JP4976012B2 - 音声信号振幅制限器 - Google Patents

Description

本発明は、音質低下が大変少ない再生音を得ることができる音声信号の振幅制限器に関するものである。

従来、音声信号の増幅器等において能力を大きく越える振幅信号を処理すると、その出力信号による再生音質は著しく低下した。そのため大振幅信号が入力されても再生音質の低下が少ないリミッターや振幅抑圧回路が提案されている。

特許文献１に示すものは、本願発明者の提案に係るものであり、入力信号波形レベルが上昇して制限振幅の上限を越えると出力信号波形は制限振幅の上限で止まり、入力信号波形が上昇から下降に転ずるとその下降開始点かその付近が振幅制限の上限値となり、それに続く波形が出力されるようにしたものである。

しかし、この従来技術は、入力信号レベルが大きいと、振幅制限動作によって大きな高調波歪みが発生し、高調波の中でも比較的高い周波数成分が再生音にかなり強い歪み感を与えた。

特に、この種の技術を補聴器等への適用した場合、重度難聴者用としても十分な特性の補聴器を製造するには非常に強い正確な振幅制限が行われても、あまり音質低下を伴わない必要が有るが、特許文献１の技術では、この要求に応えられるものではなかった。

また、本発明者は、特許文献２に示す発明を提案した。この従来技術は、振幅制限を越える信号が入力された場合に、規定レベルを超えた振幅部分については、低い周波数信号の方が高い周波数信号よりも強く振幅抑圧が行われるようにしたものである。

すなわち、人が自然の音を聞く場合、遠くの音と近くの音の最大の違いは、その周波数のレベルによる違いであって、低音は高音に比べて距離による減衰が大きいため、近くの音は低音の振幅が大きく遠くの音の低音の振幅は小さくなることから、人は、大レベル低音を小さく補正して聞いていると考えられる。

そのため、この特許文献２の従来技術によれば、低音信号であっても小振幅信号はそのままで、大振幅信号の振幅を抑圧することが可能になるため、人が自然の中で感じるような遠くの音と近くの音のレベル差の少ない音を再生できる利点がある。

しかし、前記特許文献２の従来技術では、振幅制限値を正確に設定できないので、例えば、音声信号用パワーアンプ等に使用した場合に、アンプ能力を十分に引き出すことができない欠点があった。さらに、特許文献２の従来技術は、大きな振幅の信号を振幅制限するには回路の電源電圧も高い必要があった。この場合、小さいダイナミックレンジの回路で比較的大きな振幅の信号を処理するには負帰還を利用することを容易に思いつくが、負帰還で制限振幅を正確に設定することが難しい。

特開２００１−３２０２５５号公報 特願２００４−２２６１７２号出願明細書

本発明は、前記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたもので、大きな振幅の音信号が入力されても、決められた振幅制限値を殆ど越えることがなく、しかも再生音にあまり歪みが感じられない音信号を出力する音声信号振幅制限器を実現することを目的とする。

前記の目的を達成するため、請求項１の発明は、入力された音声信号の振幅を制限する振幅制限回路と、この振幅制限回路の出力側に設けられた減算器と、減算器からの出力信号中の高周波成分をカットするローパスフィルタと、ローパスフィルタと並列に接続された遅延回路と、ローパスフィルタ３の後段に配置され処理済みの音声信号を出力する減算器とを備え、前記減算器は、振幅制限回路に入力されたものと同様な音声信号を入力して、その音声信号から振幅制限回路の出力信号を減算する処理を行うものであり、前記遅延回路は、振幅制限回路に入力されたものと同様な音声信号を入力して、この入力信号に前記ローパスフィルタからの出力信号と同期させるための遅延処理を行うものであり、前記後段の減算器は、前記遅延回路からの出力信号を入力し、この遅延回路からの入力信号から前記ローパスフィルタからの出力を減算して出力するものであることを特徴とする。

請求項２の発明は、前記振幅制限回路と、この振幅制限回路に入力されたものと同様な音声信号を入力して、その音声信号から振幅制限回路の出力信号を減算する処理を行う減算器とを小変化振幅信号削除回路によって構成したことを特徴とする。

請求項３の発明は、入力する音声信号を複数帯域に分割し、各帯域ごとに、前記振幅制限回路、減算器、ローパスフィルタ、遅延回路およびその後段の減算器とを設けたことを特徴とする。

請求項４の発明は、前記ローパスフィルタと遅延回路の周波数特性を同一または近似したものとしたことを特徴とする。
請求項５の発明は、入力信号または出力信号の高い周波数成分を強調するイコライザーを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、振幅制限を行った信号に対して、ローパスフィルタにより高周波成分をカットまたは振幅制限によって失われた高域成分を一部追加することで、振幅制限を行ったにもかかわらず、音質低下が少ない再生音を得ることができる。また、遅延回路を設けることで、振幅制限を行った信号と、入力された未処理の信号との同期を取ることが可能になり、両者の差分から原音に近い聞き取りやすい再生を得ることができる。さらに、ローパスフィルタと遅延回路との周波数特性を同一あるいは近似したものとした場合には、より厳密な振幅制限を実施できる。また、音声周波数帯域を複数に区分して、各帯域ごとに振幅制限を行った場合には、再生音の歪みをより低減できる。

１．第１実施形態
以下、本発明の第１実施形態を、図１に従って具体的に説明する。

（Ａ）第１実施形態の構成
図１において、符号１は入力された未処理の音声信号の振幅を制限する振幅制限回路、２はその後段に接続された減算器、３は減算器２からの出力信号中の高周波成分をカットするローパスフィルタ、４はローパスフィルタ３と並列に接続された遅延回路、５はローパスフィルタ３の後段に配置された減算器であって、この減算器５からの出力がスピーカなどに出力される。

前記減算器２には、振幅制限回路１に入力されたものと同様な未処理の音声信号が入力され、その音声信号から振幅制限回路１の出力信号を減算する処理が行われる。前記遅延回路４には未処理の音声信号が入力され、この遅延回路４からの出力が前記減算器４に入力されて、減算器４においてこの遅延回路４からの出力から前記ローパスフィルタ３からの出力が減算される。

（Ｂ）第１実施形態の作用
このような構成を有する図１の振幅制限器の動作順序を振幅制限器の各部(a) 〜(f) と、これに対応する図８の(a) 〜(f) に示す信号波形図に従って説明すると、次の通りである。
（１）振幅制限回路１の具体的な構成は、一例として図２に示すものであって、この振幅制限回路１により、入力信号(a) が振幅制限された(b) のような信号が出力される。なお、図２の回路構成並びに動作については、後で詳しく説明する。

（２）入力信号(a) と振幅制限回路１の出力信号(b) は減算器２で互いに減算され、その差分(c) が減算器２から出力される。この場合、入力信号(a) は、振幅制限が行われるに十分な大きさの信号である。振幅制限が行われない小さなレベルの場合は、減算器２の２つの入力信号(a) (b) が同じであるため、図１の(c) および(d) には信号が現れない。従って、出力には(e) の信号がそのまま現れる。

（３）減算器２の出力信号(c) はローパスフィルタ３で高い周波数成分がカットされる。このローパスフィルタ３の特徴は、カットオフ周波数が比較的高く且つ、低域からカットオフ周波数近くまで周波数特性が平坦なことである。従って、ローパスフィルタ３からの出力信号波形は、低域からカットオフ周波数近くまでは、演算器２の出力信号とほぼ同一の波形(d) が出力される。一方、カットオフ周波数以上の高周波数帯域の信号は、ローパスフィルタ３の出力には現れないので減算器５の出力には遅延回路４の出力信号がそのまま現れる。つまり出力には入力レベルが減衰されない信号が現れる。

（４）入力信号(a) の一つは、ローパスフィルタ３の出力信号(d) と同期になるように遅延回路４で遅延される。そして、その遅延された信号(e) は減算器５に入力される。なお、この遅延回路４は、本実施形態では同期のために入力信号(a) を遅延させるものであるから、遅延回路４からの出力信号(e) は入力信号と位相が異なるものの同一波形である。

（５）ローパスフィルタ３の出力(d) と遅延回路４の出力(e) は減算器５に入力されて互いに減算され、減算器５の出力回路にはその差分信号(f) が現れる。なお、振幅制限や減算処理、あるいは周波数のカットオフ処理を行った場合、その処理過程において信号の遅延が生じる。そこで、本発明においては、遅延回路４で減算器５に入力される入力信号を遅延させて、同期を取るようにしている。

（６）この第１実施形態では、前記ローパスフィルタ３と遅延回路４との周波数特性を異なったものとしている。すなわち、ローパスフィルタ３は、低周波数帯域から中周波数帯域に関してはフラットな特性を示し、高周波数帯域からは周波数が高くなるにつれてカットオフ処理がなされるような曲線的な特性を示すものを使用する。一方、遅延回路４はそのような周波数特性を持たず、全周波数帯域においてフラットな特性を示すものを使用している。

そのため、ローパスフィルタ３の特性がフラットな範囲の周波数域では振幅制限回路１の出力信号(a) と同じレベルの信号(e) が減算器５の出力回路に出力される。しかし、ローパスフィルタ３の特性が平坦でない周波数域（つまり高域周波数）では、ローパスフィルタ３からの出力信号が現れないのに対して、遅延回路４の出力信号(e) は図８の中央に記載した波形のように減算器５の出力回路(f) に現れる。その結果、減算器５からの出力信号(f) として、入力信号(a) に含まれている振幅制限を越える部分の信号も出力され、振幅制限はあまり行われない。

（７）この第１実施形態の回路では、振幅制限が行われた結果、入力信号レベルが低く抑えられることになるが、このとき発生する高い周波数の高調波信号は、ローパスフィルタ３の働きによりカットされるので、再生音にはあまり歪みが感じられない。すなわち、入力信号（図８の左側(a) に示された信号）は、そのままではレベルが高いため、使用者にとって喧しく不快であるが、振幅制限回路により、図８の左側の(f) に示すように入力信号レベルが(a) に比較して押さえられ、しかも高い周波数の高調波が含まれないなら、使用者には歪みも喧しさもない再生音として聴取される。
一方、ローパスフィルタ３の特性が平坦でない周波数域（つまり高域周波数）では、ローパスフィルタ３からの出力信号が現れないため、たとえ図８中央の図の(b) のように入力信号(a) に対して振幅制限回路で振幅制限を行っても、減算器２によって入力信号(a) と振幅制限回路１の出力信号(b) を減算すると、結局は(c) のように振幅制限回路１の効果が失われ、出力信号(f) としては振幅制限の効果があまり出ない。しかし、高い周波数の音声信号の振幅は通常小さい場合が多く、それほど耳につかないので、この振幅制限動作が不完全であっても実用上大きな問題ではない。

（Ｃ）振幅制限回路２の具体例
次に、第１実施形態における振幅制限回路２の一例を、図３により具体的に説明する。この振幅制限回路１は、入力信号の電圧変化方向が反転する点から同じ方向に一定電圧変化する区間の信号を検出し、この検出された成分信号を出力するものである。なお、第１実施形態において用いる振幅制限回路は、この図３のものに限定されないが、この図３の回路は、小さなダイナミックレンジの回路で比較的大きな振幅の信号を処理できる。

すなわち、特許文献１や特許文献２の振幅制限回路では、その出力信号振幅に比べ大きなダイナミックレンジが回路に要求される。そのため比較的高い電圧の電源が必要である。小さいダイナミックレンジの回路で比較的大きな振幅の信号を処理するには負帰還を利用することを容易に思いつくが、負帰還では制限振幅を正確に設定することが難しい。けれども、負帰還による振幅制限と特許文献１や特許文献２に使われている振幅制限回路を組み合わせれば小さなダイナミックレンジ回路で比較的大きな振幅の信号を処理することができる。

図２は、負帰還による振幅抑圧と特許文献１や特許文献２に使用されている振幅制限を組み合わせた回路例である。図２中、点線で囲んだ部分が負帰還による振幅抑圧処理を行う部分である。すなわち、図２のオペアンプＯＰ１、オペアンプＯＰ２、コンデンサＣ１、コンデンサＣ２、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、ダイオードＤ１、ダイオードＤ２で構成される回路が負帰還が利用された振幅抑圧回路である。

この回路のＩＮＰＵＴに図３(a) の波形信号が入力されると、オペアンプＯＰ１の出力端子には図３(c) の様な波形信号が現れる。なお、図３(b) の波形はダイオードＤ１、ダイオードＤ２が無い場合の回路においてＩＮＰＵＴに図３(a) の波形が入力された場合にオペアンプＯＰ１の出力端子に現れる信号波形である。そのため、特許文献１や特許文献２の振幅制限回路で図３(d) と同等の結果を得るには、図３(b) の振幅を扱える回路が必要である。

図３(c) の波形が出力される動作を説明すれば、次の通りである。
（１）図３の横軸は時間軸である。また、１、１'、１''、１'''と、２、２'、２''、２'''は振幅制限回路が動作し始める動作電圧を示し、１と２はその初期値である。そして、この１と２間の電圧は図２の回路のダイオードＤ１、ダイオードＤ２に電流が流れた場合の順方向電圧で決まる。

（２）オペアンプＯＰ１の出力端子電位はｔ１〜ｔ２まで図２(b) と同様の変化をする。何故ならこの区間ダイオードＤ１とダイオードＤ２には電流が流れないのでオペアンプＯＰ２の出力電位は動かないからである。

（３）ｔ２〜ｔ３まで図３(c) の波形は図３(a) と同様に変化する。理由はダイオードＤ１に電流が流れ、オペアンプＯＰ２の出力電位がオペアンプＯＰ１の出力電位と共に動くからである。この時、波形抑圧回路が動作し始める電位はオペアンプＯＰ１の出力電位によって１'、２'の電位にシフトする。

（４）次のｔ３〜ｔ４までオペアンプＯＰ２の出力電位は動かないので、オペアンプＯＰ１の出力電位は図３(b) と同様に変化する。
（５）ｔ４〜ｔ５までオペアンプＯＰ２の出力電位はオペアンプＯＰ１の出力電位と共に動くので、オペアンプＯＰ１の出力電位は図３(a) と同様に変化する。この時波形制限回路が動作し始める電位は１''、２''へシフトする。

（６）同様にして、ｔ５〜ｔ６までオペアンプＯＰ１の出力電圧は図３(b) と共に変化する。
（７）更に、ｔ６〜ｔ７までオペアンプＯＰ１の出力電圧は図３(a) と共に変化する。この時波形制限回路が動作し始める電位は１'''、２'''の電圧へシフトする。

（８）ｔ７以降も前記と同様に動作して図３(c) の波形信号がオペアンプＯＰ１の出力に現れる。
（９）オペアンプＯＰ１、コンデンサＣ３、ダイオードＤ３、ダイオードＤ４及びＲ５によって構成される回路は、特許文献１や特許文献２に使用されている回路と同等であり、図３(c) の波形信号は図３(d) の様な波形に整形される。

（１０）つまり特許文献１や特許文献２に使用されている回路で図３(d) の信号を得るには、図３(b) の信号以上のダイナミックレンジを扱うことができる回路が必要だが、図２の回路なら図３(c) 波形以上のダイナミックレンジが扱えればよい。

（Ｄ）振幅制限回路１の他の具体例
図４は、第１実施形態における振幅制限回路１の他の具体例を示すもので、電源電圧の変動に連動して振幅制限値が変化する回路の例である。すなわち、小型機器のオーディオパワーアンプ等で、できるだけ大きな音量を出すためにはパワーアンプが飽和して歪みが多くなる直前の波高値で本発明の波形制限回路が動作するのが望ましい。そのためには電源電圧の変動に連動して振幅制限値が変化される必要がある。図４はその回路（一部ブロック図）例である。

図４の回路において電源電圧が高い方向に変化した場合、Ｒ８の両端電圧が高くなってオペアンプＯＰ３の出力電圧は低下する。その結果トランジスタＱ１にエミッタ電流が流れ始めるエミッタ電位は低下する。また、Ｒ１２の両端電圧も高くなるのでトランジスタＱ２にエミッタ電流が流れ始めるエミッタ電位は高くなる。従ってこの回路の振幅制限値は大きくなる。電源電圧が低くなる場合は前記と反対の動作で制限振幅値も小さくなる。

なお、オペアンプＯＰ３とオペアンプＯＰ４の電圧ゲイン及び振幅制限値をどの位にすべきかは、後段に設けられるパワーアンプの電圧ゲインや最大振幅との関係で決定されるべきである。

２．第２実施形態
（Ａ）第２実施形態の構成
次に、本発明の第２実施形態を、図５に従って説明する。この第２実施形態は、高い周波数まで良好な振幅制限が行われるために前記第１実施形態におけるローパスフィルタ３と遅延回路４を同じまたは近い周波数特性を持つものとした。また、入力回路または出力回路に高い周波数を強調するイコライザ６を設けたことを特徴とする。

（Ｂ）第２実施形態の作用
この第２実施形態の作用は、次の通りである。
（１）図５の回路に入力された音声信号は、イコライザ６で高い周波数信号が強調される。これの目的は、後段のローパスフィルタ３と遅延回路４による高域の減衰を前もって補正するためである。

（２）イコライザ６の出力信号の一つは、振幅制限回路１に入力され、音声信号波形の変化方向が反転した点から一定レベル変化するまでの信号だけを取り出し出力する（第２実施形態における振幅制限回路１の具体例は図６に示すが、その回路動作は後述する）。

（３）振幅制限回路１からは、図７（Ｂ）の様な信号が出力される。これは入力信号図７（Ａ）とは著しく異なる波形であるが、その再生音は想像程悪くない。しかし強い振幅制限を行う場合は実用に耐える音質は得にくい。この再生音の歪み感の殆どは波形の変形に伴う高調波である。そのため次段以降の回路で高調波を除いている。

（４）振幅制限回路１の出力信号は次の減算器２でイコライザ６の出力信号から減算される。従って減算器２の出力はイコライザ６出力信号からから振幅制限回路１の出力信号が減算された信号である。

（５）減算器２の出力信号は、次のローパスフィルタ３で高域周波数が減衰され、終段の減算器５でイコライザ６の出力信号が遅延回路４によりシフトされた信号から減算される。遅延回路４によるシフトは、ローパスフィルタ３でも遅延が起こるためこれと同期させるためである。

（６）このようにして終段の減算器５からは振幅制限回路１の出力よりも高調波成分の大変少ない信号が出力される。この信号は入力信号に比べ著しく変形しているが、その再生音に大きな歪みは感じられない。

（７）この第２実施形態では、ローパスフィルタ３の周波数特性と遅延回路４の周波数特性を同一あるいは近似したものとしている。すなわち、前記第１実施形態では、遅延回路の周波数特性が、その高周波数帯域でもフラットになっているため、高周波帯域の信号の減衰が少なく、図８の中央部分の波形に示したように、高周波帯域においても遅延回路４からは入力信号(a) と同等な信号(e) が出力される。しかし、この第２実施形態では、遅延回路の周波数特性がローパスフィルタ３と同一あるいは近似しているため、遅延回路４においても信号中の高周波成分がローパスフィルタと同様な減衰を受け、特性がフラットな低い周波数帯域と同様に厳密な振幅制限が行われる。

この場合、周波数が高くなるほど、回路全体のゲインが低くなるので高い周波数信号は減衰を受ける。そこで、この第２実施形態では、イコライザー６を設けることにより、これを補正しているが、このイコライザー６は出力側に設けても差し支えない。しかし、音声信号の場合、高い周波数信号の振幅は小さい場合が多いので、前段（入力側）に設けた方が好ましい結果が得られる場合が多い。

（Ｃ）振幅制限回路１の具体例
振幅制限回路としては、前記第１実施形態に使用したものと同様なものを用いることができるが、この第２実施形態では、一例として、図６に示す構成のものを使用する。この図６の回路とその作用を図７の波形図により説明する。

（１）図７（Ｂ）の上部と下部の細線間隔はＤ１の順方向電圧＋Ｄ２の順方向電圧を示す。
（２）図６のＩＮＰＵＴに図７（Ａ）のような信号が入力されると、ｔ１−ｔ２までは出力にも同じ波形の信号が出力される。
（３）しかし、ｔ３−ｔ４ではダイオードＤ２がＯＮするので出力電圧は変化しない。この時コンデンサＣ１は電流ｉ１で充電される。

（４）ｔ３で波形の変化方向が反転するのでダイオードＤ２はオフしてｔ３−ｔ４まで図７（Ａ）の波形がＯＵＴＰＵＴに現れる。
（５）ｔ４ではＤ１がＯＮしてｔ４−ｔ５までＯＵＴＰＵＴ波形は変化しない。この時コンデンサＣ１は電流ｉ２で（３）の場合とは逆方向電流で充電される。

（６）ｔ５以降も同様な動作で、ＯＵＴＰＵＴには図７（Ｂ）のような波形の信号が出力される。
（７）図７（Ｂ）の信号は図７（Ａ）信号における大振幅信号はひどく失われているが、小さな信号の失われ方は少ない。そのため音声信号がこの回路を通されてもその再生音の了解度はあまり悪くならない。

３．第３実施形態
（Ａ）第３実施形態の構成
図９に示す第３実施形態は、前記図５に示した第２実施形態よりも簡単な回路構成としたものである。この第３実施形態では、図５における振幅制限回路１および減算器２を小変化振幅信号削除回路７によって構成したものである。この小変化振幅信号削除回路７は、入力信号から、入力信号の電圧変化方向が反転する点から同じ方向に一定電圧分変化する区間の信号が削除された信号を出力するものであって、その構成は図１０に示すが、回路動作は後述する。

（Ｂ）第３実施形態の作用
このような構成を有する第３実施形態の作用は次の通りである。

（１）図９の回路に入力された音声信号は、イコライザ６で高い周波数信号が強調される。これの目的は、後段のローパスフィルタ３と遅延回路４による高域の減衰を前もって補正するためである。

（２）イコライザ６の出力信号の一つは小変化振幅信号削除回路７に入力され、図５のイコライザ６からの出力信号から振幅制限回路１からの出力信号を減算した信号と同じ信号が取り出される。つまり小変化振幅信号削除回路からは第２実施形態の図５における減算器２の出力と等価の信号が出力される。

（３）小変化振幅信号削除回路７の出力は、次のローパスフィルタ３で高域周波数が減衰され減算器５で再び、遅延回路４でシフトされたイコライザ６の出力信号から減算される。遅延回路４によるシフトは、ローパスフィルタ３で遅延が起こるためこれと遅延量を同期させるためである。

（４）このようにして減算器５からは、前記第２実施形態における減算器５出力と等価の信号が出力される。

（Ｃ）小変化振幅信号削除回路７の構成
第３実施形態に使用する小変化振幅信号削除回路７について、図１０および図１１に従って説明する。

（１）図１０の回路は、図６のコンデンサとダイオードの位置が入れ替わっていて、コンデンサの両端電圧を出力するものである。

（２）コンデンサＣ２の両端の電圧は、ＩＮＰＵＴ電圧からダイオードＤ３,Ｄ４の両端電圧を減算したものである。ダイオードＤ３,Ｄ４の両端電圧は、図６のダイオードＤ１，Ｄ２の両端電圧と等価であるから、コンデンサＣ２両端の電圧は入力電圧から図６の出力電圧を減算したのと同じである。つまり図９の小変化振幅信号削除回路７の出力信号は、図５の初段減算器２の出力信号と等価である。

図１１は、図１０の実用回路である。図１０におけるダイオードＤ３及びＤ４の順方向電圧は素子の特性で決まっていて任意の値にすることは難しい。そのため図１０の回路で小さな信号を扱うには不都合な場合が多い。しかし、図１１の実用回路では、ダイオードの順方向電圧がＲ４／（Ｒ３＋Ｒ４）であるかのように動作する。理由は、ダイオードＤ３又はＤ４の両端圧が順方向電圧以下の場合、オペアンプのゲインは（Ｒ３＋Ｒ４）／Ｒ４となるからである。

なお、この図１１の回路は、後述する実施例の（９）に示すように、音声信号のノイズ消去にも利用できる。つまりノイズは多くの場合振幅が小さいので、小さな振幅信号を削除すればＳ／Ｎの良い信号をつくり出すことができる。

４．第４実施形態
前記の振幅制限回路は、音声信号の低域周波数から高域周波数までまとめて振幅制限を行うものである。しかしその方式では大きな低い周波数信号が振幅制限された場合は中域周波数帯の高調波信号も耳につく程度発生する。この歪み感を減少させるには音声帯域を複数に分割して処理するのが効果的である。

図１２は本発明の第４実施形態を示すものであって、音声信号帯域を２つに分割して処理する回路のブロック図である。この動作を説明すると、次の通りである。

（１）入力信号は図５の場合と同等特性のイコライザー６で高域強調される。
（２）イコライザー６の出力信号の一つは、図９の小変化振幅信号削除回路７と同等特性の小変化振幅信号削除回路７ａを経てローパスフィルタ３ａに入力される。ローパスフィルタ３ａのカットオフ周波数は図５や図９のローパスフィルタ３より低い（一例として、１ＫＨｚ以下とする）。

（３）イコライザー６の出力信号は遅延回路４ａにも入力され、ここでローパスフィルタ３ａの場合と同じ時間の遅延が行われる。また、遅延回路４ａの周波数特性はできるだけフラットが望ましい。

（４）ローパスフィルタ３ａと遅延回路４ａの出力信号は減算器５ａに入力され、出力回路にはそれらの差分信号が現れる。この時、減算器５ａの出力には、低い周波数では正しく振幅制限が行われていものの高い周波数信号ほど制限効果の少ない信号が出力される。

（５）減算器５ａの出力信号は、第２段の小変化振幅信号削除回路７ｂと遅延回路４ｂに入力される。そしてこれ以降の回路動作は図９のイコライザ６を除いた部分と同等で、遅延回路４ｂの出力からローパスフィルタ３ｂの出力が減算器５ｂで減算され、その差分が減算器５ｂから出力される。なお、遅延回路４ａは省略してイコライザ６の出力をそのまま減算器５ａに入力しても害は少ない場合が多い。

次に、本発明の音声信号振幅制限器及びこの音声信号振幅制限器に使用された振幅制限回路を、具体的な製品に適用した実施例について、図１３ないし図２２により説明する。これらの機器に本発明の振幅制限器が使用された場合の利点は、特許文献２の場合よりも歪み感の少ない、或いは音量感の大きい音が得られる。

なお、各図において、符号、１３はマイクロホン、１４はマイクアンプ、１５は本発明の振幅制限回路、１６はパワーアンプ、１７はプリアンプ、１８はアッテネー夕、１９は本発明の振幅制限回路、２０はパワーアンプ、２２はマイクアンプ、２１はマイクロホン、２３はイヤホン、２４はスピーチネットワーク回路、２５はハンズフリー回路、２６はダイヤル回路、２７は送受話器、２８はスピーカ、２９は録音／再生ヘッド、３０は録音アンプ、３１は再生アンプ、３２は鋭指向性マイク、３３は分析回路を示している。

（１）防音保護具
図１３は、本発明の音声信号振幅制限器を組み込んだ防音保護具の一例を示す斜視図であって、この防音保護具は、防音保護具本体１０と、その耳当て部に内蔵されたスピーカ１１と、耳当て部の外側に取り付けられた回路ブロック１２及びマイクロホン１３とから構成される。また、その回路ブロックとしては、図１４に示すように、マイク１３の出力をマイクアンプ１４で増幅し、これを本発明の振幅制限器１５によって処理した後、パワーアンプ１６を介してスピーカ１１より出力する構成となっている。

この種の防音保護具は装着すると小さな音が聞こえないので装着したまま会話ができない欠点があった。しかし、図１３の構成にすれば、外部の音声をマイクロホン１３で収集しこれをスピーカ１１を通じて使用者の耳に伝えるに当たり、振幅制限器１５により大きな音のみを制限して、小さな音は通過させるようにしたので、防音保護具を装着したまま会話もできる。

（２）パワーアンプ
図１５は、本発明の音声信号振幅制限器を組み込んだパワーアンプの一例を示すブロック図で、入力信号をプリアンプ１７，ボリューム１８を介して本発明の振幅制限器１９に入力し、パワーアンプ２０を介して出力するものである。

（３）補聴器または助聴器
図１６は、本発明の音声信号振幅制限器を組み込んだ補聴器または助聴器の一例を示すブロック図で、マイク２１からマイクアンプ２２及び入力用ボリューム１８を介して入力した音声信号について振幅制限１９を行った後、出力用ボリューム１８及びパワーアンプ２０を介してイヤホン２３から出力することで、聞き取りやすい再生音を得るようにしたものである。

なお、本発明の振幅制限器を使用すると、高度難聴者にも大変良く聞こえる補聴器類を製造できる。理由は、音のダイナミックレンジを非常に小さくできる本発明の振幅制限動作が人の声を、可聴レンジの大変小さな重度難聴者にも聞き分けることのできる音に変換できるからである。

（４）電話機
図１７は、ハンズフリー回路２５を有する電話機に対して、本発明の音声信号振幅制限器を組み込んだ電話機の一例を示すブロック図で、送受話器２７と並列に設けられたハンズフリー回路２５側のマイクロホン２１の入力を振幅制限器１９を通すことで、送信音声の明瞭化を可能としたものである。

（５）拡声機
図１８は、本発明の音声信号振幅制限器を組み込んだ拡声器の一例を示すブロック図であって、基本的には、前記図１６の補聴器と同様に、入力音声の振幅制限を行うことで、大音量入力を排除して聞き取りにくい小音量音声の拡声を効果的に実施するものである。また、比較的小さなパワーで大きな音量を出せる特徴もある。

（６）テープレコーダ
図１９は、本発明の音声信号振幅制限器を組み込んだテープレコーダの一例を示すブロック図で、前記電話機と同様に、録音側のマイクロホン２１からの入力信号に対して振幅制限１９を与えたものである。なお、このように振幅制限された音声信号は、録音再生ヘッド２９を介して磁気テープに記録され、再生アンプ３１等を介してスピーカ２８から出力される。この場合、明瞭度の高く聞き易い音質の録音が可能となる。

（７）望遠マイク
図２０は、本発明の音声信号振幅制限器を組み込んだ望遠マイクの一例を示すブロック図であって、指向性の強いマイクロホン３２を使用することで、遠方の音声を収録するものである。この場合、指向性の強いマイクロホン３２は、遠い音源の小さな音を収録するため、その感度を高くする必要があるが、その反面、所定の音量以上の音声信号も入力される可能性がある。しかし、本実施例では、振幅制限器１９により、大音量の音声信号の入力が制限されるので、遠く離れた小さな音を明瞭に収録することができる。

（８）音声認識装置
図２１は、本発明の音声信号振幅制限器を組み込んだ音声認識装置の一例を示すブロック図であって、振幅制限を行った音声信号を分析装置３３にかけることで、音声認識を行う。認識後のデータは、通信インターフェイス等から出力される。この音声認識装置においては、入力信号に振幅制限を与えることで、認識率を向上させることが可能になる。

（９）ノイズ消去回路
本発明の振幅制限器は、振幅制限回路１、減算器２，５、ローパスフィルタ３及び遅延回路４の組み合わせを特徴とするものである。しかし、本発明の振幅制限器に使用する振幅制限回路単独で、前記（１）から（８）の装置に使用することも可能である。また、図２２は、図１１の小振幅信号削除回路をノイズ消去用として補聴器に使用した場合の構成を示すブロック図である。さらに、図２、図４あるいは図６に示す振幅制限回路を図１１の回路の代わりに使用することもできる。

本発明は、ノイズの少なく良く聞こえる補聴器、小さなパワーで大きな音量が出せるオーディオ機器等、音を扱う機器の特性改善に幅広く利用できる。

本発明の音声信号振幅制限器の第１実施形態を示すブロック図。 本発明の第１実施形態に使用する振幅制限回路の一例を示す回路図。 図２の振幅制限回路の動作を説明する波形図。 本発明の第１実施形態に使用する振幅制限回路の他の例を示す回路図。 本発明の音声信号振幅制限器の第２実施形態を示すブロック図。 本発明の第２実施形態に使用する小変化振幅信号取出回路の一例を示す回路図。 図６の小変化振幅信号取出回路の動作を説明する波形図。 本発明の第１および第２実施形態における各ブロックからの出力信号の状態を示すブロック図。 本発明の音声信号振幅制限器の第３実施形態を示すブロック図。 本発明の第４実施形態に使用する小変化振幅信号消去回路の一例を示す回路図。 図１０の小変化振幅信号消去回路の実用例を示す回路図。 本発明の音声信号振幅制限器の第４実施形態を示すブロック図。 本発明の音声信号振幅制限器を組み込んだ防音保護具の一例を示す斜視図。 図１３の防音保護具の構成を示すブロック図。 本発明の音声信号振幅制限器を組み込んだパワーアンプの一例を示すブロック図。 本発明の音声信号振幅制限器を組み込んだ補聴器または助聴器の一例を示すブロック図。 本発明の音声信号振幅制限器を組み込んだ電話機の一例を示すブロック図。 本発明の音声信号振幅制限器を組み込んだ拡声器の一例を示すブロック図。 本発明の音声信号振幅制限器を組み込んだテープレコーダの一例を示すブロック図。 本発明の音声信号振幅制限器を組み込んだ望遠マイクの一例を示すブロック図。 本発明の音声信号振幅制限器を組み込んだ音声認識装置の一例を示すブロック図。 図１１の小振幅信号削除回路をノイズ消去用として補聴器に使用した場合の構成を示すブロック図。

符号の説明

１…振幅制限回路
２…減算器
３…ローパスフィルタ
４…遅延回路
５…減算器
１０…防音保護具本体
１１…スピーカ
１２…回路ブロック
１３…マイクロホン
１４…マイクアンプ
１５…本発明の振幅制限回路
１６…パワーアンプ
１７…プリアンプ
１８…アッテネー夕
１９…本発明の振幅制限回路
２０…パワーアンプ
２２…マイクアンプ
２１…マイクロホン
２３…イヤホン
２４…スピーチネットワーク回路
２５…ハンズフリー回路
２６…ダイヤル回路
２７…送受話器
２８…スピーカ
２９…録音／再生ヘッド
３０…録音アンプ
３１…再生アンプ
３２…鋭指向性マイク
３３…分析回路
Ｒ１〜Ｒ１４…抵抗
Ｃ１〜Ｃ４…コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ４…ダイオード
Ｑ１、Ｑ２…トランジスタ
ＯＰ１〜ＯＰ４…オペアンプ
ＯＵＴＰＵＴ…出力回路
ＩＮＰＵＴ…入力回路
ＧＮＤ…接地回路
＋Ｖｃｃ…プラス電源回路
−Ｖｃｃ…マイナス電源回路

Claims (5)

1. 入力された音声信号の振幅を制限する振幅制限回路と、この振幅制限回路の出力側に設けられた減算器と、減算器からの出力信号中の高周波成分をカットするローパスフィルタと、ローパスフィルタと並列に接続された遅延回路と、ローパスフィルタ３の後段に配置され処理済みの音声信号を出力する減算器とを備え、
   前記減算器は、振幅制限回路に入力されたものと同様な音声信号を入力して、その音声信号から振幅制限回路の出力信号を減算する処理を行うものであり、
   前記遅延回路は、振幅制限回路に入力されたものと同様な音声信号を入力して、この入力信号に前記ローパスフィルタからの出力信号と同期させるための遅延処理を行うものであり、
   前記後段の減算器は、前記遅延回路からの出力信号を入力し、この遅延回路からの入力信号から前記ローパスフィルタからの出力を減算して出力するものであることを特徴とする音声信号振幅制限器。
2. 前記振幅制限回路と、この振幅制限回路に入力されたものと同様な音声信号を入力して、その音声信号から振幅制限回路の出力信号を減算する処理を行う減算器とを小変化振幅信号削除回路によって構成したことを特徴とする請求項１に記載の音声信号振幅制限器。
3. 入力する音声信号を複数帯域に分割し、各帯域ごとに、前記振幅制限回路、減算器、ローパスフィルタ、遅延回路およびその後段の減算器とを設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の音声信号振幅制限器。
4. 前記ローパスフィルタと遅延回路の周波数特性を同一または近似したものとしたことを特徴とする請求項１に記載の音声信号振幅制限器。
5. 入力信号または出力信号の高い周波数成分を強調するイコライザーを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の音声信号振幅制限器。

Images