JP2002182700A - 動力学で制限されたオーディオシステムのための動力学低減 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 動力学で制限されたオーディオシステムのた
めの動力学低減を提供すること。 【解決手段】 オーディオ端末においてオーディオ信号
の動的応答を制限する方法であって、入力信号ｘが、端
末からの出力信号ｙについて定義された最大限界値ｙ
_ｍａｘを超えないように処理され、事前決定可能な一定
の増幅値ｖが設定され、ｖ≦１では、公称レベルをもつ
入力信号ｘが、最大振幅≦ｙ_ｍａｘで歪みなしに出力信
号ｙとして再生され、かつｖ＝ｃｏｎｓｔ＞１では、信
号の歪みが発生する方法に関する。第１のステップで
は、入力信号ｘが、その動的応答において中間値ｙ_１＜
ｘに圧縮され、次の第２のステップでは、一定の増幅値
ｖで増幅された出力信号ｙ＝ｖ＊ｙ_１が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は、参照により本明細書に組み込ま
れる優先権出願ＤＥ１００５０ １５０．８に基づくも
のである。

【０００２】

【発明の属する技術分野】本発明は、音響有効信号（ａ
ｃｏｕｓｔｉｃ ｕｓｅｆｕｌ ｓｉｇｎａｌ）の伝送
のために、オーディオ端末、特に通信（＝ＴＣ）端末に
おいて、オーディオ信号、特に人の音声信号の動的応答
（ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ）を制限または低
減する方法であって、入力信号ｘが、端末からの出力信
号ｙについて定義された最大限界値ｙ_ｍａｘを超えない
ように処理され、事前決定可能な一定の増幅値ｖが設定
され、ｖ≦１では、公称レベルをもつ入力信号ｘが、最
大振幅≦ｙ_ｍａｘで歪みなしに出力信号ｙとして再生さ
れ、かつｖ＝ｃｏｎｓｔ＞１では、信号の歪みが発生す
る方法に関する。

【０００３】

【従来の技術】この種の方法は、たとえば、いわゆるハ
ードクリッパ（ｈａｒｄ ｃｌｉｐｐｅｒ）原理を通じ
て理解される。

【０００４】オーディオ信号は、図１ｂに示すようなハ
ードクリッパ原理に従って、固定値にハード制限され
る。アナログ技術では、一般に、制限は、利用可能な電
源電圧を制限することで生まれるか、又は、リミッタ回
路を用いて固定値に設定される。デジタル信号処理で
は、数字のオーバフローを回避するために、デジタルサ
ンプル値を最大の表現可能値に制限しなければならな
い。ハード制限によって可聴歪みが発生し、音声品質お
よび了解度（ｉｎｔｅｌｌｉｇｉｂｉｌｉｔｙ）が悪化
する。

【０００５】音声信号を磁気テープに記録する場合に
は、動的範囲（ｄｙｎａｍｉｃ ｓｃｏｐｅ）がテープ
素材の物理的性質によって制限される。周知のドルビー
（ＤＯＬＢＹ）方法では、磁気テープへの記録の前に固
定圧縮度にしたがって動的な圧縮が行われる。磁気テー
プからの読取り後、記録内容が動的伸長器を用いて元の
動的レンジに復元される。圧縮度と伸長度は互いに補償
し合う。しかし、これが以下の不都合をもたらす。固定
された圧縮により動的レンジ全体の音の大きさが変化
し、「ブリージング（ｂｒｅａｔｈｉｎｇ）」を引き起
こす。しかしながら、目的としては、レンジ全体をでき
るだけ本来の状態に忠実に伝送すべきである。しかし、
ドルビー方法では、利用可能な動的レンジに自動的に適
合させることはできない。

【０００６】Ａ法則またはμ法則の圧縮特性によるデジ
タルオーディオ信号に対する動的低減方法は、ＩＴＵＴ
−Ｔ Ｇ７２１標準に従って理解される。それらの方法
は、６４ｋｂｉｔ／ｓへのデータ低減に備えている。こ
こで、動的レンジは、伝送に先がけて、３６ｄＢに対応
する６ビットだけ圧縮され、伝送後にはまた、同じ特性
で解凍される。

【０００７】特性曲線の非線形関数に対応する個々のサ
ンプル値それぞれの歪みが発生するので、これらの方法
には短所があり、出力信号ｙにおいて、強い可聴歪みを
引き起こす。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】反対に、本発明の目的
は、出力信号ｙにおける歪みを、最小限に抑えることが
可能な場合には、または高増幅ｖに対してさえも完全に
排除できる場合には、相当程度を低減するように、導入
部で説明したタイプの方法を最も簡単な可能な手段によ
ってなおいっそう発展させることである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この目的は、本発明によ
れば、第１のステップ（ａ）では入力信号ｘが、その動
的レンジにおいて中間値ｙ_１＜ｘに圧縮されるので、次
の第２のステップ（ｂ）では、一定の増幅値ｖで増幅さ
れた出力信号ｙ＝ｖ＊ｙ_１が形成されるので、驚くほど
簡単で、同時に効果的な方式により実現される。

【００１０】増幅値ｖは、音の大きさ調整に対して使
え、ｖ＞１が公称レベルをもつ信号の歪みを引き起こす
場合に、ｖ＝１が信号の最大限の変調（ｆｕｌｌ ｍｏ
ｄｕｌａｔｉｏｎ）に対応するように定義される。

【００１１】音声信号には、話者個々のストレスによっ
て引き起こされるレベル変動がある。すべての音節（ｐ
ａｓｓａｇｅ）に対して最大で、歪みのない増幅を達成
するために、これらの静かな音節および大きな音節は、
この場合別の仕方で処理されなければならない。

【００１２】しかし、音声信号の信号形式は、できるだ
け忠実に伝送されるべきである。信号形式は、会話内容
（母音、子音など）に依存する。

【００１３】本発明によれば、ｙ_１について、すぐ後の
増幅ｖにおいて歪みのない信号を供給する、入力信号ｘ
からの中間値が、計算される。この目的のために、入力
信号ｘの動的応答は、当該シナリオに応じた値へ圧縮さ
れなければならない。必要な圧縮度、または信号の圧縮
に必要な閾値は、ｘの信号内容および設定された増幅ｖ
に依存する。圧縮のタイプは、個々に定義できる。

【００１４】本発明による方法の好ましい変形形態は、
ｆ（ｃｆ）を、入力信号ｘおよび一定の増幅値ｖに応じ
て計算される動的増幅係数（ｄｙｎａｍｉｃ ａｍｐｌ
ｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ）ｃｆの関数である
として、中間値ｙ_１をｙ_１＝ｘ＊ｆ（ｃｆ）から形成す
る変形形態である。

【００１５】中間値の構成については、すぐ後の、ｃｆ
による乗算での過大な変調に起因する歪みを避けるため
に、入力信号ｘが増幅ｖに応じて、ある値まで減少され
る。

【００１６】この方法の変形形態のさらなる発展形態に
よれば、短時間平均値ｓａｍ（ｘ）を入力信号ｘから形
成し、ｖ≦１では、動的増幅係数ｃｆを ｃｆ＝１／ｖ、 として計算し、ｖ＞１では、動的増幅係数ｃｆを ｃｆ＝１／（ｖ^２＊ｓａｍ（ｘ））、 として計算し、中間値ｙ_１＝ｘ＊ｆ（ｃｆ）を各場合に
おいてそこから形成することを実現する。

【００１７】現在の増幅係数ｃｆを計算するのに短時間
平均値ｓａｍ（ｘ）を使用することで、事実上歪みのな
いレベル制御が容易になる。

【００１８】個々のサンプル値は、固定的に考慮され、
ほとんど同じ程度の増幅で処理される。これによって、
可聴信号形式の歪みが回避され、同時に、システムは非
常にめまぐるしくレベル変動に適応する。

【００１９】システムは、個々のセクションについて安
定しているように見えるが、なお依然として、めまぐる
しいシステム変動が実際上聞こえずに修正されているこ
ともある。この理由は、耳に適応するｓａｍの平均化
（ｓａｍ−ａｖｅｒａｇｉｎｇ）の使用である。

【００２０】二段抽出された補助値をもつシステムで
は、他の条件付動作がないため、このアプローチがより
簡略になる。

【００２１】この変形形態の簡略化により、出力信号ｙ
を、ｖ＜１のときに、入力信号ｘおよび増幅値ｖから直
接計算し、 ｙ＝ｖ＊ｘ となり、そうでない場合、 ｃｆ＝１／（ｖ^２＊ｓａｍ（ｘ）） となり、そこから出力信号ｙ＝ｘ＊ｆ（ｃｆ）をそれぞ
れの場合に形成することを実現する。

【００２２】過大変調の危険がない場合、出力信号を、
直接ｘおよびｖから計算できる。この手順の利点は、増
幅値ｖ＜１の場合に信号の影響が発生しないことであ
る。

【００２３】上で説明した方法の変形形態の他のさらな
る発展形態では、短時間平均値ｓａｍ（ｘ）を入力信号
ｘから形成し、ａｂｓ（ｘ）≧１／ｖでは、動的増幅係
数ｃｆを ｃｆ＝１／ｖ として計算し、ａｂｓ（ｘ）＜１／ｖでは、動的増幅係
数を｜ｎ｜∈Ｎ≠０の場合、 ｃｆ＝１／（ｖ^２＊ｓａｍ（ｘ）^ｎ） として計算し、そこから出力信号ｙ_１＝ｘ＊ｆ（ｃｆ）
をそれぞれの場合に形成することを実現する。このよう
に、比較的広い制限内で本発明による方法により、補償
の程度を自由に定義することができる。

【００２４】このさらなる発展形態の特に簡単な実施態
様では、指数ｎ＝１が選択される。

【００２５】本発明による方法の他の特に好ましい実施
形態では、関数ｆ（ｃｆ）は、それが動的増幅係数ｃｆ
のフィルタリング、特に平滑化を生じるように選択され
る。

【００２６】この実施形態の特に効果的で容易に扱える
さらなる発展形態では、関数ｆ（ｃｆ）は、ｃｆに対す
る一次の再帰的フィルタである。

【００２７】平滑化は、過大な変調が行われない場合す
べてにおいて効果的であり、また歪み要因を減少させ
る。

【００２８】特に、このさらなる発展形態では、入力信
号ｘを、各場合に、等間隔の時間ステップＴで、サンプ
リング周波数ｆ_Ａ＝１／Ｔで、時間ｋにおいてサンプリ
ングし、 時間定数τ_ｋ＜ｔ_ｍａｘでは、ａｓ＝１−ｂｓ＝１−ｅ
^−Ｔ／τ _ｋ 時間定数τ_１＞ｔ_ｍｉｎでは、ａｌ＝１−ｂｌ＝１−ｅ
^−Ｔ／τ _ｌとして

【００２９】

【数３】 に従って、関数ｆ（ｃｆ）を平滑化された増幅値ｃｇ
（ｋ）として計算するように、さらに改善ができる。

【００３０】大きな動的ジャンプの場合には、この状態
依存のフィルタリングが結果的に過大変調の素早い抑制
を行うことになり、一方、通常状態につては、平滑化フ
ィルタの時間機能が耳に適合され、歪みのない再生を実
現する。

【００３１】また、それは平滑化された動的増幅値ｃｇ
を計算する方法の副関数が計算容量を節約するためにｆ
_Ａより低いサンプリング周波数を使用して計算される場
合にも有利である。

【００３２】音響的に十分な時間応答を達成するため
に、対応する時間制限値がｔ_ｍａｘ≦１ｍｓおよびｔ
_ｍｉｎ≧６０ｍｓ、好ましくはｔ_ｍｉｎ≧６５ｍｓとし
て有利に選択される。

【００３３】代替のさらなる発展形態では、関数ｆ（ｃ
ｆ）は、ｃｆに関して以下を含む。 積分ｆ（ｃｆ）＝∫ｃｆ＊ｄｔ または、ｃｆにわたって、

【数４】

【００３４】特に好ましい方法の変形形態は、短時間平
均値ｓａｍ（ｘ）が心理音響法則に従って人の耳の聴覚
に適合するものである。

【００３５】他の方法の変形形態では、入力信号ｘを、
各場合に、等間隔の時間ステップＴで、サンプリング周
波数ｆ_Ａ＝１／Ｔで、時間ｋにおいてサンプリングし、
短時間平均値ｓａｍ（ｘ（ｋ））を以下の式に従って計
算することが有利である。

【数５】

【００３６】ただし、時間定数τ_ｋ＜ｔ_ｍａｘでは、ａ
ｓ＝１―βｓ＝１−ｅ^−Ｔ／τ _ｋ 時間定数τ_１＞ｔ_ｍｉｎでは、ａｌ＝１−βｌ＝１−ｅ
^−Ｔ／τ _ｌ 時間制限値はやはりｔ_ｍａｘ≦１ｍｓおよびｔ_ｍｉｎ≧
６０ｍｓ、好ましくはｔ_ｍｉｎ≧６５ｍｓとして選択さ
れることが好ましい。

【００３７】また、本発明の範囲には、上で説明の、本
発明による方法をサポート／実行するためのサーバユニ
ット、プロセッサモジュール、およびゲートアレイモジ
ュール、ならびに当該方法の実行のためのコンピュータ
プログラムが含まれる。その方法は、ハードウェア回路
としても、またはコンピュータプログラムの形でも実現
できる。現在、高出力ＤＳＰのためにのソフトウェアプ
ログラミングは、新しい道具として好まれ、既存のハー
ドウェアベース上のソフトウェアを変更することで、追
加機能がより簡単に実現できる。しかし、方法は、たと
えば、ＴＣ端末または電話システム内でハードウェアモ
ジュールとしても実現できる。

【００３８】本発明のさらなる利点は、説明および図面
から明らかにされよう。また、上で参照される特徴およ
び以下で参照される特徴は、本発明によれば、個別に、
またはあらゆる組合せで一緒に使用できる。図に示し説
明される実施形態は、最終仕様としては理解されるべき
でなく、むしろ本発明を説明する例示的なものとして役
に立つ。

【００３９】本発明は、図面内に示され、説明的な実施
形態の形で詳細が説明される。

【００４０】

【発明の実施の形態】本発明による方法の目的は、伝送
動力学の制限が存在するすべての適用例において、オー
ディオ信号、特に人の音声信号の動的応答を制限または
低減することである。

【００４１】したがって、小さなラウドスピーカによ
る、または限られた電源電圧をもつ端末（バッテリー稼
動装置）内での音声信号の歪みのない再生は、限られた
変調レンジでのみ可能である。しかし、たとえば、雑音
で満ちた環境にあって、それでもなお小さな音節が聴こ
えるためには、システムが発することができるよりも大
きな音の大きさレベルが必要なことがたびたびある。し
かし、これは動的レンジを低減することによってのみ可
能である。

【００４２】図１ａに本発明の原理を示す。ここで出力
信号ｙ（ｋ）は、式（１）に従って、以下のように計算
される。 ｙ（ｋ）＝ｖ＊ｙ_１（ｋ） （１） ｙ_１（ｋ）は、動力学的に低減した入力信号で、式
（２）に従って以下のように計算される。

【数６】

【００４３】また、式（２）における条件付き決定は、
より早く行える。したがって、決定が式（１ｂ）と同様
に行われ、それによってｙ_１（ｋ）が以下のように単純
化され、可能な限り最良の信号対雑音比が実現できる。

【数７】 ｙ_１（ｋ）＝ｘ（ｋ）＊ｆ（ｃｆ） （２ｂ）

【００４４】ｙ_１（ｋ）につき、要求される増幅で歪み
なしに増幅できる、動的に制御された信号が計算され
る。動力学的な圧縮は、式（３）に従って、以下のよう
に計算できる平均化した圧縮比ｃｆ（ｍ）で達成され
る。

【数８】

【００４５】インデックスｍは、この値が二段抽出でき
ることを示す。ｃｆ（ｍ）の平均化は、以下の式（４）
に示すように達成できる。

【数９】

【００４６】２つの時間定数が使用される。係数ａｓお
よびｂｓは、短時間定数を表し、ａｌおよびｂｌは、長
時間定数を表す。

【００４７】図２ａに、ｖ＝１およびｖ＝１０のときの
本発明の運用のモードを示す。およそ−３５ｄＢからの
曲がりがはっきりと示され、そこから信号圧縮が入力レ
ベルの増加に伴って大きくなる。

【００４８】図３ａに、時間信号における本発明の運用
のモードを示す。音声信号の静かな音節をいまなおはっ
きりと増幅できるが、一方でラウド信号の歪みが圧縮に
よって防がれている。

【００４９】図１ｂに、上で説明のハードクリッパ原理
を示す。

【００５０】図２ｂに、ｖ＝１およびｖ＝１０のときの
ハードクリッパの効果を示す。ここで、−２０ｄＢにお
いて強い歪みがすでに発生している。

【００５１】最後に、図３ｂに、時間信号の場合におけ
るハードクリッパの効果を示す。

【図面の簡単な説明】

【図１ａ】本発明による方法を実行する装置の動作モー
ドの高度に概略化した基本図である。

【図１ｂ】従来技術についての対応する基本図である。

【図２ａ】本発明による方法における、異なる増幅値に
対する入力信号ｘの関数として出力信号レベルｙを示す
図である。

【図２ｂ】図２ａに対応するが、従来技術による図であ
る。

【図３ａ】本発明による方法を用いた処理後の、強く変
調された音声信号の変調応答を示す図である。

【図３ｂ】従来技術による方法を用いた処理後の、同じ
音声信号の変調応答を示す図である。

【符号の説明】

ｃｆ 動的増幅係数 ｃｇ（ｋ） 増幅値 ｆ_Ａ サンプリング周波数 ｋ 時間 ｓａｍ（ｘ） 短時間平均値 Ｔ 時間ステップ ｖ 増幅値 ｘ 入力信号 ｙ、ｙ１ 出力信号 ｙ_ｍａｘ 最大限界値 τ_ｋ 時間定数

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 音響有効信号の伝送のために、オーディ
   オ端末、特に通信（＝ＴＣ）端末において、オーディオ
   信号、特に人の音声信号の動的応答を制限または低減す
   る方法であって、入力信号ｘが、端末からの出力信号ｙ
   について定義された最大限界値ｙ_ｍａｘを超えないよう
   に処理され、事前決定可能な一定の増幅値ｖが設定さ
   れ、ｖ≦１では、公称レベルをもつ入力信号ｘが、最大
   振幅≦ｙ _ｍａｘで歪みなしに出力信号ｙとして再生さ
   れ、かつｖ＝ｃｏｎｓｔ＞１では、信号の歪みが発生
   し、第１のステップでは、入力信号ｘが、その動的応答
   において中間値ｙ_１＜ｘに圧縮され、次の第２のステッ
   プでは、一定の増幅値ｖで増幅された出力信号ｙ＝ｖ＊
   ｙ_１が形成される方法。
2. 【請求項２】 ｆ（ｃｆ）を、入力信号ｘおよび一定の
   増幅値ｖに応じて計算される動的増幅係数ｃｆの関数と
   して、中間値ｙ_１をｙ_１＝ｘ＊ｖ^−１＊ｆ（ｃｆ）から
   形成する、請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 短時間平均値ｓａｍ（ｘ）を入力信号ｘ
   から形成し、 ｖ≦１では、動的増幅係数ｃｆをｃｆ＝１／ｖとして計
   算し、 ｖ＞１では、動的増幅係数ｃｆをｃｆ＝１／（ｖ^２＊ｓ
   ａｍ（ｘ））として計算し、出力信号ｙ＝ｘ＊ｆ（ｃ
   ｆ）をそこから形成する、請求項２に記載の方法。
4. 【請求項４】 短時間平均値ｓａｍ（ｘ）を入力信号ｘ
   から形成し、 ｖ＞１では、動的増幅係数ｃｆを ｃｆ＝１／（ｖ^２＊ｓａｍ（ｘ）） として計算し、 出力信号ｙ＝ｘ＊ｆ（ｃｆ）をそこから形成し、 ｖ≦１では、ｙ＝ｖ＊ｘから出力信号ｙを直接決定す
   る、請求項２に記載の方法。
5. 【請求項５】 短時間平均値ｓａｍ（ｘ）を入力信号ｘ
   から形成し、 ｓａｍ（ｘ）≧１／ｖでは、動的増幅係数ｃｆを ｃｆ＝１／ｖ として計算し、ｓａｍ（ｘ）＜１／ｖでは、動的増幅係
   数ｃｆを ｜ｎ｜∈Ｎ≠０の場合に ｃｆ＝１／（ｖ^２＊ｓａｍ（ｘ）^ｎ） として計算し、そこから出力信号ｙ＝ｘ＊ｆ（ｃｆ）を
   形成する、請求項２に記載の方法。
6. 【請求項６】 入力信号ｘを、等間隔の時間ステップＴ
   で、サンプリング周波数ｆ_Ａ＝１／Ｔで、時間ｋにおい
   てサンプリングし、 時間定数τ_ｋ＜ｔ_ｍａｘでは、ａｋ＝１−ｂｋ＝１−ｅ
   ^−Ｔ／τ _ｋ、 時間定数τ_１＞ｔ_ｍｉｎでは、ａｌ＝１−ｂｌ＝１−ｅ
   ^−Ｔ／τ _ｌとして 【数１】 に従って、関数ｆ（ｃｆ）を平滑化された増幅値ｃｇ
   （ｋ）として計算する、請求項３に記載の方法。
7. 【請求項７】 入力信号ｘを、等間隔の時間ステップＴ
   で、サンプリング周波数ｆ_Ａ＝１／Ｔで、時間ｋにおい
   てサンプリングし、また短時間平均値ｓａｍ（ｘ
   （ｋ））を時間定数τ_ｋ＜ｔ_ｍａｘでは、αｋ＝１−β
   ｋ＝１−ｅ^−Ｔ／τ _ｋ、 時間定数τ_１＞ｍｉｎでは、αｌ＝１−βｌ＝１−ｅ
   ^−Ｔ／τ _ｌとして 【数２】 に従って計算する、請求項３に記載の方法。
8. 【請求項８】 請求項１に記載の前記方法を実行するた
   めのサーバユニット。
9. 【請求項９】 請求項１に記載の前記方法を実行するた
   めの、プロセッサユニット、特にデジタル信号プロセッ
   サ。
10. 【請求項１０】 請求項１に記載の前記方法を実行する
    ためのプログラム可能なゲートアレイユニット。