WO2003003345A1

WO2003003345A1 - Dispositif et procede d'interpolation des composantes de frequence d'un signal

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Publication number: WO2003003345A1
Application number: PCT/JP2001/005620
Authority: WO
Inventors: Yasushi Sato
Original assignee: Kabushiki Kaisha Kenwood; Kenwood Geobit Corporation
Priority date: 2001-06-29
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2003-01-09
Also published as: US7400651B2; JP4106624B2; JPWO2003003345A1; US20040098431A1

Description

明細書信号の周波数成分を補間するための装置および方法技術分野

本発明は、特定の周波数帯域における周波数成分が除去又は抑圧されている所与の信号の当該周波数成分を近似値に合成してこれを該所与の信号に補間することによりスぺクトル分布を改善するための周波数補間装置および方法に関する。

背景技術

MP 3 (MP EG 1 a u d i o l a y e r 3) 形成のデータの酉己信、及び、 FM (F r e q u e n c y Mo d u l a t i o n) 放送やテレビジョン音声多重放送等の手法による音楽などの供給が近年盛んになっている。これらの手法では、帯域が過度に広くなることによるデータ量の増大や占有帯域幅の広がりを回避するために、対象となるォ一ディォ信号などの高域周波数成分を抑圧して上限周波数を下げるようにしている。例えば、上限周波数が 2 0 kH zのオーディオ信号の約 1 5 kH z以上の周波数成分を抑圧して上限周波数を低下させれば、サンプリング周波数は元の信号の 3 4で済むため、データレートの低減につながり有利である。しかしながら、当然のことながら、高域周波数成分が抑圧されたオーディォ信号は、元の信号に比べその音質が劣化する。このため、当該抑圧された周波数成分を、何らかの形で近似的に復元する試みがなされている。このような周波数成分復元の手法としては、対象となる信号を歪ませて、その結果発生する歪み信号から抑圧帯域の補間に供する周波数帯域成分をフィル夕にて抽出し、これを補間の対象となる信号に加算してもとの信号に近似して信号を復元するようにしたものがある。

また別の手法としては、原オーディォ信号から基音と倍音が組で存在する音声成分を抽出して、抽出した音声成分を用い、原オーディオ信号の帯域より高域側の倍音成分を予測して原オーディォ信号に外挿するというものがある。

しかしながら、前者の手法においては、オーディオ信号の波形をリミッ夕回路等を用いて歪ませることにより高調波を発生させるに過ぎないので、この高調波は元のオーディォ信号に本来含まれているものを近似し得るものであるかは定かでない。

また、元の音声等の帯域を制限して得られる原オーディォ信号に後者の手法を適用した場合、純音の音色成分については、倍音成分を予測して外揷することができず、同様に、帯域が制限された結果倍音成分が除去された音声成分については除去された倍音成分を推測して外挿することができない。

さらに、最近考案された手法として、対象信号を周波数分析して残存スぺクトルパターンから抑圧周波数成分のスぺクトルパターン、あるいはその強度等を推定し、これを合成して対象信号に加算付加するようにしたものがある。この手法は、音質改善上、優れたものであるが、実用上問題がある。というのは、この手法は、必然的に対象となる主信号の広帯域にわたる高分解能の短時間フーリェ変換および逆変換処理を要求するものであるため、デジタル信号処理に用する演算量が膨大となるからである。

これは、デジタル信号プロセッサ（D S P ) の演算速度および回路規摸についての過度の要求につながり、実用価値を低下せしめることとなる。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであり、原信号の特定の周波数帯域が抑圧されたオーディォ信号を高品質で復元するための信号補間装置及び信号補間方法を提供すること、並びに、比較的小さな演算規模を用いながらも原信号に近い信号を効率的に復元できるという実用的価値の高い信号補間装置及び信号補間方法を提供することを目的とする。

発明の開示上記目的を達成するために、本発明の周波数補間装置は、原信号の特定周波数帯域における周波数成分が抑圧された入力信号から、該抑圧された周波数成分を近似的に復元して原信号に近い信号を再生することを目的として、該入力信号を、各々が複数の周波数帯域におけるそれぞれの周波数成分を有するような複数の成分信号に分割し、この分割された成分信号を用いて該抑圧された帯域周波数成分を有する成分信号を合成し、及び該入力信号に付加するよう、基本的に動作する。

そして、該分割されたそれぞれの成分信号は、さらに所定の同一の周波数帯域の信号に周波数変換されて、該周波数変換された成分信号の線形結合として、該抑圧された周波数成分を有する信号が合成されるようになっている。さらに、本発明の装置においては、該入力信号における抑圧されないで残存する周波数成分のスぺクトル包絡線情報を抽出する手段を含み、このスペクトル包絡線情報に基づいて、該合成される成分信号のレベルが適正に決定されるようになっている。また、好適には、該スぺクトル包絡線情報は、該入力信号を周波数分析することにより求められる所定の関数式により表されるものであり、この関数式としては、処理を効率化すべく最も簡単な一次関数直線式が用いられる、また該複数の成分信号は、一定の通過帯域幅を有する複数個の帯域通過フィル夕を用いて生成されるようになっている。なお、本発明において、入力信号としては、典型的にはアナログ ·オーディォ信号を、サンプリングし、かつ量子化することにより得られたディジタル · オーディォ信号が用いられる。

本発明を別の局面から把えるとすれば、本発明の周波数補間装置は、該入力信号を、各々が複数の周波数帯域におけるそれぞれの周波数成分を有する複数の成分信号に分割する手段と、該複数の成分信号を周波数変換処理してそれぞれの成分信号の周波数帯域を同一にする為の手段と、該入力信号を周波数分析して残存する周波数成分のスぺクトル包絡線情報を抽出する手段と、該分割されかつ周波数変換された成分信号を用いて該抑圧された周波数帯域成分を有する成分信号を合成するとともに、抽出されたスぺクトル包絡線情報に基づいて合成信号のレベルを決定する手段と、該周波数変換された成分信号を逆周波数変換して、もとの周波数帯域の信号にもどす手段とから成るものであるということができる。この装置においては、該抑圧された周波数帯域成分を有する補間用成分信号の合成は、該残存する周波数成分を有するいくつかの成分信号を線形結合することにより行われる。

さらに、本発明の周波数補間装置は、該入力信号をフィルタリングすることにより、抑圧されないで残存する周波数成分の一部を含む成分信号を生成する手段と、この成分信号に周波数変換を施すことにより、該抑圧された周波数成分を有する信号を合成して、これを該入力信号に付加する手段とを含む簡易な構成により実現することも可能である。この簡易化装置においては、さらに該入力信号における抑圧されないで残存する周波数成分のスぺクトル包絡線情報を抽出する手段が含まれ、このスぺクトル包絡線情報に基づいて、該合成される信号のレベルが決定されるようになっている。

本発明の信号補間装置は、上記のような構成を採用するため、（特定の帯域成分が抑圧される前の）原信号に本来含まれていた周波数成分を比較的忠実に合成し得、抑圧信号の補間に供することができる。このため、原信号に対して近似度の良い信号が復元されることとなり、オーディォ信号等を低歪み、かつ高音質で再生することが可能となる。

その上、非線形動作をする回路構成は一切用いられていないため、信号歪が若干存在するとしても、その信号歪は聴感上許容され得る線形性のものに、限られるものである。したがって、聴感上の歪感は極めて少ないといえる。

さらに、本発明の装置においては、主信号そのものを処理するために、 (広帯域の信号を対象とし、かつ高分解能の）フーリエ変換及びその逆変換を用いていない。本発明の手法は、信号の周波数成分に着目して信号処理がなされるものではあるが、主信号そのものを "時間領域" から "周波数領域"へと変換する（あるいは逆に "周波数領域"の信号を "時間領域" の信号にもどす）処理はおこなわれていない。なるほど、本発明においても、フーリエ変換処理を一部で用いてはいるが、これは残存スぺクトルの包絡線を推定する処理に留まるものである（その変換は、さほど高分解能を要しない）。本発明において、主信号の処理は、フーリエ変換ではなく線形のフィルタ（即ち帯域通過型フィル夕）を用いて行っている。このため、信号処理全体の演算量が大幅に低減できるという長所がある。したがって、本発明の周波数補間装置は、オーディオ用の 1チップの D S Pのみでデジタル信号処理に必要な演算処理を完遂でき実用な価値が高いといえる。

図面の簡単な説明

第 1図は、本発明の周波数補間装置の基本構成を示す図である。

第 2図は、本発明の装置により行われる前半の信号処理の各過程における信号の形態を模式的に示す図である。

第 3図は、本発明の装置により行われる後半の信号処理の各過程における信号の形態を模式的に示す図である。

第 4図は、本発明の周波数補間装置の好適な一実施例のブロック回路図である。

第 5図は、第 2図に示すブロック回路中の周波数補間ュニットの一具体的内部構成を示す図である。

第 6図は、周波数補間の実例を示す図である。

第 7図は、周波数分析データ（フーリエ係数）の時間的変動を平滑かするために挿入されるフィル夕の作用効果を示す図である。

第 8図は、信号における残存するスぺクトルパターンおよび補間後のスぺクトルパターンの実例と、包絡線情報を表す一次関数直線を示す図である。

第 9図は、スぺクトル包絡線情報の抽出処理に関する一連の処理ステップのフローチャートである。

第 1 0図は、本発明の周波数補間装置の別の実施例である簡易型周波数補間装置のプロック図である。第 1 1図は、従来技術の、非線形回路を用いた周波数補間装置の基本構成を示す図である。

発明の実施の形態

以下図面を参照して、本発明による周波数補間装置の実施の形態を詳細に説明する。

第 1図は、本発明の周波数補間装置の基本構成を示す図であり、本発明の装置が、大きく帯域分割セクション、周波数変換セクション、周波数補間セクション、周波数逆変換セクションおよび帯域合成セクションから成るものであることを示している。

本発明においては周波数補間の対象となる（予め特定の周波数帯域の周波数成分が除去又は抑圧された）信号が、まず帯域分割セクション 1 0に入力される。ここでは、入力信号が予め定めた複数個（M個）の周波数帯域（F。， F ₁； F ₂, · · · · , F_M__X) におけるそれぞれの周波数成分を有する M個の成分信号（S S ₂， S ₃， · · · ·， S_M__X) に分割される。ついで、帯域分割により得られた各成分信号 S , ( i = 0 , · · ·， M— 1 ) は周波数変換セクション 2 0に供給されて周波数シフ卜が施され、各成分信号の周波数帯域 F。， F ₁； F₂, · · · · , F M— iが特定の 1つの周波数帯域（典型的には、最低周波数の帯域 F。）に一律に変換される。次に、周波数補間セクション 30においては、周波数変換された成分信号 S （ i = l， 2 , · · · , M— 1 ) のうちのいくつかを用いて抑圧された帯域の成分信号（例えば、高域周波数帯域の成分信号 S_M一 ₂'， S ' _M_いおよび S ' _M) が合成される。これが、事実上の周波数補間処理に相当する。その後、周波数逆変換セクション 40において、周波数変換されていた成分信号 S i ' ( i = 0〜M— 1 ) の周波数帯域がもとにもどされる。そして、最後に、分割されていた成分信号が結合され、周波数成分の補間された所望の信号が出力として取り出されることとなる。

第 2図及び第 3図は、以上説明した信号処理の流れを直感的に把握し得るよう、各処理過程における信号の形態を模式的に示したものである。第 2図（ a ) は、（特定帯域の周波数成分が除去もしくは抑圧された）入力信号を時間領域表現形式で示したものである。第 2図（b) は、信号の周波数領域表示であり、例示として、入力信号が帯域幅 f 。を有する M個（M= 9 ) の周波数帯域に分割される様子を示している。ここでは、第 7、 8および 9番目の周波数帯域（F ₆， F ₇および F ₈) の周波数成分が抑圧されている場合を想定している。第 2図（c ) は、周波数変換後の各成分信号のスペクトル配置を表し、いずれも周波数成分（スベクトル）の占有帯域が 0〜 f 。（H z ) となっていることがわかる。第 2図（c ) は周波数補間前の周波数スペクトル分布を、また第 3図 ( a) は補間後のスぺクトル分布を示しており、抑圧帯域 F ₆, F ₇及び F ₈のスペクトル分布が補間される様子がわかる。第 3図（b) は、周波数逆変換後のスペクトル分布を示すものであり、また第 3図（ c ) はこのスペクトル分布を有する信号の時間領域表現、即ち、周波数補間後の出力信号そのものの時系列を表している。

次に、第 4図は、本発明の周波数補間装置の好適な実施例を示す図である。

第 1 図を参照しての説明で述べた帯域分割成分信号 S い S ₂， S ₃, · · · , S _M— は、 M個のバンドパスフィル夕 6 0 (B P F。〜B P F_u_ ,) により生成される。ついで、成分信号 Sい S ₂， S ₃， · · · ， S M— は、それぞれミキサ部 Xにて周波数 n f 。（n = 2 , 3， · · · M) を有する正弦波信号 S i n ( 2 η π f 。 t ) にて乗算され、かつ低域通過フィル夕 7 0 (L P F ₀, - · · · , L P F_M__X) により低域ろ波されて、その周波数帯域が最低周波数帯域 [ 0、 f 。] にシフトされる。なお、帯域通過フィル夕部 6 0と、ミキサ Xと、低域通過フィル夕部とを一体化したものは、当業者には QMF (Q u a d r a t u r e M i r r o r F i l t e r ) アナライザとして知られている。このように、異なる周波数帯域の成分信号を同一の周波数帯域の成分信号へと周波数変換をする意義は、「帯域通過フィル夕（B P F。〜B P F_M— を通して得たフィルタ-出力信号の集合を複数ロケ一ションを有する 1つのフィル夕バンクにおさめ、そのフィルタバンク内の各ロケーションに格納された各信号 S i ( i = 0〜M— 1 ) を任意にとり出して相互に交換あるいは加減算又はコピーなどをすることが自由にできるようになる。」という点にある。周波数帯域がシフトされた成分信号 S。 '， S ， ' · ·， Sw—i ' は、ついで周波数補間ユニット 8 0に供給され、そこでは後述するように、抑圧された帯域の周波数成分が合成され、かつ補間される。この周波数補間ユニットには、入力信号を周波数分析器

(F F T) 1 1 0により周波数分析し（典型的には、フーリエ変換し）、かつ低域ろ波された信号が供給されている。これら F F T 1 1 0および低域通過フィルタ 1 2 0の動作機能については、後に詳述するが、基本的には、入力信号の抑圧された特定帯域が既知でない場合にそれを検出するとともに、残存するスペクトルの（補間用信号のレベルを定めるための）包絡線情報を求めるためのものである。周波数補間ユニット 8 0 において補間処理された（抑圧された周波数成分が合成復元されて付加された信号） S。"， S S ₂", · · · , S_M— は、ミキサー部 Yにて周波数 n ' f o (n ' = 1 , 2 , 3 , · · ·，（Μ— 1 )) を有する正弦波信号 S i n ( 2 n ' ττ f 。 t ) にて乗算され、かつ低域通過フィル夕 9 0 (L P F。〜L P F_M— にて（その低域成分が）ろ波され、結果として、補間後の成分信号（S。"， S · - · , S M- ) はもとの周波数帯域の信号にもどされる。

なお、ミキサ 8 0と、低域通過フィルタ部とを一体化したものは、当業者には QMFシンセサイザとして知られている。

最後に、これら成分信号 S i" ( i = 0 , 〜，（M— 1 )) は、加算器 1 0 0にて互いに加え合わされて出力信号 bとして取り出される。

さて、本発明の本題である周波数補間ュニット 8 0の構成およびそこでなされる信号処理機能について説明する。

上述したように、周波数補間ユニット 8 0には、 M個の帯域に分割され、かつ周波数変換された成分信号 Sェ '， S ₂'， S ₃'， · · ·， S_M— が入力され、補間処理のなされた成分信号 S。"， S - · ·， S_M— が出力される。

本発明の補間処理においては、（周波数成分が）抑圧された帯域における成分信号が、（周波数成分の）残存する帯域における成分信号を用いて、これら信号を線形結合することにより合成される。

出力が入力の線形結合で表されるような周波数補間ュニット 8 0入力と出力関係は一般に次のように表すことができる。

( 1) ここで、 M個の周波数帯域のうち、高域部の周波数帯域 F M - 3 ' F _M . およびの周波数成分が予め抑制されていた（即ち、 S_M— ₃' = S - 2 = S_M_ = 0) ものとする。この場合、残りの周波数帯域（F。〜F_M_₄) の各周波数成分は 0でないと考えられるから S。 ' = S i ' = · · • =S_M_₁' ≠ 0である。また、抑圧帯域以外の成分信号については、入力がそのまま出力されるものとすると、上記第（ 1 ) 式は、以下のように表される。

(2) と表現される。

線形結合係数の値 a ^, a！ ₂ a a 2 1 a 2 1 a 2 3 a 3 (M - 3 ) は、一般には、信号中の残存するスペクトルの特性に基づいて決められるものである。本発明においては、これら係数値は後述するように、残存スペクトルの包絡線基づき、抑圧された周波数に対して補間すべき信号レベルの推定値との関連で決められる。

第 5図は、周波数補間ュニット 80の具体的構成例を示す図である。ここでは、信号が 1 0個の周波数帯域 F ₀, F ₁； F ₂, F 3 , · · · · , F ₇, F₈および F ₉に分割され、 10個の（周波数変換後の）成分信号

S ₀', S ', S ₂ ', S ₇ S ₈ ' および S ₉，が生成される場合であって、高域の 3つの帯域 F ₇ F ₈および F ₉が抑圧帯域である場合を想定している。第 5図の例においては、抑圧帯域 F ₇に低周波数側で隣接する周波数帯域 F F 5および F _fiの信号 C C およびじをそれぞれ所定レベル減衰させて、即ち、重み係数 k ,, k k (< 1 ) を掛けたもの k , · C k C ' および k · C を抑圧帯域に加算（つまり、抑圧帯域の成分を補間）するようにしている。この構成例は、上述の第（2) 式における線形結合係数の一部を

とした場合に相当する。なお、係数値 k ₂, k 3 , (< 1 ) は、信号の残存するスペクトルの包絡線関数に基づいて（後述のように）求められるものである。

第 6図は、周波数補間操作についての別の事例を別の表現法にて表したものである。この第 6図において、信号は 1 9個の帯域（F。， Fい ···， F ₁₈) に分割されたものとし、また、帯域 F ₁₄， F ₁₅, F ₁₆， F ₁₇および F ₁₈を抑圧帯域と仮定している。第 6図（a) は、残存する帯域 F ₉〜F i ₃の信号 C ₉ '〜C ₃ ' がそれぞれそのまま対応する抑圧帯域 F！ ₄〜F i ₈に加えられる場合を示している。また、第 6図（b) は、抑圧帯域 F ₁₄〜F ₁₈に対し補間されるべき信号 C₁₄' 〜C ₁₈' は、

1 2 3

c₁₄， = 一 c₀' + _ C + — c₂' +

1 0 1 0 1 0

+ c₉，

1 2 3

c₁₅， = - Co' + - c + - c₂， +

1 1 1 1 1 1

0

+ ― C 9 + ₁₀

1 1

1 2

c₁₈， = — c。，十 — c + + c₁₃，

14 14 として求められる場合を示している。つまり、寄与率を考慮した重みづけをして、抑圧された帯域（例えば、 F _{1 t}) に対応する補間帯域（例えば、 F₉) の成分信号（例えば、 C₉') には、最も高い重みづけ（ 1 ) を与え、その帯域から低い方に遠ざかるにつれ、（寄与率を減ずるようにして）徐々に重みづけの値を減ずるようになっている。

ここで、第 6図（b) に示す補間操作を、上記行列式（ 1 ) の表現形式で略記すると、次のようになる。

次に、第 4図のブロック図中周波数分析器 1 1 0 (具体的にはフーリェ変換器）、低域通過フィル夕 1 2 0およびスぺクトル包絡線検出器 1 3 0の役割について述べる。これら構成要素は、周波数分析器 1 1 0により周波数分析（具体的にはフーリエ変換）して抑圧された周波数帯域を識別検出（予めそれが既知でない場合）するともに、残存する周波数成分のスぺクトル包絡線情報を抽出するために用いられる。信号のスぺクトルは時々刻々変化するものであるため、この周波数分析は短時間スぺクトル分析であり、典型的にはデジタル入力信号に所定の時間窓をかけ、各フレームについて所定のサンプル値についての離散的フーリェ変換が行われる。検出される周波数分析デ一夕（例えば、 F F T演算による複素フーリエ係数のようなパラメータ）は各フレーム毎に変化するが、それが階段状に不連続に変化しないよう、つまりその急激な変化を抑え、パラメータがゆるやかに変化するよう、平滑化のための低域フィルタ一 (L P F) 1 2 0を通すようにする。このような平滑処理の前後におけるパラメ一夕値の変化の様子を第 7図に示す。これにより高域補間を避け、補間後の波形の歪を最小限に迎えることが可能となる。

最後に、スペクトル包絡線検出器 1 3 0は、得られた周波数分析結果に基づいて残存する周波数帯域におけるスぺクトル包絡線を関数式で表し、およびそれから（周波数補間ユニット内の）周波数補間用重みづけ係数値（例えば、 k₂， k ₃) を算出し出力するものである。

入力信号を周波数分析した結果あるフレームについて（例えば、第 8 図（a)) に示されるように短時間スペクトルが得られたとする。 f _cは抑圧帯域の下限周波数である。このとき、残存スぺクトルパターン（a) から、スぺクトル包絡線特性の定量データとして包絡線を表す関数式を求める。例えば、最も簡単には包絡線を近似する一次関数

H ( f ) = A f + B ( 5)

を最小 2乗近似法により求める。具体的には周波数の関数としてのスぺクトル強度 S P ( f ) について、所与の周波数帯域を N等分し間隔 Δ f 毎に平均化しかつサンプルして得た値を S P ₁； S P ₂, S P ₃， · · · ·， S P_N— iおよび S P_N (図の例示では、 S P i S P u) とする。

このとさ

1 N

<5 = - ∑ (H ( f _s) - S P i) ² · - · (6)

N _{i = 1}

という測度が最小と成るよう一次関数式（5) の係数 Aおよび Bを求めればよい。次に、この一次関数式に基づいて、補間されるべき抑圧帯域のスペクトル強度 L (補間係数）が求められる。即ち、補間後のスぺクトルの包絡線もやはり一次関数式で精度よく近似され得るように、補間係数し（補間されるべき信号のスペクトル強度）を決めるようにする。補間されるべき抑圧帯域の周波数ポイントを例えば、 S P_{N+ 1}， _{S PN +} ₂， · · ·， S Ρ_{Ν + Μ}の Μポイントとする（第 8図の例示では、 S P ₈， S P₉， S P i。の 3ポイント）。抑圧帯域における Mボイン卜の周波数成分を、抑圧帯域に隣接する残存する帯域の周波の周波数ボイント S P_N— _M， S P_{N M+}い S P_N__{M + 2} · · · · S P_N (図の例では、 S P₅， S P ₆， S P ₇) (正確には、これを L倍したもの）で補間するものとする。このとき、次式で表される 2乗平均誤差が最小値をとるように Lの値を決定するようにすればよい。

δ ' = - ∑ (H ( f — S P ;)

N _{i =1}

1 M

+ 一 ∑ (H ( N + j ) - S P N + j

M _{j =1}

- ∑ (H ( f i) — S P i)

N _{i = 1}

1

+ - ∑ (H ( f _{N+ j}) - k X S P_N__{5 + j}) ²

M _{j =1}

• · · (7)

ここで、上記（ 7) 式の第 1項は先の演算で求められる最小値 5_{m i n} で表され、また、 H ( f ) は周波数成分が残存する帯域のスペクトル包絡線特性により H ( f ) =A f +B (A, B ：定値）として既に算出されているから、これらの値を用いて補間レベル（補間スペクトル強度） Lを具体的に求めることができる。

以上説明した、入力信号の残存成分のスぺクトル包絡線に基づく補間係数の算出過程をフローチヤ一卜で示したのが第 9図である。

まず、所与の入力信号をスペクトル分析して（典型的には高速フーリェ変換（F FT) を施して）、信号の周波数スペクトルを表す周波数分析パラメータ（典型的には複素フーリエ係数）を求める（ステップ 2 0 0)。このパラメ一夕は、フレーム毎に求められるものであり、フレーム間における不連続な変化（第 7図（ a)) を例えば、第 7図（b) に示すように緩和するために、低域通過フィル夕（第 4図、 1 20) を通過させて平滑化処理を行う（ステップ 2 1 0)。得られたスペクトルパラメ一夕（例えば、複素フーリエ係数 R ( f )、 I ( f )) を用いてスぺクトルの振幅項（V R ( f ) ²+ 1 ( f ) ²) を求め、前述した手法によりスぺクトルの包絡線を表す関数を計算する（ステップ 2 2 0 )。一方、残存する成分信号から抑圧帯域の成分信号（補間用信号）を合成する（ステツプ 240 ) とともに、包絡線関数式 H ( f ) =A f +Bから補間用信号のレベル（即ち、補間用重みづけ係数 L) を算出する（ステップ 2 5 0)。最後に重みづけされた（抑圧帯域の周波数成分を有する）合成信号を補間の対象となる帯域制限信号に付加することとする。

上述の実施例における、（その具体的構成が第 4図に示されるような）周波数補間装置については、入力信号を帯域分割した後、一律に一定の周波数帯域（例えば、帯域 [ 0 , f 。]) へと周波数変換するようにしていた。このようにすることにより、フィルタバンクとしたての操作が容易となるメリットあるが、必ずしもこの方法による必要はない。補間に供する周波数帯域が事前に判明している場合には、その帯域の成分のみを（帯域通過フィルタなどで）抽出してその帯域の成分信号を抑圧帯域に直接周波数変換するようにしてもよい。こうすることにより回路構成が簡略化できる。この簡略化構成の例を示したのが第 1 0図である。この方式においては、入力信号が、帯域通過フィルタ 3 1 0によりろ波され、補間に供する帯域成分（例えば、抑圧帯域に隣接する高域成分）の信号が生成され、ついでその信号が抑圧帯域へと周波数変換される。周波数変換の具体的方法としては、所定の周波数の正弦波信号を乗算して、フィル夕リングする。例えば、補間に供する帯域の中心周波数が f iであり、抑圧帯域の中心周波数が f ₂の場合には、補間に供する信号（帯域通過 3 1 0フィル夕の出力信号）に（ f ₂— f の周波数の正弦波（g口ち、 s i n { 2 κ ( f ₂ - f _x ) t } ) を乗算して f ₂の近傍帯域の成分のみをろ波してとり出すようにすればよい。第 1 0図おいて 3 3 0は重みづけ係数を与える乗算器であるがこの係数の決め方については第一の実施例について上述した手法をそのままもちいることができる。即ち、入力信号を周波数分析してスぺクトル包絡線関数を求め、それに基づいて補間用信号のレベル Lを定める（つまり、係数を求める）ようにすればよい。

産業上の利用可能性

予め高域周波数成分が除去（もしくは抑圧）されたオーディオ信号等の高域成分を良い近似度で復元し、もとの原信号に近い信号音を合成することができる。このため高音域が十分に伸びた高品質のオーディォ信号の再生が可能となる。また、本発明の周波数補間用デジタル信号処理に要求される演算量は比較的少ないため小規模の回路にて装置を構成でき、コストを大幅に低減化することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 原信号の特定周波数帯域における周波数成分が抑圧された入力信号から、該抑圧された周波数成分を近似的に復元して原信号に近い信号を再生するための周波数補間装置であって、

該入力信号を、各々が複数の周波数帯域におけるそれぞれの周波数成分を有するような複数の成分信号に分割し、この分割された成分信号を用いて該抑圧された帯域の周波数成分を有する成分信号を合成し、該入力信号に付加するようにしたことを特徴とする周波数補間装置。

2 . 請求項 1に記載の周波数補間装置において、

該分割された成分信号の各々を、同一の周波数帯域の信号に周波数変換して、該周波数変換された成分信号の線形結合として抑圧された周波数帯域成分を有する成分信号を合成するものである周波数補間装置。

3 . 請求項 1に記載の周波数補間装置において、

該入力信号における抑圧されないで残存する周波数成分のスぺクトル包絡線情報を抽出する手段を含み、このスぺクトル包絡線情報に基づいて、該合成される成分信号のレベルを決定するようにした周波数補間

4 . 請求項 3に記載の周波数補間装置において、

該スぺクトル包絡線情報は、該入力信号を周波数分析することにより求められる関数式により表されるものである周波数補間装置。

5 . 請求項 4に記載の周波数補間装置において、

該関数式が一次関数である周波数補間装置。

6 . 請求項 1に記載の周波数補間装置において、

該複数の成分信号が、一定の通過帯域幅を有する複数個の帯域通過フィル夕を用いて生成されるものである周波数補間装置。

7 . 請求項 1乃至 6に記載の周波数補間装置において、

該入力信号は、アナログ · オーディオ信号を、サンプリングし、かつ量子化することにより得られたディジタル 'オーディォ信号である周波数補間装置。

8 . 原信号の特定周波数帯域における周波数成分が抑圧された入力信号から、該抑圧された周波数成分を近似的に復元して原信号に近い信号を再生するための周波数補間装置であって、

該入力信号を、各々が複数の周波数帯域におけるそれぞれの周波数成分を有する複数の成分信号に分割する手段と、

該複数の成分信号を周波数変換処理してそれぞれの成分信号の周波数帯域を同一にするため手段と、

該入力信号を周波数分析して、残存する周波数成分のスぺクトル包絡線情報を抽出する手段と、

該分割されかつ周波数変換された成分信号を用いて該抑圧された周波数成分を有する補間用成分信号を合成するととともに、抽出されたスぺクトル包絡線情報に基づいて合成信号のレベルを決定する手段と、該周波数変換された成分信号を逆周波数変換して、もとの周波数帯域の信号にもどす手段とを含む周波数補間装置。

9 . 請求項 8に記載の周波数補間装置において、

該抑圧された周波数帯域成分を有する補間用成分信号の合成が、該残存する周波数成分を有するいくつかの成分信号の線形結合により行われる周波数補間装置。

1 0 . 原信号の特定周波数帯域における周波数成分が抑圧された入力信号から、該抑圧された周波数成分を近似的に復元して原信号に近い信号を再生するための周波数補間装置であって、

該入力信号を、フィルタリングすることにより抑圧されないで残存する周波数成分の一部を含む成分信号を生成し、この成分信号に周波数変換を施すことにより、該抑圧された周波数成分を有する信号を合成して、これを該入力信号に付加するようにしたことを特徴とする周波数補間

1 1 . 請求項 1 0に記載の周波数補間装置において、

該入力信号における抑圧されないで残存する周波数成分のスぺクトル包絡線情報を抽出する手段を含み、このスぺクトル包絡線情報に基づいて、該合成される信号のレベルを決定するようにした周波数補間装置。

1 2 . 原信号の特定周波数帯域における周波数成分が抑圧された入力信号から、該抑圧された周波数成分を近似的に復元して原信号に近い信号を再生するための周波数補間方法であって、

該入力信号を、各々が複数の周波数帯域におけるそれぞれの周波数成分を有するような複数の成分信号に分割し、この分割された成分信号を用いて該抑圧された帯域の周波数成分を有する成分信号を合成し、及び該入力信号に付加する各ステツプを含むことを特徴とする周波数補間方法。

1 3 . 請求項 1 2に記載の周波数補間方法において、

該分割された成分信号の各々を、同一の周波数帯域の信号に周波数変換して、該周波数変換された成分信号の線形結合として抑圧された周波数帯域成分を有する成分信号を合成するものである周波数補間方法。

1 4 . 原信号の特定周波数帯域における周波数成分が抑圧された入力信号から、該抑圧された周波数成分を近似的に復元して原信号に近い信号を再生するための周波数補間方法であって、

該入力信号を、各々が複数の周波数帯域におけるそれぞれの周波数成分を有する複数の成分信号に分割するステップと、

該複数の成分信号を周波数変換処理してそれぞれの成分信号の周波数帯域を同一にするためステップと、

該入力信号を周波数分析して、残存する周波数成分のスぺクトル包絡線情報を抽出するステップと、

該分割されかつ周波数変換された成分信号を用いて該抑圧された周波数成分を有する補間用成分信号を合成するととともに、抽出されたスぺクトル包絡線情報に基づいて合成信号のレベルを決定するステツプと、

該周波数変換された成分信号を逆周波数変換して、もとの周波数帯域の信号にもどすステップとを含む周波数補間方法。

1 5 . 請求項 1 4に記載の周波数補間方法において、

該抑圧された周波数帯域成分を有する補間用成分信号の合成が、該残存する周波数成分を有するいくつかの成分信号の線形結合により行われる周波数補間方法。

1 6 . 原信号の特定周波数帯域における周波数成分が抑圧された入力信号から、該抑圧された周波数成分を近似的に復元して原信号に近い信号を再生するための周波数補間方法であって、

該入力信号を、フィル夕リングすることにより抑圧されないで残存する周波数成分の一部を含む成分信号を生成し、この成分信号に周波数変換を施すことにより、該抑圧された周波数成分を有する信号を合成して、これを該入力信号に付加するようにしたことを特徴とする周波数補間方法。

1 7 . 請求項 1 6に記載の周波数補間方法において、

該入力信号における抑圧されないで残存する周波数成分のスぺクトル包絡線情報を抽出する手段を含み、このスぺクトル包絡線情報に基づいて、該合成される信号のレベルを決定するようにした周波数補間方法。