JP4832365B2

JP4832365B2 - 音声再生装置

Info

Publication number: JP4832365B2
Application number: JP2007152018A
Authority: JP
Inventors: 光位青山; 智行河野
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2007-06-07
Filing date: 2007-06-07
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2027-06-07
Also published as: JP2008306491A

Description

本発明は、音声信号を入力して利得調整し電力増幅してスピーカを駆動する音声再生装置に関するものである。

この種の音声再生装置は、電源容量が不足する場合、利得調整の如何によってはスピーカ再生される音声が歪む場合がある。例えば、図７に示すように、音声入力端子５１に入力する音声信号Ｖ_ｉｎをボリウム５２で音量調整した音声信号Ｖ_ｉとし、これを増幅器５３で増幅して、スピーカ５４で再生させるとき、図８に示すように、供給される電源電圧Ｖｄｄが消耗して低下すると、スピーカ５４に入力する信号Ｖ_Ｌがクリップされ、再生される音声が歪む。

そこで、従来では、図９に示すように、ボリウム５２と増幅器５３との間にレベル調整回路５５を挿入し、電源電圧Ｖｄｄが低下するほどレベル調整回路５５で音声信号Ｖ_ｉのレベルを低下させて増幅器５３に入力させ、スピーカ５４に入力される信号Ｖ_Ｌがクリップされることを防止している（例えば、特許文献１参照）。また、電源電圧の電位変動を検出し、これをＡ／Ｄ変換してＣＰＵに取り込み、このＣＰＵによって音声信号の利得を調整し、再生信号が歪むことを防止するものもある（例えば、特許文献２参照）。さらに、複数チャネルの全部の出力側の音声信号を測定してこれをＡ／Ｄ変換し、その出力電力を算出し、その算出値が電源容量を超えたとき入力信号振幅をリミッタで制限して、再生信号が歪むことを防止するものもある（例えば、特許文献３参照）。

以上は、音声信号の特徴であるピーク電力に対して平均電力が統計的に約１１％程度であることに着目して、そこからマージンを考慮して１２．５％程度で電源容量を設計して行う場合に適用されるものである。なお、ピーク電力時は音声信号が歪むため、図７に破線で示すように、電源Ｖｄｄのラインに大容量コンデンサ５６を接続して、ピーク時に必要となる電力を、ピーク時以外の時に充電しておく手法もある。
特開昭６１−０９６８０７号公報特開２００２−２９９９６１号公報特開２００２−１９８７５６号公報

ところが、いずれの手法も、電源電圧あるいは音声信号の変動をモニタする必要があり、特許文献１ではアナログ回路でモニタしているが、特許文献２，３ではＡ／Ｄ変換器が必要となっていた。

また、前記した各手法は、電源が供給不足のとき利得が変動する。この変動は音声信号によって引き起こされるものであるので、可聴域での変動となり、利得調整時に可聴域のノイズが音声信号に混入し、音質を劣化させる問題がある。

本発明の目的は、電源電圧や出力側の音声信号のモニタが不要で、また調整ノイズが音声信号に混入しないようにした音声再生装置を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明の音声再生装置は、音声入力端子に入力する音声信号の利得を調整する利得調整部と、電源供給端子に並列接続された電源コンデンサと、前記利得調整部で利得調整された音声信号を入力して前記電源供給端子および前記電源コンデンサから供給される電圧を電源電圧として音声増幅する音声増幅部と、該音声増幅部で増幅された信号が入力するスピーカとを備える音声再生装置であって、前記利得調整部は、本装置の既知の最大電流値Ｉ _IN と、前記電源コンデンサの容量Ｃと、前記音声増幅部の効率η ₁ と、前記スピーカのインピーダンスＲ _L と、前記スピーカに印加する電圧Ｖ _L と、前回サンプリング時の前記電源コンデンサの電圧Ｖ _C ’とから、サンプリング時間Δｔ経過後の今回サンプリング時の前記電源コンデンサに要求される電圧Ｖ _C を

によって予測し、該予測した電源コンデンサの電圧Ｖ _Cが前記スピーカの印加電圧Ｖ _Lより低いとき、前記入力する音声信号の利得を低減させ、前記予測した電源コンデンサの電圧Ｖ _Cが前記スピーカの印加電圧Ｖ _Lより高いとき、前記入力する音声信号の利得を増大させ、

を満足させるようにすることを特徴とする。
請求項２にかかる発明の音声再生装置は、音声入力端子に入力する音声信号の利得を調整する利得調整部と、電源供給端子に並列接続された電源コンデンサと、前記利得調整部で利得調整された音声信号を入力して前記電源供給端子および前記電源コンデンサから供給される電圧を電源電圧として音声増幅するｎ個の音声増幅部と、該ｎ個の音声増幅部で増幅された信号が個々に入力するｎ個のスピーカとを備える音声再生装置であって、前記利得調整部は、本装置の既知の最大電流値Ｉ _IN と、前記電源コンデンサの容量Ｃと、ｋ番目（ｋ＝１〜ｎ）の前記音声増幅部の効率η _k と、ｋ番目の前記スピーカのインピーダンスＲ _Lk と、ｋ番目の前記スピーカに印加する電圧Ｖ _Lk と、前回サンプリング時の前記電源コンデンサの電圧Ｖ _C ’とから、サンプリング時間Δｔ経過後の今回サンプリング時の前記電源コンデンサに要求される電圧Ｖ _C を

によって予測し、前記ｎ個のスピーカの内、前記予測した電源コンデンサの電圧Ｖ _Cよりも高い印加電圧のスピーカがあるとき、前記入力する音声信号の利得を低減させ、前記ｎ個のスピーカの全ての印加電圧が前記予測した電源コンデンサの電圧Ｖ _C より低いとき、前記入力する音声信号の利得を増大させ

を満足させるようにすることを特徴とする。
請求項３にかかる発明は、請求項１又は２に記載の音声再生装置において、前記利得調整部における利得調整の変化を、可聴域の周波数の範囲外になるように実施することを特徴とする。
請求項４にかかる発明は、請求項３に記載の音声再生装置において、前記利得調整部における１回当りの利得調整の調整量を、前記利得を低減するときは大きくし、増大するときは小さくすることを特徴とする。
請求項５にかかる発明は、請求項１乃至４のいずれか１つに記載の音声再生装置において、前記利得調整部における利得調整済みの音声信号を記憶する記憶装置を備え、該記憶装置から読み出した音声信号が前記音声増幅部に入力されるようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、入力する音声信号の値と利得調整部の利得と音声増幅部の利得から求まるスピーカの入力電圧に基づいて、要求される電源電圧の値を予測し、その予測結果に応じて入力音声信号の利得を調整するので、電源電圧や出力側の音声信号のモニタが不要であり、Ａ／Ｄ変換器等は不要となる。また、その利得調整部における利得の変化を、可聴帯域の周波数の範囲外となるように行うことによって、調整ノイズが音声信号に混入することを防止することができる。

＜第１の実施例＞
図１は本発明の第１の実施例の音声再生装置１０Ａの構成を示すブロック図である。１１はデジタルの音声信号が入力する音声入力端子、１２は高電位（Ｖｄｄ）の電源供給端子、１３は低電位（ＧＮＤ）の電源供給端子、１４は大容量の電源コンデンサ、１５は入力音声信号の利得を調整する利得調整部、１６は利得調整済みの音声信号の電力増幅を行う音声増幅部、１７はスピーカである。

電源供給端子１２，１３の間に印加された電圧Ｖｄｄによって、電源コンデンサ１４と音声増幅部１５とスピーカ１７が駆動される。そして、大出力となって、電源供給端子１２，１３からの電源供給能力が不足すると、電源コンデンサ１４に蓄積した電荷によって、供給不足分が補われる。

利得調整部１５は、予め記憶しておいた本装置の最大入力電流Ｉ_ＩＮ（定数）、電源コンデンサ１４の容量Ｃ（定数）、音声増幅部１６の効率η_１（定数）、スピーカ１７のインピーダンスＲ_Ｌ（定数）、スピーカ１７に印加する電圧Ｖ_Ｌ（変数）に基づき、内蔵するＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサ）によって、音声信号のサンプリング周期Δｔ（サンプリング周波数は、例えば４４．１ｋＨｚ）毎に、電源コンデンサ１４の両端の電圧Ｖ_Ｃを次の(1)式によって演算予測し、(2)式を満足させるように、利得調整部１５の利得を調整する。

(1)式のカッコ内は、音声増幅部１６とスピーカ１７に要求される消費電流を最大入力電流Ｉ_ＩＮから減算する式（電荷減少量）である。Ｖ_Ｃ’は、電源コンデンサ１４の両端の初期値電圧であり、前回演算時の演算結果の電圧Ｖ_Ｃである。電圧Ｖ_Ｌは利得調整部１５に入力する音声信号の電圧値Ｖ_ｉと全体の利得Ｇに応じて決まる値であり、Ｖ_Ｌ＝Ｇ・Ｖ_ｉである。利得調整部１５の現在の利得をＧ_１、音声増幅部１６の利得をＧ_２（一定）とすると、Ｇ＝Ｇ_１×Ｇ_２で求められる。

処理時には、あるサンプル時の入力音声信号の電圧値Ｖ_ｉと利得Ｇとに基づき電圧Ｖ_Ｌを求め、得られた電圧Ｖ_Ｌを(1)式に代入して演算し、新たな電圧Ｖ_Ｃを求める。そして、Ｖ_Ｃ＜Ｖ_Ｌの関係が成立したときは、電圧Ｖ_Ｃが不足しているときであり、出力波形がクリップされるのを防ぐために、利得調整部１５の利得Ｇ_１を低減させる。

このとき、１サンプル当りの利得Ｇ_１の低減ステップ数（低減量）は、Ｖ_ＣとＶ_Ｌの差分に応じたステップ数としてもよいが、急激な音量変化を招くことに懸念がある場合（音声信号クリップ防止よりも急激な音量変化防止に重きを置くとき）は、予め決めたステップ数とする。後者の場合は、利得Ｇ_１の変化が、可聴帯域の周波数範囲外、例えば２０Ｈｚ程度かそれより少し低い周波数となる方が好ましい。その周波数は、低減ステップ数を大きくすれば高くなり、小さくすれば低くなる。そして、Δｔ経過後の次のサンプル時に、Ｖ_Ｃ→Ｖ_Ｃ’として、新たな入力音声信号の電圧値Ｖ_ｉと利得Ｇ（Ｇ_１は前回調整済みの値）に基づき、得られた電圧Ｖ_Ｌを(1)式に代入して、同様な演算を行う。

一方、(1)式の演算の結果、Ｖ_Ｃ＞Ｖ_Ｌの関係が成立しているときは、電源コンデンサ１４の電圧Ｖ_Ｃに余裕があるときであり、利得調整部１５の利得Ｇ_１を増大させる。１サンプル当りの利得Ｇ_１の増大ステップ数（増大量）は、Ｖ_ＣとＶ_Ｌの差分に応じたステップ数としてもよいが、この場合は急激な音量変化を招くので、それを防止するためには予め決めたステップ数とする。後者の場合は、利得Ｇ_１の変化が、２Ｈｚ程度の周波数となる方が好ましい。その周波数は、ステップ数を大きくすれば高くなり、小さくすれば低くなる。そして、Δｔ経過後の次のサンプル時にＶ_Ｃ→Ｖ_Ｃ’として、新たな入力音声信号の電圧値Ｖ_ｉと利得Ｇ（Ｇ_１は前回調整済みの値）とに基づき、得られた電圧Ｖ_Ｌを(1)式に代入して、同様な演算を行う。

以上により、サンプリング周期Δｔの経過毎に、入力音声信号の電圧値Ｖ_ｉに応じて電圧Ｖ_Ｃが求められ、利得調整部１５における利得が低減、あるいは増大され、利得調整された音声信号Ｖ_Ｓが音声増幅部１６に入力するので、前記した(2)式のＶ_Ｃ≧Ｖ_Ｌの関係を保持することができ、スピーカ１７に入力する電圧Ｖ_Ｌの波形がクリップすることが防止され、出力音声に歪が発生することを防止される（図２参照）。利得Ｇ_１の変化の周波数は、利得低減のときは前記したように２０Ｈｚ程度より若干低く、利得増大のときは２Ｈｚ程度にすることにより、利得変化に伴う可聴周波数ノイズ発生の問題を回避することができる。

＜第２の実施例＞
図３は第２の実施例の音声再生装置１０Ｂの構成を示すブロック図である。ここでは、多チャネル用のｎ個のスピーカ１７_１〜１７_ｎと、それに対応したｎ個の音声増幅部１６_１〜１６_ｎ（利得がＧ_２１〜Ｇ_２ｎ）設け、利得調整部１５で利得調整した音声信号Ｖ_Ｓを、それぞれの音声増幅部１６_１〜１６_ｎに入力させるようにしたものである。

この実施例では、スピーカ１７_ｋ（ｋ＝１〜ｎ）の入力電圧Ｖ_Ｌｋは、Ｖ_Ｌｋ＝Ｖ_ｉ・Ｇ_１・Ｇ_２ｋで求められるので、次の(3)式により、電圧Ｖ_Ｃを求め、(4)式が保持されるように、利得調整部１５の利得Ｇ_１を調整する。

(3)式のカッコ内は、各スピーカ１７_ｋ毎に要求される電流の総計を最大入力電流Ｉ_ＩＮから減算する式（電荷減少量）である。η_ｋは各音声増幅部１６_ｋの効率である。

利得調整部１５では、複数の電圧Ｖ_Ｌｋの内、電圧Ｖ_Ｃの値よりも高い電圧が１つでもあるときは利得Ｇ_１を低減させ、複数の電圧Ｖ_Ｌｋの全ての値が前記予測した電圧Ｖ_Ｃの値より低いときは利得Ｇ_１を増大させる。利得Ｇ_１の変化は、前記した第１の実施例と同様に行う。

＜第３の実施例＞
図４は第３の実施例の音声再生装置１０Ｃの構成を示すブロック図である。ここでは、電源端子１２，１３の入力側にＤＣ／ＤＣコンバータ１８を設けた。電源供給端子１９，２０の間に供給される電圧が、電源供給端子１２，１３に供給される規格の電圧Ｖｄｄと合わない場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８により電圧変換を行う。例えば、電源供給端子１９，２０間に内蔵電池２１を接続する場合において電圧が合わない場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８により昇圧を行う。電源供給端子１９，２０間の入力電圧をＶ_ＤＤ、入力電流をＩ_ＤＤ、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８の変換効率をη_２とすると、その入出力特性は、次の(5)式で表される。

＜第４の実施例＞
図５は第４の実施例の音声再生装置１０Ｄの構成を示すブロック図である。図４に示した音声再生装置１０Ｃのように、内蔵電池２１を使用する場合は、外部接続用のケーブルは不要にすることが好ましい。そこで、本実施例の音声再生装置１０Ｄでは、ワイヤレス信号受信装置２２を備えて、そのワイヤレス信号受信装置２２により音声信号を受信して、音声入力端子１１から利得調整部１５に入力させるよう構成する。この結果、全体構成をワイヤレス化したスピーカ１７の装置に納めることができる。

＜第５の実施例＞
図６は第４の実施例の音声再生装置１０Ｅの構成を示すブロック図である。ここでは、利得調整部１５で利得調整が行われた音声信号Ｖ_Ｓを、ＣＤ、ＭＤ、ＤＶＤ、フラッシュメモリ、ハードディスク等の記憶装置２３に記憶させておき、そこから読み出して、音声増幅部１６に音声信号を出力させる。このように記憶装置２３を備えると、同じ曲目を繰り返して再生させる場合には、同じ演算を繰り返すことが省略でき、演算のための消費電力を削減でき、内蔵電池を使用する場合に有利である。

＜その他の実施例＞
なお、利得調整部１５における利得調整は、ＤＳＰを使用する場合に限らず、パーソナルコンピュータを使用することもでき、また音声入力端子１１に入力する音声信号は、デジタル信号に限られず、アナログ信号であってもよい。この場合は、デジタル信号に変換してから、利得調整を行う。利得調整部１５から出力する利得調整済みの音声信号も、デジタル信号、アナログ信号のいずれであってもよい。

第１の実施例の音声再生装置の構成を示すブロック図である。図１の音声再生装置の動作説明用の波形図である。第２の実施例の音声再生装置の構成を示すブロック図である。第３の実施例の音声再生装置の構成を示すブロック図である。第４の実施例の音声再生装置の構成を示すブロック図である。第５の実施例の音声再生装置の構成を示すブロック図である。従来の音声再生装置の構成を示すブロック図である。図７の音声再生装置の動作説明用の波形図である。従来の別の音声再生装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ：音声再生装置
１１：音声入力端子、１２：高電位電源供給端子、１３：低電位電源供給端子、１４：電源コンデンサ、１５：利得調整部、１６，１６_１〜１６_ｎ：音声増幅部、１７，１７_１〜１７_ｎ：スピーカ、１８：ＤＣ／ＤＣコンバータ、１９：高電位電源供給端子、２０：低電位電源供給端子、２１：電池、２２：ワイヤレス信号受信装置、２３：記憶装置

Claims

音声入力端子に入力する音声信号の利得を調整する利得調整部と、電源供給端子に並列接続された電源コンデンサと、前記利得調整部で利得調整された音声信号を入力して前記電源供給端子および前記電源コンデンサから供給される電圧を電源電圧として音声増幅する音声増幅部と、該音声増幅部で増幅された信号が入力するスピーカとを備える音声再生装置であって、
前記利得調整部は、本装置の既知の最大電流値Ｉ _IN と、前記電源コンデンサの容量Ｃと、前記音声増幅部の効率η ₁ と、前記スピーカのインピーダンスＲ _L と、前記スピーカに印加する電圧Ｖ _L と、前回サンプリング時の前記電源コンデンサの電圧Ｖ _C ’とから、サンプリング時間Δｔ経過後の今回サンプリング時の前記電源コンデンサに要求される電圧Ｖ _C を

によって予測し、
該予測した電源コンデンサの電圧Ｖ _Cが前記スピーカの印加電圧Ｖ _Lより低いとき、前記入力する音声信号の利得を低減させ、前記予測した電源コンデンサの電圧Ｖ _Cが前記スピーカの印加電圧Ｖ _Lより高いとき、前記入力する音声信号の利得を増大させ、

を満足させるようにすることを特徴とする音声再生装置。
音声入力端子に入力する音声信号の利得を調整する利得調整部と、電源供給端子に並列接続された電源コンデンサと、前記利得調整部で利得調整された音声信号を入力して前記電源供給端子および前記電源コンデンサから供給される電圧を電源電圧として音声増幅するｎ個の音声増幅部と、該ｎ個の音声増幅部で増幅された信号が個々に入力するｎ個のスピーカとを備える音声再生装置であって、
前記利得調整部は、本装置の既知の最大電流値Ｉ _IN と、前記電源コンデンサの容量Ｃと、ｋ番目（ｋ＝１〜ｎ）の前記音声増幅部の効率η _k と、ｋ番目の前記スピーカのインピーダンスＲ _Lk と、ｋ番目の前記スピーカに印加する電圧Ｖ _Lk と、前回サンプリング時の前記電源コンデンサの電圧Ｖ _C ’とから、サンプリング時間Δｔ経過後の今回サンプリング時の前記電源コンデンサに要求される電圧Ｖ _C を

によって予測し、
前記ｎ個のスピーカの内、前記予測した電源コンデンサの電圧Ｖ _Cよりも高い印加電圧のスピーカがあるとき、前記入力する音声信号の利得を低減させ、前記ｎ個のスピーカの全ての印加電圧が前記予測した電源コンデンサの電圧Ｖ _C より低いとき、前記入力する音声信号の利得を増大させ

を満足させるようにすることを特徴とする音声再生装置。
請求項１又は２に記載の音声再生装置において、
前記利得調整部における利得調整の変化を、可聴域の周波数の範囲外になるように実施することを特徴とする音声再生装置。
請求項３に記載の音声再生装置において、
前記利得調整部における１回当りの利得調整の調整量を、前記利得を低減するときは大きくし、増大するときは小さくすることを特徴とする音声再生装置。
請求項１乃至４のいずれか１つに記載の音声再生装置において、
前記利得調整部における利得調整済みの音声信号を記憶する記憶装置を備え、該記憶装置から読み出した音声信号が前記音声増幅部に入力されるようにしたことを特徴とする音声再生装置。