JP2007143157A - 超指向性スピーカーシステム及び信号処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超指向性スピーカーシステム及び信号処理方法を提供する。
【解決手段】現在入力されるオーディオ入力信号の包絡線を計算する第１包絡線計算部、上記第１包絡線信号の平方根誤差演算部、現在入力されるオーディオ入力信号に対して歪み補償を行い、補償信号を生成する事前歪み適応フィルタ部、第２包絡線信号を生成する第２包絡線計算部、上記第２包絡線信号と上記第１包絡線信号の平方根信号を比較演算して誤差信号を生成する誤差演算部、上記誤差信号から適応フィルタ係数更新項及び適応フィルタ係数を計算する適応フィルタ係数更新部、上記補償信号を動的に超音波帯域に変調させて変調信号を生成する動的ＶＳＢ変調部、上記変調信号に適用させてフィルタリング信号を生成する超音波変換器モデル、上記フィルタリング信号を増幅する超音波増幅器及び、上記増幅された信号を超音波信号に変換する上記超音波変換器を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、超指向性オーディオを再生する超音波スピーカーに関し、特に、超音波スピーカーシステムの音質を改善できる新しい信号処理方式が適用される、超指向性スピーカーシステム及び信号処理方法に関する。

一般的にスピーカーは、電気信号を振動に変換して空気中に伝えることにより、音を生成する。このようなスピーカーは、空気中に振動を伝えるとき、等方性を持って伝えることになる。これにより、聴取者はスピーカーを基準に全方向でスピーカーから発生される音を聞けるようになる。このようなスピーカーの等方性は、ときには不必要な問題をもたらすこともある。例えば、美術館や博物館のような多様な作品や展示物が設置されており、各作品及び展示物に対する説明をスピーカーにより説明するように設置物を設計する場合、美術館及び博物館の狭小な空間により、スピーカーから発生する音の間に干渉現象が発生する。また、多くの人員が同時にそれぞれ異なる作品及び展示物の説明をスピーカーから聞くようになると、多量の音声案内が互いに干渉及び歪まれ、著しいノイズに変わる。このような問題を解決するために、特定の方向でのみ音を聞くことができるように再生できる超指向性スピーカーが登場した。

従来の超指向性スピーカー方法の一つは、パラボリック（Ｐａｒａｂｏｌｉｃ）皿を利用する方法である。パラボリック超指向性スピーカーは、パラボリック皿の焦点に一般のスピーカーを設置し、スピーカーの音響出力が皿に反射され直進するように設計されるスピーカーである。このパラボリック超指向性スピーカーは博物館等でよく使用されるため、博物館のスピーカーとしてもよく知られている。しかし、このようなパラボリック皿を利用した従来の超指向性スピーカー方式は、パラボリック皿の直径が相当大きく、音が方向性を持ち、伝えられる距離が１０ｍ以内で短いだけでなく、音質も相当劣っており、良好な特性を有することが非常に難しい。

これにより、最近は超音波が空気中で空気と起こす非線形的な干渉現象を利用した超音波スピーカー技術が、超指向性スピーカーの具現に多く適用されている。超音波スピーカー技術は、１９６０年代から開発されてきたが、様々な周辺機器の発達不振及び産業上の利得問題などにより常用化が遅延され、最近になって本格的に開発されている。

超指向性スピーカーシステムは、適切な音質を得るための信号処理部、処理された信号を超音波帯域に効率的に変調させる変調部、超音波変換器を駆動するための超音波増幅部、実際に空気中に超音波を発生させる超音波変換器から構成される。理論的に、空気中で復調される可聴信号ｐ（ｔ）は、数式１のように振幅変調された信号の包絡線（ｅｎｖｅｌｏｐｅ）Ｅ（ｔ）の二乗を２次時間微分したものに比例する。数式１において２次時間微分は、１２ｄＢ／ｏｃｔａｖｅのイコライザーを利用して解決することができ、それによる包絡線Ｅ（ｔ）は、数式２のように表される。

数式１：

数式２：

但し、ｍは変調指数、ｘ（ｔ）は元の可聴オーディオ信号である。

上記の数式で、超音波スピーカーにより聞かされる可聴信号ｐ（ｔ）は、元の可聴オーディオ信号ｘ（ｔ）に比例する場合、歪みが発生しない可聴音の再生が可能になる。しかし、実際には数式１でのように、元信号ｘ（ｔ）の二乗に該当する歪みが深刻に発生する。この歪みを減らす方法で、従来の超音波スピーカーは変調指数ｍを減らすと歪みを減らすことができるが、再生効率が下がって高い音響出力が得られにくい。

歪みを補償するための他の歪み補償方法は、図１に示されたように、元信号の平方根を変調する方法である。理論的にこの方法に従うと、元信号が充実に再生できるが、平方根という非線形的な演算により、帯域幅が制限された元信号ｘ（ｔ）のスペクトルがほぼ無限大の帯域幅上に現れる。従って、無限大の帯域幅を再生させる超音波変換器がなければ、図１に示された方式の超音波スピーカーは歪みを減らすことに絶対的な限界点を持つしかない。

図１に示されたような問題点を解決するために、米国のＡＴＣ社は図２に示されたような米国特許発明「Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒ ａ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｓｐｅａｋｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ（ＵＳ ６，５８４，２０５）」にて、帯域幅の増加がない反復的な誤差補償方法を提示した。これを簡略にすると、米国のＡＴＣ社が発明した特許は、変換器のないＳＳＢ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｓｉｄｅ Ｂａｎｄ）チャンネルモデルにより、理想的な変調信号波形を計算した後、これを実際に変調された信号と比較して誤差を計算し、この誤差を変調前の信号に補償する過程を数回繰り返して音質の歪みを補償する方式である。しかし、米国のＡＴＣ社の発明特許は、反復的に誤差を補償しているが、このような反復的な誤差補償のためには、多くの計算量が必須的に発生し、それによるハードウエアの設計が非常に複雑になるだけでなく、信号処理による遅延が増加される深刻な短所がある。また、米国のＡＴＣ社の発明特許は、ＳＳＢ変調を適用しているが、ＳＳＢフィルタの不完全性による歪みを避けるためには、ＳＳＢフィルタの次数を高くして相当に鋭いＳＳＢフィルタを設計しなければならないという問題点を持っている。
米国特許第６，５８４，２０５号明細書

本発明は、上記の問題を解決するためのものであって、本発明の目的は、事前歪み適応フィルタを利用してリアルタイム再生信号の歪みを最少化し、残留側波帯変調を使用して単一側波帯フィルタの不完全性を除去することにより、音質を改善できる超指向性スピーカーシステム及び信号処理方法を提供することにある。

本発明の別の目的は、オーディオ入力信号の包絡線信号及び以前入力信号の適応フィルタ係数が適用される、歪み補償された信号の包絡線信号を相互比較し、それによる現在入力信号の適応フィルタ係数値を計算して適用することにより、事前歪み補償をリアルタイムで適用して設計ハードウエアを簡素化し、超音波スピーカーの音質を改善できる超指向性スピーカーシステム及び信号処理方法を提供することにある。

本発明の別の目的は、事前歪み補償された補償信号の変調指数をＶＳＢ変調の際に動的に変調することにより、入力される信号のレベルに応じて歪みを補償することにより、空気中で非線形復調される信号の歪みを最少化することで、スピーカーの音質を改善できる超指向性スピーカーシステム及び信号処理方法を提供することにある。

最後に、本発明の別の目的は、現在システムに適用されている超音波変換器を特定のフィルタでフィルタリングし、それによる係数値を使用して超音波変換器の逆フィルタモデルを生成し、ＶＳＢ変調された信号に適用することにより、変調された信号の超音波変換の際に歪みを最少化し、音質を改善できる超指向性スピーカーシステム及び信号処理方法を提供することにある。

上述した目的を達成するために、本発明の実施例による超指向性スピーカーシステムは、現在入力されるオーディオ入力信号の包絡線を計算する第１包絡線計算部；上記第１包絡線計算部に計算された第１包絡線信号の平方根を演算して第１包絡線信号の平方根信号を生成する平方根演算部；上記の現在入力されるオーディオ入力信号に対し、以前の段に決められた適応フィルタ係数による適応フィルタ係数更新項を適用して歪み補償を行ない、補償信号を生成する事前歪み適応フィルタ部；上記補償信号の包絡線を計算して第２包絡線信号を生成する第２包絡線計算部；上記第２包絡線信号と上記第１包絡線信号の平方根信号を比較演算して誤差信号を生成する誤差演算部；上記誤差信号から適応フィルタ係数更新項及び適応フィルタ係数を計算する適応フィルタ係数更新部；上記補償信号を動的に超音波帯域に変調させて変調信号を生成する動的ＶＳＢ変調部；超音波変換器の有する周波数特性に対応される逆フィルタをモデリングし、上記変調信号に適用させてフィルタリング信号を生成する超音波変換器モデル；上記フィルタリング信号を増幅する超音波増幅器；及び、上記増幅された信号を超音波信号に変換する上記超音波変換器を備えることを特徴とする。

本発明の実施例による超指向性スピーカーシステムは、現在のオーディオ入力信号の包絡線と、以前の段のオーディオ入力信号から得られた適応フィルタ係数を適用した包絡線を比較し、それによる現在適応フィルタ係数を計算する適応フィルタ計算部；上記適応フィルタ係数値が適用されたオーディオ入力信号をＶＳＢ変調させるＶＳＢ変調部；変調された信号を超音波に変換する超音波変換部を備えることを特徴とする。

本発明の実施例による超指向性スピーカーの信号処理方法は、現在のオーディオ入力信号の包絡線を計算して第１包絡線信号を生成する第１段階；上記第１包絡線信号の理想的包絡線信号を生成する第２段階；以前の段のオーディオ入力信号により決められた適応フィルタ係数を適用し、事前歪み補償された補償信号を生成する第３段階；上記補償信号の包絡線信号を生成する第４段階；上記理想的包絡線信号と、上記補償信号の包絡線信号を比較演算して誤差信号を生成する第５段階；上記誤差信号から適応フィルタ係数更新項及び適応フィルタ係数を計算する第６段階；上記補償信号を動的に残留側波帯変調して変調信号を生成する第７段階；上記変調信号を超音波変換器に対応される逆フィルタでフィルタリングする第８段階；上記フィルタリングされた信号を超音波増幅する第９段階；及び、上記超音波増幅された信号を超音波変換する第１０段階を含むことを特徴とする。

上記のように、本発明の実施例による超指向性スピーカーシステム及び信号処理方法は、事前歪み適応フィルタを利用してリアルタイム再生信号の歪みを最少化し、残留側波帯変調を使用して単一側波帯フィルタの不完全性を除去することにより、音質を改善することができる。

本発明の実施例による超指向性スピーカーシステム及び信号処理方法は、オーディオ入力信号の包絡線信号及び以前入力信号の適応フィルタ係数が適用される歪み補償された信号の包絡線信号を相互比較し、それによる、現在入力信号の適応フィルタ係数値を計算して適用することにより、事前歪み補償をリアルタイムで適用し、ハードウエアの設計を簡素化し、超音波スピーカーの音質を改善することができる。

本発明の別の実施例による超指向性スピーカーシステム及び信号処理方法は、事前歪み補償された補償信号の変調指数をＶＳＢ変調時に動的に変調することにより、入力される信号のレベルに応じて歪みを補償することにより、空気中で非線形復調される信号の歪みを最少化することにより、スピーカーの音質を改善することができる。

最後に、本発明の別の実施例による超指向性スピーカーシステム及び信号処理方法は、現在システムに適用されている超音波変換器を特定のフィルタでフィルタリングし、それによる係数値を使用して超音波変換器の逆フィルタモデルを生成し、ＶＳＢ変調された信号に適用することにより、変調された信号の超音波変換時に歪みを最少化して音質を改善することができる。

因みに、本発明の好適な実施例は、例示するために開示されたものであり、当業者であれば本発明の思想と範囲内で、多様な修正、変更、付加などが可能であり、このような修正、変更などは、以下の特許請求の範囲に属するものと見るべきである。

上述の目的及びその他の目的と本発明の特徴及び利点は、添付する図面と関連した次の詳細な説明により更に明らかになる。以下、添付する図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明すると、次の通りである。

図３は、本発明の実施例による超指向性スピーカーシステムを示した図である。

図３を参照すると、本発明の実施例による超指向性スピーカーシステムは、現在のオーディオ入力信号の包絡線と、以前の段のオーディオ入力信号から得られた適応フィルタ係数を適用した包絡線を比較し、それによる現在適応フィルタ係数を計算する適応フィルタ計算部；上記適応フィルタ係数値が適用されたオーディオ入力信号をＶＳＢ変調させるＶＳＢ変調部；変調された信号を超音波に変換する超音波変換部を含んで構成され、適応フィルタ計算部は、第１包絡線計算部１０、平方根演算部２０、第２包絡線計算部４０、誤差演算部５０、適応フィルタ係数更新部６０を含み、適応フィルタ係数を適用するための事前歪み適応フィルタ部３０、ＶＳＢ変調部は、動的ＶＳＢ変調部７０を含み、超音波変換部は、超音波変換器モデル８０、超音波増幅器９０、超音波変換器１００を含んで構成される。

言い換えると、本発明の超指向性スピーカーシステムは、現在入力されるオーディオ入力信号ｘ（ｔ）の包絡線を計算し、包絡線に対する第１包絡線信号Ｅ（ｔ）を生成する第１包絡線計算部１０、第１包絡線計算部１０により生成された第１包絡線信号Ｅ（ｔ）を利用し、理想的な包絡線信号のＥ（ｔ）^０．５を計算する平方根演算部２０、以前の段のオーディオ入力信号ｘ（ｔ−１）の包絡線から計算された適応フィルタ係数更新項を適用し、現在のオーディオ入力信号ｘ（ｔ）の事前歪み補償を行ない、歪み補償信号ｘ（ｔ）’を生成する事前歪み適応フィルタ部３０、事前歪み適応フィルタ部３０から出力される歪み補償された補償信号ｘ（ｔ）’の包絡線を計算して第２包絡線信号Ｅ（ｔ）’を生成する第２包絡線計算部４０、平方根演算部２０の出力信号であるＥ（ｔ）^０．５と第２包絡線信号Ｅ（ｔ）’を比較演算し、その誤差信号ｅ（ｔ）を出力する誤差演算部５０、誤差信号ｅ（ｔ）に対応する事前歪み適応フィルタの係数更新項を計算し、事前歪み適応フィルタ部３０に供給する適応フィルタ係数更新部６０、事前歪み適応フィルタ部３０から出力される歪み補償された補償信号ｘ（ｔ）’を、動的に超音波帯域に変調させて変調信号ｘ（ｔ）’’を生成する動的ＶＳＢ変調部７０、超音波変換器１００の有する周波数固有の特性に対応する逆フィルタｈ（ｔ）をモデリングして変調された信号ｘ（ｔ）’’に適用することにより、変換信号ｘ（ｔ）’’’を生成する超音波変換器モデル８０、超音波変換器モデル８０から出力される変換信号ｘ（ｔ）’’’を増幅し、増幅信号ｘ（ｔ）’’’’を生成する超音波増幅器９０、超音波増幅された増幅信号ｘ（ｔ）’’’’の出力を超音波信号に変換する超音波変換器１００を備える。

具体的な説明に先立ち、ＶＳＢ変調はＡＭ変調から一方の側波帯を対称的に除去するフィルタリングを経るもので、ＡＭ変調と比較して数式で接近する方式が類似するために、本発明の実施例による超指向性スピーカーシステムの信号変換過程に対する効果的な説明のために、ＶＳＢ変調をＡＭ変調の場合に代替し、具体的な数式を適用して説明することにする。

第１包絡線計算部１０は、現在のオーディオ入力信号ｘ（ｔ）に対する包絡線を計算する。第１包絡線計算部１０により計算される包絡線信号Ｅ（ｔ）は、前述した数式１及び２のものと同一なＥ（ｔ）で定義できるため、詳しい説明は省略する。

平方根演算部２０は、第１包絡線計算部１０により計算された包絡線信号Ｅ（ｔ）の理想的な包絡線信号のＥ（ｔ）^０．５を計算する。数式１を参照すると、第１包絡線計算部１０で生成された信号の数式的に最も理想的な信号は、包絡線信号Ｅ（ｔ）の平方根に該当する信号である。数式１における２次時間偏微分は、１２ｄＢ／ｏｃｔａｖｅイコライザーを利用して解決できる。

事前歪み適応フィルタ部３０は、現在入力されるオーディオ入力信号ｘ（ｔ）に、以前の段のオーディオ入力信号ｘ（ｔ−１）により計算された適応フィルタ係数ａ_ｍ（ｔ）を適用し、数式３のような方式で歪み補償された補償信号ｘ（ｔ）’を出力する。

数式３：

第２包絡線計算部４０は、事前歪み適応フィルタ部３０により歪み補償された補償信号ｘ（ｔ）’の包絡線信号Ｅ（ｔ）’を計算する。第２包絡線計算部４０により計算される包絡線信号Ｅ（ｔ）’は、ｘ（ｔ）’のＡＭ変調の後に得られるようになり、この信号Ｅ（ｔ）’は数式４に表される通りである。

数式４：

誤差演算部５０は、第２包絡線計算部４０から計算された包絡線信号Ｅ（ｔ）’から平方根演算部２０により計算された信号Ｅ（ｔ）^０．５を引き算し、その誤差信号であるｅ（ｔ）を生成する。誤差演算部５０により計算されるｅ（ｔ）は、数式５の通りである。

数式５：

適応フィルタ係数更新部６０は、誤差演算部５０により計算された誤差信号ｅ（ｔ）にＬＭＳ（Ｌｅａｓｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）方式を適用し、適応フィルタ係数更新項△ａ_ｍ（ｔ）を計算する。本発明の誤差信号ｅ（ｔ）から更新項△ａ_ｍ（ｔ）を計算する方式は、ＲＬＳ（Ｒｅｃｕｒｓｉｖｅ Ｌｅａｓｔ Ｓｑｕａｒ ｅ）方式を適用することもできる。以下、ＬＭＳ方式を中心に説明する。適応フィルタ係数更新部６０により計算される更新項△ａ_ｍ（ｔ）は、数式６のように表される。

数式６：

従って、適応フィルタ係数更新部６０により計算され、事前歪み適応フィルタ部３０に供給される適応フィルタ係数は、数式７のように表される。

数式７：

但し、βは適応係数である。正規化されたＬＭＳ方式においてβは経時変化しながら安定的に速い収斂が可能であり、βを利用して安定的なシステムの設計が可能である。

事前歪み適応フィルタ部３０は、適応フィルタ係数更新部６０により求められた更新項ａ_ｍ（ｔ＋１）を利用し、次の段に入力されるオーディオ入力信号ｘ（ｔ＋１）にリアルタイムで適用する。事前歪み適応フィルタ部３０は、正確な線形位相特性を確保するために、線形ＦＩＲ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタを使用できる。

動的ＶＳＢ変調部７０は、事前歪み適応フィルタ部３０により生成された歪み補償された補償信号ｘ（ｔ）’を動的に超音波帯域に変調するが、この際に信号ｘ（ｔ）’は上側或いは下側波帯の一部をほとんど除去し、残留する部分と残り部分の完全な側波帯を残すＶＳＢ変調を実施する。言い換えると、動的ＶＳＢ変調部７０はオーディオ入力信号の信号レベルにより変調指数ｍを動的に変化させる。動的ＶＳＢ変調は、キャリア周波数を中心に対称的に信号を除去するため、残されたスペクトルに全ての情報が入っていることにより、ＳＳＢの場合、不完全なフィルタ特性のため一部の情報が消えたり重畳され、復調の際に発生する音質低下現象を防止することができる。

超音波変換器モデル８０は、超音波変換器１００による逆フィルタｈ（ｔ）を計算し、この逆フィルタｈ（ｔ）を動的ＶＳＢ変調部７０により生成された変調信号ｘ（ｔ）’’に適用し、信号ｘ（ｔ）’’’を生成する。逆フィルタｈ（ｔ）は、超音波変換器１００を特定のフィルタ、例えば、ＦＩＲフィルタにモデリングする場合、超音波変換器１００の周波数特性から、フィルタの係数を獲得することができ、獲得されたフィルタの係数を利用して逆フィルタ係数を予め獲得できる。

超音波増幅器９０は、動的ＶＳＢ変調部７０により変調された信号ｘ（ｔ）’’を逆フィルタｈ（ｔ）でフィルタリングした信号ｘ（ｔ）’’に、超音波振動素子により発生された超音波を放射することにより、信号を物理的な力で振動させることで信号ｘ（ｔ）’’’の振幅を拡大させ、振幅拡大信号ｘ（ｔ）’’’’を生成する。

超音波変換器１００は、超音波増幅器９０による振幅拡大信号ｘ（ｔ）’’’’を超音波信号に変換させる。このような超音波変換器１００は、圧電性、自己歪み性を利用する方式及び半導体を利用する方式がある。

圧電性電気音響変換素子は、例えば、水晶のような結晶で一定の方向に切り出した板または棒に、適当な周波数の高周波電圧を加えると、結晶から超音波が発生する方式を利用する変換素子である。この圧電性電気音響変換素子は、加えられる電圧の周波数が水晶の結晶が有する基本振動数の奇数倍になるときに発生する干渉現象を利用する方式である。即ち、圧電性電気音響変換素子は、特定の周波数を得るためには適切な振動子、例えば、水晶に適切な振動を加えることで、電気を加えて振動を起こすため圧電型素子という。

自己歪み型や半導体型も超音波を発生させる原理は圧電型と同一であり、使用する材料の特性上の差異により区分される。

超音波変換器１００により変換された超音波信号は、空気中に放射されることにより、非線形復調されて音響オーディオに出力される。

このような構造を有する本発明の実施例による超指向性スピーカーシステムの歪み補償方法による信号処理方法について、図４を参照して説明すると次の通りである。

説明に先立ち、ｘ（ｔ）は現在入力されるオーディオ入力信号であり、ｈ（ｔ）は多種多様な超音波変換器１００を特定のフィルタにモデリングして計算された係数値の逆フィルタである。

本発明の超指向性スピーカーシステムの信号処理方法はまず、現在入力されるオーディオ入力信号ｘ（ｔ）の包絡線を計算し（Ｓ１）、計算された包絡線信号Ｅ（ｔ）の平方根演算を行い、信号Ｅ（ｔ）^０．５を生成する（Ｓ２）。

一方、Ｓ１及びＳ２段階が進行される間、現在のオーディオ入力信号ｘ（ｔ）は、以前の段のオーディオ入力信号ｘ（ｔ−１）で計算された適応フィルタ係数を適用し、歪み補償された信号ｘ（ｔ）’を生成し（Ｓ３）、生成されたｘ（ｔ）’信号の包絡線信号であるＥ（ｔ）’を計算する（Ｓ４）。

次に、Ｓ２段階及びＳ４段階でそれぞれ計算された信号Ｅ（ｔ）^０．５、Ｅ（ｔ）’を演算する（Ｓ５）。

包絡線信号Ｅ（ｔ）’において理想的な包絡線信号であるＥ（ｔ）^０．５を引き算し、その誤差信号であるｅ（ｔ）を生成する。

次に、適応フィルタ係数更新部６０は、ｅ（ｔ）信号による更新項を計算する（Ｓ６）。

更新項を計算するために、適応フィルタ係数更新部３０は、ＬＭＳ（Ｌｅａｓｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）及びＲＬＳ方式の少なくとも一つの適応方式を利用する。

次に、ｅ（ｔ）信号の更新項を利用して次の段に入力されるオーディオ入力信号ｘ（ｔ＋１）を事前歪み補償する（Ｓ３）。

Ｓ３段階において、以前の段のオーディオ入力信号ｘ（ｔ−１）により計算された適応フィルタ係数が適用された歪み補償信号ｘ（ｔ）’を動的にＶＳＢ変調し、信号ｘ（ｔ）’’を生成する（Ｓ７）。

次に、ＶＳＢ変調された信号ｘ（ｔ）’’に超音波変換器モデルの逆フィルタｈ（ｔ）を適用する（Ｓ８）。

このとき、適用される逆フィルタｈ（ｔ）は、システムで使用される超音波変換器１００を特定のフィルタにモデリングすることにより、計算することができる。

次に、超音波増幅器９０は、逆フィルタｈ（ｔ）によりフィルタリングされた信号ｘ（ｔ）’’’を超音波増幅する（Ｓ９）。

次に、超音波変換器１００は、増幅された信号を超音波変換する（Ｓ１０）。

最後に、超音波信号は、空気中で非線形復調されて音響オーディオ信号であるｏｕｔ（ｔ）に出力される（Ｓ１１）。

このような本発明の実施例による超指向性スピーカーシステムは、適応フィルタを使用して事前歪み補償された信号を変調部に提供することにより、繰り返すことなく、歪み補償をリアルタイムで適用できる。従って、本発明の超指向性スピーカーシステムは、歪み補償による遅延が少なく、ハードウエアの設計を簡素化することができ、効率の高い変調ができるシステムの構築が容易である。

即ち、本発明の実施例による超指向性スピーカーシステムは、事前歪み適応フィルタリングを使用することにより、リアルタイムでオーディオ入力信号を歪み補償し、これにより、超音波変換器から空気中に放射され、２次的に再生される可聴信号が元のオーディオ入力信号に近くなるように、変調の前に事前歪ませることが可能であり、線形ＦＩＲフィルタを使用することにより、事前歪まれた信号が本来の帯域幅内で変形されるようにし、ハードウエアの設計時にも複雑度が低くなる。又、本発明の超指向性スピーカーシステムは、ＶＳＢ変調方式を使用することになるため、対称的なフィルタにより元信号の低い周波数帯域に対する情報が重なることなく保全されるとともにフィルタリングされるため、理想的ではない非対称フィルタが使用されるＳＳＢ変調に比べて音質が改善でき、入力信号のレベルにより動的に変調指数を変えることで、効率の高い変調が可能である。

従来の超指向性スピーカーシステムにおいて、平方根変調方式を利用したオーディオ入力信号の処理方法を示した図。 従来の超指向性スピーカーシステムにおいて、ＳＳＢ変調及び再帰によるオーディオ入力信号の処理方法を示した図。 本発明の実施例による超指向性スピーカーシステムを示した図。 本発明の実施例による超指向性スピーカーシステムの信号処理方法を示した順序図。

符号の説明

＜図面の主要部分に対する符号の説明＞
１０、４０：包絡線計算部
２０：平方根演算部
３０：事前歪み適応フィルタ部
５０：誤差演算部
６０：適応フィルタ係数更新部
７０：動的ＶＳＢ変調部
８０：超音波変換器モデル
９０：超音波増幅器
１００：超音波変換器

Claims (13)

1. 現在入力されるオーディオ入力信号の包絡線を計算する第１包絡線計算部；
   上記第１包絡線計算部に計算された第１包絡線信号の平方根を演算して第１包絡線信号の平方根信号を生成する平方根演算部；
   上記の現在入力されるオーディオ入力信号に対して、以前の段に決められた適応フィルタ係数による適応フィルタ係数更新項を適用して歪み補償を行い、補償信号を生成する事前歪み適応フィルタ部；
   上記補償信号の包絡線を計算して第２包絡線信号を生成する第２包絡線計算部；
   上記第２包絡線信号と上記第１包絡線信号の平方根信号を比較演算して誤差信号を生成する誤差演算部；
   上記誤差信号から適応フィルタ係数更新項及び適応フィルタ係数を計算する適応フィルタ係数更新部；
   上記補償信号を動的に超音波帯域に変調させて変調信号を生成する動的ＶＳＢ変調部；
   超音波変換器の有する周波数の特性に対応される逆フィルタをモデリングし、上記変調信号に適用させてフィルタリング信号を生成する超音波変換器モデル；
   上記フィルタリング信号を増幅する超音波増幅器；及び、
   上記増幅された信号を超音波信号に変換する上記超音波変換器を備えることを特徴とする超指向性スピーカーシステム。
2. 上記オーディオ入力信号をｘ（ｔ）、上記第１包絡線信号はＥ（ｔ）、上記以前の段の適応フィルタ係数更新項をａ_ｍ（ｔ）とする場合、
   

   

   上記補償信号ｘ（ｔ）’は、
   上記補償信号ｘ（ｔ）’をＡＭ変調して得られる第２包絡線信号Ｅ（ｔ）’は、Ｅ（ｔ）’＝１＋ｍｘ（ｔ）’；
   上記誤差信号ｅ（ｔ）は、ｅ（ｔ）＝Ｅ（ｔ）’−Ｅ（ｔ）^０．５２；
   上記適応フィルタ係数更新項は、△ａ_ｍ（ｔ）＝−ｅ（ｔ）／ａ_ｍ（ｔ）＝−２Ｅ（ｔ）’−Ｅ（ｔ）^０．５ｘ（ｔ−ｍ）；
   上記適応フィルタ係数はａ_ｍ（ｔ＋１）＝ａ_ｍ（ｔ）＋β△ａ_ｍ（ｔ）であり、
   但し、ｍは変調指数、βは適応係数であることを特徴とする請求項１に記載の超指向性スピーカーシステム。
3. 上記動的ＶＳＢ変調部は、
   入力される信号レベルにより上記変調指数を動的に変化させることを特徴とする請求項２に記載の超指向性スピーカーシステム。
4. 上記適応フィルタ係数更新部は、
   ＬＭＳ方式及びＲＬＳ方式の少なくとも一つの方式を適用することを特徴とする請求項１に記載の超指向性スピーカーシステム。
5. 上記事前歪み適応フィルタ部は、
   線形ＦＩＲフィルタを含むことを特徴とする請求項１に記載の超指向性スピーカーシステム。
6. 上記逆フィルタは、
   上記超音波変換器を特定のフィルタにモデリングして得られる、上記超音波変換器の周波数特性を利用して予め計算されることを特徴とする請求項１に記載の超指向性スピーカーシステム。
7. 上記特定フィルタは、
   ＦＩＲフィルタであることを特徴とする請求項６に記載の超指向性スピーカーシステム。
8. 現在のオーディオ入力信号の包絡線と以前の段のオーディオ入力信号から得られた適応フィルタ係数を適用した包絡線を比較して、それによる現在適応フィルタ係数を計算する適応フィルタ計算部；
   上記適応フィルタ係数値が適用されたオーディオ入力信号をＶＳＢ変調させるＶＳＢ変調部；及び、
   変調された信号を超音波に変換する超音波変換部を備えることを特徴とする超指向性スピーカーシステム。
9. 上記適応フィルタ計算部は、現在入力されるオーディオ入力信号の包絡線を計算する第１包絡線計算部；
   上記第１包絡線計算部に計算された第１包絡線信号の平方根を演算して第１包絡線信号の平方根信号を生成する平方根演算部；
   上記の現在入力されるオーディオ入力信号に対して、以前の段に決められた適応フィルタ係数による適応フィルタ係数更新項を適用して歪み補償を行い、補償信号を生成する事前歪み適応フィルタ部；
   上記補償信号の包絡線を計算して第２包絡線信号を生成する第２包絡線計算部；
   上記第２包絡線信号と上記第１包絡線信号の平方根信号を比較演算して誤差信号を生成する誤差演算部；及び、
   上記誤差信号から適応フィルタ係数更新項及び適応フィルタ係数を計算する適応フィルタ係数更新部を含んで構成され、
   上記ＶＳＢ変調部は、上記補償信号を動的に超音波帯域に変調させて変調信号を生成する動的ＶＳＢ変調部であり、
   上記超音波変換部は、超音波変換器の有する周波数の特性に対応される逆フィルタをモデリングし、上記変調信号に適用させてフィルタリング信号を生成する超音波変換器モデル；
   上記フィルタリング信号を増幅する超音波増幅器；及び、
   上記増幅された信号を超音波信号に変換する上記超音波変換器を含んで構成されることを特徴とする請求項８に記載の超指向性スピーカーシステム。
10. 現在のオーディオ入力信号の包絡線を計算して第１包絡線信号を生成する第１段階；
    上記第１包絡線信号の理想的な包絡線信号を生成する第２段階；
    以前の段のオーディオ入力信号により決められた適応フィルタ係数を適用して事前歪み補償された補償信号を生成する第３段階；
    上記補償信号の包絡線信号を生成する第４段階；
    上記理想的な包絡線信号と上記補償信号の包絡線信号を比較演算して誤差信号を生成する第５段階；
    上記誤差信号から適応フィルタ係数更新項及び適応フィルタ係数を計算する第６段階；
    上記補償信号を動的に残留側波帯変調して変調信号を生成する第７段階；
    上記変調信号を超音波変換器に対応される逆フィルタでフィルタリングする第８段階；
    上記フィルタリングされた信号を超音波増幅する第９段階；及び、
    上記超音波増幅された信号を超音波変換する第１０段階を含むことを特徴とする超指向性スピーカーの信号処理方法。
11. 現在のオーディオ入力信号をｘ（ｔ）、上記以前の段のオーディオ入力信号により決められた適応フィルタ係数をａ_ｍ（ｔ）とする場合、
    

    

    上記補償信号ｘ（ｔ）’は、
    上記補償信号ｘ（ｔ）’をＡＭ変調して得られる第２包絡線信号Ｅ（ｔ）’は、Ｅ（ｔ）’＝１＋ｍｘ（ｔ）’；
    上記誤差信号ｅ（ｔ）は、ｅ（ｔ）＝Ｅ（ｔ）’−Ｅ（ｔ）^０．５２；
    上記適応フィルタ係数更新項は、△ａ_ｍ（ｔ）＝−ｅ（ｔ）／ａ_ｍ（ｔ）＝−２Ｅ（ｔ）’−Ｅ（ｔ）^０．５ｘ（ｔ−ｍ）；
    上記適応フィルタ係数は、ａ_ｍ（ｔ＋１）＝ａ_ｍ（ｔ）＋β△ａ_ｍ（ｔ）であり、
    但し、ｍは変調指数、βは適応係数であることを特徴とする請求項１０に記載の超指向性スピーカーの信号処理方法。
12. 上記超音波信号が空気中で非線形復調されて音響オーディオ出力に変換される第１１段階を更に含むことを特徴とする請求項１０に記載の超指向性スピーカーの信号処理方法。
13. 上記逆フィルタは、
    上記第１０段階において利用される超音波変換器を特定のフィルタにモデリングして得られる上記超音波変換器の周波数の特性から計算されることを特徴とする請求項１０に記載の超指向性スピーカーの信号処理方法。

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