JP2003015695A - オーディオ帯域拡張装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 サンプリング定理で高域再生上限が決定され
ているディジタルオーディオ信号に対して、再生帯域を
拡大して再生音質の向上を図ること。 【解決手段】 ディジタルのオーディオ信号をオーバー
サンプリング型ＬＰＦ１０２に与え、オーバーサンプリ
ングと帯域制限を施す。また、バンドパスフィルタ１０
３、整流回路１０４、ハイパスフィルタ１０５を用いて
入力信号の持つ帯域以上の高調波を発生させる。レベル
制御回路１０７はスペクトル解析回路１０６で検出され
た入力信号の高域成分のスペクトル強度に基づいてレベ
ル制御を行い、加算回路１０８で入力信号に加算する。
次に、オーバーサンプリング手段１０９は更に高いサン
プリング周波数でオーバーサンプリングを行い、ＬＰＦ
１１０を通して帯域を拡大したオーディオ信号を出力す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、オーディオ機器に
おけるオーディオ信号の再生音、特に高音域の再生音質
の向上を図り、人間の耳に快適なオーディオ信号を再生
できるオーディオ帯域拡張装置に関するものであり、特
にディジタルオーディオデータをディジタル領域で処理
するオーディオ帯域拡張技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自然界には１００ｋＨｚ以上に及ぶ周波
数帯域を持つ音がある。また、人間の可聴上限周波数は
２０ｋＨｚであると言われていたが、２０ｋＨｚ以上の
音を知覚していることが近年の研究でわかってきた。と
ころが、ディジタルオーディオでは、サンプリング定理
で高域再生上限が決定されている。コンパクトディスク
（以下、ＣＤという）の場合は２２．０５ｋＨｚが上限
である。ＣＤでは、この高域再生限界以上の帯域成分を
削除してしまい、聴感上不自然な感じがする場合があ
る。このため、高域再生上限以上の成分を付加する技術
が提案されている。

【０００３】ディジタルオーディオ信号に対して、再生
周波数帯の高音域上限か、又は可聴周波数帯域の高音域
上限を越える周波数のスペクトルを持つ信号を付加する
技術として、特願平１１−３６６８５号に記載のオーデ
ィオ帯域拡張方法及び装置がある。

【０００４】図８は上記の機能を持つ従来のオーディオ
帯域拡張装置のブロック図である。このオーディオ帯域
拡張装置は、入力端子８０１、ディジタルオーバーサン
プリング型ローパスフィルタ（オーバーサンプリング型
ＬＰＦ）８０２、バンドパスフィルタ８０３、整流回路
８０４、ハイパスフィルタ８０５、スペクトル解析回路
８０６、レベル制御回路８０７、加算回路８０８、出力
端子８０９を含んで構成される。

【０００５】このような構成の従来のオーディオ帯域拡
張装置について、その動作を説明する。入力端子８０１
を通じてディジタルのオーディオ信号が入力される。こ
の信号がＣＤから再生されたものであれば、サンプリン
グ周波数ｆｓ０＝４４．１ｋＨｚ、語長１６ビットの信
号である。図９（ａ）は入力端子８０１における信号ス
ペクトルの一例である。

【０００６】オーバーサンプリング型ＬＰＦ８０２は、
入力端子８０１を介して入力された信号のサンプリング
周波数ｆｓ０をｐ倍し（ｐは２以上の数）、且つ不要な
帯域、すなわち入力信号のサンプリング周波数ｆｓ０の
１／２以上の帯域を６０ｄＢ以上減衰させる。図９
（ｂ）はオーバーサンプリング型ＬＰＦ８０２の出力ス
ペクトルの一例である。この例ではｐ＝４、即ちオーバ
ーサンプリング型ＬＰＦ８０２のサンプリング周波数ｆ
ｓ２を４ｆｓ０としている。

【０００７】次に、バンドパスフィルタ８０３はオーバ
ーサンプリング型ＬＰＦ８０２の出力帯域を制限する。
即ち、バンドパスフィルタ８０３は、ｆｓ０／４〜ｆｓ
０／２の帯域を持つ信号を出力する。そして、整流回路
８０４はバンドパスフィルタ８０３の出力を半波又は両
波整流することで、入力信号の高調波を発生させる。そ
して、ハイパスフィルタ８０５は、整流回路８０４の出
力の低域成分を遮断し、ｆｓ０／２以上のスペクトルを
持つ信号を出力する。

【０００８】一方、スペクトル解析回路８０６は、オー
バーサンプリング型ＬＰＦ８０２の出力の高域成分のス
ペクトル強度を検出する。ここでは、ｆｓ０／４〜ｆｓ
０／２のスペクトル強度を検出する。そして、レベル制
御回路８０７は、スペクトル解析回路８０６の出力に応
じてハイパスフィルタ８０５の出力レベルを制御する。
ここでは、入力信号のｆｓ０／４〜ｆｓ０／２における
スペクトル強度が大きい場合、ハイパスフィルタ８０５
の出力レベルを大きくし、スペクトル強度が小さい場合
は出力レベルを小さくする。図９（ｃ）はレベル制御回
路８０７の出力スペクトルの一例である。

【０００９】そして、加算回路８０８は、オーバーサン
プリング型ＬＰＦ８０２の出力とレベル制御回路８０７
の出力とを加算し、加算信号を出力端子８０９を介して
出力する。図９（ｄ）は出力端子８０９における信号ス
ペクトルを示す。

【００１０】このように、入力信号の持つ帯域以上のス
ペクトルを持つ高調波を発生させ、入力信号の高域スペ
クトル強度に応じて、高調波成分を入力信号に付加する
ことで、オーディオ帯域を拡張することができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の構成では、オーバーサンプリング型ＬＰＦ８０２のオ
ーバーサンプル比ｐに応じて、それ以後の処理量が増大
するという問題点を有していた。即ち、ｐが２の場合の
処理量がａＭＩＰＳであるとすると、上記の従来例のよ
うにｐが４になると、図８のスペクトル解析回路８０
６、バンドパスフィルタ８０３、整流回路８０４、ハイ
パスフィルタ８０５、レベル制御回路８０７の処理量も
約２ａＭＩＰＳに増加してしまう。

【００１２】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたものであって、オーバーサンプル比ｐが大き
い場合でも、処理量の増加を抑止できるオーディオ帯域
拡張装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本願の請求項１の発明
は、周波数ｆｓ０でサンプリングされたオーディオ信号
を入力し、周波数ｆｓ１（ｆｓ１＞ｆｓ０）でオーバー
サンプリングを行い、ｆｓ０／ｎ（ｎは整数）以下の帯
域Ａの成分のみを通過させる第１のオーバーサンプリン
グ手段と、前記第１のオーバーサンプリング手段の出力
信号を入力し、帯域Ａのオーディオ信号を所定の時間Ｔ
毎に区切り、前記帯域Ａ内のスペクトルを解析するスペ
クトル解析手段と、前記第１のオーバーサンプリング手
段の出力信号を入力し、前記出力信号を歪ませて高調波
成分を含むオーディオ信号を出力する非線形手段と、前
記非線形手段の出力信号から前記帯域Ａより高域に位置
する帯域Ｂの成分を取り出す高域通過フィルタと、前記
スペクトル解析手段の解析結果に応じて、前記高域通過
フィルタの出力レベルを制御して出力するレベル制御手
段と、前記レベル制御手段により制御された前記高域通
過フィルタの出力と前記第１のオーバーサンプリング手
段の出力とを加算する出力信号加算手段と、前記出力信
号加算手段から出力されたオーディオ信号に対して、周
波数ｆｓ２（ｆｓ２＞ｆｓ１）でオーバーサンプリング
を行う第２のオーバーサンプリング手段と、を具備する
ことを特徴とするものである。

【００１４】本願の請求項２の発明は、周波数ｆｓ０で
サンプリングされたオーディオ信号を入力し、周波数ｆ
ｓ１（ｆｓ１＞ｆｓ０）でオーバーサンプリングを行
い、ｆｓ０／ｎ（ｎは整数）以下の帯域Ａの成分のみを
通過させる第１のオーバーサンプリング手段と、前記第
１のオーバーサンプリング手段の出力信号を入力し、帯
域Ａのオーディオ信号を所定の時間Ｔ毎に区切り、前記
帯域Ａ内のスペクトルを解析するスペクトル解析手段
と、前記帯域Ａよりも高域に位置する帯域Ｂ内にディザ
を生成するディザ生成手段と、前記スペクトル解析手段
の解析結果に応じて、前記ディザ生成手段の出力レベル
を制御して出力するレベル制御手段と、前記レベル制御
手段により制御された前記ディザ生成手段の出力と前記
第１のオーバーサンプリング手段の出力とを加算する出
力信号加算手段と、前記出力信号加算手段から出力され
たオーディオ信号に対して、周波数ｆｓ２（ｆｓ２＞ｆ
ｓ１）でオーバーサンプリングを行う第２のオーバーサ
ンプリング手段と、を具備することを特徴とするもので
ある。

【００１５】本願の請求項３の発明は、周波数ｆｓ０で
サンプリングされたオーディオ信号を入力し、周波数ｆ
ｓ１（ｆｓ１＞ｆｓ０）でオーバーサンプリングを行
い、ｆｓ０／ｎ（ｎは整数）以下の帯域Ａの成分のみを
通過させる第１のオーバーサンプリング手段と、前記第
１のオーバーサンプリング手段の出力信号を入力し、帯
域Ａのオーディオ信号を所定の時間Ｔ毎に区切り、前記
帯域Ａ内のスペクトルを解析するスペクトル解析手段
と、前記第１のオーバーサンプリング手段の出力信号を
入力し、入力信号を歪ませて高調波成分を含むオーディ
オ信号を出力する非線形手段と、前記非線形手段の出力
信号から前記帯域Ａより高域に位置する帯域Ｂの成分を
取り出す高域通過フィルタと、前記帯域Ａより高域に位
置する帯域Ｂ内にディザを生成するディザ生成手段と、
前記高域通過フィルタの出力と前記ディザ生成手段の出
力とを加算する高域信号加算手段と、前記スペクトル解
析手段の解析結果に応じて、前記高域信号加算手段の出
力レベルを制御して出力するレベル制御手段と、前記レ
ベル制御手段により制御された前記高域信号加算手段の
出力と前記第１のオーバーサンプリング手段の出力とを
加算する出力信号加算手段と、前記出力信号加算手段か
ら出力されたオーディオ信号に対して、周波数ｆｓ２
（ｆｓ２＞ｆｓ１）でオーバーサンプリングを行う第２
のオーバーサンプリング手段と、を具備することを特徴
とするものである。

【００１６】本願の請求項４の発明は、請求項１〜３の
何れか１項のオーディオ帯域拡張装置において、前記第
１のオーバーサンプリング手段は、そのサンプリング周
波数ｆｓ１が入力オーディオ信号のサンプリング周波数
ｆｓ０の２倍以上の値を有し、オーバーサンプリング処
理による折り返し成分を除去して出力することを特徴と
するものである。

【００１７】本願の請求項５の発明は、請求項１又は３
のオーディオ帯域拡張装置において、前記非線形手段及
び前記高域通過フィルタにおける演算語長とその出力
は、入力オーディオ信号の語長より大きくすることを特
徴とするものである。

【００１８】本願の請求項６の発明は、請求項２又は３
のオーディオ帯域拡張装置において、前記ディザ生成手
段における演算語長とその出力は、入力オーディオ信号
の語長より大きくすることを特徴とするものである。

【００１９】本願の請求項７の発明は、請求項１又は３
のオーディオ帯域拡張装置において、前記非線形手段及
び前記高域通過フィルタにおける演算語長とその出力
は、入力オーディオ信号の語長より大きく、前記出力信
号加算手段は、前記入力オーディオ信号の語長のＬＳＢ
幅と略同じ振幅の帯域拡張信号を前記第１のオーバーサ
ンプリング手段の出力に対して加算することを特徴とす
るものである。

【００２０】本願の請求項８の発明は、請求項２又は３
のオーディオ帯域拡張装置において、前記ディザ生成手
段における演算語長とその出力は、入力オーディオ信号
の語長より大きく、前記出力信号加算手段は、前記入力
オーディオ信号の語長のＬＳＢ幅と略同じ振幅の帯域拡
張信号を前記第１のオーバーサンプリング手段の出力に
対して加算することを特徴とするものである。

【００２１】本願の請求項９の発明は、請求項１又は３
のオーディオ帯域拡張装置において、前記非線形手段
は、正負両側に変化する信号の基準レベルに対して片側
のみ取り出すハーフクリップ手段、又は片側の振幅を反
対側に折り返す絶対値化手段の何れかを非線形処理とし
て用いることを特徴とするものである。

【００２２】本願の請求項１０の発明は、請求項１〜３
の何れか１項のオーディオ帯域拡張装置において、前記
スペクトル解析手段は、入力オーディオ信号が単一スペ
クトルの信号か、複数のスペクトルの信号かを解析する
ことを特徴とするものである。

【００２３】本願の請求項１１の発明は、請求項２又は
３のオーディオ帯域拡張装置において、前記ディザ生成
手段は、所定の振幅内で確率密度が三角分布となるダイ
ヤモンドディザ生成手段であることを特徴とするもので
ある。

【００２４】本願の請求項１２の発明は、請求項１１の
オーディオ帯域拡張装置において、前記ダイヤモンドデ
ィザ生成手段は、互いに独立な２つのＰＮ系列生成手段
ＰＡの出力とＰＮ系列生成手段ＰＢの出力とを加算する
ことを特徴とするものである。

【００２５】本願の請求項１３の発明は、請求項１１の
オーディオ帯域拡張装置において、前記ダイヤモンドデ
ィザ生成手段は、１つのＰＮ系列生成手段ＰＰの互いに
異なり重なり合わない部分要素ＰＰＡと部分要素ＰＰＢ
とを加算することを特徴とするものである。

【００２６】本願の請求項１４の発明は、請求項２又は
３のオーディオ帯域拡張装置において、前記ディザ生成
手段は、所定の振幅内で確率密度が釣鐘型分布となるベ
ル型ディザ生成手段であることを特徴とするものであ
る。

【００２７】本願の請求項１５の発明は、請求項１４の
オーディオ帯域拡張装置において、前記ベル型ディザ生
成手段は、互いに独立な３つのＰＮ系列生成手段ＰＡ、
ＰＮ系列生成手段ＰＢ、ＰＮ系列生成手段ＰＣの各出力
を加算することを特徴とするものである。

【００２８】本願の請求項１６の発明は、請求項１４の
オーディオ帯域拡張装置において、前記ベル型ディザ生
成手段は、１つのＰＮ系列生成手段ＰＰの互いに異なり
重なり合わない部分要素ＰＰＡと部分要素ＰＰＢと部分
要素ＰＰＣとを加算することを特徴とするものである。

【００２９】本願の請求項１７の発明は、請求項２又は
３のオーディオ帯域拡張装置において、前記ディザ生成
手段は、前記帯域Ｂのスペクトル分布が１／ｆ特性とな
るディザを出力することを特徴とするものである。

【００３０】本願の請求項１８の発明は、請求項２又は
３のオーディオ帯域拡張装置において、前記レベル制御
手段は、前記スペクトル解析手段の解析結果により、単
一スペクトルのみが存在すると判定された場合は、前記
ディザ生成手段の出力レベルをゼロにし、複数のスペク
トルが存在すると判定された場合には、前記帯域Ａの最
も高域のスペクトルに前記帯域Ｂのディザのスペクトル
高が連続するように出力レベルを制御することを特徴と
するものである。

【００３１】本願の請求項１９の発明は、請求項２又は
３のオーディオ帯域拡張装置において、前記レベル制御
手段は、前記スペクトル解析手段の解析結果により、複
数のスペクトルが存在すると判定された場合には、スペ
クトル包絡線の傾斜に基づいて前記帯域Ａと前記帯域Ｂ
の間でディザが連続するようにディザレベルを制御する
ことを特徴とするものである。

【００３２】本願の請求項２０の発明は、請求項２又は
３のオーディオ帯域拡張装置において、前記レベル制御
手段は、前記スペクトル解析手段の解析結果より、前記
帯域Ａの信号がゼロと判定された場合は、ディザレベル
をゼロにミュートすることを特徴とするものである。

【００３３】本願の請求項２１の発明は、請求項２又は
３のオーディオ帯域拡張装置において、前記レベル制御
手段は、前記スペクトル解析手段の解析出力を所定の平
滑フィルタを用いて平滑化し、ディザレベルの変動を緩
慢にすることを特徴とするものである。

【００３４】本願の請求項２２の発明は、請求項２１の
オーディオ帯域拡張装置において、前記平滑フィルタ
は、アタック特性とレリーズ特性を夫々制御することを
特徴とするものである。

【００３５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の各実施の形態にお
けるオーディオ帯域拡張装置について、図面を参照しな
がら説明する。 （実施の形態１）図１は本発明の実施の形態１における
オーディオ帯域拡張装置のブロック図である。このオー
ディオ帯域拡張装置は、入力端子１０１、オーバーサン
プリング型ディジタルローパスフィルタ（オーバーサン
プリング型ＬＰＦ）１０２、バンドパスフィルタ１０
３、整流回路１０４、ハイパスフィルタ１０５、スペク
トル解析回路１０６、レベル制御回路１０７、加算回路
１０８、オーバーサンプリング手段１０９、ローパスフ
ィルタ（ＬＰＦ）１１０、出力端子１１１を含んで構成
される。

【００３６】オーバーサンプリング型ＬＰＦ１０２は、
周波数ｆｓ０でサンプリングされたオーディオ信号を入
力し、周波数ｆｓ１（ｆｓ１＞ｆｓ０）でオーバーサン
プリングを行い、ｆｓ０／ｎ（ｎは整数）以下の帯域Ａ
の成分のみを通過させる第１のオーバーサンプリング手
段である。

【００３７】スペクトル解析回路１０６は、オーバーサ
ンプリング型ＬＰＦ１０２の出力信号を入力し、帯域Ａ
のオーディオ信号を所定の時間Ｔ毎に区切り、帯域Ａ内
のスペクトルを解析するスペクトル解析手段である。

【００３８】バンドパスフィルタ１０３及び整流回路１
０４は非線形手段の機能を有する。即ち、オーバーサン
プリング型ＬＰＦ１０２の出力信号を入力し、出力信号
を歪ませて高調波成分を含むオーディオ信号を出力す
る。ハイパスフィルタ１０５は、非線形手段の出力信号
から帯域Ａより高域に位置する帯域Ｂの成分を取り出す
高域通過フィルタである。

【００３９】レベル制御回路１０７は、スペクトル解析
回路１０６の解析結果に応じて、ハイパスフィルタ１０
５の出力レベルを制御して出力するレベル制御手段であ
る。加算回路１０８は、レベル制御回路１０７により制
御されたハイパスフィルタ１０５の出力と、オーバーサ
ンプリング型ＬＰＦ１０２の出力とを加算する出力信号
加算手段である。

【００４０】オーバーサンプリング手段１０９は、加算
回路１０８から出力されたオーディオ信号に対して、周
波数ｆｓ２（ｆｓ２＞ｆｓ１）でオーバーサンプリング
を行う第２のオーバーサンプリング手段である。

【００４１】このような構成のオーディオ帯域拡張装置
について、その動作を説明する。入力端子１０１を通じ
てディジタルのオーディオ信号が入力される。この信号
がＣＤから再生されたものであれば、サンプリング周波
数ｆｓ０＝４４．１ｋＨｚ、語長１６ビットの信号であ
る。図２（ａ）にこのスペクトルの一例を示す。ナイキ
ストサンプリング定理により、ｆｓ０／２を中心軸とし
てそのスペクトルが左右対称になっている。

【００４２】オーバーサンプリング型ＬＰＦ１０２は、
入力端子１０１を介して入力された信号のサンプリング
周波数をｐ倍（ｐは正の数）し、且つ不要な帯域を減衰
させる。ここでは従来例のｐ＝４と異なり、ｐ＝２とし
ている。このオーバーサンプリング型ＬＰＦ１０２は入
力信号のサンプリング周波数の２分の１以上の帯域を、
そのＬＰＦ機能により６０ｄＢ以上減衰させるものとす
る。

【００４３】次に、バンドパスフィルタ１０３はオーバ
ーサンプリング型ＬＰＦ１０２の出力帯域を制限する。
入力信号のサンプリング周波数をｆｓ０とすれば、バン
ドパスフィルタ１０３は、ｆｓ０／４〜ｆｓ０／２の帯
域を持つ信号を出力する。そして、整流回路１０４はバ
ンドパスフィルタ１０３の出力を半波又は両波整流する
ことで、入力信号の高調波成分を発生させる。ハイパス
フィルタ１０５は、整流回路１０４の出力の低域成分を
遮断し、ｆｓ０／２以上のスペクトルを持つ信号を出力
する。

【００４４】一方、スペクトル解析回路１０６は、オー
バーサンプリング型ＬＰＦ１０２の出力の高域成分のス
ペクトル強度を検出する。ここでは、ｆｓ０／４〜ｆｓ
０／２のスペクトル強度を検出する。そして、レベル制
御回路１０７は、スペクトル解析回路１０６の出力（解
析結果）に応じてハイパスフィルタ１０５の出力レベル
を制御する。ここでは、入力信号のｆｓ０／４〜ｆｓ０
／２におけるスペクトル強度が大きい場合、ハイパスフ
ィルタ１０５の出力レベルを大きくし、スペクトル強度
が小さい場合は出力レベルを小さくする。

【００４５】そして、加算回路１０８は、オーバーサン
プリング型ＬＰＦ１０２の出力とレベル制御回路１０７
の出力とを加算する。ここで加算された信号スペクトル
の１例を図２（ｂ）に示す。Ａ１とＡ２の部分がオーバ
ーサンプリング型ＬＰＦ１０２の出力成分であり、Ｂ１
とＢ２の部分がレベル制御回路１０７から出力された成
分である。

【００４６】オーバーサンプリング手段１０９は、加算
回路１０８の出力信号を更に周波数ｆｓ２＝２ｆｓ１で
オーバーサンプリングする。図２（ｃ）にオーバーサン
プリング手段１０９の出力信号スペクトルの一例を示
す。これはｆｓ１に対して２倍のオーバーサンプリング
の例である。図２（ｃ）において、０〜ｆｓ１／２まで
の帯域は加算回路１０８の出力信号そのものであるが、
ｆｓ１／２〜ｆｓ２／２までの帯域は０〜ｆｓ１／２の
帯域の折り返しになる。ここで、ｆｓ１／２におけるス
ペクトルは連続した値をとる。このようにして、ｆｓ１
／２以上の帯域に対してもスペクトル強度が連続した高
調波成分が得られる。

【００４７】ローパスフィルタ１１０では、ｆｓ１／２
以上の成分を減衰させる。これにより、ｆｓ１／２以上
で再びスペクトル強度が増加している信号を、ｆｓ１／
２からｆｓ２／２に向けて減少する自然なスペクトルに
整形する。ローパスフィルタ１１０の出力信号は出力端
子１１１を介して出力される。ローパスフィルタ１１０
の出力信号のスペクトルの一例を図２（ｄ）に示す。こ
こではｆｓ２を中心とするイメージ成分も図示されてい
る。

【００４８】こうして入力信号の持つ帯域以上のスペク
トルを持つ高調波を発生させ、入力信号の高域スペクト
ル強度に応じて、この発生させた高調波成分を入力信号
に付加した後さらにオーバーサンプルすることで、図２
（ｄ）のＢ１、Ｃ１、Ｃ２の部分で示すように、オーデ
ィオ帯域を拡張することができる。

【００４９】以上のように、本実施の形態によるオーデ
ィオ帯域拡張装置は、バンドパスフィルタ、整流回路、
ハイパスフィルタを用いて入力信号の帯域以上の高調波
を発生させ、スペクトル解析回路及びレベル制御回路で
入力信号の高域スペクトル強度に応じてレベルを制御し
て入力信号に加算し、更にオーバーサンプリングして出
力するようにしている。

【００５０】このため、多くの処理量を要する高調波発
生を周波数ｆｓ１で行った後、周波数ｆｓ２にオーバー
サンプリングすることにより、従来例のように直接ｆｓ
２で高調波発生を行う方法に比べ、少ない処理量で高調
波を発生することができる。例えばｆｓ１＝２×ｆｓ
０、ｆｓ２＝４×ｆｓ０すると、本実施の形態の方法は
従来の方法の約１／２の処理量で帯域拡張が可能であ
る。

【００５１】また、信号処理がディジタル処理であるた
め、回路を構成する部品のばらつきや温度特性による性
能ばらつきが発生しない。また、オーディオ信号が回路
を通過する毎に音質劣化が発生することもない。更に、
フィルタの精度追求を行っても、アナログの回路構成と
比較して回路規模が大きくなることもない。このためコ
スト増加につながらないオーディオ帯域拡張装置を実現
できる。

【００５２】尚、本実施の形態では、バンドパスフィル
タ１０３で入力信号の帯域を制限した後、整流回路１０
４で高調波を発生させた。しかし、バンドパスフィルタ
１０３を通過させないで整流回路１０４で高調波を発生
させても、ハイパスフィルタ１０５で低域を遮断するた
め、同様の効果が得られることは言うまでもない。

【００５３】（実施の形態２）次に本発明の実施の形態
２におけるオーディオ帯域拡張装置について説明する。
図３は実施の形態２におけるオーディオ帯域拡張装置の
ブロック図である。このオーディオ帯域拡張装置は、入
力端子３０１、オーバーサンプリング型ＬＰＦ３０２、
ディザ発生回路３０３、ハイパスフィルタ３０４、スペ
クトル解析回路３０５、レベル制御回路３０６、加算回
路３０７、オーバーサンプリング手段３０８、ローパス
フィルタ３０９、出力端子３１０を含んで構成される。

【００５４】実施の形態１と同一機能を有するブロック
は、同一の名称を付け、それらの機能説明は省略する。
ディザ発生回路３０３は帯域Ａよりも高域に位置する帯
域Ｂ内にディザを生成するディザ生成手段である。レベ
ル制御回路３０６は、スペクトル解析回路３０５の解析
結果に応じて、ハイパスフィルタ３０４を介して出力さ
れたディザ発生回路３０３の出力レベルを制御して出力
するレベル制御手段である。

【００５５】このような構成のオーディオ帯域拡張装置
について、その動作を説明する。入力端子３０１を通じ
てディジタルのオーディオ信号が入力される。この信号
がＣＤから再生されたものであれば、サンプリング周波
数ｆｓ０＝４４．１ｋＨｚ、語長１６ビットの信号であ
る。

【００５６】オーバーサンプリング型ＬＰＦ３０２は、
入力端子３０１を介して入力された信号のサンプリング
周波数をｐ倍（ｐは正の数）し、且つ不要な帯域を減衰
させる。ここではオーバーサンプリング型ＬＰＦ３０２
は、入力信号のサンプリング周波数の２分の１以上の帯
域を６０ｄＢ以上減衰させるものとする。

【００５７】次に、ディザ発生回路３０３は０〜ｐｆｓ
／２の帯域でスペクトル強度が均一に分布しているホワ
イトノイズをディザとして発生する。そして、ハイパス
フィルタ３０４はディザ発生回路３０３の出力を帯域制
限し、ｆｓ０／２以上の周波数帯域をもつノイズを出力
する。

【００５８】一方、スペクトル解析回路３０５は、オー
バーサンプリング型ＬＰＦ３０２の出力の高域成分のス
ペクトル強度を検出する。ここでは、ｆｓ０／４〜ｆｓ
０／２のスペクトル強度を検出する。そしてレベル制御
回路３０６は、スペクトル解析回路３０５の出力に応じ
てハイパスフィルタ３０４の出力レベルを制御する。こ
こでは、入力信号のｆｓ０／４〜ｆｓ０／２におけるス
ペクトル強度が大きい場合、ハイパスフィルタ３０４の
出力レベルを大きくし、スペクトル強度が小さい場合は
出力レベルを小さくする。

【００５９】そして、加算回路３０７は、オーバーサン
プリング型ＬＰＦ３０２の出力とレベル制御回路３０６
の出力とを加算する。オーバーサンプリング手段３０８
は、加算回路３０７の出力信号を更に周波数ｆｓ２でオ
ーバーサンプリングする。ローバスフィルタ３０９は、
オーバーサンプリング手段３０８の出力信号に対してｆ
ｓ１／２以上の成分を減衰させる。これにより、ｆｓ１
／２以上で再びスペクトル強度が増加している信号を、
ｆｓ１／２からｆｓ２／２に向けて減少する自然なスペ
クトルに整形する。ローパスフィルタ３０９の出力信号
は出力端子３１０を介して出力される。

【００６０】こうして、入力信号の持つ帯域以上のスペ
クトルを持つディザを発生させ、入力信号の高域スペク
トル強度に応じてディザを入力信号に付加した後、更に
オーバーサンプルすることで、オーディオ帯域を拡張す
ることができる。

【００６１】以上のように、本実施の形態によるオーデ
ィオ帯域拡張装置は、ディザ発生回路及びハイパスフィ
ルタを用いて入力信号の帯域以上の高周波ディザを発生
させ、スペクトル解析回路及びレベル制御回路で入力信
号の高域スペクトルの強度に応じてレベルを制御して入
力信号に加算し、更にオーバーサンプリングして出力す
るようにしている。

【００６２】このため、多くの処理量を要する高調波発
生を周波数ｆｓ１で行った後、周波数ｆｓ２にオーバー
サンプリングすることにより、従来のように直接周波数
ｆｓ２で高調波発生を行う方法に比べて、少ない処理量
で高調波を発生することができる。

【００６３】また信号処理がディジタル処理であるた
め、回路を構成する部品のばらつきや温度特性による性
能ばらつきが発生しない。また、オーディオ信号が回路
を通過する毎に音質劣化が発生することもない。更に、
フィルタの精度追求を行っても、アナログの回路構成と
比較して回路規模が大きくなることがない。このためコ
スト増加につながらないオーディオ帯域拡張装置を実現
できる。

【００６４】（実施の形態３）次に本発明の実施の形態
３におけるオーディオ帯域拡張装置について説明する。
図４は実施の形態３におけるオーディオ帯域拡張装置の
ブロック図である。このオーディオ帯域拡張装置は、入
力端子４０１、オーバーサンプリング型ＬＰＦ４０２、
バンドパスフィルタ４０３、整流回路４０４、ハイパス
フィルタ４０５、ディザ発生回路４０６、ハイパスフィ
ルタ４０７、加算回路４０８、スペクトル解析回路４０
９、レベル制御回路４１０、加算回路４１１、オーバー
サンプリング手段４１２、ローパスフィルタ４１３、出
力端子４１４を含んで構成される。

【００６５】実施の形態１又は２と同一機能を有するブ
ロックは、同一の名称を付け、それらの機能説明は省略
する。ディザ発生回路４０６は帯域Ａより高域に位置す
る帯域Ｂ内にディザを生成するディザ生成手段である。
加算回路４０８は、ハイパスフィルタ４０５の出力信号
と、ハイパスフィルタ４０７を介してディザ発生回路４
０６から出力された信号とを加算する高域信号加算手段
である。レベル制御回路４１０は、スペクトル解析回路
４０９の解析結果に応じて、加算回路４０８の出力レベ
ルを制御するレベル制御手段である。

【００６６】このような構成のオーディオ帯域拡張装置
について、その動作を説明する。入力端子４０１を通じ
てディジタルのオーディオ信号が入力される。この信号
がＣＤから再生されたものであれば、サンプリング周波
数ｆｓ０＝４４．１ｋＨｚ、語長１６ビットの信号であ
る。

【００６７】オーバーサンプリング型ＬＰＦ４０２は、
入力端子４０１を介して入力されたオーディオ信号のサ
ンプリング周波数をｐ倍（ｐは正の数）し、且つ不要な
帯域を減衰させる。ここではオーバーサンプリング型Ｌ
ＰＦ４０２は、入力信号のサンプリング周波数の２分の
１以上の帯域を６０ｄＢ以上減衰させるものとする。

【００６８】次に、バンドパスフィルタ４０３はオーバ
ーサンプリング型ＬＰＦ４０２の出力帯域を制限する。
入力信号のサンプリング周波数をｆｓ０とすれば、バン
ドパスフィルタ４０３は、ｆｓ０／４〜ｆｓ０／２の帯
域を持つ信号を出力する。そして、整流回路４０４はバ
ンドパスフィルタ４０３の出力を半波又は両波整流する
ことで、入力信号の高調波を発生させる。ハイパスフィ
ルタ４０５は、整流回路４０４の出力の低域成分を遮断
し、ｆｓ０／２以上のスペクトルを持つ信号を出力す
る。

【００６９】次に、ディザ発生回路４０６は０〜ｐｆｓ
／２の帯域でスペクトル強度が均一に分布しているホワ
イトノイズを発生する。そして、ハイパスフィルタ４０
７はディザ発生回路４０６の出力を帯域制限し、ｆｓ０
／２以上の周波数帯域をもつノイズを出力する。加算回
路４０８は、ハイパスフィルタ４０５の出力とハイパス
フィルタ４０７の出力とを加算する。

【００７０】一方、スペクトル解析回路４０９は、オー
バーサンプリング型ＬＰＦ４０２の出力の高域成分のス
ペクトル強度を検出する。ここでは、ｆｓ０／４〜ｆｓ
０／２のスペクトル強度を検出する。レベル制御回路４
１０は、スペクトル解析回路４０９の出力に応じて加算
回路４０８の出力レベルを制御する。ここでは、入力信
号のｆｓ０／４〜ｆｓ０／２におけるスペクトル強度が
大きい場合、加算回路４０８の出力レベルを大きくし、
スペクトル強度が小さい場合は出力レベルを小さくす
る。

【００７１】そして、加算回路４１１は、オーバーサン
プリング型ＬＰＦ４０２の出力とレベル制御回路４１０
の出力と加算する。オーバーサンプリング手段４１２
は、加算回路４１１の出力信号を更に周波数ｆｓ２でオ
ーバーサンプリングする。ローバスフィルタ４１３はｆ
ｓ１／２以上の成分を減衰させる。これにより、ｆｓ１
／２以上で再びスペクトル強度が増加している信号をｆ
ｓ１／２からｆｓ２／２に向けて減少する自然なスペク
トルに整形する。ローパスフィルタ４１３の出力信号は
出力端子４１４を介して出力される。

【００７２】このようにして、入力信号の持つ帯域以上
のスペクトルを持つ高調波及びディザを発生させ、入力
信号の高域スペクトルの強度に応じてこの高調波成分を
入力信号に付加し、更にオーバーサンプルすることで、
オーディオ帯域を拡張することができる。

【００７３】以上のように本実施の形態のオーディオ帯
域拡張装置は、バンドパスフィルタ、整流回路、ハイパ
スフィルタを用いて入力信号の帯域以上の高調波を発生
させ、ディザ発生回路、ハイパスフィルタで入力信号の
帯域以上の高周波ディザを発生させ、スペクトル解析回
路及びレベル制御回路で入力信号の高域スペクトル強度
に応じてレベルを制御して入力信号に加算し、更にオー
バーサンプリングして出力するようにしている。

【００７４】このため、多くの処理量を要する高調波発
生を周波数ｆｓ１で行った後、周波数ｆｓ２でオーバー
サンプリングすることにより、従来のように直接周波数
ｆｓ２で高調波発生を行う方法に比べ、少ない処理量で
高調波を発生することができる。

【００７５】信号処理がディジタル処理であるため、回
路を構成する部品のばらつきや温度特性による性能ばら
つきが発生しない。また、オーディオ信号が回路を通過
する毎に音質劣化が発生することもない。更に、フィル
タの精度追求を行っても、アナログの回路構成と比較し
て回路規模が大きくなることもない。このためコスト増
加につながらないオーディオ帯域拡張装置を実現でき
る。

【００７６】尚、本実施の形態では、バンドパスフィル
タ４０３で入力信号の帯域を制限した後、整流回路４０
４で高調波を発生させた。しかし、バンドパスフィルタ
４０３を通過させないで整流回路４０４で高調波を発生
させても、ハイパスフィルタ４０５で低域を遮断するた
め、同様の効果が得られることは言うまでもない。

【００７７】（実施の形態４）次に本発明の実施の形態
４におけるオーディオ帯域拡張装置について説明する。
図５は実施の形態４におけるオーディオ帯域拡張装置の
ブロック図である。このオーディオ帯域拡張装置は、入
力端子５０１、オーバーサンプリング型ＬＰＦ５０２、
互いに独立なＰＮ系列ノイズ発生器５０４、５０５、５
０６と加算回路５０７とで構成されたディザ発生回路５
０３、ハイパスフィルタ５０８、スペクトル解析回路５
０９、レベル制御回路５１０、加算回路５１１、オーバ
ーサンプリング手段５１２、ローパスフィルタ５１３、
出力端子５１４を含んで構成される。

【００７８】実施の形態１〜３と同一機能を有するブロ
ックは、同一の名称を付け、それらの機能説明は省略す
る。尚、ディザ発生回路５０３は、所定の振幅内で確率
密度が三角分布となるダイヤモンドディザ生成手段であ
ってもよい。この場合のダイヤモンドディザ生成手段
は、互いに独立な２つのＰＮ系列生成手段ＰＡの出力と
ＰＮ系列生成手段ＰＢの出力とを加算するものである。
またダイヤモンドディザ生成手段は、１つのＰＮ系列生
成手段ＰＰの互いに異なり重なり合わない部分要素ＰＰ
Ａ及び部分要素ＰＰＢを加算するものであってもよい。

【００７９】図５に示すディザ発生回路５０３は、所定
の振幅内で確率密度が釣鐘型分布となるベル型ディザ生
成手段としている。このベル型ディザ生成手段は、互い
に独立な３つのＰＮ系列生成手段ＰＡ（ＰＮ系列ノイズ
発生器５０４）の出力、ＰＮ系列生成手段ＰＢ（ＰＮ系
列ノイズ発生器５０５）の出力、ＰＮ系列生成手段ＰＣ
（ＰＮ系列ノイズ発生器５０６）の出力を加算するもの
である。またベル型ディザ生成手段は、１つのＰＮ系列
生成手段ＰＰの互いに異なり重なり合わない部分要素Ｐ
ＰＡ, 部分要素ＰＰＢ、部分要素ＰＰＣを加算するもの
であってもよい。

【００８０】このような構成のオーディオ帯域拡張装置
について、その動作を説明する。入力端子５０１を通じ
てディジタルのオーディオ信号が入力される。この信号
がＣＤから再生されたものであれば、サンプリング周波
数ｆｓ０＝４４．１ｋＨｚ、語長１６ビットの信号であ
る。

【００８１】オーバーサンプリング型ＬＰＦ５０２は、
入力端子５０１を介して入力されたオーディオ信号のサ
ンプリング周波数をｐ倍（ｐは正の数）し、且つ不要な
帯域を減衰させる。ここではオーバーサンプリング型Ｌ
ＰＦ５０２は、入力信号のサンプリング周波数の２分の
１以上の帯域を６０ｄＢ以上減衰させるものとする。

【００８２】次に、互いに独立なＰＮ系列ノイズ発生回
路５０４、５０５、５０６は、０〜ｐｆｓ／２の帯域で
スペクトル強度が均一に分布するホワイトノイズを発生
する。

【００８３】そして、加算回路５０７は、ＰＮ系列ノイ
ズ発生回路５０４、５０５、５０６の出力を加算する。
加算後のノイズは、スペクトルの確率分布の形状がガウ
ス分布に近い釣り鐘型になり、自然音に近づく。そし
て、ハイパスフィルタ５０８はディザ発生回路５０３の
出力を帯域制限し、ｆｓ０／２以上の周波数帯域をもつ
ノイズを出力する。

【００８４】一方、スペクトル解析回路５０９は、オー
バーサンプリング型ＬＰＦ５０２の出力の高域成分のス
ペクトル強度を検出する。ここでは、ｆｓ０／４〜ｆｓ
０／２のスペクトル強度を検出する。

【００８５】そして、レベル制御回路５１０は、スペク
トル解析回路５０９の出力に応じてハイパスフィルタ５
０８の出力レベルを制御する。ここでは、入力信号のｆ
ｓ０／４〜ｆｓ０／２におけるスペクトル強度が大きい
場合、ハイパスフィルタ５０８の出力レベルを大きく
し、スペクトル強度が小さい場合は出力レベルを小さく
する様に動作する。

【００８６】そして、加算回路５１１は、オーバーサン
プリング型ＬＰＦ５０２の出力とレベル制御回路５１０
の出力とを加算する。オーバーサンプリング手段５１２
は、加算回路５１１の出力信号を更に周波数ｆｓ２でオ
ーバーサンプリングする。ローバスフィルタ５１３は、
ｆｓ１／２以上の成分を減衰させる。これにより、ｆｓ
１／２以上で再びスペクトル強度が増加している信号
を、ｆｓ１／２からｆｓ２／２に向けて減少する自然な
スペクトルに整形する。ローパスフィルタ５１３の出力
信号は出力端子５１４を介して出力される。

【００８７】こうして、入力信号の持つ帯域以上のスペ
クトルを持つガウス分布型のディザを発生させ、入力信
号の高域スペクトル強度に応じて発生させたディザを入
力信号に付加し、更にオーバーサンプルすることで、オ
ーディオ帯域を拡張することができる。

【００８８】以上のように本実施の形態のオーディオ帯
域拡張装置は、ディザ発生回路及びハイパスフィルタを
用いて入力信号の帯域以上のガウス分布型高周波ディザ
を発生させ、スペクトル解析回路及びレベル制御回路で
入力信号の高域スペクトル強度に応じてレベルを制御し
て入力信号に加算し、更にオーバーサンプリングして出
力するようにしている。

【００８９】このように、多くの処理量を要する高調波
発生を周波数ｆｓ１で行った後、周波数ｆｓ２にオーバ
ーサンプリングすることにより、従来のように直接周波
数ｆｓ２で高調波発生を行う方法に比べ、少ない処理量
で高調波を発生することができる。

【００９０】付加された高域成分がガウス分布型ディザ
であるため、自然界の分布に近くなり、オーディオ帯域
を拡張しても特定の音が強調されることのない自然な音
質が得られる。また、信号処理がディジタル処理である
ため、回路を構成する部品のばらつきや温度特性による
性能ばらつきが発生しない。また、オーディオ信号が回
路を通過する毎に音質劣化が発生することもない。更
に、フィルタの精度追求を行っても、アナログの回路構
成と比較して回路規模が大きくなることもない。このた
めコスト増加につながらないオーディオ帯域拡張装置を
実現できる。

【００９１】尚、本実施の形態のディザ発生回路５０３
は、実施の形態３のディザ発生回路５０６に適応する
と、本実施の形態と同等以上の効果が得られることは言
うまでもない。

【００９２】（実施の形態５）次に本発明の実施の形態
５におけるオーディオ帯域拡張装置について説明する。
図６は実施の形態５におけるオーディオ帯域拡張装置の
ブロック図である。このオーディオ帯域拡張装置は、入
力端子６０１、オーバーサンプリング型ＬＰＦ６０２、
ディザ発生回路６０３、ハイパスフィルタ６０４、１／
ｆ特性フィルタ６０５、スペクトル解析回路６０６、レ
ベル制御回路６０７、加算回路６０８、オーバーサンプ
リング手段６０９、ローパスフィルタ６１０、出力端子
６１１を含んで構成される。

【００９３】このような構成のオーディオ帯域拡張装置
について、その動作を説明する。入力端子６０１を通じ
てディジタルのオーディオ信号が入力される。この信号
がＣＤから再生されたものであれば、サンプリング周波
数ｆｓ０＝４４．１ｋＨｚ、語長１６ビットの信号であ
る。

【００９４】オーバーサンプリング型ＬＰＦ６０２は、
入力端子６０１を介して入力された信号のサンプリング
周波数をｐ倍（ｐは正の数）し、且つ不要な帯域を減衰
させる。ここではオーバーサンプリング型ＬＰＦ６０２
は、入力信号のサンプリング周波数の２分の１以上の帯
域を６０ｄＢ以上減衰させるものとする。

【００９５】次に、ディザ発生回路６０３は０〜ｐｆｓ
／２の帯域でスペクトル強度が均一に分布しているホワ
イトノイズを発生する。そして、ハイパスフィルタ６０
４はディザ発生回路６０３の出力を帯域制限し、ｆｓ０
／２以上の周波数帯域をもつノイズを出力する。１／ｆ
特性フィルタ６０５は、ハイパスフィルタ６０４の出力
を帯域制限し、１／ｆ特性を有するようにノイズを出力
する。

【００９６】一方、スペクトル解析回路６０６は、オー
バーサンプリング型ローパスフィルタ６０２の出力の高
域成分のスペクトル強度を検出する。ここでは、ｆｓ０
／４〜ｆｓ０／２のスペクトル強度を検出する。

【００９７】そして、レベル制御回路６０７は、スペク
トル解析回路６０６の出力に応じて１／ｆ特性フィルタ
６０５の出力レベルを制御する。ここでは、入力信号の
ｆｓ０／４〜ｆｓ０／２におけるスペクトル強度が大き
い場合、１／ｆ特性フィルタ６０５の出力レベルを大き
くし、スペクトル強度が小さい場合は出力レベルを小さ
くする。そして、加算回路６０８は、オーバーサンプリ
ング型ＬＰＦ６０２の出力とレベル制御回路６０７の出
力とを加算する。

【００９８】オーバーサンプリング手段６０９では、入
力信号を更に周波数ｆｓ２でオーバーサンプリングす
る。ローバスフィルタ６１０は、ｆｓ１／２以上の成分
を減衰させる。これにより、ｆｓ１／２以上で再びスペ
クトル強度が増加している信号を、ｆｓ１／２からｆｓ
２／２に向けて減少する自然なスペクトルに整形する。
ローバスフィルタ６１０の出力信号は出力端子６１１を
介して出力される。

【００９９】こうして、入力信号の持つ帯域以上のスペ
クトルを持つ１／ｆ特性のディザを発生させ、入力信号
の高域スペクトル強度に応じてこの発生させたディザを
入力信号に付加し、更にオーバーサンプルすることで、
オーディオ帯域を拡張することができる。

【０１００】以上のように、本実施の形態のオーディオ
帯域拡張装置は、ディザ発生回路、ハイパスフィルタ、
１／ｆ特性フィルタを用いて入力信号の帯域以上の高周
波ディザを発生させ、スペクトル解析回路及びレベル制
御回路で入力信号の高域スペクトル強度に応じてレベル
を制御して入力信号に加算し、更にオーバーサンプリン
グして出力するようにしている。

【０１０１】このように、多くの処理量を要する高調波
発生を周波数ｆｓ１で行った後、周波数ｆｓ２にオーバ
ーサンプリングすることにより、従来のように直接周波
数ｆｓ２で高調波発生を行う方法に比べ、少ない処理量
で高調波を発生することができる。

【０１０２】また１／ｆ特性を持つディザを使用するた
め、自然界の音に近くなり、オーディオ帯域を拡張して
も特定の音が強調されることのない自然な音質が得られ
る。また、信号処理がディジタル処理であるため、回路
を構成する部品のばらつきや温度特性による性能ばらつ
きが発生しない。また、オーディオ信号が回路を通過す
る毎に音質劣化が発生することもない。更に、フィルタ
の精度追求を行っても、アナログの回路構成と比較して
回路規模が大きくなることもない。このためコスト増加
につながらないオーディオ帯域拡張装置を実現できる。

【０１０３】（実施の形態６）次に本発明の実施の形態
６におけるオーディオ帯域拡張装置について説明する。
図７は実施の形態６におけるオーディオ帯域拡張装置の
ブロック図である。このオーディオ帯域拡張装置は、入
力端子７０１、オーバーサンプリング型ＬＰＦ７０２、
バンドパスフィルタ７０３、整流回路７０４、ハイパス
フィルタ７０５、ディザ発生回路７０６、ハイパスフィ
ルタ７０７、加算回路７０８、スペクトル解析回路７０
９、レベル制御回路７１０、スイッチ７１１、加算回路
７１２、オーバーサンプリング手段７１３、ローパスフ
ィルタ７１４、出力端子７１５を含んで構成される。

【０１０４】このように構成されたオーディオ帯域拡張
装置について、その動作を説明する。入力端子７０１を
通じてディジタルのオーディオ信号が入力される。この
信号がＣＤから再生されたものであれば、サンプリング
周波数ｆｓ０＝４４．１ｋＨｚ、語長１６ビットの信号
である。

【０１０５】オーバーサンプリング型ＬＰＦ７０２は、
入力端子７０１を介して入力された信号のサンプリング
周波数をｐ倍（ｐは正の数）し、且つ不要な帯域を減衰
させる。ここではオーバーサンプリング型ＬＰＦ７０２
は、入力信号のサンプリング周波数の２分の１以上の帯
域を６０ｄＢ以上減衰させるものとする。

【０１０６】次に、バンドパスフィルタ７０３はオーバ
ーサンプリング型ＬＰＦ７０２の出力帯域を制限する。
入力信号のサンプリング周波数をｆｓ０とすれば、バン
ドパスフィルタ７０３からは、ｆｓ０／４〜ｆｓ０／２
の帯域を持つ信号が出力される。そして、整流回路７０
４はバンドパスフィルタ７０３の出力を半波又は両波整
流することで、入力信号の高調波を発生させる。そし
て、ハイパスフィルタ７０５は、整流回路７０４の出力
の低域成分を遮断し、ｆｓ０／２以上のスペクトルを持
つ信号を出力する。

【０１０７】次に、ディザ発生回路７０６は０〜ｐｆｓ
／２の帯域でスペクトル強度が均一に分布しているホワ
イトノイズを発生する。そして、ハイパスフィルタ７０
７はディザ発生回路７０６の出力を帯域制限し、ｆｓ０
／２以上の周波数帯域をもつノイズを出力する。加算回
路７０８は、ハイパスフィルタ７０５の出力とハイパス
フィルタ７０７の出力とを加算する。

【０１０８】一方、スペクトル解析回路７０９は、オー
バーサンプリング型ＬＰＦ７０２の出力の高域成分のス
ペクトル強度を検出する。ここでは、０〜ｆｓ１／４と
ｆｓ０／４〜ｆｓ０／２のスペクトル強度を検出する。
そして、レベル制御回路７１０は、スペクトル解析回路
７０９の出力に応じて加算回路７０８の出力レベルを制
御する。ここでは、入力信号のｆｓ０／４〜ｆｓ０／２
におけるスペクトル強度が大きい場合、加算回路７０８
の出力レベルを大きくし、スペクトル強度が小さい場合
は出力レベルを小さくする様に動作する。

【０１０９】スイッチ７１１はスペクトル解析回路７０
９の出力に応じてオンオフする。ここでは、入力信号の
０〜ｆｓ／４におけるスペクトル強度と、ｆｓ０／４〜
ｆｓ０／２におけるスペクトル強度を比較して、０〜ｆ
ｓ１／４のスペクトル強度が所定レベル以上で且つｆｓ
０／４〜ｆｓ０／２のスペクトル強度が所定レベル以
下、或いは０〜ｆｓ／４のスペクトル強度が所定レベル
以下で且つｆｓ０／４〜ｆｓ０／２のスペクトル強度が
所定レベル以上であれば、スイッチ７１１をオフにし、
それ以外ではスイッチ７１１をオンする。

【０１１０】そして、加算回路７１２で、オーバーサン
プリング型ＬＰＦ７０２の出力とスイッチ７１１の出力
とを加算する。オーバーサンプリング手段７１３では、
入力信号を更にオーバーサンプリングする。ローバスフ
ィルタ７１４では、ｆｓ１／２以上の成分を減衰させ
る。これにより、ｆｓ１／２以上で再びスペクトル強度
が増加している信号を、ｆｓ１／２からｆｓ２／２に向
けて減少する自然なスペクトルに整形する。ローバスフ
ィルタ７１４の出力信号は出力端子７１５を介して出力
される。

【０１１１】このように、入力信号の持つ帯域以上のス
ペクトルを持つ高調波及びディザを発生させ、入力信号
の高域スペクトル強度に応じて高調波成分を入力信号に
付加し、更にオーバーサンプルすることで、オーディオ
帯域を拡張することができる。更に、正弦波のように単
一のスペクトルを持つ信号が入力された場合、スイッチ
７１１がオフし、信号が劣化しないようにしている。

【０１１２】以上のように、本実施の形態のオーディオ
帯域拡張装置は、バンドパスフィルタ、整流回路、ハイ
パスフィルタを用いて入力信号の帯域以上の高調波を発
生させ、またディザ発生回路及びハイパスフィルタを用
いて入力信号の帯域以上の高周波ディザを発生させ、ス
ペクトル解析回路及びレベル制御回路で入力信号の高域
スペクトル強度に応じてレベルをミュートして入力信号
に加算し、更にオーバーサンプリングして出力するよう
にしている。

【０１１３】このため、多くの処理量を要する高調波発
生を周波数ｆｓ１で行った後、周波数ｆｓ２でオーバー
サンプリングすることにより、従来のように直接周波数
ｆｓ２で高調波発生を行う方法に比べ、少ない処理量で
高調波を発生することができる。

【０１１４】そのため、単一のスペクトルを有する正弦
波が入力された場合は、オーディオ帯域拡張機能を停止
して信号劣化が発生しないようにしている。また、信号
処理がディジタル処理であるため、回路を構成する部品
のばらつきや温度特性により性能ばらつきが発生しな
い。また、オーディオ信号が回路を通過する毎に音質劣
化が発生することもない。更に、フィルタの精度追求を
行っても、アナログの回路構成と比較して回路規模が大
きくなることもない。このためコスト増加につながらな
いオーディオ帯域拡張装置を実現できる。

【０１１５】尚、本実施の形態では、バンドパスフィル
タ７０３で入力信号の帯域を制限した後整流回路７０４
で高調波を発生させたが、バンドパスフィルタ７０３を
通過させないで整流回路７０４で高調波を発生させても
よい。この場合、ハイパスフィルタ７０５で低域を遮断
するため、同様の効果が得られることは言うまでもな
い。

【０１１６】尚、以上の実施の形態において、レベル制
御回路の入力部に平滑フィルタを設け、スペクトル解析
回路から得られる解析結果を時間的に平滑化するように
してもよい。こうすると、レベル制御回路の出力レベル
の変動を緩慢にすることができる。また上記の平滑フィ
ルタは、アタック特性とレリーズ特性を夫々制御できる
ものでもよい。

【０１１７】またバンドパスフィルタ及び整流回路によ
る非線形手段と、ディザ発生回路と、ハイパスフィルタ
とは、その演算語長をオーバーサンプリング型ＬＰＦの
語長より大きくし、オーバーサンプリング型ＬＰＦの語
長のＬＳＢ幅に略同じ振幅の信号成分を加算するように
処理してもよい。例えばオーバーサンプリング型ＬＰＦ
から出力されるオーディオ信号の語長を１６ビットとす
ると、この信号のＬＳＢ、即ち最下位ビットの１６ビッ
ト目とほぼ同じ振幅になるよう、これより下位に４ビッ
トのノイズ（ディザ信号）を加算するようにする。

【０１１８】

【発明の効果】以上のような発明によれば、多くの処理
量を要する高調波発生を周波数ｆｓ１で行った後、周波
数ｆｓ２でオーバーサンプリングすることにより、従来
のように直接周波数ｆｓ２で高調波発生を行う方法に比
べ、少ない処理量で高調波成分を発生することができる
という効果がある。

【０１１９】さらに、単一のスペクトルを有するオーデ
ィオ信号が入力された場合、オーディオ帯域の拡張機能
を停止することにより、信号劣化を抑えることができ
る。また、信号処理がディジタル処理であるため、回路
を構成する部品のばらつきや温度特性による性能ばらつ
きが発生しない効果が得られる。

【０１２０】また、オーディオ信号が回路を通過する毎
に音質劣化が発生することがない効果が得られる。更
に、各フィルタの精度追求を行っても、アナログの回路
構成と比較して回路規模が大きくなることもない。この
ためコスト増加につながらない装置が得られる。

【０１２１】また、自然音に近い１／ｆ特性のガウス分
布型ディザを用いるため、オーディオ帯域拡張しても、
特定の帯域が強調されることのない自然な音質となる効
果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１におけるオーディオ帯域
拡張装置の構成を示すブロック図である。

【図２】実施の形態１によるオーディオ帯域拡張装置の
動作を示す周波数スペクトル図である。

【図３】本発明の実施の形態２におけるオーディオ帯域
拡張装置の構成を示すブロック図である。

【図４】本発明の実施の形態３におけるオーディオ帯域
拡張装置の構成を示すブロック図である。

【図５】本発明の実施の形態４におけるオーディオ帯域
拡張装置の構成を示すブロック図である。

【図６】本発明の実施の形態５におけるオーディオ帯域
拡張装置の構成を示すブロック図である。

【図７】本発明の実施の形態６におけるオーディオ帯域
拡張装置の構成を示すブロック図である。

【図８】従来例のオーディオ帯域拡張装置の構成を示す
ブロック図である。

【図９】従来例のオーディオ帯域拡張装置の動作を示す
周波数スペクトル図である。

【符号の説明】

１０１，３０１，４０１，５０１，６０１，７０１ 入
力端子 １０２，３０２，４０２，５０２，６０２，７０２ オ
ーバーサンプリング型ディジタルローパスフィルタ（オ
ーバーサンプリング型ＬＰＦ） １０３，４０３，７０３ バンドパスフィルタ １０４，４０４，７０４ 整流回路 １０５，３０４，４０５，４０７，５０８，６０４，７
０５，７０７ ハイパスフィルタ １０６，３０５，４０９，５０９，６０６，７０９ ス
ペクトル解析回路 １０７，３０６，４１０，５１０，６０７，７１０ レ
ベル制御回路 １０８，３０７，４０８，４１１，５１１，６０８，７
０８，７１２ 加算回路 １０９，３０８，４１２，５１２，６０９，７１３ オ
ーバーサンプリング手段 １１０，３０９，４１３，５１３，６１０，７１４ ロ
ーパスフィルタ １１１，３１０，４１４，５１４，６１１ 出力端子 ３０３，４０６，５０３，６０３，７０６ ディザ発生
回路 ５０４，５０５，５０６ ＰＮ系列ノイズ発生器 ６０５ １／ｆ特性フィルタ ７１１ スイッチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岩田 和也 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 5D020 CE03 5D045 DA20 5J064 AA01 BA06 BB07 BC08 BC12 BC18 BD02

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周波数ｆｓ０でサンプリングされたオー
   ディオ信号を入力し、周波数ｆｓ１（ｆｓ１＞ｆｓ０）
   でオーバーサンプリングを行い、ｆｓ０／ｎ（ｎは整
   数）以下の帯域Ａの成分のみを通過させる第１のオーバ
   ーサンプリング手段と、 前記第１のオーバーサンプリング手段の出力信号を入力
   し、帯域Ａのオーディオ信号を所定の時間Ｔ毎に区切
   り、前記帯域Ａ内のスペクトルを解析するスペクトル解
   析手段と、 前記第１のオーバーサンプリング手段の出力信号を入力
   し、前記出力信号を歪ませて高調波成分を含むオーディ
   オ信号を出力する非線形手段と、 前記非線形手段の出力信号から前記帯域Ａより高域に位
   置する帯域Ｂの成分を取り出す高域通過フィルタと、 前記スペクトル解析手段の解析結果に応じて、前記高域
   通過フィルタの出力レベルを制御して出力するレベル制
   御手段と、 前記レベル制御手段により制御された前記高域通過フィ
   ルタの出力と前記第１のオーバーサンプリング手段の出
   力とを加算する出力信号加算手段と、 前記出力信号加算手段から出力されたオーディオ信号に
   対して、周波数ｆｓ２（ｆｓ２＞ｆｓ１）でオーバーサ
   ンプリングを行う第２のオーバーサンプリング手段と、
   を具備することを特徴とするオーディオ帯域拡張装置。
2. 【請求項２】 周波数ｆｓ０でサンプリングされたオー
   ディオ信号を入力し、周波数ｆｓ１（ｆｓ１＞ｆｓ０）
   でオーバーサンプリングを行い、ｆｓ０／ｎ（ｎは整
   数）以下の帯域Ａの成分のみを通過させる第１のオーバ
   ーサンプリング手段と、 前記第１のオーバーサンプリング手段の出力信号を入力
   し、帯域Ａのオーディオ信号を所定の時間Ｔ毎に区切
   り、前記帯域Ａ内のスペクトルを解析するスペクトル解
   析手段と、 前記帯域Ａよりも高域に位置する帯域Ｂ内にディザを生
   成するディザ生成手段と、 前記スペクトル解析手段の解析結果に応じて、前記ディ
   ザ生成手段の出力レベルを制御して出力するレベル制御
   手段と、 前記レベル制御手段により制御された前記ディザ生成手
   段の出力と前記第１のオーバーサンプリング手段の出力
   とを加算する出力信号加算手段と、 前記出力信号加算手段から出力されたオーディオ信号に
   対して、周波数ｆｓ２（ｆｓ２＞ｆｓ１）でオーバーサ
   ンプリングを行う第２のオーバーサンプリング手段と、
   を具備することを特徴とするオーディオ帯域拡張装置。
3. 【請求項３】 周波数ｆｓ０でサンプリングされたオー
   ディオ信号を入力し、周波数ｆｓ１（ｆｓ１＞ｆｓ０）
   でオーバーサンプリングを行い、ｆｓ０／ｎ（ｎは整
   数）以下の帯域Ａの成分のみを通過させる第１のオーバ
   ーサンプリング手段と、 前記第１のオーバーサンプリング手段の出力信号を入力
   し、帯域Ａのオーディオ信号を所定の時間Ｔ毎に区切
   り、前記帯域Ａ内のスペクトルを解析するスペクトル解
   析手段と、 前記第１のオーバーサンプリング手段の出力信号を入力
   し、入力信号を歪ませて高調波成分を含むオーディオ信
   号を出力する非線形手段と、 前記非線形手段の出力信号から前記帯域Ａより高域に位
   置する帯域Ｂの成分を取り出す高域通過フィルタと、 前記帯域Ａより高域に位置する帯域Ｂ内にディザを生成
   するディザ生成手段と、 前記高域通過フィルタの出力と前記ディザ生成手段の出
   力とを加算する高域信号加算手段と、 前記スペクトル解析手段の解析結果に応じて、前記高域
   信号加算手段の出力レベルを制御して出力するレベル制
   御手段と、 前記レベル制御手段により制御された前記高域信号加算
   手段の出力と前記第１のオーバーサンプリング手段の出
   力とを加算する出力信号加算手段と、 前記出力信号加算手段から出力されたオーディオ信号に
   対して、周波数ｆｓ２（ｆｓ２＞ｆｓ１）でオーバーサ
   ンプリングを行う第２のオーバーサンプリング手段と、
   を具備することを特徴とするオーディオ帯域拡張装置。
4. 【請求項４】 前記第１のオーバーサンプリング手段
   は、 そのサンプリング周波数ｆｓ１が入力オーディオ信号の
   サンプリング周波数ｆｓ０の２倍以上の値を有し、オー
   バーサンプリング処理による折り返し成分を除去して出
   力することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項記載
   のオーディオ帯域拡張装置。
5. 【請求項５】 前記非線形手段及び前記高域通過フィル
   タにおける演算語長とその出力は、入力オーディオ信号
   の語長より大きくすることを特徴とする請求項１又は３
   記載のオーディオ帯域拡張装置。
6. 【請求項６】 前記ディザ生成手段における演算語長と
   その出力は、入力オーディオ信号の語長より大きくする
   ことを特徴とする請求項２又は３記載のオーディオ帯域
   拡張装置。
7. 【請求項７】 前記非線形手段及び前記高域通過フィル
   タにおける演算語長とその出力は、入力オーディオ信号
   の語長より大きく、 前記出力信号加算手段は、前記入力オーディオ信号の語
   長のＬＳＢ幅と略同じ振幅の帯域拡張信号を前記第１の
   オーバーサンプリング手段の出力に対して加算すること
   を特徴とする請求項１又は３記載のオーディオ帯域拡張
   装置。
8. 【請求項８】 前記ディザ生成手段における演算語長と
   その出力は、入力オーディオ信号の語長より大きく、 前記出力信号加算手段は、前記入力オーディオ信号の語
   長のＬＳＢ幅と略同じ振幅の帯域拡張信号を前記第１の
   オーバーサンプリング手段の出力に対して加算すること
   を特徴とする請求項２又は３記載のオーディオ帯域拡張
   装置。
9. 【請求項９】 前記非線形手段は、 正負両側に変化する信号の基準レベルに対して片側のみ
   取り出すハーフクリップ手段、又は片側の振幅を反対側
   に折り返す絶対値化手段の何れかを非線形処理として用
   いることを特徴とする請求項１又は３記載のオーディオ
   帯域拡張装置。
10. 【請求項１０】 前記スペクトル解析手段は、 入力オーディオ信号が単一スペクトルの信号か、複数の
    スペクトルの信号かを解析することを特徴とする請求項
    １〜３の何れか１項記載のオーディオ帯域拡張装置。
11. 【請求項１１】 前記ディザ生成手段は、 所定の振幅内で確率密度が三角分布となるダイヤモンド
    ディザ生成手段であることを特徴とする請求項２又は３
    記載のオーディオ帯域拡張装置。
12. 【請求項１２】 前記ダイヤモンドディザ生成手段は、 互いに独立な２つのＰＮ系列生成手段ＰＡの出力とＰＮ
    系列生成手段ＰＢの出力とを加算するものであることを
    特徴とする請求項１１記載のオーディオ帯域拡張装置。
13. 【請求項１３】 前記ダイヤモンドディザ生成手段は、 １つのＰＮ系列生成手段ＰＰの互いに異なり重なり合わ
    ない部分要素ＰＰＡと部分要素ＰＰＢとを加算するもの
    であることを特徴とする請求項１１記載のオーディオ帯
    域拡張装置。
14. 【請求項１４】 前記ディザ生成手段は、 所定の振幅内で確率密度が釣鐘型分布となるベル型ディ
    ザ生成手段であることを特徴とする請求項２又は３記載
    のオーディオ帯域拡張装置。
15. 【請求項１５】 前記ベル型ディザ生成手段は、 互いに独立な３つのＰＮ系列生成手段ＰＡ、ＰＮ系列生
    成手段ＰＢ、ＰＮ系列生成手段ＰＣの各出力を加算する
    ものであることを特徴とする請求項１４記載のオーディ
    オ帯域拡張装置。
16. 【請求項１６】 前記ベル型ディザ生成手段は、 １つのＰＮ系列生成手段ＰＰの互いに異なり重なり合わ
    ない部分要素ＰＰＡと部分要素ＰＰＢと部分要素ＰＰＣ
    とを加算するものであることを特徴とする請求項１４記
    載のオーディオ帯域拡張装置。
17. 【請求項１７】 前記ディザ生成手段は、 前記帯域Ｂのスペクトル分布が１／ｆ特性となるディザ
    を出力するものであることを特徴とする請求項２又は３
    記載のオーディオ帯域拡張装置。
18. 【請求項１８】 前記レベル制御手段は、 前記スペクトル解析手段の解析結果により、単一スペク
    トルのみが存在すると判定された場合は、前記ディザ生
    成手段の出力レベルをゼロにし、複数のスペクトルが存
    在すると判定された場合には、前記帯域Ａの最も高域の
    スペクトルに前記帯域Ｂのディザのスペクトル高が連続
    するように出力レベルを制御することを特徴とする請求
    項２又は３記載のオーディオ帯域拡張装置。
19. 【請求項１９】 前記レベル制御手段は、 前記スペクトル解析手段の解析結果により、複数のスペ
    クトルが存在すると判定された場合には、スペクトル包
    絡線の傾斜に基づいて前記帯域Ａと前記帯域Ｂの間でデ
    ィザが連続するようにディザレベルを制御することを特
    徴とする請求項２又は３記載のオーディオ帯域拡張装
    置。
20. 【請求項２０】 前記レベル制御手段は、 前記スペクトル解析手段の解析結果より、前記帯域Ａの
    信号がゼロと判定された場合は、ディザレベルをゼロに
    ミュートすることを特徴とする請求項２又は３記載のオ
    ーディオ帯域拡張装置。
21. 【請求項２１】 前記レベル制御手段は、 前記スペクトル解析手段の解析出力を所定の平滑フィル
    タを用いて平滑化し、ディザレベルの変動を緩慢にする
    ことを特徴とする請求項２又は３記載のオーディオ帯域
    拡張装置。
22. 【請求項２２】 前記平滑フィルタは、 アタック特性とレリーズ特性を夫々制御するものである
    ことを特徴とする請求項２１記載のオーディオ帯域拡張
    装置。