JP5103606B2

JP5103606B2 - 信号処理装置

Info

Publication number: JP5103606B2
Application number: JP2005360789A
Authority: JP
Inventors: 寧佐藤
Original assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Current assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Priority date: 2005-12-14
Filing date: 2005-12-14
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2025-12-14
Also published as: JP2007166315A; WO2007069369A1

Description

本発明は、例えば量子化された音響信号のビット数を拡張する際に使用して好適な信号処理装置に関する。詳しくは、拡張されたビットによる高調波成分を遮断しつつ、良好なビット数の拡張が行われるようにしたものである。

従来の信号処理装置では、帰還形のフィルタを用いてノイズ低減等の処理を行うことが知られている（例えば、特許文献１、２参照。）。

また、量子化された信号に対して、帰還形のフィルタを用いてバンド幅を変換する装置も提案されているものである（例えば、特許文献３参照。）。

すなわち、従来から量子化された信号に対して、帰還形のフィルタを用いて処理を行う装置は知られているものである。
米国特許６０５５３１８号公報米国特許６１５４５４７号公報米国特許３８８９１０８号公報

例えばコンパクトディスク（ＣＤ）においては、音響信号（audio signal）をサンプリング周波数４４．１ｋＨｚ、量子化ビット数１６ビットでデジタル化して記録することが、一般的に広く普及している。ところが、記録された１６ビットの信号をそのままＤ／Ａ（Digital to Analog）変換していると、再生音質の微妙な部分でニュアンスが物足りないという意見が出てくるようになってきた。

一方、音響信号のＤ／Ａ変換では、例えば２４ビットの変換手段も安価に入手可能となってきており、そのような変換手段を用いることで音質の改善を図ることが考えられる。しかし、例えば１６ビットの情報の下位に、単純に８ビットの値０を挿入して拡張を行うと、多量のノイズが発生して著しく音質が劣化するなどの問題が生じる。また、このようなノイズをローパスフィルタを用いて除去すると、全体にこもった感じの音になってしまうものである。

この発明はこのような問題点に鑑みて成されたものであって、本発明の目的は、例えばコンパクトディスクでの記録のように少ないビット数で量子化された情報信号のビット数を拡張すると共に、その拡張の際にノイズの発生等の情報の劣化が生じないようにするものである。これにより、従来のコンパクトディスク等の記録にもそのまま応用可能な信号処理装置を提供することができる。

上記課題を解決し本発明の目的を達成するため、本発明は、量子化された原信号のビット数を拡張する信号処理装置であり、量子化された原信号のビット数を拡張すると共に、拡張されたビットによる高調波成分を遮断するフィルタ手段と、このフィルタ手段の出力を、原信号に対して拡張分の任意の下位ビットを追加した信号から減算する第１の演算手段を有する。そして、第１の演算手段の出力に対して量子化のサンプリングより長い時定数でピークの移動修正平均値を計算し、この計算された移動修正平均値により第１の演算手段の出力の振幅を制限して、第１の演算手段の出力に乗算する第２の演算手段とを備える。更に第２の演算手段の出力をフィルタ手段の出力に加算する第３の演算手段と、を備えている。

本発明の好ましい形態の信号処理装置においては、フィルタ手段は、遅延手段を含む可変フィルタとその係数を制御する修正部から形成されており、修正部は、量子化された原信号とこの原信号の傾向によって決定される外部信号が入力され、外部信号に応じて遮断周波数が制御されるローパスフィルタの出力と、可変フィルタの出力との誤差εを計算する第４の演算手段を含み、この第４の演算手段の出力である誤差εを最小とする修正アルゴリズムを用いて可変フィルタの係数の制御を行うようにしている。

また、本発明の好ましい形態の信号処理装置においては、原信号は音響信号を量子化した信号であり、原信号の傾向によって決定される外部信号とは、音響信号の会話と音楽の別、及び／または音楽のジャンルを示す信号である。

本発明によれば、例えばコンパクトディスクでの記録のように少ないビット数で量子化された情報信号のビット数を拡張すると共に、その拡張の際にノイズの発生等の情報の劣化が生じないようにすることができ、これにより、従来のコンパクトディスク等の記録にもそのまま応用可能な信号処理装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明を説明するに、図１は本発明による信号処理装置を適用した音響信号処理装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。

図１において、入力端子１には、例えば１６ビットのＰＣＭ信号が供給される。この入力端子１からの信号が所定の遅延手段２を通じて可変フィルタ３に供給される。また、入力端子１からの信号がローパスフィルタ（ＬＰＦ）４を通じて演算手段５に供給され、前記可変フィルタ３の出力との差分が算出されて係数修正手段６に供給される。そしてこの係数修正手段６で求められた係数が可変フィルタ３に供給される。

さらに、入力端子１からの信号が所定の遅延手段７を通じて下位ビット追加回路８に供給され、例えば１６ビットの入力信号の下位に値０のビットが８ビット挿入されて２４ビットとされる。この２４ビットの信号が演算手段９に供給され、前記可変フィルタ３の出力との差分が算出される。そしてこの差分値（２４ビット）が加重回路１０を通じて加算回路１１で可変フィルタ３の出力に加算され、出力端子１２に取り出される。

また、演算手段９からの差分値がピーク検出回路１３に供給され、ピーク検出された信号がローパスフィルタ（ＬＰＦ）１４を通じてリミッタ回路１５に供給されて下位８ビットに相当する信号が削除される。そしてこのリミッタ回路１５の出力により、加重回路１０での加重が行われる。これによって情報信号のビット数の拡張が行われると共に、その拡張による情報の劣化等に対する補正処理が行われる。

さらにこの回路において、可変フィルタ３は、例えば図２に示すようなＦＩＲ形のデジタルフィルタであって、入力信号が縦続に接続された複数段の単位遅延手段Ｚ-1に供給され、各段の出力が重み付け回路ｈを通じて加算手段（＋）で加算される。この加算値が出力値ｙ(n)として取り出されると共に、演算手段５で目的値ｄ(n) との差分が算出され、この差分値が最小になるように、係数修正手段６で重み付け回路ｈの係数が求められる。

すなわち、可変フィルタ３に供給される信号をｘ(n)とすると、その出力値ｙ(n)は次のように表される。

また、差分値（誤差信号）ε(n)は
ε(n)＝ｄ(n)−ｙ(n)
であり、この２乗平均誤差ｅ
ｅ＝Ｅ｛ε²(n)｝
が最小となるように係数修正手段６で係数が求められる。

そこで、２乗平均誤差ｅが最小となる条件は、
ｅ＝Ｅ｛ｄ²(n)｝−２Ｅ｛ｄ(n)・ｙ(n)｝＋Ｅ｛ｙ²(n)｝
として、
Ｅ｛ｄ²(n)｝＝Ｐd
とすると、以下のようになる。

すなわち、

であるから、

である。

一方、
ｘ(n)＝Sin（２πｎ／Ｎ）
であり、
ｄ(n)＝Cos（２πｎ／Ｎ）＋ｓ(n)
ただし、ｓ(n)は白色信号であり、
ｓ(n)＝Ｅ｛ｓ²(n)｝＝σ2
である。

ここで、図３のＡに示すような例えば周波数１ｋＨｚの正弦波信号に対して、図３のＢに示すような回路で下位に値０のビットを８ビット挿入した場合には、図３のＣの(ａ)に示すように量子化された信号が、同図の(ｂ)に示すように量子化の各段の段差が大きくなるような変化となる。そしてこのような信号の周波数スペクトラムは、元の正弦波信号では図３のＤ(ａ)に示すように単一であったものが、ビットの挿入によって同図の(ｂ)に示すように高調波が発生してしまうものである。

これに対して図４のＡに示すようにローパスフィルタ（ＬＰＦ）を設けることによって、図４のＢの(ａ)に示すように高調波の発生した信号から、同図の(ｂ)に示すように高調波成分を除去することができる。しかしこれだけではこもった音になってしまうものである。そこで、さらに図５のＡに示すように、入力信号とローパスフィルタ（ＬＰＦ）の出力との差分信号から、リミッタで元の量子化以下のビットを削除した信号をローパスフィルタ（ＬＰＦ）の出力に加算する。

これによれば、図５のＢの(ａ)に示すように量子化された信号が、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）によって同図の(ｂ)に示すように波形が滑らかにされ、さらに同図の(ｃ)に示すようにローパスフィルタ（ＬＰＦ）によって削除された高周波成分が加算されることで、こもった音になることを防止することができる。すなわちこの場合には、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）の帯域は２４ビットの高音質になると共に、高い音はそのままスルーして加算されるので、こもった音になることが防止される。

さらに図４、図５の構成では、波形を滑らかにする手段としてローパスフィルタ（ＬＰＦ）を用いているが、これでは遮断周波数が固定に掛かってしまう問題がある。そこで、図６のＡに示すように遅延手段を利用した適応フィルタ（ＬＭＳ）を用いる。すなわち、このような適応フィルタは、図１及び図２に示した可変フィルタと同等のものであって、これによって図６のＢの(ａ)に示すような高調波成分の含まれた信号から、同図の(ｂ)に示すように高調波成分を適応的に除去して波形を滑らかにすることができる。

また、図６のＡの回路では、連続性のある信号に着目して適応フィルタ（ＬＭＳ）により取り出すようにしたものであるが、連続性のある信号でも量子化ノイズは高い周波数には多く存在する。そこで図７に示すように、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）を用いて高い周波数の量子化ノイズを除去して適応フィルタ（ＬＭＳ）の係数の修正を行う。ここでローパスフィルタ（ＬＰＦ）の遮断周波数は、サンプリング周波数が４４．１ｋＨｚの場合は約１０ｋＨｚ、すなわちナイキストの半分の周波数を用いるのが一般的である。

さらに、このローパスフィルタ（ＬＰＦ）の遮断周波数は、元の音響信号の会話と音楽の別や音楽のジャンル等によって、例えば通過帯域を狭くするなどの変更を加えることができる。これによって、例えば音楽のジャンル等に応じてより良好な音質改善を行うことができるものである。

すなわち、上述の図１において、例えばコンパクトディスク（ＣＤ）の音楽情報は１６ビットである。よって、ディレイ部＋可変フィルタ部によって適応フィルタを形成して、基準信号にＬＰＦを通して高調波を削除して２４ビットに拡張した信号源に近づく様に最小二乗法で可変フィルタ制御する。この結果、ディレイの影響で連続的（再現性の高い信号）に関してはフィルタリング効果で、１６ビットから２４ビットへと補間される。ただし、この音は再現性のある信号なので、こもった音になる。

そこで次に、可変フィルタ処理分のみ遅延した源信号の下位８ビットを追加し（下位８ビットは０）、適応フィルタとの差分を計算する。この差分信号は、高域部分の信号であるが、量子化誤差以下の大きさの信号の場合には追加しないことで２４ビットへ拡張することが可能となり、高域情報は従来の信号が追加されるので、こもる問題を解決できる。

また、図１のピーク検出は、追加するか否かを、量子化誤差だけの大きさで判断すると、急激に追加したり、しなかったりする場面が発生するのでポップ雑音が発生する恐れがある。そこで、ピーク検出で量子化誤差を最大１．０として計算して、誤差の大きさに応じて、誤差量を掛け算することでスムーズに、高域信号を追加できるのでポップ雑音を除去することができる。

さらに、本発明の信号処理装置においては、ジャンル別のＬＰＦ（または固定のＬＰＦ）を設けることで、目的信号の低域部分だけを、適応フィルタのターゲット値とすることができる。これによれば、ＬＰＦによりビット精度を２４ビットへ拡張することが可能なのと適応フィルタも連続性の高い信号でも高域の信号には追従しなくなる。

これは、高域の信号の場合、量子化誤差でサイクリックな信号もあるので、この様な信号には反応しない様にしたものである。また、誤差信号をピーク検出して移動修正平均（ＬＰＦ）を使うことで急激な音楽信号に過敏に反応することを抑制する。これよってポップノイズを無くすことができる。また、ピーク検出にリミットをかけて、誤差信号の振幅を制御することで、変化率を２乗にすることができるものである。

こうして、本発明の信号処理装置によれば、例えばコンパクトディスク（ＣＤ）の音源は１６ビットであり、高音質と言う面でみると足りない。一方、現在は２４ビットのＤＡＣも安価に使えることで、２４ビット音源も少なくない。そこで本発明は、下位８ビットを予測して拡張することで音質を良くする効果があり、従来のＣＤにも容易に対応できるものである。

なお、図８には、波形により本発明の効果を説明する。ここで図８のＡは計算開始直後の波形を示し、ここでは量子化のイズが発生している。これに対して同図のＢは計算開始から１００ｍｓ後の波形を示し、ここでは量子化のイズが減少されていることを表しているものである。

従って上述の実施形態においては、例えばコンパクトディスクでの記録のように少ないビット数で量子化された情報信号のビット数を拡張すると共に、その拡張の際にノイズの発生等の情報の劣化が生じないようにすることができ、これにより、従来のコンパクトディスク等の記録にもそのまま応用可能な信号処理装置を提供することができる。

こうして本発明の信号処理装置によれば、量子化された信号のビット数を拡張する信号処理装置であって、量子化された原信号のビット数を拡張すると共に拡張されたビットによる高調波成分を遮断するフィルタ手段と、フィルタ手段の出力を原信号に対して拡張分の任意の下位ビットを追加した信号から減算する第１の演算手段と、第１の演算手段の出力をフィルタ手段の出力に加算する第２の演算手段とを有することにより、良好なビット数の拡張を行うことができるものである。

なお本発明は、上述の説明した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載を逸脱しない範囲において、種々の変形が可能とされるものである。

本発明による信号処理装置を適用した音響信号処理装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。その要部の構成を示すブロック図である。その説明のための図である。その説明のための図である。その説明のための図である。その説明のための図である。その説明のための図である。その効果の説明のための波形図である。

符号の説明

１…入力端子、２…遅延手段、３…可変フィルタ、４…ローパスフィルタ（ＬＰＦ）、５…演算手段、６…係数修正手段、７…遅延手段、８…下位ビット追加回路、９…演算手段、１０…加重回路、１１…加算回路、１２…出力端子、１３…ピーク検出回路、１４…ローパスフィルタ（ＬＰＦ）、１５…リミッタ回路

Claims

量子化された原信号のビット数を拡張する信号処理装置であって、
量子化された原信号のビット数を拡張すると共に、拡張されたビットによる高調波成分を遮断するフィルタ手段と、
前記フィルタ手段の出力を、前記原信号に対して拡張分の任意の下位ビットを追加した信号から減算する第１の演算手段と、
前記第１の演算手段の出力に対して前記量子化のサンプリングより長い時定数でピークの移動修正平均値を計算し、前記計算された移動修正平均値により前記第１の演算手段の出力の振幅を制限して、前記第１の演算手段の出力に乗算する第２の演算手段と、
前記第２の演算手段の出力を前記フィルタ手段の出力に加算する第３の演算手段と、を備えることを特徴とする信号処理装置。
前記フィルタ手段は、遅延手段を含む可変フィルタとその係数を制御する修正部から形成されており、
前記修正部は、前記量子化された原信号と前記原信号の傾向によって決定される外部信号が入力され、前記外部信号に応じて遮断周波数が制御されるローパスフィルタの出力と、前記可変フィルタの出力との誤差εを計算する第４の演算手段を含み、前記第４の演算手段の出力である前記誤差εを最小とする修正アルゴリズムを用いて前記可変フィルタの係数の制御を行う
ことを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置。
前記原信号は音響信号を量子化した信号である、請求項１または２に記載の信号処理装置。
前記原信号の傾向によって決定される外部信号とは、前記音響信号の会話と音楽の別、及び／または音楽のジャンルを示す信号である、請求項２または３に記載の信号処理装置。