JP4099598B2 - 周波数特性取得装置、周波数特性取得方法、音声信号処理装置 - Google Patents
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Description
具体的に、上記のようにスピーカから出力しマイクロフォンで収音したTSP信号についてFFT(Fast Fourier Transform:高速フーリエ変換)などのフーリエ変換処理を施して周波数特性を取得し、その結果に基づいてゲイン特性や位相特性などを算出するといったものである。
一例として、サンプリングレートFs=44.1kHz、サンプル数n=4096とすると、TSP信号としては、0Hz〜22.05(44.1/2)kHzまで信号が約10.8(44100÷4096)Hz刻みでそれぞれ同じゲインで含まれる信号となる。
例えばこのようなTSP信号により、この場合は0Hz〜22.05kHzまでの範囲を対象としておよそ10.8Hz刻みでそれぞれの周波数帯域についての周波数特性を解析することができる。
つまり、本発明の周波数特性取得装置は、TSP(Time Stretched Pulse)信号を測定対象の系に入力し、その出力信号に基づき、上記系についての周波数特性を取得する周波数特性取得装置であって、上記TSP信号を時間軸方向に引き延ばして上記系に出力されるように制御する制御手段と、上記系からの出力信号を解析し、上記周波数特性を取得する取得手段とを備えるようにしたものである。
つまり、先ず、スピーカから出力されるべき音声信号を再生する再生手段と、TSP信号を時間軸方向に引き延ばして上記スピーカから出力されるように制御する制御手段と、マイクロフォンで収音される上記時間軸方向に引き延ばされたTSP信号に基づき、上記スピーカから上記マイクロフォンの音響伝達系の周波数特性を取得する取得手段とを備える。
また、上記取得手段により取得された周波数特性を解析した結果に基づき、上記スピーカから出力されるべき音声信号について所定の調整を行う音声調整手段を備えるものである。
つまり、TSP信号が含む周波数の範囲は引き延ばした倍率だけ縮小される(つまり1/Kとなる)ことになるが、刻み幅としては引き延ばした倍率に応じた分細かくすることができる(つまり1/Kにできる)ものである。
これによれば、TSP信号のサンプル数nによらず、より細かい周波数の刻み幅で周波数特性を取得することができる。
図1は、本発明における実施の形態の音声信号処理としての再生装置2の内部構成と、この再生装置2を含むオーディオシステム1の構成を示す図である。
図1において、再生装置2は、図示するメディア再生部15を備え、例えばCD(Compact Disc)やDVD(Digital Versatile Disc)、或いはブルーレイディスク(Blu-Ray Disc)などの光ディスク記録媒体や、MD(Mini Disc:光磁気ディスク)、ハードディスクなどの磁気ディスク、半導体メモリを内蔵した記録媒体など、所要の記録媒体についての再生が可能とされる。
実施の形態のオーディオシステム1としては、この再生装置2のメディア再生部15によって再生されるオーディオ信号(音声信号)を音声出力するための、図示する複数のスピーカSP(SP1、SP2、SP3、SP4)を備える。また、後述する周波数特性解析を行うために必要な、図示するマイクロフォン(MIC)M1も備える。
なお、ここではスピーカSPの数は4つとしているが、これはあくまでオーディオシステム1が備えるスピーカSPの数が複数であることを象徴しているものに過ぎず、備えられるスピーカSPの数について限定するものではない。
また、再生装置2には、上記複数のスピーカSP1〜SP4の数に応じた複数の音声出力端子Tout1〜Tout4が備えられ、これら出力端子Tout1〜Tout4を介してスピーカSP1〜SP4と接続される。
また、制御部10からは、この場合のスピーカSPの数に応じた複数系統の音声信号が、D/Aコンバータ14を介してそれぞれ上記した音声出力端子Tout1〜Tout4のうちの対応する端子に供給されるようになっている。
この制御部10に対しては、図示するようにROM11とRAM12が備えられる。ROM11は、制御部10が各種制御処理を実行するためのプログラムや係数、パラメータ等が格納される。また、特に実施の形態の場合、このROM11内には後述する周波数特性解析で用いられる、データとしてのTSP信号11a(TSP:Time Stretched Pulse)も格納される。
確認のために述べておくと、このTSP信号は、再生装置2のサンプリングレート(動作周波数)を「Fs」、当該TSP信号のサンプル数(後述するFFT処理のサンプル数)を「n」とした場合に、0Hz〜Fs/2Hzまでの信号がFs/nHz刻みでそれぞれ同じゲインで含まれるように作成されるものである。
実施の形態の場合、再生装置2の動作クロック周波数(サンプリングレート)Fsは44.1kHzであるとする。また、TSP信号のサンプル数nは512であるとする。
例えば、記録媒体として光ディスク記録媒体やMDなどに対応する場合には、光学ヘッド、スピンドルモータ、再生信号処理部、サーボ回路等を備え、装填されたディスク状記録媒体に対してレーザ光の照射により信号の再生を行うように構成される。
そして、このような再生動作により得られたオーディオ信号を制御部10に対して供給するようにされる。
図2において、制御部10としては、図示するようにピーキングフィルタ10a、TSP信号出力部10b、TSP信号サンプリング部10c、FFT処理部10d(FFT:Fast Fourier Transform)、周波数特性解析部10e、及び音声信号処理部10fとしての機能を備える。
実施の形態では、制御部10がこれらの各種機能動作をソフトウエア処理により実現する場合を例示するが、これらの機能ブロックをハードウエアで構成して実現することもできる。
なお、周波数特性の取得は、選択したスピーカSPのみから出力したTSP信号に基づいて行うこともできる。そのような場合に対応しては、TSP信号出力部10bとしては、選択したスピーカSPに対応する音声出力端子Toutに接続されるラインに対してTSP信号を出力するように構成すればよい。
なお、周波数特性を得るにあたって施す処理としてはFFT処理以外の他のフーリエ変換処理とすることもできる。
ch分配処理は、メディア再生部15からの入力に基づく複数のオーディオ信号について、それぞれを対応するスピーカSP(つまり対応する音声出力端子Tout)に接続されるラインに分配して出力する。例えば、当該オーディオシステム1がカーオーディオシステムであった場合、メディア再生部15から再生されるLch、Rchの2系統のオーディオ信号を、それぞれLch、Rchに対応するスピーカSP(Lch、Rchに対応する音声出力端子Tout)に接続されるラインに対して分配出力する。
或いは、当該オーディオシステム1が5.1chサラウンドシステムであって、メディア再生部15からLch、Rchの2系統のオーディオ信号が再生される場合は、これら2系統のオーディオ信号から5.1chに対応した6系統のオーディオ信号を生成する。そして、これらをそれぞれ対応する音声出力端子Toutに接続されるラインに分配して出力する。
また、上記音場・音響処理は、例えばイコライジング処理などにより各種音響効果を与えるための処理やデジタルリバーブなどの音場効果を与えるための処理などを指す。
特に本実施の形態の場合、この音声信号処理部10fとしては、上記周波数特性解析部10eによる周波数特性の解析結果に基づき、メディア再生部15から再生されたオーディオ信号について各周波数帯域ごとのゲイン調整などの各種調整を行うようにされる。
なお、このように周波数特性の解析結果に基づきスピーカSPから出力されるべきオーディオ信号について行う具体的な調整については、既に各種の技術が提案されているのでここで特に限定はしない。
但し、先にも説明したようにTSP信号を用いる従来の手法では、解析可能な周波数帯域についての分解能として捉えることのできるTSP信号の周波数の刻み幅が、Fs/nとなる。これによって、例えば数十Hz〜数百Hzといったいわゆる低域の周波数帯域について細かいバンドにわけて解析を行うといった場合には、TSP信号のサンプル数nを増やさねばならないことになる。
すなわち、逆を言えば、装置のメモリ容量が十分でなかったり、制御部10の処理能力が低いなどハードウエアリソースが乏しい場合には、サンプル数nの値を大きく設定することができず、よって必然的にTSP信号の刻み幅も大きくなってしまって、低域について細かい区切りで周波数特性を取得することができなくなってしまう。
このようにして従来手法では、装置のハードウエアリソースによって、取得する周波数特性の刻み幅が制限されてしまうということが問題となる。
先ず、図中のTSP信号波形は、図1(及び図2)に示したROM11内に格納されるTSP信号11aとしての、データによるTSP信号の各値を1クロックずつ出力したときの波形を示している。つまり、通常出力したときのTSP信号波形を示しているものである。
本実施の形態では、このTSP信号を、時間軸方向に所定倍引き延ばして出力するものとしている。この場合は、時間軸方向にK倍引き延ばして出力するものとする。なお、以降も時間軸方向への引き延ばし倍率は「K」により表す。
なお、図中の各波形を囲うそれぞれの枠は、TSP信号の1周期ごとの区切りを表しているものである。
先にも述べたように、この場合のTSP信号のサンプル数nは「512」である。これに応じこの場合のTSP信号の1周期長は512クロックとなる。
またこの場合、動作クロックは44.1kHzであるので、この通常出力によるTSP信号の1周期長は512÷44100secとなる。
この場合、時間軸方向への引き延ばし倍率Kは10倍に設定されるものとする。
これに伴い、TSP信号の各値を10クロックにわたってそれぞれ出力する。これによって出力されるTSP信号の1周期長は、図示するようにして512×10クロックとなり、44.1kHzのサンプリングレートの下では5120×44100secとなる。
その上で、このFFT処理によって取得された周波数特性について解析を行う。具体的にこの場合は、ゲイン特性や位相特性を算出して周波数特性の解析を行う。
このことによれば、このTSP信号が含む周波数の範囲は、引き延ばした倍率だけ縮小される(つまり1/Kとなる)ことになるが、周波数の刻み幅としては引き延ばした倍率に応じた分だけ細かくすることができる(1/Kにできる)ことになる。
このようにして得られるnサンプルによるTSP信号に対し、上述のようにnサンプルのFFT処理を施すと、この場合のFFTの周波数分解能(つまり周波数の刻み幅)は、(Fs/K)/n[Hz]刻みとなる。具体的に、この場合の周波数の刻み幅は、Fs=44.1kHz、K=10、n=512より、およそ8.61Hzとなる。
但し、この場合はTSP信号を時間軸方向に引き延ばすので、上記もしているように含まれる周波数範囲は倍率Kに応じて縮小される。つまり、先にも述べたようにTSP信号は0Hz〜Fs/2Hzの信号を含むものとされるので、時間軸方向にK倍に引き延ばされたTSP信号に含まれる信号は、0Hz〜(Fs/K)/2Hzの範囲までに縮小される。
このことは、従来手法として例示したサンプル数n=4096とすることで刻み幅10.8Hz程度を設定したことと、本例の手法のようにサンプル数n=512で引き延ばし倍率K=10とすることで刻み幅8.61Hz程度を設定できることとを比較すれば明らかである。
そして、この際、本実施の形態では上記のようにTSP信号が含む周波数範囲は1/Kの範囲となるので、このような実施の形態の手法としては、低域を細かい刻み幅で解析する用途に好適となる。
このようにしてFFTのサンプル数をより少なくできることで、制御部10の処理能力としてはより低いものでも足るものとすることができる。そして、このようなFFTのサンプル数としては、設定する倍率Kによってサンプル数nをより小さく設定できることに伴って、より小さく設定できることになる。つまりは、制御部10のFFT処理に要する処理能力は、設定する倍率Kに応じた分だけより低いものとすることができるものであり、この点でも装置のハードウエアリソースによらず細かい刻み幅で周波数特性を解析することができることになる。
なお、これらの図に示される処理動作は、図1(及び図2)に示した制御部10が例えばROM11に格納されるプログラムに従って実行するものである。
出力回数カウント値jが上記倍率値Kになっていないとして否定結果が得られた場合は、ステップS105に進み出力回数カウント値jをカウントアップ(j+1)した後、ステップS103に戻り再度TSP信号のiサンプル目を出力するようにされる。つまり、このようなステップS104→S105→S103→S104の処理が繰り返されることで、TSP信号の各値が、それぞれ倍率値Kに応じた複数クロックにわたって出力されるようになっている。
このサンプル値nは、TSP信号11aのサンプル数nの値である。つまり、このステップS107によって、TSP信号を1周期分出力したか否か、言い換えればTSP信号の全ての値を出力したか否かが判別される。
またステップS109において、例えば引き延ばし信号を所定時間長分出力したとして肯定結果が得られた場合は、この図に示される出力処理を終了する。
なお、確認のために述べておくと、この図6に示す処理動作は、図5に示した処理動作と並行して行われるものである。また、この図6に示す処理動作は、先の図2の機能ブロックで言えばTSP信号サンプリング部10c、FFT処理部10d、周波数特性解析部10eの動作に相当するものである。
そして、引き延ばし信号のサンプリングを開始すべきタイミングとなることに応じ、ステップS202において、引き延ばし信号をサンプリングする。すなわち、マイクロフォンM1により収音され、A/Dコンバータ13を介して入力される収音信号をサンプリングする。
先の図3の説明によれば、この場合は引き延ばし信号としてTSP信号を時間軸方向にK倍(10倍)に引き延ばすので、具体的には、サンプリング開始から512×Kクロック目(512×10クロック目)のサンプリングを行ったか否かを判別することになる。
上記ステップS204の待機処理が設けられることにより、図3にて説明したようなダウンサンプリングが実現される。
その上で、ステップS206においては、周波数特性を解析する。つまり、上記FFT処理により取得される周波数特性について、ゲイン特性や位相特性を算出して周波数特性を解析するようにされる。
これらの図において、図7は従来手法により、図8は本実施の形態の手法によってそれぞれマイクロフォンM1の収音信号をサンプリングしてFFTをかけた結果(つまり周波数特性を取得した結果)を示しているものであり、各図では縦軸にゲイン(dB)、横軸に周波数(Hz)をとっている。
なお、これらの図に示す実験結果を得るにあたっては、TSP信号のサンプル数n=512、サンプリングレートFs=44.1kHzとした。また、図8の本実施の形態の場合では倍率K=10を設定した。
先ず、図7の従来手法の場合は、サンプル数n=512とした場合、解析可能な周波数の刻み幅はFs/nより44100÷512=86.1Hz程度となる。このため、この場合にピーキングフィルタ10aに設定した中心周波数30Hz付近は解析することができず、図示するようにして、この場合の刻み幅で30Hzに最も近い86.1Hz付近が、高域のフラットな領域に対し12dB程度ブーストされるのが確認できる程度となる。
このような実験結果から、本実施の形態の手法により周波数特性を適正に解析できることが理解できる。
例えば実施の形態では、引き延ばし信号の出力として所定複数クロックにわたって同じ信号値を出力するものとしたが、所定の複数クロックおきに(つまり実施の形態の場合は10クロックおきに)それぞれの値を出力し、それ以外の区間は直線補間することもできる。或いは、0補間することもできる。
何れの場合も、実施の形態のように収音信号をダウンサンプリングするようにされる場合においては、TSP信号を時間軸方向に引き延ばし、これを引き延ばした倍率に応じてダウンサンプリングしたことに変わりはない。
この場合も、TSP信号を引き延ばして出力するので、実施の形態の場合と同様に解析できる周波数範囲としては引き延ばした倍率Kに応じた範囲に限定されるが、周波数の刻み幅は倍率Kに応じた分だけ細かくすることができる。つまり、これによってTSP信号として保持しておくべきサンプル数nは、引き延ばす倍率に応じて少なくすることができ、装置のハードウエアリソースとしてメモリ容量の点では、刻み幅が制限されることはない。
但し、引き延ばし信号をそのままサンプリングするので、図9に示されるように、フーリエ変換処理のサンプル数はn×Kサンプルとする必要があり、装置の処理能力の点では刻み幅が制限されるものとなってしまう。
従ってこのような手法は、装置の処理能力は十分であるがメモリ容量が乏しい場合には有効な手法となる。
そこで、再生装置2としては、次の図10に示されるようにしてTSP信号の出力系、又はTSP信号の収音・サンプリング系に対してローパスフィルタ(LPF)20を挿入することもできる。すなわち、このようなローパスフィルタ20としては、例えば図示する音声入力端子TinとA/Dコンバータ13との間、A/Dコンバータ13と制御部10との間、制御部10内部、制御部10とD/Aコンバータ14との間、D/Aコンバータ14と音声出力端子Toutとの間の何れかの位置に対して挿入する。
これによって、引き延ばし信号に生じる高周波ノイズを効果的に抑制して、より正確な周波数特性を取得することができる。
Claims (7)
- TSP(Time Stretched Pulse)信号を測定対象の系に入力し、その出力信号に基づき、上記系についての周波数特性を取得する周波数特性取得装置であって、
上記TSP信号を時間軸方向に引き延ばして上記系に出力されるように制御する制御手段と、
上記系からの出力信号を解析し、上記周波数特性を取得する取得手段と、
を備えることを特徴とする周波数特性取得装置。 - 上記測定対象の系は、スピーカからマイクロフォンの音響伝達系であり、
上記制御手段は、上記TSP信号を時間軸方向に引き延ばして上記スピーカから出力されるように制御し、
上記取得手段は、上記マイクロフォンの出力信号を解析する、
ことを特徴とする請求項1に記載の周波数特性取得装置。 - 上記制御手段は、
データとして保持される上記TSP信号の各値をそれぞれ所定複数回連続して出力することで、上記TSP信号を時間軸方向に引き延ばして上記系に出力されるように制御する、
ことを特徴とする請求項1に記載の周波数特性取得装置。 - 上記取得手段は、
上記系からの出力信号をダウンサンプリングして取得し、
このダウンサンプリングして取得したTSP信号に対してフーリエ変換処理を施して上記周波数特性を取得する、
ことを特徴とする請求項1に記載の周波数特性取得装置。 - TSP信号を時間軸方向に引き延ばして測定対象の系に供給する供給手順と、
上記系からの出力信号を解析し、上記系の周波数特性を取得する取得手順と、
を備えることを特徴とする周波数特性取得方法。 - 上記測定対象の系は、スピーカからマイクロフォンの音響伝達系であり、
上記供給手順は、上記TSP信号を時間軸方向に引き延ばして上記スピーカから出力し、
上記取得手順は、上記マイクロフォンの出力信号を解析する、
ことを特徴とする請求項5に記載の周波数特性取得方法。 - スピーカから出力されるべき音声信号を再生する再生手段と、
TSP信号を時間軸方向に引き延ばして上記スピーカから出力されるように制御する制御手段と、
マイクロフォンで収音される上記時間軸方向に引き延ばされたTSP信号に基づき、上記スピーカから上記マイクロフォンの音響伝達系の周波数特性を取得する取得手段と、
上記取得手段により取得された周波数特性を解析した結果に基づき、上記スピーカから出力されるべき音声信号について所定の調整を行う音声調整手段と、
を備えることを特徴とする音声信号処理装置。
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