JP2011095739A - オーディオ信号処理装置およびオーディオ信号処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】デジタル化で失われた微小信号を再現し、より原音に近い形で再生できるようにする。
【解決手段】オーディオ信号処理装置は、入力信号の振幅が時間的に変化した場合、一定の量子化幅で振幅が変化する信号である振幅変化抽出信号を取得する振幅変化抽出器３と、取得した振幅変化抽出信号を表現するビット数を第１のビット数から第２のビット数に拡張する第１再量子化器２と、振幅変化抽出信号を入力信号における第１の量子化幅よりも小さい第２の量子化幅で再量子化して平滑化する第２再量子化器５と、第２のビット数で表現される信号であって、入力信号から振幅変化抽出信号を減算して得られる差信号を取得する差信号生成器４と、第２再量子化器５で平滑化された変化信号である第２再量子化信号と、差信号生成器４で取得された差信号とを加算して出力信号を生成する加算器６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、アナログ信号をデジタル信号に変換して記録再生するデジタルオーディオに関し、特に、アナログ信号をデジタル化する際の量子化によって失われる振幅情報を再現するためのビット拡張技術に関する。

アナログ信号である音楽信号をデジタル化して記録再生するデジタルオーディオは、信号の再現性が非常に高く、またデジタル信号処理によりＬＳＩ化が容易になり、廉価で小規模、省電力な構成で実現できるため、現在ではオーディオの主流となっている。

しかし、アナログ信号のデジタル信号への変換は、所定値の量子化数とサンプリング周波数とで量子化およびサンプリング処理を行うため、分解能以下の微小信号は再現できない。また、低域信号は、振幅が大きい信号であっても、サンプル間隔でみると振幅変化が小さいので、同様に正確に量子化できない。そのため、微小信号の再現性が悪くなる。また、低域信号の階調が不明確になるなど、音質上の欠点を有している。

そこで、従来、量子化誤差を有するオーディオ信号に対して、予測やフィルタ処理などを実施して、元のデジタルオーディオ信号よりも量子化数の大きい信号に変換して、量子化ノイズを低減するビット拡張技術が提案されている。

例えば、入力信号を表す値に２^Nを乗算することにより、入力信号のビット数をＮビット拡張した後、ビット拡張された信号に対してローパスフィルタをかけるという技術が一般に行われている。これにより、ビット拡張された入力信号の値が滑らかに補間される。しかしながら、ローパス演算により、信号の高周波数成分が失われるという問題がある。

図１３は、従来の量子化歪低減装置の一例を示す図である。

以下、図１３を参照しながら、従来の量子化歪低減装置について、その動作を説明する。

図１３において、デジタルローパスフィルタ１０３〜１０５により、ビット長を下位方向に拡張しながら入力デジタル信号Ｄ０のうち、所定のカットオフ周波数以下の低域成分を取り出し、一方、計数器１０２により、入力デジタル信号Ｄ０の各点につき、前後に同一の値が連続する点の数を計数する。そして、選択手段１０６により、計数器１０２での計数結果に基づき、入力デジタル信号Ｄ０のうち、計数値が一定化の区間は遅延器１０８とビット拡張回路１０９とにより、時間調整と下位方向にビット長を拡張したデジタル信号Ｄ１を選択して出力し、計数値が一定以上の区間は、デジタルローパスフィルタ１０３〜１０５のうち、計数値が大きいほど、よりカットオフ周波数の低いフィルタを択一的に通した信号を選択して出力することで量子化数を拡張している。これにより、前後に同一の値が連続する点の数が多い、すなわち、周波数が低いときにはカットオフ周波数の低いフィルタを選択し、前後に同一の値が連続する点が少ない、すなわち、周波数が高いときにはカットオフ周波数の高いフィルタを選択することができる（特許文献１参照）。

特開平９−９８０９２号公報

しかしながら、従来の技術では、連続する同一の値のデジタルデータ数を計数器で検出し、その計数値に応じて、連続データが滑らかに変化するようなローパスフィルタを適用するため、遮断特性の異なる複数のローパスフィルタを備える必要があり、処理規模が大きくなるという問題点を有していた。

また、構成として備えることができるローパスフィルタの数は有限（数種類）であるため、数多くの種類の信号に最適な処理を行うことができないという問題点を有していた。

本発明は、従来技術の有する課題を解決するもので、数多くの種類の信号に対しても最適な処理を行って量子化数を拡張することが可能であり、また、そのために複数のローパスフィルタを備えることによる処理規模の増大を招くことなく量子化数の拡張を実現可能なオーディオ信号処理装置を提供することを目的とする。

しかしながら、従来の技術では、連続する同一の値のデジタルデータ数を計数器で検出し、その計数値に応じて、連続データが滑らかに変化するようなローパスフィルタを適用するため、遮断特性の異なる複数のローパスフィルタを備える必要があり、処理規模が大きくなるという問題点を有していた。

また、構成として備えることができるローパスフィルタの数は有限（数種類）であるため、数多くの種類の信号に最適な処理を行うことができないという問題点を有していた。

本発明は、従来技術の有する課題を解決するもので、数多くの種類の信号に対しても最適な処理を行って量子化数を拡張することが可能であり、また、そのために複数のローパスフィルタを備えることによる処理規模の増大を招くことなく量子化数の拡張を実現可能なオーディオ信号処理装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るオーディオ信号処理装置は、前記入力信号の振幅が時間的に変化した場合、一定の量子化幅で振幅が変化する信号である変化信号を取得する変化取得部と、前記変化取得部で取得した変化信号を表現するビット数を第１のビット数から第２のビット数に拡張するとともに、前記変化信号を前記入力信号における第１の量子化幅よりも小さい第２の量子化幅で再量子化して平滑化する量子化部と、前記第２のビット数で表現される信号であって、前記入力信号から前記変化取得部で取得した変化信号を減算して得られる差信号を取得する差信号取得部と、前記量子化部で平滑化された変化信号と、前記差信号取得部で取得された差信号とを加算して出力信号を生成する生成部と、を備える。

これにより、本発明の一形態であるオーディオ信号処理装置は、簡単な構成で、入力信号のビット幅を拡張することができる。

ここで、さらに、前記変化取得部は、前記入力信号を表現するビット数が前記第１のビット数から前記第２のビット数に拡張された前記入力信号の変化を検出することによって、前記変化信号を取得するとしてもよい。

さらに、前記変化取得部は、前記入力信号が単調増加から減少に転ずるとき、または、単調減少から増加に転ずるとき、前記変化信号の値を０に近い値に初期化するとしてもよい。

これにより、鋸歯状波のような波形のデジタル信号が入力された場合であっても、変化信号に直流成分が累積することを防止することができる。そのため、直流成分を保持するような平滑処理方法が不要で、例えば高調波を生成するような方法を採用できる等自由度が高くなる。

前記変化取得部は、前記変化信号の絶対値が単調増加から減少に転ずる変化点、または、単調減少から増加に転ずる変化点のいずれの変換点おいても、前記変化点より後の前記変化信号の絶対値の方が、前記変化点より前の前記変化信号よりも大きい幅で変化するよう前記変化信号を生成する。

これにより、鋸歯状の信号が入力された場合であっても、変化信号に直流成分が累積しないように、速やかに０に近づかせることができる。

なお、本発明は、上記のような特徴を有するオーディオ信号処理装置として実現することができるだけでなく、このようなオーディオ信号処理装置を備える携帯電話機としても、上記と同様の構成と効果がある。

また、本発明は、このような特徴的な手段を備えるオーディオ信号処理装置として実現することができるだけでなく、オーディオ信号処理装置に含まれる特徴的な手段をステップとするオーディオ信号処理方法として実現したり、オーディオ信号処理方法に含まれる特徴的なステップをコンピュータに実行させるプログラムとして実現したりすることもできる。そして、そのようなプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ−Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の記録媒体やインターネット等の通信ネットワークを介して流通させることができるのは言うまでもない。

本発明のオーディオ信号処理装置は、上記構成により、デジタル化することで再現しにくくなる微小信号および低域信号を漏らさず抽出して、量子化数を拡張するため、微小信号の再現性がよく、また、低域の階調が明確になるため、音質が向上し、元のアナログ信号を再現しているような自然な再生音を提供することができる。

また、本発明のオーディオ信号処理装置は、上記構成により、振幅変化抽出器の出力信号の振幅値、すなわち、ビット拡張する信号の配分を調整することが可能であるため、再生する音楽ジャンル、デジタル化されたデータの状態（とりわけ、データの振幅変化幅）、主観効果に応じて調整することで、広い対応範囲を有し、元のアナログ信号を再現しているような自然な再生音を提供することができる。

本実施の形態１のオーディオ信号処理装置の構成を示すブロック図である。 本実施の形態１の振幅変化抽出器および差信号生成器の動作を説明する図である。 本実施の形態１の第２再量子化器の動作を説明する図である。 本実施の形態１のオーディオ信号処理装置の動作を示すフローチャートである。 本実施の形態１のオーディオ信号処理装置の他の構成例を示すブロック図である。 本実施の形態２の第２再量子化器の動作を説明する図である。 本実施の形態３の第２再量子化器の動作を説明する図である。 本実施の形態３の第２再量子化器の構成を示すブロック図である。 本実施の形態３の入力信号の値に応じたランダム値を生成するランダム信号発生器の詳細な構成を示すブロック図である。 本実施の形態４の振幅変化抽出器および差信号生成器の動作を説明する図である。 本実施の形態５の第２再量子化器の構成を示すブロック図である。 本実施の形態５の第２再量子化器の動作を説明する図である。 従来の量子化歪低減装置の構成を示すブロック図である。

（実施の形態１）
本実施の形態１に係るオーディオ信号処理装置について、以下に、その動作と各構成要素を詳しく説明する。

図１は、本実施の形態１に係るオーディオ信号処理装置の構成を示すブロック図である。

アナログ信号をデジタル信号に変換して記録再生するデジタルオーディオデータは、アナログ信号を量子化するため、量子化分解能以下の信号を量子化できないことによる量子化雑音（信号波形劣化）が発生する。特に、微小信号は、信号の振幅が小さいため、正確に量子化できず、音楽が有する抑揚等のニュアンスが欠落する。また、低域信号は、振幅が大きい信号であっても、サンプル間隔でみると振幅変化が小さいので、同様に正確に量子化できない。そのため、低域の階調が不明確になる。

図１に示すオーディオ信号処理装置は、Ｍビット（Ｍは正の整数）のデジタル信号をＮビット（Ｎは正の整数）拡張して、（Ｍ＋Ｎ）ビットのデジタル信号に変換することで、Ｍビットのデジタル信号に変換する前の原音（アナログ信号）により近いデジタル信号を生成して、原音により近い音質を再現するものである。とりわけ、微小信号および低域信号の変化分を正確に抽出し、これらの信号で発生している量子化雑音（信号波形劣化）を改善する。

図１において、オーディオ信号処理装置は、入力端子１、第１再量子化器２、振幅変化抽出器３、差信号生成器４、第２再量子化器５、加算器６および出力端子７を備える。入力端子１は、Ｍビットのデジタル入力信号を入力する。第１再量子化器２は、Ｍビットのデジタル入力信号を、（Ｍ＋Ｎ）ビットの第１再量子化信号にビット拡張する。振幅変化抽出器３は、第１再量子化信号の信号振幅の変化を検出して、振幅変化抽出信号を生成する。差信号生成器４は、第１再量子化信号と振幅変化抽出信号との差である差信号を生成する。第２再量子化器５は、振幅変化抽出信号を（Ｍ＋Ｎ）ビットの第２再量子化信号に変換する。加算器６は、差信号と第２再量子化信号とを加算する。出力端子７は、加算器６の出力信号を出力する。なお、本発明において、「再量子化」とは、デジタル信号の振幅のＬＳＢ（Ｌｅａｓｔ Ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ Ｂｉｔ）を、新たなビット幅に設定し直すことをいう。

図２は、本実施の形態１のオーディオ信号処理装置において、振幅変化抽出器３および差信号生成器４の動作を説明する図である。図３は、本実施の形態１のオーディオ信号処理装置において、第２再量子化器の動作を説明する図である。以上のように構成されるオーディオ信号処理装置の動作を詳細に説明する。

入力端子１からＭビットのデジタル入力信号が入力される。第１再量子化器２は、Ｍビットの入力信号を２^N倍（Ｎは正の整数）することにより、（Ｍ＋Ｎ）ビットの第１再量子化信号にビット拡張（再量子化）する。振幅変化抽出器３は、第１再量子化信号の現サンプルの振幅が、前サンプルの振幅から（１）正方向に変化、（２）変化なし、（３）負方向に変化のいずれであるかを検出し、（１）正方向に変化した場合は、ｎ倍のＬＳＢ値を加算して出力し、（２）変化なしの場合、０を加算して出力し、（３）負方向に変化した場合は、ｎ倍のＬＳＢ値を減算して出力する。これにおいて、ｎは正の整数であり、ＬＳＢは量子化数（Ｍ＋Ｎ）ビットにて表現される最下位ビットである。上記（１）、（２）、（３）の処理により、入力信号の振幅変化の大きさに関係なく振幅の変化方向に応じて、ｎ倍のＬＳＢ値を加減算する。通常、ｎは、ｎ≦２^Nに設定できるため、振幅変化をｎ倍のＬＳＢ値に圧縮した形の信号が出力されることになる。振幅変化量を変化幅に関係なく一定値にするため、デジタルオーディオ信号の特に波形再現性で課題のある微小信号の変化を大振幅信号にマスキングされることなく抽出できる。また、低域信号は、振幅変化が大きい信号として抽出できることになる。

次に、差信号生成器４は、振幅変化抽出器３の入力信号と出力信号との差を算出し、出力する。この差信号は、変換誤差を含まない信号として取り扱う。

図２は、上記振幅変化抽出器３および差信号生成器４の動作を示している。振幅変化抽出器３は、第１再量子化信号の振幅変化を抽出して、その変化に応じてｎ倍（図２ではｎ＝２^N）のＬＳＢ値を加減算した信号を生成している。図２より第１再量子化信号の振幅変化に関係なく振幅変化抽出信号の振幅値変化はｎＬＳＢであることが分かる。

次に、第２再量子化器５は、振幅変化抽出信号を（Ｍ＋Ｎ）ビットの第２再量子化信号に変換する。第２再量子化器５は、処理対象とするサンプルの前後所定数のサンプルデータを加重平均した演算結果を（Ｍ＋Ｎ）ビットで再量子化する。

すなわち、図３に示すように、処理対象とするサンプルを含めて前後５サンプルのデータを加重平均した演算結果を（Ｍ＋Ｎ）ビットの量子化器で再量子化する。ここで、５サンプルのデータを｛ａ０、ａ１、ａ２、ａ３、ａ４｝とした場合、対象とするサンプルａ２は、加重平均｛ｂ０×ａ０＋ｂ１×ａ１＋ｂ２×ａ２＋ｂ３×ａ３＋ｂ４×ａ４｝／（ｂ０＋ｂ１＋ｂ２＋ｂ３＋ｂ４）の算出結果に変換される。ここで、｛ｂ０、ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４｝は任意の実数の重み付け係数であり、通常｛１、１、１、１、１｝や｛０．２５、０．５、１、０．５、０．２５｝をとる。

そして、差信号と第２再量子化信号との和を加算器６で加算して、出力端子７から出力する。

以上のように、本実施の形態１では、入力端子１から入力されたＭビットのデジタル入力をＮビット拡張した（Ｍ＋Ｎ）ビットのデジタル信号を生成することで、量子化雑音（信号波形劣化）のない信号を再現している。

なお、図１では、振幅変化抽出器３は第１再量子化信号の振幅変化を検出しているが、入力信号の振幅変化を検出するとしてもよい。

また、上記説明では、ｎ＝２^Nとしたが、ｎの値は１以上の任意の整数値を取り得る。通常は１≦ｎ≦２^Nの範囲の値を使用するが、音楽ソースによっては、２^Nを超える値を使用してもよい。その場合でも、実用上は２^2N位が上限となる。本実施の形態１では、第１再量子化信号を振幅変化抽出器３の出力信号と差信号生成器４の出力信号とに分離するが、ｎを変化させることで、入力信号の両者への振り分け配分を変化することができる。すなわち、ｎが大きいほど、振幅変化抽出器３からの出力信号の振幅が大きくなり、差信号生成器４の出力信号の振幅は小さくなる。振幅変化抽出器３からの出力信号の振幅が大きくなるということは、第２再量子化器５でビット拡張処理される信号の割合が増えることになる。

以上の説明ではｎを固定の値にしているが、入力信号の振幅変化幅に応じて、適応的に変化させてもよい。すなわち、サンプルごとにおける振幅の変化が大きい入力信号に対しては、ｎを大きく（例えば、ｎ＞２^N）に設定してもよい。

図４は、実施の形態１のオーディオ信号処理装置の動作を示すフローチャートである。同図に示すように、第１再量子化器２は、入力信号に２^Nを乗算することにより、入力信号のＬＳＢをＮビット拡張した第１再量子化信号を生成する（Ｓ４０１）。次いで、振幅変化抽出器３は、第１再量子化信号の振幅の増減を、正負を有するＬＳＢが所定ビット数で表される振幅変化抽出信号を生成する（Ｓ４０２）。さらに、差信号生成器４は、第１再量子化器２で生成された第１再量子化信号から、振幅変化抽出器３で生成された振幅変化抽出信号を減算して得られる差信号を生成する（Ｓ４０３）。さらに、第２再量子化器５は、振幅変化抽出信号の各サンプル点の値を、当該サンプル点とその前後のそれぞれ２点を含む５点の加重平均を算出し、算出された平均値で置き換えることにより、振幅変化抽出信号のサンプル値を補間し、第２再量子化信号を生成する（Ｓ４０４）。加算器６は、差信号生成器４によって生成された差信号と、第２再量子化器５によって生成された第２再量子化信号を加算して出力信号を生成し、生成した出力信号を出力端子７から外部に出力する（Ｓ４０５）。

なお、上記実施の形態では、振幅変化抽出器３は、第１再量子化器２によってビット拡張された第１再量子化信号に対して、第１再量子化信号の変化を示す振幅変化抽出信号を生成したが、ビット拡張する前の入力信号の振幅をモニタし、その検出状況に応じてｎの値を変化させるとしてもよい。

図５は、実施の形態１におけるオーディオ信号処理装置の他の構成例を示すブロック図である。図５において、振幅変化抽出器５０は、第１再量子化器２の前段で分岐した入力信号を入力し、ビット拡張される前の入力信号に対して、その振幅変化を表す振幅変化抽出信号を生成する。他の処理部については、図１に示した各構成要素と同様であるので、同じ符号を付し説明を省略する。

なお、振幅変化抽出器３がモニタする値としては、入力信号の振幅の瞬時値（毎サンプルの振幅値）、入力信号の振幅の所定時間における時間平均、入力信号に所定の周波数特性を有するフィルタ処理を施した後の出力値などをモニタすることが可能である。

また、振幅変化抽出信号の変化の度合いを示すｎの値は、本実施の形態１のオーディオ信号処理装置で再生する音楽ソースに応じて、または、本実施の形態１のオーディオ信号処理装置の再生音の音質を主観的に確認しながら、ｎの値を調整してもよい。

（実施の形態２）
本実施の形態２におけるオーディオ信号処理装置の構成は、第２再量子化器以外、実施の形態１におけるオーディオ信号処理装置の構成と同じであるため、説明を省略する。また、実施の形態２のオーディオ信号処理装置において、基本的な信号の流れは、実施の形態１と同じであるため、以下では、異なる部分である第２再量子化器の動作についてのみ説明する。

図６は、本実施の形態２におけるオーディオ信号処理装置の第２再量子化器の動作を説明する図である。

実施の形態２の第２再量子化器は、入力される振幅変化抽出信号における対象サンプルの前後の所定サンプルについて、対象サンプルのデータとは異なる値を有し、かつ、その値が単調増加または単調減少する場合は、そのサンプルを結ぶ線分を直線近似し、それ以外の場合は、各対象サンプルの値を、実施の形態１と同様の加重平均を用いて計算する。

図６の場合、処理に用いるデータの対象範囲は対象サンプルを含めた前後５個のサンプルとし、対象とするサンプルの前後の所定数のサンプルのうちで前と後との双方が対象とするサンプルの振幅値と異なる値を有していて、かつ、その値が単調増加または単調減少にある場合、対象サンプルＰ０より時間的に前の２サンプルの中で、対象サンプルとその振幅値が異なる最初のサンプルＰ１（すなわち、対象サンプルと時間間隔がより小さい、時間的に前のサンプル）と、対象サンプルより時間的に後のサンプルの中で、対象サンプルとその振幅値が異なる２番目のサンプルＰ２（すなわち、対象サンプルと時間間隔がより大きい、時間的に後のサンプル）とを結ぶ直線上の、対象サンプル時刻における値を、処理後の対象サンプルＱとする。また、対象サンプルの前後のそれぞれ２点のサンプルが上記の条件を満たさない場合は、実施の形態１で示したように加重平均を用いて振幅変化抽出信号を補間するものとする。

以上のように、本実施の形態２では、入力端子１から入力されたＭビットのデジタル入力信号をＮビット拡張して（Ｍ＋Ｎ）ビットのデジタル信号を生成することにより、量子化雑音（信号波形劣化）の少ない信号を再現している。

（実施の形態３）
実施の形態３におけるオーディオ信号処理装置の構成は、実施の形態１のオーディオ信号処理装置と同様であり、異なる点は、第２再量子化器の処理内容だけであるため、第２再量子化器以外の処理部についての説明を省略する。図７は、実施の形態３におけるオーディオ信号処理装置の第２再量子化器の動作を説明する図である。図８は、実施の形態３における第２再量子化器の構成を示すブロック図である。図９は、入力信号のサンプル値に応じたランダム信号を生成するランダム信号発生器５１の構成を示す図である。

一般に、量子化することによる量子化誤差の大きさは、量子化ＬＳＢの±０．５の範囲内にあることが知られている。これを（Ｍ＋Ｎ）ビットの第１再量子化信号に当てはめると、±２^N-1ＬＳＢの範囲内に相当する。そこで、第２再量子化器５は、少なくとも対象とするサンプルの前後所定数のサンプルにおいて、全データ（振幅）に変化がある場合（毎サンプルデータが単調増加または単調減少する場合）は、±２^N-1ＬＳＢの範囲内の振幅値を有するデータを加算した結果を（Ｍ＋Ｎ）ビットで再量子化し、出力信号を生成する。

図７において、毎サンプルデータが変化している部分に関しては、±２^N-1ＬＳＢの範囲内の振幅値を有するデータを加算している。また、毎サンプルデータが変化しない範囲では、本実施の形態１および実施の形態２で記載した方法でビット拡張するか、毎サンプルデータが変化する区間と同様に±２^N-1ＬＳＢの範囲内の振幅値を有するデータを加算してもよい。

次に加算する±２^N-1ＬＳＢの範囲内の振幅値を有するデータの生成方法に関して図８を用いて説明する。加算する±２^N-1ＬＳＢの範囲内の振幅値有するデータは、その振幅値がランダムに変化するものとし、図８に示すように、ランダム信号発生器５１で入力信号と同一のサンプリング周期で振幅がランダムに変化するランダム信号を発生するとともに、その振幅値を±２^N-1ＬＳＢになるように制限し、その出力信号を加算器５２で振幅変化抽出信号に加算し、その出力信号を（Ｍ＋Ｎ）ビットの量子化器５３で再量子化して、第２再量子化信号を生成する。

さらに、ランダム信号発生器５１の具体例について、図９を用いて説明する。図９に示すように、有効量子化数Ｍビットのデジタル入力信号を入力信号として、有効量子化数Ｋビット（ＫはＫ＜Ｍを満たす整数）に再量子化するＫビット量子化器５４で量子化し、係数器５５で２^M-Kを乗算し、入力信号との差を減算器５６で生成し、係数器５７で±２^N-1ＬＳＢ範囲内の振幅値に正規化することで、±２^N-1ＬＳＢ範囲内の振幅値を有するランダム信号を生成する。この場合、Ｋの値は、ある程度Ｍに近い方が望ましい。

なお、本実施の形態３では、第２再量子化器５において、±２^N-1ＬＳＢ範囲内の振幅値を有するデータを加算し、（Ｍ＋Ｎ）ビットの量子化器で再量子化することでビット拡張を実施したが、本実施の形態１および本実施の形態２の単独あるいは組み合わせに本実施の形態３の処理を組み合わせて、ビット拡張するとしてもよい。

（実施の形態４）
本実施の形態４におけるオーディオ信号処理装置について、以下にその動作と各構成要素について詳細に説明する。本実施の形態４で、第２再量子化器以外のオーディオ信号処理装置の構成は、実施の形態１のオーディオ信号処理装置の構成と同じであるので、説明を省略する。

図１０は、実施の形態４のオーディオ信号処理装置の振幅変化抽出器３および差信号生成器４の動作を説明する図である。実施の形態１の場合、入力端子１に、例えば、鋸歯状波のような波形のデジタル信号が入力された場合には、振幅変化抽出器３の出力信号に直流成分が累積されることがある。それを防止するために、実施の形態４では、図１０に示すように、入力信号の傾斜が正から負に変化する点で、振幅変化抽出器３の出力レベルを強制的に０にしている。入力信号の傾斜が負から正に変化する点でも同様に、振幅変化抽出器３の出力レベルを強制的に０にする。このようにすることで、振幅変化抽出器３の出力信号に直流成分が累積されることを防止することができる。

本実施の形態では、入力信号の傾斜が変化したときに、振幅変化抽出器３の出力レベルを強制的に０にしているが、０の代わりに、例えば、＋１ＬＳＢ、−１ＬＳＢなど、０に近い値のレベルであればよい。

また、他の方法として、振幅変化抽出器３の出力信号が０から遠ざかるときのｎの値に対して、０に近づくときのｎの値を大きくするようにしてもよい。さらに、振幅変化抽出信号の絶対値が０から遠ざかるときのｎの値に対して、０に近づくときのｎの値を大きくするようにしてもよい。また、振幅変化抽出信号の値が増加から減少に変わるときは、変化点を超えてからの変化幅ｎＬＳＢを大きくするとしてもよい。

（実施の形態５）
本実施の形態５のオーディオ信号処理装置について、以下にその動作と各構成要素について詳細に説明する。本実施の形態５で、第２再量子化器以外のオーディオ信号処理装置の構成は、実施の形態１のオーディオ信号処理装置の構成と同じであるので、説明を省略する。

図１１は、実施の形態５のオーディオ信号処理装置の第２再量子化器５のより詳細な構成を示す図である。図１２は、本実施の形態５の第２再量子化器の動作を説明する図である。図１１に示すように、第２再量子化器５は、前置ホールド型２倍オーバーサンプリング５８、加重平均処理器５９、（Ｍ＋Ｎ）ビット量子化器５３、およびダウンサンプリング６０を備える。

図１２に示すように、第２再量子化器５に入力される振幅変化抽出信号は、前置ホールド型２倍オーバーサンプリング５８で、入力信号を前置ホールドすることで生成した信号を入力信号の間に挿入することにより、振幅変化抽出信号のサンプリングレートを２倍にした信号を生成する。

次に、２倍にオーバーサンプリングデータは、加重平均処理器５９にて、本実施の形態１と同様に加重平均処理を行い、（Ｍ＋Ｎ）ビット量子化器５３にて加重平均処理結果を（Ｍ＋Ｎ）ビットに再量子化する。

そして、ダウンサンプリング６０にて第２再量子化器５に入力されている振幅変化抽出信号に該当する処理データを抽出して、元のサンプリングレートで出力するようにしている。このようにすることで、より滑らかなデータを生成するようにしている。

なお（Ｍ＋Ｎ）ビット量子化器５３とダウンサンプリング６０の順序は、逆になってもよい。

なお、ブロック図（図１、５、８、９および１１など）の各機能ブロックは典型的には集積回路であるＬＳＩとして実現される。これらは個別に１チップ化されても良いし、一部又は全てを含むように１チップ化されても良い。

例えばメモリ以外の機能ブロックが１チップ化されていても良い。

ここでは、ＬＳＩとしたが、集積度の違いにより、ＩＣ、システムＬＳＩ、スーパーＬＳＩ、ウルトラＬＳＩと呼称されることもある。

また、集積回路化の手法はＬＳＩに限るものではなく、専用回路又は汎用プロセッサで実現してもよい。ＬＳＩ製造後に、プログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）や、ＬＳＩ内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサ を利用しても良い。

さらには、半導体技術の進歩又は派生する別技術によりＬＳＩに置き換わる集積回路化の技術が登場すれば、当然、その技術を用いて機能ブロックの集積化を行ってもよい。バイオ技術の適応等が可能性としてありえる。

また、各機能ブロックのうち、符号化または復号化の対象となるデータを格納する手段だけ１チップ化せずに別構成としても良い。

（用語の説明）
「前記入力信号の振幅が時間的に変化した場合、一定の量子化幅で振幅が変化する信号である変化信号を取得する変化取得部」は振幅変化抽出器３に対応し、「前記変化取得部で取得した変化信号を表現するビット数を第１のビット数から第２のビット数に拡張する量子化部の一部」は第１再量子化器２に対応し、「前記第２のビット数で表現される信号であって、前記入力信号から前記変化取得部で取得した変化信号を減算して得られる差信号を取得する差信号取得部」は差信号生成器４に対応し、「前記変化信号を前記入力信号における第１の量子化幅よりも小さい第２の量子化幅で再量子化して平滑化する量子化部」は第２再量子化器５に対応し、「前記量子化部で平滑化された変化信号と、前記差信号取得部で取得された差信号とを加算して出力信号を生成する生成部」は加算器６に対応する。

また、「変化信号」は振幅変化抽出信号に対応し、「差信号」は差信号に対応し、「前記量子化部で平滑化された変化信号」は第２再量子化信号に対応し、「出力信号」は加算器６の出力信号に対応する。

本発明は、デジタル信号のビットを拡張してハイビット化することで、デジタル化で失われた微小信号を再現し、より原音に近い形で再生することが可能なオーディオ信号処理装置に適用できる。これにより、デジタルソース再生機の機能および性能向上を実現できるとともに、コンパクトディスク等の既存の豊富なデジタルオーディオソースを高音質化して再生することができる等、デジタルオーディオ市場の活性化、市場拡大にとりわけ有効である。

１ 入力端子
２ 第１再量子化器
３ 振幅変化抽出器
４ 差信号生成器
５ 第２再量子化器
６ 加算器
７ 出力端子
５１ ランダム信号発生器
５２ 加算器
５３ （Ｍ＋Ｎ）ビット量子化器
５４ Ｋビット量子化器
５５ 係数器２^M-K
５６ 減算器
５７ 係数器
５８ 前置ホールド型２倍オーバーサンプリング
５９ 加重平均処理器
６０ ダウンサンプリング

Claims (6)

1. 第１のビット数で表現されるデジタルオーディオ信号である入力信号の信号処理を行うオーディオ信号処理装置であって、
   前記入力信号の振幅が時間的に変化した場合、一定の量子化幅で振幅が変化する信号である変化信号を取得する変化取得部と、
   前記変化取得部で取得した変化信号を表現するビット数を第１のビット数から第２のビット数に拡張するとともに、前記変化信号を前記入力信号における第１の量子化幅よりも小さい第２の量子化幅で再量子化して平滑化する量子化部と、
   前記第２のビット数で表現される信号であって、前記入力信号から前記変化取得部で取得した変化信号を減算して得られる差信号を取得する差信号取得部と、
   前記量子化部で平滑化された変化信号と、前記差信号取得部で取得された差信号とを加算して出力信号を生成する生成部と、を備えるオーディオ信号処理装置。
2. 前記変化取得部は、前記入力信号を表現するビット数が前記第１のビット数から前記第２のビット数に拡張された当該入力信号の変化を検出することによって、前記変化信号を取得する
   請求項１に記載のオーディオ信号処理装置。
3. 前記量子化部は、前記変化信号に対して、部分的に異なる平滑化方法を用いて、前記変化信号上の対象サンプルの値を平滑化する
   請求項１または請求項２に記載のオーディオ信号処理装置。
4. 前記変化取得部は、前記入力信号が増加から減少に転ずるとき、または、減少から増加に転ずるときの変化点において、前記変化信号の値を０に近い値に初期化する
   請求項３に記載のオーディオ信号処理装置。
5. 前記変化取得部は、前記変化信号の絶対値が増加から減少に転ずる変化点、または、減少から増加に転ずる変化点のいずれの変化点においても、前記変化点より後の前記変化信号の絶対値の方が、前記変化点より前の前記変化信号の絶対値よりも大きい幅で変化するよう前記変化信号を生成する
   請求項３に記載のオーディオ信号処理装置。
6. 第１のビット数で表現されるデジタルオーディオ信号である入力信号の信号処理を行うオーディオ信号処理装置におけるオーディオ信号処理方法であって、
   前記入力信号の振幅が時間的に変化した場合、一定の量子化幅で振幅が変化する信号である変化信号を取得し、
   前記取得した変化信号を表現するビット数を第１のビット数から第２のビット数に拡張するとともに、前記変化信号を前記入力信号における第１の量子化幅よりも小さい第２の量子化幅で再量子化して平滑化し、
   前記第２のビット数で表現される信号であって、前記入力信号から前記取得した変化信号を減算して得られる差信号を取得し、
   前記平滑化された変化信号と、前記差信号とを加算して出力信号を生成する
   オーディオ信号処理方法。

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