JP4892899B2

JP4892899B2 - デジタル信号処理システム

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Publication number: JP4892899B2
Application number: JP2005263986A
Authority: JP
Inventors: 真巳中村; 秀紀大津; 誠五十嵐
Original assignee: JVCKenwood Corp
Current assignee: JVCKenwood Corp
Priority date: 2005-09-12
Filing date: 2005-09-12
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2025-09-12
Also published as: JP2007081552A

Description

本発明は、デジタル信号処理システムに係り、特に、音声信号の周波数特性を補正するデジタル信号処理システムに関する。

従来、各種オーディオ機器には、音声信号を複数の周波数帯域に分割し、周波数帯域毎にブースト（以下、増幅ともいう。）又はカット（以下、減衰ともいう。）することで音色を補正するイコライザが搭載されている。このようなイコライザには、汎用のＣＰＵ（Central Processing Unit）と比較して、演算処理能力が優れ、高い周波数のデジタル信号にリアルタイムで各種演算処理を施すことが可能なＤＳＰ（Digital Signal Processor）が用いられており、ＡＶ機器のサラウンド効果等に広く利用されている。

しかし、ＤＳＰによる演算処理において、入力された音声信号は、０ｄＢＦＳ（Decibel Full Scale）〜−∽ｄＢＦＳの範囲内でのみ表現することが可能であり、０ｄＢＦＳ以上を表現することは不可能であった。
そのため、音声信号をフルスケール（０ｄＢＦＳ）で入力し、イコライザ等によるエフェクト機能を実行する際に、０ｄＢＦＳ以下のレベルにおいて周波数特性を調整する場合には、音声信号の波形はクリップしないが、０ｄＢＦＳを超過するレベルにおいて周波数特性を調整させる場合には、０ｄＢＦＳを超過する音声信号にクリップが生じてしまい増幅できないといった問題が生じていた。

そこで、図１１に示すように、信号処理部１０１及びレベル調整部１０２を備えたデジタル信号処理システム１０３が開発されており、レベル調整部１０２において０ｄＢＦＳを超過する音声信号に図１２に示すような減衰処理を施した後、後続の信号処理部１０１において、図１３に示すような所望の周波数特性に補正するようになっている。
また、最近では、図１４に示すように、複数の信号処理部１１１，１１２，１１３と、各信号処理部１１１，１１２，１１３に対応するレベル調整部１１４，１１５，１１６とを備え、システム全体として０ｄＢＦＳを超過しないように各レベル調整部の減衰量を設定するデジタル信号処理システム１１７が開発されている（例えば、特許文献１から特許文献６参照）。
特開平３−１３５１０６号公報特開平６−３４８２９５号公報特開平６−８５５８３号公報特開平９−１６２６６３号公報特開２００５−４９６２４号公報特許第３３１９９７０号

しかしながら、上述した特許文献１から特許文献６に記載されたデジタル信号処理システムの場合、０ｄＢＦＳを超過しないように各レベル調整部における減衰量を設定しているので、入力信号に対して出力信号の信号レベルが全体的に減衰することで、最終的な出力信号のＳＮ比（Signal to Noise ratio）が低下するといった問題が生じている。
例えば、上述した図１４に示すようなデジタル信号処理システム１１７の場合、低音域を４ｄＢ増幅させる第１信号処理部１１１と、中音域を６ｄＢ増幅させる第２信号処理部１１２と、中高音域を２ｄＢ増幅させる第３信号処理部１１３とを備える。また、第１信号処理部１１１の前段には、図１５に示すような低音域を４ｄＢ減衰させる第１レベル調整部１１４が、第２信号処理部１１２の前段には、図１６に示すような中音域を６ｄＢ減衰させる第２レベル調整部１１５が、第３信号処理部１１３の前段には、図１７に示すような中高音域を２ｄＢ減衰させる第３レベル調整部１１６が備えられている。このような構成からなるデジタル信号処理システム１１７の減衰量は、図１８に示すように、各レベル調整部１１４，１１５，１１６の減衰量を加算した−１２ｄＢとして設定される。
そのため、出力信号の信号レベルは、入力信号に対して１２ｄＢ減衰するので、音声信号の波形の振幅が約１／４となることにより、ＳＮ比が低下する。

また、出力信号の信号レベルが低下することに伴い、出力信号の分解能が低下することにより、情報量の多い微細な音声を再生することが困難となるといった問題も生じている。
さらに、各処理部に対して一のレベル調整部がそれぞれ設けられるため、演算処理工数が増大することで、演算処理量が増大するとともに、信号処理部において、精密なフィルタ精度が要求される。そのため、演算処理能力が優れた高価なＤＳＰを用いる必要が生じ、製造コストが増大するといった問題も生じている。

本発明は、前記した点に鑑みてなされたものであり、ＳＮ比の向上を目的とする。また、分解能の維持及び製造コストの抑制を図ることを目的とする。

以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明に係るデジタル信号処理システムは、
入力された信号に減衰処理を施すレベル調整手段及び当該レベル調整手段から出力された信号に増幅処理を施す信号処理手段を備える複数の信号処理群を具備し、
前記複数の信号処理群は、信号処理群毎に異なる周波数帯域の信号を処理し、一の信号処理群に対する後段の信号処理群におけるレベル調整手段の減衰量は、当該後段の信号処理群におけるレベル調整手段の増幅量と逆符号の量から当該一の信号処理群におけるレベル調整手段の減衰量を減算して算出されることを特徴とする。

請求項２に記載の発明に係るデジタル信号処理システムは、前記レベル調整手段が、信号処理群毎に個別に備えられていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明に係るデジタル信号処理システムは、前記レベル調整手段が、信号処理手段毎に個別に備えられていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、入力された信号に減衰処理を施すレベル調整手段及び当該レベル調整手段から出力された信号に増幅処理を施す信号処理手段を備える複数の信号処理群を具備し、複数の信号処理群は、信号処理群毎に異なる周波数帯域の信号を処理し、一の信号処理群に対する後段の信号処理群におけるレベル調整手段の減衰量は、規定量から当該一の信号処理群におけるレベル調整手段の減衰量を減算して算出されるので、デジタル信号処理システムの減衰量を低減することが可能となる。
そのため、デジタル信号処理システムから出力される出力信号の信号レベルの低下を抑制し、ＳＮ比の向上を図ることができる。

また、デジタル信号処理システムの減衰量を低減することにより、出力信号の分解能を維持することができる。併せて、一の信号処理群におけるレベル調整手段の減衰量は、当該一の信号処理群における信号処理手段の増幅量に基づいて算出され、後段の信号処理群における複数の信号処理部の増幅量に左右されることがないので、分解能の欠落を防止することが可能となる。
そのため、情報量の多い繊細な音声を再生することができる。

請求項２に記載の発明によれば、レベル調整手段が、信号処理群毎に個別に備えられているので、各信号処理群におけるレベル調整手段が１つに集約されることで、演算処理工数を低減し、デジタル信号処理システムの演算処理量を低減することが可能となる。併せて、分解能を維持した状態で各信号処理群の信号処理部に入力されるため、従来の信号処理部と比較して、精密なフィルタ精度が要求されなくなることで、フィルタの簡略化を図ることが可能となる。
そのため、余剰となったデジタル信号処理システムの演算処理能力を他機能の実現のために転用することができる。また、演算処理能力が劣る廉価なデジタル信号処理システムを用いることができ、製造コストの抑制を図ることができる。

請求項３に記載の発明によれば、レベル調整手段が、信号処理手段毎に個別に備えられているので、デジタル信号処理システムの減衰量を２段階で算出するが、この場合であってもデジタル信号処理システムの減衰量を低減することが可能となる。
そのため、請求項１に記載の発明と同様に、デジタル信号処理システムから出力される出力信号の信号レベルの低減を抑制し、ＳＮ比の向上を図ることができる。

［第１実施形態］
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

図１に示すように、本実施形態におけるイコライザ１は、イコライザ制御部２と、ＤＳＰシステム３とを備えており、ＤＳＰシステム３は、デジタル信号処理システムとしてのＤＳＰ４と、Ｄ／Ａコンバータ５と、電子ボリューム部６とから構成されている。
このうち、イコライザ制御部２は、コントロールラインＬ_１を介してＤＳＰシステム３におけるＤＳＰ４及び電子ボリューム部６と接続されており、ユーザによるイコライザの増幅量の指定に基づいて、ＤＳＰ４の減衰量を設定するとともに、電子ボリューム部６の減衰量を設定するようになっている。
ＤＳＰ４は、イコライザ制御部２の制御に基づいて、サンプリング周期毎に入力されるデジタル音声信号（以下、ＰＣＭ（Pulse Code Modulation）信号という。）に対し、１サンプリング周期内にイコライザ処理を施し、音声ラインＬ_２を介して接続されたＤ／Ａコンバータ５に出力するようになっている。
Ｄ／Ａコンバータ５は、ＤＳＰ４から入力されるデジタル音声信号をアナログ音声信号に変換し、音声ラインＬ_２を介して接続された電子ボリューム部６に出力するようになっている。
電子ボリューム部６は、Ｄ／Ａコンバータ５から入力されるアナログ音声信号を、ＤＳＰ４への減衰量に基づいて増幅し、外部の図示しないオーディオ回路に出力するようになっている。

上述したＤＳＰ４は、図２に示すように、互いに異なる周波数帯域のＰＣＭ信号の周波数特性を補正する第１信号処理群Ｇ_１と、第２信号処理群Ｇ_２とから構成されている。
第１信号処理群Ｇ_１は、ＰＣＭ信号に減衰処理を施すレベル調整手段としての第１レベル調整部１１と、第１レベル調整部１１において減衰処理が施されたＰＣＭ信号の或る特定の周波数帯域に増幅処理を施す信号処理手段としての第１信号処理部１２とを備えている。
このうち、第１レベル調整部１１は、イコライザ制御部２により、ユーザが指定した第１信号処理部１２の増幅量と逆符号の量が減衰量として算出され、この減衰量に基づいて、第１レベル調整部１１における減衰処理が実施されるようになっている。

一方、第２信号処理群Ｇ_２は、ＰＣＭ信号に減衰処理を施す第２レベル調整部１３と、この第２レベル調整部１３において減衰処理が施されたＰＣＭ信号の第１信号処理部１２と異なる周波数帯域に増幅処理を施す第２信号処理部１４と、第３信号処理部１５とを備えている。
このうち、第２信号処理部１４，１５は、第１信号処理部１２とは周波数帯域が異なるので、イコライザ制御部２により、ユーザが指定した第２信号処理部１４及び第３信号処理部１５の増幅量と逆符号の量（規定量ともいう。）から上述した第１信号処理群Ｇ_１における第１レベル調整部１１の減衰量を減算した量が減衰量として算出され、この減衰量に基づいて、第２レベル調整部１３における減衰処理が実施されるようになっている。

次に、図３から図６を参照しながら、本実施形態におけるイコライザ１の作用について説明する。
ここで、第１信号処理部１２、第２信号処理部１４及び第３信号処理部１５の増幅量は、それぞれ＋４ｄＢ、＋６ｄＢ、＋２ｄＢである。また、図３から図６における縦軸は信号レベルを、横軸は周波数を示す。
ユーザがイコライザの増幅度を入力するのに伴い、ＤＳＰ４のイコライザの係数（減衰係数、イコライザ係数）とともに、電子ボリューム部６の減衰量が設定される。次に、イコライザ制御部２の制御に基づいて、ＤＳＰ４がサンプリング周期毎に入力されるＰＣＭ信号に対し、１サンプリング周期内にイコライザ処理を施し、後続のＤ／Ａコンバータ５に出力する。そして、Ｄ／Ａコンバータ５に入力されたＰＣＭ信号は、アナログ音声信号に変換された後、電子ボリューム部６に出力される。
さらに、電子ボリューム部６に入力されたアナログ音声信号は、イコライザ制御部２で設定されたＤＳＰ４への減衰量に基づいて減衰処理が施され、外部の図示しないオーディオ回路に出力されて、一連のデジタル信号処理が完了する。

このとき、ＤＳＰ４における第１信号処理群Ｇ_１の第１レベル調整部１１の減衰量が、図３に示すように、第１信号処理部１２の増幅量と逆符号の−４ｄＢとして算出された後、第２信号処理群Ｇ_２における第２レベル調整部１３の減衰量が算出される。この際、第２信号処理群Ｇ_２における第２信号処理部１４及び第３信号処理部１５は、同一の周波数帯域を増幅しているため、第２信号処理部１４及び第３信号処理部１５の増幅量の総和、すなわち、図４に示すように、＋６ｄＢと＋２ｄＢとを加算した＋８ｄＢが、第２信号処理群Ｇ_２の増幅量として算出される。

そのため、第２信号処理群Ｇ_２における第２レベル調整部１３の減衰量は、−８ｄＢとなるはずであるが、上述した第１信号処理群Ｇ_１及び第２信号処理群Ｇ_２が処理する音声信号の周波数帯域はそれぞれ異なっており、第１信号処理群Ｇ_１における第１レベル調整部１１において、既に−４ｄＢ分の減衰処理が施されているため、第２レベル調整部１３の減衰量は、図５に示すように、−８ｄＢから−４ｄＢを減算した−４ｄＢとして算出される。従って、第１レベル調整部１１及び第２レベル調整部１３の減衰量は、それぞれ−４ｄＢに設定され、ＤＳＰ４の減衰量は、図６に示すように、−８ｄＢと算出される。
これに対し、従来のＤＳＰの場合には、各信号処理部１２，１４，１５の各々に対応した図示しない３つのレベル調整部が備えられ、これら３つのレベル調整部に設定された減衰量の総和、すなわち、−４ｄＢ、−６ｄＢ及び−２ｄＢを加算した−１２ｄＢがＤＳＰの減衰量として算出されていた。

従って、本実施形態におけるＤＳＰ４は、従来のＤＳＰと比較して、ＤＳＰ４の減衰量を４ｄＢ低減することが可能となる。
また、ＤＳＰ４の減衰量を低減することにより、出力信号の分解能を維持することが可能となる。併せて、第１信号処理群Ｇ_１における第１レベル調整部１１の減衰量は、第１信号処理群Ｇ_１における第１レベル調整部１１の増幅量に基づいて算出され、第２信号処理群Ｇ２における第２信号処理部１４及び第３信号処理部１５の増幅量に左右されることがないので、分解能の欠落を防止することが可能となる。
さらに、各信号処理群Ｇ_１，Ｇ_２の各々にレベル調整部１１，１３が備えられているので、各信号処理群Ｇ_１，Ｇ_２におけるレベル調整部が１つに集約されることで、演算処理工数を低減し、ＤＳＰ４の演算処理量を低減することが可能となる。併せて、分解能を維持した状態で各信号処理群Ｇ_１，Ｇ_２における信号処理部１２，１４，１５に入力されるため、従来のＤＳＰと比較して、精密なフィルタ精度が要求されなくなることで、フィルタの簡略化を図ることが可能となる。

以上より、本実施形態におけるＤＳＰ４によれば、ＤＳＰ４から出力される出力信号の信号レベルの低減を抑制し、ＳＮ比の向上を図ることができる。また、アルゴリズムの簡略化を図るとともに、情報量が多い繊細な音声を再生することができる。さらに、ＤＳＰ４における余剰となった演算処理能力を他機能の実現のために転用するとともに、演算処理能力が劣る廉価なＤＳＰ４を使用することで、製造コストの抑制を図ることができる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。ただし、本実施形態は、上述した第１実施形態と比較すると、新たに第３レベル調整部２２が加わっており、それ以外の構成については、第１実施形態と同様である。そこで、本実施形態では、ＤＳＰ２１の回路構成を中心とした説明を行い、第１実施形態と同様の構成には、同様の符号を付してその詳細な説明を省略する。

本実施形態におけるＤＳＰ２１は、図７に示すように、第１信号処理群Ｇ_１と第２信号処理群Ｇ_２とから構成され、このうち、第１信号処理群Ｇ_１は、上述した第１実施形態と同様に、第１レベル調整部１１と、第１信号処理部１２とから構成される。
一方、第２信号処理群Ｇ_２は、第２信号処理部１４と、第３信号処理部１５とが備えられ、これら信号処理部１４，１５の各々に対応して、第２レベル調整部１３と、第３レベル調整部２２とが備えられている。
このように構成された第２信号処理群Ｇ_２は、第１信号処理群Ｇ_１と周波数帯域が異なるので、第２レベル調整部１３の減衰量は、ユーザが指定した第２信号処理部１４の増幅量と逆符号の量（規定量ともいう。）から、第１レベル調整部１１の減衰量を減算して算出され、算出された減衰量に基づいて、第２レベル調整部１３における減衰処理が実施されるようになっている。一方、第２信号処理群Ｇ_２における第３レベル調整部２２の減衰量は、第３信号処理部１５の増幅量と逆符号の量として算出され、算出された減衰量に基づいて、第３レベル調整部２２における減衰処理が実施されるようになっている。

次に、図８から図１０を参照しながら、本実施形態におけるＤＳＰ２１の作用について説明する。
ここで、第１信号処理部１２、第２信号処理部１４及び第３信号処理部１５の増幅量は、第１実施形態と同様に、それぞれ＋４ｄＢ、＋６ｄＢ、＋２ｄＢである。
まず始めに、第１信号処理群Ｇ_１における第１レベル調整部１１の減衰量が、図８に示すように、第１信号処理部１２の増幅量と逆符号の−４ｄＢとして算出された後、第２信号処理群Ｇ_２における第２レベル調整部１３の減衰量が算出される。この際、周波数帯域の異なる第１信号処理群Ｇ_１の第１レベル調整部１１において、既に−４ｄＢの減衰処理が施されているため、第２レベル調整部１３の減衰量は、図９に示すように、第２信号処理部１４の増幅量と逆符号の−６ｄＢから−４ｄＢを減算した−２ｄＢとして算出される。
また、第２信号処理群Ｇ_２における第３信号処理部１５は、第２信号処理部１４と同一の周波数帯域において増幅処理を施すので、第３レベル調整部２２の減衰量は、第３信号処理部１５の増幅量と逆符号の−２ｄＢとして算出される。

そのため、第１レベル調整部１１、第２レベル調整部１３及び第３レベル調整部２２の減衰量は、−４ｄＢ、−２ｄＢ、−２と算出され、ＤＳＰの減衰量は、図１０に示すように、−８ｄＢとして算出される。
従って、本実施形態におけるＤＳＰ２１は、第１実施形態と同様に、従来のＤＳＰと比較して、減衰量を４ｄＢ低減することが可能となる。

以上より、本実施形態におけるＤＳＰ２１によれば、第１実施形態と異なり、各信号処理部１２，１４，１５に対応したレベル調整部１１，１３，２２が備えられているので、第２信号処理群Ｇ_２における減衰量が２段階で算出されるが、この場合であってもＤＳＰ２１の減衰量を低減することが可能である。
そのため、第１実施形態と同様に、ＤＳＰ２１から出力される出力信号の信号レベルの低減を抑制し、ＳＮ比の向上を図ることができる。

イコライザの回路構成を示すブロック図である。ＤＳＰの回路構成を示すブロック図である。第１信号処理部の周波数特性を示すグラフである。第２信号処理部及び第３信号処理部の周波数特性を示すグラフである。第１信号処理部及び第２信号処理部の周波数特性を示すグラフである。第１信号処理部、第２信号処理部及び第３信号処理部の周波数特性を示すグラフである。第２実施形態におけるＤＳＰの回路構成を示すブロック図である。第２実施形態における第１信号処理部の周波数特性を示すグラフである。第２実施形態における第１信号処理部及び第２信号処理部の周波数特性を示すグラフである。第２実施形態における第１信号処理部、第２信号処理部及び第３信号処理部の周波数特性を示すグラフである。従来技術におけるＤＳＰの回路構成を示すブロック図である。従来技術における減衰処理後の周波数特性を示すグラフである。従来技術における増幅処理後の周波数特性を示すグラフである。従来技術における他のＤＳＰの回路構成を示すブロック図である。従来技術における第１信号処理部の周波数特性を示すグラフである。従来技術における第２信号処理部の周波数特性を示すグラフである。従来技術における第３信号処理部の周波数特性を示すグラフである。従来技術における第１信号処理部、第２信号処理部及び第３信号処理部の周波数特性を示すグラフである。

符号の説明

１イコライザ
４，２１ＤＳＰ
１１第１レベル調整部
１２第１信号処理部
１３第２レベル調整部
１４第２信号処理部
１５第３信号処理部
２２第３レベル調整部
Ｇ_１第１信号処理群
Ｇ_２第２信号処理群

Claims

入力された信号に減衰処理を施すレベル調整手段及び当該レベル調整手段から出力された信号に増幅処理を施す信号処理手段を備える複数の信号処理群を具備し、
前記複数の信号処理群は、信号処理群毎に異なる周波数帯域の信号を処理し、一の信号処理群に対する後段の信号処理群におけるレベル調整手段の減衰量は、当該後段の信号処理群におけるレベル調整手段の増幅量と逆符号の量から当該一の信号処理群におけるレベル調整手段の減衰量を減算して算出されることを特徴とするデジタル信号処理システム。
前記レベル調整手段は、信号処理群毎に個別に備えられていることを特徴とする請求項１に記載のデジタル信号処理システム。
前記レベル調整手段は、信号処理手段毎に個別に備えられていることを特徴とする請求項１に記載のデジタル信号処理システム。