JP7032795B2 - １ビットオーディオ信号生成装置、プログラム - Google Patents

Description

本発明は、１ビットオーディオ信号生成装置、プログラムに関する。

特許文献１には、１ビットオーディオ信号生成装置の従来例が開示されている。特許文献１の１ビットオーディオ信号生成装置は、可聴帯域外の高域の信号を正規化して、オーバーサンプリングしたＰＣＭ（Pulse Code Modulation）信号に滑らかにつながるように加算し、その加算出力をさらにオーバーサンプリングした後に、ΔΣ変調して１ビットオーディオ信号を生成し、この１ビットオーディオ信号を記録媒体に記録する。特許文献１の１ビットオーディオ信号生成装置によれば、聴覚的な音像の奥行き感が前後に広がるような自然な感じを出すことができる。

また、非特許文献１には、１ビット用のＤＡＣの製品例が開示されている。非特許文献１のＤＡＣをＰＣに接続することにより、１ビットオーディオ信号を再生したり録音したりすることができる。

特開２００５－１５１５８９号公報

株式会社コルグ, "DS-DAC-10R 1BIT USB-DAC/ADC," [online], 株式会社コルグ, ［平成 30年 1月 24日検索］, インターネット<URL: http://www.korg.com/jp/products/audio/ds_dac_10r/>

特許文献１の１ビットオーディオ信号生成方法は、高品質なオーディオ信号を記録媒体に記録することに主眼を置いているので、ＰＣやスマートフォンにおいて他のアプリケーションと並行してバックグラウンドで実行し続けると、リソースを占有しすぎる場合があり、このような使用方法には適さない。

一方、ｙｏｕｔｕｂｅ（登録商標）、ｉｔｕｎｅｓ（登録商標）、ｓｐｏｔｉｆｙ（登録商標）などで音楽を流しながら、ＰＣやスマートフォンで他の作業を行うユーザが増えており、リアルタイムでＰＣやスマートフォンのバックグラウンドで実行させ続けることに適した１ビットオーディオ信号生成方法が求められていた。

そこで本発明では、リアルタイムでＰＣやスマートフォンのバックグラウンドで実行させ続けることに適した１ビットオーディオ信号生成装置を提供することを目的とする。

本発明の１ビットオーディオ信号生成装置は、無音検出部と、アップコンバート処理部と、ΔΣ変調部と、ミュート信号生成部を含む。

無音検出部は、ＰＣＭ信号から無音部を検出する。アップコンバート処理部は、ＰＣＭ信号の有音部を所定の周波数にアップコンバートしてアップコンバート済みＰＣＭ信号を出力する。ΔΣ変調部は、アップコンバート済みＰＣＭ信号をΔΣ変調して１ビットオーディオ信号を出力する。ミュート信号生成部は、ＰＣＭ信号の無音部に対応し、１ビットオーディオ信号における無音信号であって、１バイトデータを構成するデジタル値「０」と「１」の数が同数の１バイトデータを循環的に出力するミュート信号を生成して出力する。

本発明の１ビットオーディオ信号生成装置は、リアルタイムでＰＣやスマートフォンのバックグラウンドで実行させ続けることに適している。

実施例１の１ビットオーディオ信号生成装置の構成を示すブロック図。 実施例１の１ビットオーディオ信号生成装置の動作を示すフローチャート。 実施例１のΔΣ変調部の詳細な構成を示すブロック図。 変形例１の１ビットオーディオ信号生成装置の構成を示すブロック図。 変形例１の１ビットオーディオ信号生成装置の動作を示すフローチャート。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。

以下、図１を参照して実施例１の１ビットオーディオ信号生成装置の構成を説明する。同図に示すように、本実施例の１ビットオーディオ信号生成装置１は、無音検出部１１と、１次アップコンバート処理部１２と、音加工部１３と、２次アップコンバート処理部１４と、ΔΣ変調部１５と、ミュート信号生成部１６を含む構成である。また、１次アップコンバート処理部１２は対応するバッファ１２ａを、音加工部１３は対応するバッファ１３ａを、２次アップコンバート処理部１４は対応するバッファ１４ａを、それぞれ備えているものとする。

以下、図２を参照して、各部の動作について説明する。
＜無音検出部１１＞
無音検出部１１は、信号源から入力されたＰＣＭ信号から無音部を検出する（Ｓ１１）。例えば音楽ＣＤの場合、ＰＣＭ信号のサンプリング周波数は４４．１ｋＨｚ、量子化ビット数は１６ビットである。無音検出自体は、従来の様々な手法を利用することができる。

＜１次アップコンバート処理部１２＞
検出の結果、ＰＣＭ信号が有音部であった場合（「無音？」→Ｎ）１次アップコンバート処理部１２は、ＰＣＭ信号の有音部を所定の周波数（ＣＰＵ性能に依存する、例えば４４．１ｋＨｚ×８＝３５２．８ｋＨｚ）にアップコンバートして１次アップコンバート済みＰＣＭ信号を出力する（Ｓ１２）。

＜音加工部１３＞
音加工部１３は、１次アップコンバート済みＰＣＭ信号を加工して音加工済みＰＣＭ信号を出力する（Ｓ１３）。例えばステップＳ１３では、イコライザ、コンプレッサなどの処理が実行される。１次アップコンバート済みのＰＣＭ信号に対して音加工を行うため、高品位な信号処理が可能である。

＜２次アップコンバート処理部１４＞
２次アップコンバート処理部１４は、音加工済みＰＣＭ信号を所定の周波数（ＣＰＵ性能を考慮し、ΔΣ変調が可能な範囲で設定、例えば３５２．８ｋＨｚ×３２＝１１．２８９６ＭＨｚ）にアップコンバートして２次アップコンバート済みＰＣＭ信号を出力する（Ｓ１４）。

＜ΔΣ変調部１５＞
ΔΣ変調部１５は、２次アップコンバート済みＰＣＭ信号をΔΣ変調して１ビットオーディオ信号を１ビット型ＤＡＣ（図示略）に出力する（Ｓ１５）。図３を参照して、ΔΣ変調部１５の詳細な構成について説明する。同図に示すように、ΔΣ変調部１５は、減算器Δ１５１と、積分器Σ１５２と、量子化器Ｑ１５３と、遅延器Ｚ１５４を含む構成である。なお、同図の構成は、ΔΣ変調における一般的な回路構成である。ΔΣ変調部１５に信号Ｖ_ａが入力されると、減算器Δ１５１は、遅延器Ｚ１５４から出力されたＶ_０を信号Ｖ_ａから減算する。積分器Σ１５２は、以前の減算結果Δと今回の減算結果Δ’を加算する。例えば減算処理が最初の１回目である場合、以前の減算結果として積分器Σ１５２の初期値（例えば０）が使用される。量子化器Ｑ１５３は、加算結果と基準値（基準電圧、例えば０Ｖ）を比較し、加算結果が基準値より小さい値の場合０を、加算結果が基準値より大きい値の場合１を、出力する。遅延器Ｚ１５４は、量子化器Ｑ１５３からの量子化値が０である場合に、Ｖ_０＝－Ｖ_ｒｅｆを出力し、量子化値が１である場合に、Ｖ_０＝Ｖ_ｒｅｆを出力する。このように、元の信号Ｖ_ａに対して、減算、加算、比較を繰り返すことにより、デジタル値の１，０による数列を得ることができ、この数列が、元の信号Ｖ_ａの特徴を表しているといえる。元の信号Ｖ_ａに対して量子化された１，０による数列を取得することをΔΣ変調と呼ぶ。

＜ミュート信号生成部１６＞
一方、ステップＳ１１の検出の結果、ＰＣＭ信号が無音部であった場合（「無音？」→Ｙ）ミュート信号生成部１６は、ＰＣＭ信号の無音部に対応し、１ビットオーディオ信号における無音信号であって、１バイトデータを構成するデジタル値「０」と「１」の数が同数の１バイトデータを循環的に出力するミュート信号を生成して１ビット型ＤＡＣ（図示略）に出力する（Ｓ１６）。例えば、音楽再生アプリケーションの場合、楽音再生中でない場合（例えば一時停止状態、停止状態）にも、無音信号が継続的に再生され続ける動作をとっているものがある。これは、一時停止状態または停止状態から楽音再生状態とする場合のレスポンスを良くして、ユーザビリティを改善するためである。楽音再生中でない場合の無音部についても、１次アップコンバート→音加工→２次アップコンバート→ΔΣ変調の手続きを経由すると、本来不必要であると考えられる処理に多大なリソースが振り分けられることになってしまう。本実施例の１ビットオーディオ信号生成装置１は、ステップＳ１１において無音検出を行い、無音部と判定された楽音信号に関しては、処理コストが大きいステップＳ１２～Ｓ１５を行うことなく、その代用として生成した１バイトデータを構成するデジタル値「０」と「１」の数が同数の１バイトデータを循環的に出力するミュート信号を挿入するため、無音部におけるＣＰＵへの負荷を低減することができる。

１ビット型ＤＡＣ（図示略）は、１ビットオーディオ信号（有音部）またはミュート信号をアナログ信号に変換する。

＜有音部→無音部の境界における処理＞
無音検出部１１は、予め定めた一定時間に渡り無音が継続した場合に、これを有音部として検出し（「無音？」→Ｎ）、それ以降もさらに無音が継続した場合に、これを無音部として検出してもよい（「無音？」→Ｙ）。すなわち、ステップＳ１１の無音検出の直後にＹ→Ｎの切り替えを行わず、一定時間無音が継続したことを検出してから処理を切り替えることもできる。一定時間経過することにより、ΔΣ変調部１５に無音信号が入力され、出力が１バイトデータを構成するデジタル値「０」と「１」の数が同数の１バイトデータを循環的に出力するミュート信号になることで、ミュート信号生成部１６に切り替えることができる状態となる。

なお、「無音検出の直後にＹ→Ｎの切り替えを行う場合には、ΔΣ変調部１５の出力信号に対してフェード処理を行ってもよい。この際に、参考特許文献１に開示したフェード処理を用いることもできる。
（参考特許文献１：特開２０１１－２２１３２２号公報）

＜無音部→有音部の境界における処理＞
無音部→有音部の境界において、各部は、保有しているパラメータなどを初期化する。例えば、１次アップコンバート処理部１２は、ＰＣＭ信号の有音部の先頭フレーム（ステップＳ１１の後の「無音？」の判断において、Ｙ→Ｎに切り替わった後に処理する最初のフレーム）を処理する場合に、１次アップコンバート処理のために使用するバッファ１２ａを初期化してから先頭フレームの１次アップコンバート処理を実行するものとする。

同様に、音加工部１３は、１次アップコンバート済みＰＣＭ信号の先頭フレームを処理する場合に、音加工処理のために使用するバッファ１３ａを初期化してから先頭フレームの音加工処理を実行するものとする。

同様に、２次アップコンバート処理部１４は、音加工済みＰＣＭ信号の先頭フレームを処理する場合に、２次アップコンバート処理のために使用するバッファ１４ａを初期化してから先頭フレームの２次アップコンバート処理を実行するものとする。

また、ΔΣ変調部１５は、２次アップコンバート済みＰＣＭ信号の先頭フレームを処理する場合に、ΔΣ変調部１５の遅延器(遅延器Ｚ１５４と、積分器Σ１５２内の遅延器)を初期化してから先頭フレームのΔΣ変調処理を実行するものとする。

これらの初期化処理は、無音部よりも以前に処理されていた有音部における処理の過程で変更、フィードバック補正されていたパラメータの影響を、無音部→有音部の境界を契機にリセットし、新たに到来した有音部の処理に以前のパラメータが影響しないようにするために実行される。

本実施例の１ビットオーディオ信号生成装置１によれば、無音検出部１１が信号源から入力されたＰＣＭ信号から無音部を検出し、ＰＣＭ信号が無音部であった場合、ミュート信号生成部１６はＰＣＭ信号の無音部に対応するミュート信号を生成して１ビット型ＤＡＣ（図示略）に出力するため、ＰＣＭ信号が無音部だった場合に、ＰＣにかかる負荷を低減することができ、リアルタイムでＰＣやスマートフォンのバックグラウンドで実行させ続けることに適する。また、無音部→有音部の境界においてステップＳ１２、Ｓ１３、Ｓ１４、Ｓ１５で実行される処理に用いられる各パラメータが初期化されるため、各パラメータが残存することによるノイズを低減し、聴感上の違和感が少ない状態で、無音部と有音部を接続することができる。

［変形例１］
以下、図４を参照して実施例１の構成の一部を省略した変形例１に係る１ビットオーディオ信号生成装置を説明する。同図に示すように、本変形例の１ビットオーディオ信号生成装置１Ａは、無音検出部１１と、アップコンバート処理部１２Ａと、ΔΣ変調部１５と、ミュート信号生成部１６と、信号切り替え部１７を含む構成である。また、アップコンバート処理部１２Ａは対応するバッファ１２ａを備えているものとする。

＜無音検出部１１＞
無音検出部１１は、信号源から入力されたＰＣＭ信号から無音部を検出する（Ｓ１１）。例えば音楽ＣＤの場合、ＰＣＭ信号のサンプリング周波数は４４．１ｋＨｚ、量子化ビット数は１６ビットである。無音検出自体は、従来の様々な手法を利用することができる。

＜アップコンバート処理部１２Ａ＞
検出の結果、ＰＣＭ信号が有音部であった場合（「無音？」→Ｎ）、アップコンバート処理部１２Ａは、ＰＣＭ信号の有音部を所定の周波数（ＣＰＵ性能に依存する、例えば４４．１ｋＨｚ×１２８＝５．６４４８ＭＨｚ）にアップコンバートしてアップコンバート済みＰＣＭ信号を出力する（Ｓ１２Ａ）。アップコンバート処理部１２Ａは、実施例１と同様に、ＰＣＭ信号の有音部の先頭フレームを処理する場合、アップコンバート処理のために使用するバッファ１２ａを初期化してから当該処理を実行する。

＜ΔΣ変調部１５＞
ΔΣ変調部１５は、アップコンバート済みＰＣＭ信号をΔΣ変調して１ビットオーディオ信号（有音部）を信号切り替え部１７に出力する（Ｓ１５）。実施例１と同様に、ΔΣ変調部１５は、アップコンバート済みＰＣＭ信号の先頭フレームを処理する場合に、ΔΣ変調部１５の遅延器を初期化してから当該処理を実行する。

＜ミュート信号生成部１６＞
一方、検出の結果、ＰＣＭ信号が無音部であった場合（「無音？」→Ｙ）、ミュート信号生成部１６は、１ビットオーディオ信号における無音信号であって、１バイトデータを構成するデジタル値「０」と「１」の数が同数の１バイトデータを循環的に出力するミュート信号を生成して、信号切り替え部１７に出力する（Ｓ１６）。

＜信号切り替え部１７＞
ステップＳ１１の検出の結果、ＰＣＭ信号が有音部であった場合（「無音？」→Ｎ）、信号切り替え部１７は、１ビットオーディオ信号（有音部）を１ビット型ＤＡＣ（図示略）に出力する（Ｓ１７Ａ）。一方、ステップＳ１１の検出の結果、ＰＣＭ信号が無音部であった場合（「無音？」→Ｙ）、信号切り替え部１７は、ミュート信号を１ビット型ＤＡＣ（図示略）に出力する（Ｓ１７Ｂ）。

１ビット型ＤＡＣ（図示略）は、実施例１と同様に、１ビットオーディオ信号（有音部）またはミュート信号をアナログ信号に変換する。

＜補記＞
本発明の装置は、例えば単一のハードウェアエンティティとして、他のコンピュータやスマートフォンなどが接続可能な入力部、イヤホンやヘッドホンやスピーカなどが接続可能な出力部、ハードウェアエンティティの外部に通信可能な通信装置（例えば通信ケーブル）が接続可能な通信部、ＣＰＵ（Central Processing Unit、キャッシュメモリやレジスタなどを備えていてもよい）、メモリであるＲＡＭやＲＯＭ、ハードディスクである外部記憶装置並びにこれらの入力部、出力部、通信部、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、外部記憶装置の間のデータのやり取りが可能なように接続するバスを有している。また必要に応じて、ハードウェアエンティティに、ＣＤ－ＲＯＭなどの記録媒体を読み書きできる装置（ドライブ）などを設けるか、あるいは接続可能に構成してもよい。このようなハードウェア資源を備えた物理的実体としては、汎用コンピュータなどがある。

ハードウェアエンティティの外部記憶装置には、上述の機能を実現するために必要となるプログラムおよびこのプログラムの処理において必要となるデータなどが記憶されている（外部記憶装置に限らず、例えばプログラムを読み出し専用記憶装置であるＲＯＭに記憶させておくこととしてもよい）。また、これらのプログラムの処理によって得られるデータなどは、ＲＡＭや外部記憶装置などに適宜に記憶される。

ハードウェアエンティティでは、外部記憶装置（あるいはＲＯＭなど）に記憶された各プログラムとこの各プログラムの処理に必要なデータが必要に応じてメモリに読み込まれて、適宜にＣＰＵで解釈実行・処理される。その結果、ＣＰＵが所定の機能（上記、…部、…手段などと表した各構成要件）を実現する。

本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。また、上記実施形態において説明した処理は、記載の順に従って時系列に実行されるのみならず、処理を実行する装置の処理能力あるいは必要に応じて並列的にあるいは個別に実行されるとしてもよい。

既述のように、上記実施形態において説明したハードウェアエンティティ（本発明の装置）における処理機能をコンピュータによって実現する場合、ハードウェアエンティティが有すべき機能の処理内容はプログラムによって記述される。そして、このプログラムをコンピュータで実行することにより、上記ハードウェアエンティティにおける処理機能がコンピュータ上で実現される。

この処理内容を記述したプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録しておくことができる。コンピュータで読み取り可能な記録媒体としては、例えば、磁気記録装置、光ディスク、光磁気記録媒体、半導体メモリ等どのようなものでもよい。具体的には、例えば、磁気記録装置として、ハードディスク装置、フレキシブルディスク、磁気テープ等を、光ディスクとして、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、ＤＶＤ－ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＣＤ－ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）、ＣＤ－Ｒ（Recordable）／ＲＷ（ReWritable）等を、光磁気記録媒体として、ＭＯ（Magneto-Optical disc）等を、半導体メモリとしてＥＥＰ－ＲＯＭ（Electronically Erasable and Programmable-Read Only Memory）等を用いることができる。

また、このプログラムの流通は、例えば、そのプログラムを記録したＤＶＤ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬型記録媒体を販売、譲渡、貸与等することによって行う。さらに、このプログラムをサーバコンピュータの記憶装置に格納しておき、ネットワークを介して、サーバコンピュータから他のコンピュータにそのプログラムを転送することにより、このプログラムを流通させる構成としてもよい。

このようなプログラムを実行するコンピュータは、例えば、まず、可搬型記録媒体に記録されたプログラムもしくはサーバコンピュータから転送されたプログラムを、一旦、自己の記憶装置に格納する。そして、処理の実行時、このコンピュータは、自己の記録媒体に格納されたプログラムを読み取り、読み取ったプログラムに従った処理を実行する。また、このプログラムの別の実行形態として、コンピュータが可搬型記録媒体から直接プログラムを読み取り、そのプログラムに従った処理を実行することとしてもよく、さらに、このコンピュータにサーバコンピュータからプログラムが転送されるたびに、逐次、受け取ったプログラムに従った処理を実行することとしてもよい。また、サーバコンピュータから、このコンピュータへのプログラムの転送は行わず、その実行指示と結果取得のみによって処理機能を実現する、いわゆるＡＳＰ（Application Service Provider）型のサービスによって、上述の処理を実行する構成としてもよい。なお、本形態におけるプログラムには、電子計算機による処理の用に供する情報であってプログラムに準ずるもの（コンピュータに対する直接の指令ではないがコンピュータの処理を規定する性質を有するデータ等）を含むものとする。

また、この形態では、コンピュータ上で所定のプログラムを実行させることにより、ハードウェアエンティティを構成することとしたが、これらの処理内容の少なくとも一部をハードウェア的に実現することとしてもよい。

Claims (5)

1. ＰＣＭ信号から無音部を検出する無音検出部と、
   前記ＰＣＭ信号の有音部を所定の周波数にアップコンバートしてアップコンバート済みＰＣＭ信号を出力するアップコンバート処理部と、
   前記アップコンバート済みＰＣＭ信号をΔΣ変調して１ビットオーディオ信号を出力するΔΣ変調部と、
   前記ＰＣＭ信号の前記無音部に対応し、１ビットオーディオ信号における無音信号であって、１バイトデータを構成するデジタル値「０」と「１」の数が同数の１バイトデータを循環的に出力するミュート信号を生成して出力するミュート信号生成部を含み、
   前記アップコンバート処理部は、
   前記ＰＣＭ信号の有音部の先頭フレームを処理する場合に、アップコンバート処理のために使用するバッファを初期化してから前記先頭フレームのアップコンバート処理を実行する
   １ビットオーディオ信号生成装置。
2. ＰＣＭ信号から無音部を検出する無音検出部と、
   前記ＰＣＭ信号の有音部を所定の周波数にアップコンバートしてアップコンバート済みＰＣＭ信号を出力するアップコンバート処理部と、
   前記アップコンバート済みＰＣＭ信号をΔΣ変調して１ビットオーディオ信号を出力するΔΣ変調部と、
   前記ＰＣＭ信号の前記無音部に対応し、１ビットオーディオ信号における無音信号であって、１バイトデータを構成するデジタル値「０」と「１」の数が同数の１バイトデータを循環的に出力するミュート信号を生成して出力するミュート信号生成部を含み、
   前記ΔΣ変調部は、
   前記アップコンバート済みＰＣＭ信号の先頭フレームを処理する場合に、前記ΔΣ変調部の遅延器を初期化してから前記先頭フレームのΔΣ変調処理を実行する
   １ビットオーディオ信号生成装置。
3. 請求項１または２に記載の１ビットオーディオ信号生成装置であって、
   １ビット型ＤＡＣを含み、
   前記１ビット型ＤＡＣは、前記１ビットオーディオ信号または前記ミュート信号をアナログ信号に変換する
   １ビットオーディオ信号生成装置。
4. 請求項１から３の何れかに記載の１ビットオーディオ信号生成装置であって、
   前記無音検出部は、
   予め定めた一定時間に渡り無音が継続した場合に、これを前記有音部として検出し、それ以降もさらに無音が継続した場合に、これを前記無音部として検出する
   １ビットオーディオ信号生成装置。
5. コンピュータを請求項１から４の何れかに記載の１ビットオーディオ信号生成装置として機能させるプログラム。

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