JP3903240B2

JP3903240B2 - 信号レベル調整装置

Info

Publication number: JP3903240B2
Application number: JP2000197660A
Authority: JP
Inventors: 浩幸門園
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2000-06-30
Filing date: 2000-06-30
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2020-06-30
Also published as: JP2002016461A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は音声信号等の信号レベルを調整する信号レベル調整装置に関し、インターネットの普及に伴って広まりつつあるＩＰネットワーク上に音声信号（Ｖｏｉｃｅ）を配信するＶｏｉｐ対応機器や、構内交換機（ＰＢＸ）、ＩＳＤＮ通信機器、又は携帯電話やＰＨＳ等の移動端末等の通信機器により送受される音声帯域の信号に対して、その信号レベルを調整する信号レベル調整装置に関する。
【０００２】
上記のような通信機器において、複数の音声信号レベルを加算した合成音を生成する会議通話サービスが行われる場合等、信号レベルが増幅器の飽和レベルを越えることによって波形歪が生じるのを防ぐために信号レベルを減衰させたり、或いは、複数の中継器を経由して信号が伝送される場合、信号レベルが低下したり不安定になったりするのを補正するために信号レベルの調整を行うことが必要となる。本発明は、波形歪が少なく且つ無音時に白色雑音が増大しない信号レベル調整装置に関する。
【０００３】
【従来の技術】
会議通話サービスにおける音声信号レベルの加算などによる信号レベルの飽和や、複数の中継器経由時の伝送品質低下による信号レベル不安定化に対して、従来、オートゲインコントローラ（ＡＧＣ；Auto gain Control ）により信号レベル調整を行っていた。図４にオートゲインコントローラ（ＡＧＣ）の構成を示す。
【０００４】
図４に示すように従来のオートゲインコントローラ（ＡＧＣ）は、入力信号レベルと利得とを乗じる利得乗積部４−１、複数の出力信号レベルを抽出して記憶するメモリ４−２、複数の出力信号レベルの平均値を算出する平均算出部４−３、平均値の逆数を算出する逆数算出部４−４、メモリ４−２と平均算出部４−３と逆数算出部４−４とを制御する制御部４−５とから成る。
【０００５】
オートゲインコントローラ（ＡＧＣ）は、入力信号（ｉｎ）を利得乗積部４−１において利得と掛け合わせて出力し、該出力信号（ｏｕｔ）のレベル値をメモリ４−５に複数個に亙って順次蓄える。そして次の入力信号（ｉｎ）が入力されるまでに、該メモリ４−５に蓄えた複数個の出力信号レベルを基にその平均値を平均算出部４−４により算出し、該平均値の逆数を逆数算出部４−３により算出し、該逆数を利得として利得乗積部４−１に入力し、利得乗積部４−１は次の入力信号に該逆数を乗算する。
【０００６】
このように、オートゲインコントローラ（ＡＧＣ）は、入力信号に対して出力信号レベルが略一定に保たれるように、複数個の出力信号レベルを基にフィードバックを行って利得を算出し、該利得を入力信号に乗じることによって信号レベルの調整を行っている。
【０００７】
図５は従来のオートゲインコントローラ（ＡＧＣ）における平均値及び逆数の算出のフローを示す。ここで、ｉｎは入力信号レベル、ｏｕｔは出力信号レベル、ｔｙｐは利得算出レジスタ、ａは平均値算出の対象となる出力信号の個数、ｎは出力信号レベルの加算回数、メモリ（ｍ）は出力信号レベルを格納するアドレスｍのメモリを表している。
【０００８】
先ず、出力信号レベルの平均値を算出するために、メモリ（０）からメモリ（ａ−１）に格納された出力信号レベルの合算値を利得算出レジスタｔｙｐに格納する処理を行う。該処理は、ｎを助変数とする“ｔｙｐ＝メモリ（ｎ＋１）＋ｔｙｐ”の処理（ステップ５−１）、及び“ｎ＝ａ−１”となるまでステップ５−１を繰り返す処理（ステップ５−２）により実行される。
【０００９】
次に、“ｔｙｐ＝ｔｙｐ／ａ”により、出力信号レベルの合算値をその個数ａで除して平均値を算出し、利得算出レジスタｔｙｐに格納する（ステップ５−３）。次に、“ｔｙｐ＝１／ｔｙｐ”により平均値の逆数を算出し、該逆数を利得として利得算出レジスタｔｙｐに格納する（ステップ５−４）。
【００１０】
次に入力信号が入力されると、“ｏｕｔ＝ｉｎ・ｔｙｐ”により、入力信号レベルｉｎに利得ｔｙｐを乗じ、該乗積値を出力信号として出力する（ステップ５−５）。そして、その出力信号レベルｏｕｔをメモリ（ｍ）に格納する（ステップ５−６）。
【００１１】
そして次の入力信号に対する処理を行うために、“ｍ＝Ｍｏｄ（ｍ＋１，ａ）”、“ｎ＝−１”、“ｔｙｐ＝０”により、次の出力信号レベルｏｕｔの格納アドレスを算出し、また、出力信号レベル加算回数ｎの初期値“−１”を設定し、また、利得算出レジスタｔｙｐを初期値“０”に設定する処理を行い（ステップ５−７）、前述のステップ５−１に戻って同様の処理を繰返す。
【００１２】
なお、“ｍ＝Ｍｏｄ（ｍ＋１，ａ）”は、（ｍ＋１）をａで除したときの余りを表し、出力信号レベルｏｕｔを格納するメモリアドレスを、出力信号が出力される毎に順次インクリメントし、最後格納部のメモリ（ａ−１）に出力信号レベルｏｕｔを格納した後は、先頭格納部のメモリ（０）に再び戻って出力信号レベルｏｕｔが格納されるようにメモリ格納アドレスを算出するものである。従って、最古の出力信号レベルｏｕｔに最新の出力信号レベルｏｕｔが置換わって格納され、ＦＩＦＯ（first in first out）により出力信号レベルｏｕｔが格納される。
【００１３】
図６は従来のオートゲインコントローラ（ＡＧＣ）の入出力特性を示し、図の（Ａ）はオートゲインコントローラ（ＡＧＣ）を用いなかった場合に、入力波形が飽和レベルを越え、出力波形がクランプされて歪む様子を示している。
【００１４】
図の（Ｂ）はオートゲインコントローラ（ＡＧＣ）の出力倍率を示し、入力レベルが無音時などのように微小値であると、オートゲインコントローラ（ＡＧＣ）の出力倍率（増幅率）は極めて大きな値となり、微弱な雑音レベルが大きく増幅されて耳障りな白色雑音を生じてしまう。
【００１５】
図の（Ｃ）はオートゲインコントローラ（ＡＧＣ）の入出力波形の変動の様子を示し、無音又は無信号状態のときオートゲインコントローラ（ＡＧＣ）の出力倍率（増幅率）は極めて大きな値となっており、このような状態のときに音声等の信号が突然入力されると、オートゲインコントローラ（ＡＧＣ）の出力倍率（増幅率）は急激に減衰遷移し、その結果、出力波形の先頭部分が歪んでしまう。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
信号レベルの調整に前述のオートゲインコントローラ（ＡＧＣ）を用いると、無音又は無信号時に微小の白色雑音が大きく増幅され、また、無音又は無信号状態のときに信号が入力されると増幅率が急激に変化するため、入力された信号の出力波形の先頭部分が歪んでしまうという問題があった。
【００１７】
また、オートゲインコントローラ（ＡＧＣ）は、複数の出力信号レベルを基にその平均値等を算出しなければならないため、それらの演算処理の負担が重く、更に、複数の出力信号レベルを格納するメモリを備えなければならないため回路規模が大きくなってしまう問題があった。
【００１８】
信号の入力開始時における先頭部分の歪みを減少させるためには、平均値算出対象とする信号の時間幅を拡張して該平均値算出対象の全時間幅が無音又は無信号状態となる確率を減少させ、無音又は無信号状態からの増幅率の急激な変化を減少させることもできるが、そのようにするには、出力信号レベルの格納メモリ量を多量に増やす必要があり、また、次の信号が入力される前に、多数の出力信号レベルを対象に平均値を算出する必要があるため、高速な演算処理能力が要求され、高価で回路規模が大きなものとなってしまう。
【００１９】
本発明は、高レベルの入力信号を飽和レベル以下に減衰させ、無音時など無信号入力状態における白色雑音の増大がなく、信号入力開始時の先頭部分の波形歪みが少なく、且つ、簡素化な演算機能及び小さい回路規模で信号レベルの調整を行う信号レベル調整装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の信号レベル調整装置は（１）入力信号レベルと利得との乗積を出力信号として出力する利得乗積部と、該利得が所定の閾値を超えたかどうかを監視する利得監視部と、出力信号レベルが所定の飽和レベルを超えたかどうかを監視する出力レベル飽和監視部とを備え、前記利得監視部により利得が所定の閾値を超えたことを検出する毎に、及び前記出力レベル飽和監視部により出力信号レベルが所定の飽和レベルを超えたことを検出する毎に、利得に１未満の調整係数を乗じて利得を漸次減少させ、前記利得監視部及び出力レベル飽和監視部により、利得が所定の閾値以下で且つ出力信号レベルが所定の飽和レベル以下であることを検出する毎に、利得に１を超える調整係数を乗じて利得を漸次増加させる利得制御手段を備えたものである。
【００２１】
また、（２）前記利得制御手段は、利得を格納する利得格納部と、１未満及び１を超える調整係数を格納する調整係数格納部と、利得格納部から出力される利得に、１未満又は１を超える調整係数を乗積し、該乗積値を利得格納部に入力する利得調整係数乗積部と、調整係数格納部に格納された１未満又は１を超える調整係数の何れか一方を選択して利得調整係数乗積部に出力する調整係数選択部とを備え、該調整係数選択部は、前記利得監視部及び前記出力レベル飽和監視部の出力に基づいて、調整係数格納部に格納された１未満又は１を超える調整係数の何れか一方を選択する構成を有するものである。
【００２２】
また、（３）前記利得に乗じられる１未満又は１を超える調整係数は、入力信号のレベル変動に対して、利得が該レベル変動より緩慢に変動するよう１の値に近い数値としたものである。
【００２３】
このような構成により、無音又は無信号入力時に利得が所定の閾値未満に保たれ、無音又は無信号入力時の白色雑音の増大が抑制され、また、入力信号の変動に対して利得の変動が緩和されるため、急激な入力変動に対する出力信号の歪みが抑止される。また、出力信号レベルが飽和レベルを超えないように利得が調整されるため、会議電話サービスなどのように複数の音声信号を加算しても適正レベルに減衰され、飽和による波形歪を防止することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の信号レベル調整装置の構成を示す。図１において、１−１は入力信号と利得との乗積を出力信号として出力する利得乗積部、１−２は利得が所定の閾値を超えたかどうかを監視する利得監視部、１−３は出力信号レベルが所定の飽和レベルを超えたかどうかを監視する出力レベル飽和監視部、１−４は論理和（ＯＲ）出力部、１−５は１未満の調整係数を格納する調整係数格納部、１−６は１を超える調整係数を格納する調整係数格納部、１−７は１未満又は１以上の調整係数の一方を選択して出力する調整係数選択部、１−８は利得に１未満又は１を超える調整係数を乗算する利得調整係数乗積部、１−９は利得を格納する利得格納レジスタ、１−１０は線型増幅器である。
【００２５】
入力信号ｉｎは、利得格納レジスタ１−９に格納された利得と利得乗積部１−１により掛け合わされ、出力信号ｏｕｔとして出力される。なお、図１に示すように利得乗積部１−１を二つ備え、入力信号ｉｎに対して利得を２回乗じる構成に替えて、二つの利得乗積部１−１のうち何れか一方を省いた構成としても良い。また、利得乗積部１−１の出力側に任意に所定の増幅率の線型増幅器１−１０を配置しても良い。
【００２６】
利得格納レジスタ１−９に格納された利得は、利得監視部１−２により所定の閾値を超えたかどうかが監視され、所定の閾値を超えた場合に利得監視部１−２は論理信号“１”を出力する。また、利得乗積部１−１からの出力信号は出力レベル飽和監視部１−３により飽和レベルを超えたかどうか監視され、飽和レベルを超えた場合に出力レベル飽和監視部１−３は論理信号“１”を出力する。
【００２７】
論理和（ＯＲ）出力部１−４は、利得監視部１−２及び出力レベル飽和監視部１−３から出力される論理信号を入力し、その論理和信号を調整係数選択部１−７に選択制御用の信号として出力する。
【００２８】
調整係数選択部１−７は、論理和（ＯＲ）出力部１−４から論理信号“１”が入力されたとき、即ち、利得が所定の閾値を超えたか又は出力信号のレベルが飽和レベルに達した場合、調整係数格納部１−５に設定された１未満の調整係数を選択して出力する。
【００２９】
一方、調整係数選択部１−７は、論理和（ＯＲ）出力部１−４から論理信号“０”が入力されたとき、即ち、利得が所定の閾値以下で且つ出力信号のレベルが飽和レベル以下の場合、調整係数格納部１−６に設定された１を超える調整係数を選択して出力する。
【００３０】
調整係数格納部１−５及び１−６には、それぞれ、１未満の調整係数として１より若干小さい数値（例えば、０．９９９９）、及び１を超える調整係数として１より若干大きい数値（例えば、１．００００１）が設定される。
【００３１】
利得調整係数乗積部１−８は、調整係数選択部１−７から出力される１未満又は１を超える調整係数を、利得格納レジスタ１−９から出力される利得に掛け合わせ、その乗算結果を利得格納レジスタ１−９に入力し、利得格納レジスタ１−９は利得調整係数乗積部１−８から入力される乗算結果を新たな利得として格納する。
【００３２】
図２は本発明の信号レベル調整装置の動作フローを示す。利得格納レジスタに格納された利得は、所定の閾値とを大小比較され（２−１）、利得が所定の閾値より大きい場合、即ち、所定の閾値から利得を減算した際にボロー（桁借り）が発生した場合、利得に１未満の調整係数（例、０．９９９９）を乗算し（２−２）、該１未満の調整係数を乗算した利得を入力信号ｉｎに乗算して出力信号ｏｕｔを出力する（２−３）。
【００３３】
また、出力信号レベルｏｕｔと飽和レベルとが大小比較され（２−４）、出力信号レベルｏｕｔが飽和レベルより大きい場合、即ち、飽和レベルから出力信号レベルｏｕｔを減算した際にボロー（桁借り）が発生した場合、利得に１未満の調整係数（例、０．９９９９）を乗算し（２−２）、該１未満の調整係数を乗算した利得を入力信号ｉｎに乗算して出力信号ｏｕｔを出力する（２−３）。
【００３４】
利得が所定の閾値より小さい場合、及び出力信号レベルが飽和レベル以下の場合、利得に１を超える調整係数（例えば、１．００００１）を乗算し（２−５）、該１を超える調整係数を乗算した利得を入力信号ｉｎに乗算して出力信号ｏｕｔを出力する（２−６）。
【００３５】
図３は本発明の信号レベル調整装置の入出力波形及び出力倍率の様子を示す。同図の（Ａ）は飽和レベルを超える入力波形とその出力波形を示し、本発明によれば、出力波形が飽和レベルを超えるような高レベルの信号波形が入力されると、利得は徐々に減衰するため出力波形は次第に歪のない波形となり、波形歪み発生が抑制される。
【００３６】
同図の（Ｂ）は本発明のレベル調整装置の出力倍率を示し、本発明によれば、利得が必ず所定の閾値（例えば１）以下であるため、図の（Ｂ）に示すように出力倍率（増幅率）も所定値（例えば１）以下となり、オートゲインコントローラ（ＡＧＣ）を用いた場合のように無音時など入力信号が微小値であるときに出力倍率（増幅率）が制限に無く大きな値となることはなく、耳障りな白色雑音の発生を制限することができる。
【００３７】
また、同図の（Ｃ）は無音状態の後に音声等の信号が入力された場合を示し、本発明では、無音状態の後に入力信号が突然入力された場合に、出力信号レベルが飽和レベルを超えない限り利得は変動せず、また、出力信号レベルが飽和レベルを超えた場合でも利得（増幅率）は徐々に緩やかに減衰するため、その出力信号の先頭部分の歪みが極めて少ないものとなる。
【００３８】
本発明の信号レベル調整装置は、インターネット上でのＶｏｉｐ対応機器による音声通話や、アナログ回線、ＩＳＤＮ回線又は携帯電話やＰＨＳなどによる無線回線を介した音声通話を行う際に、会議通話で音声信号の加算時などに発生する飽和レベルを超える信号レベルの増大による波形歪みを低減し、また、無音時における白色雑音の増大を抑制する。
【００３９】
また、データ信号を音声帯域信号に変換する変復調装置（ＭＯＤＥＭ）を介して行う通信に対して、変復調装置（ＭＯＤＥＭ）等に本発明の信号レベル調整装置を適用することにより、波形歪み及び白色雑音が低減され、ビットエラーや通信障害を減少させることができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、信号レベルが飽和レベルを超えた場合及び利得が所定の閾値を越えた場合に利得を緩やかに小さくし、信号レベルが飽和レベル以下で且つ利得が所定の閾値以下である場合は利得を緩やかに大きくしていくことにより、音声を加算したときなど飽和レベルを超える信号に対して先頭部分の波形歪みの発生を抑制して適正な信号レベルに調整することができ、また、無音時又は無信号入力時でも利得が所定の閾値以下に保たれるため、無音時又は無信号入力時における白色雑音の増大を制限することができる。
【００４１】
更に、本発明は、出力信号レベル及び利得を所定値と大小比較する演算、及び利得を所定の係数と乗じる演算のみを行うだけなので、オートゲインコントローラに比し演算機能が簡素化され、高速な処理を必要とせず、平均値計算ための出力信号レベルを複数個記憶するメモリも不要であるため回路規模を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の信号レベル調整装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の信号レベル調整装置の動作フローを示す図である。
【図３】本発明の信号レベル調整装置の入出力波形及び出力倍率を示す図である。
【図４】従来のオートゲインコントローラ（ＡＧＣ）の構成を示す図である。
【図５】従来のオートゲインコントローラ（ＡＧＣ）における平均値及び逆数の算出のフロー図である。
【図６】従来のオートゲインコントローラ（ＡＧＣ）の入出力特性を示す図である。
【符号の説明】
１−１利得乗積部
１−２利得監視部
１−３出力レベル飽和監視部
１−４論理和（ＯＲ）出力部
１−５１未満の調整係数を格納する調整係数格納部
１−６１を超える調整係数を格納する調整係数格納部
１−７調整係数選択部
１−８利得調整係数乗積部
１−９利得格納レジスタ
１−１０線型増幅器

Claims

入力信号レベルと利得との乗積を出力信号として出力する利得乗積部と、該利得が所定の閾値を超えたかどうかを監視する利得監視部と、出力信号レベルが所定の飽和レベルを超えたかどうかを監視する出力レベル飽和監視部とを備え、
前記利得監視部により利得が所定の閾値を超えたことを検出する毎に、及び前記出力レベル飽和監視部により出力信号レベルが所定の飽和レベルを超えたことを検出する毎に、利得に１未満の調整係数を乗じて利得を漸次減少させ、前記利得監視部及び出力レベル飽和監視部により、利得が所定の閾値以下で且つ出力信号レベルが所定の飽和レベル以下であることを検出する毎に、利得に１を超える調整係数を乗じて利得を漸次増加させる利得制御手段を備えたことを特徴とする信号レベル調整装置。
前記利得制御手段は、利得を格納する利得格納部と、１未満及び１を超える調整係数を格納する調整係数格納部と、利得格納部から出力される利得に、１未満又は１を超える調整係数を乗積し、該乗積値を利得格納部に入力する利得調整係数乗積部と、調整係数格納部に格納された１未満又は１を超える調整係数の何れか一方を選択して利得調整係数乗積部に出力する調整係数選択部とを備え、該調整係数選択部は、前記利得監視部及び前記出力レベル飽和監視部の出力に基づいて、調整係数格納部に格納された１未満又は１を超える調整係数の何れか一方を選択する構成を有することを特徴とする請求項１に記載の信号レベル調整装置。
前記利得に乗じられる１未満又は１を超える調整係数は、入力信号のレベル変動に対して、利得が該レベル変動より緩慢に変動するよう１の値に近い数値としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の信号レベル調整装置。