JP2008187547A

JP2008187547A - オーディオ装置

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Publication number: JP2008187547A
Application number: JP2007020220A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Takashima; 紀之高島
Original assignee: Alpine Electronics Inc
Current assignee: Alpine Electronics Inc
Priority date: 2007-01-30
Filing date: 2007-01-30
Publication date: 2008-08-14
Anticipated expiration: 2027-01-30
Also published as: JP4804376B2

Abstract

【課題】適応アルゴリズムを備えた適応制御でサラウンド効果を生成するに際し、入力信号レベルが低くてもサラウンド効果を十分発揮でき、入力信号レベルの相違によるサラウンドが相違しないように処理を行うことができる「オーディオ装置」とする。
【解決手段】各チャンネルの入力信号に対して、一方の入力信号を適応アルゴリズムを備えた適応制御部で処理した信号と他方の入力信号との差分を演算し、前記適応制御部で該差分と前記一方の入力信号とステップサイズパラメータとによって適応フィルタ係数を更新し、前記差分を各々左右のサラウンド信号として出力するサラウンド生成部を備えたオーディオ装置において、サラウンド生成部の信号入力側にダイナミックレンジ圧縮部を設けて、前記入力信号のレベルが低いほど圧縮を大きくする制御を行う。更に入力レベルが低いときには入力ゲインを上げる等の制御も行う。
【選択図】図１

Description

本発明は２チャンネルのステレオオーディオ信号からマルチチャネルのオーディオ信号を生成するオーディオ装置に関し、特に入力信号を改善して明瞭なマルチチャネルのオーディオ信号を生成することができるようにしたオーディオ装置に関する。

従来より２チャンネルのステレオオーディオ信号からマルチチャネルのオーディオ信号を生成する各種の技術が提案されており、例えば図５に示すように左右の入力信号Ｌ、ＲをそのままＬ、Ｒとして出力する以外に、両信号を各々＋、−逆に加算を行い、Ｌ−Ｒを左側サラウンド出力信号ＳＬとし、Ｒ−Ｌを右側サラウンド出力信号ＳＲとする技術も用いられている。しかしながらこの技術では、左側サラウンド出力信号ＳＬと右側サラウンド出力信号ＳＲとは互いに逆位相であるため、再生する際には利用者に逆位相感を与えてしまい、再生時に違和感があり、不自然な印象を与える、という問題があった。

その対策として図６に示すような技術が提案されている（特許文献１：特開２００３−３３３６９８号公報；特許第３６８２０３２号）。本発明は主としてこの技術を更に改良した技術に相当し、その詳細は特許文献１に詳細に説明されているが、概要は次のようなものである。即ち図６にはこの技術を２チャンネルのステレオ信号から４チャンネル信号を生成する実施の態様を示しており、２チャンネルのステレオオーディオ信号であるＬおよびＲが入力される。入力されたこの信号ＬおよびＲにより、出力される４チャンネルの信号Ｌ、Ｒ、ＳＬ、ＳＲが生成される。

出力される４チャンネルの信号の中で、出力信号ＬおよびＲは入力信号ををそのまま出力する。適応無相関化器１ＬにLとＲを入力し、ＡＳＬとなる信号を生成する。この信号ＡＳＬを帯域制限フィルタ２Ｌ及び遅延処理器３Ｌを通すことにより、帯域制限および遅延処理を行った後、左側のサラウンド出力信号ＳＬとする。一方、適応無相関化器１ＲにもＬとＲを入力してＡＳＲとなる信号を生成し、この信号ＡＳＲを帯域制限フィルタ２Ｒ及び遅延処理器３Ｒを通すことにより、帯域制限およびディレイ処理を行った後、右側のサラウンド出力信号ＳＲとするものである。この技術においては上記のような処理手法を基本とし、更に他のチャンネルの処理を加えることにより５チャンネル、５．１チャンネル等の、より多数チャンネルのサラウンドの生成を可能としている。

ここで用いられる適応無相関化器としては、例えばＦＩＲフィルターによる適応信号処理を行うことができる。このＦＩＲフィルタによる適応信号処理を採用した適応無相関化器の構成例を図７に示す。この適応無相関化器は、加算側の入力信号Ｙと減算側の入力信号Ｘの入力端子と、サラウンド信号となる出力信号Ｏの出力端子とを備えている。加算側の入力信号Ｙは、遅延処理器Ｚ^−ｍを介して演算器Ａに入力される。

一方、減算側の入力信号Ｘは、ＦＩＲフィルタを構成する多段に設けられたディレイ処理器Ｚ^−１によって順次遅延処理を施された後、ＲＥＳ（ｎ）＝Ｘ（ｎ）^ＴＷ（ｎ）の式により、Ｗ０，Ｗ１，・・・，Ｗｋを要素とする係数処理器Ｗにおいて所定の係数と重畳され、その後、各段の出力成分が演算器Σによって加算されて、レスポンス信号ＲＥＳを得る。ここで、前記ｋはタップ長（遅延処理の数）を表す。

このようにして得られたレスポンス信号ＲＥＳは演算器４に入力され、同じく演算器４に入力された他方のチャンネルの入力信号Ｙからこのレスポンス信号ＲＥＳが差し引かれ、エラー信号ｅおよび出力信号Ｏが得られる。前記係数処理器Ｗは適応アルゴリズムを備えた係数更新処理器Ｂによって、入力信号Ｘの成分のうち入力信号Ｙの成分と相関が高い成分を抽出するように更新される。即ち、この係数更新処理器Ｂには、入力信号Ｘ及び演算器Ａからのエラー信号ｅが刻々と入力され、これら入力信号Ｘおよびエラー信号ｅが更新アルゴリズムによって処理されることにより、係数更新処理器Ｂから各段の係数処理器Ｗ０，Ｗ１，・・・，Ｗｋに係数の更新指令が出力され、これに基づいて各段のディレイ処理器Ｚ^−１からの出力信号に重畳される係数の値が変化する。

このような係数更新処理器Ｂにおいて採用される更新式として例えばＬＭＳアルゴリズムが採用される。これは瞬時自乗誤差を評価量としたアルゴリズムであり、Ｗ（ｎ＋１）＝Ｗ（ｎ）＋２μ・ｅ（ｎ）・Ｘ（ｎ）の式で係数処理器Ｗが更新される。ここで、μはステップサイズパラメータであり実現される適応無相関化器の性能に大きく影響を与える量である。

上記のような図６に示す適応無相関器１Ｌ、１Ｒは、図７に示すようなＬＭＳアルゴリズムのステップサイズパラメータμで更新されるＦＩＲフィルタによる適応信号処理を行うものであり、係数更新処理器Ｂは適応アルゴリズムに相当する。これをオーディオ装置のサラウンド信号発生部に組み込むと図８に示すようになる。即ち、図８において左右の入力信号Ｌ、Ｒをそのまま左右の出力信号Ｌ、Ｒとして出力するほか、左右のサラウンド信号発生部Ｌ１０、Ｒ１０でサラウンド信号を生成するとき、前記図７に示したＦＩＲフィルタによる適応信号処理を行うものであり、図８では図７の処理システムを一般化して図示している。したがってここでは、２チャンネルステレオ信号を入力し、各チャンネルの入力信号に対して、一方の入力信号を適応アルゴリズムを備えた適応制御部で処理した信号と他方の入力信号との差分を演算し、前記適応制御部で該差分と前記一方の入力信号とステップサイズパラメータとによって適応フィルタ係数（ＡＤＦ係数）を更新し、前記差分を各々左右のサラウンド信号として出力するサラウンド生成部を備えたオーディオ装置を構成しており、本発明ではこの構成を前提としている。前記のようにして得られるサラウンド信号は、従来技術の問題を解決し、逆相感の無い自然なサラウンドシステムとすることができ、通称ＡＳＴ(Adaptive Surround Technology)として注目されている。
特開２００３−３３３６９８号公報（特許第３６８２０３２号）

一方、現在のオーディオ装置における製品設計段階では、２チャンネル信号のＤＳＰへの入力レベルの最大値はおおよそ、ＣＤが１Ｖrms＝０［ｄＢ］、ＡＭチューナーが０.１４Ｖrms＝−１７［ｄＢ］、ＦＭチューナーが０.１４Ｖrms＝−１７［ｄＢ］であり、ＣＤを基準として考えると、チューナーの最大入力レベルは相対的に−１７［ｄＢ］低くなっている。

この点について、前記のようなＡＳＴサラウンドシステムにおいては、ＡＳＴコアとなる適応フィルタの係数更新が常に行われるために必要な入力レベル、即ち入力レベルの下限値が、ステップサイズパラメータμとの関係で理論値として割り出すことができる。前記適応フィルタの係数更新式、Ｗ（ｎ＋１）＝Ｗ（ｎ）＋２μ・ｅ（ｎ）・Ｘ（ｎ）において、適応フィルタの係数更新が止まるとき、即ち、μ・ｅ（ｎ）・Ｘ（ｎ）＝０となる場合がその条件となる。ここで、固定小数点で表現できるＤＳＰの値の最小値０ｘ０００００１（２４ｂｉｔ表現）が最も「０」に近い値となる。更に、ｅ（ｎ）＝Ｘ（ｎ）とした場合で、μを可変にするとそれぞれのμに対する入力レベルの下限値が導出される。

これを示したものが図２であり、同図（ａ）の前記のようなＬＭＳアルゴリズムを用いた適応制御において、ＬＭＳアルゴリズムでのステップサイズパラメータμについて、同図（ｂ）のように、μ＝０．００１の場合−３９．２５［ｄＢ］であり、μ＝０．０００１の場合−２９．２４［ｄＢ］であり、μ＝０．００００１の場合−１９．２４［ｄＢ］であり、μ＝０．００００００１の場合−９．２４［ｄＢ］である。

このことから、前記のようにオーディオ装置における２チャンネル信号のＤＳＰの入力レベルが特にチューナーのようなオーディオソースは、最大入力レベルが低く設定されてしまうため、ＡＳＴサラウンドシステムでは適応フィルタの係数が更新されなくなり、その効果が減少してしまう。

その結果同じ楽曲でもＣＤとチューナーとでは、同じオーディオ装置を用いてもサラウンド効果に差異を生じることとなる。また、オーディオ信号の入力レベルによってサラウンド効果が異なることにより、入力信号レベルが低い楽曲では、サラウンド効果が少なくなる。また、クラシックなどのダイナミックレンジを広く取っている楽曲でも、バイオリンなど、楽器によっては収音レベルが最大値に比べて極端に低く、前記ＡＳＴによるサラウンド効果が同様に低減されてしまう可能性がある。

したがって本発明は、ＬＭＳアルゴリズム等の適応アルゴリズムを備えた適応制御によってサラウンド効果を生成するオーディオ装置において、入力信号レベルが低いときでもサラウンド効果を十分発揮することができ、入力信号レベルの相違によるサラウンドが相違しないように処理を行うことができるオーディオ装置を提供することを主たる目的とする。

本発明に係るオーディオ装置は、２チャンネルステレオ信号を入力し、各チャンネルの入力信号に対して、一方の入力信号を適応アルゴリズムを備えた適応制御部で処理した信号と他方の入力信号との差分を演算し、前記適応制御部で該差分と前記一方の入力信号とステップサイズパラメータとによって適応フィルタ係数を更新し、前記差分を各々左右のサラウンド信号として出力するサラウンド生成部を備えたオーディオ装置において、前記サラウンド生成部の信号入力側に設けた、入力信号のダイナミックレンジを圧縮するダイナミックレンジ圧縮部と、前記入力信号のレベルが低いほど前記ダイナミックレンジ圧縮部での圧縮を大きくする制御を行う制御部とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る他のオーディオ装置は、前記オーディオ装置において、前記制御部は、前記ステップサイズパラメータの値が小さいほど大きな圧縮をする制御を行うことを特徴とする。

本発明に係る他のオーディオ装置は、前記オーディオ装置において、前記制御部は、入力オーディオ信号をｘとするときの出力信号Ｘを、Ｘ＝１−（１−｜ｘ｜）^ｎの演算を行い、該ｎの値を入力信号のレベルが小さいほど大きな値とすることにより圧縮特性を付加することを特徴とする。

本発明に係る他のオーディオ装置は、前記オーディオ装置において、前記制御部は前記ダイナミックレンジ圧縮処理に加え、入力信号のレベルが所定値以下のとき、入力ゲインを上げる制御も行うことを特徴とする。

本発明に係る他のオーディオ装置は、前記オーディオ装置において、前記制御部は前記ダイナミックレンジ圧縮処理に加え、入力信号のレベルが所定値以下のとき、前記ステップサイズパラメータの値を大きくする処理を行うことを特徴とする。
ことを最も主要な特徴とする。

本発明は上記のように構成することにより、適応アルゴリズムを備えた適応制御によってサラウンド効果を生成するオーディオ装置において、入力信号レベルが低いときでもサラウンド効果を十分発揮することができる。また、入力信号レベルの相違によるサラウンド効果が相違しないように処理を行うことができると共に、収音レベルが低い楽曲を騒音の多い環境下でもサラウンド効果良く明瞭に聴くことができるようにもなる。更に、ＭＰ３やＡＡＣ、ＷＭＡ圧縮オーディオに対するサラウンド効果を改善することができるようにもなる。

本発明に係るオーディオ装置は、適応アルゴリズムを備えた適応制御によってサラウンド効果を生成するオーディオ装置において、入力信号レベルが低いときでもサラウンド効果を十分発揮することができるようにするという目的を、２チャンネルステレオ信号を入力し、各チャンネルの入力信号に対して、一方の入力信号を適応アルゴリズムを備えた適応制御部で処理した信号と他方の入力信号との差分を演算し、前記適応制御部で該差分と前記一方の入力信号とステップサイズパラメータとによって適応フィルタ係数を更新し、前記差分を各々左右のサラウンド信号として出力するサラウンド生成部を備えたオーディオ装置において、前記サラウンド生成部の信号入力側に設けた、入力信号のダイナミックレンジを圧縮するダイナミックレンジ圧縮部と、前記入力信号のレベルが低いほど前記ダイナミックレンジ圧縮部での圧縮を大きくする制御を行う制御部とを備えることにより実現したものである。

図１には本発明によるオーディオ装置の実施例を示している。同図において、前記のような適応アルゴリズムを備えた適応制御を用いたオーディオサラウンド処理を行うＡＳＴ(Adaptive Surround Technology)処理部としての、ＡＳＴコアサラウンド処理部２を備えており、このＡＳＴコアサラウンド処理部２への信号入力部、即ちこの処理部の前段にダイナミックレンジ圧縮部１を備えており、このダイナミックレンジ圧縮部１は、オーディオ処理デバイス（ＤＳＰ）に組み込まれ、マイコンの一機能としてのコントローラである制御部３により制御される。

制御部３では前記ＡＳＴコアサラウンド処理部２における適応アルゴリズムの適応フィルタに利用するステップサイズパラメータμの係数制御を行うと共に、特にダイナミックレンジ圧縮部１における後述するような圧縮処理では十分対処できないとき、従来より一部で行われている入力レベルを所定量上げる制御も行う。また、ダイナミックレンジ圧縮部１に対しては、入力レベルに応じた圧縮率の制御を行う。このときのダイナミックレンジ圧縮率の手法は従来より提案されている各種の手法を用いることができる。

図３にはダイナミックレンジ圧縮処理技術の一例を示し、この技術は騒音レベルに対応するための圧縮処理手段として、本件出願人が先に提案している手法である（特開平５−３４４０７８号公報）。図３に示すダイナミックレンジ圧縮例では、入力オーディオ信号をｘとするとき、ＤＳＰにより、ｘ＝（１−｜ｘ｜）^ｎの演算を行い、圧縮特性を付加すると共に、次数切り換え手段により騒音レベルに応じて次数ｎの値を可変にすることによって圧縮特性を変更し、出力オーディオ信号Ｘを発生するようにしたものである。以下、先に提案している圧縮手法を簡単に説明する。

図３に示す例においては、同図（ａ）のように、入力信号ｘに対してｘの正負の判断を行い（１１）、ｘ≧０のときａ＝１とし、ｘ＜０のときａ＝−１とする出力を行い（１２）、乗算器１７に出力する。、一方、入力信号ｘを用いて処理信号ｙ１＝ｘとし（１３）、次いでｙ２＝１−ｙ１を演算し（１４）、これをべき乗演算部１５に出力する。べき乗演算部１５では次数切換部２０の処理によって切り換えられるものであり、次数切換部２０は周囲の騒音に応じて切り換えることができるようにするため、マイク２１で収集した周囲の音声を騒音レベル検出器２２で騒音レベルを検出し、これを次数切換回路２３に出力している。

次数切換回路２３では図３（ｂ）のようなダイナミックレンジ圧縮特性によって次数の切換を行う。即ち、対数表示による入出力特性を実線Ｅにより示すもので、従来のアナログ方式の入出力特性をＡ、及びデジタル方式の入出力特性をＢとして、対比させて示してある。これより明らかなように、この技術では騒音レベルに基づいて次数ｎ値を可変することにより、アナログ方式の入出力特性Ａにより近づけることができ、また、検出された騒音レベルに基づいて次数ｎを切り換えることにより、騒音レベルに応じた最適な圧縮比を有する圧縮特性をオーディオ信号に付加することができる。

このような次数切り換え手法により次数切換回路２３は作動し、べき乗演算部１５は切り換えられた次数にしたがってべき乗の演算を行い出力信号ｙ３を得る。その後ｙ４＝１−ｙ３の演算によりｙ４を得て、これを乗算器１７に出力し、前記入力信号ｘの正負による＋１或いは−１であるａと乗算する。それによりｘ≧０のときＸ＝１−（１−｜ｘ｜）^ｎ、或いはｘ＜０のときＸ＝−１＋（１−｜ｘ｜）^ｎで演算されたオーディオ信号Ｘを出力する。このときのＸとｘの関係は前記のように、アナログ方式と類似している。

図１に示すダイナミックレンジ圧縮部１では、上記のような圧縮手法を採用し、例えば図４に示すようにして本発明に適用する。即ち、図４（ａ）には前記図３とほぼ同様のダイナミック圧縮レンジ処理を行うものであるが、ここでは図３（ａ）の次数切換部２０に代えてステップサイズパラメータ（μ）検出部２５を備えた次数切換部２４を備えている。このステップサイズパラメータ（μ）検出部２５では、図１のＡＳＴコアサラウンド生成部２における前記図８に示した例での、ＬＭＳアルゴリズムにおけるステップサイズパラメータ（μ）の値を検出する。

次数切換回路２６では圧縮比を設定する状態であることを検出したときに、例えば図４（ｂ）のダイナミックレンジ圧縮特性で次数切換のデータを得て、それによりべき乗演算部１５での前記のようなべき乗の値を設定し、圧縮特性を変更する。図４（ｂ）の例においては、ステップサイズパラメータ（μ）が第１の所定値であるａより小さくなったときにこの圧縮特性による処理を行う例を示しており、これよりも小さな第２の所定値であるｅよりも小さくなったときには、制御部３において入力レベル制御等の他の処理も行うようにしている。

図４（ｂ）の例においては直線Ｃ１の特性ではステップサイズパラメータ（μ）がａから小さくなるにしたがってそれに反比例し、或いは対数で反比例して圧縮比を上げる処理を行う。同図のＣ２はステップ状に圧縮率を上げる例を示しており、μがｂの時にべき乗数が２になるようにし、μがｃの時にべき乗数が３に、μがｄの時にべき乗数が４になるようにし、それよりμが小さくなったときには、図中Ｄの線で示す範囲外として、図１の制御部３において前記のように例えば入力レベル制御等の他の制御も行う。また、図４（ｂ）の曲線Ｃ３の特性では、ステップサイズパラメータμがａの時から徐々に増大し、μが小さくなるほど圧縮比の上昇率を高く設定する例を示している。このようにステップサイズパラメータμの値とダイナミック圧縮レンジの圧縮特性は任意に設定することができ、自由度の高い処理が可能となる。

前記図４（ｂ）中のＤの線で示す範囲外において、制御部３における他の制御として入力レベル制御を行うときには、従来から用いられている種々の手法を採用することができるが、例えば所定以下の入力レベルとなったときは、入力信号に＋αの加算を行い、或いは×βの乗算を行う手法を採用しても良い。また、入力レベルの特に低いときの対処手法としては、前記のような入力ゲインを上げる手法のほか、ステップサイズパラメータμの値を強制的に上げても良く、この手法は前記入力ゲインを上げる手法と共に、或いは独立して用いることもできる。

本発明の実施例の機能ブロック図である。入力レベルの下限値とステップサイズパラメータの値の関係の理論値を示す図である。先に提案している騒音レベルに対応したダイナミックレンジ圧縮例を示す図である。前記ダイナミックレンジ圧縮例の機能を用いた、ステップサイズパラメータに対応したダイナミックレンジ圧縮例を示す図である。従来のサラウンド出力例を示す図である。従来のＡＳＴサラウンド処理を行う基本ブロック図である。同処理における適応無相関化器部分の処理を示す図である。同処理をオーディオ処理部分に適用したときの機能ブロック図である。

符号の説明

１ダイナミックレンジ圧縮部
２ＡＳＴコアサラウンド生成部
３制御部

Claims

２チャンネルステレオ信号を入力し、各チャンネルの入力信号に対して、一方の入力信号を適応アルゴリズムを備えた適応制御部で処理した信号と他方の入力信号との差分を演算し、前記適応制御部で該差分と前記一方の入力信号とステップサイズパラメータとによって適応フィルタ係数を更新し、前記差分を各々左右のサラウンド信号として出力するサラウンド生成部を備えたオーディオ装置において、
前記サラウンド生成部の信号入力側に設けた、入力信号のダイナミックレンジを圧縮するダイナミックレンジ圧縮部と、
前記入力信号のレベルが低いほど前記ダイナミックレンジ圧縮部での圧縮を大きくする制御を行う制御部とを備えたことを特徴とするオーディオ装置。
前記制御部は、前記ステップサイズパラメータの値が小さいほど大きな圧縮をする制御を行うことを特徴とする請求項１記載のオーディオ装置。
前記制御部は、入力オーディオ信号をｘとするときの出力信号Ｘを、Ｘ＝１−（１−｜ｘ｜）^ｎの演算を行い、該ｎの値を入力信号のレベルが小さいほど大きな値とすることにより圧縮特性を付加することを特徴とする請求項１または２に記載のオーディオ装置。
前記制御部は前記ダイナミックレンジ圧縮処理に加え、入力信号のレベルが所定値以下のとき、入力ゲインを上げる制御も行うことを特徴とする請求項１記載のオーディオ装置。
前記制御部は前記ダイナミックレンジ圧縮処理に加え、入力信号のレベルが所定値以下のとき、前記ステップサイズパラメータの値を大きくする処理を行うことを特徴とする請求項１記載のオーディオ装置。