JP3253895B2 - 音声デジタル化方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コンピュータを利
用して長時間の音声、音楽、効果音等のアナログ信号を
デジタル化し、通話や放送を行うコンピュータ技術に関
する。

【０００２】

【従来の技術】私たちの周りで起きる現象はアナログで
ある。したがって通常、音も映像もアナログ信号として
捉え、それを再生するときもアナログとして再生する。
しかし一方、コンピュータが扱うデータはすべてデジタ
ルである。アナログをデジタル化すれば、コンピュータ
で容易に加工できるというメリットをもっている。原理
がわかり、それがいったん技術化可能となると、その分
野に関する技術は飛躍的に進歩する。アナログをデジタ
ル化し、それをコンピュータで加工して再びアナログと
して再生する技術も、飛躍的に進歩した技術の一つであ
る。

【０００３】アナログ信号からデジタル信号への変換を
Ａ／Ｄ変換といい、その逆変換をＤ／Ａ変換という。図
１は、アナログ音声入力におけるＡ／Ｄ変換とＤ／Ａ変
換の過程を示したものである。人間が聞き取れる周波数
帯域は２０Ｈｚ〜２０ＫＨｚであるから、通常ＬＦＰ
（ローパスフィルター）で２０ＫＨｚ以上の周波数をカ
ットする。ＬＰＦを通過したアナログ信号は、振幅方向
のパルス信号に変換される。これを、サンプリング（標
本化）という。サンプリングから次のサンプリングまで
パルス信号を保ち、量子化および符号化までの時間を十
分確保する必要がある。これを保持といい、このときパ
ルス信号は階段波になる。

【０００４】符号器（図では単に符号化と記述）では量
子化と符号化を同時に行う。量子化とは、変数のとる範
囲を重複しない有限の区間（必ずしも等間隔である必要
はない）に分けて、その区間内の割り当てられた値を設
定することである。

【０００５】量子化によって数値化された値をさらに０
と１の、いわゆる２進数に変化する。これを符号化とい
う。以上の変換がＡ／Ｄ変換である。一方、その逆過程
をたどってアナログ信号に変える過程がＤ／Ａ変換であ
る。

【０００６】Ａ／Ｄ変換を行う場合、もっとも重要な部
分がサンプリングである。サンプリングが悪い場合に
は、量子化の過程で区間をどんなに細かくしても、元の
波形を正しく表現できないからである。したがって、サ
ンプリングが不十分な場合には、音質や画質に悪影響を
与えることになる。図２は、時間間隔ｄｔ（サンプリン
グ間隔、単位は秒）でアナログ信号をサンプリングして
いる例である。

【０００７】機械的には、ｄｔごとにパルスを発生させ
て、そのときの振幅を取り出すという方法が採られてい
る。サンプリング間隔ｄｔの逆数をサンプリング周波数
ｆという。サンプリング周波数ｆは１／ｄｘであるか
ら、１秒間に何回サンプリングを行うかを表している。
したがって、サンプリング周波数は１秒間にサンプリン
グするサンプリングの回数でもある。たとえば、テレビ
ジョンではサンプリング周波数１４．３２ＭＨｚで１秒
間に３０コマの映像を送っているから、１画面当たり約
４８万回のサンプリングがなされていることになる。

【０００８】サンプリングされた時系列が元のアナログ
信号波形情報をすべて保持するためには、アナログ信号
波形に含まれる成分の最高周波数の２倍以上のサンプリ
ング周波数が必要となる。サンプリング回数は多ければ
多いほどよいことは容易に想像がつくが、それでは情報
量が多くなり、のちの処理に悪影響を及ぼす。

【０００９】とくにリアルタイムな情報処理が必要な場
合には、情報の入力から出力までの時間が長くなりすぎ
ると、リアルタイムという要求に応えられない。このよ
うなことから、最高周波数の２倍のサンプリング周波数
が一つの目安になる。たとえば、ＣＤや衛星放送の場合
には、周波数帯域は２０Ｈｚ〜２０ＫＨｚまたは２２Ｋ
Ｈｚであるから、サンプリング周波数は最高周波数の２
倍強の４４．１ＫＨｚと４８ＫＨｚとなっている。符号
化された値に使用されるビット数は１６ビットである。
これは、デジタル電話で使用されるビット数の２倍であ
る。

【００１０】音声のサンプリング（Ａ／Ｄ変換）をコン
ピュータで行う場合、サウンドコントローラの管理下で
Ａ／Ｄ変換器が働き、Ａ／Ｄ変換を行う。デジタル化さ
れたデータをメインメモリに転送するために、サウンド
コントローラはＤＭＡ（Direct Memory Access）コント
ローラにデータ転送を要求する。

【００１１】それを受けて、ＤＭＡコントローラはデジ
タル化されたデータをメインメモリに転送する。ＤＭＡ
コントローラはＣＰＵとは独立して稼働するために、Ｃ
ＰＵの負担が軽減され、システム全体のスループットが
向上する。しかし、ＤＭＡコントローラが勝手に動いた
のでは、ＣＰＵがいつデータを処理しなければならない
かが判断できない。そこで、メインメモリにデータ転送
を完了した時点で、ＤＭＡコントローラはＣＰＵにデー
タ転送が完了したことを通知する。それを受けて、ＣＰ
Ｕは転送されてきたデータの処理を開始する。このＣＰ
Ｕが行う処理は通常、ファイルへの書き出しである。

【００１２】サウンドコントローラおよびＤＭＡコント
ローラのサンプリング回数の設定はＣＰＵが行う。サン
プリング回数が、ＤＭＡコントローラやサウンドコント
ローラに設定できる回数以上の場合（たとえば１時間の
サンプリングを続ける場合）、両コントローラのサンプ
リング回数の設定は、できるだけ大きな値にし、設定回
数分のサンプリングが終了したら、ＣＰＵがサンプリン
グ回数を再設定することで長時間のサンプリングを可能
にしている。

【００１３】またサンプリングされ、デジタル化された
データを送信する場合、ＤＭＡコントローラから得られ
た終了通知を確認してから、ＣＰＵはサンプリングの終
了したデータを相手側に送信しなければならない。一
方、受け取り側も、全データを受信してからでないと、
再生（Ｄ／Ａ変換）を開始することができない。

【００１４】以上のような理由から、通話などのリアル
タイムな応答が必要な場合には、長い時間のサンプリン
グ（たとえば１０秒間のサンプリング）データの送信と
いうことは意味がない。このため、通常の通話では、サ
ンプリング回数を小さく設定し、聴覚に個人差はあるも
のの、すくなくても１秒以下の遅延時間にしなければな
らない。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】従来技術で見てきたよ
うに、通話においては遅延時間を極力短くするために、
通常ＣＰＵからサウンドコントローラにサンプリング回
数を設定する割合は、０．１秒に１回程度に抑えなけれ
ばならない。なぜなら、図３に示すように、ＣＰＵがサ
ウンドコントローラにサンプリング回数を再設定すると
きに、サンプリング周波数に誤差が生じ、この誤差が再
生時のノイズとなって現れるからである。この点をもう
すこし詳しく説明する。

【００１６】通常、サンプリング周期（サンプリング周
波数の逆数）は、０．１％程度の高い精度が要求され
る。たとえばサンプリング周波数を８０００Ｈｚとする
と、サンプリング周期は１２５μ秒となり、その誤差は
０．１μ秒でなければならない。したがって、この誤差
以下の周期を遵守するために、水晶もしくはセラミック
の発振子を用いて、ハードウェア的に正確にサンプリン
グ周期を確保している。しかし、サウンドコントローラ
がＣＰＵによって設定されたサンプリング回数分のサン
プリングを終了した場合、この周期を発生させるタイマ
ー（発振子）は停止する。したがってサンプリング回数
を再設定する場合には、タイマーを再起動しなければな
らず、その動作のために遅延が生じ、正確なサンプリン
グ周波数を発生させることができない。

【００１７】そこで本発明の課題は、頻繁に再設定が行
われる場合に従来技術では対応できなかった遅延時間と
雑音を最小限に抑え、無限長の通話を可能にする方法お
よび装置を開発することである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、長時間続けられる音声による通話や放送な
どで、サウンドコントローラの管理下でＡ／Ｄ変換を行
い、そのデジタル化されたデータをメインメモリに転送
するために、サウンドコントローラがＤＭＡコントロー
ラにデータ転送を要求する、音声のサンプリング方法な
いしは装置において、前記サウンドコントローラのサン
プリング回数の設定を、前記ＤＭＡコントローラのサン
プリング回数に設定する回数よりも相対的に大きな値を
設定することによって、データ転送によって生じる遅延
時間とサンプリング回数の再設定によって生じる雑音を
最小限にする。

【００１９】従来技術の問題点は、ＤＭＡコントローラ
とサウンドコントローラのサンプリング回数を同じ値に
設定していたことにある。もっともこれには理由があ
る。なぜなら、ＣＰＵに対してサンプリングの終了をＤ
ＭＡコントローラからは通知できるが、サウンドコント
ローラからは通知できないために、ＣＰＵはＤＭＡコン
トローラの通知をもってサウンドコントローラのサンプ
リング終了を知り、両コントローラにサンプリング回数
の再設定を行っていたからである。しかしこれが、遅延
時間を引き起こし、雑音の原因となっていた。もっと
も、従来技術では、通話といったいつ終わるかわからな
い音声（広くは音）を対象にしていないから、それでも
十分に対応できた。

【００２０】これに対して本発明ではリアルタイムな応
答が要求される無限長の音声を対象にするために、上記
のような雑音は許されない。そこで本発明では、サンプ
リング時に生じる遅延時間と雑音の原因となるサウンド
コントローラの再設定回数（頻度）を最小限にするため
に、サウンドコントローラに設定するサンプリング回数
は大きくし、ＤＭＡコントローラのサンプリング回数は
小さくする。

【００２１】これだけではサウンドコントローラのサン
プリング終了がＣＰＵにわからないために、サウンドコ
ントローラのサンプリング回数をＤＭＡコントローラの
サンプリング回数の整数倍とし、ＤＭＡコントローラの
サンプリング終了回数（ＣＰＵへの終了通知回数）でサ
ウンドコントローラのサンプリング終了を知ることがで
きるようにする。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図４のハー
ドウェア構成図で説明する。この構成図は従来のハード
ウェアと変わらない。異なる点は、ＣＰＵが行うサンプ
リング回数の設定とそのタイミングである。

【００２３】サウンドボードにはＡ／Ｄ変換器とサウン
ドコントローラが搭載されている。サウンドコントロー
ラの制御のもと、マイクより入力された音声（アナログ
信号）はデジタル化される。デジタル化（サンプリン
グ）が終了すると、サウンドコントローラはＤＭＡコン
トローラに対してデータ転送要求を発する。それを受け
て、ＤＭＡコントローラはＡ／Ｄ変換器からメインメモ
リにデータ転送する。

【００２４】データ転送が終わると、ＤＭＡコントロー
ラはＣＰＵにデータ転送が完了したことを通知する。Ｃ
ＰＵは、その通知を受けてＤＭＡコントローラとサウン
ドコントローラのサンプリング回数を再設定する。また
同時にＣＰＵはメインメモリに送られてきたデジタルデ
ータを加工（本発明では単に読み取りのみ）したあと、
そのデータを通信回路に転送する。従来技術では、サウ
ンドコントローラとＤＭＡコントローラへのサンプリン
グ回数は同時に行われていたが、本発明ではその設定頻
度（設定回数）が異なる。以下、この点について説明す
る。

【００２５】通常、ＣＰＵは、サウンドコントローラに
対して、サンプリング周波数、サンプリングビット数、
サンプリング回数を設定する。一方、ＤＭＡコントロー
ラに対しては、サンプリング回数とメインメモリ上の書
き込みアドレスを設定する。ＣＰＵによる設定が完了す
ると、サウンドコントローラに設定されたサンプリング
周期（サンプリング周波数の逆数）ごとに、Ａ／Ｄ変換
器はＡ／Ｄ変換を行う。Ａ／Ｄ変換が終了すると、サウ
ンドコントローラは、ＤＭＡコントローラに対して、変
換結果をメインメモリに転送することを要求する。その
要求に従って、ＤＭＡコントローラは変換結果をメイン
メモリに通知する。転送が完了すると、ＤＭＡコントロ
ーラはＣＰＵにそのことを知らせる。さらにサンプリン
グの継続が必要な場合には、ＣＰＵはサウンドコントロ
ーラとＤＭＡコントローラに対して、上記の内容を再設
定する。

【００２６】本発明では、ＤＭＡコントローラのサンプ
リング回数には小さな値を設定し、サウンドコントロー
ラのサンプリング回数には大きな値を設定する。これに
よって、ＣＰＵが行う再設定の周期は、ＤＭＡコントロ
ーラに対するより、サウンドコントローラの方が長くな
る。通常、サウンドコントローラからサンプリング回数
の終了（設定された回数分のサンプリングすなわちサン
プリングの終了）通知は得られないために、サウンドコ
ントローラに設定するサンプリング回数は、ＤＭＡコン
トローラに設定する回数の整数倍にし、ＤＭＡコントロ
ーラからの終了通知回数をＣＰＵはカウントし、サウン
ドコントローラの終了を判断する。たとえば、ＤＭＡコ
ントローラのサンプリング回数ａ、サウンドコントロー
ラのサンプリング回数ｂ（＝ｎａ）とすると、ＤＭＡコ
ントローラからＣＰＵに対してサンプリング終了通知が
ｎ回あるごとに１回、ＣＰＵはサウンドコントローラの
サンプリング回数を再設定する。

【００２７】

【実施例】本発明の実施例として、サウンドコントロー
ラに設定するサンプリング周波数を８０００Ｈｚ、サン
プリング回数を８１９２回（=512×16回）、ＤＭＡコン
トローラに設定するサンプリング回数を１６回とした例
について説明する。

【００２８】ＣＰＵはＤＭＡコントローラからサンプリ
ング終了の通知を受けるたびに、ＤＭＡコントローラの
再設定を行う。ＤＭＡコントローラからの終了通知が累
計５１２回になった時点でＤＭＡコントローラとサウン
ドコントローラの再設定を行う。このあと、再びカウン
トを０として、終了通知のカウントを新たに開始する。
以上を処理をまとめたのが図５のフローチャートであ
る。図５の処理は、ＤＭＡコントローラの終了通知ごと
に発生する、ＣＰＵが行う割り込み処理である。なお、
フローチャート中の“諸元”には、サンプリング周波数
やサンプリング回数などが含まれる。

【００２９】ＤＭＡコントローラからメインメモリへの
転送に要する時間による遅延は、２ミリ秒（=16/800
0）。通信に要する伝送時間を無視するとして、相手側
で再生される時間も考慮すると、遅延時間は４ミリ秒と
なる。一方、本来、サウンドコントローラのサンプリン
グ周波数とサンプリング回数は等しくなければならな
い。しかし、１９２（=8192-8000）回の遅れが生じる。
これを時間に換算すると０．０２４秒（=192/8000）。
すなわちサウンドコントローラから発生するノイズは
１．０２４秒に１回。したがって、通話に使用しても、
どちらも違和感を与えないレベルの誤差である。

【００３０】

【発明の効果】本発明の最大の特徴は、サウンドコント
ローラのサンプリング回数をＤＭＡコントローラのサン
プリング回数よりも相対的に大きくすることによって、
ＤＭＡ転送に要する遅延時間とサウンドコントローラの
サンプリング回数の再設定に要する遅延時間を短縮でき
る点である。したがって、ここから生じるノイズを通話
に必要な誤差以下に低減でき、無限長の通話（正確には
終了時点のわからない通話）を可能にしている点であ
る。

【００３１】しかも、本発明はソフトウェア上の対応で
上記の効果を引き出しているために、従来のハードウェ
ア構成をそのまま利用することができ、コストの掛から
ない通話システムが容易に構築できることである。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術におけるＡ／Ｄ変換およびＤ／Ａ変換
を説明するための図である。

【図２】従来技術におけるアナログ信号のサンプリング
を説明するための図である。

【図３】課題を解決するための手段において、従来技術
におけるサンプリングの問題点を説明するための図であ
る。

【図４】本発明の実施の形態において、コンピュータで
Ａ／Ｄ変換を行う場合の諸元の設定、コントロールおよ
びデータの流れを説明するためのハードウェア構成図で
ある。

【図５】本発明の実施例における具体的数値を用いた諸
元の再設定のタイミングを説明するためのフローチャー
トである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G10L 19/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】長時間続けられる音声による通話や放送な
   どで、サウンドコントローラの管理下でＡ／Ｄ変換を行
   い、そのデジタル化されたデータをメインメモリに転送
   するために、前記サウンドコントローラがＤＭＡコント
   ローラにデータ転送を要求する、音声のサンプリング方
   法において、 前記サウンドコントローラのサンプリング回数の設定
   を、前記ＤＭＡコントローラのサンプリング回数に設定
   する回数よりも相対的に大きな値を設定することによっ
   て、データ転送によって生じる遅延時間とサンプリング
   回数の再設定によって生じる雑音を最小限にすることを
   特徴とする音声デジタル化方法。
2. 【請求項２】長時間続けられる音声による通話や放送な
   どで、サウンドコントローラの管理下でＡ／Ｄ変換を行
   い、そのデジタル化されたデータをメインメモリに転送
   するために、前記サウンドコントローラがＤＭＡコント
   ローラにデータ転送を要求する、音声のサンプリング装
   置において、 前記サウンドコントローラのサンプリング回数の設定
   を、前記ＤＭＡコントローラのサンプリング回数に設定
   する回数よりも相対的に大きな値を設定した手段を備え
   たことを特徴とする音声デジタル化装置。