JP2010141633A

JP2010141633A - デジタル・オーディオ再生方法とｐｃ用ソフトウエア

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Publication number: JP2010141633A
Application number: JP2008316414A
Authority: JP
Inventors: Akira Hirota; 昭廣田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2008-12-12
Publication date: 2010-06-24

Abstract

【課題】CD等のデジタルPCMオーディオ信号の再生に用いるマルチビット型DAC（デジタル−アナログ変換器）に存在するビット毎誤差を解消し、高忠実度デジタル・オーディオ再生を実現する。
【解決手段】個々のマルチビット型DAC（デジタル−アナログ変換器）４について、所定のテスト信号８を発生してその応答アナログ信号５を測定し、該測定データからビット毎誤差データ１１を作成し、該ビット毎誤差データを使って再生しようとするPCM音楽のデータ１を修正器３で修正してから該マルチビット型DAC４に入力することで、ビット毎誤差のない高忠実度再生を行う。
【選択図】図１

Description

本発明はデジタルPCM音楽を高忠実度再生するデジタル・オーディオ再生技術に関する。

デジタルPCMオーディオの再生には、デジタル信号をアナログ信号に変換するためにDAC（デジタル−アナログ変換器）が使われる。DACとしてはマルチビット型DACと１ビットΔΣ型DACの２種類があるが、本来高性能であるはずのマルチビット型DACが、現状では生産上の問題、すなわちビット毎誤差を克服できず、ほとんど使われていない。本発明はこのマルチビット型DACのビット毎誤差の問題を解消し、デジタルPCMオーディオの高忠実度再生を実現するものである。
特許公表２００４−５００７２７柴崎功「セシウム原子発信器を用いたCDカッティング実験」MJ誌、2007／04、P135−P143 河合一「オーディオ用D−A変換回路の性能と音質」日経エレクトロニクス、2006年11月20号、12月4日号

デジタルPCM音楽がCDとして発売されて久しいが、この間にデジタルはアナログに比べて音が悪く欠点があるとの声が続き、この問題の究極的な解決が本発明の目的である。

非特許文献１にもこの音質問題に関する記事と一改善実験の報告があるが、未だこの問題の解明と解決には至っていない。

非特許文献２は、デジタルPCMオーディオ再生に使われるマルチビット型DAC（デジタル−アナログ変換器）と１ビットΔΣ型DAC（デジタル−アナログ変換器）について詳しいが、マルチビット型DACについてはビット毎の電流を決定する抵抗値の精度維持ができず、ビット毎誤差に原因する雑音の発生が防げないとある。結果的に今日では多くの場合１ビットΔΣ型DACが使われているが、その再生信号には高調波歪成分と変調雑音が含まれている。調べてみると、その変調雑音は基本波に対し−１０〜＋１０Hzの周波数範囲に存在し、基本波の振幅を変動させ、さらに基本波の位相をも変動させ、聴感上の影響を与えている。

本発明が解決しようとするマルチビット型DACのビット毎誤差とは次のような誤差である。マルチビット型DAC ではPCMのビット数に応じた電流スイッチがあって、そのビットが０ではなくて１の時だけそのビットのスイッチが入り電流が流れる。スイッチが入った各ビットからの合計電流がアナログ値として出力される。スイッチが入った時に流れる電流値は最下位の第１ビットを１として、上位ビットになるにしたがい２、4、８、１６、・・・と２倍ずつ急激に増える。しかしこの時に電流値を決める抵抗値に誤差があるとその値は２＋E2、４＋E3、８＋E4、１６＋E5・・・とi番目ビットにはEiで表される誤差を含む。このPCMのビット数（n）に応じたE１〜Enがビット毎誤差であって、上位のビットほど電流値が指数関数的に大きいだけにその誤差値も大きくなる。E１は通常０である。E２〜Enはすべてその絶対値が１に比べて小さいことが望まれているが、ｎが大きくなるとどうしても１を超えてしまう。そのビット毎誤差が如何に大きくても本発明によれば無視できるまでに補正可能である。

（１）デジタルPCMオーディオ信号を再生するマルチビット型DACについて、所定のテスト信号を発生してその応答データを測定し、該測定データからビット毎誤差データを作成するステップと、該ビット毎誤差データを使って再生しようとするPCM音楽ファイルを修正するステップと、を有することを特徴とする高忠実度デジタル・オーディオ再生方法。
（２）前記（１）をPC（パソコン）を使って実現するため、所定のテスト信号を発生してその応答データを測定し、該測定データからビット毎誤差データを作成するステップと、該ビット毎誤差データを使って再生しようとするPCM音楽ファイルを修正変換するするステップと、を有することを特徴とするPC用ソフトウエア。

今回、個々のマルチビット型DACについて、所定のテスト信号を入力し、その応答アナログ信号を測定し、その測定データからビット毎誤差（E1〜En）を求めることができ、そのビット毎誤差（E1〜En）を使って再生したいPCMデータからその誤差分を補正すれば、ビット毎誤差のない高忠実度再生を実現できることが判明したものである。

デジタルPCM音楽の再生に本発明とマルチビット型DACを使えば、高調波歪とか変調雑音を発生する１ビットΔΣ型DACを使わずに済み、高忠実度再生を実現できる。しかも従来は音楽再生用のマルチビット型DACを製造するにはその各ビットに対応する抵抗値の精度を確保するため、レーザー光カットによる個々の修正工程が必要だったが、本発明を使えばかかる修正工程が不要であり、大量生産方式のマルチビット型DACを使用することができる。

図１がCD等のデジタルPCMオーディオ信号を高忠実度再生するデジタル・オーディオ再生装置の説明である。CD等の音楽源がデジタルPCMオーディオ信号再生部１によってデジタルPCMオーディオ信号２となり、ビット毎誤差データ１１によって修正を行うデータ修正器３によって次のマルチビットDAC４が発生するビット毎誤差をあらかじめ修正してから、マルチビットDAC４によってアナログ信号とし、アンプ８で増幅し、アナログ再生信号出力７となる。

さらにマルチビットDACのビット毎誤差の経時変化等にも対処するため、電源投入時とかあるいは必要に応じて、テスト信号発生部８から所定のテスト信号が出され、その応答アナログ出力信号５がADC（アナログ−デジタル変換器）９を経て、解析部１０に入力され、ここで新しいビット毎誤差データ１１が作成・更新される前ステップがある。

図２はPC（パソコン）を使った修正変換方式による高忠実度デジタル・オーディオ再生法の図である。デジタルPCMオーディオ信号２１はマルチビットDAC２２によってアナログ信号２３となり、アンプ２４によって増幅されて出力される。一方再生しようとするPCM音楽ファイル２８AはPC（パソコン）２５内に一旦蓄えられ、ソフトウエア２７の修正部２７−４でビット毎誤差データ２７−３を使ってマルチビットDACが発生するビット毎誤差の修正を受け、修正済PCM音楽ファイル２８Bとなる。この補正された音楽ファイル２８Bのデータが出力されてデジタルPCMオーディオ信号出力２９になり、この信号がデジタルPCMオーディオ信号２１としてマルチビットDAC２２に入力され再生される。このファイル変換は音楽の再生を始める前に行うことが容易であるが、PCの速度が十分に速ければ変換をしながら再生を行う実時間に近い変換も可能である。

さらに上記ソフトウエア２７には正しくビット毎誤差を補正するために以下の準備を行う前ステップが存在する。すなわち前もってソフトウエア２７の一部であるテスト信号発生部２７−１から所定のテスト信号を出し、その応答アナログ出力信号２３をADC（アナログ−デジタル変換器）２６を経て、解析部２７−２に入力し、ここで新しいビット毎誤差データ２７−３を作成する。

図３はテスト信号と測定波形並びにビット毎誤差（E1〜E8）の計算法を８ビットDACの例で説明している。このPCMビット数は８ビットに限らず同じ方法で何ビットにまでも拡張することができる。テスト信号はデータの例として第１行目１１１１１１１１とある８ビットが、PCM信号の１サンプルデータを意味し、いずれの８ビットデータも連続して同じデータを１０〜２０回繰り返して次のデータに進む。
第１行目、第３行目、←印はデータ位置を表す同期信号で、値としてその差が大きい大差ペアデータ（二つの対になっているデータ）である。
第２行目、第４行目、AとBは各ビット毎誤差の検出用で、値としてその差が小さい小差ペアデータ（二つの対になっているデータ）である。AB共に対応ビットだけが１でその他は０のデータと、それより１だけ小さいデータの小差ペアデータである。この小差ペアデータからの小さなレベル差を正確に測定することで測定精度が向上しているところにこの測定信号の特長がある。

同じデータの繰り返しは応答出力を平均して使うことで雑音の影響を避けるためであり、A部とB部で逆転した組み合わせの使用は両応答出力を平均して使うことで傾斜特性による影響を避けるためである。

対応するアナログ信号波形のA部B部において、↓で示した段差は１に相当する誤差を含んだ値であり、同期信号ははるかに大きい値なので中間のレベルを割愛して示している。

解析部では、各ビット毎のテスト信号波形からそれぞれの段差に相当する測定値を求め、その測定値を第１ビット時の測定値を１として基準化して、基準化後の第１ビット〜第８ビットの段差を 1, e2+1, e3+1, e4+1, e5+1, e6+1, e7+1, e8+1 とする。ビット毎誤差E1,E2, 〜 E8はこの値e2 〜 e8を使って図３下枠に示す計算法によって求めることができる。

ビット毎誤差E1〜Enが求まれば、デジタルPCMオーディオ信号の各データの０でなくて１になっているビット毎に、対応誤差を減算することで、それがマルチビットDACで発生する誤差の補正となる。精度的には、E2〜E8の値は１以下の少数部まで求め、PCMデータの全ビットに対する全補正値として小数部の四捨五入を行えば、そのデータ単位で残留誤差を＋−0.5の範囲にとどめることができる。

図３の同期信号は理解を助けるために大きなレベル差をもつ大差ペアデータになっているが、このテスト信号を実施するにあたっては、テスト信号がスピーカーに加わり大きな音を出すことへの配慮が必要である。検出可能なまでにレベル差を小さくし、次のビットテスト信号への移行を滑らかに行うとか、再生装置であればテスト中は出力を遮断するなどの対策が可能である。

また再生装置の場合には実時間のデータ修正器３が存在するので、図３の計算法でビット毎誤差を求める以外にも次のようなビット毎誤差の求め方も出来る。それは図３同様のテスト信号A又はBを出しながら、修正の元になる補正値としてのビット毎誤差データ値を小さい負の値から徐々に大きな値に変化させ、結果が望まれる値のところで止める方法である。最下位のビットから順次に行うことで全ビット毎誤差E1〜Enが揃う。

高忠実度デジタル・オーディオ再生装置 PCソフトウエア方式高忠実度デジタル・オーディオ再生法テスト信号と測定波形並びにビット毎誤差計算法（８ビットDACの例）

符号の説明

１デジタルPCMオーディオ信号再生部
２デジタルPCMオーディオ信号
３データ修正器
４マルチビットDAC（デジタル−アナログ変換器）
５アナログ信号
８テスト信号発生部
９ ADC（アナログ−デジタル変換器）
１０解析部
１１ビット毎誤差データ

２１デジタルPCMオーディオ信号入力
２２マルチビットDAC（デジタル−アナログ変換器）
２３アナログ信号
２５ PC（パソコン）
２６ ADC（アナログ−デジタル変換器）
２７ PC用ソフトウエア
２８A 修正前PCM音楽ファイル
２８B 修正後PCM音楽ファイル

Claims

デジタルPCMオーディオ信号を再生するマルチビット型DACについて、所定のテスト信号を発生してその応答データを測定し、該測定データからビット毎誤差データを作成するステップと、該ビット毎誤差データを使って再生しようとするPCM音楽ファイルを修正するステップと、を有することを特徴とするデジタル・オーディオ再生方法。
請求項１記載のデジタル・オーディオ再生方法をPC（パソコン）を使って実現するため、所定のテスト信号を発生してその応答データを測定し、該測定データからビット毎誤差データを作成するステップと、該ビット毎誤差データを使って再生しようとするPCM音楽ファイルを修正変換するするステップと、を有することを特徴とするPC用ソフトウエア。