JP5031101B2 - 信号受信装置および信号伝送システム - Google Patents

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Description

この発明は、例えば、CDトランスポートとD/Aコンバータ間の非同期デジタル伝送に用いて好適な、信号受信装置および信号伝送システムに関するものである。
非同期デジタル伝送の分野において、例えば、CD(Compact Disc)再生に特化したCDトランスポート等の信号送信装置と、D/A(Digital/Analog)コンバータが内蔵される信号受信装置との間は、デジタル信号が非同期に伝送される。
このとき、信号送信装置と信号受信装置のそれぞれで使用されるクロックのズレ(時間差)を吸収することが高品質再生を行う上で必須とされる。
このための制御方式が従来から多数提案されている。例えば、図5に示されるように、信号受信装置20にPLL(Phase Locked Loop)回路201を設け、信号伝送路30を介して伝送されるデジタル入力信号から信号送信装置10に同期したクロック信号を分離生成するPLL方式が通常知られている。
なお、信号受信装置20はD/Aコンバータ(D/A回路)を内蔵しており、このD/A回路202でPLL回路201からのデジタル入力信号を変換することにより生成されるアナログ出力信号は、信号線40を介して不図示のオーディオ・ビジュアル再生系へ供給される。
また、例えば、図6に示されるように、PLL回路201の後段に基準クロック発生回路203から基準クロックを供給されるSRC(Sampling Ratio Converter)回路204を配置して、このSRC回路204により水晶精度でのクロック信号を新たに生成するSRC方式も知られている。また、例えば、図7に示されるように、D/A回路202を内蔵する信号受信装置20をマスタとし、基準クロック発生回路203からの基準クロックをD/A回路202に供給すると共に信号伝送路50を介してCDトランスポート等の信号送信装置10側に戻して同期をとる双方向ツインリング方式も知られている。
更には、図8に示されるように、PLL回路201の後段に基準クロック発生回路203から基準クロックを供給される大容量のメモリ回路205を配置し、この大容量のメモリ回路205に格納されたデジタル入力信号から水晶精度でのクロックを取り出す大容量バッファリング方式も知られている。
なお、図6ないし図8において図5と同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
一方、画像再生の分野において、画像メモリと画像入力装置との間で転送されるデジタルデータの時間軸を揃えるために、所定期間毎の信号を間引きあるいは重複して読み出すことにより、量子化の繰り返しを排除して時間軸変動を効率良く補正し、高画質の画像信号を生成出力する時間軸補正装置が出願されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2006−180441号公報
ところが、図5に示した従来のPLL方式によれば、中心周波数への追従性とジッター成分の除去を同時に行う必要があることから、クロックに内在する中心周波数近傍の低域成分のジッターの除去は追従性能を劣化させることから限界があり、SN比(Signal to Noise Ratio)等の性能劣化と音質劣化の要因になっていた。また、図6に示すSRC方式によれば、D/A回路202の基準クロック発生回路203については水晶精度まで低減できるが、伝送系に含まれるジッター成分については信号成分と分離することができず、上記したPLL方式と比較して大差はない。
また、図7に示すツインリンク方式では、性能的には伝送系に関するジッターと、D/A回路202の基準クロックのジッターの双方を水晶精度まで低減可能であるが、信号送信装置10が外部クロックに対応している必要がある。したがって、再生ソースが多数におよぶ場合、その数に応じた信号伝送路30,50が必要となり、システム構成上の制限を受ける。
更に、図8に示す大容量バッファリング方式によれば、時間遅れが発生するため、例えば、演奏時間の経過とともにデジタル入力信号とアナログ出力信号との間に時間ズレが徐々に拡大し、特に、音声と映像との同期が必要なリアルタイム性が要求されるオーディオ・ビジュアル再生に使用できないといった問題がある。
また、上記した特許文献1に開示された技術によれば、単位時間当たりに抽出したノイズ相当分の画像データをランダムに分散させ、視覚上問題がないようにしているが、これをオーディオ・ビジュアル再生に用いた場合、音質の劣化が生じる。
この発明は上記した課題を解決するためになされたものであり、デジタル入力信号とアナログ出力信号との間の時間ズレが極小で、かつ、ジッターを水晶精度までに低減することができ、オーディオ・ビジュアル再生に用いて好適な、信号受信装置および信号伝送システムを提供することを目的とする。
上記した課題を解決するためにこの発明の信号受信装置は、デジタル入力信号からクロックを分離生成するPLL回路と、前記PLL回路により生成されるクロックによりデータの書き込みが行われ、DAコンバータの基準クロックにより読み出しが行われるメモリ回路と、前記クロックと前記基準クロックとの時間差を検出する時間差検出回路と、前記時間差検出回路により前記クロックと基準クロックとの間に時間差が検出された場合、前記検出された時間差の状況に応じて前記デジタル信号を加工して前記メモリ回路に書き込むデータ加工回路とを備えたものである。
また、この発明の信号送受信システムは、デジタル入力信号を送信する信号送信装置と、前記信号送信装置とは信号伝送路経由で接続され、前記信号伝送路経由で伝播される前記デジタル入力信号からクロックを分離生成するPLL回路と、前記デジタル入力信号をアナログ出力信号に変換するDAコンバータと、前記PLL回路により生成されるクロックにより前記デジタル入力信号の書き込みが行われ、前記DAコンバータの基準クロックにより読み出しが行われるメモリ回路と、前記クロックと前記基準クロックとの時間差を検出する時間差検出回路と、前記時間差検出回路により前記クロックと基準クロックとの間に時間差が検出された場合、前記検出された時間差の状況に応じて前記デジタルデータを加工して前記メモリ回路に書き込むデータ加工回路を有する信号受信装置とを備えたものである。
この発明によれば、デジタル入力信号とアナログ出力信号との間の時間ズレが極小で、かつ、ジッターを水晶精度までに低減した、特に、オーディオ・ビジュアル再生に用いて好適な、信号受信装置および信号伝送システムを提供することができる。
この発明の実施の形態1に係る信号伝送システムの構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態1に係る信号受信装置が有するデータ加工回路の内部構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態1に係る信号受信装置の基本動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態1に係る信号受信装置の応用動作を示すフローチャートである。 PLL方式を用いた従来例における信号伝送システムの構成を示すブロック図である。 SRC方式を用いた従来例における信号伝送システムの構成を示すブロック図である。 ツインリンク方式を用いた従来例における信号伝送システムの構成を示すブロック図である。 大容量バッファリング方式を用いた従来例における信号伝送システムの構成を示すブロック図である。
以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態1.
[信号伝送システムの説明]
図1は、この発明の実施の形態1に係る信号伝送システムの構成を示すブロック図である。
図1に示されるように、この発明の実施の形態1に係る信号送受信システムは、信号送信装置1と、信号送信装置1とは信号伝送路3を介して接続される信号受信装置2とにより構成される。なお、信号伝送路3は、有線、無線のいずれでもよい。
図1に示されるように、信号受信装置2は、PLL回路21と、メモリ回路22と、D/A回路23と、基準クロック発生回路24(クロックB)と、時間差検出回路25と、データ加工回路26とにより構成される。
PLL回路21は、信号伝送路3経由で信号送信装置1から送信されるデジタル入力信号からクロックAを分離生成してメモリ回路22および時間差検出回路25へ出力する。
メモリ回路22は、PLL回路21により生成されるクロックAによりデジタル入力信号の書き込みが行われ、基準クロックBにより読み出しが行われる比較的小容量のメモリである。D/A回路23は、メモリ回路22から読み出されるデジタル入力信号をアナログ出力信号に変換し、出力信号線4経由で不図示の再生系に出力するDAコンバータである。
時間差検出回路25は、PLL回路21により生成されるクロックAと基準クロック発生回路24からの基準クロックBとの時間差(ズレ)を検出してデータ加工回路26に出力する。
データ加工回路26は、時間差検出回路25によりクロックAと基準クロックBとの間にズレが検出された場合、検出されたズレの状況に応じてデジタル入力信号を加工してメモリ回路22に書き込む。データ加工回路26の内部構成等の詳細は図2を用いて後述する。
この発明の実施の形態1に係る信号伝送システムは、図1に示されるように、信号受信装置2にメモリ回路22を設け、データ信号の書き込みはデジタル入力信号からPLL回路21を用いて生成したクロックAで行い、読み出しは、基準クロック発生回路24から発生された水晶精度の基準クロックBで行う。しかしながら、このままでは図8に示す従来の大容量バッファリング方式と同様、演奏時間とともにデジタル入力信号とアナログ出力信号との間のズレが徐々に拡大し、少ないメモリ容量ではオーバーフローしてしまう。
このため、この発明の実施の形態1に係る信号伝送システムによれば、信号受信装置2が、書き込みクロックAと読み出しクロックBとのズレを検出し、このズレは、実用上、100ppm(parts per million)以下であることに注目し(サンプリング周波数44.1Hzで100ppmのズレでは、0.23秒に1回のズレに相当)、この時間差を補正するために、例えば、0.23秒に1回遅れる場合は、データの間引き処理を行い、逆に進む場合は、前後の信号から生成される信号を補間処理する構成とした。
また、この発明の実施の形態1に係る信号伝送システムは、聴感上、上記した間引き処理または補間処理による音質劣化を極少にするために、信号受信装置2が、デジタル入力信号の、振幅値、変化量、ランダム性のそれぞれを監視し、それぞれ、振幅絶対値の小さい箇所、変化量の少ない箇所、ランダム性の高い箇所を検出し、これらの少なくとも2つを重み付けして算出したスコアを間引きや捕間の対象信号サンプルとして抽出することとした。
更に、この発明の実施の形態1に係る信号伝送システムは、対象信号サンプルの間引きや捕間後、聴感上の劣化を抑えるために、信号受信装置2が、間引き処理や捕間処理した箇所のランダム性が高くなるにしたがい短いクロスフェード処理を実行し、ランダム性が低くなるにしたがい長いクロスフェード処理を実行して信号の接続点同士を減衰させ滑らかな波形として不連続点の確認を困難にしている。これは、ランダム性が高いと不連続点の確認が困難で、ランダム性が低いと不連続点の認識が容易になることに基づく。
以上説明のように、この発明の実施の形態1に係る信号伝送システムによれば、信号受信装置2にメモリ回路22を設け、信号送信装置1から送信されるデジタル入力信号に含まれるデータの書き込みは、受信したデジタル入力信号からPLL回路21を用いて生成したクロック(クロックA)により行い、読み出しは、基準クロック発生回路24からの水晶精度の基準クロック(クロックB)で行う。
ここで、信号受信装置2は、クロックAと基準クロックBのズレを補正してデジタル入力信号を再現するために、その時間差を検出し、ここでクロック間のズレが検出され、信号受信装置2が信号送信装置1よりも遅れる場合は、デジタル入力信号に含まれるデータを間引き、進む場合は、前後のデジタル入力信号から生成される信号を補間するように構成した。このため、デジタル入力信号とアナログ出力信号間の時間ズレが極小で、かつ、ジッターを水晶精度までに低減することができ、オーディオ・ビジュアル再生に用いて好適な信号伝送システムを提供することができる。
なお、上記したこの発明の実施の形態1に係る信号伝送システムによれば、信号送信装置1をCDトランスポートとし、信号受信装置2はD/Aコンバータを内蔵するものとして説明したが、この組み合わせに制限されるものではなく、非同期デジタル伝送を行う任意の信号送受信装置の組み合わせに適用が可能である。
[信号受信装置の詳細な説明]
図2は、この発明の実施の形態1に係る信号受信装置2が有するデータ加工回路26の内部構成を示すブロック図である。
図2に示されるように、データ加工回路26は、振幅値監視部261と、変化量監視部262と、ランダム性監視部263と、対象信号サンプル抽出部264と、クロスフェード演算処理部265と、メモリ更新部266とにより構成される。
振幅値監視部261は、メモリ回路22に書き込まれたデジタル入力信号の振幅値を監視し、変化量監視部262は、メモリ回路22に書き込まれたデジタル入力信号の単位時間あたりの変化量を算出し、ランダム性監視部263は、メモリ回路22に書き込まれたデジタル入力信号の単位時間あたりのランダム性を算出して、いずれも対象信号サンプル抽出部264へ出力する。
なお、ランダム性監視部263は、ランダム性の算出にあたり、例えば、分散(標準偏差)を求め、デジタル入力信号の分散が大きいほどランダム性が高いと判定し、対照信号サンプル抽出部264を制御する。ここでいう「分散」とは、例えば、変量と平均との距離(の2乗)の大きさをあらわし、平均値からの誤差をいう周知の統計手法をいう。
また、ランダム性監視部263は、デジタル入力信号の線形予測を行い、予測誤差をランダム性判定の尺度としてもよい。すなわち、予測誤差が大きいほどランダム性が高いと判定する。ここでいう「線形予測」とは、単位時間あたりに計測されたデジタル入力信号の時系列に関し、現在までの時系列を用いて次の時系列のデジタル入力信号を所定の演算式により求め、実際に次の時刻になって計測データを得たときに予測誤差を計算し、この誤差が小さくなるように重み係数で調整して以降の予測が最適になされることを狙って行われる周知の演算手法である。なお、このランダム性の算出にあたり、線形予測による方法が分散を求める方法よりも精度良く算出可能である。
対象信号サンプル抽出部264は、振幅値監視部261により監視されるデジタル入力信号の振幅値(レベル)、変化量監視部262により算出される変化量、ランダム性監視部263により算出されるランダム性のうち、少なくとも2つのパラメータに対して重み付け演算によりスコアを算出し、ここで算出されたスコアに基づきデジタル入力信号の間引きあるいは補間処理の対象となる対象信号サンプルを抽出してクロスフェード演算処理部265へ出力する。
クロスフェード演算処理部265は、対象信号サンプル抽出部264で抽出された対象信号サンプルのランダム性に応じた長さでクロスフェード演算を実行してデジタル入力信号のスムージング処理を実行する。
すなわち、クロスフェード演算処理部265は、例えば、対象信号サンプルの隣接する2つの時点における信号に、時間経過とともに次第に減少する窓関数と、時間経過とともに次第に増加する窓関数とを掛け、それらを足し合わせることにより、当該2つの時点における信号同士を減衰させて滑らかな波形として不連続点の確認を困難にする。ここでは、対象信号サンプルのランダム性が高くなるほど短い長さでクロスフェード処理を施し、ランダム性が低くなるほど長い長さでクロスフェード処理を施している。
なお、メモリ更新部266は、クロスフェード演算処理部265により、間引きあるいは補間された箇所のスムージング処理がなされた加工後のデジタル入力信号をメモリ回路22に上書きするものである。
図3、図4は、この発明の実施の形態に係る信号受信装置の動作を示すフローチャートであり、基本動作(図3)、応用動作(図4)のそれぞれを示す。ここでいう基本動作とは、デジタル入力信号の受信から抽出した対象信号サンプルを間引きあるいは補間処理するまでの基本的な流れを、応用動作とは、間引きあるいは補間処理後の音質劣化を極少にするための処理の流れを示す。
以下、図3、図4のフローチャートを参照しながら、図1、図2に示すこの発明の実施の形態1に係る信号受信装置の動作について詳細に説明する。
図3のフローチャートにおいて、信号受信装置2は、まず、信号伝送路3経由で信号送信装置1から送信されるデジタル入力信号の受信を待って(ステップST301“YES”)、PLL回路21がデジタル入力信号に含まれるクロックAを分離生成し(ステップST302)、かつ、デジタル入力信号に含まれるデータをメモリ回路22に書き込む(ステップST303)。
一方、時間差検出回路25は、PLL回路21により生成され出力されるクロックAと基準クロック発生回路24からの基準クロックBとの時間差を検出し、例えば、0.23秒に1回の頻度で発生するズレを検出した場合、そのズレ量(遅れ、進みを含む)を算出してデータ加工回路26に出力する(ステップST304)。
これを受信したデータ加工回路26は、そのズレが遅れであると判定された場合(ステップST305“遅れ”)、そのタイミングでデータの間引き処理を実行し(ステップST306)、進みであると判定された場合(ステップST305“進み”)、データの補間処理を実行する(ステップST307)。そして、データ加工回路26は、間引き、あるいは補間処理の結果生成される加工されたデータをメモリ回路22に上書きしてデジタル入力信号の内容更新を行う(ステップST308)。
データ加工回路26は、更に、間引きまたは補間による音質劣化を極少にするために、図4のフローチャートに示されるように、デジタル入力信号の、振幅値、変化量、ランダム性を、振幅値監視部261、変化量監視部262、ランダム性監視部263のそれぞれで監視し、振幅絶対値の小さい箇所、変化量の少ない箇所、ランダム性の高い箇所をそれぞれ検出して対象信号サンプル抽出部264に引き渡す(ステップST401)。
これを受信した対象信号サンプル抽出部264は、振幅値、変化量、ランダム性のうち、少なくとも2つを重み付け演算してスコアを算出し(ステップST402)、スコアの高い箇所を間引きや捕間の対象信号サンプルとして抽出してクロスフェード演算処理部265へ引き渡す(ステップST403)。
クロスフェード演算処理部265は、対象信号サンプル抽出部264で抽出された信号サンプルのランダム性に応じた長さでクロスフェード演算を実行してデジタル入力信号のスムージング処理を実行する。
すなわち、クロスフェード演算処理部265は、対象信号サンプルの間引きや捕間処理後、聴感上の劣化を抑えるために、間引きや捕間処理した箇所のランダム性が高くなるにしたがい短いクロスフェード処理を実行し(ステップST404)、ランダム性が低くなるにしたがい長いクロスフェード処理を実行して信号の接続点同士を減衰させ滑らかな波形として不連続点の確認を困難にしている。
なお、メモリ更新部266は、クロスフェード演算処理部265により、間引きあるいは補間処理された箇所のスムージング処理がなされた加工後のデータをメモリ回路22に上書きして(ステップST405)、上記したデジタル入力信号の間引きや補間処理に伴う聴感上の劣化を抑える一連の応用動作を終了する。
以降、D/A回路23は、メモリ回路22に書き込まれたデータを逐次読み出し、アナログ信号に変換して再生系に出力することでオーディオ・ビジュアル再生が行われる。
以上説明のようにこの発明の実施の形態1に係る信号受信装置2によれば、メモリ回路22を設け、信号送信装置1から送信されるデジタル入力信号に含まれるデータの書き込みは、受信したデジタル入力信号からPLL回路21を用いて生成したクロック(クロックA)により行い、読み出しは、基準クロック発生回路24からの水晶精度の基準クロック(クロックB)により行う。ここで、信号受信装置2は、クロックAと基準クロックBのズレを補正してデジタル入力信号を再現するために、クロック間のズレを検出し、信号受信装置2が信号送信装置1よりも遅れる場合はデジタル入力信号に含まれるデータを間引き、進む場合は、前後のデジタル入力信号から生成される信号を補間するように構成した。このため、入出力信号間の時間ズレが極小で、かつ、ジッターを水晶精度までに低減することができ、オーディオ・ビジュアル再生に用いて好適な信号受信装置を提供することができる。
また、この発明の実施の形態1に係る信号受信装置2によれば、間引きまたは補間処理による音質劣化を極小にするために、聴感上、劣化が知覚されにくいサンプルを抽出して間引き、あるいは補間を行うことにより、機器の制約が大きいツインリンク方式と同程度の音質を機器の制約無しに再生できるメリットが得られる。
更に、サンプルの間引きや捕間処理の後、間引きや補間した箇所のランダム性が高くなるほど短い長さでクロスフェード演算処理を施し、ランダム性が低くなるほど長い長さでクロスフェード演算処理を施すことにより、聴感上の劣化をさらに抑えることができる。
なお、図2に示すデータ加工回路26が有する機能は、全てをハードウェアによって実現しても、あるいはその少なくとも一部をソフトウェアで実現してもよい。
例えば、(1)データ加工回路26が、時間差検出回路25によりクロックAと基準クロックBとの間に時間差が検出された場合、検出された時間差の状況に応じてデジタル入力信号を加工してメモリ回路22に書き込むデータ処理、(2)時間差検出回路25により基準クロックBの遅れが検出された場合、デジタル入力信号を間引き、進みが検出された場合は、前後のデジタル入力信号から生成される信号を補間するデータ処理、(3)デジタル入力信号のレベルと変化量を監視し、デジタル入力信号のレベルが低く、かつ、変化量が少ないサンプルを抽出して加工の対象とするデータ処理、(4)デジタル入力信号のランダム性を監視し、ランダム性の高い部分を抽出して加工の対象とするデータ処理、(5)デジタル入力信号の分散を算出し、算出された分散をランダム性判定の尺度とするデータ処理、(6)デジタル入力信号の線形予測演算を行い、予測誤差が大きいほどランダム性判定の尺度とするデータ処理、(7)デジタル入力信号のレベル、変化量、ランダム性のうち、少なくとも2つを重み付け演算して、算出したスコアに基づきサンプルを抽出するデータ処理、(8)抽出されたサンプルのランダム性に応じた長さでクロスフェード演算処理を行うデータ処理のそれぞれは、1または複数のプログラムによりコンピュータ上で実現してもよく、また、その少なくとも一部をハードウェアで実現してもよい。

Claims (9)

  1. 信号送信装置から信号伝送路経由で非同期に送信されるデジタル入力信号をアナログ出力信号に変換するDAコンバータを備えた信号受信装置であって、
    前記デジタル入力信号からクロックを分離生成するPLL回路と、
    前記PLL回路により生成されるクロックにより前記デジタル入力信号の書き込みが行われ、前記DAコンバータの基準クロックにより読み出しが行われるメモリ回路と、
    前記クロックと前記基準クロックとの時間差を検出する時間差検出回路と、
    前記時間差検出回路により前記クロックと基準クロックとの間に時間差が検出された場合、前記検出された時間差の状況に応じて前記デジタル入力信号を加工して前記メモリ回路に書き込むデータ加工回路と、
    を備えたことを特徴とする信号受信装置。
  2. 前記データ加工回路は、
    前記時間差検出回路により前記基準クロックの遅れが検出された場合、前記デジタル入力信号を間引き、進みが検出された場合は、前後のデジタル入力信号から生成される信号を補間することを特徴とする請求項1記載の信号受信装置。
  3. 前記データ加工回路は、
    前記デジタル入力信号のレベルと変化量を監視し、前記デジタル入力信号のレベルが低く、かつ、変化量が少ない対象信号サンプルを抽出して前記加工の対象とすることを特徴とする請求項1記載の信号受信装置。
  4. 前記データ加工回路は、
    前記デジタル入力信号のランダム性を監視し、前記ランダム性の高い部分を抽出して前記加工の対象とすることを特徴とする請求項1記載の信号受信装置。
  5. 前記データ加工回路は、
    前記デジタル入力信号の分散を算出し、前記算出された分散を前記ランダム性判定の尺度とすることを特徴とする請求項4記載の信号受信装置。
  6. 前記データ加工回路は、
    前記デジタル入力信号の線形予測演算を行い、予測誤差の大小を前記ランダム性判定の尺度とすることを特徴とする請求項4記載の信号受信装置。
  7. 前記データ加工回路は、
    前記デジタル入力信号の振幅値、変化量を重み付け演算して、演算により求められるスコアにしたがい前記対象信号サンプルを抽出することを特徴とする請求項3記載の信号受信装置。
  8. 前記データ加工回路は、
    前記デジタル入力信号のランダム性により求められるスコアにしたがい対象信号サンプルを抽出することを特徴とする請求項4記載の信号受信装置。
  9. デジタル入力信号を送信する信号送信装置と、
    前記信号送信装置とは信号伝送路経由で接続され、
    前記信号伝送路経由で伝播される前記デジタル入力信号からクロックを生成するPLL回路と、前記デジタル入力信号をアナログ出力信号に変換するDAコンバータと、前記PLL回路により分離生成されるクロックにより前記デジタル入力信号の書き込みが行われ、基準クロック発生回路からの基準クロックにより読み出しが行われるメモリ回路と、前記クロックと前記基準クロックとの時間差を検出する時間差検出回路と、前記時間差検出回路により前記クロックと基準クロックとの間に時間差が検出された場合、前記検出された時間差の状況に応じて前記デジタル入力信号を加工して前記メモリ回路に書き込むデータ加工回路を有する信号受信装置と、
    を備えたことを特徴とする信号伝送システム。
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