JP2011029787A - Signal processor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、D級増幅器の前段の非線形処理で生じる高調波の折り返しノイズを低減する技術に関する。 The present invention relates to a technique for reducing harmonic aliasing noise generated by nonlinear processing preceding a class D amplifier.
D級増幅器は、入力信号に応じてパルス幅やパルスの時間密度が変調された2値の出力信号を生成する。入力信号のレベルが所定範囲を超えると、D級増幅器の出力信号が歪む。そこで、特許文献1には入力信号のレベルを制限する振幅制限回路を設ける技術が開示されている。 The class D amplifier generates a binary output signal in which the pulse width and the pulse time density are modulated in accordance with the input signal. When the level of the input signal exceeds a predetermined range, the output signal of the class D amplifier is distorted. Therefore, Patent Document 1 discloses a technique for providing an amplitude limiting circuit for limiting the level of an input signal.
しかしながら、振幅制限回路で振幅が制限されると高調波成分が発生する。例えば、図6に示すように入力信号INを第1レベルL1と第2レベルL2とで制限を掛けると、振幅制限された波形には丸で囲む部分に角ができてしまう。このような角には高調波成分が多く含まれる。この高調波成分は、サンプリング周波数で折り返り、可聴帯域に折り返しノイズとして混入し、異音として再生されることがあるといった不都合があった。 However, when the amplitude is limited by the amplitude limiting circuit, a harmonic component is generated. For example, as shown in FIG. 6, when the input signal IN is limited by the first level L1 and the second level L2, the amplitude-limited waveform has a corner in a circled portion. Such corners contain many harmonic components. This harmonic component is folded at the sampling frequency, mixed into the audible band as folded noise, and may be reproduced as an abnormal sound.
本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであり、スライサやクリッパーといった非線形処理で生じる高調波の折り返しノイズを低減することを解決課題とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to reduce harmonic aliasing noise generated by nonlinear processing such as a slicer or clipper.
以上の課題を解決するために、本発明に係る信号処理装置は、アナログ信号を第1の周波数でサンプリングして第1デジタル信号に変換するサンプリング手段と、前記第1デジタル信号のサンプリング周波数を前記第1の周波数から前記第1の周波数よりも高い第2の周波数に変換して第2デジタル信号を出力する周波数変換手段と、前記第2デジタル信号に非線形処理を施して第3デジタル信号を出力する非線形処理手段と、前記第3デジタル信号に基づいてパルス幅変調を施して出力信号を生成するパルス幅変調手段と、を備えたことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a signal processing device according to the present invention includes a sampling unit that samples an analog signal at a first frequency and converts the sampled signal into a first digital signal, and a sampling frequency of the first digital signal. Frequency converting means for converting the first frequency to a second frequency higher than the first frequency and outputting a second digital signal; and applying a non-linear process to the second digital signal to output a third digital signal And non-linear processing means for performing pulse width modulation on the basis of the third digital signal to generate an output signal.
非線形処理では、信号の基本波周波数に対する高調波周波数に歪成分が発生する。基本波周波数は可聴帯域内の周波数であり、周波数が高くなるにつれ歪成分は次第に減衰する。但し、歪成分はナイキスト周波数で折り返す。仮に、周波数変換する前に非線形処理を施すと、サンプリング周波数の1/2の周波数で折り返すため、可聴帯域に折り返しノイズが発生する。これに対して、本発明では、周波数変換手段によって第1の周波数から第2の周波数へ周波数変換した後に、非線形処理を施す。したがって、折り返しノイズが可聴帯域内に混入するのを抑圧することができる。
なお、非線形処理としては、スライス処理やクリップ処理などの振幅を制限する処理が含まれる。
In the non-linear processing, a distortion component is generated in the harmonic frequency with respect to the fundamental frequency of the signal. The fundamental frequency is a frequency within the audible band, and the distortion component gradually attenuates as the frequency increases. However, the distortion component is folded at the Nyquist frequency. If non-linear processing is performed before frequency conversion, aliasing occurs in the audible band because aliasing occurs at half the sampling frequency. On the other hand, in the present invention, nonlinear processing is performed after frequency conversion from the first frequency to the second frequency by the frequency conversion means. Therefore, it is possible to suppress the aliasing noise from being mixed in the audible band.
Note that the nonlinear processing includes processing for limiting the amplitude, such as slice processing and clip processing.
ここで、周波数変換手段は、サンプリング周波数を変換できるのであれば、どのような手法を用いてもよい。例えば、前記周波数変換手段は、前記第1デジタル信号をオーバーサンプリングして前記第2デジタル信号を生成するオーバーサンプリング部を備えても良いし、あるいは、前記周波数変換手段は、前記第1デジタル信号をオーバーサンプリングするオーバーサンプリング部と、前記オーバーサンプリング部の出力信号に補間処理を施して前記第2デジタル信号を出力する補間部とを備えるものであってもよい。
オーバーサンプリングは、サンプリング定理による折り返しノイズを可聴帯域外の高周波領域にシフトさせて、SN比を改善するために実行されるところ、本発明によれば、オーバーサンプリングのための周波数変換と、非線形処理の折り返しノイズを低減するための周波数変換を兼用することができる。よって構成を簡素化することができる。
Here, the frequency conversion means may use any method as long as it can convert the sampling frequency. For example, the frequency conversion unit may include an oversampling unit that oversamples the first digital signal to generate the second digital signal, or the frequency conversion unit converts the first digital signal to the first digital signal. An oversampling unit that performs oversampling and an interpolation unit that performs an interpolation process on the output signal of the oversampling unit and outputs the second digital signal may be provided.
Oversampling is performed in order to improve the SN ratio by shifting aliasing noise due to the sampling theorem to a high frequency region outside the audible band. According to the present invention, frequency conversion for oversampling and nonlinear processing are performed. The frequency conversion for reducing the aliasing noise can be also used. Therefore, the configuration can be simplified.
上述した信号処理装置において、前記パルス幅変調手段は、前記第2デジタル信号にノイズシェーピング処理を施すノイズシェーピング部と、前記ノイズシェーピング部の出力信号にパルス幅変調を施してパルス幅変調信号を生成するパルス幅変調部とを備えることが好ましい。ノイズシェーピング処理によって、可聴帯域内の量子化ノイズを可聴帯域外の高周波領域にシフトさせることができる。 In the above-described signal processing device, the pulse width modulation unit generates a pulse width modulation signal by applying a noise shaping process to the second digital signal and performing a pulse width modulation on the output signal of the noise shaping unit. It is preferable to provide a pulse width modulation unit. The noise shaping process can shift the quantization noise in the audible band to a high frequency region outside the audible band.
上述した信号処理装置において、前記パルス幅変調手段は、可聴帯域と比較してパルス幅変調のキャリア周波数におけるゲインが小さくなる周波数特性を有するフィルタ部と、 ノイズシェーピング処理を施すノイズシェーピング部と、デジタル的にパルス幅変調を施してパルス幅変調信号を生成するデジタルパルス幅変調部とを備え、前記第2デジタル信号を前記フィルタ部に供給し、前記フィルタ部の出力信号を前記ノーズシェーピング部に供給し、前記ノーズシェーピング部の出力信号を前記デジタルパルス幅変調部に供給するか、又は、前記第2デジタル信号を前記ノーズシェーピング部に供給し、前記ノーズシェーピング部の出力信号を前記フィルタ部に供給し、前記フィルタ部の出力信号を前記デジタルパルス幅変調部に供給する、ことが好ましい。 In the signal processing device described above, the pulse width modulation means includes a filter unit having a frequency characteristic in which a gain at a carrier frequency of pulse width modulation is smaller than an audible band, a noise shaping unit that performs noise shaping processing, and a digital And a digital pulse width modulation unit that generates a pulse width modulation signal by performing pulse width modulation, supplies the second digital signal to the filter unit, and supplies an output signal of the filter unit to the nose shaping unit Then, the output signal of the nose shaping unit is supplied to the digital pulse width modulation unit, or the second digital signal is supplied to the nose shaping unit, and the output signal of the nose shaping unit is supplied to the filter unit. And supplying the output signal of the filter unit to the digital pulse width modulation unit. , It is preferable.
パルス幅変調部は、キャリア周波数でノイズシェーピング部の出力信号をパルス幅変調するところ、出力信号に非線形処理に伴う歪成分が重畳していると、キャリア周波数近傍の歪成分がキャリア周波数で混変調を起す。これによって、可聴帯域にノイズが発生する。この発明によれば、フィルタ部はキャリア周波数のゲインが小さいので、非線形処理に伴う歪成分を低減することができる。また、フィルタ部はパルス幅変調がなされる前に、キャリア周波数近傍の非線形処理に伴う歪成分を抑圧すればよいので、フィルタ部→ノーズシェーピング部→デジタルパルス幅変調部の順に構成してもよいし、ノーズシェーピング部→フィルタ部→デジタルパルス幅変調部の順に構成してもよい。
なお、フィルタ部はローパスフィルタで構成してもよいし、あるいは、中心周波数がキャリア周波数となるトラップフィルタで構成してもよい。
The pulse width modulation unit performs pulse width modulation on the output signal of the noise shaping unit at the carrier frequency. When the distortion component due to nonlinear processing is superimposed on the output signal, the distortion component near the carrier frequency is intermodulated at the carrier frequency. Wake up. This generates noise in the audible band. According to the present invention, since the filter section has a small carrier frequency gain, it is possible to reduce distortion components associated with nonlinear processing. In addition, since the filter unit only needs to suppress distortion components associated with nonlinear processing near the carrier frequency before the pulse width modulation is performed, the filter unit may be configured in the order of the nose shaping unit → the digital pulse width modulation unit. However, it may be configured in the order of nose shaping unit → filter unit → digital pulse width modulation unit.
The filter unit may be configured with a low-pass filter, or may be configured with a trap filter whose center frequency is the carrier frequency.
また、上述した信号処理装置において、前記デジタルパルス幅変調部の替わりに、デジタル信号からアナログ信号に変換するDA変換部と、前記DA変換部の出力信号にアナログ的にパルス幅変調を施してパルス幅変調信号を生成するアナログパルス幅変調部とを備えるものであってよい。すなわち、パルス幅変調はデジタル的に行ってもよいし、あるいはアナログ的に行ってもよい。 Further, in the signal processing apparatus described above, instead of the digital pulse width modulation unit, a DA conversion unit for converting a digital signal into an analog signal, and an output signal of the DA conversion unit is subjected to analog pulse width modulation to generate a pulse. And an analog pulse width modulation unit that generates a width modulation signal. That is, pulse width modulation may be performed digitally or analogly.
<1.第1実施形態>
次に、本願に好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態は、処理系統は1系統であるが、同様の処理系統を設けて、LチャンネルおよびRチャンネルに対応した信号処理装置としてもよい。
<1. First Embodiment>
Next, an embodiment suitable for the present application will be described with reference to the drawings. In the embodiment described below, the number of processing systems is one, but a similar processing system may be provided to be a signal processing apparatus corresponding to the L channel and the R channel.
図1は、第1実施形態の信号処理装置100の構成を示すブロック図である。本実施形態の信号処理装置100は、オーディオインターフェース回路10、オーバーサンプリング回路20、補間回路30、及びスライス回路40を備える。
オーディオインターフェース回路10は、外部から供給されるアナログ形式のオーディオ信号Vinをサンプリング周波数FsでサンプリングしてPCM形式のオーディオデータDin(以下、単に「PCMデータ」という。)に変換する。この例においてサンプリング周波数Fsは48KHzである。さらに、オーディオインターフェース回路10は、データ形式をシリアル形式からパラレル形式に変換したり、オーバーサンプリング回路20へPCMデータDinを受け渡すときのタイミングを調整する。なお、オーディオインターフェース回路10からAD変換の機能を分離して、その前段にAD変換回路を設けてもよい。この場合には、オーディオインターフェース回路10にサンプリング周波数FsでサンプリングされたPCMデータDinが供給され、オーディオインターフェース回路10にてデータ形式の変換やタイミング調整が行われる。
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a
The
オーバーサンプリング回路20は、PCMデータDinにオーバーサンプリング処理を施して第1データD1を生成する。オーバーサンプリング回路20は、所定倍(この例では4倍)のオーバーサンプリングフィルタにて構成されており、ナイキスト周波数を上げ、入力されたPCMデータDinの量子化誤差ノイズのレベルを低下させるために用いる。
オーバーサンプリング回路20は、FIRフィルタなどによって構成することができる。
The
The
補間回路30は、第1データD1を補間してサンプリング周波数を128Fsまで高めて、第2データD2を生成する。補間処理は例えば線形補間により行われる。この例では、サンプリング周波数を32倍に高める。この場合には、第1データD1のあるサンプルと次のサンプルとの間を時間的に32等分して、サンプル間に31個のサンプルを線形で生成する。補間回路30は、例えば、乗算器を用いること無く、ビットシフト回路と加算回路とで構成することができる。
The
ここで、オーバーサンプリング回路20と補間回路30は、PCMデータDinのサンプリング周波数を第1の周波数Fsから第2の周波数128Fsに変換する周波数変換手段として機能する。
Here, the
次に、スライス回路40は所定の振幅以上の信号レベルを一定にするスライス処理を施して出力データを生成する。これによって、後述するスピーカ90に大振幅の信号が入力に供給されるのを防止できる。
次に、ノイズシェーパ50は、パルス幅変調の語長が制限されることによりナイキスト周波数帯域全体で一様に分布している量子化誤差ノイズを可聴周波数帯域内において低減させるノイズシェーピング処理を実行して出力データを生成する。
Next, the slicing
Next, the
次に、PWM回路60は、デジタル回路で構成しても良いし、あるいはアナログ回路で構成してもよい。但し、アナログ回路で構成する場合には、図示せぬDA変換器を介してノイズシェーパ50の出力データをアナログ信号に変換した後、PWM回路60に供給する。
PWM回路60には各種の方式があるが、例えば、入力信号とフィードバック信号とを合成した信号を積分して積分信号を出力する積分回路と、三角波信号を発生する三角波発生回路と、積分信号と三角波信号とを比較して、比較結果に基づいてパルス幅変調したパルス幅変調信号を生成するコンパレータと、パルス幅変調信号の高域周波数成分を減衰させてフィードバック信号として積分回路に供給するローパスフィルタを備えたものがある。この場合、三角波信号の基本周波数がキャリア周波数となる。
Next, the
There are various types of
バッファアンプ70は、PWM回路60の出力信号を増幅して、ローパスフィルタ80に供給する。ローパスフィルタ80は、可聴帯域より高域の周波数成分を除去してスピーカ95に供給する。スピーカ90は電気信号を音に変換して放音する。
The
次に、信号処理装置100の特徴について説明する。信号処理装置100では、スライス回路40を、サンプリング周波数が128Fsとなる補間回路30の後段に配置してある。
仮にスライス回路40をオーディオインターフェース回路10とオーバーサンプリング回路20との間に配置したとすれば、スライス回路40は周波数Fsで動作する。PCMデータDinにスライス処理を施すと、高調波成分が発生し、ナイキスト周波数Fs/2で高調波成分が折り返す。図2に、周波数Fsでスライス処理を実行した場合に発生する歪の周波数成分を示す。同図において、周波数Fs/2以下の領域で、矢印を付したスペクトラムが折り返しの成分である。このように可聴帯域中にノイズが発生するのが問題となる。
Next, features of the
If the
これに対して、本実施形態では、スライサ回路40を周波数128Fsで動作させている。このため、折り返しの周波数は64Fsとなる。そのような高い周波数ではスライス処理に伴う歪の高調波成分も十分減衰している。したがって、可聴帯域中に発生する折り返しノイズを十分抑圧することができる。
On the other hand, in this embodiment, the
図3に周波数128Fsでスライス処理を実行した場合に発生する歪の周波数成分を示す。図2と比較すると明らかなように、周波数Fs/2での折り返しノイズは存在しない。但し、低周波数領域に点線で示すノイズ成分が若干発生する。このノイズ成分は、PWM回路60においてパルス幅変調を行う際に、キャリア周波数との混変調歪に起因する。即ち、キャリア周波数の近傍における歪の周波数とキャリア周波数との和と差の成分が混変調歪として発生するが、そのうち差の成分が低周波数領域に発生するのである。実際には差の成分が周波数「0」で折り返すなど、ノイズ成分の周波数は複雑である。
仮に、キャリア周波数が8Fsであるとすれば、図3において点線で囲んだ周波数8Fsの近傍のノイズ成分に起因して低周波領域において点線で示すノイズ成分が現れるのである。
FIG. 3 shows frequency components of distortion generated when slice processing is executed at a frequency of 128 Fs. As apparent from comparison with FIG. 2, there is no aliasing noise at the frequency Fs / 2. However, some noise components indicated by dotted lines are generated in the low frequency region. This noise component is caused by cross modulation distortion with the carrier frequency when the pulse width modulation is performed in the
If the carrier frequency is 8 Fs, the noise component indicated by the dotted line appears in the low frequency region due to the noise component near the frequency 8 Fs surrounded by the dotted line in FIG.
<2.第2実施形態>
次に、第2実施形態について説明する。第2実施形態に係る信号処理装置200は、スライス回路40とノイズシェーパ50との間にローパスフィルタ45を設けた点を除いて、第1実施形態の信号処理装置100と同様に構成されている。
<2. Second Embodiment>
Next, a second embodiment will be described. The
図4に第2実施形態に係る信号処理装置200のブロック図を示す。このローパスフィルタ45はPWM回路60のキャリア周波数にける混変調を低減するために用いられる。図5に、PWM回路60から出力されるスライス処理で発生する歪の周波数成分を示す。混変調歪に起因するノイズが発生するのは、キャリア周波数付近にスライス処理に起因するノイズ成分がPWM回路50の入力信号に重畳しているからである。
FIG. 4 shows a block diagram of a
図5に、PWM回路60から出力されるスライス処理で発生する歪の周波数成分を示す。ローパスフィルタ45は、図5に示すように、ゲインが周波数Fs/2から落ち始める減衰特性を有する(一点鎖線で図示)。このため、キャリア周波数を8Fsとしたとき、キャリア周波数の近傍では、スライス処理で発生する歪が十分減衰している。このため、混変調歪に起因するノイズが低周波領域に発生しない。
よって、第2実施形態によれば、より一層、可聴帯域のノイズ成分を抑圧して、品質を向上させることができる。
FIG. 5 shows frequency components of distortion generated by the slice processing output from the
Therefore, according to the second embodiment, the noise component in the audible band can be further suppressed and the quality can be improved.
<3.変形例>
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下の変形が可能である。
(1)上述した実施形態では、信号処理によって高周波数に歪成分を発生させる要素として、スライス回路40を想定したが、本発明はこれに限定されるものではなく、高周波数に歪成分を発生させる処理であれば、どのような処理であっても適用できる。すなわち、非線形処理を施す手段を有する場合に適用可能である。そのような非線形処理には、クリップ処理が含まれる。
<3. Modification>
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and for example, the following modifications are possible.
(1) In the above-described embodiment, the
(2)上述した第2実施形態においては、ローパスフィルタ45を採用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、要はパルス幅変調のキャリア周波数の近傍において可聴帯域よりも減衰率が大きな周波数特性を有するフィルタであればよい。ここで、キャリア周波数の近傍とは、混変調による可聴帯域へのノイズ成分の混入を考慮すると、キャリア周波数を中心として土20KHzの範囲と考えることができる。このようなフィルタには、バンドパスフィルタの逆特性をした、いわゆるトラップフィルタが含まれる。
(2) In the above-described second embodiment, the low-
(3)上述した第2実施形態においては、ローパスフィルタ45をスライス回路40とノイズシェーパ50との間に設けたが、本発明はこれに限定されるものではなく、歪の発生源であるスライス回路50からPWM回路60の間に設ければよい。このため、ノイズシェーパ50とPWM回路60の間にローパスフィルタ45を設ければよい。
(4)上述した実施形態及び変形例において、においては、ローパスフィルタ45をスライス回路40とノイズシェーパ50との間に設けたが、本発明はこれに限定されるものではなく、歪の発生源であるスライス回路50からPWM回路60の間に設ければよい。このため、ノイズシェーパ50とPWM回路60の間にローパスフィルタ45を設ければよい。
(3) In the second embodiment described above, the low-
(4) In the embodiment and the modification described above, the low-
10……オーディオインターフェース回路、20……オーバーサンプリング回路、30……補間回路、40……スライス回路、50……ノイズシェーパ、45……ローパスフィルタ、60……PWM回路、100,200……信号処理装置。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記第2デジタル信号に非線形処理を施して第3デジタル信号を出力する非線形処理手段と、
前記第3デジタル信号に基づいてパルス幅変調を施して出力信号を生成するパルス幅変調手段と、
を備えたことを特徴とする信号処理装置。 Frequency conversion means for converting a sampling frequency of the first digital signal from the first frequency to a second frequency higher than the first frequency and outputting a second digital signal;
Non-linear processing means for performing non-linear processing on the second digital signal and outputting a third digital signal;
Pulse width modulation means for generating an output signal by performing pulse width modulation based on the third digital signal;
A signal processing apparatus comprising:
前記第2デジタル信号にノイズシェーピング処理を施すノイズシェーピング部と、
前記ノイズシェーピング部の出力信号にパルス幅変調を施してパルス幅変調信号を生成するデジタルパルス幅変調部とを備える、
ことを特徴とする請求項2又は3に記載の信号処理装置。 The pulse width modulation means includes
A noise shaping unit that performs a noise shaping process on the second digital signal;
A digital pulse width modulation unit that performs pulse width modulation on the output signal of the noise shaping unit to generate a pulse width modulation signal;
The signal processing apparatus according to claim 2, wherein the signal processing apparatus is a signal processing apparatus.
可聴帯域と比較してパルス幅変調のキャリア周波数におけるゲインが小さくなる周波数特性を有するフィルタ部と、
ノイズシェーピング処理を施すノイズシェーピング部と
デジタル的にパルス幅変調を施してパルス幅変調信号を生成するデジタルパルス幅変調部とを備え、
前記第2デジタル信号を前記フィルタ部に供給し、前記フィルタ部の出力信号を前記ノーズシェーピング部に供給し、前記ノーズシェーピング部の出力信号を前記デジタルパルス幅変調部に供給するか、
又は、前記第2デジタル信号を前記ノーズシェーピング部に供給し、前記ノーズシェーピング部の出力信号を前記フィルタ部に供給し、前記フィルタ部の出力信号を前記デジタルパルス幅変調部に供給する、
ことを特徴とする請求項2又は3に記載の信号処理装置。 The pulse width modulation means includes
A filter unit having a frequency characteristic in which a gain at a carrier frequency of pulse width modulation is smaller than an audible band;
A noise shaping unit that performs noise shaping processing and a digital pulse width modulation unit that digitally performs pulse width modulation to generate a pulse width modulation signal,
Supplying the second digital signal to the filter unit, supplying an output signal of the filter unit to the nose shaping unit, and supplying an output signal of the nose shaping unit to the digital pulse width modulation unit;
Alternatively, the second digital signal is supplied to the nose shaping unit, the output signal of the nose shaping unit is supplied to the filter unit, and the output signal of the filter unit is supplied to the digital pulse width modulation unit.
The signal processing apparatus according to claim 2, wherein the signal processing apparatus is a signal processing apparatus.
デジタル信号からアナログ信号に変換するDA変換部と、
前記DA変換部の出力信号にアナログ的にパルス幅変調を施してパルス幅変調信号を生成するアナログパルス幅変調部とを備える、
ことを特徴とする請求項4又は5に記載の信号処理装置。
Instead of the digital pulse width modulator,
A DA converter for converting a digital signal into an analog signal;
An analog pulse width modulation unit that performs pulse width modulation on the output signal of the DA conversion unit in an analog manner to generate a pulse width modulation signal;
The signal processing apparatus according to claim 4, wherein the signal processing apparatus is a signal processing apparatus.
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