JP2006243043A

JP2006243043A - 高域補間装置及び再生装置

Info

Publication number: JP2006243043A
Application number: JP2005054909A
Authority: JP
Inventors: Koji Fujiyama; 晃治藤山; Naoya Iwasaki; 直哉岩崎; Tomomi Hirasawa; 友美平澤
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2005-02-28
Publication date: 2006-09-14
Also published as: CN1828756B; US20060192706A1; CN1828756A

Abstract

【課題】低圧縮率で圧縮されたディジタル音響信号の圧縮により失われた情報を補間することができる高域補間装置の提供。
【解決手段】圧縮され伸長されたディジタル音響信号を１／２ダウンサンプリングする手段４０と、１／２ダウンサンプリングしたディジタル音響信号を、２倍アップサンプリングする手段４１と、２倍アップサンプリングしたディジタル音響信号を濾波するディジタルローパスフィルタ４２とを備え、圧縮され伸長されたディジタル音響信号の高周波数帯域を補間する高域補間装置。ディジタルローパスフィルタ４２が濾波した音響信号を更に濾波するディジタルハイパスフィルタ４３と、ディジタルハイパスフィルタ４３が濾波したディジタル音響信号、及び圧縮され伸長されたディジタル音響信号を加算する手段４４とを備え、加算後のディジタル音響信号を出力する構成である。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＭＤ（Mini Disc）、ＭＰ３（ＭＰＥＧ（Moving Picture Experts Group１）Audio layer３）、ＤＡＢ（Digital Audio Broadcasting）等の圧縮されたディジタル音響信号の高周波数帯域を補間する高域補間装置、及びこの高域補間装置を備えディジタル音響信号を再生する再生装置に関するものである。

ＣＤ（Compact Disc）の場合、音響信号はサンプリング周波数が４４．１ｋＨｚ、データビット長が１６ｂｉｔのステレオ信号である。情報量は、１秒間に必要なビット数で表すことができ、ＣＤの場合、１４１１．２ｋｂｐｓである。
ＭＤの場合、人間の聴覚の特性を利用して、聞こえ難い成分及び大きな音の前後のデータを間引く圧縮技術であるＡＴＲＡＣ（Advanced TRansform Acoustic Coding）及びその改良版であるＡＴＲＡＣ３により、符号化するデータ量を減らしている。ＡＴＲＡＣ３は、ＡＴＲＡＣの２倍（ＭＤＬＰ２、１３２ｋｂｐｓ）及び４倍（ＭＤＬＰ４、６６ｋｂｐｓ）のデータ圧縮率に対応しており、ＣＤと比較して、最大２０分の１程度迄圧縮することができるが、圧縮率が高くなるに従って音質は低下する。

人間の可聴周波数帯域は、２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚと言われているが、個人差もあり、一般的な人では、上限は１４ｋ〜１５ｋＨｚ程度と考えられる。このような可聴周波数帯域を考慮して、圧縮技術は開発されているが、この可聴周波数帯域の測定には、純音（正弦波）が用いられている。しかし、実際の音楽及び自然音では複数周波数の音が混在しており、単独では聴こえない可聴帯域外の音も、音の広がり等で聴感に影響を与えているという考え方が広まりつつある。

特許文献１，２には、間引き処理される信号のスペクトル分布から、相関関係が強い帯域の組の一方を削除し、他方の帯域内のスペクトルを低周波数側に詰める周波数間引き装置が開示されている。
特許文献３には、信号を補間する必要がある場合は、補間される信号のスペクトルの内、スペクトル分布の相関が高い部分を、包絡線に沿うようにして、補間される信号の高周波側に追加し、帯域を拡張する周波数補間システムが開示されている。

特許文献４には、入力された時系列信号の所定の周波数帯域に対応する制限帯域のスペクトルを符号化し、復号側で、拡張すべき周波数帯域の時系列信号を上記制限帯域のスペクトルの写像に基づき求める為に、写像の方法を示す写像情報を適応的に作成し、符号化された上記制限帯域のスペクトルと写像情報とを出力する信号符号化装置が開示されている。
特許第３５７６９４１号公報特許第３５７６９５１号公報特許第３５７６９４２号公報特開２００４−８０６３５号公報特開２００１−１２７６３７号公報

ディジタル音響信号を高い圧縮率で圧縮して記録した場合、例えばＭＤＬＰ４では、図６（ｂ）に示すように、周波数スペクトルは１２ｋＨｚ程度迄しか存在せず、図６（ａ）に示すＣＤ信号と比較しても、高域の周波数情報が失われるという問題がある。
本出願人は、今回、上述したような事情に鑑みて、圧縮され伸長されたディジタル音響信号を１／２ダウンサンプリングした後、２倍アップサンプリングし、２倍アップサンプリングしたディジタル音響信号をディジタルローパスフィルタで濾波して、原ディジタル音響信号の高周波数帯域を補間する高域補間装置について同日出願する。

ディジタル音響信号をＭＤＬＰ４等の高圧縮率で圧縮した場合は、周波数スペクトルは、上述したように、１２ｋＨｚ程度迄しか存在しないので、上記高域補間装置で好適に高域補間することができる。しかし、ＭＤＬＰ２等の低圧縮率で圧縮した場合は、周波数スペクトルは１８ｋＨｚ程度迄存在するので、これを１／２ダウンサンプリングすることで失われる情報は多大であり、音質が改善されない可能性がある。

本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、第１〜３発明では、低圧縮率で圧縮されたディジタル音響信号の圧縮により失われた情報を補間することができる高域補間装置を提供することを目的とする。
第４発明では、低圧縮率で圧縮されたディジタル音響信号の圧縮により失われた情報を補間することができる高域補間装置を備えた再生装置を提供することを目的とする。

第１発明に係る高域補間装置は、圧縮され伸長されたディジタル音響信号を１／２ダウンサンプリングする手段と、該手段が１／２ダウンサンプリングしたディジタル音響信号を、２倍アップサンプリングする手段と、該手段が２倍アップサンプリングしたディジタル音響信号を濾波するディジタルローパスフィルタとを備え、前記圧縮され伸長されたディジタル音響信号の高周波数帯域を補間する高域補間装置であって、前記ディジタルローパスフィルタが濾波した音響信号を更に濾波するディジタルハイパスフィルタと、該ディジタルハイパスフィルタが濾波したディジタル音響信号、及び前記圧縮され伸長されたディジタル音響信号を加算する手段とを備え、該手段が加算したディジタル音響信号を出力するようにしてあることを特徴とする。

この高域補間装置では、圧縮され伸長されたディジタル音響信号を１／２ダウンサンプリングし、１／２ダウンサンプリングしたディジタル音響信号を、２倍アップサンプリングしてイメージ成分を発生させる。次いで、２倍アップサンプリングしてイメージング成分を発生させたディジタル音響信号をディジタルローパスフィルタにより濾波して、圧縮され伸長されたディジタル音響信号の高周波数帯域を補間する。ディジタルハイパスフィルタが、ディジタルローパスフィルタが濾波した音響信号を更に濾波し、加算する手段が、ディジタルハイパスフィルタが濾波したディジタル音響信号、及び前記圧縮され伸長されたディジタル音響信号を加算し、加算したディジタル音響信号を出力する。

第２発明に係る高域補間装置は、前記ディジタルローパスフィルタは、オーバサンプリング処理を行うディジタルフィルタであり、帯域制限された原アナログ音響信号と、該原アナログ音響信号をディジタル変換した後アナログ変換したアナログ音響信号との誤差信号が小さくなるように、ＩＩＲ（Infinite Impulse Response）型フィルタを設計すべく設定した条件式を、所定の条件に基づきサンプル値Ｈ∞制御により解くことによりパラメータが算出されてあることを特徴とする。

この高域補間装置では、ディジタルローパスフィルタは、オーバサンプリング処理を行うディジタルフィルタであり、そのパラメータは、サンプル値制御理論に基づく特許文献５に開示された方法により、以下のようにして算出されている。先ず、帯域制限された原アナログ音響信号と、原アナログ音響信号をディジタル変換した後アナログ変換したアナログ音響信号との誤差信号が小さくなるように、ＩＩＲ（Infinite Impulse Response）型フィルタを設計すべく条件式を設定する。次いで、この条件式を所定の条件に基づきサンプル値Ｈ∞制御により解くことにより、ディジタルフィルタのパラメータを算出する。

第３発明に係る高域補間装置は、前記ディジタルハイパスフィルタは、複数のカットオフ周波数を有しており、該複数のカットオフ周波数の１つが選択されるようにしてあることを特徴とする。

この高域補間装置では、ディジタルハイパスフィルタは、複数のカットオフ周波数を有しており、高域補間されるディジタル音響信号の圧縮率に応じて、複数のカットオフ周波数の１つが選択される。

第４発明に係る再生装置は、請求項１乃至３の何れか１項に記載された高域補間装置を備え、記録媒体から読み取ったディジタル音響信号、又は外部から受信したディジタル音響信号の高周波数帯域を前記高域補間装置により補間して、前記ディジタル音響信号を再生するようにしてあることを特徴とする。

この再生装置では、請求項１乃至３の何れか１項に記載された高域補間装置を備えており、この高域補間装置が、記録媒体から読み取られたディジタル音響信号、又は外部から受信されたディジタル音響信号の高周波数帯域を補間して、ディジタル音響信号を再生する。

第１発明に係る高域補間装置によれば、低圧縮率で圧縮されたディジタル音響信号の圧縮により失われた情報を補間することができる高域補間装置を実現することができる。

第２発明に係る高域補間装置によれば、低圧縮率で圧縮されたディジタル音響信号の圧縮により失われた情報を補間することができる高域補間装置を実現することができる。また、圧縮前の原音に近い周波数スペクトルを得ることができ、より原音に近づく高域補間を実行することができる。

第３発明に係る高域補間装置によれば、低圧縮率で圧縮されたディジタル音響信号の圧縮により失われた情報を、圧縮率に応じて最適に補間することができる高域補間装置を実現することができる。

第４発明に係る再生装置によれば、低圧縮率で圧縮されたディジタル音響信号の圧縮により失われた情報を補間することができ、圧縮前の原音に近い再生音を得ることができる再生装置を実現することができる。

以下に、本発明を、その実施の形態を示す図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明に係る高域制御装置の実施の形態１の要部構成を示すブロック図である。
この高域補間装置では、１／２ダウンサンプリング部４０が、図３（ａ）に模式的に示すような圧縮され伸長されたディジタル音響信号を１／２ダウンサンプリングして、図３（ｂ）に示すようにサンプリング値を間引きする。１／２ダウンサンプリングされたディジタル音響信号は、２倍アップサンプリング部４１に与えられる。

２倍アップサンプリング部４１は、与えられたディジタル音響信号を２倍アップサンプリングし、図３（ｃ）に示すように、各サンプリング値の中間に、サンプリング値０のサンプリング点を挿入する（０補間）。２倍アップサンプリングされたディジタル音響信号には、例えば１１ｋＨｚ（元のサンプリング周波数が４４．１ｋＨｚの場合）を対称軸とする線対称のスペクトル（イメージング）が発生する。

２倍アップサンプリング部４１が２倍アップサンプリングしたディジタル音響信号は、イメージング成分も含めて、ＩＩＲ型又はＦＩＲ（Finite Impulse Response）型のディジタルローパスフィルタ４２に与えられオーバサンプリング処理される。尚、オーバサンプリング処理には、２倍アップサンプリング部４１の２倍アップサンプリング処理も含まれている。
ディジタル音響信号は、オーバサンプリング処理により、図３（ｄ）に示すように、０補間によるサンプリング点にもサンプリング値が補間され、高域周波数成分が生成される。

２倍アップサンプリング部４１及びディジタルローパスフィルタ４２によりオーバサンプリング処理されたディジタル音響信号は、ディジタルハイパスフィルタ４３により、所望のカットオフ周波数以上の高域周波数帯域成分が抽出され、加算部４４に与えられる。尚、ディジタルハイパスフィルタ４３は、カットオフ周波数を複数有しており、元のディジタル音響信号の圧縮率に応じて、１つのカットオフ周波数が選択される。即ち、圧縮率が低いディジタル音響信号の場合は、比較的高域周波数迄スペクトルが存在するので、その範囲の補間は不要であり、比較的高いカットオフ周波数が選択される。

加算部４４は、与えられた高域周波数帯域成分と、元の圧縮され伸長されたディジタル音響信号とを加算し、高域周波数帯域が補間されたディジタル音響信号として出力する。以上により、例えば、ＭＤＬＰ２により圧縮され、図４（ｂ）に示すような１８ｋＨｚ程度以下のスペクトルを有するディジタル音響信号を、図４（ａ）に示すようなス２０ｋＨｚ程度迄のスペクトルを有するディジタル音響信号に高域補間することができる。尚、ディジタルハイパスフィルタ４３及び加算部４４間に増幅器を備えて、１以下のゲインを調節することにより、高域補間効果を調節することも可能である。

図２は、ディジタルローパスフィルタ４２のパラメータを算出する方法を示す信号復元系モデルのブロック図である。
この信号復元系モデルでは、帯域制限された原アナログ信号の周波数特性のモデルとなる関数Ｆ（ｓ）を有する信号モデル５０からのアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器５１によりディジタル信号に変換され、変換されたディジタル信号は、アップサンプリング部５２でＭ（Ｍは２以上の整数）倍アップサンプリングされる。

Ｍ倍アップサンプリングされたディジタル信号は、ディジタルローパスフィルタ５３に与えられて、オーバサンプリング処理される。オーバサンプリング処理されたディジタル信号は、Ｄ／Ａ変換器５４により、アナログ信号に変換され、特性Ｐ（ｓ）を有する後置フィルタ５５で濾波された後、減算部５６に与えられる。
減算部５６は、信号モデル５０からのアナログ信号（場合によっては遅延させる）と、後置フィルタ５５で濾波されたアナログ信号との誤差信号ｅを演算し出力する。

ディジタルローパスフィルタ４２のパラメータを算出する際は、以上のような信号復元系モデルにおいて、誤差信号ｅが小さくなるように、ＩＩＲ型のディジタルローパスフィルタ５３を設計すべく条件式を設定する。次いで、その条件式を有限次元離散時間系に近似的に変換した計算式を求め、求めた計算式を所定の条件に基づきＨ∞制御により解くことにより、ディジタルローパスフィルタ５３（ディジタルローパスフィルタ４２）のパラメータを算出する。
尚、以上により得られるディジタルローパスフィルタはＩＩＲ型であるが、ディジタル信号処理では、プログラミングのし易さ、実装の容易さから、ＦＩＲ型フィルタが用いられることが少なくない。その場合は、導出されたＩＩＲ型フィルタのインパルス応答を計算することで、ＦＩＲ型フィルタとして精度よく実現できる。

以上のようなディジタルローパスフィルタの設計方法では、後置フィルタ５５のようなアナログ部品の特性Ｐ（ｓ）も考慮されており、これらのアナログ特性は、サンプル値制御理論のリフティングにより、サンプリング点間の情報を失わない形で離散化（ディジタル化）されている。従って、サンプリング点間応答迄含めての最適化設計が可能となる。この設計方法の詳細は、特許文献５を参照されたい。

（実施の形態２）
図５は、本発明に係る再生装置の実施の形態である光ディスク装置の構成を示すブロック図である。この光ディスク装置は、記録／再生可能なミニディスク装置であり、ミニディスク１１を収納した方形平板状のカートリッジ１２がミニディスク装置に装填された状態で、カートリッジ１２の両面のシャッターが開き、ミニディスク１１の一方の面から光ピックアップ１５が対物レンズ１４を通じて読取りを行い、記録するときには、ミニディスク１１の他方の面に磁気ヘッド１９による磁界が掛けられる。

ミニディスク１１は、スピンドルモータ１３により所定の一定線速度となるように回転駆動され、光ピックアップ１５は、送りモータ１６により駆動されミニディスク１１の半径方向に移動する。磁気ヘッド１９は、記録時にヘッド駆動部２０により駆動されミニディスク１１の半径方向に移動し、光ピックアップ１５と共に同一のトラックを両面から挟み込むように位置制御される。

スピンドルモータ１３、光ピックアップ１５及び送りモータ１６は、サーボ制御部１７によりそれぞれ駆動制御される。また、サーボ制御部１７は、トラッキング制御部３２及びフォーカス制御部３３を備えている。
光ピックアップ１５が検出した信号は、ＲＦ（Radio Frequency ）アンプ２２へ送られ増幅される。ＲＦアンプ２２により増幅された信号の内、フォーカスエラー信号及びトラッキングエラー信号は、サーボ制御部１７に送られ、フォーカス制御部３３及びトラッキング制御部３２に与えられる。

ＲＦアンプ２２により増幅された信号の内、アドレス信号は、アドレスデコーダ２１に送られて復号され、エンコーダ／デコーダ２３に与えられる。
エンコーダ／デコーダ２３へ送られ復号されたアドレス信号は、ヘッド駆動部２０による磁気ヘッド１９の位置制御に使用され、また、システムコントローラ１８に送られ、サーボ制御部１７によるスピンドルモータ１３、光ピックアップ１５及び送りモータ１６の駆動制御等に使用される。

ＲＦアンプ２２により増幅された信号の内のデータ信号は、エンコーダ／デコーダ２３に送られて復号され、耐振用メモリコントローラ２４を通じてＤＲＡＭ２５（Dynamic Random Access Memory）に送られる。ＤＲＡＭ２５に送られたデータ（ディジタル音響信号）は、一旦記憶された後、耐振用メモリコントローラ２４を通じて、音響圧縮エンコーダ／デコーダ２６に送られる。
音響圧縮エンコーダ／デコーダ２６は、送られたデータを伸長し、本発明に係る高域補間装置である高域補間部３４に与える。
高域補間部３４は、与えられたデータ（ディジタル音響信号）の高域補間を、実施の形態１で説明してあるように実行し、高域補間されたディジタル音響信号は、Ｄ／Ａ変換器２８を通じて出力される。

Ａ／Ｄ変換器２７を通じて入力されたディジタル音響信号は、音響圧縮エンコーダ／デコーダ２６により音響圧縮されてコード化され、耐振用メモリコントローラ２４を通じて、ＤＲＡＭ２５に送られる。ＤＲＡＭ２５に送られたデータは、一旦記憶された後、耐振用メモリコントローラ２４を通じて、エンコーダ／デコーダ２３に送られてコード化され、磁気ヘッド１９及び光ピックアップ１５によりミニディスク１１に記録される。

耐振用メモリコントローラ２４及びＤＲＡＭ２５は、ＤＲＡＭ２５への記憶に要する時間及びＤＲＡＭ２５からの読出しに要する時間の差を利用して、振動等による音飛びを防止する。
システムコントローラ１８は、表示部２９、時計回路３０及び操作部３１と接続され、サーボ制御部１７、エンコーダ／デコーダ２３及び耐振用メモリコントローラ２４の動作制御を行うと共に、操作部３１による操作等に応じて、指定された情報を表示部２９に表示させる。

本発明に係る高域制御装置の実施の形態の要部構成を示すブロック図である。ディジタルローパスフィルタのパラメータを算出する方法を示す信号復元系モデルのブロック図である。本発明に係る高域制御装置の動作を説明する為の模式的な波形図である。本発明に係る高域制御装置の動作を説明する為の周波数特性を示す特性図である。本発明に係る再生装置の実施の形態である光ディスク装置の構成を示すブロック図である。本発明が解決しようとする課題を説明する為の周波数特性を示す特性図である。

符号の説明

１１ミニディスク
２６音響圧縮エンコーダ／デコーダ
２８Ｄ／Ａ変換器
３４高域補間部（高域補間装置）
４０１／２ダウンサンプリング部
４１２倍アップサンプリング部
４２ディジタルローパスフィルタ
４３ディジタルハイパスフィルタ
４４加算部
５０信号モデル
５１Ａ／Ｄ変換器
５２アップサンプリング部
５３ディジタルローパスフィルタ
５４Ｄ／Ａ変換器
５５後置フィルタ
５６減算部

Claims

圧縮され伸長されたディジタル音響信号を１／２ダウンサンプリングする手段と、該手段が１／２ダウンサンプリングしたディジタル音響信号を、２倍アップサンプリングする手段と、該手段が２倍アップサンプリングしたディジタル音響信号を濾波するディジタルローパスフィルタとを備え、前記圧縮され伸長されたディジタル音響信号の高周波数帯域を補間する高域補間装置であって、
前記ディジタルローパスフィルタが濾波した音響信号を更に濾波するディジタルハイパスフィルタと、該ディジタルハイパスフィルタが濾波したディジタル音響信号、及び前記圧縮され伸長されたディジタル音響信号を加算する手段とを備え、該手段が加算したディジタル音響信号を出力するようにしてあることを特徴とする高域補間装置。
前記ディジタルローパスフィルタは、オーバサンプリング処理を行うディジタルフィルタであり、帯域制限された原アナログ音響信号と、該原アナログ音響信号をディジタル変換した後アナログ変換したアナログ音響信号との誤差信号が小さくなるように、ＩＩＲ（Infinite Impulse Response）型フィルタを設計すべく設定した条件式を、所定の条件に基づきサンプル値Ｈ∞制御により解くことによりパラメータが算出されてある請求項１記載の高域補間装置。
前記ディジタルハイパスフィルタは、複数のカットオフ周波数を有しており、該複数のカットオフ周波数の１つが選択されるようにしてある請求項１又は２記載の高域補間装置。
請求項１乃至３の何れか１項に記載された高域補間装置を備え、記録媒体から読み取ったディジタル音響信号、又は外部から受信したディジタル音響信号の高周波数帯域を前記高域補間装置により補間して、前記ディジタル音響信号を再生するようにしてあることを特徴とする再生装置。