JPH0921691A - フィルタ減衰特性制御方法とフィルタ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明はフィルタ出力特性中の減衰特性を可変
制御できるフィルタ減衰特性制御方法とフィルタ装置に
関し、減衰特性を任意に可変制御できるフィルタ装置を
小規模な構成で実現することを目的とする。 【構成】折返し雑音を含めない出力特性のカットオフ周
波数Ｆc とその肩特性の共振度合いＱc とを可変設定で
きるディジタルフィルタを備え、このディジタルフィル
タの上記出力特性に該折返し雑音を含めた総合出力特性
が、該折返し雑音特性の度合いを変えることにより実現
目標とする出力特性の減衰勾配の度合いＫ _env と目標カ
ットオフ周波数ｆc を持つように、該ディジタルフィル
タの出力特性のカットオフ周波数と共振度合いを可変調
整することで、減衰特性を可変制御するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はフィルタ出力特性中の減
衰特性を可変制御できるフィルタ減衰特性制御方法とフ
ィルタ装置に関する。本発明のフィルタ装置は、例えば
電子楽器等に用いると、楽音信号をフィルタリングする
ことで所望の音色を作ることができる。

【０００２】

【従来の技術】自然楽器で発生される自然音の音色の変
化は、倍音の次数が高いほど減衰が速く倍音の次数が低
いほど減衰が遅くなる。電子楽器でこのような音色の変
化を実現するには、楽音信号を所要の周波数特性の低域
フィルタでフィルタリングすることによる。この場合、
倍音の次数が高いほど減衰が速く倍音の次数が低いほど
減衰が遅くなる音色の周波数特性を実現するためには、
低域フィルタの減衰特性を制御して目的とする音色の周
波数特性を得ることが必要となる。

【０００３】電子楽器で使用される低域フィルタは現在
はディジタルフィルタで実現されるのが一般的である。
ディジタルフィルタはその周波数特性のカットオフ周波
数を可変制御することは容易であるが、減衰減衰を制御
することは容易ではなかった。図１１はこの説明であ
り、図示するように、従来の低域フィルタはそのカット
オフ周波数を矢印方向に例えばｆc1、ｆc2のように変化
させることは一般に行なわれていたが、その減衰勾配を
変化させることはほとんど行なわれていなかった。この
理由としては、減衰勾配を制御可能にするディジタルフ
ィルタは、そのフィルタ自体の構成が大きくなったり、
制御するフィルタ係数の数が多いので制御すること自体
が非常に面倒であるためである。

【０００４】複数の減衰勾配を実現するための一例とし
ては、例えば特開平５−９４１９３号に示されるよう
に、それぞれ減衰勾配の異なる複数のディジタルフィル
タを設けておいてそのうちから目的の音色に応じて一つ
を選択して使用するようにしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに複数のディジタルフィルタを用意することは、それ
をハードウェアで実現する場合にはハードウェア規模の
増大を招く。またディジタルフィルタをＤＳＰ（ディジ
タル信号プロセッサ）で実現する場合にもハードウェア
およびソフトウェアの増大を招き、このためフィルタ装
置の構成が大掛かりになってしまい、実際に電子楽器等
に搭載することは難しかった。

【０００６】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであり、減衰特性を任意に可変制御できるフィルタ装
置を小規模な構成で実現することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
めに、本発明のフィルタ装置の減衰特性制御方法は、折
返し雑音を含めない出力特性のカットオフ周波数Ｆc と
その肩特性の共振度合いＱc とを可変設定できるディジ
タルフィルタを備え、このディジタルフィルタの上記出
力特性に該折返し雑音を含めた総合出力特性が、該折返
し雑音特性の度合いを変えることにより実現目標とする
出力特性の減衰勾配の度合いＫ_env と目標カットオフ周
波数ｆc を持つように、該ディジタルフィルタの出力特
性のカットオフ周波数と共振度合いを可変調整すること
で、減衰特性を可変制御するものである。

【０００８】また本発明のフィルタ装置は、一つの形態
として、折返し雑音を含めない出力特性のカットオフ周
波数Ｆc とその肩特性の共振度合いＱc とを可変設定で
きるディジタルフィルタと、実現目標とする出力特性の
減衰勾配の度合いＫ_env と目標カットオフ周波数ｆc と
を入力する入力手段と、該入力手段で入力された減衰勾
配の度合いと目標カットオフ周波数とを該ディジタルフ
ィルタの出力特性に折返し雑音を含める演算式に従って
該ディジタルフィルタのカットオフ周波数と共振度合い
とに変換する変換手段と、該変換手段で変換されたカッ
トオフ周波数と共振度合いに応じたフィルタ係数を該デ
ィジタルフィルタに設定する設定手段とを備えて構成さ
れる。

【０００９】上記変換手段は、ディジタルフィルタの出
力特性のカットオフ周波数をＦc 、その肩特性の共振度
合いをＱc 、実現目標とする出力特性の減衰勾配の度合
いをＫ_env 、その目標カットオフ周波数をｆc 、ディジ
タルフィルタのサンプリング周波数をｆs とするとき、 Ｆc (log) ＝ｆc (log) ＋〔log(ｆs ／４) −ｆc (lo
g) 〕×Ｋ_env （但し、Ｆc (log) とｆc (log) は対数スケールである
ことを表す）で求めたＦc (log) を対数線形変換してカ
ットオフ周波数Ｆc を求め、 Ｑc ＝α＋Ｋ_env 但し、αは１．０などの係数で共振指定値Ｑc を求める
ことで変換を行うように構成するとよい。

【００１０】上記フィルタ装置は、上記入力手段で入力
される減衰勾配の度合いを時間経過とともに変化させる
手段をさらに備えるよう構成することができる。

【００１１】

【作用】本発明はその動作原理として、折返し雑音（エ
イリアシング）特性を積極的に利用している。折返し雑
音は被サンプリング信号の中で(1/2) ｆs （但し、ｆs
はサンプリング周波数）よりも大きい周波数成分がサン
プリング定理を満足していないため、低い周波数に折り
返されて生じるものである。図３はこの折返し雑音を説
明するもので、図３（Ａ）に示すように、ディジタルフ
ィルタのゲインが(1/2) ｆs までに完全に減衰するなら
ば、(1/2) ｆs を超える被サンプリング信号の周波数成
分はないから、低い周波数に対して折返し雑音は生じな
い。一方、図３（Ｂ）に示すように、ディジタルフィル
タのゲインが(1/2) ｆs を超えて存在する場合には、(1
/2) ｆs を超える被サンプリング周波数の周波数成分が
あるので、図中に斜線部分で示す折返し雑音が生じる。

【００１２】図１は本発明の原理を説明する。いま、デ
ィジタルフィルタで低域フィルタを作るものとし、折返
し雑音を含めない出力特性（計算値）を図１（Ａ）に示
すようなものにするものとする。図１（Ｂ）はこの出力
特性に対するサンプリング周波数ｆs を考慮した折返し
雑音特性である。フィルタの総合出力特性は図１（Ａ）
と図１（Ｂ）を合わせたものであり、図１（Ｃ）に示す
ようなものになる。このフィルタ出力特性は高域が充分
にカットできない特性となっているが、図中のａ区間の
減衰勾配に着目すると、ディジタルフィルタの折返し雑
音を含めない出力特性のカットオフ周波数Ｆc と肩特性
の共振度合いＱc を変えることで、この出力特性と折返
し特性を変化させ、結果としてその総合出力特性も変化
させることができ、それによりこの総合出力特性の減衰
勾配を変化させることができる。

【００１３】図２は総合出力特性の減衰特性の変化を説
明する図であり、図示のように、ディジタルフィルタの
折返し雑音を含めない出力特性のカットオフ周波数Ｆc
と肩特性の共振度合いＱc を変えることで、図中の矢印
で示す方向に総合出力特性の減衰特性（減衰勾配とカッ
トオフ周波数）を変化させることができる。

【００１４】また本発明を例えば電子楽器の楽音信号処
理用に適用する場合、入力される減衰勾配の度合いＫ
_env を楽音信号のエンベロープ変化に従って時変させる
と、倍音の次数が高いほど減衰が速く倍音の次数が低い
ほど減衰が遅くなるといった自然楽器で発生される自然
音の音色の変化をシミュレートすることが可能になる。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図４には本発明のフィルタ装置を電子楽器の楽音
信号処理用に用いた場合の実施例が示される。図中、１
はディジタルフィルタで構成された２次ステートバリア
ブルフィルタであり、折返し雑音特性を含まない出力特
性としてカットオフ周波数Ｆc と肩特性の共振度合いＱ
c とを可変設定できる。カットオフ周波数Ｆcはここで
は３ｄＢダウンする点の周波数をとってある。共振度合
いＱc は主にレゾナンスに関係するパラメータであり、
いわゆるアナログ共振回路でのＱ（quality factor) と
は逆数関係になる。

【００１６】図５はこの２次ステートバリアブルフィル
タ１の構成例を示す図であり、係数乗算器１０〜１３、
１サンプル遅延器１４、１５、加算器１６〜１９等を含
み構成される。このフィルタ１は係数乗算器１０、１１
にフィルタ係数Ｃ_FCを設定することでカットオフ周波数
Ｆc を、係数乗算器１２にフィルタ係数Ｃ_QCを設定する
ことで肩特性の共振度合いＱc を可変制御できる。

【００１７】２はフィルタ係数設定部であり、このフィ
ルタ係数設定部２は、受信したカットオフ周波数Ｆc と
共振度合いＱc に対応したフィルタ係数Ｃ_FC、Ｃ_QCをフ
ィルタ１に設定する機能を持つ。

【００１８】３はフィルタ係数設定部２にカットオフ周
波数Ｆc と共振度合いＱc を供給するパラメータ変換部
である。このパラメータ変換部３は、入力されたカット
オフ周波数ｆc と減衰勾配の度合いＫ_env を、後述のパ
ラメータ変換演算に従ってカットオフ周波数Ｆc と共振
度合いＱc に変換する。

【００１９】４は時変パラメータ発生部であり、鍵盤等
からのキーオン信号をトリガに、その楽音のエンベロー
プｅｎｖを時間とともに変化させつつ発生し、そのエン
ベロープｅｎｖの変化に対応して減衰勾配の度合いＫ
_env を変化させてパラメータ変換部３に供給する。

【００２０】ここで、ｆc は折返し雑音特性を含めたフ
ィルタ１の総合出力特性（実現目標とするフィルタ出力
特性）のカットオフ周波数である。Ｋ_env は総合出力特
性の減衰勾配の度合いを決めるパラメータであって、０
〜１．０の範囲で時変する。この減衰勾配の度合いＫ
_env は０の近いほど勾配が大きく、１．０に近いほど勾
配が小さくなり、１．０ではフラットになるよう値が定
められている。

【００２１】前述のパラメータ変換演算式を次に示す。
但し、各パラメータの意味は以下の通りである。 ｆs ：サンプリング周波数（ｆs は具体的には４４．１
ｋＨz 程度に選ばれるが、ここではｆs を２．０の値に
対応させて単位系としている。従って例えばｆs ／２は
１．０となる） Ｆc ：折返し雑音特性を含めない出力特性のカットオフ
周波数（但しｆs ＝２．０とする単位系で表示） ｆc ：総合出力特性のカットオフ周波数（但しｆs ＝
２．０とする単位系で表示） Ｑc ：折返し雑音特性を含めない出力特性の共振度合い
（Ｑc ＝０〜２．０） Ｋ_env ：総合出力特性の減衰勾配の度合い（０〜１．
０） Ｆc (log) ：カットオフ周波数Ｆc の対数領域での値 ｆc (log) ：カットオフ周波数ｆc の対数領域での値

【００２２】〔パラメータ変換演算式〕 Ｆc(log)＝ｆc(log)＋〔log(ｆs ／４) −ｆc (log) 〕×Ｋ_env （１） この（１）式で求めたＦc (log) を対数線形（ログ・リ
ニア）変換してカットオフ周波数Ｆc を求める。 Ｑc ＝１_. ０＋Ｋ_env （２） 但し、Ｑc ＋Ｆc ≧２_. ０ならば、Ｑc ＝２_. ０−Ｆc （３）

【００２３】（１）式では、減衰勾配の度合いＫ_env を
０〜１．０間で変化させることにより、カットオフ周波
数ｆc を上限ｆs ／４まで変化させることができる。こ
の（１）式によれば、減衰勾配を定めるＫ_env が減衰勾
配が緩やかになる方向に変化するとき、カットオフ周波
数Ｆc が高い方向に変化するように演算処理される。ま
た（３）式は安定領域で処理を行うための条件式であ
り、共振度合いＱc が基準の値の時の肩特性より急激な
肩特性にならないように補正するものであり、この
（３）式によりＱc は１より小さい値になるよう補正さ
れる。

【００２４】このパラメータ変換演算はＤＳＰ（ディジ
タル信号プロセッサ）によりリアルタイムに演算処理し
て求めてもよいが、カットオフ周波数ｆc と減衰勾配の
度合いＫ_env により予め算出されたカットオフ周波数Ｆ
c と共振度合いＱc をＲＯＭ等のメモリに変換テーブル
の形で記憶させておいて、入力されたカットオフ周波数
ｆc と度合いＫ_env に対してこの変換テーブルからカッ
トオフ周波数Ｆc と共振度合いＱc を読み出す構成とし
てもよい。

【００２５】図８〜図１０は折返し雑音特性を含めない
出力特性におけるカットオフ周波数Ｆc と共振度合いＱ
c の変化の様子を示す図である。各図中、横軸が周波
数、縦軸がレベルを表し、カットオフ周波数Ｆc はサン
プリング周波数ｆs を２．０とする単位系で表示されて
いる。図８は共振度合いＱc ＝１．０に固定してカット
オフ周波数Ｆc を変化させた場合の特性図、図９はカッ
トオフ周波数Ｆc を０．５に固定して共振度合いＱc を
変化させた場合の特性図、図１０はカットオフ周波数Ｆ
c を１．０に固定して共振度合いＱc を変化させた場合
の特性図である。これらの図から明らかなように、カッ
トオフ周波数Ｆc と共振度合いＱc を変化させることに
より出力特性（折返し雑音特性を含めない）が変化し、
従ってその出力特性を折り返した折返し雑音特性も変化
するので、この出力特性と折返し雑音特性を合成した総
合出力特性が変化することが分かり、この総合出力特性
ではカットオフ周波数Ｆc が高域になるにつれて、折返
しによる周波数特性の影響で減衰勾配が緩やかになる。

【００２６】図６および図７はフィルタ１から出力され
る折返し雑音特性を含めた総合出力特性を示す図であ
る。図６は総合出力特性のカットオフ周波数ｆc をおお
よそｆs ／３２に設定し、減衰勾配の度合いＫ_env を０
〜１．０で種々に変化させた場合の特性であり、図７は
総合出力特性のカットオフ周波数ｆc をおおよそｆs ／
１６に設定し、減衰勾配の度合いＫ_env を０〜１．０で
種々に変化させた場合の特性である。カットオフ周波数
Ｆc ＝ｆs ／４、Ｑc ＝１のときに総合出力特性はフラ
ットになる。これらの特性を得るには前述のパラメータ
変換式（１）〜（３）に従ってカットオフ周波数ｆc 、
減衰勾配の度合いＫ_env をそれぞれカットオフ周波数Ｆ
c 、共振度合いＱc に変換してそれに対応したフィルタ
係数Ｃ_FC、Ｃ_QCをフィルタ１に設定すればよい。

【００２７】なお、以上の説明では、パラメータ変換部
３で既にＦc 、Ｑc はフィルタ係数で演算しているた
め、フィルタ係数設定部２によって設定されるフィルタ
係数Ｃ _FCとＣ_QCは、そのフィルタ係数設定部２に入力さ
れるカットオフ周波数Ｆc と共振度合いＱc と等しい値
になっている。

【００２８】２次ステートバリアブルフィルタ１の減衰
域では、１２ｄＢ／ｏｃｔの特性が得られるが、ピアノ
の音等でベロシティに追従したフィルタの開閉をするよ
うな場合、高次倍音の減衰が大き過ぎて「閉まり過ぎ」
の状態になる。本実施例のフィルタ装置は時変するエン
ベロープｅｎｖパラメータを減衰勾配に反映するよう共
振度合いＱc を補正演算することにより、減衰勾配をコ
ントロールし、倍音の次数が高いほど速く減衰し、倍音
の次数が低いほど減衰が遅くなるような自然音の音色変
化に近い特性をシミュレートしている。通常の倍音のバ
ランスを変化させるという目的では、−１２ｄＢぐらい
までが実用範囲でそれ以上の減衰は「ほとんど聞こえな
い」音になるので、−１２ｄＢ〜０ｄＢ間の特性を重視
するようにする。

【００２９】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、減衰勾配を任意に可変制御できるフィルタ装置を小
規模な構成で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明する図である。

【図２】本発明の原理を説明する図である。

【図３】折返し雑音特性を説明する図である。

【図４】本発明を電子楽器の楽音信号処理用に適用した
場合の実施例のブロック構成図である。

【図５】実施例における２次ステートバリアブルフィル
タの構成例を示す図である。

【図６】実施例装置の総合出力特性の一例を示す図であ
る。

【図７】実施例装置のフィルタ総合出力特性の他の例を
示す図である。

【図８】折返し雑音を含めないフィルタ出力特性の一例
を示す図である。

【図９】折返し雑音を含めないフィルタ出力特性の他の
例を示す図である。

【図１０】折返し雑音を含めないフィルタ出力特性のま
た他の例を示す図である。

【図１１】従来のフィルタの出力特性を説明する図であ
る。

【符号の説明】

１ ディジタルフィルタ（２次ステートバリアブルフィ
ルタ） ２ フィルタ係数設定部 ３ パラメータ変換部 ４ 時変パラメータ発生部（エンベロープ発生部） １０〜１３ フィルタ係数乗算部 １４、１５ １サンプル遅延器 １６〜１９ 加算器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】折返し雑音特性を含めない出力特性のカッ
   トオフ周波数（Ｆc）とその肩特性の共振度合い（Ｑc
   ）とを可変設定できるディジタルフィルタを備え、こ
   のディジタルフィルタの上記出力特性に該折返し雑音特
   性を含めた総合出力特性が、該折返し雑音特性の度合い
   を変えることにより実現目標とする出力特性の減衰勾配
   の度合い（Ｋ_env ）と目標カットオフ周波数（ｆc ）を
   持つように、該ディジタルフィルタの出力特性のカット
   オフ周波数と共振度合いを可変調整することで、減衰特
   性を可変制御するフィルタ減衰特性制御方法。
2. 【請求項２】折返し雑音特性を含めない出力特性のカッ
   トオフ周波数（Ｆc）とその肩特性の共振度合い（Ｑc
   ）とを可変設定できるディジタルフィルタと、 実現目標とする出力特性の減衰勾配の度合い（Ｋ_env ）
   と目標カットオフ周波数（ｆc ）とを入力する入力手段
   と、 該入力手段で入力された減衰勾配の度合いと目標カット
   オフ周波数とを該ディジタルフィルタの出力特性に折返
   し雑音特性を含める演算式に従って該ディジタルフィル
   タのカットオフ周波数と共振度合いとに変換する変換手
   段と、 該変換手段で変換されたカットオフ周波数と共振度合い
   に応じたフィルタ係数を該ディジタルフィルタに設定す
   る設定手段とを備えたフィルタ装置。
3. 【請求項３】上記変換手段は、ディジタルフィルタの出
   力特性のカットオフ周波数をＦc 、その肩特性の共振度
   合いをＱc 、実現目標とする出力特性の減衰勾配の度合
   いをＫ_env 、その目標カットオフ周波数をｆc 、ディジ
   タルフィルタのサンプリング周波数をｆs とするとき、 Ｆc (log) ＝ｆc (log) ＋〔log(ｆs ／４) −ｆc (lo
   g) 〕×Ｋ_env （但し、Ｆc (log) とｆc (log) は対数スケールである
   ことを表す）で求めたＦc (log) を対数線形変換してカ
   ットオフ周波数Ｆc を求め、 Ｑc ＝α＋Ｋ_env 但し、αは定数で共振指定値Ｑc を求めることで変換を
   行うように構成された請求項２記載のフィルタ装置。
4. 【請求項４】上記入力手段で入力される減衰勾配の度合
   いを時間経過とともに変化させる手段をさらに備えた請
   求項２または３記載のフィルタ装置。