JP4315764B2 - ディジタル信号処理方式 - Google Patents

Description

本発明は、ディジタル信号処理方式に関し、特に、ディジタルオーディオ信号等のゲイン調整に関する。

半導体技術やディジタル化技術の発展により、オーディオ装置、ナビゲーション装置、家電装置等においても広くディジタル信号の処理が行われている。アナログ信号処理の場合、回路特性や温度特性によるバラツキの問題があるのに対して、ディジタル信号処理は再現性が優れているが、その一方において、高精度の処理を実現しようとすれば、それに応じて、処理すべきデータ量が膨大となってしまう。しかし、ＤＳＰ等の半導体処理回路によって、大量のデータをリアルタイムで処理することが可能となっており、ディジタル信号処理による理想的なアナログ信号波形を得ることが可能になりつつある。

本出願人は、例えば特許文献１に示すように、入力オーディオ信号のディジタル可変コンプレッサーに関する技術を開示している。これは、入力オーディオ信号をｘとするとき、下記の式（４）（以下、従来方式（４）という）の演算を行い、出力オーディオ信号Ｘに圧縮特性を付加するとともに、ｎ値を可変することにより圧縮特性を変化させるものである。

但し、指数値ｎは圧縮比を決める整数であり、｜ｘ｜は入力信号ｘの絶対値である。

従来方式（４）に示す演算を入力ディジタル信号ｘに施すことにより、出力ディジタル信号Ｘのゲインを調整し、かつ、すべての入力信号レベルに対してオーバーフローをさせることなくソフトクリップを実現することができる。しかも、従来方式（４）式の処理をＤＳＰにより実行することで、出力ディジタル信号をリアルタイムで得ることができる。

特許第３０５６８１５号

しかしながら、上記特許文献１による信号処理方式には、次のような課題がある。例えば、従来方式（４）の信号処理をディジタルアンプに応用し、そのディジタルアンプの電源電圧によるゲインがＧ［ｄＢ］である場合、指数値ｎが１、２、３、４、・・・と可変すると、出力信号のゲインは、Ｇ、Ｇ＋６、Ｇ＋９、Ｇ＋１２、・・・［ｄＢ］となる。指数値ｎが２以上となると、従来方式（４）は非線形処理として働き、そのゲインには歪みが含まれてしまう。例えば、指数値ｎが２であるとき、出力信号Ｘには、ｘ^２の歪成分が重畳され、指数値ｎが３であるとき、さらにこれに加えてｘ^３の歪成分が重畳される。このことは、特に、入力信号レベルが低い再生状態においても出力信号の歪率をより劣化させてしまう。歪率の劣化程度は、設定されるゲイン値すなわち指数値ｎにより変化するものの、概ね歪値が一桁程度大きくなってしまう。

本発明は、上記従来技術の課題を解決し、従来方式（４）よる処理よりも歪を低減することが可能なディジタル処理方式を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、少ない演算でありながらソフトクリップを実現可能なディジタル処理方式を提供する。
さらに他の目的は、入力ディジタル信号に対してそのレベルが低い状態のときに線形処理を行い、レベルが高い状態のときに非線形処理を行うことができるディジタル処理方式を提供する。

本発明に係るディジタル信号処理方式は、入力ディジタル信号をｘ、ゲイン係数をｇ、出力ディジタル信号Ｘとするとき、条件式（１）で求まる閾値Ｐまでは、式（２）による演算を行い、閾値Ｐを超えるときは式（３）による演算を行うものである。

本発明によれば、入力ディジタル信号を条件式（１）に従い、閾値Ｐまでは式（２）による線形処理を行い、閾値Ｐよりも大きな入力信号レベルのときに式（３）による非線形処理を行うようにしたので、入力信号レベルが低い範囲では、完全な線形処理により良好な歪性能を得ることができるとともに、入力信号レベルが高い範囲では、オーバーフローを起こすことなくソフトクリップを実現することができる。さらに、従来方式（４）による処理場合、そのステップ幅が正の実数のみ許される指数値ｎによって決定されるため、ゲイン値も、Ｇ＋６、Ｇ＋９、Ｇ＋１２・・・と離散した値しか得ることができなかったが、本発明では任意のゲイン値を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。本発明に係るディジタル信号の処理は、好ましくは乗算器等を備えた高速演算が可能なＤＳＰ（ディジタルシグナルプロセッサ）を用いて行われる。

図１は、本発明のディジタル信号処理を行うＤＳＰの構成を示すブロック図である。ＤＳＰ１０は、データ空間とプログラム空間を備え、データ空間は、データバス２０に接続されたＩ／Ｏポート部２２、乗算器／ＡＬＵ部２４およびデータメモリ２６によって構成される。プログラム空間は、プログラムバス３０に接続された各部の動作を制御する制御部３２およびプログラムメモリ３４によって構成される。

プログラムメモリ３４には、下記の式（１）、（２）および（３）の処理を実行させるためのプログラムが記憶されており、制御部３２はそのプログラムに従い、乗算器／ＡＬＵ部２４、データメモリ２６、Ｉ／Ｏポート部２２等を制御する。設定されたゲイン係数ｇは、データメモリ２６に記憶される。入力ディジタル信号ｘはＩ／Ｏポート２２に入力され、次に、プログラム演算の制御下において乗算器／ＡＬＵ部２４等においてディジタル処理がなされ、再びＩ／Ｏポート２２から出力ディジタル信号Ｘとして出力される。

図２は、上記（１）、（２）および（３）式の動作を説明するための機能ブロックであり、図３はその動作フローチャートを示す図である。入力ディジタル信号ｘがＤＳＰ１０に入力されたとき（ステップＳ１０１）、処理判定部４２は、予め設定されているゲイン係数ｇをゲイン係数保持部４４から読出し（ステップＳ１０２）、ゲイン係数ｇが２以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０３）。

処理判定部４２はさらに、ゲイン係数ｇが２よりも小さいとき（１＜ｇ＜２）、次式に従い閾値Ｐを算出する（ステップＳ１０４）。

他方、ゲイン係数ｇが２以上であるときには（ｎ＜ｇ＜ｎ＋１、但しｎは２以上の正の整数）、次式に従い閾値Ｐを算出する（ステップＳ１０５）。

閾値Ｐは、線形処理をするか非線形処理をするかの境界点であり、閾値Ｐよりも小さいレベルの入力ディジタル信号についは、線形処理のアルゴリズムが実行され、閾値Ｐよりも大きいレベルについては、非線形処理のアルゴリズムが実行される。

次に、処理判定部４２は、入力ディジタル信号ｘと閾値Ｐとを比較し（ステップＳ１０６）、これが閾値Ｐ未満であると判定したときは、線形処理部４４に対して動作可能を指示する出力４２ａを与える。これにより、線形処理部４４は、入力ディジタル信号ｘにゲイン係数ｇを掛ける線形処理、すなわち、上記式（２）の処理を行う（ステップＳ１０７）。他方、入力ディジタル信号ｘが閾値Ｐ以上となるときは、処理判定部４２は非線形処理部４６に対して動作可能を指示する出力４２ｂを与える。これにより、非線形処理部４６は、入力ディジタル信号ｘの非線形処理、すなわち上記式（３）の処理を行う（ステップＳ１０８）。非線形処理についての演算は、上述した特許文献１に詳述されている。以上の線形および非線形演算は、ＤＳＰ１０によってリアルタイムで実行され、ディジタル信号Ｘが出力される（ステップＳ１０９）

図４は、本実施例によるディジタル処理を行ったときの入出力特性を示す図である。横軸および縦軸は、対数（ｄＢ）スケールであり、横軸が入力信号、縦軸が出力信号のレベルを示している。実線Ｓ１（ゲイン係数ｇ＝１）、実線Ｓ２（１＜ｇ＜２）、実線Ｓ３（２＜ｇ＜３）、実線Ｓ４（３＜ｇ＜４）は、式（２）による線形処理を示し、波線（指数値ｎ＝２）、点線（指数値ｎ＝３）、一点鎖線（指数値ｎ＝４）は、式（３）による非線形処理を示し、Ｐは閾値を示している。例えば、１＜ｇ＜２のゲイン係数であるとき、実線Ｓ２に示すように、入力ディジタル信号ｘが約−１３ｄＢのレベルまでは、すなわち閾値Ｐまで線形処理が行われ、それよりも大きいレベルでは、指数値ｎ＝２の非線形処理が行われる。閾値Ｐは、実線Ｓ２と、指数値ｎ＝２の曲線との交点である。２＜ｇ＜３のゲイン係数であるとき、閾値Ｐまでは実線Ｓ３に示すような線形処理が行われ、閾値Ｐを越える部分では指数値ｎ＝３に示すような非線形処理がなされる。同様に、３＜ｇ＜４のゲイン係数では、閾値Ｐまでは実線Ｓ４に示すような線形処理が行われ、閾値Ｐを超える部分で指数値ｎ＝４に示すような非線形処理が行われる。

このように、入力ディジタル信号の所定のレベル以下の低い状態では、完全な線形による処理であるため、出力信号の歪を極めて小さくすることができ、閾値Ｐを越えるレベルでは、非線形処理による滑らかな波形となるソフトクリップを実現することができる。さらに、従来方式（４）による処理の場合には、指数値ｎが正の整数のみ許容されるため、出力信号のゲインがＧ＋６、Ｇ＋９、Ｇ＋１２・・・［ｄＢ］のステップ幅に制限されていたが、本実施例ではその間の任意のゲインを得ることも可能となる。

図５は、本実施例によるディジタル信号処理を、ディジタルアンプに適用した例を示すブロック図である。ディジタルアンプ１００は、音量調整部１１０、ゲイン調整部１２０、ゲイン係数設定部１３０、ＰＷＭ部１４０および駆動部１５０を含んで構成される。ＣＤ、ＤＶＤ等の記録媒体から光学的に読取られ、Ａ／Ｄ変換されたｍビットのディジタルオーディオ信号が音量調整部１１０に入力され、ここで、ユーザからの音量指示に応じたディジタルオーディオ信号に可変される。ゲイン調整部１２０は、上記した本実施例に係る式（１）ないし（３）のディジタル信号処理を実行する部分である。ゲイン係数設定部１３０は、設定されたゲイン係数ｇを保持するが、このゲイン係数ｇは、ユーザからの指示によって可変することも可能であるし、また、外部の騒音レベルに応じて自動的にゲイン係数ｇを可変することも可能である。ＰＷＭ部１４０は、入力するディジタルデータに応じたデューテイ比のＰＷＭ信号を発生する。駆動部１５０は、ＰＷＭ信号に対応して選択的にスピーカーを駆動するスイッチング動作を行う。

音量調整部１１０から入力されるオーディオディジタル信号のレベルに応じて、ゲイン調整部１２０はそのゲインを調整することができる。特に、音量レベルが小さな信号のとき、ゲイン調整部１２０は入力信号の線形処理を行うことが可能であるため、その歪みを非常に小さく抑えることができる。このように、本実施例に係るディジタル信号処理方式をディジタルアンプのゲイン調整部１２０に適用することで、アナログ方式に近い優れたオーディオ出力信号を得ることができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

本発明に係るディジタル信号処理方式は、あらゆるディジタル信号の処理に適用可能である。ディジタル信号処理を行うオーディオ装置、家電装置、ナビゲーション装置等のディジタル機器において利用可能である。

本発明の実施例に係るＤＳＰのブロック図である。 本実施例に係るディジタル信号処理の機能ブロックである。 本実施例に係るディジタル信号処理の動作フローを示す図である。 本実施例に係るディジタル信号処理による入出力特性を示す図である。 本発明の実施例を適用したディジタルアンプのブロック図である。

符号の説明

１０：ＤＳＰ
４２：処理判定部
４４：ゲイン係数保持部
４６：線形処理部
４８：非線形処理部

Claims (2)

1. ディジタルアンプにおけるディジタル信号処理方式であって、
   ディジタルアンプは、入力されたディジタルオーディオ信号の音量を調整する音量調整部と、設定されたゲイン係数を保持するゲイン係数設定部と、前記音量調整部で音量調整されたディジタルオーディオ信号のゲインを前記ゲイン係数設定部に保持されたゲインに基づき調整するゲイン調整部とを含み、
   前記ゲイン調整部は、音量調整部からの入力ディジタル信号をｘ、前記ゲイン係数設定部のゲイン係数をｇ、出力ディジタル信号Ｘとするとき、条件式（１）で求められる閾値Ｐまでは、式（２）による演算を行い、閾値Ｐを超えるときは式（３）による演算を行う、ディジタル信号処理方式。
   

   

   

   
2. ディジタルアンプは、入力されたディジタルオーディオ信号の音量を調整する音量調整部と、設定されたゲイン係数を保持するゲイン係数設定部と、前記音量調整部で音量調整されたディジタルオーディオ信号のゲインを前記ゲイン係数設定部に保持されたゲインに基づき調整するゲイン調整部とを含むディジタルアンプにおけるディジタル信号処理方式であって、
   前記ゲイン調整部は、
   入力ディジタル信号ｘを受け取るステップと、
   入力ディジタル信号ｘの信号レベルが条件式（１）で求まる閾値Ｐよりも小さいか否かを判定し、閾値Ｐよりも小さいときには式（２）による演算を行い、閾値Ｐ以上のときには式（３）による演算を行うステップと、
   上記演算により求められた出力ディジタル信号Ｘを出力するステップと、を有するディジタル信号処理方式。
   

   

   

   

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