JP5947498B2

JP5947498B2 - 疑似低音発生装置

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Publication number: JP5947498B2
Application number: JP2011152902A
Authority: JP
Inventors: 靖友横山
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2011-07-11
Filing date: 2011-07-11
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2031-07-11
Also published as: US8693706B2; US20130177171A1; JP2013021483A

Description

本発明は、疑似低音の発生技術に係り、特に、疑似に低音を発生させるための疑似低音発生装置に関する。

スピーカやヘッドホン（以下、スピーカと総称する）から、その帯域より低い低音を発生させる手法として、疑似低音が利用される。再生したい低音の周波数をｆ１とするとき、ｆ１の２倍の周波数ｆ２と、ｆ１の３倍の周波数ｆ３とをスピーカに入力すると、その差周波（ｆ３−ｆ２）、つまりもとの周波数ｆ１をユーザ（聴取者）が知覚することができる。

たとえば５０Ｈｚ以下の帯域が再生できないスピーカに対して、最大公約数が５０Ｈzになる２つの周波数の信号（例えば、２倍波１００Ｈｚの信号と３倍波１５０Ｈｚの信号）を入力すると、聴取者はあたかも５０Ｈｚの音声が再生されているように知覚する。

このような技術に関連して、音質の劣化を抑制した疑似低音発生器に関する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−８２９６０号公報

従来の疑似低音発生では、例えば、再生音声にノイズが含まれたりして、高音質の疑似低音を発生させるにはまだ不十分であった。

本発明の目的は、ノイズが含まれない高音質の疑似低音を発生させる疑似低音発生装置を提供することにある。

一態様によれば、入力信号から不要な低域成分をカットする２次ハイパスフィルタと、前記２次ハイパスフィルタの出力信号から不要な高域成分をカットする第１の４次ローパスフィルタと、前記第１の４次ローパスフィルタの出力信号の絶対値を出力する絶対値回路と、前記第１の４次ローパスフィルタの出力信号を正負それぞれのリミット値でクリップするクリップ回路と、前記第１の４次ローパスフィルタの出力信号に所定の係数を乗算する第１の乗算器と、前記クリップ回路の出力信号から前記第１の乗算器の出力信号を減算する第１の加算器と、前記第１の加算器の出力信号と、前記絶対値回路の出力信号とを加算する第２の加算器と、前記第２の加算器の出力信号から不要な高域成分をカットする第２の４次ローパスフィルタと、前記２次ハイパスフィルタの前記出力信号を入力して周波数−振幅特性を変化させずに周波数−位相特性だけを変化させる第１の２次位相補償フィルタと、前記第１の２次位相補償フィルタの出力信号を入力して周波数−振幅特性を変化させずに周波数−位相特性だけを変化させる第２の２次位相補償フィルタと、前記第２の２次位相補償フィルタの出力信号と、前記第２の４次ローパスフィルタの出力信号とを加算して出力する第３の加算器とを備える疑似低音発生装置が提供される。

本発明によれば、ノイズが含まれない高音質の疑似低音を発生させる疑似低音発生装置を提供することができる。

比較例に係る疑似低音発生装置を例示する模式的ブロック図。比較例に係る疑似低音発生装置および実施の形態に係る疑似低音発生装置の動作波形であって、（ａ）入力信号の動作波形を例示する図、（ｂ）絶対値回路の出力信号の動作波形を例示する図。比較例に係る疑似低音発生装置および実施の形態に係る疑似低音発生装置の動作波形であって、（ａ）入力信号の動作波形を例示する図、（ｂ）クリップ回路の出力信号の動作波形を例示する図。比較例に係る疑似低音発生装置および実施の形態に係る疑似低音発生装置において、疑似低音を発生させる仕組みを説明するための図。実施の形態に係る疑似低音発生装置を例示する模式的ブロック図。実施の形態に係る疑似低音発生装置において、位相補償の効果を例示する図。実施の形態に係る疑似低音発生装置において、ローパスフィルタの次数を増加させた効果を例示する図。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各構成部品の寸法等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法等は、以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置を例示するものであって、この発明の実施の形態は、各構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

［実施の形態］
（比較例に係る疑似低音発生装置）
図１は、比較例に係る疑似低音発生装置を例示する模式的ブロック図である。比較例に係る疑似低音発生装置は、デジタルのオーディオ入力信号（以下、単に「入力信号」という）を受け、信号処理を施すことにより疑似低音再生処理を行う。疑似低音発生装置の出力信号は、後段のＤ／Ａコンバータ（図示せず）によってアナログのオーディオ信号に変換され、スピーカやヘッドホンなどの電気音響変換素子（図示せず）に供給される。この電気音響変換素子は、低域の再生能力に乏しく、たとえば５０Ｈｚより低い、あるいは１００Ｈｚより低い周波数成分の信号を再生することができない。このような状況において疑似低音発生装置は、あたかもスピーカから再生不可低周波信号が再生されているかのように、ユーザに再生不可低周波信号を知覚させる。

図４に例示するように、例えば、５０Ｈｚ以下の帯域が再生できないスピーカに対して、最大公約数が５０Ｈzになる２つの周波数の信号（２倍波１００Ｈｚと３倍波１５０Ｈｚの信号）を入力すると、聴取者はあたかも５０Ｈｚの音声が再生されているように知覚する。

以下、比較例に係る疑似低音発生装置の構成を説明する。

比較例に係る疑似低音発生装置は、１次ハイパスフィルタ（ＨＰＦ１）１０、２次ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）１２、絶対値回路１４、クリップ回路２４、１次ハイパスフィルタ（ＨＰＦ２）１６、２次ローパスフィルタ（ＬＰＦ２）２２、乗算器１８，２８，３０、加算器２０，２６，３２とを含む。

１次ハイパスフィルタ（ＨＰＦ１）１０は、入力信号の不要な低域成分をカットする。１次ハイパスフィルタ（ＨＰＦ１）１０を設けることにより、後段の回路が効率よく信号処理を行うことが可能となる。

２次ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）１２は、入力信号の不要な高域成分をカットする。２次ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）１２を設けることにより、後段の回路が効率よく信号処理を行うことが可能となる。２次ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）１２によって再生不能低周波信号が抽出される。ここで、カットとは、完全に除去することのみでなく、減衰させることも含む。

絶対値回路１４は、２次ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）１２からの出力信号の絶対値をとり、偶数次高調波を発生させる。より具体的には、図２に例示するように、絶対値回路１４からの出力信号は、入力信号と、入力信号の２倍波を含む偶数次高調波を主成分とする。絶対値回路１４によって２次ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）１２からの出力信号が全波整流される。

１次ハイパスフィルタ（ＨＰＦ２）１６は、絶対値回路１４からの出力信号の直流成分をカットする。つまり、１次ハイパスフィルタ（ＨＰＦ２）１６は、絶対値回路１４後に発生するオフセットをキャンセルする。乗算器１８は、１次ハイパスフィルタ（ＨＰＦ２）１６の出力信号に所定の係数（ゲインＧ１：偶数次高調波の加算ゲイン）を乗算する。

クリップ回路２４は、２次ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）１２からの出力信号を、正負それぞれのリミット値でクリップさせ、奇数次高調波を発生させる。より具体的には、図３に例示するように、クリップ回路２４からの出力信号は、入力信号と、入力信号の３倍波を含む奇数次高調波を主成分とする。

乗算器３０は、２次ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）１２からの出力信号に所定の係数（ゲインＧ３）を乗算する。

加算器２６は、クリップ回路２４からの出力信号から、乗算器３０からの出力信号を減じて、入力周波数の振幅を小さくする。乗算器２８は、加算器２６の出力信号に所定の係数（ゲインＧ２：奇数次高調波の加算ゲイン）を乗算する。加算器２０は、乗算器１８からの出力信号と、乗算器２８の出力信号とを加算して出力する。

２次ローパスフィルタ（ＬＰＦ２）２２は、擬似低音信号の不要な高域成分をカットして音声ノイズを抑える。

加算器３２は、２次ローパスフィルタ（ＬＰＦ２）２２からの出力を反転してから、もとの入力信号と加算する。疑似低音発生装置は、加算器３２の出力信号を後段の回路（図示せず）に出力する。

比較例に係る疑似低音発生装置によると、クリップ回路２４後の信号から、２次ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）１２からの出力信号をα倍した信号を減算することにより、再生不可低周波成分を除去し、実効的な信号の振幅を小さくすることができる。その結果、疑似低音発生装置の内部およびその後段においてオーバーフローが発生するのを抑制することができる。さらにオーバーフローが低減されることにより音質の劣化を抑制することができる。なお再生不可低周波成分を除去したとしても、それは後段のスピーカやヘッドホンからは直接再生されないため、聴覚上の影響はほとんどない。

一方で、比較例に係る疑似低音発生装置によると、高域成分をカットするための２次ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）１２と２次ローパスフィルタ（ＬＰＦ２）２２とが２次のローパスフィルタであるため、遮断特性があまり急峻ではない。したがって、例えば、再生周波数の下限がより低いスピーカに対応するために、２次ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）１２と２次ローパスフィルタ（ＬＰＦ２）２２とのカットオフ周波数を高めると、音声にノイズが含まれ、高音質の疑似低音を発生させることが難しい。

（実施の形態に係る疑似低音発生装置）
図５は、実施の形態に係る疑似低音発生装置を例示する模式的ブロック図である。

比較例における疑似低音発生装置と実施の形態に係る疑似低音発生装置との相違点は、１次ハイパスフィルタ（ＨＰＦ１）１０を２次ハイパスフィルタ（ＨＰＦ１）３４に置換し、２次ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）１２を４次ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）４２に置換し、２次ローパスフィルタ（ＬＰＦ２）２２を４次ローパスフィルタ（ＬＰＦ２）４４に置換したことにある。ローパスフィルタの次数を増加させることにより、次数の増加前のローパスフィルタに比べて高いカットオフ周波数を用いても音声ノイズが聴こえなくなる。さらに、比較例における疑似低音発生装置と実施の形態に係る疑似低音発生装置との相違点は、位相補償するための２次オールパスフィルタ（ＡＰＦ１）３６と２次オールパスフィルタ（ＡＰＦ２）３８とを追加したことにある。

実施の形態に係る疑似低音発生装置は、デジタルのオーディオ入力信号（以下、単に「入力信号」という）を受け、信号処理を施すことにより疑似低音再生処理を行う。疑似低音発生装置の出力信号は、後段のＤ／Ａコンバータ（図示せず）によってアナログのオーディオ信号に変換され、スピーカやヘッドホンなどの電気音響変換素子（図示せず）に供給される。この電気音響変換素子は、低域の再生能力に乏しく、たとえば５０Ｈｚより低い、あるいは１００Ｈｚより低い周波数成分の信号を再生することができない。このような状況において疑似低音発生装置は、あたかもスピーカから再生不可低周波信号が再生されているかのように、ユーザに再生不可低周波信号を知覚させる。

以下、実施の形態に係る疑似低音発生装置の構成を説明する。

実施の形態に係る疑似低音発生装置は、２次ハイパスフィルタ（ＨＰＦ１）３４、４次ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）４２、絶対値回路１４、クリップ回路２４、１次ハイパスフィルタ（ＨＰＦ２）１６、４次ローパスフィルタ（ＬＰＦ２）４４、乗算器１８，２８，３０、加算器２０，２６，３２、２次オールパスフィルタ（ＡＰＦ１）３６、２次オールパスフィルタ（ＡＰＦ２）３８とを含む。

２次ハイパスフィルタ（ＨＰＦ１）３４は、入力信号の不要な低域成分をカットする。２次ハイパスフィルタ（ＨＰＦ１）３４を設けることにより、後段の回路が効率よく信号処理を行うことが可能となる。

４次ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）４２は、入力信号の不要な高域成分をカットする。４次ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）４２によって再生不能低周波信号が抽出される。４次ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）４２を設けることにより、後段の回路が効率よく信号処理を行うことが可能となる。ここで、４次ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）４２では、比較例に係る２次ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）１２よりも高いカットオフ周波数を用いる。ここで、カットとは、完全に除去することのみでなく、減衰させることも含む。

絶対値回路１４は、４次ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）４２からの出力信号の絶対値をとり、偶数次高調波を発生させる。より具体的には、図２に例示するように、絶対値回路１４からの出力信号は、入力信号と、入力信号の２倍波を含む偶数次高調波を主成分とする。絶対値回路１４によって４次ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）４２からの出力信号が全波整流される。

クリップ回路２４は、４次ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）４２からの出力信号を、正負それぞれのリミット値でクリップさせ、奇数次高調波を発生させる。より具体的には、図３に例示するように、クリップ回路２４からの出力信号は、入力信号と、入力信号の３倍波を含む奇数次高調波を主成分とする。

乗算器３０は、４次ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）４２からの出力信号に所定の係数（ゲインＧ３）を乗算する。

４次ローパスフィルタ（ＬＰＦ２）４４は、加算器２０からの出力信号（擬似低音信号）を入力し、不要な高域成分をカットして音声ノイズを抑える。４次ローパスフィルタ（ＬＰＦ２）４４では、比較例に係る２次ローパスフィルタ（ＬＰＦ２）２２よりも高いカットオフ周波数を用いる。

２次オールパスフィルタ（ＡＰＦ１）３６は、２次ハイパスフィルタ（ＨＰＦ１）３４からの出力信号を入力して、周波数−振幅特性を変化させずに周波数−位相特性だけを変化させるフィルタであり、位相補償用のフィルタとして用いる。２次オールパスフィルタ（ＡＰＦ１）３６のカットオフ周波数は、４次ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）４２のカットオフ周波数と同じ値に設定する。

２次オールパスフィルタ（ＡＰＦ２）３８は、２次オールパスフィルタ（ＡＰＦ１）３６からの出力信号を入力して、周波数−振幅特性を変化させずに周波数−位相特性だけを変化させるフィルタであり、位相補償用のフィルタとして用いる。２次オールパスフィルタ（ＡＰＦ１）３６のカットオフ周波数は、４次ローパスフィルタ（ＬＰＦ２）４４のカットオフ周波数と同じ値に設定する。

加算器３２は、４次ローパスフィルタ（ＬＰＦ２）４４からの出力信号と、２次オールパスフィルタ（ＡＰＦ２）３８からの出力信号とを加算する。２次オールパスフィルタ（ＡＰＦ１）３６と２次オールパスフィルタ（ＡＰＦ２）３８とを位相補償用のフィルタとして用いることにより、加算器３２で信号を加算する際に加算される互いの信号同士が弱め合ってしまうことを防止できる。

疑似低音発生装置は、加算器３２の出力信号を後段の回路（図示せず）に出力する。

実施の形態に係る疑似低音発生装置によると、クリップ回路２４後の信号から、４次ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）４２の出力信号をα倍した信号を減算することにより、再生不可低周波成分を除去し、実効的な信号の振幅を小さくすることができる。その結果、疑似低音発生装置の内部およびその後段においてオーバーフローが発生するのを抑制することができる。さらにオーバーフローが低減されることにより音質の劣化を抑制することができる。なお再生不可低周波成分を除去したとしても、それは後段のスピーカやヘッドホンからは直接再生されないため、聴覚上の影響はほとんどない。

また、実施の形態に係る疑似低音発生装置によると、比較例で用いていた２次ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）１２と２次ローパスフィルタ（ＬＰＦ２）２２とを、４次ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）４２と４次ローパスフィルタ（ＬＰＦ２）４４とにそれぞれ置換している。そのため、例えば、再生周波数の下限がより低いスピーカに対応するために、４次ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）４２と４次ローパスフィルタ（ＬＰＦ２）４４のカットオフ周波数を高めても、音声にノイズが含まれず、高音質の疑似低音を発生させることができる。ここで、図７は、実施の形態に係る疑似低音発生装置において、ローパスフィルタの次数を増加させた効果を例示する図である。４次ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）４２と４次ローパスフィルタ（ＬＰＦ２）４４とを用いた場合（実施の形態）の方が、２次ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）１２と２次ローパスフィルタ（ＬＰＦ２）２２とを用いた場合（比較例）よりも中高域の減衰が大きいことが、図７からもわかる。よって、実施の形態に係る疑似低音発生装置の方が、比較例に係る疑似低音発生装置よりも不要な中高域成分を抑えることができる。

また、実施の形態に係る疑似低音発生装置によると、位相補償用のフィルタとして、２次オールパスフィルタ（ＡＰＦ１）３６と２次オールパスフィルタ（ＡＰＦ２）３８とを備えている。図６は、実施の形態に係る疑似低音発生装置において、位相補償の効果を例示する図である。図６からも明らかなように、位相補償を行わない場合（比較例）は、周波数特性に落ち込みが見られ、低音増強の効果が弱まるが、位相補償を行った場合（実施の形態）は、周波数特性に落ち込みが見られず、低音増強の効果が顕著である。

このように、実施の形態によれば、ノイズが含まれない高音質の疑似低音を発生させる疑似低音発生装置を提供することができる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明について実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明に係る疑似低音発生装置は、テレビ、ラジオ、ラジカセ、カーオーディオ、ホームシアターシステム、オーディオコンポーネント、携帯電話、電子楽器等の音声を出力する装置に幅広く適用可能であり、特に、低音が十分に再生できない小型や薄型のオーディオセットやＴＶセット等に有用である。

１０…１次ハイパスフィルタ（ＨＰＦ１）
１２…２次ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）
１４…絶対値回路
２４…クリップ回路
１６…１次ハイパスフィルタ（ＨＰＦ２）
２２…２次ローパスフィルタ（ＬＰＦ２）
１８，２８，３０…乗算器
２０，２６，３２…加算器
３４…２次ハイパスフィルタ（ＨＰＦ１）
４２…４次ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）
４４…４次ローパスフィルタ（ＬＰＦ２）
３６…２次オールパスフィルタ（ＡＰＦ１）
３８…２次オールパスフィルタ（ＡＰＦ２）
Ｇ１…奇数次高調波の利得（ゲイン）
Ｇ２…偶数次高調波の利得（ゲイン）
Ｇ３…利得（ゲイン）

Claims

入力信号から不要な低域成分をカットする２次ハイパスフィルタと、
前記２次ハイパスフィルタの出力信号から不要な高域成分をカットする第１の４次ローパスフィルタと、
前記第１の４次ローパスフィルタの出力信号の絶対値を出力する絶対値回路と、
前記第１の４次ローパスフィルタの出力信号を正負それぞれのリミット値でクリップするクリップ回路と、
前記第１の４次ローパスフィルタの出力信号に所定の係数を乗算する第１の乗算器と、
前記クリップ回路の出力信号から前記第１の乗算器の出力信号を減算する第１の加算器と、
前記第１の加算器の出力信号と、前記絶対値回路の出力信号とを加算する第２の加算器と、
前記第２の加算器の出力信号から不要な高域成分をカットする第２の４次ローパスフィルタと、
前記２次ハイパスフィルタの前記出力信号を入力して周波数−振幅特性を変化させずに周波数−位相特性だけを変化させる第１の２次位相補償フィルタと、
前記第１の２次位相補償フィルタの出力信号を入力して周波数−振幅特性を変化させずに周波数−位相特性だけを変化させる第２の２次位相補償フィルタと、
前記第２の２次位相補償フィルタの出力信号と、前記第２の４次ローパスフィルタの出力信号とを加算して出力する第３の加算器と
を備えることを特徴とする疑似低音発生装置。
前記絶対値回路の出力信号は、前記入力信号と前記入力信号の２倍波を含む偶数次高調波とを主成分とし、前記クリップ回路の出力信号は、前記入力信号と前記入力信号の３倍波を含む奇数次高調波とを主成分とすることを特徴とする請求項１に記載の疑似低音発生装置。
前記絶対値回路の出力信号から直流成分を除去する１次ハイパスフィルタをさらに備え、
前記第２の加算器は、前記第１の加算器の出力信号と、前記１次ハイパスフィルタの出力信号とを加算することを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載の疑似低音発生装置。
前記第１の２次位相補償フィルタのカットオフ周波数を、前記第１の４次ローパスフィルタのカットオフ周波数と同じ値に設定し、前記第２の２次位相補償フィルタのカットオフ周波数を、前記第２の４次ローパスフィルタのカットオフ周波数と同じ値に設定することを特徴とする請求項１〜３に記載の疑似低音発生装置。
前記１次ハイパスフィルタの前記出力信号に偶数次高調波の加算ゲインを乗算する第２の乗算器をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の疑似低音発生装置。
前記第１の加算器の前記出力信号に奇数次高調波の加算ゲインを乗算する第３の乗算器をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の疑似低音発生装置。