JPH07248797A - ディジタルデータ再生方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 多様な波形パターンにも適用でき、各サンプ
ルデータをきめ細かく修正して量子化ノイズを有効に減
少させる。 【構成】 着目サンプルデータを含む所定個のサンプル
データの列からなる振幅パターン，，…，と着目
サンプルデータの量子化誤差に相当する補正値との関係
を、予め複数の同一振幅パターンのサンプルとそれらの
着目サンプルデータの実際の振幅値との関係から求めて
おく。そして、入力されたディジタルデータの各サンプ
ル値を、その周囲のサンプル値から特定される振幅パタ
ーンに基づいて、その振幅パターンに対応する補正値で
補正する。これにより、ディジタルデータのＬＣＢ以下
に補正値を数ビット付加してディジタルデータの量子化
ノイズを低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ディジタルオーディ
オ信号等の個々のサンプルデータを補正して、Ｄ／Ａ変
換前のディジタルデータのビット数を拡張することによ
り、量子化ノイズを有効に除去するディジタルデータの
再生方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＣＤプレーヤ、ＭＤ（ミニディスク）、
ＤＣＣ（ディジタル・コンパクト・カセット）、電子楽
器等、オーディオ信号をディジタルデータの形態で処理
する機器では、量子化誤差によるノイズの問題が発生す
る。１６ビット量子化の場合、比較的大きな振幅の信号
であれば、量子化誤差はあまり目だたないが、例えば図
１２に示すように、−７６ｄＢ程度の微小レベルの正弦
波信号（５００Ｈｚ）の場合、これを１６ビット、サン
プリング周波数ｆｓ＝４０ＫＨｚで量子化すると、同図
（ｂ）のように有効ビット長は４ビット程度になり、±
１／２ＬＳＢの範囲内の信号は全て丸められる。このた
め、２０ＫＨｚの補間フィルターを通しても、Ｄ／Ａ変
換後の波形は、同図（ｃ）のように階段状に歪んでしま
う。このような丸め誤差は信号のスルーレートに対応す
るので、低周波域ほど大きな振幅レベルでも発生する。
従って、このような量子化ノイズが可聴帯域に入り込む
と、聴感上大きな影響がでる。

【０００３】従来、この種の階段状の量子化ノイズ成分
を除去する技術はなかった。入力ディジタルデータをオ
ーバーサンプリングしてサンプルデータ間を滑らかに補
間する方式では、入力されたサンプルデータ自体の丸め
誤差を除去することはできない。

【０００４】そこで、上述した階段状波形において同一
レベルで連続するデータが１ＬＳＢだけ変化した点を検
出し、最初のＬＳＢの変化点から次のＬＳＢの変化点ま
での間のデータを直線的に予測して、１６ビットの原サ
ンプルデータに予測された数ビットの補正データを付加
することによりビット数を２０ビット程度まで拡張する
方式も開発されている。これにより、両変化点間の原サ
ンプル自体を修正し、Ｄ／Ａ変換直前の波形形状を実態
に近い波形に再生することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
のディジタルデータ再生方法では、ＬＳＢの変化点から
次のＬＳＢの変化点までの間の補正データが特定のパタ
ーンに限定されてしまうため、再生可能なパターンの形
状も正弦波等特定のパターンに限定されてしまうという
問題がある。また、従来の方式は、ＬＳＢが同一レベル
で連続している部分のみをまとめて補正する方式である
ため、自然に発生している自由なレベルの個々のサンプ
ル値を修正することができず、結局、量子化ノイズを有
効に減少させることができない。

【０００６】この発明はこのような問題点を解決するた
めになされたもので、多様な波形パターンにも適用可能
で、各サンプルデータをきめ細かく修正して量子化ノイ
ズを有効に減少させることができるディジタルデータ再
生方法及び装置を提供するとことを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明に係るディジタ
ルデータ再生方法は、着目サンプルデータを含む所定個
のサンプルデータの列からなる振幅パターンと上記着目
サンプルデータの量子化誤差に相当する補正値との関係
を、予め複数の同一振幅パターンのサンプルとそれらの
着目サンプルデータの実際の振幅値との関係から求めて
おき、入力されたディジタルデータの各サンプル値が着
目サンプルデータであるとしたときの前記振幅パターン
に基づいて前記補正値を求め、この補正値を前記入力さ
れたディジタルデータの最下位ビット以下のデータとし
て付加することにより量子化誤差を減少させたディジタ
ルデータを再生することを特徴とする。

【０００８】また、この発明に係るディジタルデータ再
生装置は、入力されたディジタルデータから着目サンプ
ルデータを含む所定個のサンプルデータの列からなる振
幅パターンを抽出する振幅パターン抽出手段と、この振
幅パターン抽出手段で抽出された振幅パターンを入力
し、予め複数の同一振幅パターンのサンプルとそれらの
着目サンプルデータの実際の振幅値との関係から求めて
おいた前記振幅パターンと前記着目サンプルデータの量
子化誤差に相当する補正値との関係に基づいて、前記入
力された振幅パターンに対応する補正値を出力する補正
値出力手段と、前記入力されたディジタルデータの着目
サンプルデータの最下位ビット以下に前記補正値出力手
段から出力された補正値を付加することにより前記着目
サンプルデータを補正するサンプルデータ補正手段とを
備えたことを特徴とする。

【０００９】

【作用】オーディオ信号のようにランダムノイズ以外の
ある特定の傾向を持つ信号は、任意の点のサンプル値を
その周囲の振幅パターンからある程度予測することがで
きる。この予測値は、複数の同一の振幅パターンをサン
プリングし、統計的手法等で求めることができる。この
発明では、着目サンプルデータを含む所定個のサンプル
データからなる振幅パターンと、上記着目サンプルデー
タの量子化誤差に相当する補正値との関係を、予め上記
のように求めておき、これに基づいて、入力されたディ
ジタルデータの各サンプル値の補正値をその周囲の振幅
パターンから求めるようにしている。

【００１０】このため、この発明によれば、１つ１つの
サンプルデータを周囲の振幅パターンに基づいてきめ細
かく補正することができ、量子化ノイズを有効に減少さ
せることができる。また、この発明によれば、予想され
るあらゆる振幅パターンについて補正値を用意しておく
ことができるので、多種多様な振幅パターンについても
サンプルデータを正確に補正することができる。また、
必要に応じ、入力されるディジタルデータのジャンル毎
に振幅パターンと補正値との関係を求めておけば、より
正確な補正値が求められる。更に、事前に用意する振幅
パターンを、全パターンではなく、聴感上影響の大きい
パターンだけに限定することにより、必要なパターン数
を削減することもできる。

【００１１】

【実施例】以下、添付の図面を参照してこの発明の実施
例について説明する。まず、この発明の原理を図１〜図
７を参照しながら説明する。いま、図１（ａ）に示すよ
うな４ＫＨｚ（０ｄＢ）と１２ＫＨｚ（−１０ｄＢ）の
正弦波の合成波形を入力信号とし、１６ビット、サンプ
リング周波数ｆｓ＝３２ＫＨｚで量子化すると、同図
（ｂ）のようなサンプルデータ列が得られる。一方、同
図（ａ）の入力信号を−７２ｄＢとした場合、同様の条
件で量子化すると、同図（ｃ）のように２ビット量子化
相当になり、丸め誤差が無視できない値となる。これを
そのままＤ／Ａ変換すると、得られる再生波形は、同図
（ｄ）のように、原波形（ａ）とかなり異なったものと
なってしまう。

【００１２】そこで、図２に示すように、丸め誤差を含
む各サンプルデータを補正する。この例では、補正対象
となる着目サンプルデータを中心としてその前後の各２
つのサンプルデータを含む計５個の連続するサンプルデ
ータ列の振幅値を振幅パターンとしている。着目サンプ
ルデータの振幅値を０とすると、図２（ａ）のサンプル
データを中心とする振幅パターンは、同図（ｂ）のパ
ターンに相当する。ここで、このパターンを、各サ
ンプルデータの着目サンプルデータからの振幅値で表記
すると、［−４，−２，０，−１，０］のように表せ、
前サンプルデータとの差分値で表記すると、（２，２，
−１，１）のように表せる。以後、前者を振幅パターン
の絶対表記、後者を振幅パターンの相対表記と呼ぶ。

【００１３】パターンの場合、着目サンプルデータの
正しい信号波形の通過点は、図中破線のようになる。着
目サンプルデータのサンプル値から実際の振幅レベルま
での距離は−０．１４ビットである。これを補正値とし
て着目サンプルデータのサンプル値に加算する。サン
プルデータのＬＳＢ以下に補正値として３ビットを付加
するとすれば、−０．１４ビットは、ほぼ“−００１”
となる。従って、１６ビットのサンプルデータは、３ビ
ットの補正値分だけビット拡張された１９ビットのデー
タに再生されることになる。

【００１４】同様に、次のサンプルデータ，，…，
を着目サンプルデータとした場合の振幅パターンは、
それぞれパターン，，…，となり、補正値＋０．
３７，−０．１４，…，＋０．１４にそれぞれ相当する
“＋０１１”，“−００１”，…，“＋００１”がサン
プルデータ，，…，のＬＳＢ以下にそれぞれ付加
される。この結果、図２（ａ）に示すディジタルデータ
列の各サンプル値は、図３のように補正され、丸め誤差
分が除去された再生ディジタルデータとなる。このデー
タをフィルタ等を通してＤ／Ａ変換することにより、図
１（ａ）に示したような正しい原波形を再現することが
可能になる。

【００１５】本発明者は、量子化誤差の状況から各振幅
パターンと補正値との関係を知るため、自然楽器による
演奏データがディジタル化されて記録されたＣＤ（コン
パクト・ディスク）のデータを調査した。ＣＤは、通常
１６ビットで量子化されているが、記録されている信号
の振幅レベルを２４ｄＢ低下させたと仮定すると、原デ
ィジタルデータの下位４ビットが切り捨てられ、この４
ビットが量子化誤差となる。そこで、上位１２ビットま
でのデータの振幅パターンと下位４ビットの量子化誤差
との関係を複数枚のＣＤについて調査した。

【００１６】いま、図４（ａ）に示すような振幅パター
ン［１，０，０，０，１］となる全てのサンプルデータ
列について着目サンプルデータの量子化誤差を調べた。
そして、着目サンプルデータの±１／２ＬＳＢの範囲を
−８から＋７まで１６分割し、量子化誤差がこれらのど
の範囲に含まれるかを調べた。これをヒストグラムで表
すと、図４（ｃ）のようになる。この図から明らかなよ
うに、特定の振幅パターンを取り出すと、その着目点の
量子化誤差は特定の傾向を持って分布する。この例の場
合、ヒストグラムの加重平均をとって−４．２を、この
振幅パターンの補正値と決定する。着目サンプルデータ
をこの補正値で補正すると、図４（ｂ）に示すように、
着目サンプルデータは、斜線で示すとりうる範囲のなか
でサンプルデータ列が最も滑らかに接続される位置に補
正されることになる。なお、このように加重平均値を補
正値とする他に、最大度数の値を補正値とするようにし
てもよい。このようにして、図５のように、振幅パター
ンと補正値と発生頻度の関係が求められる。

【００１７】なお、振幅パターンを構成するサンプルデ
ータ数は、あまり少ないと正しい誤差補正を行うことが
できない。例えば、図６（ａ）に示す［−２，−１，
０，０，０］の振幅パターンと、図７（ａ）に示す［−
２，−１，０，０，−１］の振幅パターンとは、五番目
のサンプルデータが１ＬＳＢ分異なるだけの差である
が、量子化誤差の分布は、図６（ｂ）、図７（ｂ）にそ
れぞれ示すように、全く別の分布となり、求められる補
正値も全く異なった値になる。一方、振幅パターンを構
成するサンプルデータ数が多いと、用意すべきパターン
の数が膨大になる。したがって、これらを勘案して、振
幅パターンのサンプルデータ数は、５〜２０サンプル程
度に設定するのが好ましい。また、振幅パターンを構成
するサンプルデータ列は、上記の例のように、連続する
サンプルデータ列でなく、ｎ（ｎは自然数）サンプルお
きのデータ列としてもよい。この場合、比較的同一レベ
ルのデータが連続する低周波信号の補正に有効である。
また、振幅パターンを構成するサンプルデータ列は、連
続するサンプルデータ列、あるいは等間隔おきのサンプ
ルデータ列でなく、非等間隔おきのサンプルデータ列と
してもよい。例えば、着目サンプルデータ、次にその前
後１つ目のサンプルデータ、更に次はそれから２つ先の
サンプルデータのように非等間隔にサンプルデータ列を
構成するようにしてもよい。これも比較的同一レベルの
データが連続する低周波信号の補正に有効であると共
に、実質的に広い範囲のサンプルデータ列の変化傾向
を、少ないサンプルデータ数で把握することができると
いう効果がある。但し、用いるサンプルデータとして
は、着目サンプルデータ（求める点）に１番近いサンプ
ルデータの重要度が最も高いといえるので、着目サンプ
ルデータの前後サンプルはできるだけ用いる形が望まし
い。

【００１８】図８は、以上の原理に基づくこの発明の一
実施例に係るディジタルデータ再生装置の構成を示すブ
ロック図である。この装置は、Ｄ／Ａ変換器の前段に配
置され、Ｄ／Ａ変換器に供給されるディジタルデータを
前もって原波形に近い形に再生しておくためのものであ
る。原サンプルデータ列からなる例えば１６ビットのデ
ィジタルデータは、５つの連続するサンプルデータを格
納する５段のシフトレジスタ１に入力され、各段１ａ，
１ｂ，…，１ｅに順次転送される。３段目１ｃに格納さ
れるサンプルデータが着目サンプルデータとなる。シフ
トレジスタ１の隣合う段の出力は、それぞれ減算器２
ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄに入力され、減算器２ａ〜２ｄか
らは、それらの差分が相対表記された振幅パターンのデ
ータとして出力される。減算器２ａ〜２ｄの出力は、振
幅パターンレジスタ３に格納される。これらシフトレジ
スタ１、減算器２ａ〜２ｄ及び振幅パターンレジスタ３
が、入力ディジタルデータから振幅パターンを抽出する
振幅パターン抽出手段を構成している。

【００１９】メモリデコーダ４は、入力された振幅パタ
ーンのデータからそのパターンに対応する補正値が格納
されている補正値メモリ５のアドレスを出力する。メモ
リデコーダ４には、全ての振幅パターンに対応する補正
値メモリ５のアドレスが記憶されている。補正値メモリ
５には、例えば３ビットと符号ビットとからなる全種類
の補正値が記憶されている。なお、メモリデコーダ４に
パターンに対応した補正値そのものを記憶しておけば、
補正値メモリ５を省略することができる。

【００２０】シフトレジスタ１の３段目１ｃに格納され
た１６ビットの着目サンプルデータと、補正値メモリ５
から出力される３ビットの補正値とは、加算器６にて着
目サンプルデータのＬＳＢ以下に補正値を付加する加算
を行うことにより、１９ビットに拡張される。これによ
り、加算器６から量子化誤差を低減させた再生ディジタ
ルデータが出力され、次段のＤ／Ａ変換器に供給され
る。なお、タイミング制御回路７は、以上の各部での処
理タイミングを制御する。

【００２１】この実施例によれば、テーブルルックアッ
プ方式で補正値を求めているので、リアルタイムの処理
が可能である。また、振幅パターンのデータとして相対
表記のデータを使用しているので、振幅パターンデータ
が着目サンプルデータの振幅レベルとは無関係となり、
メモリデコーダに記憶するパターンの組み合わせ数を減
少させることができる。

【００２２】図９は、この発明の他の実施例に係るディ
ジタルデータ再生装置の構成を示すブロック図である。
この装置が先の実施例と異なる点は、補正値出力手段の
構成である。この実施例では、補正値出力手段をコンパ
レータ１１、メモリデータレジスタ１２、パターンメモ
リ１３及び補正値メモリ１４で構成している。

【００２３】図１０は、この装置の動作を示すフローチ
ャートである。まず、入力ディジタルデータを１サンプ
ルシフトインさせることにより、処理対象の５つのサン
プルデータをシフトレジスタ１にセットする（Ｓ１）。
次に振幅パターンのデータを振幅パターンレジスタにラ
ッチする（Ｓ２）。振幅パターンレジスタ３から供給さ
れる振幅パターンのデータは、コンパレータ１１の一方
の入力として与えられる。コンパレータ１１の他方の入
力には、パターンメモリ１３から読み出されメモリデー
タレジスタ１２に格納された振幅パターンのデータが与
えられる（Ｓ５）。制御回路１５は、パターンメモリ１
３の読出しアドレスを先頭アドレスから最終アドレスに
向けて順番に供給する（Ｓ３，Ｓ４）。コンパレータ１
１は、両振幅パターンが一致したら、制御回路１５への
ＯＫ／ＮＯフラグをオンにする。制御回路１５は、パタ
ーンが一致したパターンメモリ１３のアドレスと同一の
補正値メモリ１４のアドレスから補正値を読み出し、加
算器６に供給する（Ｓ７，Ｓ８）。これにより、サンプ
ルデータが補正される。

【００２４】この実施例では、振幅パターンの検索動作
が必要になるが、パターンメモリ１３への振幅パターン
の格納順序を、図５に示したパターンの発生頻度順に並
べておくことにより、パターンの検索効率を向上させる
ことができる。

【００２５】なお、以上の各実施例では、振幅パターン
として相対表記のパターンを用いたが、絶対表記の振幅
パターンを用いるようにしてもよい。図１１は、この例
を示したもので、減算器２ａ〜２ｄを省略し、入力サン
プルデータ列をそのまま振幅パターンレジスタ３に格納
するようにしている。この場合、パターンメモリ１３に
格納されるパターンの種類は増加するが、この発明の効
果は十分に得ることができる。

【００２６】

【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
着目サンプルデータを含む所定個のサンプルデータから
なる振幅パターンと、上記着目サンプルデータの量子化
誤差に相当する補正値との関係を、予め求めておき、こ
れに基づいて、入力されたディジタルデータの各サンプ
ル値の補正値をその周囲の振幅パターンから求めるよう
にしているので、１つ１つのサンプルデータをきめ細か
く補正することができ、量子化ノイズを有効に減少させ
ることができる。また、この発明によれば、予想される
あらゆる振幅パターンについて補正値を用意しておくこ
とができるので、多種多様な振幅パターンについてもサ
ンプルデータを正確に補正することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 微小信号に発生する丸め誤差を説明するため
の図である。

【図２】 原サンプルデータの各サンプル値を振幅パタ
ーンに応じて修正する様子を説明するための図である。

【図３】 補正後のディジタルデータを示す図である。

【図４】 振幅パターンとそのパターンにおける量子化
誤差の分布と最適補正値との関係を示す図である。

【図５】 各振幅パターンと量子化誤差と発生頻度の関
係を示す図である。

【図６】 振幅パターンとそのパターンにおける量子化
誤差の分布と最適補正値との関係を示す図である。

【図７】 図６と似た振幅パターンとそのパターンにお
ける量子化誤差の分布と最適補正値との関係を示す図で
ある。

【図８】 この発明の一実施例に係るディジタルデータ
再生装置の構成を示すブロック図である。

【図９】 この発明の他の実施例に係るディジタルデー
タ再生装置の構成を示すブロック図である。

【図１０】 図９の装置の動作を示すフローチャートで
ある。

【図１１】 この発明の更に他の実施例に係るディジタ
ルデータ再生装置の構成を示すブロック図である。

【図１２】 量子化誤差の影響を説明するための図であ
る。

【符号の説明】

１…シフトレジスタ、２…減算器、３…振幅パターンレ
ジスタ、４…メモリデコーダ、５，１４…補正値メモ
リ、６…加算器、７…タイミング制御回路、１１…コン
パレータ、１２…メモリデータレジスタ、１３…パター
ンメモリ、１５…制御回路。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 着目サンプルデータを含む所定個のサン
   プルデータの列からなる振幅パターンと上記着目サンプ
   ルデータの量子化誤差に相当する補正値との関係を、予
   め複数の同一振幅パターンのサンプルとそれらの着目サ
   ンプルデータの実際の振幅値との関係から求めておき、 入力されたディジタルデータの各サンプル値が着目サン
   プルデータであるとしたときの前記振幅パターンに基づ
   いて前記補正値を求め、 この補正値を前記入力されたディジタルデータの最下位
   ビット以下のデータとして付加することにより量子化誤
   差を減少させたディジタルデータを再生することを特徴
   とするディジタルデータ再生方法。
2. 【請求項２】 入力されたディジタルデータから着目サ
   ンプルデータを含む所定個のサンプルデータの列からな
   る振幅パターンを抽出する振幅パターン抽出手段と、 この振幅パターン抽出手段で抽出された振幅パターンを
   入力し、予め複数の同一振幅パターンのサンプルとそれ
   らの着目サンプルデータの実際の振幅値との関係から求
   めておいた前記振幅パターンと前記着目サンプルデータ
   の量子化誤差に相当する補正値との関係に基づいて、前
   記入力された振幅パターンに対応する補正値を出力する
   補正値出力手段と、 前記入力されたディジタルデータの着目サンプルデータ
   の最下位ビット以下に前記補正値出力手段から出力され
   た補正値を付加することにより前記着目サンプルデータ
   を補正するサンプルデータ補正手段とを備えたことを特
   徴とするディジタルデータ再生装置。