もこの範囲で有意とする。この範囲外はオーバフローとする。
【００２０】
図４は、コンプレッションレシオｒａｔ＝１、オフセット値ｏｆｓ＝０とし、スレショルドレベルｔｈ＝ｘのみを変化させるときの出力特性を示す図である。図４（ａ）は、入力ｉｎと除数ｙとの関係を示す。入力ｉｎを全波整流して絶対値｜ｉｎ｜とし、変換回路２２２でｙ＝｜ｉｎ｜＊ｒａｔ＋ｏｆｓとするから、変換回路２２２の出力である除数ｙは図４（ａ）に示すようになる。
【００２１】
図４（ｂ）は、入力ｉｎと除算結果ｄの関係を示す。除算結果ｄ＝ｘ／ｙであり（ｘ＝ｔｈ）、除数ｙは図４（ａ）に示すとおりであるから、除算結果ｄのグラフは図４（ｂ）のようになる。スレショルドレベルｔｈ＝ｘのときの除算結果ｄのグラフを実線４０１に示し、スレショルドレベルｔｈ＝ｘ’（ただし、ｘ’＜ｘ）のときの除算結果ｄのグラフを破線４０２に示す。入力ｉｎの絶対値が小さいほど、図４（ａ）から判るように除数ｙが小さくなり、除算結果ｄ＝ｘ／ｙは大きくなる。入力ｉｎの絶対値が被除数ｘより小さいと、除算結果ｄは１を超えてオーバフローになる。オーバフローのときは、除算結果ｄ＝１が出力される。図４（ｂ）のグラフのｄ＝１の平坦部４０３は、除算結果ｄがオーバフローした範囲を示す。
【００２２】
図４（ｃ）は、入力ｉｎと出力ｏｕｔの関係を示す。出力ｏｕｔは、乗算器２２４で図４（ｂ）の除算結果ｄに入力ｉｎを乗算した結果である。入力ｉｎの絶対値が被除数ｘより小さい範囲ではｄ＝１であるので、出力ｏｕｔ＝入力ｉｎである。したがって、この範囲では傾き１のグラフ４１１のようになり、出力ｏｕｔは入力ｉｎにしたがってリニアに変化する。入力ｉｎの絶対値が大きくなってｘを超えると、除算結果ｄ＝ｘ／ｙでｙは入力ｉｎの絶対値と等しいので、出力ｏｕｔ＝ｄ＊ｉｎ＝ｘまたは−ｘとなる。図４（ｃ）のｏｕｔ＝ｘおよびｏｕｔ＝−ｘの平坦部４１２は、この範囲である。出力ｏｕｔは、入力ｉｎの絶対値が大きくなっても、所定範囲にレベルが制限され、コンプレッサの動作が実現されている。また、スレショルドレベルｔｈ＝ｘを変化させることにより、平坦部４１２のレベルを変更制御できる。例えば、スレショルドレベルｔｈ＝ｘ’（ただし、ｘ’＜ｘ）としたときは、平坦部は破線のグラフ４１３に示すようになり、出力ｏｕｔをより狭い範囲にレベル制限することができる。この場合、図４（ｂ）に示した平坦部４０３の範囲も、−ｘからｘまでの範囲が、より狭い−ｘ’からｘ’までの範囲となり、これに伴って図４（ｃ）の傾き１のグラフ４１１の範囲も同様に−ｘ’からｘ’までの範囲となる。
【００２３】
図５は、コンプレッションレシオｒａｔ＝１−ｘ、オフセット値ｏｆｓ＝ｘとし、スレショルドレベルｔｈをオフセット値ｏｆｓと同じ値にして変化させるときの出力特性を示す図である。コンプレッションレシオｒａｔは、この変化に連動させるものとする。図５（ａ）は、入力ｉｎと除数ｙとの関係を示す。入力ｉｎを全波整流して絶対値｜ｉｎ｜とし、変換回路２２２でｙ＝｜ｉｎ｜＊ｒａｔ＋ｏｆｓとするから、変換回路２２２の出力である除数ｙは図５（ａ）に示すようになる。特に、入力ｉｎ＝０のとき、ｙ＝ｏｆｓ＝ｘである。入力｜ｉｎ｜＝１のとき、ｙ＝１−ｘ＋ｘ＝１である。スレショルドレベルｔｈ＝ｘのときの除数ｙのグラフを実線５０１に示し、スレショルドレベルｔｈ＝ｘ’（ただし、ｘ’＜ｘ）のときの除数ｙのグラフを破線５０２に示す。
【００２４】
図５（ｂ）は、入力ｉｎと除算結果ｄの関係を示す。除算結果ｄ＝ｘ／ｙであり（ｘ＝ｔｈ）、除数ｙは図５（ａ）に示すとおりであるから、除算結果ｄのグラフは図５（ｂ）のようになる。特に、入力ｉｎ＝０のとき、ｙ＝ｏｆｓ＝ｘとなるから、ｄ＝１である。また、｜ｉｎ｜＝１のとき、ｙ＝｜ｉｎ｜＊（１−ｘ）＋ｘ＝１となるから、ｄ＝ｘである。上述のｔｈ＝ｘのときの除算結果ｄのグラフを実線５１１に示し、ｔｈ＝ｘ’（ただし、ｘ’＜ｘ）のときの除算結果ｄのグラフを破線５１２に示す。
【００２５】
図５（ｃ）は、入力ｉｎと出力ｏｕｔの関係を示す。出力ｏｕｔは、乗算器２２４で図５（ｂ）の除算結果ｄに入力ｉｎを乗算した結果であるから、図５（ｃ）のグラフ５２１のようになる。入力ｉｎ＝０のとき出力ｏｕｔ＝０で、入力ｉｎ＝１のとき出力ｏｕｔ＝ｘである。出力ｏｕｔは、入力ｉｎの絶対値が大きくなっても、所定範囲にレベルが制限され、コンプレッサの動作が実現されている。また、スレショルドレベルｔｈ＝ｘを変化させることにより、レベル制限する範囲を変更制御できる。例えば、ｔｈ＝ｘ’（ただし、ｘ’＜ｘ）としたときは、出力ｏｕｔは破線のグラフ５２２に示すようになり、出力ｏｕｔをより狭い範囲にレベル制限することができる。
【００２６】
図６は、コンプレッションレシオｒａｔ＜１−ｘ、オフセット値ｏｆｓ＝ｘとし、ｔｈ＝ｏｆｓ＝固定値として、コンプレッションレシオｒａｔを変化させるときの出力特性を示す図である。図６（ａ）は、入力ｉｎと除数ｙとの関係を示す。入力ｉｎを全波整流して絶対値｜ｉｎ｜とし、変換回路２２２でｙ＝｜ｉｎ｜＊ｒａｔ＋ｏｆｓとするから、変換回路２２２の出力である除数ｙは図６（ａ）に示すようになる。特に、入力ｉｎ＝０のとき、ｙ＝ｏｆｓ＝ｘである。入力｜ｉｎ｜＝１のとき、ｙ＝ｒａｔ＋ｘ＜１である。スレショルドレベルｔｈ＝ｘのときの除数ｙのグラフを実線６０１に示す。
【００２７】
図６（ｂ）は、入力ｉｎと除算結果ｄの関係を示す。除算結果ｄ＝ｘ／ｙであり（ｘ＝ｔｈ）、除数ｙは図６（ａ）に示すとおりであるから、除算結果ｄのグラフは図６（ｂ）のグラフ６１１のようになる。特に、入力ｉｎ＝０のとき、ｙ＝ｏｆｓ＝ｘとなるから、ｄ＝１である。また、｜ｉｎ｜＝１のとき、ｙ＝｜ｉｎ｜＊ｒａｔ＋ｘ＝ｒａｔ＋ｘ＜１となるから、ｄ＞ｘである。
【００２８】
図６（ｃ）は、入力ｉｎと出力ｏｕｔの関係を示す。出力ｏｕｔは、乗算器２２４で図６（ｂ）の除算結果ｄに入力ｉｎを乗算した結果であるから、図６（ｃ）のグラフ６２１のようになる。入力ｉｎ＝０のとき出力ｏｕｔ＝０で、入力ｉｎ＝１のとき出力ｏｕｔ＝ｄ＝ｘ／ｙ＞ｘである。出力ｏｕｔは、入力ｉｎの絶対値が大きくなっても、所定範囲にレベルが制限され、コンプレッサの動作が実現されている。また、コンプレッションレシオｒａｔを変化させることにより、除算結果ｄのグラフ６１１や出力ｏｕｔのグラフ６２１の変化の程度を変更制御でき、これによりコンプレッサのかかり具合を制御できる。例えば、オフセット値ｏｆｓ＝スレッショルドレベルｔｈ（＝ｘ）を固定値としたままコンプレッションレシオｒａｔを最小値（＝０）から最大値（＝１−ｘ）まで変化させることにより、コンプレッサがかかっていない状態（ゲイン＝１で一定）から最大にかかっている状態（図５の実線５２１）まで連続的に変化させることができる。これが、後に説明するｋｎｅｅ＝ｓｏｆｔの場合のパラメータｒａｔｉｏに応じたコンプレッサ特性の変化に対応している。
【００２９】
図７は、スレショルドレベルｔｈ＝ｘを固定値とし、除数ｙの入力ｉｎに対するグラフが（ｘ，ｘ）を通るようにオフセット値ｏｆｓを決定して、コンプレッションレシオｒａｔを変化させるときの出力特性を示す図である。図７（ａ）は、入力ｉｎと除数ｙとの関係を示す。（ｘ，ｘ）を通るようにすることから、ｉｎとｙとの関係式は、ｉｎが０から１の範囲でｙ−ｘ＝ｒａｔ＊（ｉｎ−ｘ）となる。これより、ｙ＝ｒａｔ＊（ｉｎ−ｘ）＋ｘ＝ｒａｔ＊ｉｎ＋（１−ｒａｔ）＊ｘであるから、ｏｆｓ＝（１−ｒａｔ）＊ｘである。特に、ｒａｔ＝１のときは図４の場合と同じであり、図７（ａ）のグラフ７０１は図４（ａ）と、図７（ｂ）のグラフ７１１（平坦部７１４も含む）は図４（ｂ）のグラフ４０１（平坦部４０３も含む）と、図７（ｃ）のグラフ７２１および７２２は図４（ｃ）のグラフ４１１および４１２と、それぞれ同じである。
【００３０】
図７では他にｒａｔ＝０．５の場合と０．２５の場合を図示した。上記のｉｎとｙとの関係式より、これらの場合のｙのグラフは図７（ａ）の７０２，７０３に示すようになる。除算結果ｄ＝ｘ／ｙであり、ｙ＜ｘの範囲では除算結果ｄがオーバフローし、図７（ｂ）の除算結果ｄのグラフでｄ＝１の平坦部７１４を形成している。平坦部７１４の外側では、除算結果ｄは７１１，７１２に示すとおりとなる。
【００３１】
図７（ｃ）は、入力ｉｎと出力ｏｕｔの関係を示し、図７（ｂ）の除算結果ｄに入力ｉｎを乗算した結果である。図７（ｂ）の平坦部７１４の範囲、すなわち−ｘからｘまでの範囲では傾き１のグラフ７２１のようになり、出力ｏｕｔは入力ｉｎにしたがってリニアに変化する。その外側の範囲では、ｒａｔの値に応じたグラフ７２３，７２４のようになる。特に、オーバフローする−ｘからｘまでの範囲は変更することなくリニアな特性とし、−ｘからｘまでの範囲の外側では、コンプレッションレシオｒａｔの値を変更することにより、コンプレッションのかかり具合を制御できる。すなわち、コンプレッションレシオｒａｔ＝０はコンプレッサがかかっていない状態であり、ｒａｔ＝１はコンプレッサが最大にかかっている状態（図７の実線７２２）である。これが、後に説明するｋｎｅｅ＝ｈａｒｄの場合のパラメータｒａｔｉｏに応じたコンプレッサ特性の変化に対応している。
【００３２】
図８は、スレショルドレベルｔｈ＝ｘを固定値とし、除数ｙの入力ｉｎに対するグラフが（１，１）を通るようにして、オフセット値ｏｆｓを変化させる（すなわち、ｋｎｅｅが可変）ときの出力特性を示す図である。コンプレッションレシオｒａｔは、オフセット値ｏｆｓに連動して変化させる。図８（ａ）は、入力ｉｎと除数ｙとの関係を示す。（１，１）を通るようにすることから、ｉｎとｙとの関係式は、ｉｎが０から１の範囲でｙ＝（１−ｏｆｓ）ｉｎ＋ｏｆｓとなる。したがって、ｒａｔ＝１−ｏｆｓである。
【００３３】
特に、ｏｆｓ＝０のときは図４で説明したのと同様であるから、図８（ａ）のグラフ８０１は図４（ａ）と、図８（ｂ）のグラフ８１１（平坦部８１４も含む）は図４（ｂ）のグラフ４０１（平坦部４０３も含む）と、図８（ｃ）のグラフ８２１および８２２は図４（ｃ）のグラフ４１１および４１２と、それぞれ同じである。また、ｏｆｓ＝ｘの場合は、図５で説明したのと同様であるから、図８（ａ）のグラフ８０３は図５（ａ）のグラフ５０１と、図８（ｂ）のグラフ８１３は図５（ｂ）のグラフ５１１と、図８（ｃ）のグラフ８２４は図５（ｃ）のグラフ５２１と、それぞれ同じである。
【００３４】
図８では他にｏｆｓを０＜ｏｆｓ＜ｘの範囲にとった場合を示した。この場合、入力ｉｎと除数ｙとの関係式は上述の通りであるから、除数ｙのグラフは図８（ａ）の８０２に示すようになる。図８（ｂ）の除算結果ｄ＝ｘ／ｙのグラフでは、除数ｙが固定値ｔｈ＝ｘより小さくなる範囲でオーバフローが起こり、この範囲でｄ＝１となる。この範囲は、−（ｘ−ｏｆｓ）／（１−ｏｆｓ）から（ｘ−ｏｆｓ）／（１−ｏｆｓ）までの範囲である。この範囲の外側では、グラフ８１２に示すようになる。
【００３５】
図８（ｃ）は、入力ｉｎと出力ｏｕｔの関係を示し、図８（ｂ）の除算結果ｄに入力ｉｎを乗算した結果である。図８（ｂ）の平坦部の範囲、すなわち−（ｘ−ｏｆｓ）／（１−ｏｆｓ）から（ｘ−ｏｆｓ）／（１−ｏｆｓ）までの範囲では傾き１のグラフになり、出力ｏｕｔは入力ｉｎにしたがってリニアに変化する。その外側の範囲では、グラフ８２３のようになる。本例では、オフセット値ｏｆｓの値を変更することにより、図８（ｃ）のように特性を変更して、コンプレッサが最大にかかっている状態におけるゲイン変化特性（図８（ｃ）のような）の肩のなだらかさを制御することができる。この肩のなだらかさを制御するパラメータは、ｋｎｅｅと呼ばれている。
【００３６】
上述の図４〜図８では充分な時間が経過した後のコンプレッサの特性を説明したが、実際には除算フィルタ部分で出力が安定するまでの時間遅れがあり、またエンベロープフォロワ部分でも同様の時間遅れがある。特に、図２（あるいは図３）の除算フィルタでは、ＬＰＦの係数に除数ｙを与えた形で構成しているので、除数ｙに応じて時定数が変化し、除算結果に達する時間も異なる。除数ｙが大きいほど時定数は小さくなり、除算結果に至る到達時間も速くなる。また、除数ｙが小さいほど時定数が大きくなり、除算結果に至る到達時間は遅くなる。したがって、入力信号のエンベロープレベルが大きくなったときにこれを押え込むのは速いが、小さいレベルでの変動にはゆっくり追従する。レベルが１／１００程度の変化をしたとき時定数は2.3ms程度（サンプリング周波数が44.1kHzのとき）なので、実用上問題はない。却って、この時間遅れにより、入力が変化したとき少しオーバシュート気味に変化した後に安定した結果に到達するので、従来のコンプレッサでは得ることができない変化が豊かで効果的な楽音を生成できる。
【００３７】
なお、図２の各部は、所定のサンプリングクロックに同期して動作しており、１サンプリング周期で１回動作するように構成されているが、除算フィルタ２２３での処理を１サンプリング周期で複数回行なうことにより応答速度を上げることができる。これは一種のオーバサンプリングで、時定数はその回数分の１となる。
【００３８】
以上のようにして、図２のコンプレッサにおいては、上述したような各種のパラメータを設定することによりその特性を制御できる。実際に電子楽器の効果付与装置などに適用した場合は、ユーザが適当な操作子で以下のような値を設定できるようにし、これらの設定値から上述の各種のパラメータ値を決めればよい。例えば、図６のようにｔｈ＝ｏｆｓを固定値としてｒａｔを変化させる例であれば、
（１）ｒａｔｉｏ：１〜∞の範囲
（２）ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ：−４８〜−６（ｄＢ）の範囲
（３）ｋｎｅｅ：ｓｏｆｔまたはｈａｒｄの別
の３つの値をユーザに設定させ、
（１）ｋｎｅｅ＝ｓｏｆｔのときは
ｒａｔ＝（１−ｔｈ）＊（ｒａｔｉｏ−１）／ｒａｔｉｏ
ｏｆｓ＝ｔｈ
ｔｈ＝ｐｏｗ（１０，ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ／２０）
（２）ｋｎｅｅ＝ｈａｒｄのときは
ｒａｔ＝（ｒａｔｉｏ−１）／ｒａｔｉｏ
ｏｆｓ＝ｔｈ＊（１−ｒａｔ）
ｔｈ＝ｐｏｗ（１０，ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ／２０）
とすればよい。ｐｏｗはｄＢ値をリニア値に変換する関数である。他の図の特性に対しても同様にすればよい。
【００３９】
これによりユーザは、ｒａｔｉｏを所望の値に設定することでコンプレッサのかかり具合を調整でき、ｔｈｒｅｓｈｏｌｄを所望の値に設定することでコンプレッサのかかるレベルを調整することができる。また、ユーザは、コンプレッサのかかり方について、ソフトかハードかを選択できる。また、図４〜図８の各特性を組み合わせてもよいし、切り替え可能（例えば、モード切り替え手段を設け、第１のモードのときは図４の特性、第２のモードのときは図５の特性、…というようにする）にしてもよい。
【００４０】
図９は、本発明のコンプレッサを適用する電子楽器の構成例を示す。この電子楽器は、マイコン９０１、演奏入力部９０２、パネル９０３、各種入出力（Ｉ／Ｏ）インタフェース９０４、音源９０５、エフェクタ９０６、ディジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）９０７、およびサウンドシステム９０８を備える。
【００４１】
マイコン９０１は、この電子楽器全体の動作を制御する処理装置である。演奏入力部９０２は、ユーザが演奏操作する鍵盤などの操作子である。パネル９０３は、各種の設定を行なうための操作子や表示部を備えており、例えば上述のｒａｔｉｏやｔｈｒｅｓｈｏｌｄやｋｎｅｅを設定する操作子を含む。音源９０５は、マイコン９０１からの指示に応じてディジタル楽音信号を発生する音源であり、その方式は任意である。例えば、波形メモリ音源、ＦＭ音源、あるいは物理モデル音源などでもよいし、外部からの波形入力でもよい。エフェクタ９０６は、音源９０５から出力される楽音信号に対して効果を付与するエフェクタであり、本発明に係るコンプレッサを含む。エフェクタ９０６の出力は、ディジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）９０７でアナログ楽音信号に変換され、サウンドシステム９０８により放音される。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、除算フィルタを用いて除算演算を行なうようにしているので、テーブルが不要であり、該除算フィルタの構成も非常に単純なもので済むので、簡単な構成で様々な制御が可能なコンプレッサを実現することができる。さらに、除算フィルタにおける時間遅れがあるため、固定的な入出力関係でなく、従来のコンプレッサでは得ることができない変化が豊かで効果的な楽音を生成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るコンプレッサのブロック図
【図２】実施の形態のコンプレッサの構成例を示す図
【図３】変換回路と除算フィルタの別の構成例を示す図
【図４】実施の形態のコンプレッサの特性の例（その１）を示す図
【図５】実施の形態のコンプレッサの特性の例（その２）を示す図
【図６】実施の形態のコンプレッサの特性の例（その３）を示す図
【図７】実施の形態のコンプレッサの特性の例（その４）を示す図
【図８】実施の形態のコンプレッサの特性の例（その５）を示す図
【図９】本発明の適用例である電子楽器の構成例を示す図
【符号の説明】
１０１，２２１……エンベロープフォロワ、１０２，２２２……変換回路、１０３，２２３……除算フィルタ、１０４，２０４，２０７，２０８，２１２，２２４……乗算器、２０１……全波整流部、２０２，２１０……減算器、２０３……半波整流部、２０５，２０９……加算器、２０６，２１１……遅延回路。
Claims (3)
- 入力信号の振幅レベルを検出するエンベロープフォロワと、
該振幅レベルに基づいて除数を決定する変換手段と、
被除数を入力し、前記被除数を前記除数で除算する演算を行なうとともに、該除算をフィルタ演算で実行する除算フィルタ手段と、
前記入力信号に前記除算結果を乗算することにより、前記入力信号の振幅を制御する第１の乗算手段と
を備え、
前記エンベロープフォロワは、
前記入力信号に対して全波整流を行なう全波整流手段と、
前記全波整流手段の出力から、後記する第２の乗算手段の出力を減算する減算手段と、
前記減算手段の出力に対して半波整流を行なう半波整流手段と、
前記半波整流手段の出力に、外部から供給された乗算係数を乗算する第３の乗算手段と、
前記第３の乗算手段の出力に、後記する第２の乗算手段の出力を加算する第１の加算手段と、
前記第１の加算手段の出力を遅延させて出力する第１の遅延手段と、
前記第１の遅延手段の出力に、外部から供給された乗算係数を乗算し、乗算結果を前記減算手段および前記第１の加算手段に供給する第２の乗算手段と
を備え、
前記変換手段は、
前記エンベロープフォロワの第１の加算手段の出力に、外部から供給された乗算係数を乗算する第４の乗算手段と、
前記第４の乗算手段の乗算結果に、外部から供給されたオフセット値を加算し、その加算結果を前記除数として供給する第２の加算手段と
を備え、
前記除算フィルタ手段は、
入力した信号を遅延させて出力する第２の遅延手段と、
前記除数に前記第２の遅延手段の出力を乗算する第５の乗算手段と、
前記第５の乗算手段の乗算結果を、外部から供給されたスレッショルド値から減算するとともに、前記第２の遅延手段の出力を加算し、その結果を、除算結果として前記遅延手段および前記第１の乗算手段に出力する加減算手段と
を備え、
前記第１から第５の乗算手段、前記第１および第２の加算手段、前記エンベロープフォロワ内の減算手段、並びに、前記除算フィルタ手段内の加減算手段は、何れも、所定の上限値または下限値をオーバーフローまたはアンダーフローしたときには該上限値または該下限値を出力するものであることを特徴とする音響信号コンプレッサ装置。 - 入力信号の振幅レベルを検出するエンベロープフォロワと、
該振幅レベルに基づいて除数を決定する変換手段と、
被除数を入力し、前記被除数を前記除数で除算する演算を行なうとともに、該除算をフィルタ演算で実行する除算フィルタ手段と、
前記入力信号に前記除算結果を乗算することにより、前記入力信号の振幅を制御する第１の乗算手段と
を備え、
前記エンベロープフォロワは、
前記入力信号に対して全波整流を行なう全波整流手段と、
前記全波整流手段の出力から、後記する第２の乗算手段の出力を減算する減算手段と 、
前記減算手段の出力に対して半波整流を行なう半波整流手段と、
前記半波整流手段の出力に、外部から供給された乗算係数を乗算する第３の乗算手段と、
前記第３の乗算手段の出力に、後記する第２の乗算手段の出力を加算する第１の加算手段と、
前記第１の加算手段の出力を遅延させて出力する第１の遅延手段と、
前記第１の遅延手段の出力に、外部から供給された乗算係数を乗算し、乗算結果を前記減算手段および前記第１の加算手段に供給する第２の乗算手段と
を備え、
前記変換手段は、
前記エンベロープフォロワの第１の加算手段の出力に、外部から供給された乗算係数を乗算する第４の乗算手段と、
前記第４の乗算手段の乗算結果に、外部から供給されたオフセット値を加算し、その加算結果を前記除数として供給する第２の加算手段と
を備え、
前記除算フィルタ手段は、
入力した信号を遅延させて出力する第２の遅延手段と、
前記除数に前記第２の遅延手段の出力を乗算する第５の乗算手段と、
前記第５の乗算手段の乗算結果を、外部から供給されたスレッショルド値に加算し、その結果を、除算結果として前記遅延手段および前記第１の乗算手段に出力する第３の加算手段と
を備え、
前記第１から第５の乗算手段、前記第１から第３の加算手段、および、前記エンベロープフォロワ内の減算手段は、何れも、所定の上限値または下限値をオーバーフローまたはアンダーフローしたときには該上限値または該下限値を出力するものであることを特徴とする音響信号コンプレッサ装置。 - 請求項１または２に記載の音響信号コンプレッサ装置において、
前記除算フィルタ手段は、１サンプリング周期で前記除算の演算を複数回行なうことを特徴とする音響信号コンプレッサ装置。
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