JP2005236838A - デジタル信号処理アンプ - Google Patents

Abstract

【課題】アナログ入力信号のデジタルクリップを抑制することのできるデジタル信号処理アンプを提供することを目的とする。
【解決手段】オーバーフロー検出機能を持ったＡ／Ｄ変換器１２と外部機器と通信するための制御部１６を有し、入力信号のオーバーフローを検出し、アナログ入力信号のソースとなるヘッドユニット１７の出力レベルを制御することで、実質的にデジタルクリップを発生しないように構成したデジタル信号処理アンプを実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は車載オーディオによく用いられるソース機器としてのヘッドユニットと独立したパワーアンプであり、その内部にＡ／Ｄ変換器をもつデジタル信号処理アンプに関するものである。

車載オーディオにおいて、高出力・高品質化を図ろうとするとパワーアンプが大型化してしまう。このためにヘッドユニットから独立したパワーアンプがよく用いられる。

このパワーアンプへの入力はデジタル信号の場合とアナログ信号の場合が考えられるが、ヘッドユニットがＣＤなどのデジタル音源以外にもラジオなどのアナログ音源を含むためヘッドユニットからはアナログ信号が出力されることも多い。

また、近年オーディオ信号処理用ＤＳＰが用いられるようになり、Ａ／Ｄ変換器・Ｄ／Ａ変換器を含むものも登場してきた。そしてこれらの低価格化により普及し、車載オーディオにおいても使われるようになり、パワーアンプにおいてもこのオーディオ信号処理用ＤＳＰを用いることでフィルタなどの特性を容易に低価格で実現できるようになった。

しかし、このオーディオ信号処理用ＤＳＰをパワーアンプで用いる場合、オーディオ信号処理用ＤＳＰ前段のＡ／Ｄ変換器にフルスケール以上のアナログ信号が入力されるとデジタルクリップが発生し、非常に耳障りな歪音が発生することがある。そのためアナログ音楽信号レベルをフルスケール以下になるように十分小さくしておく必要がある。このようにアナログ音楽信号のレベルを小さくすることはＳＮを劣化させることとなり、後段のデジタル信号処理での処理ビット数を実質的に少なくし、音質劣化を招くことになる。

そこで、アナログ音楽信号のレベルを極端に小さくする代わりにＡ／Ｄ変換器のオーバーフローを検出し、デジタルクリップしないように補正することで音質劣化を防止することができる。

デジタルクリップは電源電圧に依存するアナログクリップより大きな歪を発生するため、聴感的に大きな問題となる。そのためこのオーバーフローの検出及びデータ補正は高速に行われる必要がある。

従来のデジタル信号処理アンプとしては、図５に示すものがある。

図５は従来のデジタル処理アンプの構成を示す概略図である。図５において、１ａ〜１ｃはアナログ入力信号が接続される複数の異なるゲインのアンプからなる入力バッファアンプ、２は入力バッファアンプ１ａ〜１ｃからのアナログ出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、３ａ〜３ｃは入力バッファアンプ１とＡ／Ｄ変換器２との間に挿入して接続を開閉するスイッチ、４はＡ／Ｄ変換器２からのデジタル出力信号のオーバーフローをモニタしてスイッチ３ａ〜３ｃの開閉を制御するゲイン制御部である。

以下、従来のデジタル処理アンプの動作について説明する。

入力端子からのアナログ入力信号がゲインの異なる入力バッファアンプ１ａ〜１ｃに入力され、信号レベルの異なるアナログ出力信号が入力バッファアンプ１ａ〜１ｃから出力される。例えばゲインの一番小さい入力バッファアンプ１ａとＡ／Ｄ変換器２との間のスイッチ３ａが閉じ、その他のスイッチ３ｂ，３ｃが開いているとする。その結果Ａ／Ｄ変換器２には信号レベルの小さい入力バッファアンプ１ａからのアナログ出力信号が入力され、デジタル信号に変換され、出力端子に出力される。一方このデジタル出力信号はゲイン制御部４にも入力され、信号レベルに余裕がある場合にはスイッチ１ａからスイッチ１ｂまたは１ｃに切り換え、Ａ／Ｄ変換器２のフルスケールの範囲を充分に活用できるようになっている。

つまり、ゲイン制御部４はＡ／Ｄ変換器２の現在の出力値からフルスケールとしてのダイナミックレンジが最適となるように入力バッファアンプ１ａ〜１ｃのいずれかをスイッチ３ａ〜３ｃで選定する。Ａ／Ｄ変換器２への入力が小さくなるとダイナミックレンジが小さくなる。つまりデジタル信号としてのビット数が少なくなり、音楽信号の場合には音質が劣化することになるため、Ａ／Ｄ変換器２への入力はできるだけ大きいほうが望ましい。

一方、Ａ／Ｄ変換器２への入力がフルスケールに達するとデジタル信号として正しく変換することができず、音楽信号としてはデジタルクリップとして知られる大きな歪となるため、このデジタルクリップが発生しないように入力バッファアンプ１のいずれかのアンプをスイッチ３ａ〜３ｃで選定することが必要である。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３が知られている。
特開平７−２７３６５０号公報 特開平７−４４９９９号公報 実開平４−１３２７４９号公報

このデジタル信号処理アンプにおいては、特に音楽信号などの場合、信号レベルに応じてダイナミックにゲインの切り換えを行うことが難しいという問題点を有していた。

本発明は入力部のＡ／Ｄ変換器において、信号がオーバーフローした場合にのみ信号レベルを抑制し、定常動作時のダイナミックレンジを大きく保つことでデジタル信号処理における音質劣化を招くことなくデジタルクリップによる歪を低減することのできるデジタル信号処理アンプを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。

本発明の請求項１に記載の発明は、アナログ入力信号を入力とするデジタル信号処理アンプにおいて過大信号またはオーバーフローを検出と外部機器と通信するための制御部を有する構成としたものであり、入力信号のオーバーフローを検出し、信号ソースとなる外部機器の出力レベルを制御することで実質的にデジタルクリップ等の発生を防止することができる。

本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、オーバーフローの検出をアナログ音楽信号を入力とするウィンドコンパレータを用いて行うようにしたものであり、デジタル信号処理アンプの内部でデジタル信号がオーバーフローするレベルを容易に検出することができる。

本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、デジタル信号処理部がオーバーフローを検出するようにしたものであり、ソフトウェア的に構成することも可能であるためハードウェアの追加なしに実現でき、またオーバーフロー判定の判定方法も自由度を高めることができる。

以上のように本発明は、ダイナミックレンジの縮小による音質劣化をなくし、かつデジタルクリップを実質的に解消することができるとともに車載用として車内通信基盤が整っている場合にはほとんどハードウェアの追加をすることなく実現することができる。

以下、本発明の実施の形態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におけるデジタル信号処理アンプの構成を示すブロック図である。

図１において、１１は音楽信号などのアナログ信号の入力部、外部機器との通信制御を行うための入出力部、スピーカと接続する出力部とを備えたデジタル信号処理アンプ、１２はデジタル信号処理アンプ１１の入力部からの音楽信号などのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、１３はＡ／Ｄ変換器１２からのデジタル信号を符号変換するデジタル信号処理部、１４はデジタル信号処理部１３からのデジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器、１５はＤ／Ａ変換器１４からのアナログ信号をスピーカ１９に供給するスピーカ駆動信号に電力増幅する電力増幅器、１６は過大信号、オーバーフロー等を検出してソフトウェアにより制御信号を生成し通信インターフェースを用いて外部機器を制御する制御部である。

また、１７は音楽信号などのアナログ信号の出力部、デジタル信号処理アンプ１１との通信制御信号を送受信する入出力部を備えた外部機器としてソース機器（ヘッドユニット）、１８は音楽信号を生成し規定されたアナログ信号に変換するプロセッサである。

デジタル信号処理アンプ１１は入力部の一方をＡ／Ｄ変換器１２に、もう一方を制御部１６に接続され、そしてこのＡ／Ｄ変換器１２からデジタル信号処理部１３、もう一方を制御部１６に接続され、このデジタル信号処理部１３からＤ／Ａ変換器１４、もう一方を制御部１６に接続される。そしてこのＤ／Ａ変換器１４から電力増幅器１５に接続され、スピーカ１９と接続するための出力部に接続される。

以下、本発明の実施の形態１におけるデジタル信号処理アンプの動作について説明する。

ソース機器としてのヘッドユニット１７から音楽信号のアナログ信号が入力部を通してＡ／Ｄ変換器１２および制御部１６に入力される。そしてＡ／Ｄ変換器１２は入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換してデジタル信号処理部１３および制御部１６に出力する。そしてこのデジタル信号処理部１３はボリューム、バス、トレブル、バランス等の調整が施されてＤ／Ａ変換器１４および制御部１６に出力される。そしてこのＤ／Ａ変換器１４ではデジタル信号からアナログ信号に変換して電力増幅器１５を通してスピーカ駆動用の信号に変換されて出力部に出力される。

一方、入力部に入力されたアナログ信号が過大信号であった場合、入力部からの直接の過大アナログ信号またはこの過大アナログ信号をＡ／Ｄ変換器１２で変換したデジタル信号またはデジタル信号処理部１３からのデジタル信号のいずれか１つにより制御部１６で過大信号またはオーバーフローを検出して、通信インターフェースを介してソース機器としてのヘッドユニット１７を制御して過大信号のレベルを抑制する。

例えば、デジタル信号処理アンプ１１に入力されたアナログ信号が過大信号であった場合、Ａ／Ｄ変換器１２のフルスケール値を超えてしまうとデジタルクリップが発生する。Ａ／Ｄ変換器１２にオーバーフロー検出機能がついている場合には、オーバーフロー出力を制御部１６で確認することができる。制御部１６は通信インターフェースを介して、ヘッドユニット１７に対してＡ／Ｄ変換器１２でオーバーフローが発生しないレベルまでヘッドユニット１７からの出力レベルを下げるように制御情報を送信する。これによりＡ／Ｄ変換器１２におけるオーバーフローは解消され、デジタルクリップも抑制される。

なお、Ｄ／Ａ変換器１４と電力増幅器１５を、デジタル信号を直接電力増幅できるデジタルアンプに置き換えれば、さらに効率的なシステム構成が可能となる。また、制御情報を出力するのはヘッドユニット１７ではなく、スイッチモジュールなどの別の機器（図示せず）であることもあるが、これらの機器はすべて共通の車内通信基盤に接続されており情報伝達が可能となっている。

以上の構成により、ダイナミックレンジの縮小による音質劣化をなくし、かつデジタルクリップを実質的に解消することができ、しかもデジタル信号処理アンプ１１においてハードウェアを追加することなくシステムとして効率的に実現することができるという効果が得られる。

車内通信基盤として、通信速度が１Ｍｂｐｓ程度のものが実用化されており、可聴周波数の上限である２０ｋＨｚの信号を考えても、１周期５０μｓ内に５０ｂｉｔの制御情報を通信することが可能となるため、瞬間的にデジタルクリップが発生したとしても十分短い時間内に制御することが可能となり、音楽として聴感的に劣化のない再生状態が実現できる。

（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２におけるデジタル信号処理アンプの構成を示すブロック図である。

図２において、基本的な構成及び音楽再生の原理は実施の形態１と同様であり説明は省略し、異なる点について説明する。

２１はウィンドコンパレータであり、アナログ音楽信号の入力と上限電圧ＶＨ、下限電圧ＶＬを入力し、出力は制御部１６に接続されている。この上限電圧ＶＨと下限電圧ＶＬはＡ／Ｄ変換器１２の入力ダイナミックレンジを超えないように設定される。

以下、これらの動作を説明する。

ウィンドコンパレータ２１の出力は音楽信号などのアナログ信号が上限電圧ＶＨ以上、もしくは下限電圧ＶＬ以下になったときにアクティブとなる。これによりＡ／Ｄ変換器１２がオーバーフローしていると考えられる。その結果制御部１６は通信インターフェースを介して、ヘッドユニット１７に対してＡ／Ｄ変換器１２でオーバーフローが発生しないレベルまでヘッドユニット１７からの出力レベルを下げるように制御情報を送信する。これによりＡ／Ｄ変換器１２におけるオーバーフローは解消され、デジタルクリップも抑制される。

以上の構成により、オーバーフロー検出機能のないＡ／Ｄ変換器１２を用いた場合にでも容易にオーバーフローを提供できるという効果が得られる。

（実施の形態３）
実施の形態３において、その構成及び音楽再生の原理は実施の形態１に示したものと同様であり説明は省略し、異なる点について説明する。

制御部１６は実施の形態１に示した制御情報の伝達のみならず、デジタル信号処理部１３の入力もしくは出力におけるデジタル信号の値を取り込み、オーバーフローを検出または予測するためのソフトウェアを有している。

以下、動作について説明する。

図３は本発明の実施の形態３におけるオーバーフローの検出動作を示すフローチャート、図４は本発明の実施の形態３におけるオーバーフローの予測動作を示すフローチャートである。図３、図４に示すフローチャートのルーチンを可聴周波数の最大値に対応する周期より短い周期で定期的に実行する。

まず、オーバーフローを判定するアルゴリズムについて図３を用いて説明する。動作３１において、現在のデジタル信号のデジタルデータＤを取り込む。Ａ／Ｄ変換器１２の変換データ長を考慮して、そのデジタルデータＤの最大値を±Ｄｍａｘとする。例えばデータ長１６ｂｉｔの場合はＤｍａｘ＝３２７６８となる。

このとき、比較値をＤｍａｘよりｎだけ小さな値としておく。このｎが十分大きければデジタルクリップによる歪の発生をほぼ完全に防止することができるが、処理ビット数を減少させないためには聴感的にデジタルクリップが気にならない程度に大きくすることが望ましい。

動作３２において、デジタルデータＤと上限の比較値Ｄｍａｘ−ｎとを比較し、Ｄ＞Ｄｍａｘ−ｎの場合、動作３３においてカウントアップする。そうでない場合は動作３４でデジタルデータＤと下限の比較値−Ｄｍａｘ＋ｎとの比較を行う。Ｄ＜−Ｄｍａｘ＋ｎの場合は動作３３においてカウントアップする。そうでない場合はルーチンを終了する。

動作３３でカウントアップされた場合には動作３５においてカウント数と比較回数ｍとを比較する。ｍはオーバーフロー検出のルーチンの動作周期ｐを考慮して、音楽信号の最大周波数２０ｋＨｚに対する周期５０μｓよりも短い時間の間に複数の繰り返しができる回数とする。つまりルーチンの動作周期ｐ＝１μｓであるとすると、ｍ＝５程度である。ここでカウント数＞ｍであれば、オーバーフローが発生したと確定し、動作３６でオーバーフロー検出の出力をアクティブとする。カウント数＜＝ｍの場合はルーチンを終了する。

次に、オーバーフローを予測するアルゴリズムについて図４を用いて説明する。ここではデジタル信号のデジタルデータＤが最大値つまり上限に近づいた場合に対する処理に相当する上側のオーバーフローの予測のみを示すが、逆の下側のオーバーフロー予測も同様に考えることができる。

動作４１において、現在のデジタル信号のデジタルデータＤを取り込む。次に比較値をＤｍａｘよりｋだけ小さな値としておく。このｋは上記のオーバーフローの判定時に用いた定数ｎよりも大きくしておく。動作４２において、デジタルデータＤと比較値Ｄｍａｘ−ｋとを比較し、Ｄ＞Ｄｍａｘ−ｋの場合、動作４３において、現在のデジタル信号のデジタルデータＤと前回のデジタルデータＤ１を比較する。Ｄ＜＝Ｄｍａｘ−ｋの場合、動作４４において、Ｄ１の値をリセットしルーチンを終了する。

また、動作４３においてＤ＞Ｄ１であれば、動作４５の値を現在のデータＤに更新し、動作４６でカウントアップする。またＤ＜＝Ｄ１であれば、ルーチンを終了する。動作４７において、カウント数と比較回数ｍとを比較する。ｍは上記のオーバーフローの判定時に用いた定数とほぼ同様の値でよい。ここでカウント数＞ｍであれば、オーバーフローが予測されたとし、動作４８でオーバーフローの予測出力をアクティブとする。カウント数＜＝ｍの場合はルーチンを終了する。

以上のオーバーフローの判定アルゴリズムとオーバーフローの予測アルゴリズムを比較した場合、オーバーフローの判定アルゴリズムの方が少ない処理数で実現できるためデジタル信号処理部１３への負担が少ない。一方、オーバーフローの予測アルゴリズムの方がデジタルクリップの現象を事前に抑制できることから聴感的な特性は優れている。

以上の構成により、ハードウェアの追加なしにＡ／Ｄ変換器１２のオーバーフローを検出または予測でき、またソフトウェアであることから様々な聴感特性に合わせた柔軟な制御ができるという効果が得られる。

本発明にかかるデジタル信号処理アンプは、ダイナミックレンジの縮小による音質劣化をなくし、かつデジタルクリップを実質的に解消することができるという効果を有し、車内通信基盤をもつ車両におけるオーディオシステムのパワーアンプ等として有用である。

本発明の実施の形態１におけるデジタル信号処理アンプの構成を示すブロック図 本発明の実施の形態２におけるデジタル信号処理アンプの構成を示すブロック図 本発明の実施の形態３におけるオーバーフローの検出動作を示すフローチャート 本発明の実施の形態３におけるオーバーフローの予測動作を示すフローチャート 従来のデジタル信号処理アンプの構成を示す概略図

符号の説明

１１ デジタル信号処理アンプ
１２ Ａ／Ｄ変換器
１３ デジタル信号処理部
１４ Ｄ／Ａ変換器
１５ 電力増幅器
１６ 制御部
１７ ヘッドユニット
１８ プロセッサ
１９ スピーカ
２１ ウィンドコンパレータ
３１〜３６ 動作
４１〜４８ 動作

Claims (3)

1. ソース機器からのアナログ入力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、このＡ／Ｄ変換器のデジタル出力信号を信号処理するデジタル信号処理部と、このデジタル信号処理部からのデジタル出力信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器と、このＤ／Ａ変換器からのアナログ出力信号をスピーカの駆動信号に電力増幅する電力増幅器とからなり、前記アナログ入力信号、Ａ／Ｄ変換器のデジタル出力信号、デジタル信号処理部からのデジタル出力信号の少なくともいずれか１つをモニタして過大信号またはオーバーフローを検出し、前記ソース機器に対して信号レベルを抑制するように制御信号の送受信を行う制御部を設けたデジタル信号処理アンプ。
2. 制御部の過大信号の検出をウィンドコンパレータで構成した請求項１に記載のデジタル信号処理アンプ。
3. 少なくともＡ／Ｄ変換器またはデジタル信号処理部からのデジタル出力信号のオーバーフローをこのデジタル出力信号と前のデジタル出力信号とを比較して予測し、ソース機器からのアナログ入力信号を制御する構成とした請求項１に記載のデジタル信号処理アンプ。

Images