JPS5841697B2 - 瞬時圧伸装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は入力信号のレベルに応じて圧伸特性を可変にす
る瞬時圧伸装置に関するものである。

音声を対象としたＰＣＭ通信において、音声信号の統計
的性質を考慮して振幅の大きいところは粗く、振幅の小
さいところは細かく量子化して平均信号対雑音比を良く
することは古くから瞬時圧伸による信号対雑音比の改善
、つまり信号のダイナミックレンジの拡大法として知ら
れている。

音声以外の音響信号においても、その統計的性質は音声
信号のものとほぼ同じであることは知られている。

この音響信号をＰＣＭ化して記録あるいは伝送する場合
に、音響信号によっては広いダイナミックレンジを必要
とするものもあれば、比較的狭いダイナミックレンジで
良い場合がある。

従来の瞬時圧伸装置では音響信号のいかんにかかわらず
一つの圧伸特性だけを用いているための記録媒体あるい
は伝送路が有効に使用され得ないことが欠点であった。

本発明の瞬時圧伸装置は、このような欠点を除き、記録
媒体あるいは伝送路を有効に使用するために、複数個の
圧伸特性を実現し、該複数個の圧伸特性の中より一つの
圧伸特性を選択して使用しようとするものである。

以下にその実施例について第１図から第４図を用いて説
明する。

第１図は圧縮側の装置の構造を示すもので、１は音響入
力信号をサンプルホールドするサンプルホールド回路、
２は６のディジタル−アナログ変換回路（以下ＤＡ変換
回路と略記する）とともに非直線性の増幅を行なうマル
チプライングディジタル−アナログ変換回路（以下マル
チプライングＤＡ変換器路と略記する）、３はアナログ
−ディジタル変換回路（以下ＡＤ変換回路と略記する）
、４．７はラッチ回路、５は圧縮特性の設定を行なう論
理回路、８は符号変換回路、９は選択回路である。

また第３図は伸張側の装置の構造を示すもので、１０は
論理回路、１１は符号変換回路、１２はＤＡ変換回路で
ある。

記録あるいは伝送すべき音響信号のダイナミックレンジ
に従って、選択回路９からの指令によりあらかじめ圧縮
側の論理回路５と伸張側の論理回路１０とで論理式を選
択し、圧伸特性の設定を行☆☆う。

圧伸特性を例えば、ダイナミックレンジの広い場合を一
種類、ダイナミックレンジの狭い場合を一種類とする。

広い場合の特性を第４図、に示したものとし、狭い場合
の特性は入出力が同じである、つまり圧伸しないものと
する。

圧縮側では、音響入力信号はまずサンプルホールド回路
１によって、第２図イの左側のタイミングパルスでサン
プルホールドされ、次のサンプルホールドタイミングパ
ルス（同図右側のパルス）が出るまでの期間、サンプリ
ングしたアナログ量を保持する。

このサンプルホールドされた値ハマルチプライングＤＡ
変換回路２に入力される。

このマルチプライングＤＡ変換回路２はディジタル入力
の指令に従って、アナログ入力をｎ倍あるいは１ ／
ｎ倍（但しｎは整数）にして出力する機能をもったもの
である。

このマルチプライングＤＡ変換回路２はたとえば市販の
マルチプライングＤＡ変換器の出力端にその出力を４倍
にする増幅器を接続して構成されており、上記市販のマ
ルチプライングＤＡ変換器はアナログ入力をリファレン
ス人力ＶＲＥＦとして、ディジタル入力として例えば１
２ピツ）（ａｌ、ａ２、・・・・・・、ａｌ２）を有し
ている構成である。

但し、ａ・ （ｉ＝１〜１２）は１１″あるいはＯ″で
ある。

このマルチ・プライングＤＡ変換器の出力ＶＯＵＴは次
式で与えられる。

ディジタル入力が（ａｌ、ａ２、・・・・・・ａ１□）
−（１，１、・・・・・・１）の場合はＶ。

ＵＴ””ＶＲＥＦ、ディジタル入力が（ａｌ、ａ２、・
・・・・・ａ１□）＝（０゜１、■、・・・・・・１）
の場合はＶｏｕＴ＝＋ＶＲＥＦ、ディジタル入力が（ａ
ｌ、ａ２、・・・・・・ａ１□）＝（Ｏｌｏ、０，１．
１、・・・・・・１）の場合はＶＯＵＴ−＋ｖＲＥＦ、
ディジタル入力が（ａｌ、ａ２、・・・・・・ａｌ２）
＝（０，０，０，０，１，１、・・・−１）の場合はＶ
ｏＵＴ＝ｆＶＲＥＦなる入出力関係が得られる。

このマルチプライングＤＡ変換器の出力ＶＯＵＴを４倍
する増幅器をマルチプライングＤＡ変換器の出力に接続
することによりマルチプライングＤＡ変換回路２を構成
する。

この結果、マルチプライングＤＡ変換回路２は、ディジ
タル入力が（ａｌ、ａ２、・・・・・・ａ、２）＝（１
、■、・・・・′・１）のときは出力として４ＶＲＥＦ
、つまりアナログ入力を４倍したものを、ディジタル入
力が（ａいａ２、”””ａｌ２ ） −（０、■、１、
・・・・・・１）のときは出力としてアナログ入力を２
倍したものをディジタル入力が（ａｔ、ａ２、・・・・
・・ａ１□）−（０，０，０，１，１、・・・・・・１
）のときは出力としてアナログ入力を１倍したものを、
ディジタル入力が（ａｌ、ａ２、・・・・・・ａ１□）
＝（０，０，０，０，１，１、・・・・・・１）のとき
は出力としてアナログ入力を士倍したものを出力するこ
とになる。

また、ディジタル入力が（ａｔ、ａ２、−・・−ａ１□
） ＝ （０、Ｏｌｌ、１、・・・・・・ｌ）のときは
アナログ入力をそのまま出力することになる。

このように音響入力信号はサンプルホールド回路１、マ
ルチプライングＤＡ変換回路２を通った後、ＡＤ変換回
路３に印加される。

このＡＤ変換回路３は、入力信号のレベルを判定するた
めのディジタルデータを得るために、第２図口の最も左
側にあるパルスの立上り以後にＡＤ変換動作を開始し、
第２図へに示すパルスの立上りまでの期間にＡＤ変換を
終了する。

このときは入力信号レベルを判定するためであるので、
入力信号そのものがＡＤ変換回路３に入力されなげれば
ならない。

そのために、非直線増幅を行ない圧縮特性を実現するマ
ルチプライングＤＡ変換回路２０入力へはディジタル入
力（ａｌ、ａ２、・・・・・・ａ１□）−（Ｏｌｏ、■
、ｌ、・・・・・・１）が、ＤＡ変換回路６へはＱｖの
出力をするディジタル入力が論理回路５から供給される
。

ＤＡ変換回路６が２の補数形式の１２ビツトのディジタ
ル入力（ｂｔ、ｂ２、・・・・・・ｂ１□）を持つとす
ると、ディジタル入力が（ｂｌ、ｂ２、−・−・・ｂｌ
２） ＝ （１，０，０、・・曲ｏ）のときは０、デ
ィジタル入力が（ｂｔ、ｂ２、・・・・・・ｂ１□）−
（１、Ｏ１■、０、・・・・・・Ｏ）のときは最大振幅
絶対値なＶＦＳ とすると＋ｖＦｓ、ディジタル入力
が（ｂｔ、ｂ２、・・・・・・ｂｌ２）＝（ｏ、ｏ、１
．０、−・・・・・０）のときよ＋ｖＦｓ 、ディジタ
ル入力が（ｂｌ、ｂ２、・・”・・ｂ １２ ） −（
ｉ、■、０、■、０、・・・・・・Ｏ）のときま−ｆ−
ｖ、−、ディジタル入力が（ｂｉ、ｂ２、””・・ｂｌ
２ ） ＝ （ｏ、■、０、■、０、・・・・・・Ｏ）
のときま＋ＶＦｓ、ディジタル入力が（ｂｔ、ｂ２、・
・・・・−ｂｌ２）＝（１，１、■、０、・・・・・・
０）のときは＋ＶＦＳ 、ディジタル入力が（ｂｔ、ｂ
２、・・・・・・ｂ１□）−（Ｏ１■、■、０、・・・
・・・Ｏ）のときは＋ＶＦＳ を出力することができ
る。

このＡＤ変換の結果を第２図へに示すタイミングパルス
でラッチ回路４に取り出すと、それは入力信号自身のＡ
Ｄ変換結果であるので、この結果から入力レベルを知る
ことができる。

ＡＤ変換の結果が２の補数形式のディジタル出力で得ら
れる場合、上位より第２ビット目ｅ２．第３ビツト目ｃ
３、第４ビツト目ｅ４ のデータを見ることで入力レベ
ルがわかる。

例えば（Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４）＝（０，０１０）の場合は
第４図で示す入力レベルがＯから最大振幅の＋の範囲の
入力レベル、（Ｃ２、Ｃ３，０４）−（ｏｓ ０．
１ ）の場合は最大振幅の＋から＋の範囲の入力レベル
、（Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４）＝（０，１、Ｘ）の場合は最大
振幅の＋から＋の範囲の入力レベル、（Ｃ２、Ｃ３、Ｃ
４）＝（１、Ｘ、Ｘ）の場合は最大振幅の士から最大振
幅の範囲の入力レベルを示す。

ここでＸＩＴは０”′あるいは１″のいずれかである。

圧伸特性の選択回路９で選択されている圧伸特性が前記
のダイナミックレンジの狭い場合であれば入力レベルの
判定結果にかかわらず、前記の入力レベル判定時の状態
のまま、つまり論理回路５からマルチプライングＤＡ変
換回路２０入力へは（ａｌ、ａ２、”””ａｌ２ ）
＝ （０，Ｏｌｌ、・・・・・・１）、ＤＡ変換回路６
０入力へは（ｂｌ、ｂ２、・・・・・・ｂｌ２）＝（１
、Ｏｌ・・・・・・Ｏ）を供給している状態で、再び第
２図口に示したパルス列の中央に位置するパルスの立下
り以後においてＡＤ変換を開始し、その結果を第２図二
のパルスの立上りのタイミングでラッチ回路１に取り出
す。

これを符号変換回路８により折返し２准将号に変換し、
記録あるいは伝送する。

選択されている圧伸特性が前記のダイナミックレンジの
広い場合は圧縮を行なうために論理回路５はレベル検出
の結果に従い、マルチプライングＤＡ変換回路２、ＤＡ
変換回路６に圧伸特性に従った倍数と基準電圧を発生さ
せる先述したディジタル出力を出す。

第４図に示す圧伸特性の場合、横軸を入力とし縦軸を出
力とする圧縮特性により、圧縮を行う。

このとき、入力レベルが０から最大振幅の＋の間の信号
は４倍に増幅され、最大振幅のｔから千の間であれば、
２倍に増幅され、最大振幅の＋から■の間であれば１倍
に圧縮され、最大振幅の寺から最大振幅の間であれば十
倍に圧縮されることになる。

このように圧縮された信号をＡＤ変換すれば、例えば入
力レベルがＯから最大振幅の＋の間の信号については、
４倍に細かく量子化されることになる。

また例えば入力レベルが最大振幅の妻から最大振幅の間
の信号については４倍に粗（量子化されることになる。

それゆえ、入力信号レベルの低いところは細かく、高い
トコろは粗く量子化する非直線符号化が実現される。

ココテ、第４図の圧縮特性を実現するにはレベル検出の
結果、入力信号が最大振幅の１から十の間であるとき、
マルチプライングＤＡ変換回路２へは入力信号を２倍せ
よというディジタル入力（ａｌ、ａ２、”””ａ １２
） ＝ （ｏ、１、■、・−・−１） を、ＤＡ変
換回路６・＼はＡＤ変換回路３の入力範囲の最大値の＋
の値を出力せよというディジタル人力（ｂｔ、ｂ２、・
・””ｂｌ２ ） ＝（ｃｌ 、Ｏ１■、０、・・・・
・・０）を論理回路５から送り加算回路によりマルチプ
ライングＤＡ変換回路２の出力とＤＡ変換回路６の出力
と加算し、ＡＤ変換回路３へ入力する。

ここでＩＴｏｌｌｌ はＡＤ変換回路３のＡＤ変換結果
の最上位ビットと同一のものである。

つまり、入力が正側のときは１′′、負側のときはＯ”
となる。

もちろん、ＡＤ変換回路３０入力範囲と、ＤＡ変換回路
６の出力範囲とは同一にしておく。

レベル検出の結果、入力信号が最大振幅の＋からｉの間
である、つまり、（Ｃ２、Ｃ３、ｃ、）＝（０、■、Ｘ
）のときは、マルチプライングＤＡ変換回路２のディジ
タル入力に（ａｌ、ａ２、・・・・・・ａ１２）＝（０
，０，０、■、１、・・・・・・ｌ）を供給し入力信号
を１倍したものと、ＤＡ変挽回路６のディジタル入力に
（ｂｌ、ｂ２、・・・・・・ｂ１□）＝（ｃ、、１、Ｏ
ｌｌ、Ｏｌ・・・・−・０）を供給し、ＡＤ変換回路３
の入力範囲の最大値の■の値とを加算する。

入力信号が最大振幅の寺から最大振幅の間である、つま
り、（Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４）−（１、Ｘ、Ｘ）のときは、
マルチプライングＤＡ変換回路２のディジタル入力に（
ａｔ、ａ２、・・・・・・ａ１□）−（０，０、Ｏｌｏ
、■、・・・・・・１）を供給し入力信号を＋倍したも
のと、ＤΔ変換回路６のディジタル入力に（ｂｌ、ｂ２
、−ｂｌ２ ） ＝ （ｃｔ、■、■、Ｏｌ・・・・・
・Ｏ）を供給しＡＤ変換回路３０入力範囲の最大値の十
の値とを加算する。

入力信号がＯから最大振幅の十の間である、つまり（Ｃ
２、Ｃ３、Ｃ４）＝（０，０，０）のときは、マルチプ
ライングＤＡ変換回路２のディジタル入力に（ａｌ、ａ
２、ａ１□）−（１，１、・・・・・・１）を供給し、
ＤＡ変換回路６のディジタル入力に（ｂｌ、ｂ２、・・
・・・・ｂ１□）（１，０、・・・・・・０）を供給し
入力信号を４倍するだけとする。

以上の各ディジタル入力を論理回路５において、１回目
のＡＤ変換動作により得られたディジタルデータより作
成する。

これらの動作により、ＡＤ変換回路３０入力は、入力信
号を第４図の圧縮特性を通したものとすることができる
。

この設定に要する時間が第２図にｔｌで示された期間で
ある。

再び第２図口で示したパルス列の中央のパルスの立下り
以後においてＡＤ変換を開始し、第２図ハに示すパルス
の立上りまでの期間に終了し、その結果を第２図二で示
したパルスの立上りでラッチ回路７に取り出す。

このラッチ回路７に取り出されたＡＤ変換回路３による
ＡＤ変換結果は、非直線符号化されたものとなる。

この結果を符号変換回路８により折返し２逆打号に変換
し、記録あるいは伝送する。

伸長側では、選択回路９で選択されている圧伸特性が前
記のダイナミックレンジの狭い場合であれば、伸長演算
をする必要がないので、再生された折返し２逆打号を符
号変換回路１１によりＤＡ変換回路１２への入力に適し
た符号に変換し、ＤＡ変換することによって元の信号が
再生される。

一方、選択されている圧伸特性が前記のダイナミックレ
ンジの広い場合であれば、伸長を行なうために、折返し
２逆打号で再生されたデータの最上位ビット（符号ビッ
ト）を除いたデータから信号のレベルを検出する必要が
ある。

そして、その検出結果にもとづき、論理回路１０におい
て論理演算を実施し、元の信号を表わすディジタルデー
タを得る。

第４図に示した圧伸特性の場合、伸長特性は第４図の縦
軸を入力とし横軸を出力としたものとなる。

再生されたデータの最上位ビットを除いたデータは第４
図の縦軸を二進数表現したものであるので、縦軸で０か
ら妻までは上位１ビツトが０”で、士から辛までは上位
２ビツトが１０“′で、十から壬までは上位３ビツトが
ＪＩＯ”で、÷から１までは上位３ビツトが１１１”′
である。

上位１ビツトが０″の場合、データを十倍、つまり下位
ビットの方へ２ビツトシフトすることにより、圧縮側で
４倍した値を元にもどすことができる。

再生データの最上位ビットを除いた上位２ビツトが’
１０ ”の場合、データを＋倍、つまり下位ビットの方
へ１ビツトシフトし、このシフトした再生データに対応
した上位２ビツトが’０１”で、３ビツト目以降のビッ
トがすべて＋１０１１であるデータを引算することによ
り、圧縮側で２倍しＡＤ変換回路の入力範囲の最大値の
＋を加算した元の信号の圧縮信号に対する伸長信号のデ
ィジタルデータを得る。

再生データの最上位ビットを除いた上位３ビツトが１１
０”′の場合、データを２倍、つまり上位ビットの方へ
１ビツトシフトし、このシフトした再生データに対応し
た上位３ビツトが” ｉ ｏ ｉ”で４ビツト目以降の
ビットがすべて？＋ Ｏｔ＋であるデータを引算するこ
とにより、圧縮側で十倍しＡＤ変換回路の入力範囲の最
大値の千を加算した元の信号の圧縮信号に対する伸長信
号のディジタルデータを得る。

再生データの最上位ビットを除いた上位３ビツトが′１
１１”の場合、データを４倍、つまり上位ビットの方へ
２ビツトシフトし、このシフトした再生データに対応し
た上位３ビツトが１１０”で４ビツト目以降のビットが
すべて°゛０”であるデータを引算することにより、圧
縮側で十倍しＡＤ変換回路の入力範囲の最大値の十を加
算した元の信号の圧縮信号に対する伸長信号のディジタ
ルデータを得る。

ここで、前記伸長演算の結果、上位ビット側ヘシフトさ
れる１ビツトあるいは２ビツトは前記の定数引算の結果
すべて０となるので、不必要であるが、下位ビット側ヘ
シフトされる１ビツトあるいは２ビツトは圧伸によるダ
イナミックレンジを決める。

つまり、非直線符号化の最小分解能を決める。

それゆえ、本実施例の場合、データのビット数は２ビツ
ト増加し、伸長側ＯＤＡ変換回路１２はＡＤ変換回路３
のビット数よりも２ビット多いものが必要である。

ビット数が１ビツト増加すれば入力信号範囲が２倍にな
るので６ｄＢのダイナミックレンジの増加となるので、
本実施例の場合１２ｄＢのダイナミックレンジの増加と
なる。

データのビット数の増加量は圧伸特性の最大傾斜値をａ
とすればｌｏｇ２ａ ビットとなる。

本実施例の増加量は１ｏｇ２４＝２ ビットである。

しかし、記録あるいは伝送するビット数は圧縮側のＡＤ
変換回路３０ビツト数だけで良いので、伸長後のデータ
ビット数より少ないビット数、本実施例の場合２ビツト
少ないデータで良い。

上の例の場合、２ビツトの増加でダイナミックレンジは
１２ｄＢ増加する。

伸長演算の結果を符号ビットと共に符号変換回路１１に
入れ、ＤＡ変換回路１２への入力に適した符号に変換し
、ＤＡ変換することによって元の信号が再生されること
になる。

以上説明したように本発明の瞬時圧伸装置は入力信号を
サンプルホールドするサンプルホールド手段と、前記サ
ンプルホールド手段の出力を入力となしディジタル制御
信号にもとづいて前記入力信号のレベルが大きいときこ
のレベルを抑え、この入力信号のレベルが小さいときこ
のレベルを伸ばすような非直線性の増幅を行なう非直線
増幅手段と、前記非直線増幅手段の出力をディジタル信
号に変換するアナログ−ディジタル変換手段と、前記ア
ナログ−ディジタル変換手段の出力ディジタル信号から
前記入力信号のレベルを判定し、この判定結果にもとづ
いて前記非直線増幅手段に前記ディジタル制御信号を出
力する制御手段と、この制御手段はディジタル制御信号
による非直線性を複数種類備えておりこの複数種類の非
直線性からひとつを選択して制御手段に設定する非直線
性の選択手段とを備え、前記選択手段により設定された
非直線性を実現すべく前記入力信号のレベルを判定し、
この判定結果にもとづいて出力される前記ディジタル制
御信号により前記設定された非直線性の増幅を前記非直
線増幅手段に行なわせるとともに、前記アナログ−ディ
ジタル変換手段の出力を入力となし前記選択手段により
設定された非直線性の逆性性に従って伸長する伸長手段
と、この伸長手段の出力をアナログ信号に変換するディ
ジタル−アナログ変換手段を設けたことにより、既存の
ＡＤ変換回路を用いて実現できるので設計及び製作が容
易である。

また入力信号のレベル検出を論理回路により、また圧伸
の操作を論理回路の指令に従って行うために、論理式の
変更で簡単に圧伸特性を変化させることができ、複数個
のダイナミックレンジを一つの回路構成で選択すること
ができる瞬時圧伸を実現することができる。

特に音響信号の場合、慎奏されている部屋の体積に応じ
て、許容されるダイナミックレンジが異なるためダイナ
ミックレンジの調整が不可欠であるが、本発明によれば
部屋の体積に応じて圧伸特性を設定すれば所望のダイナ
ミックレンジの音響信号が再生されることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第３図はそれぞれ本発明の一実施例における瞬
時圧伸装置の圧縮側と伸長側のブロック図、第２図は第
１図のブロック図の動作を説明するタイミングチャート
、第４図は圧伸特性の−ｆｌｌを示すものである。 １・・・・・・サンプルホールド回路、２・・・・・・
マルチプライングＤＡ変換回路、３・・・・・・ＡＤ変
換回路、５・・・・・・論理回路、６・・・・・・ＤＡ
変換回路、８・・・・・・符号変換回路、９・・・・・
・選択回路、１０・・・・・・論理回路、１２・・・・
・・ＤＡ変換回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 人力信号をサンプルホールドするサンプルホールド
   手段と、前記サンプルホールド手段の出力を入力となし
   ディジタル制御信号にもとづいて入力レベルを複数に分
   割し、この分割された入力レベルに対する出力レベルが
   入力レベルが大きいときはこのレベルを抑え、入力レベ
   ルが小さいときはこのレベルを伸ばすような折線特性の
   非直線性の増幅をサンプルホールド手段の出力に対して
   行う非直線増幅手段と、前記非直線増幅手段の出力をデ
   ィジタル信号に変換するアナログ−ディジタル変換手段
   と、前記アナログ−ディジタル変換手段の出力のディジ
   タル信号から前記入力信号レベルが分割された入力レベ
   ルのいずれに属するかを判定し、この判定結果にもとづ
   いて前記非直線増幅手段に前記ディジタル制御信号を出
   力する制御手段と、この制御手段はディジタル制御信号
   による非直線性を複数種類備えており、この複数種類の
   非直線性からひとつを選択して制御手段に設定する非直
   線性の選択手段とを備え、前記選択手段により設定され
   た非直線性を実現すべく入力信号をサンプルホールドし
   ている期間の第１の期間に前記非直線増幅手段を入力信
   号をそのまま出力する状態に設定し、アナログ−ディジ
   タル変換手段でディジタル信号に変換し、前記入力信号
   のノベルを制御手段によりとのディジタル信号より判定
   し、この判定結果にもとづいて出力される前記ディジタ
   ル制御信号により前記設定された非直線性の増幅を前記
   非直線増幅手段に行なわせ入力信号をサンプルホールド
   している期間の第２の期間において前記アナログ−ディ
   ジタル変換手段によりディジタル信号を得、このディジ
   タル信号を記録あるいは伝送に必要な信号に符号変換手
   段により変換し、記録あるいは送信するとともに、再生
   あるいは受信された前記信号を入力となし前記選択手段
   により設定された非直線性の逆特性に従って伸長する伸
   長手段と、この伸長手段の出力をアナログ信号に変換す
   るディジタル−アナログ変換手段を設けたことを特徴と
   する瞬時圧伸装置。