JP3898971B2

JP3898971B2 - 信号圧縮装置

Info

Publication number: JP3898971B2
Application number: JP2002102259A
Authority: JP
Inventors: 真巳中村
Original assignee: Kenwood KK
Current assignee: Kenwood KK
Priority date: 2002-04-04
Filing date: 2002-04-04
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2022-04-04
Also published as: JP2003298372A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はコンプレッサに関し、例えば音響（オーディオ）信号等のダイナミックレンジを圧縮する信号圧縮装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
音響信号のダイナミックレンジを圧縮する技術として信号圧縮装置（以下、コンプレッサともいう）がある。このコンプレッサの効果は、入力信号のレベルが予め規定したレベルを下回るとレベルを上げ（ゲインを比較的高くし）、規定レベルを超えると、レベルを下げる（ゲインを比較的低くする）。その結果、広いダイナミックレンジの信号を比較的狭いダイナミックレンジに抑えて、増幅その他の処理を容易にする。
【０００３】
図７は、従来のコンプレッサのアルゴリズムを示す。この例は、ステレオ音響信号の左（Left：以下Lという）および右（Right：以下Rという）信号の圧縮処理を行うコンプレッサの例である。LおよびRチャネルには、それぞれレベル検出部６L、６R、コンプレッション率計算部７L、７Rおよび乗算器（マルチプライヤ）８L、８Rを有する。また、入力端子１０L、１０Rおよび出力端子１２L、１２Rを有する。LおよびR信号は、それぞれLおよびR入力端子１０L、１０Rからレベル検出部６L、６Rおよび乗算器８L、８Rの入力端子に入力される。また、レベル検出部６L、６Rの出力信号は、それぞれコンプレッション率計算部７L、７Rに入力される。そして、コンプレッション率計算部７L、７Rの出力信号は、それぞれ乗算器８L、８Rの他の入力端子に入力される。乗算器８L、８Rの出力信号が、それぞれ出力端子１２L、１２Rから圧縮された出力信号として出力される。
【０００４】
ここで、レベル検出部６L、６Rは、それぞれ入力端子１０L、１０Rに入力された入力信号の瞬時レベルを検出する。コンプレッション率計算部７L、７Ｒでは、レベル検出部６L、６Rで検出したレベルが規定レベルを下回ると、圧縮率を１倍以上とし、規定レベルを上回ると圧縮率を約１倍とさせるコンプレッション率を計算する。このコンプレッション率計算部７L、７Rで計算した倍率を乗算器８L、８Rにてそれぞれの音源である入力端子１０L、１０Rからの入力信号に乗算する。これにより、入力信号をコンプレッション率計算部７Ｌ、７Rの倍率に合わせて圧縮する。
【０００５】
ここで、コンプレッション率計算部７L、７Rにおいて、規定レベルを下回るとレベルを上げる曲線（コンプレッション曲線）をＤＳＰ（Digital Signal Processor )で実現するには、大きく分けて次の２通りの方法がある。一方は、高次関数式を使用してコンプレッション曲線を実現する方法である。他方は、入力の瞬時値の大きさ（レベル）が規定レベルを上回ったか下回ったかに応じて、倍率の計算式を選択する方法である。
【０００６】
図８において、曲線aはコンプレッション率計算部７を高次関数式で実現した波形例である。倍率は、例えば正弦波である曲線bに示す波形に沿って変化するので、曲線cに示す波形となる。
【０００７】
図９は、高次関数を使用するコンプレッサ特性を示す。一方、図１０は、入力信号の大きさにより倍率の計算式を選択する方法でコンプレッション率計算部７の特性を示す。これら図９および図１０において、破線aは倍率が１の場合であり、実線bはコンプレッション特性を示す。図１０に示す例において、コンプレッション率計算部７の入力信号をｘ（ｔ）、出力信号をy（t）とし、入力レベル−１３ｄＢをスレッショルドとした。そして、このスレッショルドレベルを上回るレベルは、次式（１）でコンプレッション率を計算し、
【数１】

スレッショルドレベルを下回るレベルは、入力−１３dＢから一定（２ｄＢ）の増幅値とさせる次式（２）で計算している。
【数２】

【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
コンプレッション曲線を実現するために高次関数式を使用する場合には、演算能力の高いＤＳＰを必要とするか、演算精度を得るために演算量を多くする必要がある。演算能力の高いＤＳＰでは、実現できるＤＳＰの種類が制限され、コストも高い。また、演算精度を得るために演算量を多くすると、プログラム量も多くなるという課題がある。
【０００９】
一方、コンプレッション曲線を実現するために、入力されえた音のレベルによって条件判断し、カーブを選択する方法を使用する場合には、条件判断や、複数のカーブを有することとなり、プログラムが複雑になるという課題を有する。
【００１０】
【発明の目的】
本発明は、従来技術の上述した課題に鑑みてなされたものであり、高度な演算能力を必要とすることなく簡単に実現可能なコンプレッサ（信号圧縮装置）を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため、本発明による信号圧縮装置は次のような特徴的な構成を採用している。
【００１２】
（１）入力信号が大レベルの場合のゲインを小レベルの場合に対するゲインより低下させて、音響信号等のダイナミックレンジを圧縮する信号圧縮装置において、
前記入力信号を係数α（１より大）で増幅するオーバードライブ部と、
該オーバードライブ部の出力信号を規定レベルでクリップするリミット部と、
該リミット部の出力信号および前記入力信号の差信号を得る減算部と、
前記差信号に係数βを掛ける乗算部と、
該乗算部の出力信号および前記入力信号を加算する加算部と
を備える信号圧縮装置。
【００１３】
（２）前記オーバードライブ部の係数αを調整して信号圧縮を行う信号レベルを設定可能にする上記（１）の信号圧縮装置。
【００１４】
（３）前記リミット部および前記減算部間に設けられ、前記リミット部の出力信号を係数γで増幅するゲイン部を更に備える上記（１）又は（２）の信号圧縮装置。
【００１５】
（４）前記ゲイン部の前記係数γを前記オーバードライブ部の係数αの実質的に逆数に設定する上記（３）の信号圧縮装置。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるコンプレッサの好適実施形態の構成および動作を、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
先ず、図１は、本発明によるコンプレッサの第１実施形態の構成を示すブロック図である。このコンプレッサは、それぞれ入力信号（原音）が入力される入力端子１０Ｌ、１０Ｒ、オーバードライブ部１Ｌ、１Ｒ、リミット部２Ｌ、２Ｒ、減算部（又は演算部）３Ｌ、３Ｒ、乗算部４Ｌ、４Ｒ、加算部５Ｌ、５Ｒおよび出力信号が出力される出力端子１２Ｌ、１２Ｒにより構成される。
【００１９】
Ｌ（左）チャネルについて説明すると、入力端子１０Ｌが、オーバードライブ部１Ｌの入力、減算部３Ｌの一方の入力および加算部５Ｌの一方の入力に接続され、それぞれＬチャネルの入力信号が入力される。オーバードライブ部１Ｌの出力信号は、リミット部２Ｌを介して、減算部３Ｌの他方の入力端子に入力される。更に、減算部３Ｌの出力信号は、乗算部４Ｌを介して加算部５Ｌの他方の入力端子に入力される。そして、加算部５Ｌの出力信号は、出力端子１２Ｌに供給される。尚、Ｒ（右）チャネルも、上述したＬチャネルと同様に接続される。
【００２０】
次に、各構成要素１〜５の主要機能を説明する。オーバードライブ部１は、入力信号（原音）Ｓ０を係数αで増幅する（又は原音Ｓ０にαを乗算する）。リミット部２は、オーバードライブ部１で増幅された信号をクリップした信号Ｓ１を出力する。リミット部２からのクリップされた出力信号Ｓ１と原音Ｓ０との差信号Ｓ２を求める。乗算部４は、減算部３からの差信号Ｓ２にコンプレッション付加量のレベル調整係数βを乗算する。加算部５は、乗算部４の出力信号Ｓ３と原音Ｓ０を加算した出力信号を出力端子１２へ供給する。
【００２１】
次に、図１に示すコンプレッサの動作を、図２の波形図を参照して説明する。オーバードライブ部１では、係数αを１倍より大きく設定して、入力信号Ｓ０のレベルを増幅する。このオーバードライブ部１で増幅された信号は、後段のリミット部２に入力される。このリミット部２において、入力の最大レベルを超えた信号部分はクリップされる。従って、リミット部２の出力信号Ｓ１は、入力信号（原音）が図２中の点線Ｓ０で示す正弦波のとき、１点鎖線で示す波形Ｓ１のようになる。即ち、入力信号Ｓ０のうち、最大レベルを超えない信号部分は、クリップされずに原音Ｓ０をα倍した信号となり、最大レベルを超える部分は、一定値になる。
【００２２】
次に、減算部３は、リミット部２の出力信号Ｓ１から原音Ｓ０を減算処理（即ち、Ｓ１−Ｓ０＝Ｓ２）する。入力信号Ｓ０のうちレベルの大きい信号部分は、Ｓ０とＳ１との差がなく、実質的にＳ１−Ｓ０＝０となる。従って、この部分における減算部３の出力信号Ｓ２は、小さくなる。また、レベルの小さい信号部分は、リミット部２によりクリップされないので、次の式（３）で与えられる。
【数３】

従って、減算部３の出力信号Ｓ２は、次の式（４）で与えられる。
【数４】

換言すると、減算部３の出力信号は、低レベル信号部分については、原音Ｓ０の（α―１）倍となるので、小レベルの入力信号は大きく、大レベルの入力信号は小さくなり、小レベルの信号を抽出したことになる。この減算信号Ｓ２は、乗算部４にてコンプレッション付加量のレベル係数βを乗算する。このレベル調整係数β＝０．１とした場合の例を図２中にＳ３で示す。この乗算部４の出力信号Ｓ３を加算部５にて原音Ｓ０と加算した加算出力Ｓ４（＝Ｓ３＋Ｓ０）が、図２中に実線Ｓ４に示され、出力端子１２から出力される。
【００２３】
上述の説明から理解される如く、出力端子１２から出力される出力信号Ｓ４は、低レベルの入力信号は大きくさせ、大レベルの入力信号は小さくするので、コンプレッサが実現可能である。図３は、入力（横軸）と出力（縦軸）をそれぞれデシベル（ｄＢ）で示す、入出力特性図を示す。点線は入力信号Ｓ０を示し、実線Ｓ４は出力信号を示す。この特定例では、約−１３ｄＢまで入力レベルが徐々に増加するとき、約２ｄＢの一定増幅度で増幅し、約―１３ｄＢの変化点から急激に増幅度が低下して、レベル増幅させないようにしている。
【００２４】
また、入力信号をｘ（ｔ）とし、出力信号をｙ（ｔ）とするとき、入出力信号関係は、次の式（５）で与えられる。尚、Ｑ［］は、カッコ内の信号に対してリミット部２がリミットをかけた値とする。
【数５】

【００２５】
次に、図４〜図６を参照して本発明の第２実施形態を説明する。この第２実施形態は、規定レベルを上回る信号をコントロールする。図４は、その構成を示すブロック図であり、入力端子１０Ｌ、１０Ｒ、オーバードライブ部１Ｌ、１Ｒ、リミット部２Ｌ、２Ｒ、ゲイン（増幅）部９Ｌ、９Ｒ、減算部３Ｌ、３Ｒ、乗算部４Ｌ、４Ｒ、加算部５Ｌ、５Ｒおよび出力端子１２Ｌ、１２Ｒにより構成される。即ち、図１に示す第１実施形態と比較して、リミット部２Ｌ、２Ｒおよび減算部３Ｌ、３Ｒ間にそれぞれゲイン部９Ｌ、９Ｒを挿入した点で相違する。即ち、入力信号の瞬時値が規定レベルを超えると、その超えた大レベルに対して設定した割合で圧縮させ、規定レベルを超えないようにさせるリミッタ機能を実現する。
【００２６】
オーバードライブ部１は、入力信号Ｓ０を係数αで増幅させる。リミット部２は、オーバードライブ部１で増幅された信号をクリップさせる。ゲイン部９は、リミット部２と通した信号をγ（＝１／α）倍して元のレベルに戻す。減算部３は、ゲイン部９からの信号Ｓ１Ａと原音Ｓ０との差信号Ｓ２Ａを求める。乗算部４は、減算部３からの差信号Ｓ２Ａにコンプレッション付加量のレベルβを乗算して出力信号Ｓ３Ａを得る。加算部５は、乗算部４からの出力信号Ｓ３Ａに原音Ｓ０を加算して、出力信号Ｓ４を出力端子１２に出力する。
【００２７】
次に、図４に示す本発明の第２実施形態の動作を、図５に示す波形図を参照して説明する。図５中において、点線で正弦波状の原音Ｓ０を示す。この原音Ｓ０は、オーバードライブ部１によりα倍に増幅され、リミット部２によりクリップされる。この係数αの設定により、リミット部２によりクリップされる範囲を規定する。このように、オーバードライブ部１でαを掛けることにより、大レベルの信号はクリップされ、小レベルの信号はクリップされることなくα倍された信号Ｓ１Ｂとなる。ゲイン部９によりオーバードライブ部１で増幅された増幅度の逆数γ（＝１／α）を乗算することにより、クリップしていない小レベルの信号を入力信号と同じレベルの信号Ｓ１Ａに戻す。
【００２８】
次に、減算部３によりゲイン部９の出力信号Ｓ１Ａから原音Ｓ０を差し引く演算を行い、差信号Ｓ２Ａ（＝Ｓ１Ａ―Ｓ０）を求める。ここで、信号Ｓ１Ａのうちクリップされていない低レベル信号部分は、入力信号Ｓ０と同じであるので、この部分の差信号Ｓ２Ａは０（差がない）である。クリップされた大レベル信号部分は、原音Ｓ０から差し引かれるので、リミット部２でクリップされた信号部分が残り、図５中の信号Ｓ２Ａのようになる。これにより、規定したレベルより大きい信号成分が逆極性の信号として抽出される。乗算部４のコンプレッション付加量のレベル調整係数βは、減算部３からの差信号Ｓ２Ａに掛けられ、加算部５において原音Ｓ０と加算され、出力信号Ｓ４が出力端子１２から得られる。図５中に実線Ｓ４で示す如く、大信号レベル部分が圧縮された出力信号が得られる。
【００２９】
図６は、図４の第２実施形態における入出力特性を示す。この特定例では、オーバードライブ部１の係数αを２倍とし、−６ｄＢ以下の低レベル信号ではゲイン調整されず、−６ｄＢ以上の大信号レベル部分をゲイン調整（圧縮）している状態を示す。ここで、レベル調整する最大値は、次の式（６）で与えられる。
【数６】

また、入力信号をｘ（ｔ）とし、出力信号をｙ（ｔ）とするとき、入出力信号は、次の式（７）で表される。尚、Ｑ［］は、カッコ内の信号に対してリミット部２でリミットをかけた値とする。
【数７】

【００３０】
以上、本発明の好適実施形態の構成および動作を詳述した。しかし、斯かる実施形態は、本発明の単なる例示に過ぎず、何ら本発明を限定するものではない。本発明の要旨を逸脱することなく、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であること当業者には容易に理解できよう。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明から理解される如く、本発明によるコンプレッサによると、次のごとき実用上の顕著な効果が得られる。先ず、入力信号の瞬時値の大きさによる条件判断や高次関数の計算をすることなく、また高精度演算能力を必要とすることなく簡単に希望するコンプレッサ特性を得ることが可能である。従って、従来技術に比較してプログラム容量を大幅に小さくすることが可能である。
【００３２】
特に、固定小数点ＤＳＰにおいては、約―１〜＋１間でしか表現できないので、リミットを聞かせてシフト（α倍）させればよく、１回のシフト、１回の乗算および２回の加算のみで実現可能であり、極めてコンパクトになる。従来搭載できなかった製品にも搭載可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるコンプレッサの第１実施形態のブロック図である。
【図２】図１のコンプレッサ各部における信号波形を示す波形図である。
【図３】図１のコンプレッサにおける入力出力特性図である。
【図４】本発明によるコンプレッサの第２実施形態のブロック図である。
【図５】図４のコンプレッサ各部における信号波形を示す波形図である。
【図６】図４のコンプレッサの入力出力特性図である。
【図７】従来のコンプレッサのブロック図である。
【図８】図７のコンプレッサにおける動作波形図である。
【図９】図７に示す従来のコンプレッサにおける入力出力特性図である。
【図１０】図７に示す従来のコンプレッサにおける入力出力特性図である。
【符号の説明】
１Ｌ、１Ｒオーバードライブ部
２Ｌ、２Ｒリミット部
３Ｌ、３Ｒ減算部
４Ｌ、４Ｒ乗算部
５Ｌ、５Ｒ加算部
９Ｌ、９Ｒゲイン部
１０Ｌ、１０Ｒ入力端子
１２Ｌ、１２Ｒ出力端子

Claims

入力信号が大レベルの場合のゲインを小レベルの場合に対するゲインより低下させて、音響信号等のダイナミックレンジを圧縮する信号圧縮装置において、
前記入力信号を係数α（１より大）で増幅するオーバードライブ部と、
該オーバードライブ部の出力信号を規定レベルでクリップするリミット部と、
該リミット部の出力信号および前記入力信号の差信号を得る減算部と、
前記差信号に係数βを掛ける乗算部と、
該乗算部の出力信号および前記入力信号を加算する加算部と
を備えることを特徴とする信号圧縮装置。
前記オーバードライブ部の係数αを調整して信号圧縮を行う信号レベルを設定可能にすることを特徴とする請求項１に記載の信号圧縮装置。
前記リミット部および前記減算部間に設けられ、前記リミット部の出力信号を係数γで増幅するゲイン部を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の信号圧縮装置。
前記ゲイン部の前記係数γを前記オーバードライブ部の係数αの実質的に逆数に設定することを特徴とする請求項３に記載の信号圧縮装置。