JP6460051B2 - 信号処理装置、信号処理方法 - Google Patents

Description

本開示は、いわゆるヘッドホンやイヤホンなどの音響再生装置に出力するデジタルオーディオ信号に対する信号処理を行う信号処理装置として、特にデジタルオーディオ信号のサンプリング周波数によらずにノイズキャンセル処理が可能となる信号処理装置とその方法に関する。

特開２００２−１５８６１９号公報 特開平０７−２１２１９０号公報 特開２００８−１９３４２１号公報 特開２００９−３３３０９号公報 特開２０１１−１９２０９号公報

上記特許文献１、２には、デジタルオーディオ信号のサンプリング周波数を任意のサンプリング周波数に変換する技術が開示されている。
上記特許文献３には、ヘッドホン装置により楽曲などのコンテンツの音声（オーディオ信号）を再生しているときに聴こえてくる外部のノイズをデジタル回路によりキャンセルする技術が開示されている。

オーディオ信号は、音楽ソースから、例えばＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等の記録媒体から再生されたり、ＳＰＤＩＦ（Sony Philips Digital InterFace）による光ケーブルまたは同軸ケーブルの入力、或いはBluetooth等により無線通信により信号処理装置等に入力される。そして信号処理装置では、例えばオーディオ信号に対してノイズキャンセル処理などを施し、信号処理装置により処理された信号が例えばヘッドホンスピーカ等の音響再生装置に供給され再生等される。

これらの音楽ソースから供給されるオーディオ信号のサンプリング周波数は、３２ｋＨｚ、４４．１ｋＨｚ、４８ｋＨｚ、９６ｋＨｚなど様々な値が存在する。このため信号処理装置では、多様なサンプリング周波数に対応してオーディオ信号を処理することが必要となる。
例えばサンプリング周波数が異なるオーディオ信号を処理するには各サンプリング周波数毎に信号処理装置内部のフィルタの係数等を変更して対応しなければならない。

これでは処理負担も大きく、またフィルタ係数の変更のために一度システムを停止させ、再起動が必要になるなどの場合もある。
また信号処理装置では、多くは受信するオーディオ信号から基準となるクロックを再生し、そのクロックに同期して動作するが、その場合、信号処理装置内でサンプリング周波数の異なるオーディオ信号に対して、サンプリング周波数が変化しても内部係数等の変更の必要のない信号処理装置を実現することは困難であった。

本開示はこのような状況に鑑み、異なるサンプリング周波数のオーディオ信号に対し、サンプリング周波数に合わせて内部の係数等の変更をする必要のない信号処理装置を提供することを目的とする。

本開示の信号処理装置は、所定の固定周波数のノイズキャンセル処理用クロックを生成するノイズキャンセル処理用クロック発生部と、上記ノイズキャンセル処理用クロックに基づいて動作し、マイクロホンで収音された外部ノイズ成分を含む入力音声信号を上記所定の固定周波数のノイズキャンセル処理用クロックでサンプリングして得られた信号に基づいて、外部ノイズ成分をキャンセルする信号特性となるノイズキャンセル信号を生成するノイズキャンセリングフィルタ、及び該フィルタで生成した上記ノイズキャンセル信号をデジタルオーディオ信号に重畳する加算部を有するノイズキャンセル部と、入力された、上記ノイズキャンセル処理用クロックとは非同期のクロック発生部によって生成されたクロックによりサンプリングされたデジタルオーディオ信号を、上記ノイズキャンセル処理用クロックに同期するサンプリング周波数にレート変換して、上記加算部に供給するデジタルオーディオ信号とするサンプリングレート変換部と、入力された制御信号に応じて上記加算部へのデジタルオーディオ信号の供給と供給停止を切り換える第１のゲートとを備える。
例えば上記信号処理装置の上記サンプリングレート変換部は、入力されたデジタルオーディオ信号のサンプリング周波数を上昇させるアップサンプリング部と該アップサンプリング部により上昇させたサンプリング周波数を、上記ノイズキャンセル処理用クロックに基づいた周波数に低下させるダウンサンプリング部とを備える。

本開示の信号処理方法は、所定の固定周波数のノイズキャンセル処理用クロックに基づいたフィルタ処理で、マイクロホンで収音された外部ノイズ成分を含む入力音声信号を上記所定の固定周波数のノイズキャンセル処理用クロックでサンプリングして得られた信号に基づいて、外部ノイズ成分をキャンセルする信号特性となるノイズキャンセル信号を生成し、入力された、上記ノイズキャンセル処理用クロックとは非同期のクロック発生部によって生成されたクロックによりサンプリングされたデジタルオーディオ信号を、上記ノイズキャンセル処理用クロックに同期するサンプリング周波数にレート変換し、入力された制御信号に応じてデジタルオーディオ信号の供給と供給停止を切り換え、上記ノイズキャンセル信号と、上記レート変換されたデジタルオーディオ信号とを加算する。

本開示によれば、音楽ソースの違いによりオーディオ信号のサンプリング周波数が相異したとしても、信号処理装置側のノイズキャンセル用クロックの周波数に変換されたうえで、ノイズキャンセル部で処理されるため、ノイズキャンセル部のフィルタ係数等は変更の必要が無い。

上記のように本開示によれば、入力されたオーディオ信号についてサンプリング周波数が異なる毎に、信号処理装置において内部フィルタ係数の変更や、そのための再起動等は必要なくなり、処理負担の軽減、動作の効率化が実現できる。

ノイズキャンセル動作について具体例を表した図である。 サンプリング周波数の違いによるフィルタ特性の変化を表した図である。 第１の実施の形態を説明する図である。 イコライザを使用する場合についての具体例を表した図である。 第２の実施の形態を説明する図である。 第３の実施の形態を説明する図である。 第３の実施の形態の変形例を説明する図である。 第４の実施の形態を説明する図である。 第５の実施の形態を説明する図である。 第６の実施の形態を説明する図である。

以下、本開示の実施の形態について以下の順に説明する。

＜１．実施の形態に至る具体的事情の説明＞
＜２．第１の実施の形態＞
＜３．第２の実施の形態＞
＜４．第３の実施の形態＞
＜５．第４の実施の形態＞
＜６．第５の実施の形態＞
＜７．第６の実施の形態＞

＜１．実施の形態に至る具体的事情の説明＞

まず、実施の形態の説明に先だって、実施の形態の技術に至った具体的事情を説明する。
図１は、ノイズキャンセル動作を行う信号処理装置１の一例を表した図である。
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。ただし、本開示に係る信号処理装置はフィードフォワード方式に限定されるものではない。
フィードフォワード方式は、外部音（ノイズ）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、再生すべき音声信号に合成する。そして、この合成後の音声信号をヘッドホン等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。
この図により、各音楽ソースのサンプリング周波数が相異した場合のノイズキャンセリング動作の概要を説明する。

図１に示すように、デジタルオーディオ信号の音楽ソースとして、例えばＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）１２、ＳＰＤＩＦ（Sony Philips Digital InterFace ）１３、Ｂｌｕｅ Ｔｏｏｔｈ１４による無線通信などが存在する。これらの音楽ソースのサンプリング周波数Ｆｓｉは３２ｋＨｚ、４４．１ｋＨｚ、４８ｋＨｚ、９６ｋＨｚなど様々なものが存在する。
サンプリング周波数のｍ１（整数）倍のマスタークロック１５（ｍｃｋｉ）で動作するシステムにより、これら音楽ソースからデジタルオーディオ信号が読み出され、信号処理装置１に入力される。信号処理装置１では、その入力されたデジタルオーディオ信号からマスタークロックを生成し、その生成されたクロックを基準にして（同期して）動作する。

信号処理装置１は、アップサンプリング部２、ノイズキャンセリングフィルタ５、加算部４、ダウンサンプリング部６、ＤＡ変換部３およびＡＤ変換部７で構成できる。
アップサンプリング部２は、入力されたデジタルオーディオ信号のサンプリング周波数をより高いサンプリング周波数（ｎ・Ｆｓｉ）でサンプリングされた信号に変換するものとされる。ｎは通常４、８、１６などである。ｎを１としていないのは、後段のＤＡ変換部３としてΔΣ型のＤＡ変換器を使用する場合、その入力として４倍程度以上にオーバーサンプリングされた信号を用いられることが多いこと、および、ノイズキャンセル全体の信号処理動作の遅延を防止するためである。

ユーザが装着するヘッドホンには、音響再生のための振動板を備えたスピーカ（振動板ユニット）１０と、外来ノイズ収音用のマイクロホン１１が設けられる。
なお、この図では、Ｌ、Ｒの何れか一方のチャンネルに対応して設けられるスピーカ１０及びマイクロホン１１が示されている。

ＡＤ変換部７は、マイクロホン１１により収音され、アンプ９により適正レベルに増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換するものである。このＡＤ変換部７は、例えばΔΣ型１ビットＡＤ変換器などとされ、アナログ信号を６４・Ｆｓｉなど、非常に高いサンプリング周波数のデジタル信号に変換する。
マイクロホン１１は、キャンセル対象となるヘッドホン周囲の外部音（外部ノイズ）を収音するためのものである。ここでは、図示していないが、フィードフォワード方式の場合、このマイクロホン１１は、実際には、スピーカ１０が設けられたＬ、Ｒの各チャンネルごとに対応するヘッドホン筐体外部に対して設けるようにされるのが一般的である。

ダウンサンプリング部６は、ＡＤ変換部７によりサンプリングされたキャンセル対象のデジタル信号のサンプリング周波数をより低いサンプリング周波数でサンプリングされた信号に変換するものである。この場合、アップサンプリング部２で変換された周波数（ｎ・Ｆｓｉ）に合わせるものである。
ノイズキャンセリングフィルタ５は、ダウンサンプリング部６からの出力が入力され、外部音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）を生成し出力する。かかる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、外部音を収音して得た信号に対して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。
さらに、キャンセル用音声信号はフィルタに通され数ｋＨｚ以上の不要な信号は除去される。

加算部４は、アップサンプリング部２から出力されたデジタルオーディオ信号にノイズキャンセリングフィルタ５から出力されたキャンセル用音声信号を重畳するものである。これにより、デジタルオーディオ信号とキャンセル用音声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。
この合成されたデジタルオーディオ信号は、ＤＡ変換部３に入力され、アナログ信号に変換された後、アンプ８により増幅されスピーカ１０により耳で聞く音に再生されることになる。
このようにして再生される音は、音楽ソースの音成分と、キャンセル用音声信号の音成分とが合成されたものとなるが、キャンセル用音声信号の音成分により、外部から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、ヘッドホン装着者が耳で聴く音としては、外部音がキャンセルされて、相対的に音楽ソースの音が強調されたものとなる。

以上がノイズキャンセリング動作の概要である。ここで、図１のノイズキャンセリングフィルタ５は、数ｋＨｚ以上の不要な信号を除去するフィルタ特性を有するが、音楽ソースの種類によりそのデジタルオーディオ信号のサンプリング周波数が相異すると、それに合わせてフィルタのカットオフ周波数を調整する必要がある。
図２は、音楽ソースのサンプリング周波数の違いによるカットオフ周波数の違いを表した図である。図２Ａは、サンプリング周波数が３２ｋＨｚの場合のフィルタ特性である。この場合、カットオフ周波数は５ｋＨｚとなる。
一方、図２Ｂは、サンプリング周波数が４８ｋＨｚの場合のフィルタ特性である。この場合、カットオフ周波数は７．５ｋＨｚである。

このように音楽ソースの種類によりそのデジタルオーディオ信号のサンプリング周波数が相異すると、ノイズキャンセリングフィルタ５のカットオフ周波数を調整する必要がある。つまり、スピーカ１０で聴取するために入力される音楽ソースが変わり、デジタルオーディオ信号のサンプリング周波数Ｆｓｉが変化すると、ノイズキャンセリングフィルタ５のフィルタ係数を変更する必要が生ずる。その場合、一度システムを停止させて、ノイズキャンセリングフィルタ５のフィルタ係数を再設定し、再起動させることが必要になる。

＜２．第１の実施の形態＞

本開示の実施の形態では、そのような処理を不要とする。つまりデジタルオーディオ信号のサンプリング周波数Ｆｓｉが変化しても、ノイズキャンセリングフィルタ５のフィルタ係数を変更せずに、適切なノイズキャンセリング処理を実行できることとなる。

図３は、第１の実施の形態に係る信号処理装置２０について説明するための図である。
以下の説明において、既に説明した部分と同様となる部分については同一符号を付して説明を省略する。
本実施の形態に係る信号処理装置２０は、信号処理装置２０自身がマスタークロック３０を持ち、そのマスタークロック３０に同期しノイズキャンセル動作をするものである。
このマスタークロック３０の周波数は、サンプリング周波数（Ｆｓｏ）のｍ２（整数）倍の周波数（ｍｃｋｏ）を想定している。サンプリング周波数Ｆｓｏは３２ｋＨｚ、４４．１ｋＨｚ、４８ｋＨｚ、９６ｋＨｚ等のうち、いずれかの周波数でありＦｓｉとは相異している。

図３に示すように、信号処理装置２０は、サンプリングレート変換部（ＳＲＣ）２３、ノイズキャンセリングフィルタ２７、加算部２２、ダウンサンプリング部２８、ＤＡ変換部２１、ＡＤ変換部２９およびマスタークロック部３０で構成できる。
サンプリングレート変換部２３は、アップサンプリング部２４、ダウンサンプリング部２５およびＦｓｉ／Ｆｓｏ計測部２６により構成できる。
サンプリングレート変換部２３は、音楽ソースからの、サンプリング周波数Ｆｓｉでサンプリングされたデジタルオーディオ信号を信号処理装置２０のマスタークロック３０に同期して動作できるサンプリング周波数（ｎ・Ｆｓｏ）でサンプルされたデジタルオーディオ信号に変換するものである。音楽ソースからのデジタルオーディオ信号のサンプリング周波数はＦｓｉなので、このままでは信号処理装置２０のマスタークロックと同期せず、正常動作しないからである。

音楽ソースからのデジタルオーディオ信号は、まずアップサンプリング部２４により、そのデジタルオーディオ信号のサンプリング周波数をより高いサンプリング周波数でサンプリングされた信号に変換するものとされる。ここでは２５６倍程度の変換（２５６・Ｆｓｉ）を行う。
つぎにダウンサンプリング部２５により、高いサンプリング周波数でサンプリングされた信号に変換されたデジタルオーディオ信号をより低いサンプリング周波数（ｎ・Ｆｓｏ）でサンプリングされた信号に変換する。

サンプリングレート変換部２３では、特許文献２にあるように、入力サンプリングレートＦｓｉで入力された信号を出力サンプリングレートｎ・Ｆｓｏで再サンプリングするための再サンプリング点の特定にＦｓｉ／Ｆｓｏの周波数比を用いている。この比はＦｓｉ／Ｆｓｏ計測部２６により求めることができる。具体的には、Ｆｓｏの周期をＴｓｏとすると、Ｎ・Ｔｓｏの期間をｍｃｋｉで動作するカウンタで計数することにより求めることができる。ここでＮは例えば、Ｎ＝２16（＝６５５３６）などであり、この値を大きくとることで、Ｆｓｉやｍｃｋｉに含まれるジッタ成分を平均化・除去しながら、サンプリングレート変換を行うことができる。計数された周波数比を累積加算して、ｎ・Ｆｓｏ再サンプリング点を生成し、そのｎ・Ｆｓｏ再サンプリング点についての直前・直後の２５６・Ｆｓｉサンプリング信号の生成、およびその直線補間によって、ｎ・Ｆｓｏサンプリングレートへの変換を行っている。
これにより、音楽ソースのＦｓｉでサンプリングされたデジタルオーディオ信号がマスタークロック３０の下で動作が可能となる。

以上のサンプリングレート変換部２３の動作は、入力されるオーディオ信号のサンプリング周波数を、ノイズキャンセリング処理で用いるサンプリング周波数（ｎ・Ｆｓｏ）にあわせるように、サンプリングレート変換を行うものとなる。

ユーザが装着するヘッドホンには、音響再生のための振動板を備えたスピーカ（振動板ユニット）１０と、外来ノイズ収音用のマイクロホン１１が設けられる。
ＡＤ変換部２９は、マイクロホン１１により収音され、アンプ９により適正レベルに増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換するものである。ＡＤ変換部２９は、例えばΔΣ型１ビットＡＤ変換器などとされ、アナログ信号を６４・Ｆｓｏなど、非常に高いサンプリング周波数のデジタル信号に変換する。
マイクロホン１１は、ノイズキャンセル対象となるスピーカ１０を有するヘッドホンの周囲の外部音（外部ノイズ）を収音するためのものである。

ダウンサンプリング部２８は、ＡＤ変換部２９によりサンプリングされたキャンセル対象のデジタル信号（外部ノイズに相当）を，サンプリング周波数（ｎ・Ｆｓｏ）でサンプリングされた信号に変換するものである。
上述したサンプリングレート変換部２３の動作は、このノイズキャンセリング処理のためのサンプリング周波数（ｎ・Ｆｓｏ）に合わせる動作となる。

このようにＡＤ変換部２９及びダウンサンプリング部２８が外部ノイズデジタル化処理を行う。すなわち、マイクロホン１１で収音された外部ノイズ成分を含む入力音声信号が、ノイズキャンセル処理用クロックの周波数に同期したデジタル信号に変換され、ノイズキャンセリングフィルタ２７に供給される。

ノイズキャンセリングフィルタ２７は、周波数（ｍ２・Ｆｓｏ）のマスタークロック３０から生成されたノイズキャンセル処理用クロック（周波数：ｎ・Ｆｓｏ）に基づいてフィルタ処理を行う。
このノイズキャンセリングフィルタ２７は、ダウンサンプリング部２８からの出力が入力され、これに対するフィルタ処理で、外部音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）を生成し出力する。さらにキャンセル用音声信号においては数ｋＨｚ以上の不要な信号は除去される。

加算部２２は、サンプリングレート変換部２３から出力されたデジタルオーディオ信号にノイズキャンセリングフィルタ２７から出力されたキャンセル用音声信号を重畳するものである。これにより、デジタルオーディオ信号とキャンセル用音声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。
この合成されたデジタルオーディオ信号は、ＤＡ変換部２１に入力され、アナログ信号に変換された後、アンプ８により増幅されスピーカ１０により耳で聞く音に再生されることになる。
上述の外部ノイズ成分をキャンセルする信号特性となるノイズキャンセル信号を生成するノイズキャンセリングフィルタ２７、及び該フィルタで生成されるノイズキャンセル信号をデジタルオーディオ信号に重畳する加算部２２とからノイズキャンセル部が構成される。
このようにして再生される音は、音楽ソースの音成分と、キャンセル用音声信号の音成分とが合成されたものとなるが、キャンセル用音声信号の音成分により、外部から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、ヘッドホン装着者が耳で聴く音としては、外部音がキャンセルされて、相対的に音楽ソースの音が強調されたものとなる。

以上のノイズキャンセル動作はサンプリング周波数がｎ・Ｆｓｏという通常より高い周波数で処理するものであるが、これはＡＤ変換部２９からノイズキャンセリングフィルタ２７を経由してＤＡ変換部２１に至までの遅延を少なくするためである。
そして本例の場合、サンプリングレート変換部２３から出力されるデジタルオーディオ信号のサンプリング周波数も、このサンプリング周波数（ｎ・Ｆｓｏ）にあわせられる。

上述の通り、ノイズキャンセリングフィルタ２７、加算部２２、ダウンサンプリング部２８、ＤＡ変換部２１およびＡＤ変換部２９はすべてマスタークロック３０の周波数でノイズキャンセリング動作をする。
特にノイズキャンセリングフィルタ２７の有する機能である、数ｋＨｚ以上の不要な信号を除去する機能において、再生すべきデジタルオーディオ信号のサンプリング周波数はＦｓｏを基礎としたサンプリング周波数の信号に変換されており、ノイズキャンセリングフィルタ２７が対象とする信号はサンプリング周波数がＦｓｏを基礎とする信号となる。
したがって、そのフィルタ特性のカットオフ周波数は音楽ソースのデジタルオーディオ信号のサンプリング周波数（Ｆｓｉ）によらない固定の値とすることができる。すなわち、音楽ソースのデジタルオーディオ信号のサンプリング周波数（Ｆｓｉ）が変わる毎に、フィルタ係数の入れ替えをするといった処理は不必要となり、処理負担が少なく動作効率の良い信号処理装置を提供することができる。

＜２．第２の実施の形態＞

続いて第２の実施の形態について説明する。
以下の説明において、既に説明した部分と同様となる部分については同一符号を付して説明を省略する。

第２の実施の形態の説明に先立って、イコライザを使用する場合のノイズキャンセリングの動作についての一例を図４で説明する。
イコライザとは、オーディオ信号の周波数特性を変更する音響機器のことであるが、一般的にノイズキャンセリングに用いるヘッドホンは低域の再生特性を重視しているので、好適な音楽再生をするにはあらかじめ低域をカットすることが行われる。
図４において、イコライザ１６は音楽ソースからのデジタルオーディオ信号を直接受け、低域をカットする等の処理を行い、その信号をアップサンプリング部２に出力する。

この場合、音楽ソースからのデジタルオーディオ信号のサンプリング周波数（Ｆｓｉ）が変化するとイコライザ１６の特性をそれに合わせて変化させてやらないと同一の特性を得ることはできない。すなわち、イコライザ１６のイコライザ係数の入れ替え、装置の再起動等の操作が必要となる。

図５は、第２の実施の形態を説明する図である。
本実施の形態にかかる信号処理装置４０は、イコライザ４１を有し、信号処理装置４０自身がマスタークロック３０を持ち、そのマスタークロック３０に同期しノイズキャンセル動作を行うものである。
図５に示すように、サンプリングレート変換部２３と加算部２２の間にイコライザ４１を配置する。これにより、サンプリングレート変換部２３から出力された、ｎ・Ｆｓｏのサンプリング周波数でサンプリングされたデジタルオーディオ信号がイコライザ４１で低域カット等の処理が行われ、その信号が加算部２２に入力され、キャンセル用音声信号に加算される。

この場合、ｎ・Ｆｓｏを基準にした信号処理が行われるので、音楽ソースからのデジタルオーディオ信号のサンプリング周波数（Ｆｓｉ）が変わったとしてもイコライザ４１の特性をそれに合わせて変化させる必要はない。すなわち、イコライザ４１の特性を変えるための係数の入れ替え、装置の再起動等の操作をする必要がなくなる。

＜２．第３の実施の形態＞

図６は第３の実施の形態を説明する図である。信号処理装置５０はマスタークロック３０を単独で持っていることから、ノイズキャンセリング機能を単独で動作させることができる。したがって、音楽ソースからのデジタルオーディオ信号の入力が途切れたとしてもノイズキャンセリング機能を動作させることができる。
以下の説明において、既に説明した部分と同様となる部分については同一符号を付して説明を省略する。
図６に示すように、本実施の形態では、入力検出部５３、ゲート５２およびゲート５１が図３で説明した構成に付加される。
入力検出部５３は、サンプリングレート変換部２３から出力されたデジタルオーディオ信号について、加算部２２への供給の可否を切り換える供給切換部の一例となる。

入力検出部５３は、音楽ソースからのデジタルオーディオ信号の有無を検出し、その信号の有無に基づいて制御信号（オン又はオフ）を出力するものである。
ゲート５２とゲート５１は、入力信号を切断又は接続して出力端子に出力するものである。
制御信号としてオン信号（例えば１）が供給されれば、オン状態となり、ゲート５２とゲート５１の出力端子には他の一方の端子に入力された信号（音楽ソースからのオーディオ信号）がそのまま出力されることになる。
逆に、制御信号としてオフ信号（例えば０）がゲート５２とゲート５１に供給されれば、ゲート５２とゲート５１はオフ状態となり、ゲート５２とゲート５１の出力端子には他の一方の端子に入力された信号（音楽ソースからのオーディオ信号）は出力されないことになる。
したがって、音楽ソースからのデジタルオーディオ信号が途切れたとしても、回路の接続状態をそのままとすることができ、ノイズキャンセリング効果を安定して維持することができる。
なお、ゲート５２とゲート５１は２つ持たせてもいいし、いずれか一方を持たせてもよい。

図７は上記実施の形態の変形例を説明する図である。ノイズキャンセリング機能が単独で動作することから考えられる変形例である。
以下の説明において、既に説明した部分と同様となる部分については同一符号を付して説明を省略する。
これは図６の入力検出部５３に代えてゲート制御部５４を有する例である。ゲート制御部５４は、サンプリングレート変換部２３から出力されたデジタルオーディオ信号について、加算部２２への供給の可否を切り換える供給切換部の一例となる。

図７に示すように、信号処理装置５０はマスタークロック３０を単独で持っている。このため、音楽ソースからのデジタルオーディオ信号が信号処理装置５０に入力されなくてもノイズキャンセル機能が単独で動作可能である。すなわち、外部音（ノイズ）をマイクロホン１１から収音し、アンプ９、ＡＤ変換部２９、ダウンサンプリング部２８を経由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ことができる。そして、このキャンセル用音声信号を加算部２２に入力する。再生すべき音声信号がないとすれば、キャンセル用音声信号は収音した外部ノイズとは逆位相をしているので、この加算部２２による合成後の音声信号をスピーカ１０で聴くと、外部音が低減したものとなる。すなわち、外部のノイズを低減させることができる。いわゆる遮音効果を発揮できる。具体的には、航空機、車等に乗ったときの外部のエンジン音等を低減させることができる。

図７において、ゲート制御部５４は、音楽ソースからのデジタルオーディオ信号を信号処理装置５０に供給するかどうかの制御信号をゲート５２とゲート５１出力するものである。制御信号としてオン信号がゲート５２とゲート５１に供給されれば、ゲート５２とゲート５１はオン状態となり、ゲート５２とゲート５１の出力端子には他の端子に入力された信号がそのまま出力されることになる。
ゲート制御部５４によるゲート５２とゲート５１の制御により、音楽ソースからのデジタルオーディオ信号に対してノイズキャンセリングをするのか、音楽ソースからのデジタルオーディオ信号なしの状態でノイズキャンセリングをするのかの選択が可能となる。
例えばユーザ操作に応じてゲート制御部５４が制御信号を出力するものとすれば、スピーカ１０及びマイクロホン１１を有するヘッドホンを装着したユーザが、音楽等を聴かずに遮音効果を望む場合に、ノイズキャンセリング動作による遮音効果を発揮できることとなる。
この場合も、ゲート５２とゲート５１の２つを持たせてもよいし、いずれか１つを持たせてもよい。

＜３．第４の実施の形態＞

図８は、第４の実施の形態に係る信号処理装置６０について説明するための図である。 信号処理装置６０自身がマスタークロック３０を持ち、フィードバック方式によるノイズキャンセリングシステムにおいて、ノイズキャンセリングフィルタ２７の前後に音楽ソースからのデジタルオーディオ信号をそれぞれ加算してダイナミックレンジを確保しようとするものである。フィードバック方式においては、マイクロホンから再生する音声と共に外部ノイズを取り込むので、ダイナミックレンジを確保することは、ノイズキャンセルを際立たせるうえで有効なこととされている。
以下の説明において、既に説明した部分と同様となる部分については同一符号を付して説明を省略する。

図８に示すように、先ずヘッドホン６９としては、例えば操作者の耳全体を密閉するようにして覆うようにされた装着部６１を有する、いわゆる密閉型のヘッドホン装置であるものとする。ヘッドホン６９には、音響再生のための振動板を備えたスピーカ（振動板ユニット）６２と、マイクロホン６３とが備えられている。スピーカ６２は、装着部６９の内側に対して設けられる。そしてＤＡ変換部２１からの出力されたアナログ信号がアンプ８を経由してスピーカ６２に入力され音を出力するように構成される。
また、マイクロホン６３は、操作者によってスピーカ６２からの出力音とヘッドホン６９外部の音（外部音）とが聴取される聴取点と近接するような位置関係となるようにして、装着部６１の内側に対して設けられる。

この図８の実施の形態では、図３の構成に加えて、アップサンプリング部６６、ダウンサンプリング部６５、フィルタ６７，６８、加算部９３が追加されている。
すなわち音楽ソースからのデジタルオーディオ信号を信号処理装置６０が受信する経路として、サンプリングレート変換部９１内にアップサンプリング部６６およびダウンサンプリング部６５の経路が追加される。アップサンプリング部６６およびダウンサンプリング部６５で周波数（ｎ・Ｆｓｏ）にサンプリングレート変換されたデジタルオーディオ信号は、加算部９３に供給される。すなわちこの経路を経由して、加算部９３により音楽ソースからのデジタルオーディオ信号にダウンサンプリング部２８から出力されたキャンセル用音声信号が重畳され、その重畳された信号がノイズキャンセリングフィルタ２７に入力される。
図８ではノイズ入力のためのマイクを筐体内側、すなわちスピーカと同じ側にあるフィードバック形式のノイズキャンセリングシステムを想定している。この場合、フィードフォワード同様に音楽ソース信号は、ノイズキャンセリング信号と重畳されるが、この時、音楽ソース信号もフィードバックの系に組み込まれることに留意すべきである。一般的には、この重畳は、音楽ソース信号に適切なフィルタを掛けた後、ノイズキャンセリングフィルタ２７の後に行われるが、この場合、フィルタには、おおまかにはノイズキャンセル特性の逆特性に近い形状のフィルタが必要となり、ノイズキャンセル量が大きいほど、極端にゲインの大きなフィルタが必要となり、結果、システムとしてダイナミックレンジを損なうことになる。
しかしながら、特許文献４によると、図８のように、音楽ソース信号に対して、適切なフィルタ６７及びフィルタ６８を経由して、ノイズキャンセリングフィルタ２７の前後の両方で、重畳することで、フィルタに対して過剰なゲインのフィルタの使用を抑えることができ、システムのダイナミックレンジをより大きくとることができ、有効である。
なお、フィルタ６８及びフィルタ６７は、一方、または双方に対して、フィルタにより周波数の調整でなくゲインの調整のみとすることもできる。

このように本実施の形態では、入力されたデジタルオーディオ信号についてフィルタ６８で第１のフィルタ処理されたデジタルオーディオ信号成分は、サンプリングレート変換部９１（２４，２５）でレート変換された後、加算部２２でノイズキャンセル信号が重畳される。加えて、入力されたデジタルオーディオ信号についてフィルタ６７で第２のフィルタ処理されたデジタルオーディオ信号成分が、サンプリングレート変換部９１（６６，６５）でレート変換された後、ノイズキャンセリングフィルタ２７への入力信号に重畳される。
なお、フィルタ６８とフィルタ６７によるフィルタ処理は、信号処理装置６０側のサンプリング周波数ｎ・Ｆｓｏの単位で行うより、音楽ソース側のサンプリング周波数Ｆｓｉの単位で行ったほうが演算回数が少なくて済み、全体としての消費電力および処理に負担が少なく好適である。

＜４．第５の実施の形態＞

図９は、第５の実施の形態にかかる信号処理装置７０について説明するための図である。信号処理装置７０自身がマスタークロック３０を持ち、マイクロホン１１から収音された外部ノイズに基づいて、最適な周波数特性を音楽ソースからのデジタルオーディオ信号に付与しようとするものである。
以下の説明において、既に説明した部分と同様となる部分については同一符号を付して説明を省略する。

図９Ａに示すように、５バンドイコライザ部７３、５バンドレベル解析部７４、ダウンサンプリング部７１およびアップサンプリング部７２が、図３の実施の形態に対して付加される。

５バンドイコライザ部７３は、音楽ソースからのデジタルオーディオ信号に対し、周波数特性を変更するものとされる。ここでは、例えば０〜Ｆｓｉ／２の周波数を５つのバンドに分割した構成とされており、各バンドについてその信号特性を大きくしたり、小さくしたり変化させることができる。
サンプリングレート変換部９２内のアップサンプリング部７２とダウンサンプリング部７１は、それぞれダウンサンプリング部２５およびアップサンプリング部２４と逆特性を有する。すなわち、ｂ／ａ＝ｂ’／ａ’の関係になっている。
そしてマイクロホン１１から収音されて、アンプ９、ＡＤ変換部２９およびダウンサンプリング部２８を経由して、ｎ・Ｆｓｏの周波数でサンプリングされた信号となっている音声信号を、まずアップサンプリング部７２によりそのキャンセル用音声信号をサンプリング周波数が、例えば２５６・Ｆｓｏの周波数でサンプリングした信号に変換する。つぎにダウンサンプリング部７１により、Ｆｓｉ／Ｆｓｏの周波数比を用いて、２５６・Ｆｓｏサンプリングのデータを直線補間して、必要となるＦｓｉサンプリング周波数の信号に変換する。
５バンドレベル解析部７４は、ダウンサンプリング部７１からの信号（すなわちマイクロホン１１から収音された外部ノイズ）を解析するものであり、その信号がどの帯域に集中しているか解析することができる。
そして５バンドイコライザ部７３のイコライジング特性が、５バンドレベル解析部７４での解析結果に応じて可変制御される。

このように本実施の形態では、図３の構成に加えて、サンプリングレート変換部９２では、マイクロホンで収音された外部ノイズ成分を含む入力音声信号について、音楽ソースから入力されるデジタルオーディオ信号のサンプリング周波数に同期するサンプリング周波数でサンプリングされた信号にレート変換する。そして該レート変換された信号の周波数特性を解析する５バンドレベル解析部７４、解析結果に基づいて 入力されるデジタルオーディオ信号の周波数特性を変更する５バンドイコライザ部７３を備える構成である。

図９Ｂは、５バンドイコライザ部７３の制御状態を視覚的に表した図である。図に示すように、各バンド毎にその音声レベルを変化させることができる。
図９Ｃは、マイクロホン１１から収音された音声信号の周波数特性を５バンド毎に表した図である。
ここで例えば、あるバンドにおいてそのノイズキャンセリング信号のレベルが他のバンドより高い場合、そのバンドに対応する５バンドイコライザ部７３のバンドのレベルをブースト方向に制御する、他方その逆の場合、５バンドイコライザ部７３のバンドのレベルをカット方向に制御することによりノイズキャンセリング効果を最適な状態にすることができる。
ノイズレベルの解析において低域成分のみに特化して解析する場合、５バンドレベル解析部７４内でさらに１／２，１／４等のデシメーションを行ってもよい。
なお、上記ではバンドを５つに分割しているがこれに限定されるものではない。
また、５バンドレベル解析部７４はｍｃｋｉ同期で動作するが、ｍｃｋｉ／ｍｃｋｏの関係によらず常に同じバンドレベル解析結果およびイコライザ係数を用いることができる。

＜５．第６の実施の形態＞
図１０は、第６の実施の形態にかかる信号処理装置８０について説明するための図である。信号処理装置８０自身がマスタークロック３０を持つという本開示の技術を、ＭＦＢ(Motional FeedBack : モーショナルフィードバック)処理に適用したものである。
以下の説明において、既に説明した部分と同様となる部分については同一符号を付して説明を省略する。
ＭＦＢは、スピーカユニットにおける振動板の動きを検出し、入力オーディオ信号に負帰還をかけて、例えばスピーカユニットの振動板と入力オーディオ信号とが同じ動きとなるように制御する技術である。これにより、例えば低域共振周波数ｆ０近辺の振動に対してダンピングが与えられ、聴感上は、いわゆる「ボンつき」などといわれる、好ましくない低域の響きが抑制される。

図１０に示すように、ＭＦＢの処理系は、イコライザ８４、加算部８６、ＭＦＢ対応デジタル信号処理部８７、ＤＡ変換部８５、パワーアンプ８２、スピーカ（振動板ユニット）８１、ブリッジ回路９０、検出／増幅回路８３、ＡＤ変換部８８から構成できる。

音楽ソースからのデジタルオーディオ信号は、アップサンプリング部２４とダウンサンプリング部２５を経由して、サンプリング周波数が変換され、ｎ・Ｆｓｏの周波数でサンプリングされた周波数のデジタルオーディオ信号となる。このデジタルオーディオ信号は、先ず、イコライザ８４に入力される。イコライザ８４は、低域補正を行う。これにより、イコライザ８４は、ＭＦＢがかけられたスピーカ８１からの再生音について目標周波数特性が得られるようにして帯域補償することになる。

イコライザ８４から出力されたデジタルオーディオ信号は、加算部８６に出力される。
加算部８６は、入力オーディオ信号に対して負帰還を与えるための部位であり、入力されたデジタルオーディオ信号に対して、ＭＦＢ対応デジタル信号処理部８７から出力される帰還信号を反転させて合成する。

この場合、加算部８６の出力としてのデジタルオーディオ信号は、ＤＡ変換部８５に対して入力されるようになっている。
ＤＡ変換部８５は、入力されるデジタルオーディオ信号をアナログ信号に変換する。

パワーアンプ８２は、ＤＡ変換部８５からのアナログオーディオ信号を増幅し、駆動信号としてスピーカ８１のボイスコイルに供給する。これにより、スピーカ８１からは、音楽ソースの音が再生される。

ブリッジ回路９０は、パワーアンプ８２からスピーカ８１への駆動信号のラインに対して、図示するようにして抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を接続して形成される。検出／増幅回路８３は、ブリッジ回路９０としてのセンサ部位からの信号を入力して、スピーカ８１の動きとして、その速度に応じた検出信号を生成する。

この場合、検出／増幅回路８３から出力されるアナログの検出信号はＡＤ変換部８８によりデジタル信号に変換されて、ダウンサンプリング部８９によりｎ・Ｆｓｏの周波数でサンプリングされた信号に変換される。その信号は、ＭＦＢ対応デジタル信号処理部８７に対して入力される。

ＭＦＢ対応デジタル信号処理部８７は、いわゆるフィードバック回路としての信号処理系に相当し、入力されたデジタルの検出信号から帰還信号を生成する。

このようにして、入力オーディオ信号は、スピーカ８１の振動板の動きに応じた負帰還がかけられ、スピーカ８１はこの負帰還がかけられたオーディオ信号の増幅出力によって駆動される。
これにより、ＭＦＢの制御系は、スピーカ８１を、入力オーディオ信号波形に対して忠実に振動するようにして制御することになる。これは、例えば低域共振周波数ｆ０を中心にしてダンピングを与えるという動作となり、その結果、例えば先にも述べたように、低域の不要な響きが抑制され、再生音が改善される。
また、本実施の形態によれば、音楽ソースのデジタルオーディオ信号のサンプリング周波数が変化したとしても、イコライザ８４の周波数特性およびＭＦＢ対応デジタル信号処理部８７の特性を変更する必要のないＭＦＢの処理系を実現できる。

なお本技術は以下のような構成も採ることができる。
（１）所定の固定周波数のノイズキャンセル処理用クロックを生成するノイズキャンセル処理用クロック発生部と、
上記ノイズキャンセル処理用クロックに基づいて動作し、マイクロホンで収音された外部ノイズ成分を含む入力音声信号に基づいて、外部ノイズ成分をキャンセルする信号特性となるノイズキャンセル信号を生成するノイズキャンセリングフィルタ、及び該フィルタで生成した上記ノイズキャンセル信号をデジタルオーディオ信号に重畳する加算部を有するノイズキャンセル部と、
入力された、上記ノイズキャンセル処理用クロックとは非同期のクロックでサンプリングされているデジタルオーディオ信号を、上記ノイズキャンセル処理用クロックに同期するサンプリング周波数にレート変換して、上記加算部に供給するデジタルオーディオ信号とするサンプリングレート変換部と、
を備えた信号処理装置。
（２）上記サンプリングレート変換部は、
入力されたデジタルオーディオ信号のサンプリング周波数を上昇させるアップサンプリング部と、
該アップサンプリング部により上昇させたサンプリング周波数を、上記ノイズキャンセル処理用クロックに基づいた周波数に低下させるダウンサンプリング部と、
を備える上記（１）に記載の信号処理装置。
（３）上記ノイズキャンセル部は、
マイクロホンで収音された外部ノイズ成分を含む入力音声信号を、上記ノイズキャンセル処理用クロックの周波数に同期したデジタル信号に変換して、上記ノイズキャンセリングフィルタに供給する外部ノイズデジタル化処理部を、さらに備える上記（１）乃至（２）のいずれかに記載の信号処理装置。
（４）上記サンプリングレート変換部から出力されたデジタルオーディオ信号の周波数特性を変更するイコライザ部をさらに備える上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の信号処理装置。
（５）上記サンプリングレート変換部から出力されたデジタルオーディオ信号について、上記加算部への供給の可否を切り換える供給切換部をさらに備える上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の信号処理装置。
（６）入力されたデジタルオーディオ信号について第１のフィルタ処理されたデジタルオーディオ信号成分が、上記サンプリングレート変換部でレート変換された後、上記加算部が上記ノイズキャンセル信号を重畳するとともに、
入力されたデジタルオーディオ信号について第２のフィルタ処理されたデジタルオーディオ信号成分が、上記サンプリングレート変換部でレート変換された後、上記ノイズキャンセル部の上記フィルタへの入力信号が重畳される構成となっている上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の信号処理装置。
（７）上記サンプリングレート変換部では、マイクロホンで収音された外部ノイズ成分を含む入力音声信号について、上記入力されるデジタルオーディオ信号のサンプリング周波数に同期するサンプリング周波数でサンプリングされた信号にレート変換するとともに、
該レート変換された信号の周波数特性を解析する信号解析部と、
信号解析部の結果に基づいて 入力されるデジタルオーディオ信号の周波数特性を変更するバンドイコライザ部と、
をさらに備える上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の信号処理装置。
（８）入力されるデジタルオーディオ信号は、記録媒体から再生されたデジタルオーディオ信号である上記（１）乃至（７）のいずれかに記載の信号処理装置。
（９）入力されるデジタルオーディオ信号は、外部機器から有線通信又は無線通信で送信されてきたデジタルオーディオ信号である上記（１）乃至（７）のいずれかに記載の信号処理装置。

１、２０、４０、５０、６０、７０、８０ 信号処理装置、２、２４、６６、７２ アップサンプリング、３、２１、８５ ＤＡ変換部、４、２２、８６ 加算部、５、２７ ノイズキャンセリングフィルタ、６、２５、２８、６５、７１、８９ ダウンサンプリング、７、２９、８８ ＡＤ変換部、８、９、６４、６５、８２ アンプ、１０、６２、８１ スピーカ、１１、６３ マイクロホン、１６、４１、８４ イコライザ、２３ サンプリングレート変換部、２６ Ｆｓｉ／Ｆｓｏ計測部、５１、５２ ゲート、５３ 入力検出部、５４ ゲート制御部、６１ ヘッドホン装着部、６８、６７ フィルタ、７３ ５バンドイコライザ部、７４ ５バンドレベル解析部、８３ 検出／増幅回路、８７ ＭＦＢ対応デジタル信号処理、９０ ブリッジ回路

Claims (12)

1. 所定の固定周波数のノイズキャンセル処理用クロックを生成するノイズキャンセル処理用クロック発生部と、
   上記ノイズキャンセル処理用クロックに基づいて動作し、マイクロホンで収音された外部ノイズ成分を含む入力音声信号を上記所定の固定周波数のノイズキャンセル処理用クロックでサンプリングして得られた信号に基づいて、外部ノイズ成分をキャンセルする信号特性となるノイズキャンセル信号を生成するノイズキャンセリングフィルタ、及び該フィルタで生成した上記ノイズキャンセル信号をデジタルオーディオ信号に重畳する加算部を有するノイズキャンセル部と、
   入力された、上記ノイズキャンセル処理用クロックとは非同期のクロック発生部によって生成されたクロックによりサンプリングされたデジタルオーディオ信号を、上記ノイズキャンセル処理用クロックに同期するサンプリング周波数にレート変換して、上記加算部に供給するデジタルオーディオ信号とするサンプリングレート変換部と、
   入力された制御信号に応じて上記加算部へのデジタルオーディオ信号の供給と供給停止を切り換える第１のゲートと、
   を備えた信号処理装置。
2. デジタルオーディオ信号の有無に応じて生成した上記制御信号を上記第１のゲートに出力する入力検出部を更に備える
   請求項１に記載の信号処理装置。
3. 外部からの操作に応じた上記制御信号を上記第１のゲートに出力するゲート制御部を更に備える
   請求項１に記載の信号処理装置。
4. 上記サンプリングレート変換部は、
   入力されたデジタルオーディオ信号のサンプリング周波数を上昇させるアップサンプリング部と、
   該アップサンプリング部により上昇させたサンプリング周波数を、上記ノイズキャンセル処理用クロックに基づいた周波数に低下させるダウンサンプリング部と、
   を備える請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の信号処理装置。
5. 上記アップサンプリング部から上記ダウンサンプリング部へのデジタルオーディオ信号の供給と供給停止を切り換える第２のゲートを更に備える
   請求項４に記載の信号処理装置。
6. 上記ノイズキャンセル部は、
   マイクロホンで収音された外部ノイズ成分を含む入力音声信号を、上記ノイズキャンセル処理用クロックの周波数に同期したデジタル信号に変換して、上記ノイズキャンセリングフィルタに供給する外部ノイズデジタル化処理部を、さらに備える請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の信号処理装置。
7. 上記サンプリングレート変換部から出力されたデジタルオーディオ信号の周波数特性を変更するイコライザ部をさらに備える請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の信号処理装置。
8. 入力されたデジタルオーディオ信号について第１のフィルタ処理されたデジタルオーディオ信号成分が、上記サンプリングレート変換部でレート変換された後、上記加算部が上記ノイズキャンセル信号を重畳するとともに、
   入力されたデジタルオーディオ信号について第２のフィルタ処理されたデジタルオーディオ信号成分が、上記サンプリングレート変換部でレート変換された後、上記ノイズキャンセル部の上記フィルタへの入力信号が重畳される構成となっている請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の信号処理装置。
9. 上記サンプリングレート変換部では、マイクロホンで収音された外部ノイズ成分を含む入力音声信号について、上記入力されるデジタルオーディオ信号のサンプリング周波数に同期するサンプリング周波数でサンプリングされた信号にレート変換するとともに、
   該レート変換された信号の周波数特性を解析する信号解析部と、
   信号解析部の結果に基づいて入力されるデジタルオーディオ信号の周波数特性を変更するバンドイコライザ部と、
   をさらに備える請求項１乃至請求項６のいずれか記載の信号処理装置。
10. 入力されるデジタルオーディオ信号は、記録媒体から再生されたデジタルオーディオ信号である請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の信号処理装置。
11. 入力されるデジタルオーディオ信号は、外部機器から有線通信又は無線通信で送信されてきたデジタルオーディオ信号である請求項１に記載の信号処理装置。
12. 所定の固定周波数のノイズキャンセル処理用クロックに基づいたフィルタ処理で、マイクロホンで収音された外部ノイズ成分を含む入力音声信号を上記所定の固定周波数のノイズキャンセル処理用クロックでサンプリングして得られた信号に基づいて、外部ノイズ成分をキャンセルする信号特性となるノイズキャンセル信号を生成し、
    入力された、上記ノイズキャンセル処理用クロックとは非同期のクロック発生部によって生成されたクロックによりサンプリングされたデジタルオーディオ信号を、上記ノイズキャンセル処理用クロックに同期するサンプリング周波数にレート変換し、
    入力された制御信号に応じてデジタルオーディオ信号の供給と供給停止を切り換え、
    上記ノイズキャンセル信号と、上記レート変換されたデジタルオーディオ信号とを加算する信号処理方法。

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