JP3951122B2 - 信号処理方法および信号処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ホームシアターなどに適用して好適なオーディオ信号の処理方法および処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ホームシアターやＡＶシステムなどに適用して好適なスピーカシステムとして、スピーカアレイシステムがある（例えば、特許文献１参照）。図９は、そのスピーカアレイシステムの一例を示すもので、図９に示すシステムにおいては、スピーカアレイ１０が、多数のスピーカ（スピーカユニット）ＳＰ0〜ＳＰnが配列されて構成される。この場合、一例として、ｎ＝255、スピーカの口径は数cmであり、したがって、実際には、スピーカＳＰ0〜ＳＰnは平面上に２次元状に配列されることになるが、以下の説明においては、簡単のため、スピーカＳＰ0〜ＳＰnは水平方向に一列に配列されているものとする。
【０００３】
そして、オーディオ信号が、ソースＳＣから遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnに供給されて所定の時間τ0〜τnだけ遅延され、その遅延されたオーディオ信号がパワーアンプＰＡ0〜ＰＡnを通じてスピーカＳＰ0〜ＳＰnにそれぞれ供給される。なお、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnの遅延時間τ0〜τnについては、後述する。
【０００４】
すると、どの場所においても、スピーカＳＰ0〜ＳＰnから出力される音波が合成され、その合成結果の音圧が得られることになる。そこで、図９に示すように、スピーカＳＰ0〜ＳＰnにより形成される音場において、任意の場所Ｐtgの音圧を周囲よりも高くするには、
Ｌ0〜Ｌn：各スピーカＳＰ0〜ＳＰnから場所Ｐtgまでの距離
ｓ ：音速
とすると、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnの遅延時間τ0〜τnを、
τ0＝（Ｌn−Ｌ0）／ｓ
τ1＝（Ｌn−Ｌ1）／ｓ
τ2＝（Ｌn−Ｌ2）／ｓ
・・・・
τn＝（Ｌn−Ｌn）／ｓ＝０
に設定する。
【０００５】
そのように設定すると、ソースＳＣから出力されるオーディオ信号がスピーカＳＰ0〜ＳＰnにより音波に変換されて出力されるとき、それらの音波は上式で示される時間τ0〜τnだけ遅れて出力されることになる。したがって、それらの音波が場所Ｐtgに到達するとき、すべて同相で到達することになり、場所Ｐtgの音圧は周囲よりも大きくなる。つまり、並行光が凸レンズにより焦点を結ぶように、スピーカＳＰ0〜ＳＰnから出力された音が場所Ｐtgに焦点を結ぶ。以下、場所Ｐtgを焦点と呼び、このタイプのシステムを「焦点型」と呼ぶものとする。
【０００６】
また、図１０は別のスピーカアレイシステムを示す。このシステムにおいては、スピーカＳＰ0〜ＳＰnから出力される進行波（音波）の位相波面が同じになるように、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnの遅延時間τ0〜τnを設定され、音波に指向性が与えられるとともに、その指向方向が焦点Ｐtgの方向とされる。
【０００７】
このシステムは、焦点型のシステムにおいて、距離Ｌ0〜Ｌnを無限遠にした場合とも考えられるが、以下、このタイプのシステムを「指向性型」と呼ぶものとする。
【０００８】
以上のように、スピーカアレイシステム１０によれば、その遅延時間τ0〜τnを適切に設定することにより、音場内の任意の場所に焦点Ｐtgを結ばせたり、指向方向を合わせたりすることができる。
【０００９】
また、どちらのシステムにおいても、場所Ｐtg以外の場所においては、スピーカＳＰ0〜ＳＰnの出力は、位相のずれた状態で合成されるので、結果的に平均化され、音圧は滅少する。さらに、スピーカアレイ１０から出力された音をいったん壁面に反射させてから場所Ｐtgに焦点を結ばせたり、指向方向を場所Ｐtgの方向とすることもできる。
【００１０】
【特許文献１】
特開平５−３０３３８１号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ソースＳＣから出力されるオーディオ信号を、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnにおいて劣化させずに遅延させるには、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnをデジタル回路により構成する必要があり、具体的には、デジタルフィルタにより構成することができる。また、実際のＡＶ機器においては、ソースＳＣはＤＶＤプレーヤなどのデジタル機器であることが多く、オーディオ信号はデジタル信号とされているので、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnは、なおさらデジタル回路により構成することになる。
【００１２】
ところが、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnをデジタル回路により構成すると、スピーカＳＰ0〜ＳＰnに供給されるオーディオ信号の時間分解能は、そのデジタルオーディオ信号および遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnにおけるサンプリング間隔（サンプリング周期）により制限され、そのサンプリング間隔以上とすることはできない。ちなみに、サンプリング周波数が48ｋHzのとき、サンプリング周期は約20.8μsであり、この１周期の間に音波は約７mm進む。また、この１周期分の遅れは周波数が10ｋHzのオーディオ信号では70°の位相遅れに相当する。
【００１３】
このため、スピーカＳＰ0〜ＳＰnから出力される各音波の位相を焦点Ｐtgで十分に合わせることができなくなり、焦点Ｐtgの大きさ、つまり、リスナからみた音像が大きくなったり、ぼやけたりすることがある。
【００１４】
また、焦点Ｐtg以外の場所での音波の位相のばらつきが少なくなり、焦点Ｐtg以外の場所で十分な音圧の減少を期待できなくなってしまう。したがって、この点からも、音像が大きくなったり、ぼやけたりしてしまい、本来の効果が発揮できなくなってしまう。
【００１５】
さらに、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnなどによりオーディオ信号に残響成分を付加する場合があるが、その場合、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnにおけるサンプリング周期よりも短い周期の遅延処理ができないと、目的とする残響パターンの再現ができないことがある。
【００１６】
この発明は、以上のような問題点を解決しようとするものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明においては、
デジタル信号を所定の遅延時間だけ遅延させる場合に、その遅延時間が、上記デジタル信号のサンプリング周期を単位として整数部と小数部とを有するとき、
上記デジタル信号を上記サンプリング周期で動作するデジタル遅延回路に供給して上記所定の遅延時間のうち、上記整数部に相当する上記サンプリング周期の整数倍の遅延処理を行い、
上記小数部で表される遅延時間が上記サンプリング周期のｍ／Ｎ倍（Ｎは２以上の整数。ｍ＝１〜Ｎ−１のどれか）に近い値のとき、
デジタルフィルタを上記サンプリング周期で動作させるとともに、このサンプリング周期の上記ｍ／Ｎ倍の遅延時間だけ遅延させるパルス波形データを、上記デジタルフィルタのフィルタ係数に設定し、
このデジタルフィルタに上記デジタル遅延回路の出力信号を供給して上記小数部の遅延処理を行う
ようにした信号処理方法
とするものである。
したがって、デジタルフィルタにより必要とする遅延時間の端数が実現され、デジタル信号に適切な遅延時間が与えられる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
▲１▼ この発明のアウトライン
この発明においては、遅延を表すインパルス応答を、システムのサンプリング周波数よりも高い周波数でオーバーサンプリングしてシステムのサンプリング間隔よりも高い分解能で表現し、このインパルスのデータをシステムのサンプリング周波数でダウンサンプリングして複数のパルスからなるパルス列を得、このパルス列をデータベースに蓄積しておく。そして、デジタルオーディオ信号に遅延時間τ0〜τnを与えるとき、そのデータベースに蓄積しておいたデータをデジタルフィルタに設定するものである。
【００１９】
なお、以後、上記パルス列を「擬似パルス列」と呼ぶものとする。また、記号を以下のように定義する。
Ｆs ：システムのサンプリング周波数。
Ｎov：時間分解能を、サンプリング周期１／Ｆsの何分の１にするかを示す値。サンプリング周波数Ｆsに対するオーバーサンプリングの倍数でもある。
Ｎps：オーバーサンプリング周期１／（Ｆs×Ｎov）の時間軸上におけるパルスの形状を、サンプリング周波数が周波数Ｆsの複数のパルスにより近似表現するときのパルス数。擬似パルス列のパルス数でもあり、所望の遅延を実現するデジタルフィルタの次数でもある。
一例として、
Ｆs＝48ｋHz、Ｎov＝８、Ｎps＝16
である。
【００２０】
▲２▼−１ データベースの作成
スピーカアレイ１０による再生の前処理として、まず、上記のように擬似パルス列を生成し、データベースに登録する。すなわち、
(1) 必要とする時間分解能に基づいて、オーバーサンプリングの倍数Ｎovと、擬似パルス列のパルス数Ｎpsとを想定する。ここでは、図１ＡおよびＢに示すように、第Ｍ番目のパルスから次の第（Ｍ＋１）番目のパルスまでの期間の時間分解能を、Ｎov倍に上げる場合である。また、サンプリング周期１／Ｆsの時間軸上で、Ｎps個のパルスによる時間幅を設定する。
【００２１】
(2) オーバーサンプリングの倍数が値Ｎovであるから、図１Ｂにも示すように、第Ｍ番目のパルスから第（Ｍ＋１）番目のパルスまでの期間に、Ｎov個のオーバーサンプリングパルスが立つことになる。
そして、
ｍ＝０、１、２、・・・、Ｎov−１
とすれば、サンプリング周期１／Ｆsの時間軸上において、そのオーバーサンプリングパルスの位置は、（Ｍ＋ｍ／Ｎov）となる。あるいは、オーバーサンプリング周期１／（Ｆs×Ｎov）の時間軸上では、そのオーバーサンプリングパルスの位置は、（Ｍ＋Ｎov×ｍ）となる。
【００２２】
(3) 図１Ｃに示すように、(2)項のオーバーサンプリングパルスを、サンプリング周波数Ｆs×Ｎovからサンプリング周波数Ｆsへダウンサンプリングして擬似パルス列を求める。
この場合、例えば、(2)項の各系列をＦＦＴを用いて周波数軸変換し、サンプリング周波数Ｆsまでの有効値のみ残して時間軸へ逆ＦＦＴするなどの方法が考えられる。また、ダウンサンプリングの手法は、エリアシングフィルタの設計を含めて多々あるので、ここでは言及しない。
【００２３】
(4) 以後、(3)項によって求めた擬似パルス列（パルス数Ｎpsの系列）は、サンプリング周期１／Ｆsの時間軸上で、擬似的に、時間位置（Ｍ＋ｍ／Ｎov）に立ったパルスとして扱う。この場合、サンプリング周期１／Ｆsの時間軸上では、値Ｍは整数であり、値ｍ／Ｎovは小数である。
【００２４】
(5) 図１Ｄに示すように、値Ｍをオフセット情報とみなすとともに、値ｍ／Ｎovをインデックス情報とみなし、これらの情報と、(4)項で求めた擬似パルス列の波形のデータとの対応テーブルをデータベース２０に登録する。
【００２５】
図２〜図５は、(1)〜(4)項により形成した擬似パルス列の波形、利得特性および位相特性を示す。なお、図２〜図５は、上記のように、Ｎov＝８、Ｎps＝16の場合であり、ｍ＝０〜７について示している。
【００２６】
例えば、図２に示すｍ＝０の場合は、その時間軸波形は第８サンプル目が値1.0であり、他のサンプル値は0.0なので、８サンプル周期（８／Ｆs）だけ単純に遅延させる伝達特性を示す。以下、値ｍが増加するにつれて、時間軸波形におけるピーク位置が次第に第９サンプル目に移動していく様子が示されている。このとき、それぞれの周波数利得特性はほとんど平坦であるが、周波数位相特性は、値ｍの増加につれて位相遅れが大きくなっていることがわかる。すなわち、１／（Ｆs×Ｎov）の時間分解能での遅延処理を、サンプリング周波数Ｆsのフィルタ処理で実現している。
【００２７】
以上が再生に必要な前処理であり、以後、データベース２０の情報を使用して次に述べる再生処理を実行する。
【００２８】
▲２▼−２ 再生時の処理
スピーカアレイ１０による再生時には、上記▲２▼−１項により作成したデータベース２０を以下のように使用して再生を行う。すなわち、
(11) 遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnと直列に、デジタルフィルタを設ける。このデジタルフィルタは、遅延用として使用されるものであるが、そのフィルタ係数は後述のように設定する。
【００２９】
(12) 焦点Ｐtgの位置（あるいは指向方向）に対応する遅延時間τ0〜τnを求め、これにサンプリング周波数Ｆsを乗算して、遅延時間τ0〜τnをサンプリング周波数Ｆsの周波数軸上の「遅延サンプル数」に換算する。このとき、遅延時間τ0〜τnは、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnの分解能では表現できない端数を持つ値であってよい。つまり、遅延時間τ0〜τnおよび遅延サンプル数は、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnの分解能の整数倍でなくてよい。
【００３０】
(13) (12)項で求めた遅延サンプル数を、整数部と小数部（端数部）とに分け、その整数部を遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnの遅延時間に設定する。
【００３１】
(14) (12)項で求めた遅延サンプル数の小数部が、データベース２０に蓄積してあるインデックス情報ｍ／Ｎovのどれに近いかを判定する。つまり、小数部が、０／Ｎov、１／Ｎov、２／Ｎov、・・・、（Ｎov−１）／Ｎovのどれに近いかを判定する。なお、小数部がＮov／Ｎov＝1.0に近いと判定された場合は、整数部を１だけ繰り上げて、小数部は０／Ｎovに近いと判定するものとする。
【００３２】
(15) (14)項の判定結果にしたがって、データベース２０から対応する擬似パルス列の波形データを取り出し、(11)項のＦＩＲデジタルフィルタにそのフィルタ係数として設定する。
【００３３】
以上により、オーディオ信号に対する遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnおよびデジタルフィルタの総合の遅延時間は、(12)項で求めた遅延時間τ0〜τnとなる。したがって、焦点型のシステムであれば、スピーカＳＰ0〜ＳＰnから出力された音は、焦点Ｐtgの位置に焦点を結ぶことになり、音像が明瞭に定位する。また、指向性型のシステムであれば、指向方向が場所Ｐtgに合うことになり、やはり、音像が明瞭に定位する。
【００３４】
また、スピーカＳＰ0〜ＳＰnからの音は、焦点Ｐtgにおいて位相がより正確に揃うことになるので、このとき、焦点Ｐtg以外の場所では、位相がよりばらつくことになり、その結果、焦点Ｐtg以外の場所における音圧をより減少させることができる。したがって、この点からも音像の定位が明瞭になる。
【００３５】
なお、厳密には、全帯域で時間分解能があがったわけではなく、ダウンサンプリングの手法によっては、高域に対しての時間分解能がとりにくくなることもあるが、焦点Ｐtg（あるいは指向方向）と、焦点Ｐtg以外の場所（あるいは非指向方向）との音圧差を考えた場合、実際上、ほとんどの周波数帯域で十分指向性を強くする効果がある。
【００３６】
▲３▼−１ 第１の実施例
図６はこの発明による再生装置の一例を示す。すなわち、ソースＳＣからデジタルオーディオ信号が取り出され、このオーディオ信号が、デジタル遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnおよびＦＩＲデジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnに順に供給され、そのフィルタ出力がパワーアンプＰＡ0〜ＰＡnに供給される。
【００３７】
この場合、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnの遅延時間は(13)項に示す整数部とされる。また、ＦＩＲデジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnは、そのフィルタ係数を(15)項にしたがって設定することにより、(13)項に示す小数部の時間の遅延を行うようにされる。さらに、パワーアンプＰＡ0〜ＰＡnにおいて、これに供給されたデジタルオーディオ信号は、Ｄ／Ａ変換されてからパワー増幅され、あるいはＤ級増幅され、スピーカＳＰ0〜ＳＰnに供給される。
【００３８】
さらに、データベース２０が用意される。このデータベース２０は、(1)〜(5)項にしたがって、オフセット情報Ｍおよびインデックス情報ｍ／Ｎovと、(4)項で求めた擬似パルス列の波形データとの対応テーブルを有する。そして、このデータベース２０が(13)項の小数部したがって検索され、その検索結果がＦＩＲデジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnに設定される。また、(13)項の整数部が遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnの遅延時間に設定される。
【００３９】
このような構成によれば、場所Ｐtgに焦点を結ぶ（あるいは場所Ｐtgを指向方向にする）ために必要な遅延時間τ0〜τnが、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnの分解能を越えていても、ＦＩＲデジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnの遅延時間が、その分解能を越えた小数部分を実現する。
【００４０】
したがって、焦点型のシステムであれば、スピーカＳＰ0〜ＳＰnから出力された音は、焦点Ｐtgの位置に焦点を結ぶことになり、音像が明瞭に定位する。また、指向性型のシステムであれば、指向方向が場所Ｐtgに合うことになり、やはり、音像が明瞭に定位する。
【００４１】
▲３▼−２ 第２の実施例
図７に示す再生装置においては、ＦＩＲデジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnが、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnを兼ねる場合である。すなわち、この場合には、インデックス情報ｍ／Ｎovにしたがってデータベース２０が検索され、その検索結果により、ＦＩＲデジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnに、オフセット情報Ｍが設定されて遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnの遅延時間が付加されるとともに、インデックス情報ｍ／Ｎovの波形データが設定される。
【００４２】
したがって、この再生装置においても、焦点Ｐtgあるいは指向方向が適切に設定されるので、明瞭な音像の定位を得ることができる。
【００４３】
▲３▼−３ 第３の実施例
図８に示す再生装置は、図７に示す再生装置において、デジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnにより、イコライジング、振幅（音量）、残響などの音響効果も実現する場合である。このため、たたみ込み回路ＣＶ0〜ＣＶnにおいて、目的の音響効果となる外部データが、データベース２０から取り出されたデータにたたみ込まれ、その出力がＦＩＲデジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnに設定される。
【００４４】
▲４▼ その他
この発明による遅延処理は、上述のスピーカアレイ１０への適用に限らないことはもちろんである。例えば、マルチウェイスピーカシステムで使用されるチャンネルデバイダに適用すれば、低域用スピーカと高域用スピーカとの仮想音源の位置を微細に調整する、いわゆるタイムアライメントを行うことができる。また、ＳＡＣＤやＤＶＤ−Ａｕｄｉｏなどにより高品位のオーディオ再生を行う装置においては、スーパーツィータの前後方向における配置位置をミリメートル単位で調整できることが望まれるが、そのような場合にも対応できる。
【００４５】
さらに、上述において、データベース２０におけるデータは、あらかじめ計算しておいたものをＲＯＭなどのメモリに用意しておいてもよく、あるいは必要に応じてリアルタイムで計算してもよい。
【００４６】
また、データベース２０におけるデータを計算するときの計算速度や計算に必要なリソース、あるいはメモリのデータ量を少なくするために、焦点Ｐtgや指向方向の場所によって、データベース２０のデータを使用する／使用しないを使い分けることもできる。例えば、焦点Ｐtgをリスナの横方向に位置させる場合には、正面方向に位置させる場合に比べ、精度が低くても問題がないので、データベース２０のデータを使用しないように、あるいは擬似パルス列のパルス数Ｎpsを減らすように、自動的に制御することにより、全体的なデータ量や計算量を抑えることができる。
【００４７】
さらに、焦点Ｐtgの位置や指向方向、あるいはそれぞれの場合のハードウェアの計算量や計算能力に応じて、値Ｎov、Ｎpsの数を自動的に変更することもできる。また、例えば、焦点Ｐtgの位置や指向方向などをリアルタイムに動的に変更して効果を増強する場合、その処理を連続的に行うこともできる。そして、その場合も、値Ｎov、Ｎpsを動的に変更することができる。
【００４８】
〔この明細書で使用している略語の一覧〕
ＡＶ ：Audio and Visual
ＣＣＤ ：Charge Coupled Device
Ｄ／Ａ ：Digital to Analog
ＦＦＴ ：Fast Fourier Transform
ＦＩＲ ：Finite Impulse Response
ＳＡＣＤ：Super Audio CD
【００４９】
【発明の効果】
この発明によれば、遅延回路では実現できない遅延時間の端数がデジタルフィルタにより実現されるので、スピーカから出力される音には必要な遅延が与えられることになり、したがって、焦点の位置や指向方向が明確となるので、音像が明瞭に定位する。また、焦点以外や指向方向以外の場所では、音圧が減少するので、この点からも音像の定位が明瞭になる。さらに、残響などの音響効果を付加する場合、適切な特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明を説明するための図である。
【図２】この発明を説明するための特性図である。
【図３】この発明を説明するための特性図である。
【図４】この発明を説明するための特性図である。
【図５】この発明を説明するための特性図である。
【図６】この発明の一形態を示す系統図である。
【図７】この発明の他の形態を示す系統図である。
【図８】この発明の他の形態を示す系統図である。
【図９】この発明を説明するための平面図である。
【図１０】この発明を説明するための平面図である。
【符号の説明】
１０…スピーカアレイ、２０…データベース、ＤＬ0〜ＤＬn…遅延回路、ＤＦ0〜ＤＦn…ＦＩＲデジタルフィルタ、ＰＡ0〜ＰＡn…パワーアンプ、Ｐtg…焦点、ＳＣ…ソース、ＳＰ0〜ＳＰn…スピーカ（スピーカユニット）
【発明の属する技術分野】
この発明は、ホームシアターなどに適用して好適なオーディオ信号の処理方法および処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ホームシアターやＡＶシステムなどに適用して好適なスピーカシステムとして、スピーカアレイシステムがある（例えば、特許文献１参照）。図９は、そのスピーカアレイシステムの一例を示すもので、図９に示すシステムにおいては、スピーカアレイ１０が、多数のスピーカ（スピーカユニット）ＳＰ0〜ＳＰnが配列されて構成される。この場合、一例として、ｎ＝255、スピーカの口径は数cmであり、したがって、実際には、スピーカＳＰ0〜ＳＰnは平面上に２次元状に配列されることになるが、以下の説明においては、簡単のため、スピーカＳＰ0〜ＳＰnは水平方向に一列に配列されているものとする。
【０００３】
そして、オーディオ信号が、ソースＳＣから遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnに供給されて所定の時間τ0〜τnだけ遅延され、その遅延されたオーディオ信号がパワーアンプＰＡ0〜ＰＡnを通じてスピーカＳＰ0〜ＳＰnにそれぞれ供給される。なお、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnの遅延時間τ0〜τnについては、後述する。
【０００４】
すると、どの場所においても、スピーカＳＰ0〜ＳＰnから出力される音波が合成され、その合成結果の音圧が得られることになる。そこで、図９に示すように、スピーカＳＰ0〜ＳＰnにより形成される音場において、任意の場所Ｐtgの音圧を周囲よりも高くするには、
Ｌ0〜Ｌn：各スピーカＳＰ0〜ＳＰnから場所Ｐtgまでの距離
ｓ ：音速
とすると、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnの遅延時間τ0〜τnを、
τ0＝（Ｌn−Ｌ0）／ｓ
τ1＝（Ｌn−Ｌ1）／ｓ
τ2＝（Ｌn−Ｌ2）／ｓ
・・・・
τn＝（Ｌn−Ｌn）／ｓ＝０
に設定する。
【０００５】
そのように設定すると、ソースＳＣから出力されるオーディオ信号がスピーカＳＰ0〜ＳＰnにより音波に変換されて出力されるとき、それらの音波は上式で示される時間τ0〜τnだけ遅れて出力されることになる。したがって、それらの音波が場所Ｐtgに到達するとき、すべて同相で到達することになり、場所Ｐtgの音圧は周囲よりも大きくなる。つまり、並行光が凸レンズにより焦点を結ぶように、スピーカＳＰ0〜ＳＰnから出力された音が場所Ｐtgに焦点を結ぶ。以下、場所Ｐtgを焦点と呼び、このタイプのシステムを「焦点型」と呼ぶものとする。
【０００６】
また、図１０は別のスピーカアレイシステムを示す。このシステムにおいては、スピーカＳＰ0〜ＳＰnから出力される進行波（音波）の位相波面が同じになるように、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnの遅延時間τ0〜τnを設定され、音波に指向性が与えられるとともに、その指向方向が焦点Ｐtgの方向とされる。
【０００７】
このシステムは、焦点型のシステムにおいて、距離Ｌ0〜Ｌnを無限遠にした場合とも考えられるが、以下、このタイプのシステムを「指向性型」と呼ぶものとする。
【０００８】
以上のように、スピーカアレイシステム１０によれば、その遅延時間τ0〜τnを適切に設定することにより、音場内の任意の場所に焦点Ｐtgを結ばせたり、指向方向を合わせたりすることができる。
【０００９】
また、どちらのシステムにおいても、場所Ｐtg以外の場所においては、スピーカＳＰ0〜ＳＰnの出力は、位相のずれた状態で合成されるので、結果的に平均化され、音圧は滅少する。さらに、スピーカアレイ１０から出力された音をいったん壁面に反射させてから場所Ｐtgに焦点を結ばせたり、指向方向を場所Ｐtgの方向とすることもできる。
【００１０】
【特許文献１】
特開平５−３０３３８１号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ソースＳＣから出力されるオーディオ信号を、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnにおいて劣化させずに遅延させるには、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnをデジタル回路により構成する必要があり、具体的には、デジタルフィルタにより構成することができる。また、実際のＡＶ機器においては、ソースＳＣはＤＶＤプレーヤなどのデジタル機器であることが多く、オーディオ信号はデジタル信号とされているので、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnは、なおさらデジタル回路により構成することになる。
【００１２】
ところが、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnをデジタル回路により構成すると、スピーカＳＰ0〜ＳＰnに供給されるオーディオ信号の時間分解能は、そのデジタルオーディオ信号および遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnにおけるサンプリング間隔（サンプリング周期）により制限され、そのサンプリング間隔以上とすることはできない。ちなみに、サンプリング周波数が48ｋHzのとき、サンプリング周期は約20.8μsであり、この１周期の間に音波は約７mm進む。また、この１周期分の遅れは周波数が10ｋHzのオーディオ信号では70°の位相遅れに相当する。
【００１３】
このため、スピーカＳＰ0〜ＳＰnから出力される各音波の位相を焦点Ｐtgで十分に合わせることができなくなり、焦点Ｐtgの大きさ、つまり、リスナからみた音像が大きくなったり、ぼやけたりすることがある。
【００１４】
また、焦点Ｐtg以外の場所での音波の位相のばらつきが少なくなり、焦点Ｐtg以外の場所で十分な音圧の減少を期待できなくなってしまう。したがって、この点からも、音像が大きくなったり、ぼやけたりしてしまい、本来の効果が発揮できなくなってしまう。
【００１５】
さらに、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnなどによりオーディオ信号に残響成分を付加する場合があるが、その場合、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnにおけるサンプリング周期よりも短い周期の遅延処理ができないと、目的とする残響パターンの再現ができないことがある。
【００１６】
この発明は、以上のような問題点を解決しようとするものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明においては、
デジタル信号を所定の遅延時間だけ遅延させる場合に、その遅延時間が、上記デジタル信号のサンプリング周期を単位として整数部と小数部とを有するとき、
上記デジタル信号を上記サンプリング周期で動作するデジタル遅延回路に供給して上記所定の遅延時間のうち、上記整数部に相当する上記サンプリング周期の整数倍の遅延処理を行い、
上記小数部で表される遅延時間が上記サンプリング周期のｍ／Ｎ倍（Ｎは２以上の整数。ｍ＝１〜Ｎ−１のどれか）に近い値のとき、
デジタルフィルタを上記サンプリング周期で動作させるとともに、このサンプリング周期の上記ｍ／Ｎ倍の遅延時間だけ遅延させるパルス波形データを、上記デジタルフィルタのフィルタ係数に設定し、
このデジタルフィルタに上記デジタル遅延回路の出力信号を供給して上記小数部の遅延処理を行う
ようにした信号処理方法
とするものである。
したがって、デジタルフィルタにより必要とする遅延時間の端数が実現され、デジタル信号に適切な遅延時間が与えられる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
▲１▼ この発明のアウトライン
この発明においては、遅延を表すインパルス応答を、システムのサンプリング周波数よりも高い周波数でオーバーサンプリングしてシステムのサンプリング間隔よりも高い分解能で表現し、このインパルスのデータをシステムのサンプリング周波数でダウンサンプリングして複数のパルスからなるパルス列を得、このパルス列をデータベースに蓄積しておく。そして、デジタルオーディオ信号に遅延時間τ0〜τnを与えるとき、そのデータベースに蓄積しておいたデータをデジタルフィルタに設定するものである。
【００１９】
なお、以後、上記パルス列を「擬似パルス列」と呼ぶものとする。また、記号を以下のように定義する。
Ｆs ：システムのサンプリング周波数。
Ｎov：時間分解能を、サンプリング周期１／Ｆsの何分の１にするかを示す値。サンプリング周波数Ｆsに対するオーバーサンプリングの倍数でもある。
Ｎps：オーバーサンプリング周期１／（Ｆs×Ｎov）の時間軸上におけるパルスの形状を、サンプリング周波数が周波数Ｆsの複数のパルスにより近似表現するときのパルス数。擬似パルス列のパルス数でもあり、所望の遅延を実現するデジタルフィルタの次数でもある。
一例として、
Ｆs＝48ｋHz、Ｎov＝８、Ｎps＝16
である。
【００２０】
▲２▼−１ データベースの作成
スピーカアレイ１０による再生の前処理として、まず、上記のように擬似パルス列を生成し、データベースに登録する。すなわち、
(1) 必要とする時間分解能に基づいて、オーバーサンプリングの倍数Ｎovと、擬似パルス列のパルス数Ｎpsとを想定する。ここでは、図１ＡおよびＢに示すように、第Ｍ番目のパルスから次の第（Ｍ＋１）番目のパルスまでの期間の時間分解能を、Ｎov倍に上げる場合である。また、サンプリング周期１／Ｆsの時間軸上で、Ｎps個のパルスによる時間幅を設定する。
【００２１】
(2) オーバーサンプリングの倍数が値Ｎovであるから、図１Ｂにも示すように、第Ｍ番目のパルスから第（Ｍ＋１）番目のパルスまでの期間に、Ｎov個のオーバーサンプリングパルスが立つことになる。
そして、
ｍ＝０、１、２、・・・、Ｎov−１
とすれば、サンプリング周期１／Ｆsの時間軸上において、そのオーバーサンプリングパルスの位置は、（Ｍ＋ｍ／Ｎov）となる。あるいは、オーバーサンプリング周期１／（Ｆs×Ｎov）の時間軸上では、そのオーバーサンプリングパルスの位置は、（Ｍ＋Ｎov×ｍ）となる。
【００２２】
(3) 図１Ｃに示すように、(2)項のオーバーサンプリングパルスを、サンプリング周波数Ｆs×Ｎovからサンプリング周波数Ｆsへダウンサンプリングして擬似パルス列を求める。
この場合、例えば、(2)項の各系列をＦＦＴを用いて周波数軸変換し、サンプリング周波数Ｆsまでの有効値のみ残して時間軸へ逆ＦＦＴするなどの方法が考えられる。また、ダウンサンプリングの手法は、エリアシングフィルタの設計を含めて多々あるので、ここでは言及しない。
【００２３】
(4) 以後、(3)項によって求めた擬似パルス列（パルス数Ｎpsの系列）は、サンプリング周期１／Ｆsの時間軸上で、擬似的に、時間位置（Ｍ＋ｍ／Ｎov）に立ったパルスとして扱う。この場合、サンプリング周期１／Ｆsの時間軸上では、値Ｍは整数であり、値ｍ／Ｎovは小数である。
【００２４】
(5) 図１Ｄに示すように、値Ｍをオフセット情報とみなすとともに、値ｍ／Ｎovをインデックス情報とみなし、これらの情報と、(4)項で求めた擬似パルス列の波形のデータとの対応テーブルをデータベース２０に登録する。
【００２５】
図２〜図５は、(1)〜(4)項により形成した擬似パルス列の波形、利得特性および位相特性を示す。なお、図２〜図５は、上記のように、Ｎov＝８、Ｎps＝16の場合であり、ｍ＝０〜７について示している。
【００２６】
例えば、図２に示すｍ＝０の場合は、その時間軸波形は第８サンプル目が値1.0であり、他のサンプル値は0.0なので、８サンプル周期（８／Ｆs）だけ単純に遅延させる伝達特性を示す。以下、値ｍが増加するにつれて、時間軸波形におけるピーク位置が次第に第９サンプル目に移動していく様子が示されている。このとき、それぞれの周波数利得特性はほとんど平坦であるが、周波数位相特性は、値ｍの増加につれて位相遅れが大きくなっていることがわかる。すなわち、１／（Ｆs×Ｎov）の時間分解能での遅延処理を、サンプリング周波数Ｆsのフィルタ処理で実現している。
【００２７】
以上が再生に必要な前処理であり、以後、データベース２０の情報を使用して次に述べる再生処理を実行する。
【００２８】
▲２▼−２ 再生時の処理
スピーカアレイ１０による再生時には、上記▲２▼−１項により作成したデータベース２０を以下のように使用して再生を行う。すなわち、
(11) 遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnと直列に、デジタルフィルタを設ける。このデジタルフィルタは、遅延用として使用されるものであるが、そのフィルタ係数は後述のように設定する。
【００２９】
(12) 焦点Ｐtgの位置（あるいは指向方向）に対応する遅延時間τ0〜τnを求め、これにサンプリング周波数Ｆsを乗算して、遅延時間τ0〜τnをサンプリング周波数Ｆsの周波数軸上の「遅延サンプル数」に換算する。このとき、遅延時間τ0〜τnは、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnの分解能では表現できない端数を持つ値であってよい。つまり、遅延時間τ0〜τnおよび遅延サンプル数は、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnの分解能の整数倍でなくてよい。
【００３０】
(13) (12)項で求めた遅延サンプル数を、整数部と小数部（端数部）とに分け、その整数部を遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnの遅延時間に設定する。
【００３１】
(14) (12)項で求めた遅延サンプル数の小数部が、データベース２０に蓄積してあるインデックス情報ｍ／Ｎovのどれに近いかを判定する。つまり、小数部が、０／Ｎov、１／Ｎov、２／Ｎov、・・・、（Ｎov−１）／Ｎovのどれに近いかを判定する。なお、小数部がＮov／Ｎov＝1.0に近いと判定された場合は、整数部を１だけ繰り上げて、小数部は０／Ｎovに近いと判定するものとする。
【００３２】
(15) (14)項の判定結果にしたがって、データベース２０から対応する擬似パルス列の波形データを取り出し、(11)項のＦＩＲデジタルフィルタにそのフィルタ係数として設定する。
【００３３】
以上により、オーディオ信号に対する遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnおよびデジタルフィルタの総合の遅延時間は、(12)項で求めた遅延時間τ0〜τnとなる。したがって、焦点型のシステムであれば、スピーカＳＰ0〜ＳＰnから出力された音は、焦点Ｐtgの位置に焦点を結ぶことになり、音像が明瞭に定位する。また、指向性型のシステムであれば、指向方向が場所Ｐtgに合うことになり、やはり、音像が明瞭に定位する。
【００３４】
また、スピーカＳＰ0〜ＳＰnからの音は、焦点Ｐtgにおいて位相がより正確に揃うことになるので、このとき、焦点Ｐtg以外の場所では、位相がよりばらつくことになり、その結果、焦点Ｐtg以外の場所における音圧をより減少させることができる。したがって、この点からも音像の定位が明瞭になる。
【００３５】
なお、厳密には、全帯域で時間分解能があがったわけではなく、ダウンサンプリングの手法によっては、高域に対しての時間分解能がとりにくくなることもあるが、焦点Ｐtg（あるいは指向方向）と、焦点Ｐtg以外の場所（あるいは非指向方向）との音圧差を考えた場合、実際上、ほとんどの周波数帯域で十分指向性を強くする効果がある。
【００３６】
▲３▼−１ 第１の実施例
図６はこの発明による再生装置の一例を示す。すなわち、ソースＳＣからデジタルオーディオ信号が取り出され、このオーディオ信号が、デジタル遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnおよびＦＩＲデジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnに順に供給され、そのフィルタ出力がパワーアンプＰＡ0〜ＰＡnに供給される。
【００３７】
この場合、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnの遅延時間は(13)項に示す整数部とされる。また、ＦＩＲデジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnは、そのフィルタ係数を(15)項にしたがって設定することにより、(13)項に示す小数部の時間の遅延を行うようにされる。さらに、パワーアンプＰＡ0〜ＰＡnにおいて、これに供給されたデジタルオーディオ信号は、Ｄ／Ａ変換されてからパワー増幅され、あるいはＤ級増幅され、スピーカＳＰ0〜ＳＰnに供給される。
【００３８】
さらに、データベース２０が用意される。このデータベース２０は、(1)〜(5)項にしたがって、オフセット情報Ｍおよびインデックス情報ｍ／Ｎovと、(4)項で求めた擬似パルス列の波形データとの対応テーブルを有する。そして、このデータベース２０が(13)項の小数部したがって検索され、その検索結果がＦＩＲデジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnに設定される。また、(13)項の整数部が遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnの遅延時間に設定される。
【００３９】
このような構成によれば、場所Ｐtgに焦点を結ぶ（あるいは場所Ｐtgを指向方向にする）ために必要な遅延時間τ0〜τnが、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnの分解能を越えていても、ＦＩＲデジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnの遅延時間が、その分解能を越えた小数部分を実現する。
【００４０】
したがって、焦点型のシステムであれば、スピーカＳＰ0〜ＳＰnから出力された音は、焦点Ｐtgの位置に焦点を結ぶことになり、音像が明瞭に定位する。また、指向性型のシステムであれば、指向方向が場所Ｐtgに合うことになり、やはり、音像が明瞭に定位する。
【００４１】
▲３▼−２ 第２の実施例
図７に示す再生装置においては、ＦＩＲデジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnが、遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnを兼ねる場合である。すなわち、この場合には、インデックス情報ｍ／Ｎovにしたがってデータベース２０が検索され、その検索結果により、ＦＩＲデジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnに、オフセット情報Ｍが設定されて遅延回路ＤＬ0〜ＤＬnの遅延時間が付加されるとともに、インデックス情報ｍ／Ｎovの波形データが設定される。
【００４２】
したがって、この再生装置においても、焦点Ｐtgあるいは指向方向が適切に設定されるので、明瞭な音像の定位を得ることができる。
【００４３】
▲３▼−３ 第３の実施例
図８に示す再生装置は、図７に示す再生装置において、デジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnにより、イコライジング、振幅（音量）、残響などの音響効果も実現する場合である。このため、たたみ込み回路ＣＶ0〜ＣＶnにおいて、目的の音響効果となる外部データが、データベース２０から取り出されたデータにたたみ込まれ、その出力がＦＩＲデジタルフィルタＤＦ0〜ＤＦnに設定される。
【００４４】
▲４▼ その他
この発明による遅延処理は、上述のスピーカアレイ１０への適用に限らないことはもちろんである。例えば、マルチウェイスピーカシステムで使用されるチャンネルデバイダに適用すれば、低域用スピーカと高域用スピーカとの仮想音源の位置を微細に調整する、いわゆるタイムアライメントを行うことができる。また、ＳＡＣＤやＤＶＤ−Ａｕｄｉｏなどにより高品位のオーディオ再生を行う装置においては、スーパーツィータの前後方向における配置位置をミリメートル単位で調整できることが望まれるが、そのような場合にも対応できる。
【００４５】
さらに、上述において、データベース２０におけるデータは、あらかじめ計算しておいたものをＲＯＭなどのメモリに用意しておいてもよく、あるいは必要に応じてリアルタイムで計算してもよい。
【００４６】
また、データベース２０におけるデータを計算するときの計算速度や計算に必要なリソース、あるいはメモリのデータ量を少なくするために、焦点Ｐtgや指向方向の場所によって、データベース２０のデータを使用する／使用しないを使い分けることもできる。例えば、焦点Ｐtgをリスナの横方向に位置させる場合には、正面方向に位置させる場合に比べ、精度が低くても問題がないので、データベース２０のデータを使用しないように、あるいは擬似パルス列のパルス数Ｎpsを減らすように、自動的に制御することにより、全体的なデータ量や計算量を抑えることができる。
【００４７】
さらに、焦点Ｐtgの位置や指向方向、あるいはそれぞれの場合のハードウェアの計算量や計算能力に応じて、値Ｎov、Ｎpsの数を自動的に変更することもできる。また、例えば、焦点Ｐtgの位置や指向方向などをリアルタイムに動的に変更して効果を増強する場合、その処理を連続的に行うこともできる。そして、その場合も、値Ｎov、Ｎpsを動的に変更することができる。
【００４８】
〔この明細書で使用している略語の一覧〕
ＡＶ ：Audio and Visual
ＣＣＤ ：Charge Coupled Device
Ｄ／Ａ ：Digital to Analog
ＦＦＴ ：Fast Fourier Transform
ＦＩＲ ：Finite Impulse Response
ＳＡＣＤ：Super Audio CD
【００４９】
【発明の効果】
この発明によれば、遅延回路では実現できない遅延時間の端数がデジタルフィルタにより実現されるので、スピーカから出力される音には必要な遅延が与えられることになり、したがって、焦点の位置や指向方向が明確となるので、音像が明瞭に定位する。また、焦点以外や指向方向以外の場所では、音圧が減少するので、この点からも音像の定位が明瞭になる。さらに、残響などの音響効果を付加する場合、適切な特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明を説明するための図である。
【図２】この発明を説明するための特性図である。
【図３】この発明を説明するための特性図である。
【図４】この発明を説明するための特性図である。
【図５】この発明を説明するための特性図である。
【図６】この発明の一形態を示す系統図である。
【図７】この発明の他の形態を示す系統図である。
【図８】この発明の他の形態を示す系統図である。
【図９】この発明を説明するための平面図である。
【図１０】この発明を説明するための平面図である。
【符号の説明】
１０…スピーカアレイ、２０…データベース、ＤＬ0〜ＤＬn…遅延回路、ＤＦ0〜ＤＦn…ＦＩＲデジタルフィルタ、ＰＡ0〜ＰＡn…パワーアンプ、Ｐtg…焦点、ＳＣ…ソース、ＳＰ0〜ＳＰn…スピーカ（スピーカユニット）
Claims (7)
- デジタル信号を所定の遅延時間だけ遅延させる場合に、その遅延時間が、上記デジタル信号のサンプリング周期を単位として整数部と小数部とを有するとき、
上記デジタル信号を上記サンプリング周期で動作するデジタル遅延回路に供給して上記所定の遅延時間のうち、上記整数部に相当する上記サンプリング周期の整数倍の遅延処理を行い、
上記小数部で表される遅延時間が上記サンプリング周期のｍ／Ｎ倍（Ｎは２以上の整数。ｍ＝１〜Ｎ−１のどれか）に近い値のとき、
デジタルフィルタを上記サンプリング周期で動作させるとともに、このサンプリング周期の上記ｍ／Ｎ倍の遅延時間だけ遅延させるパルス波形データを、上記デジタルフィルタのフィルタ係数に設定し、
このデジタルフィルタに上記デジタル遅延回路の出力信号を供給して上記小数部の遅延処理を行う
ようにした信号処理方法。 - 請求項１に記載の信号処理方法において、
上記サンプリング周期よりも短い遅延時間のインパルスのデータを、上記サンプリング周期でダウンサンプリングして上記デジタルフィルタのフィルタ係数となる上記パルス波形データを得る
ようにした信号処理方法。 - 請求項１に記載の信号処理方法において、
上記パルス波形データをあらかじめデータベースに格納しておき、
この格納されたパルス波形データの中から、上記小数部で表される遅延時間に近いパルス波形データを取り出して上記デジタルフィルタのフィルタ係数に設定する
ようにした信号処理方法。 - 請求項１に記載の信号処理方法において、
上記デジタル遅延回路の遅延処理を上記デジタルフィルタにおいて行う
ようにした信号処理方法。 - 請求項１に記載の信号処理方法において、
上記パルス波形データに、所定の音響効果を与える伝達特性をたたみ込んで上記デジタルフィルタのフィルタ係数に設定する
ようにした信号処理方法。 - デジタル信号を所定の遅延時間だけ遅延させるとき、その遅延時間が、上記デジタル信号のサンプリング周期を単位として整数部と小数部とを有する信号処理装置において、 上記サンプリング周期で動作するとともに、上記所定の遅延時間のうち、上記整数部に相当する上記サンプリング周期の整数倍の遅延処理を行うデジタル遅延回路と、
上記小数部で表される遅延時間が上記サンプリング周期のｍ／Ｎ倍（Ｎは２以上の整数。ｍ＝１〜Ｎ−１のどれか）に近い値のとき、上記サンプリング周期の上記ｍ／Ｎ倍の遅延時間だけ遅延させるパルス波形データを出力する出力回路と、
上記サンプリング周期で動作するとともに、上記出力回路により上記パルス波形データがフィルタ係数として設定されて上記デジタル遅延回路の出力信号に上記小数部の遅延処理を行うデジタルフィルタと
を有する信号処理装置。 - 複数のスピーカのそれぞれに供給するデジタルオーディオ信号を、それぞれ所定の遅延 時間だけ遅延させることにより上記複数のスピーカから出力される音波を合成するようにした信号処理装置であって、
上記所定の遅延時間を、上記デジタルオーディオ信号のサンプリング周期を単位として整数部と小数部とに分けたとき、
上記サンプリング周期で動作するとともに、上記所定の遅延時間のうち、上記整数部に相当する上記サンプリング周期の整数倍の遅延処理を行うデジタル遅延回路と、
上記小数部で表される遅延時間が上記サンプリング周期のｍ／Ｎ倍（Ｎは２以上の整数。ｍ＝１〜Ｎ−１のどれか）に近い値のとき、上記サンプリング周期の上記ｍ／Ｎ倍の遅延時間だけ遅延させるパルス波形データを出力する出力回路と、
上記サンプリング周期で動作するとともに、上記出力回路により上記パルス波形データがフィルタ係数として設定されて上記デジタル遅延回路の出力信号に上記小数部の遅延処理を行うデジタルフィルタと
を有する信号処理装置。
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