JP2008167152A - 増幅装置、増幅方法及び増幅プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 クリップ現象による不快なノイズを抑制するとともに、一部の周波数帯の振幅が大きい曲でも視聴者のボリューム操作とともに振幅の小さな他の周波数帯の振幅を大きくする「増幅装置、増幅方法及び増幅プログラム」を提供することを目的とする。
【解決手段】 電源電圧を監視する監視部１１０と、音声信号を所定の周波数帯毎に分割して、各音声信号の振幅が、制限すべき最大振幅より大きい場合に、各音声信号の振幅を最大振幅よりも低い振幅に減衰するリミッタ部１３０と、電源電圧の監視結果に応じて、最大振幅を規定する規定部１２０と、減衰した音声信号を増幅する増幅部１４０と、を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、増幅技術に関し、特に、クリップ現象に伴う聴感上の不快なノイズを低減する増幅技術に関する。

増幅装置では、原則、最終的な出力となる電圧のレベル（以下、振幅という。）が電源電圧より大きくはならないが、増幅装置へ入力される音声信号の振幅が大きく、増幅後の電圧の振幅が電源電圧より大きくなる場合には、電源電圧近傍で出力が貼りつく、いわゆるクリップ現象（以下、単にクリップという。）が生じる。そして、このクリップでは、聴感上の不快なノイズが発生することが知られている。特に、カーオーディオの分野では、電源電圧は、走行状態やエアコンの作動状態等によって頻繁に変動するので、電圧の振幅に固定的な制限を加えるだけでは、クリップ現象に対応できるものではない。

このようなクリップに対し、アナログ型増幅装置を集積したパワーＩＣ(Integrated Circuit)ではクリップ検出端子を具備し、クリップが検出されたら入力される音声信号の振幅を下げる等の処理を行うことよって対応している。

例えば、特許文献１では、入力される音声信号の振幅に対応して最適なゲイン（利得）を設定するために、入力される音声信号がクリップするか否かで、ゲインの設定前に、乗算されるゲインパラメータを増減するようにしている。
特開２００２−１５１９７５号公報

ところで、上述したような増幅装置では、クリップが検出されてから入力される音声信号の振幅を下げるために、瞬間的なノイズが発生するという問題があった。また、音声信号の振幅を全周波数一律に下げるために、一部の周波数の振幅が大きいような音楽ではボリュームを上げても振幅の小さな周波数（高音）の音量が上がらず、不満を持つ視聴者がいた。例えば、通常、音楽信号は１／ｆ特性という、低周波数ほど振幅が大きい特性を持っており、低周波数の振幅におけるクリップが検出されてしまう曲では、視聴者がボリュームを上げても、それ以上は音量が上がらないという問題が発生した。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、クリップ現象による不快なノイズを抑制するとともに、一部の周波数帯の振幅が大きい曲でも視聴者のボリューム操作とともに振幅の小さな他の周波数帯の振幅を大きくする増幅装置、増幅方法及び増幅プログラムを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、電源電圧を監視する監視手段と、音声信号を所定の周波数帯毎に分割して、各音声信号の振幅が、制限すべき最大振幅より大きい場合に、各音声信号の振幅を最大振幅よりも低い振幅に減衰する減衰手段と、電源電圧の監視結果に応じて、最大振幅を規定する規定手段と、減衰した音声信号を増幅する増幅手段と、を有することを特徴とする増幅装置である。
この構成によれば、周波数毎に分割された音声信号に対し、電源電圧に応じてその振幅が減衰するようになる。

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、減衰手段が、減衰の処理時間に応じて、各音声信号の出力が同期をとるように遅らせる遅延手段を含むことを特徴とする。
この構成によれば、減衰の処理時間に応じて音声信号を遅らせることとなり、音声信号の出力に同期がとれ、瞬間的なノイズを抑制することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、監視手段が、電源電圧の変動があった場合に規定手段に通知することを特徴とする。
この構成によれば、監視手段が規定手段に電源電圧の変動を通知するようになる。

請求項４に記載の発明は、電源電圧を監視し、音声信号を所定の周波数帯毎に分割して、各音声信号の振幅が、制限すべき最大振幅より大きい場合に、各音声信号の振幅を最大振幅よりも低い振幅に減衰し、電源電圧の監視結果に応じて、最大振幅を規定し、減衰した音声信号を増幅する増幅方法である。
この構成によれば、周波数毎に分割された音声信号に対し、電源電圧に応じてその振幅が減衰するようになる。

請求項５に記載の発明は、コンピュータを、電源電圧を監視する監視手段と、音声信号を所定の周波数帯毎に分割して、各音声信号の振幅が、制限すべき最大振幅より大きい場合に、各音声信号の振幅を最大振幅よりも低い振幅に減衰させる減衰手段と、電源電圧の監視結果に応じて、最大振幅を規定する規定手段と、減衰した音声信号を増幅する増幅手段として機能させることを特徴とする増幅プログラムである。
この構成によれば、周波数毎に分割された音声信号に対し、電源電圧に応じてその振幅が減衰するようになる。

本発明の増幅装置によれば、クリップによる不快なノイズを抑制できるとともに、振幅の小さな周波数帯の振幅を大きくできるため、視聴者の音量感を増加させることができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。
図１は本発明の実施形態に係る増幅装置１００の機能ブロック図、図２はリミッタ部１３０の詳細を示す機能ブロック図、図３は判定部の処理の一例を示すプログラムである。

尚、図１及び図２に示す各機能ブロックは、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の処理装置、ＤＲＡＭ(Dynamic Random Access Memory)、ＳＲＡＭ（Static RAM）、ＲＯＭ(Read Only Memory)等の半導体記憶装置、及び所要のソフトウェアによりそれぞれ実現される。

増幅装置１００は、例えばシステムＬＳＩ（Large Scale Integration）等で構成され、図１に示すように、監視部１１０、規定部１２０、リミッタ部１３０、増幅部１４０等から構成される。

監視部１１０は、本発明の監視手段の一例であって、例えばＣＰＵ等で構成され、エアコンやパワーウィンドウ等を動作させるために車内に供給する電源電圧の電圧値を監視する。電源電圧に変動があった場合には、その電圧値を規定部１２０に通知する。尚、監視部１１０は、例えば、車内に供給される電源電圧が１２Ｖ（ボルト）である場合には、その一部である５Ｖ（ボルト）程度というように、車内に供給される電源電圧のすべてでなく、その一部を監視するようにしてもよい。また、必要に応じて、アナログ信号をデジタル信号に変換する既知のＡ／Ｄ変換器を設けて、デジタル信号として監視するようにしてもよい。

規定部１２０は、本発明の規定手段の一例であって、例えばＣＰＵ等で構成され、電源電圧の監視結果に応じて、最大振幅をリミッタ部１３０に規定する。最大振幅は予め測定された電源電圧・最大振幅対応表等から規定される。したがって、監視部１１０から電源電圧の電圧値が通知されることで、リミッタ部１３０に規定すべき最大振幅が規定される。

リミッタ部１３０は、本発明の減衰手段の一例であって、例えばＤＳＰ等で構成され、音声信号を所定の周波数帯毎に分割して、各周波数帯の音声信号の振幅が、規定された制限すべき最大振幅より大きい場合に、各音声信号の振幅を前記最大振幅よりも低い振幅に減衰する機能を有する。音声信号は、アナログの音声信号、デジタルの音声信号のいずれでもよく、アナログの音声信号である場合には、適宜、Ａ／Ｄ変換器等を設けてもよい。

さらに、リミッタ部１３０を詳しく説明すると、図２に示すように、複数のローパスフィルタ（ＬＰＦ）１３１ａ〜１３１ｄ、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）１３２ａ〜１３２ｄ、振幅算出部１３３ａ〜１３３ｅ、判定部１３４ａ〜１３４ｅ、調整部１３５ａ〜１３５ｅ、遅延部１３６ａ〜１３６ｅ及び加算部１３７等から構成される。

ＬＰＦ１３１ａ〜１３１ｄは、入力された音声信号の高周波数をカットして、低周波数を選択的に通過させ、ＨＰＦ１３２ａ〜１３２ｄは入力された音声信号の低周波数をカットして、高周波数を選択的に通過させる。これらの高低は設計にしたがって決定することができる。

ＬＰＦ１３１ａ〜１３１ｄ及びＨＰＦ１３２ａ〜１３２ｄは、図２に示すように、第１のＬＰＦ１３１ａと、第１のＨＰＦ１３２ａとが並列に接続され、さらに、第１のＨＰＦ１３２ａの出力端が、並列に配置される第２のＬＰＦ１３１ｂの入力端と第２のＨＰＦ１３２ｂの入力端とに接続される。同様に、第２のＨＰＦ１３２ｂの出力端が、並列に配置される第３のＬＰＦ１３１ｃの入力端と第３のＨＰＦ１３２ｃの入力端とに接続され、第３のＨＰＦ１３２ｃの出力端が、並列に配置される第４のＬＰＦ１３１ｄの入力端と第４のＨＰＦ１３２ｄの入力端とに接続される。これにより、リミッタ部１３０に入力される音声信号が、周波数帯毎に５つに分割される。尚、本実施形態では、一例として音声信号を５つに分割しているが、分割数はこれに限られるものではない。また、分割する際の基準としては、例えば、１オクターブ毎に分割するようにしてもよい。当該基準についても限定されるものではない。このように、周波数毎に処理を行うことで、振幅の小さな周波数に対しても対応が可能となる。

振幅算出部１３３ａ〜１３３ｅは、各周波数帯における振幅を算出する。当該振幅の算出は例えばＲＭＳ（２乗平均平方根）値によって算出される。算出された周波数帯の振幅は、各周波数帯に対応する判定部１３４ａ〜１３４ｅに送信される。尚、振幅の算出は、周波数帯ごとに異ならせるようにしてもよく、また、振幅の算出方法も、所定時間内における振幅の単純平均等であってもよい。

判定部１３４ａ〜１３４ｅは、規定部１２０によって規定された最大振幅と各振幅算出部１３３ａ〜１３３ｅで算出された振幅の大小をそれぞれ対応させて比較する。例えば、図３に示すように、規定された最大振幅より、振幅算出部１３３ａ〜１３３ｅで算出された振幅ｘが大きい場合には、クリップが発生すると判断し、処理前のゲインＧ_ＯＬＤから任意のゲインダウンステップ値ａを減算し、音声信号にクリップを発生させないように調整するためのゲインＧ_ＮＥＷを算出する。ここで、ゲインダウンステップ値ａは、音声信号の振幅が電源電圧の振幅に触れないように調整する値とし、周波数帯毎に異ならせるようにしてもよい。また、処理前のゲインＧ_ＯＬＤがすでに初期値０ｄＢ未満となる場合には、ゲインＧ_ＮＥＷが０ｄＢとなるゲインアップステップ値ｂを加算する。すなわち、電源電圧の変動に伴う当該周波数帯における音声信号の調整処理は不要であると判断できる。これにより、入力される音声信号と出力される音声信号の振幅が１対１となり、不必要な振幅制限をかけないですむ。

調整部１３５ａ〜１３５ｅは、周波数帯ごとに算出されたゲインＧ_ＮＥＷを各周波数帯の音声信号に対応させてゲインを調整する。この結果、出力される各音声信号はクリップを発生させない音声信号となる。

遅延部１３６ａ〜１３６ｅは、本発明の遅延手段の一例であって、振幅算出及び判定に係る処理時間に相当する時間だけ音声信号を遅延する。尚、遅延させる時間は、減衰処理する時間に対して十分な時間であることが望ましい。各周波数帯で処理時間が異なることにより、音声信号が出力される際にクリップを生じ、瞬間的なノイズが発生してしまう可能性があるが、クリップを検出してからゲインを下げるまで十分な時間を確保することで、音声信号が出力される際には同期がとれ、瞬間的なノイズも発生しないようになる。

加算部１３７は、各調整部１３５ａ〜１３５ｅで調整された音声信号を加算する。加算された音声信号は１つの音声信号となって出力される。尚、出力する際には、デジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換装置等を使用して、アナログ信号に変換してから出力することが望ましい。

増幅部１４０は、本発明の増幅手段の一例であって、既知の増幅回路等で構成され、減衰したアナログの音声信号を増幅する。増幅部１４０は、アナログアンプ、デジタルアンプのいずれでもよく、デジタルアンプである場合には、デジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器等を使用して、アナログ信号に変換してから出力することが望ましい。増幅された音声信号はスピーカ２００から出力される。

続いて、増幅装置１００の動作について図４を参照して説明する。
図４は増幅装置１００における処理の一例を示すフローチャートである。
増幅装置１００は、まず、各周波数帯での振幅を算出するために、パラメータｎ＝１を設定し、以降の処理に備える（ステップＳ１）。当該パラメータｎは、音声信号の分割数を超えるまで繰り上げられる。これにより、各周波数帯の振幅が算出できる。

増幅装置１００は、次いで、音声信号の第１の振幅を算出し（ステップＳ２）、次いで、算出された振幅が規定された振幅より大きいか否かを判断する（ステップＳ３）。そして、増幅装置１００が、規定された最大振幅より大きいと判断した場合には、処理前のゲインＧ_ＯＬＤからゲインダウンステップ値ａを差し引いた差分値を新たなゲインＧ_ＮＥＷとする（ステップＳ４）。

一方で、増幅装置１００が規定された最大振幅以下であると判断した場合には、増幅装置１００は、次いで、処理前のゲインＧ_ＯＬＤが０ｄＢ未満であるか否かを判断する（ステップＳ５）。そして、処理前のゲインＧ_ＯＬＤが０ｄＢ未満であると判断した場合には、ゲインアップステップ値ｂを加算した加算値を新たなゲインＧ_ＮＥＷとしている（ステップＳ６）。尚、処理前のゲインＧ_ＯＬＤが０ｄＢ以上であると判断した場合には、ステップＳ６の処理を行わない。

増幅装置１００は、次いで、パラメータｎの値を１だけ繰り上げ（ステップＳ７）、繰り上がったパラメータｎが音声信号の分割数より大きいか否かを判断する（ステップＳ８）。すなわち、当該処理において、まだ算出すべき新たなゲインＧ_ＮＥＷがあるか否かを判断する。本実施形態では、図２に示すように、５つの周波数帯の音声信号に分割しているため、パラメータがｎ＝１から１繰り上がって２となっても音声信号の分割数５より小さいため、ステップＳ２の処理に戻る。

増幅装置１００は、このような処理を繰り返すことにより、分割したすべての周波数帯のゲインＧ_ＮＥＷを算出する。そして、分割したすべての周波数帯のゲインＧ_ＮＥＷを算出し終えると、算出されたゲインＧ_ＮＥＷをもって各周波数帯の音声信号を調整し（ステップＳ９）、さらに、調整された各周波数帯の音声信号を加算する（ステップＳ１０）。これにより、クリップ現象の発生を抑制する音声信号が生成されることとなる。

さらに、本実施形態による音声信号について図５を参照して説明する。
図５は本実施形態に係る音声信号と比較例に係る音声信号を説明するための図である。
比較例における音声信号は、図５の破線で示す電源電圧の変動前においては、振幅が変動前の電源電圧（＋）と変動前の電源電圧（−）との間に記録されることとなり、クリップが生じていないが、図５の二点鎖線で示す電源電圧の変動後においては、振幅が変動後の電源電圧（＋）及び変動後の電源電圧（−）を超えることとなり、超えた部分がクリップとなってしまう。

一方で、本実施形態における音声信号は、電源電圧の変動後であっても、振幅が変動に応じて減衰し、変動後の電源電圧（＋）と変動後の電源電圧（−）との間に記録されることとなり、電源電圧の変動前後においても、クリップが生じないようになる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することが可能である。本発明のプログラムを通信手段により提供することはもちろん、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に格納して提供することも可能である。音声信号のリミッタ処理は、音声信号を調整するためのゲインを昇順で算出したが、降順で算出してもよく、さらには、並行して算出するようにしてもよい。増幅装置のコンピュータ（例えばＣＰＵやＤＳＰ）が、増幅装置１００の機能を実現するためのソフトウェアのプログラムを実行することによっても、上記実施形態と同様の効果を奏する。

以上説明したように、本発明の増幅装置のよれば、クリップによる不快なノイズを抑制できるとともに、視聴者の音量感を増加させることができ、産業上の利用可能性が高い。

増幅装置の機能ブロック図である。 リミット部の詳細を示す機能ブロック図である。 判定部の処理の一例を示すプログラムである。 増幅装置の処理の一例を示すフローチャートである。 本実施形態に係る音声信号と比較例に係る音声信号を説明するための図である。

符号の説明

１００ 増幅装置
１１０ 監視部
１２０ 規定部
１３０ リミッタ部
１３１ａ〜１３１ｄ ＬＰＦ
１３２ａ〜１３２ｄ ＨＰＦ
１３３ａ〜１３３ｅ 振幅算出部
１３４ａ〜１３４ｅ 判定部
１３５ａ〜１３５ｅ 調整部
１３６ａ〜１３６ｅ 遅延部
１３７ 加算部
１４０ 増幅部
２００ スピーカ

Claims (5)

1. 電源電圧を監視する監視手段と、
   音声信号を所定の周波数帯毎に分割して、各音声信号の振幅が、制限すべき最大振幅より大きい場合に、各音声信号の振幅を前記最大振幅よりも低い振幅に減衰する減衰手段と、
   前記電源電圧の監視結果に応じて、前記最大振幅を規定する規定手段と、
   減衰した前記音声信号を増幅する増幅手段と、
   を有することを特徴とする増幅装置。
2. 前記減衰手段は、減衰の処理時間に応じて、前記各音声信号の出力が同期をとるように遅らせる遅延手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の増幅装置。
3. 前記監視手段は、前記電源電圧の変動があった場合に前記規定手段に通知することを特徴とする請求項１または２に記載の増幅装置。
4. 電源電圧を監視し、
   音声信号を所定の周波数帯毎に分割して、各音声信号の振幅が、制限すべき最大振幅より大きい場合に、各音声信号の振幅を前記最大振幅よりも低い振幅に減衰し、
   前記電源電圧の監視結果に応じて、前記最大振幅を規定し、
   減衰した前記音声信号を増幅する増幅方法。
5. コンピュータを、
   電源電圧を監視する監視手段と、
   音声信号を所定の周波数帯毎に分割して、各音声信号の振幅が、制限すべき最大振幅より大きい場合に、各音声信号の振幅を前記最大振幅よりも低い振幅に減衰する減衰手段と、
   前記電源電圧の監視結果に応じて、前記最大振幅を規定する規定手段と、
   減衰した前記音声信号を増幅する増幅手段として機能させることを特徴とする増幅プログラム。

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