JP4882773B2 - 信号処理装置、信号処理方法 - Google Patents
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Description
また、特許文献2には、その基本構成として、ヘッドフォン装置外筐に取り付けたマイクロフォンにより収音して得た音声信号について所要の伝達関数による特性を与えてヘッドフォン装置から出力させるようにした構成、つまりフィードフォワード方式に対応したノイズキャンセリングシステムの構成が記載されている。
ノイズキャンセリングシステムのノイズキャンセル効果が有効に得られるようにするためには、例えばマイクロフォンにより収音された外部の不要音と、この不要音のキャンセルのためにドライバから出力される音との位相差を一定以内に納めることが必要である。換言すれば、ノイズキャンセリングシステムにおいて、外部の不要音を入力してから、これに応じたキャンセル音が出力されるまでの速度(応答速度)が一定以内であることが要求される。
しかしながら、ノイズキャンセリングシステムをデジタル回路により構成しようとすると、その入力と出力にA/Dコンバータ、D/Aコンバータを備えることになる。現状で広く用いられるA/Dコンバータ、D/Aコンバータの処理時間では、ノイズキャンセリングシステムとしての採用を考えた場合には遅延が相当に大きく、有効なノイズキャンセル効果を得ることが難しい。例えば、軍事用、産業用などの分野では、サンプリング周波数が相当に高いうえで遅延の少ないA/Dコンバータ、D/Aコンバータが存在するが、これらは著しく高価であり、民生機器で採用することは現実的ではない。現状にあってノイズキャンセリングシステムをデジタル回路により構成せずに、アナログ回路により構成しているのは、このような理由による。
そこで、本願発明としては、例えば民生におけるヘッドフォン装置のノイズキャンセリングシステムなどとして、デジタル回路により形成したものでありながら、実用上、充分なノイズキャンセル効果が得られるようにすることを目的とする。
つまり、入力したアナログ信号について第1のデルタシグマ変調処理を行うことで、所定のサンプリング周波数と1ビット以上の所定の量子化ビット数によるデジタル信号に変換して出力するアナログ−デジタル変換手段と、所定の目的に応じた信号処理として、少なくとも、この目的に対応したフィルタ特性が与えられたデジタルフィルタに上記アナログ−デジタル変換手段から出力されたデジタル信号を通過させるように構成され、所定の基準サンプリング周波数をFsとしてn×Fs(nは自然数)で表されるサンプリング周波数と、マルチビットとしての所定の量子化ビット数a(aは自然数)によるデジタル信号を出力するようにされた信号処理手段と、
上記信号処理手段から出力されるデジタル信号を少なくとも入力して、アナログ信号への変換を行うために、サンプリング周波数がn×Fsで、1ビット以上の所定の量子化ビット数b(bは自然数、かつ、a>b)によるデジタル信号を出力する第2のデルタシグマ変調処理の実行部位を少なくとも含んで形成され、上記信号処理手段から出力されるデジタル信号については、上記第2のデルタシグマ変調処理の実行部位に対して入力させるようにして構成されるデジタル−アナログ変換手段と、
を備えることを特徴とする信号処理装置。
例えば、これまでにあっては、A/D変換処理を実行するデバイスとして、デルタシグマ変調処理を含む場合には、デルタシグマ変調処理後の信号についてデシメーションフィルタを経由させて、例えば基準サンプリング周波数fsでマルチビットの量子化ビット数によるデジタル信号の形式として出力させるものが知られている。また、D/A変換処理を実行するデバイスとして、デルタシグマ変調処理を含む場合には、例えば先ず、基準サンプリング周波数Fs(=1Fs)でマルチビットによる量子化ビット数の信号についてオーバーサンプリングを行って、デルタシグマ変調処理に適合したサンプリング周波数に変換するようにしたものが知られている。
上記のようなA/D変換処理、D/A変換処理を実行する各デバイスを入出力に備えるデジタル信号処理装置と、本願発明による信号処理装置とを比較すると、本願発明では、D/A変換処理として、デシメーションフィルタを経由させることなく、デルタシグマ変調処理により得られた信号を、後段の所定の目的に応じた信号処理を実行する部位(信号処理手段)に入力し、さらに、信号処理手段の出力としてのデジタル信号をアナログ信号に変換するのにあたっては、オーバーサンプリング処理をパスさせるようにして、デルタシグマ変調処理の実行部位に入力させているものであるとみることができる。つまり、本願発明は、アナログ信号をデジタル信号に変換し、このデジタル信号について所定の目的に応じた信号処理を施し、さらにこの信号処理が施されたデジタル信号についてアナログ信号に変換するという流れの処理を実行する構成として、A/D変換処理におけるデシメーションと、D/A変換処理におけるオーバーサンプリング処理とを省略しているものとして見ることができる。このように本願発明としては、少なくとも上記の処理が省略されることで、[A/D変換−デジタル信号処理−D/A変換]の信号処理系を持つ信号処理装置において、その信号伝搬時間が短縮されることになる。
なお、この図に示されるノイズキャンセリングシステムとしての構成はフィードフォワード方式に基づいたものとなっている。フィードフォワード方式は、外部音声を収音した音声信号を得て、この音声信号について適切なフィルタリング処理を施して、キャンセル用音声信号を生成するようにされる。そして、このキャンセル用音声信号を、必要音の音声信号に合成する。そして、この合成後の音声信号をドライバから音として出すことにより、外部音を打ち消すようにしてノイズキャンセルを図ろうとするものである。
また、ここに示されるヘッドフォン装置(以下、単にヘッドフォンという)17は、L(左),R(右)による2チャンネルステレオに対応したものであることとするが、この図のシステム構成は、Lチャネル又はRチャンネルの何れか一方に対応したものである。
また、以降の説明において、Fs(1Fs)で示される基準のサンプリング周波数は、ヘッドフォン装置17により本来聴こうとするデジタルオーディオソースのサンプリング周波数を示しているものとする。ここでのデジタルオーディオソースの具体例としては、CD(コンパクトディスク)に記録されるデジタルオーディオ信号などのようにして、Fs=44.1kHzで、量子化ビット数が16ビットのものを挙げることができる。
マイクロフォン11により外部音を収音して得られた信号はアンプ12により増幅され、アナログのオーディオ信号としてA/Dコンバータ部13に対して入力される。
A/Dコンバータ部13に入力されたアナログオーディオ信号は、先ず、デルタシグマ変調器13aにより[64Fs(=2.8224MHz),1bit]のデジタル信号に変換する。この[64Fs,1bit]のデジタル信号は、例えばFIR(Finite Impulse Response)のデシメーションフィルタ13bを通過することにより、[1Fs,16bit]のデジタル信号に変換され、さらに出力バッファ13cによりデジタル信号段階での増幅が行われ、その出力が、A/Dコンバータ部13の出力となる。
A/Dコンバータ部13から出力される[1Fs,16bit]のデジタル信号は、DSP(Digital Signal Processor)14に入力される。
ノイズキャンセル用デジタルフィルタ14aは、A/Dコンバータ部13から出力されるデジタル信号、即ち、マイクロフォン11により外部音声を収音して得たものであるデジタルのオーディオ信号を入力する。そして、この入力した信号を利用して、ドライバ17aから出すべき音として、ドライバ17aに対応するヘッドフォン装着者の耳に到達して聴こえる外部音声をキャンセルする作用を持つ音のオーディオ信号(キャンセル用音声信号)を生成する。このようなキャンセル用音声信号として最も簡単なものとしては、例えば、ノイズキャンセル用デジタルフィルタ14aに入力されたオーディオ信号、即ち、外部音を収音して得たオーディオ信号に対して逆特性、逆位相となる信号である。そのうえで、実際にあっては、ノイズキャンセリングシステムの系中における回路、空間などの伝達特性を考慮した特性が与えられるようにされる。
このようにして、合成器14bによっては、デジタルオーディオソースの信号とキャンセル用オーディオ信号とが合成されたデジタルオーディオ信号が得られることになる。このデジタルオーディオ信号が、DSP14の出力とされ、後段のD/Aコンバータ部15に対して入力される。
デルタシグマ変調器15bは、入力されたデジタル信号について1ビット化する。つまり、[64Fs,1bit]の形式のデジタル信号に変換して出力する。そして、このデルタシグマ変調器15bの出力である[64Fs,1bit]のデジタル信号をアナログLPF15cに通過させることで、その出力としては、アナログのオーディオ信号が得られることになる。つまり、D/Aコンバータ部15に入力された[1Fs,16bit]のデジタルオーディオ信号がアナログオーディオ信号に変換されるものであり、これがD/Aコンバータ部15の出力となる。
このようにして駆動されるドライバ17aから出力される音としては、デジタルオーディオソースの音成分と、ノイズキャンセル用オーディオ信号の音成分とが合成されたものとなるが、ノイズキャンセル用オーディオ信号の音成分によっては、外部からドライバ17aに対応する耳に到達してくる外部音を打ち消す(キャンセルする)効果を生じることになる。この結果、ヘッドフォン装着者がドライバ17aに対応する耳で聴く音としては、理想的には、外部音がキャンセルされて、相対的にデジタルオーディオソースの音が強調されたものとなる。
つまり、これらのデバイスを使用して構成したノイズキャンセリングシステムの系全体としても、外部音声がマイクロフォン11により収音されてからドライバにより音として出力されるまでの時間(応答速度)に大きな遅延が生じることになる。この遅延により、例えば、ドライバから出力されるノイズキャンセルのための音成分により外部音声を打ち消すことが難しくなる。例えばA/Dコンバータ部13だけでも、サンプリング周波数が44.1KHzのもとでの遅延が40サンプル分とすれば、それだけで約550Hz以上の信号の位相遅延は180°以上になる。この程度にまで遅延が大きくなってしまうと、ノイズキャンセル効果を得にくいばかりか、かえって外部音を強調してしまうような現象も生じるときがある。
このように、図1に例示したようなデジタル方式によるノイズキャンセリングシステムの構成では、許容できるノイズキャンセル効果は、550Hz程度よりも低い周波数帯域の範囲に限定されてしまうものであり、例えば可聴帯域として標準的な20Hz〜20kHzを設定した場合と比較してみたとしても、非常に狭い周波数帯域の範囲でしかノイズキャンセル効果を得ることができない。つまり、実用に足るまでのノイズキャンセル効果が得られるものではなく、これが、実用化されているヘッドフォン装置のノイズキャンセリングシステムがアナログ方式であることの現状として現れている。
そこで、本実施の形態としては、以降説明していくようにして、ヘッドフォン装置のノイズキャンセリングシステムについて、デジタル方式でありながら上記の遅延の問題を解消して実用化を図るための構成を提案する。
この図に示す構成においては、先ず、マイクロフォン11及びアンプ12により得られる外部音声(外部ノイズ)のアナログオーディオ信号をデジタル信号に変換する部位として、図1のA/Dコンバータ部13に代えて、A/Dコンバータ部20を備える。
このA/Dコンバータ部20は例えば1つのチップ部品とされ、図示するようにして、デルタシグマ変調器21のみを備えるものとされる。このデルタシグマ変調器21により、入力されたアナログ信号は、[64Fs(=2.8224MHz),1bit]の形式のデジタル信号に変換される。そして、このデルタシグマ変調器21の出力を、A/Dコンバータ部20の出力として、後段のノイズキャンセル用デジタルフィルタ30に入力させる。
ただし、図1のノイズキャンセル用デジタルフィルタ14aでは、入出力されるデジタルオーディオ信号の形式が、[1Fs,16bit]とされていたのに対して、図2におけるノイズキャンセル用デジタルフィルタ30では、入力が[64Fs,1bit]で、出力が[64Fs,16bit]とされている。ノイズキャンセル用デジタルフィルタ30は、例えばFIRのデジタルフィルタにより形成できるもので、従って、その出力としてはマルチビット化されることになるのであるが、そのマルチビットとしての量子化ビット数を、ここでは16ビットとしているものである。このようにして、ノイズキャンセル用デジタルフィルタ30の出力を[64Fs,16bit]としたのは、次の説明から理解されるように、合成段階でのデジタルオーディオソースの信号の形式である[64Fs,16bit]と一致させるためである。
この場合、オーバーサンプリングフィルタ41に対しては、図示するようにして、デジタルオーディオソースの信号のみを入力することとしている。従って、オーバーサンプリングフィルタ41によっては、デジタルオーディオソースのオーディオ信号成分のみについて、[1Fs,16bit] から[64Fs,16bit]の形式に変換するようにされる。
そして、合成器42により、上記のデジタルオーディオソースのオーディオ信号と、ノイズキャンセル用デジタルフィルタ30から出力されるノイズキャンセル用オーディオ信号とを、 [64Fs,16bit]の形式の下で合成し、デルタシグマ変調器43に対して出力する。
このデルタシグマ変調器43の出力としてのデジタル信号は、アナログLPF44を介してアナログのオーディオ信号に変換され、これがD/Aコンバータ部40の出力となるようにされる。
このようにして得られたアナログのオーディオ信号は、パワーアンプ16により増幅を行ってドライバ17aを駆動するようにされる。
このような構成にあっては、合成器42の出力の段階で、デジタルオーディオソースのオーディオ信号と、ノイズキャンセル用オーディオ信号とが合成されていることになるので、最終的にドライバ17aから出力される音としては、図1と同様にして、外部音声をキャンセルするための音成分と、デジタルオーディオソースの再生音とが合成されたものとなる。つまり、フィードフォワード方式としてのノイズキャンセリングシステムの系は適正に形成されているものである。
このことは、図1との比較でいえば、ノイズ音処理系としては、A/D変換側のデシメーションフィルタと、D/A変換側のオーバーサンプリングフィルタを経由していないものとしてみることができる。
本実施の形態としては、このことに着目した。つまり、ノイズ音処理系において、A/D変換側のデシメーションフィルタと、D/A変換側のオーバーサンプリングフィルタによる遅延の影響を排除するために、ノイズキャンセル用デジタルフィルタ30の入出力を、デルタシグマ変調器21(A/Dコンバータ部20)、デルタシグマ変調器43(D/Aコンバータ部40内)のそれぞれと直接的に接続させる態様としたものである。
このようにして、ノイズ音処理系において、D/A変換側及びA/D変換側の支配的遅延要因が排除されることで、ノイズ音処理系における遅延は大幅に短縮される。これに応じて、ノイズキャンセルが有効にはたらくとされる音声の周波数帯域も大幅に拡大することになるものであり、この結果、実用上充分とされるノイズキャンセル効果が得られることになる。つまり、デジタル方式でありながら、実用化が実現可能なヘッドフォン装置のノイズキャンセリングシステムが得られるものである。
遅延の少ないノイズキャンセル用デジタルフィルタ30を構成するためには、例えば次に説明するような構成とすることが考えられる。
先ず、通常にノイズキャンセル用デジタルフィルタ30として、FIRのデジタルフィルタ(FIRフィルタ)を採用することとした場合には、図3(a)に示すような構成を採ることになる。
つまり、ノイズキャンセル用デジタルフィルタ30を8タップのFIRフィルタにより構成するものとすれば、図示するようにして、先ずは、遅延器D1〜D7の7つの遅延器を直列に接続してシフトレジスタを形成するようにされる。そして、このシフトレジスタからの出力となる、遅延器D1の入力データと、遅延器D1〜D7の出力データとのそれぞれを入力し、所定の係数により乗算を行う係数器h0〜h7と、これら係数器h0〜h7の出力を加算する加算器Pとを設けるようにされる。この場合において、入力されるデジタル信号は[64Fs,1bit]の形式とされているので、遅延器D1〜D7及び係数器h0〜h7は、1ビットの信号を入力するようにされる。そのうえで、出力としては、[64Fs,16bit]の形式とすべきことに対応して、係数器h0〜h7にて設定される係数については、マルチビットとして16ビットとすることで、係数器h0〜h7の出力が16ビットとなるようにして、これを加算器Pにて加算することとしている。
図3(b)では、シフトレジスタの出力としてみなされる、同じタイミングでの1ビットの遅延器D1の入力データと、各1ビットの遅延器D1〜D7の出力データの各々とにより、8ビットのデータを形成することとして、この8ビットのデータにより、ROM60のアドレス(address)を指定させるようにする。8ビットにより表現できるビットパターンは256通りとなるので、ROM60のアドレスとしては、0〜255までを設定することになる。そして、ROM60においては、アドレス0〜255ごとに対応させて、しかるべき16ビットのビットパターンを記憶させておくようにする。
このような構成により、1サンプルごとのタイミングでROM60に対してアドレス0〜255を指定し、この指定したアドレスに対応した16ビットのビットパターンのデータをROM60から読み出すという動作が得られることになる。このようにして読み出される16ビットのデータを、本実施の形態のノイズキャンセル用デジタルフィルタ30の出力とするものである。
このような構成では、図3(a)におけるような係数器h0〜h7及び加算器Pが省略され、これらの処理は、指定されたアドレスからのROM60に対する読み出しとして実現されることになり、回路規模は簡易なものとなる。
先ず、この場合のD/Aコンバータ部40は、[1Fs,16bit]の形式によるPCM信号としてのデジタルオーディオ信号をアナログ信号に変換するものとして構成されており、オーバーサンプリングフィルタによるオーバーサンプリング後の信号としては、[64Fs,16bit]の形式に変換することとしている。つまり、オーバーサンプリング後のサンプリング周波数としては64Fsを設定している。これに応じて、オーバーサンプリングフィルタの後段のデルタシグマ変調器43は、[64Fs,16bit]の形式の信号について1ビットの信号に変換すべきように構成することになる。このために、デルタシグマ変調器43の出力としては、[64Fs,1bit]の形式となるものである。
そのうえで、本実施の形態では、ノイズキャンセル用デジタルフィルタ30から出力させるノイズキャンセル用オーディオ信号を、D/Aコンバータ部40におけるデルタシグマ変調器43に直接的に入力させることで、オーバーサンプリングフィルタを経由させないようにしている。このことから、ノイズキャンセル用オーディオ信号としては、デルタシグマ変調器43の入力(オーバーサンプリングフィルタの出力でもある)が対応する[サンプリング周波数,量子化ビット数]の形式とすべきことになる。このために、図2におけるノイズキャンセル用デジタルフィルタ30から出力されるキャンセル用オーディオ信号の形式は、[64Fs,16bit]とされているものである。また、サンプリング周波数のみについてみれば、ノイズキャンセル用デジタルフィルタ30から出力されるノイズキャンセル用オーディオ信号は、デルタシグマ変調器43の出力の信号と同じとなるように設定すべきであることになる。
なお、ここではオーバーサンプリング後のサンプリング周波数、つまり、本実施の形態におけるノイズキャンセル用デジタルフィルタ30の出力信号(ノイズキャンセル用オーディオ信号)のサンプリング周波数について64Fsとしているが、これに限定されるものではない。つまり、ここで扱うデジタルオーディオソースとしてのPCM信号のサンプリング周波数である1Fsよりも大きいこととしたうえで、例えば一定以上の品位の再生音が得られるのに足るとされる程度の周波数値を設定すればよい。より具体的には、デジタルオーディオソースとしてのPCM信号のサンプリング周波数Fsに対して、例えば2Fsを下限としてFsの係数が2のべき乗で表されるノイズキャンセル用オーディオ信号のサンプリング周波数(オーバーサンプリング後のサンプリング周波数)を設定することになる。現実においては、4Fs以上を設定することが好ましい。
先ず、第2の実施の形態としての基本構成について説明する。
この図に示されるD/Aコンバータ部40Aは、大きくは、オーバーサンプリングフィルタ41、合成器42、デルタシグマ変調器43、PWM(Pulse Width Modulation)変調器45、及びアナログLPF44から成るものとしている。つまり、図2に示したD/Aコンバータ部40に対して、デルタシグマ変調器43とアナログLPF44の間にPWM変調器45を挿入した構成としている。
そのうえで、この場合のD/Aコンバータ部40Aにおけるオーバーサンプリングフィルタ41によっては、[1Fs,16bit]によるデジタルオーディオソースの信号を入力して、 [16Fs,16bit]の形式に変換するようにされている。
そこで、この場合のノイズキャンセル用デジタルフィルタ30としては、入力信号について、ノイズキャンセル用オーディオ信号としての特性を与えるとともに、サンプリング周波数に関しては、64Fsの入力を16Fsにより出力させるデシメーションの処理が行われるようにして構成すべきことになる。つまり、本来のノイズキャンセル用フィルタとしての機能とともに、デシメーションフィルタ30aとしての機能も有するように構成する。このような構成としては、いくつか考えられるが、最も効率的なものの1つとしては、ノイズキャンセル用デジタルフィルタとしての構成がLPFの特性を有することを利用して、このノイズキャンセル用デジタルフィルタをそのままデシメーションフィルタとして兼用させることが考えられる。デシメーションフィルタも,同じく、LPFとしての特性を有する。
例えば、オーバーサンプリングフィルタ41について、図示するようにして、アップサンプル回路46a〜46dを直列に多段接続させたものとして形成する。ここでは、アップサンプル回路46a〜46dのそれぞれは、サンプリング周波数を2倍に変換するものとされており、このようなアップサンプル回路を4段接続することで、[1Fs,16bit]の入力信号を、[16(=2×2×2×2)Fs,16bit]の形式により出力できるようにされている。
そのうえで、ノイズキャンセル用デジタルフィルタ30によっては、デシメーションフィルタ30aにより、64Fsのサンプリング周波数による入力信号を、16Fsよりも低い、8Fs、4Fs、あるいは2Fsによる16ビットの信号に変換して出力するようにされる。そして、この信号を、そのサンプリング周波数に応じて、オーバーサンプリングフィルタ41における所定のアップサンプル回路に入力させるようにして構成する。
例えば、ノイズキャンセル用デジタルフィルタ30の出力を[8Fs,16bit]の信号としたのであれば、オーバーサンプリングフィルタ41においてアップサンプル回路46dの前段に合成器47cを挿入し、ここで、ノイズキャンセル用デジタルフィルタ30の出力信号と、アップサンプル回路46cの出力とを合成したうえで、アップサンプル回路46dに出力させるように構成する。このような構成によると、合成器47cにより、[8Fs,16bit]にまでアップサンプリングされたデジタルオーディオソースの信号と、同じ[8Fs,16bit]の形式によるノイズキャンセル用デジタルフィルタ30の信号とが合成されることになる。そして、この合成信号がアップサンプル回路46dを通過することで、最終的には、[16Fs,16bit]のオーディオ信号としてデルタシグマ変調器43に入力させることができる(この場合、合成器42は省略して良い)。
同様にして、ノイズキャンセル用デジタルフィルタ30の出力を[4Fs,16bit]の信号としたのであれば、オーバーサンプリングフィルタ41においてアップサンプル回路46cの前段に合成器47bを挿入し、ここで、ノイズキャンセル用デジタルフィルタ30の出力信号と、アップサンプル回路46bの出力とを合成して、アップサンプル回路46cに出力させるように構成することになる。
あるいは、ノイズキャンセル用デジタルフィルタ30の出力を[2Fs,16bit]の信号としたのであれば、オーバーサンプリングフィルタ41においてアップサンプル回路46bの前段に合成器47aを挿入し、ここで、ノイズキャンセル用デジタルフィルタ30の出力信号と、アップサンプル回路46aの出力とを合成して、アップサンプル回路46bに出力させるように構成する。
これらの変形例では、例えば1サンプリング周期あたりの演算ステップ数が増えることになるので、ノイズキャンセル用デジタルフィルタ30において1サンプリング周期内の必要演算量が大きくなった場合に、システムのクロック周波数を上げることなく、所望のフィルタ特性を実現できるという利点がある。
また、この変形例の構成においては、ノイズキャンセル用オーディオ信号が、オーバーサンプリングフィルタ41の一部を通過することになり、例えばオーバーサンプリングフィルタ41を全く経由しない場合と比較すれば、その分の遅延は生じる。しかしながら、図1のようにしてオーバーサンプリングフィルタ15aを完全に通過する場合と比較すれば、D/Aコンバータ部側においても遅延量が低減されるという効果が得られているものである。
この図5に示されるノイズキャンセリングシステムは、図2に示した第1の実施の形態としての構成に対して、レベル可変器51、ノイズ解析器52、及びレベル検出器53を追加した構成となっている。これにより、次に述べるようにして、外部音やデジタルオーディオソースの信号の内容等に適応したノイズキャンセル動作が得られるようにされる。
また、レベル検出器53は、D/Aコンバータ部40に入力されるべきデジタルオーディオソースの信号を分岐して入力し、そのレベルを検出するようにされる。このレベル検出の手法としては、例えば、オーディオ信号の絶対値を検知し、この検知したレベルの絶対値により得られるエンベロープを検出レベルとするものを考えることができる。そして、この検出結果に基づいて、デジタルオーディオソースの信号が良好に聴こえるものとされる最適なノイズキャンセル用オーディオ信号のレベルを決定し、この決定したレベルを指示するための信号レベル制御信号Sc3をレベル可変器51に出力するようにされる。なお、このようにして決定されるノイズキャンセル用オーディオ信号のレベルは、デジタルオーディオソースの信号と足し合わせた際にデータがオーバーフローしないようにされた値とされている。
上記のようにして出力される各制御信号に応じて、ノイズキャンセル用デジタルフィルタ30が係数を変更し、また、レベル可変器51により、ノイズキャンセル用デジタルフィルタ30からの出力であるノイズキャンセル用オーディオ信号のレベルを可変するようにされる。この結果、外部音の状況の変化と、デジタルオーディオソースの信号のレベル変化に適応して最適とされるノイズキャンセル用デジタルフィルタ30の係数と、ノイズキャンセル用オーディオ信号のレベルが設定されることになり、常に最良に近いとされるノイズキャンセル効果を得ることが可能となる。
なお、レベル検出器53は、オーバーサンプリングフィルタ41から出力される信号を検出対象として入力するようにして構成してもよい。
第4の実施の形態としては、外部音声を収音してこれをデジタルオーディオ信号に変換する部位として、デジタルマイクロフォン70を採用することとしている。
デジタルマイクロフォン70は、例えば1つの部品装置とされるもので、図示するようにして、マイクロフォン71、アンプ72、及びデルタシグマ変調器73とを有して構成される。マイクロフォン71、アンプ72は、機能的には、例えば図2におけるマイクロフォン11、アンプ12と同等のものであり、外部音声としてのアナログの音声信号を得る。そして、このようにして得られたアナログの音声信号を、デルタシグマ変調器73に入力させることで、[64Fs,1bit]のデジタル信号に変換し、これをデジタルマイクロフォン70の出力とする。ノイズキャンセル用デジタルフィルタ30は、このデジタルマイクロフォン70の出力を入力する。物理的には、上記のようなデジタルマイクロフォン70としての部品装置を、ヘッドフォン装置17の筐体において、マイクロフォン71により外部音を収音できるようにして取り付けることになる。
これまでの実施の形態では、デジタルオーディオソースとしては、例えばCDなどの[1Fs,16bit]によるPCM形式のデジタルオーディオ信号であることとしていた。この[1Fs,16bit]によるデジタルオーディオ信号形式は、現在においても主流の1つとされているが、このほかに、例えばSACD(Super Audio CD)などに記録される[64Fs,1bit]の形式によるデジタルオーディオ信号のようにして、デルタシグマ変調後に相当するままの、DSD(Direct Stream Digital)などといわれる形式の信号をオーディオコンテンツの実体として扱うことが行われるようになってきている。第5の実施の形態としては、デジタルオーディオソースを、このようなDSD形式の信号とした場合の構成例を示している。
なお、ここでのビット拡張器81が実行するビット拡張の処理とは、例えばDSD形式の1ビット信号、つまり、値として1又は0の2値しか取り得ない信号を、それぞれ16ビットの0x0400(0.5)、又は0xC000(-0.5)に変換することを指す。従って、ビット拡張器81としても、LPFの特性を有するデジタルフィルタにより構成すればよいものであり、さらには、先に図3(b)に示したようなROMを備えた構成を採用することもできるものである。
合成器82から出力された、デジタルオーディオソースの信号とキャンセル用オーディオ信号とが合成されたオーディオ信号は、D/Aコンバータ部40Bのデルタシグマ変調器43、LPFを介してアナログ信号に変換され、パワーアンプ16に出力される。
ヘッドフォン装置のノイズキャンセリングシステムには、大別して、フィードフォワード方式とフィードバック方式とが知られおり、これまでの第1〜第5の実施の形態は、フィードフォワード方式に基づいた構成とされていた。しかしながら、本願発明は、フィードフォワード方式のみではなく、フィードバック方式にも適用できる。そこで、第6の実施の形態として、フィードバック方式を基とした構成例を示す。
このようにして、フィードバック方式では、ヘッドフォン装着者の耳の近傍にてドライバから出力される音とともに混入してきた外部音成分を収音してノイズキャンセル用の信号を生成する。そして、このノイズキャンセル用の信号を、負帰還をかけるようにしてドライバから出力させるものである。この結果、ヘッドフォン装置者のドライバ17aに対応する耳に対しては、外部音が打ち消され、デジタルオーディオソースの音が相対的に強調された音が到達して聴こえることになる。
また、例えば、これまでの実施の形態においても、ノイズキャンセリングシステムの系においてデジタル信号処理ブロックのそれぞれが扱うサンプリング周波数、及び量子化ビット数が統一されているのではなく、実施の形態の間で異なる例が示されている場合のあることからも理解されるように、ノイズキャンセリングシステムの系の形成に破綻を生じない範囲で、必要に応じて、ノイズキャンセリングシステムの系内において各デジタル信号処理ブロックが扱うべきサンプリング周波数、及び量子化ビット数については変更されてよいものである。
また、これまでにあっては、実施の形態として、上記のノイズキャンセリングシステムを形成する信号処理のための部品を、どのようにして実装するのかということについては、特に言及はしていない。この点については、実際に、本願発明に基づいたノイズキャンセリングシステムが適用される装置、システムの構成であるとか、用途などに応じて適宜任意に決定されてよいものである。
例えば、単体でノイズキャンセル機能を有するヘッドフォン装置を構成しようとするのであれば、ノイズキャンセリングシステムを形成するものとされるほぼ全ての部品を、ヘッドフォン装置の筐体内に納めるようにして実装することが考えられる。あるいは、ヘッドフォン装置と外部のアダプタなどのような装置のセットによりノイズキャンセリングシステムを構成しようとするのであれば、マイクロフォン、ドライバ以外の部品の少なくとも1つを、アダプタ側に実装させるようにすることが考えられる。
また、例えば、オーディオコンテンツを再生してヘッドフォン端子に出力するように構成されたオーディオ再生装置であるとか、携帯電話機器、ネットワーク音声通信機器などにノイズキャンセリングシステムを実装することとした場合には、マイクロフォン、ドライバ以外の部品の少なくとも1つを、これらの機器側に実装することが考えられる。
また、これまでの実施の形態としての説明にあっては、ノイズキャンセル用デジタルフィルタにてノイズをキャンセルする信号特性のオーディオ信号を生成するものであるとしてきたが、例えば、マイクアンプ(12)を反転アンプとし、ノイズキャンセル用フィルタとしてはLPF等の所要の周波数特性を与えたデジタルフィルタとして形成しても、同等のノイズキャンセル用信号を得ることが可能である。
Claims (11)
- 入力したアナログ信号について第1のデルタシグマ変調処理を行うことで、所定のサンプリング周波数と1ビット以上の所定の量子化ビット数によるデジタル信号に変換して出力するアナログ−デジタル変換手段と、
所定の目的に応じた信号処理として、少なくとも、この目的に対応したフィルタ特性が与えられたデジタルフィルタに上記アナログ−デジタル変換手段から出力されたデジタル信号を通過させるように構成され、所定の基準サンプリング周波数をFsとしてn×Fs(nは自然数)で表されるサンプリング周波数と、マルチビットとしての所定の量子化ビット数a(aは自然数)によるデジタル信号を出力するようにされた信号処理手段と、
上記信号処理手段から出力されるデジタル信号を少なくとも入力して、アナログ信号への変換を行うために、サンプリング周波数がn×Fsで、1ビット以上の所定の量子化ビット数b(bは自然数、かつ、a>b)によるデジタル信号を出力する第2のデルタシグマ変調処理の実行部位を少なくとも含んで形成され、上記信号処理手段から出力されるデジタル信号については、上記第2のデルタシグマ変調処理の実行部位に対して入力させるようにして構成されるデジタル−アナログ変換手段と、
を備えることを特徴とする信号処理装置。 - 上記信号処理手段におけるデジタルフィルタは、
フィードフォワード方式によるヘッドフォン装置のノイズキャンセリングシステムに対応して、外部音をキャンセルする特性を有する音成分の元となる信号成分であるノイズキャンセル用オーディオ信号を、フィードフォワード方式に対応してヘッドフォンの所定位置に設けられた収音手段により収音した外部音の音声信号を入力して生成するようにして、上記フィルタ特性が与えられて構成される、
ことを特徴とする請求項1に記載の信号処理装置。 - 上記信号処理手段におけるデジタルフィルタは、
フィードバック方式によるヘッドフォン装置のノイズキャンセリングシステムに対応して、外部音をキャンセルする特性を有する音成分の元となる信号成分であるノイズキャンセル用オーディオ信号を、フィードバック方式に対応してヘッドフォンの所定位置に設けられた収音手段により収音した外部音の音声信号を入力して生成するようにして、上記フィルタ特性が与えられて構成される、
ことを特徴とする請求項1に記載の信号処理装置。 - 上記信号処理手段におけるデジタルフィルタは、
入力に対する出力の遅延時間が一定時間内となるようにして構成される、
ことを特徴とする請求項1に記載の信号処理装置。 - 上記信号処理手段におけるデジタルフィルタは、
デジタルフィルタに入力すべきデジタル信号のサンプルデータが入力される、所定タップ数のシフトレジスタと、
アドレスごとに対応させて、デジタルフィルタの出力信号としての量子化ビット数に対応するビット数による出力データを所定の記憶領域に保持するとともに、上記シフトレジスタの出力により指定されるアドレスに対応する出力データを上記記憶領域から読み出して、上記デジタルフィルタの出力とする、データ処理手段と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の信号処理装置。 - 上記信号処理手段において、
上記デジタルフィルタは、デシメーションフィルタとしての機能を有するようにして構成するとともに、
上記デジタルフィルタから出力されるデジタル信号のサンプリング周波数を、上記第2のデルタシグマ変調処理の実行部位に入力すべきサンプリング周波数にまで引き上げる、アップサンプル手段と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の信号処理装置。 - 上記デジタル−アナログ変換手段においては、上記信号処理手段から出力されるデジタル信号以外のデジタル信号について、直列的に所定段数が接続されたアップサンプル回路によりオーバーサンプリングを行って、上記第2のデルタシグマ変調処理の実行部位に対して入力させるオーバーサンプリングフィルタを備えるものとされ、
上記アップサンプル手段は、引き上げるべきサンプリング周波数に適合した少なくとも1段の上記アップサンプル回路を用いることで形成するようにされる、
ことを特徴とする請求項6に記載の信号処理装置。 - 上記信号処理手段におけるデジタルフィルタに入力すべきデジタル信号についての所定の状態を検出したことに基づいて、上記デジタルフィルタの係数を可変するようにされたフィルタ係数可変手段をさらに備える、
ことを特徴とする請求項1に記載の信号処理装置。 - 上記信号処理手段におけるデジタルフィルタに入力すべきデジタル信号についての所定の状態を検出したことに基づいて、上記デジタルフィルタから出力されるデジタル信号のレベルを可変するようにされた第1のフィルタ出力レベル可変手段をさらに備える、
ことを特徴とする請求項1に記載の信号処理装置。 - 上記信号処理手段から出力されるデジタル信号と合成すべき他のデジタル信号のレベルを検出したことに基づいて、上記デジタルフィルタから出力されるデジタル信号のレベルを可変するようにされた第2のフィルタ出力レベル可変手段をさらに備える、
ことを特徴とする請求項1に記載の信号処理装置。 - 入力したアナログ信号について第1のデルタシグマ変調処理を行うことで、所定のサンプリング周波数と1ビット以上の所定の量子化ビット数によるデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換処理手順と、
所定の目的に応じた信号処理として、少なくとも、この目的に対応したフィルタ特性が与えられたデジタルフィルタに上記アナログ−デジタル変換処理手順により得られたデジタル信号を通過させるように構成され、所定の基準サンプリング周波数をFsとしてn×Fs(nは自然数)で表されるサンプリング周波数と、マルチビットとしての所定の量子化ビット数a(aは自然数)によるデジタル信号を得る信号処理手順と、
上記信号処理手順により得られるデジタル信号を少なくとも入力して、アナログ信号への変換を行うために、サンプリング周波数がn×Fsで、1ビット以上の所定の量子化ビット数b(bは自然数、かつ、a>b)によるデジタル信号を出力する第2のデルタシグマ変調処理を少なくとも含んで形成され、上記信号処理手順により得られるデジタル信号については、上記第2のデルタシグマ変調処理の実行部位に対して入力させるようにされるデジタル−アナログ変換処理手順と、
を備えることを特徴とする信号処理方法。
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