JPS601701B2 - 雑音低減装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は信号伝送系のノイズによるＳ／Ｎの劣化を防止
する信号の圧縮伸長方式型雑音低減装置に関するもので
ある。

更に詳説すると、本発明は信号の圧縮伸長方式型雑音低
減装置の欠点である伝送系中で発生するノイズの息づき
現象を効果的に抑圧する方式を提供するものである。

従来、テープレコーダ、あるいはディスクレコード等に
おいては、記録媒体のダイナミックレンジが狭小なこと
による信号のＳ／Ｎ劣化を防止するために、信号の圧縮
伸長方式による雑音低減菱直が用いられている。

第１図はこの種圧縮伸長方式の雑音低減装置をテープレ
コーダに適用した場合のブロック図を示したものであり
、また第２図は圧縮伸長係数が２の場合の圧伸特性を示
している。尚、第２図に於て横鼠は入力レベル（ｌｎ）
、縦軸は出力レベル（ｏｕｔ）を示し、同図ａは信号の
圧縮特性、ｂは伸長特性を示す。雑音低減装置において
は、信号のダイナミックレンジは対数スケールで直線的
に圧縮及び伸長されるものであり、たとえば、第２図に
おいて、１０のＢのダイナミックレンジを持つ入力信号
は、ダイナミックレンジが５ＭＢの信号に圧縮されて録
音され、また、伸長時にはテープレコーダからのダイナ
ミックレンジ５ＭＢの信号は、元のｌｏｗＢのダイナミ
ックレンジの信号に伸長して出力される。

第１図において、１は入力機、２は出力端であり、圧縮
伸長動作は第１図に示されているＶＣＡ（電圧制御可変
利得回路）３，４により行われ、ＶＣＡ３および４はそ
れぞれ信号レベルを検出するためのレベルセンサ回路５
および６の出力により制御される。すなわち、信号の圧
縮側回路Ａを動作させて録音を行なう信号の圧縮時には
入力信号レベルの増大に逆比例してＶＣＡ３の利得は低
下し、信号の伸長側回路Ｂを動作させて再生を行なう信
号の伸長時には逆に入力信号レベルの増大に比例してＶ
ＣＡ４の利得は増大する。さて、圧縮伸長方式の欠点で
あるノイズの息づき現象（プリ−ジング）は、上記した
ＶＣＡの利得の変化により伝送系で発生するノイズが変
調されて聴取される現象である。たとえば、テープレコ
ーダの場合には、再生時にいわゆるヒスノィズが発生し
、このヒスノイズのスベクトラムはホワイトノイズに近
いため、騒音評価曲線からも推察できるように高音領域
において非常に耳障りであることは周知である。このよ
うなノイズ特性を持つテープレコーダに、第１図に示さ
れる雑音低減装置を適用した場合には、記録されている
信号たとえば楽音信号のレベルの変化により、ヒスノイ
ズのレベルが周波数の全帯城にわたり変動するため、非
常に聞きづらいものとなる。楽音信号が高温城にまでわ
たる広いスベクトラムを有している場合には、ヒスノイ
ズはマスキングされるため問題は無いが、通常の楽音信
号は平均的にみると、低、中音城にエネルギーの主成分
を持っていることが多いため、高音城のヒスノイズはマ
スキングされにくい。圧縮伸長方式における上記の欠点
を改善するため、第１図の装置においては、高音域強調
型のプリェンファシス回路７、及び、これと相補な特性
のディヱンフアシス回路８が挿入される。

すなわち、ヒスノィズの目立ちやすい高温城の楽音信号
をあらかじめ強調して録音し、再生時に元へ戻すことに
より高音城におけるＳ／Ｎを改善するわけである。しか
しながら、この方法が有効であるためにはテープレコー
ダが高音域において、ェンフアシス量を十分収容できる
だけの広いダイナミックレンジを持っていることが前提
となる。一般に、テープレコーダの高音城におけるダイ
ナミックレンジは、低、中音城に比べて狭くなっており
、ェンフアシス量を十分にとることができない。レベル
センサ系に挿入されたウェィティング（Ｗｅｉ亀ｔｉｎ
ｇ）回路９，１０はこの点を補うものであり、やはり高
音城強調型の周波数特性を持つ回路である。

すなわち、高音城にエネルギーの集中した信号に対して
は、ヱンフアシスによる高音域での飽和を避けるため、
圧縮時（即ち録音時）にＶＣＡ３の利得を低下させる働
きをする。ただし、ウヱィティングをかけた分だけ全体
のＳ／Ｎは低下している。尚１１‘まテ−プレコーダで
ある。第１図の装置においては、ェンフアシスにより、
ある程度高城のブリージングノィズを低減することがで
きるが、完全とは言えない。特にピアノ曲等においては
不十分であることが知られている。これはピアノ音のス
ベクトラムが純音に近い単純な構造をしているため、元
々ノイズをマスキングし‘こくい性質を持っていること
に加えて、そのエネルギーがほとんど低、中音域に集中
しており、高音域において変動するノイズをマスキング
することができないためである。さらに、また、ェンフ
アシスによる改善策は、聡感上耳障りとなる高音城のノ
イズの低減を目的としたものであり、低音城のブリージ
ングノイズの低減に関しては効果は無い。ノイズレベル
が時間的に一定であれば、低音城ノイズは高音城ノイズ
に比較して目立ちにくいが、レベルが変動する場合には
聡感感度は高くなり、やはり何らかの対策が必要である
。第１図の装置において、特にピアノ曲でブリージング
ノィズ低減効果が不十分である原因は、楽音信号が低、
中音城にしか存在していないにもかかわらず、圧縮伸長
操作を全帯城で行うことによる。

このため、楽音信号の存在しない高音域のノイズレベル
の変動がマスキングされずに聴取されるわけである。こ
れを改善するための方法として、圧縮伸長操作を全帯城
で同時に行うのではなく、帯域を複数に分割し、各帯城
において別個に圧縮伸長操作を行うことは、従来より公
知である。すなわち、楽音信号の存在する帯域において
は、ノイズレベルの変動はマスキングされて聞こえず、
楽音信号の存在しない帯城においては、ノイズは楽音信
号による変調を受けず、しかも、伸長動作により十分抑
圧されるため、ノイズは聴取されない。第３図は帯城を
２分割した場合の帯城分割型圧縮伸長方式による雑音低
減装置のブロック図を示したものである。

ローパスフイルタ（Ｌ・Ｐ・Ｆ）１６，１７及びハイバ
スフイルタ（日・Ｐ・Ｆ）１８，１９は帯域分割用のフ
ィル夕であり、クロスオーバー周波数（ｆｃ）はブリー
ジングノィズ低減効果が最良となるように選ばれる。Ｖ
ＣＡ３，４、レベルセンサ回路５，６の動作は第１図及
び第２図において説明した通りであり、ＶＣＡ３，４及
びレベルセンサ回路５，６は低音域における圧縮伸長操
作を受け持ち、またＶＣＡ１２，１３及びレベルセンサ
回路１４，１５は高音城における圧縮伸長操作を受け持
つ。各帯城で圧縮操作を受けた信号は加算回路（Ａｄｄ
つ ２０により一つの信号に合成されて録音される。ま
た、再生時には、ローパスフィル夕１７及びハィパスフ
ィルタ１９により分離された信号はそれぞれ伸長操作を
受けた後、再び加算回路２１により一つの信号に合成さ
れて出力される。しかし、第３図の装置においては、入
力スベクトラムが圧縮伸長操作後に忠実に再現されない
という欠点を有する。

すなわち、ローパスフィルタ１６，１７及びハイパスフ
ィルタ１８，１９の特性は、第４図に示すように、通常
、クロスオーバー帯域を有しており、急峻な遮断特性の
フィル夕を用いたとしても、これを皆無にすることはで
きない。尚、第４図において機軸は周波数ｆ、縦轍は減
衰度（山ｔつを示す。したがって、たとえば、圧縮時に
低音城側のＶＣＡ３でレベル制御を受けたクロスオーバ
ー帯域の信号は、伸長時に高温城側のＶＣＡ１３によっ
てもしベル制御を受ける。また逆に圧縮時に高温城側の
ＶＣＡ１２でレベル制御を受けたクロスオーバー帯域の
信号は、伸長時には低音城側のＶＣＡ４によってもしベ
ル制御を受ける。今、入力信号を（Ｓｉ）、出力信号を
（Ｓｏ）、テープレコーダに記録される信号を（Ｓｒ）
、ローパスフィルタ及び／・ィパスフィルタの特性をそ
れぞれＹＬ（の），ＹＨ（の）とする。

ただし、ｔのＹＬ（の）十ＹＨ（の）ｌ■：１である。
また、圧縮時のＶＣＡ３および１２の利得をそれぞれ（
ＧＬｃ）および（ＧＨｃ）、伸長時のＶＣＡ４および１
３の利得をそれぞれ（ＧＬｅ）および（ＧＨｅ）とする
。録音再生で相補な圧縮伸長操作を行うためには、本来
、ＧＬＣニ・／ＧＬｅ，ＧＨＣニ・／ＧＨｅ，…“｛１
）となるべきであるが、第３図の装置においては、圧縮
時にレベルセンサ回路５および１４が検知する信号は、
それぞれ次のようになる。

即ち、ＧＬＣ・ＹＬ（の），Ｓｉ ，．，…，
．，【２｝ＧＨＣ，ＹＨ（の）・Ｓｉ ………
｛３｝また、記録される信号（Ｓｒ）はＳｒニ〔ＧＬＣ
●ＹＬ（の） 十ＧＨＣ，ＹＬ（の）〕，Ｓｉ ……‘４｝である
から、伸長時にレベルセンサ回路６および１５が検知す
る信号は、それぞれＹＬ（の），Ｓｒ三〔ＧＬｃ ・Ｙ
Ｌ（の）十ＧＨｃ・ＹＬ（の）〕・ＹＬ（の）・Ｓｉ．
・・（５｝ＹＨ（■）・Ｓてニ〔ＧＬＣ・ＹＬ（の）十
ＧＨｃ・ＹＨ（の）〕・ＹＨ（の）・Ｓｉ．・・‘６１
となり、圧縮側Ａのレベルセンサ回路５，１４と伸長側
Ｂのレベルセンサ回路６，１５が検知する信号は異なる
ため、ＶｃＡ３と４の利得および１２と１３の利得はそ
れぞれ相補とならない。

出力機２における出力信号（Ｓｏ）を求めると、Ｓ。

ニ〔ＧＬＣ，ＧＬｅ，ＹＬ２（の）十ＧＨＣ ・ＧＨｅ
・ＹＨ２（の）十（ＧＨＣ・ＧＬｅ 十ＧＬｃ・ＧＨｅ）●ＹＬ（の）・ＹＨ （の）〕・Ｓｉ ，．，，．
，【７，となる。

総合の伝達特性を示す上記の〔 〕内の式は、ＧＬｏ＝
ＧＬｅ＝ＧＨＣ＝ＧＨｅ＝１の時のみ１となり、他の場
合は〔 〕ミ１であるから、ＳｉミＳｏとなる。すなわ
ち、低音城と高音城の信号のクロストークにより、出力
信号（Ｓｏ）は入力信号とは異なったものとなってしま
う。しかも、この差異は低音城と高音城でのレベル制御
の度合いにより変化するため、圧縮伸長後の忠実度は著
しく損われる。第５図は、【７１式の数式からこの様子
を定性的に示したものである。即ち、第５図において、
機軸は周波数ｆ、、縦軸は応答特性（Ｒｅｓ）を示し、
クロストーク周波数（ｆｃ）の近傍で凸状になっている
が、これは【７’式の特性がこのようになることを示し
ている。タ 信号の帯城を分割し、各帯城毎にレベル制
御を行う方法はブリージングノィズの低域のためには非
常に効果的であるが、通常の方法では上記のように忠実
度が損われるという欠点持っているため、非常に急峻な
フィル夕を用いて、できるだけ０クロストークを減らす
などの工夫が必要であった。

本願出願人は先に特顕昭５２−１０６４４１号を出願し
、上述の如き従釆の帯域分割型雑音低減装置の欠点を改
良し、信号の圧縮及び伸長の際完全に相補な特性を得る
ことのできる雑音低減装置を提案した。

本願は更にその改良案は提供せんとするものである。一
般に信号の圧縮及び伸長操作で相補な特性を得るために
は、圧縮時の伝達特性と全く逆の特性を伸長時に得るこ
とができれば良い。

本発明は上記先豚と同様に伸長時に圧縮時と逆の伝達特
性を得るために、負帰還増幅器を用いるものである。説
明の都合上、先ず上記先願について第６図と共に説明す
る。同図Ａは信号の圧縮時の構成を示し、Ｂ図は伸長時
の構成を示している。圧縮時における圧縮回路２３の動
作は、第３図の従来の装置において説明した圧縮動作と
全く同じであり、入力信号（Ｓｉ）はそれぞれの帯城に
おいて圧縮操作を受け、その後合成されて‘４’式で示
される信号（Ｓｒ）となる。

この信号は増幅器回路２２により増幅されて、テープレ
コーダ１ １に記録される。次に、伸長時には、圧縮回
路２３は増幅器回路２２の負帰還路に挿入される。

圧縮回路の伝達特性は【４ー式で示されるが、これを簡
単にするため、Ｔ（山）ニＧＬＣ，ＹＬ（の）十ＧＨＣ
，ＹＨ（の） ，．
・【８）とおき、増幅器回路２２の利得を（Ａｏ）とす
れば、負帰還増幅器の一般論より、伸長時の入力信号（
Ｓｒ）と出力信号（Ｓｏ）の間には、Ａｏ Ｓｏニ・十Ａ小Ｔ（ Ｑ），Ｓｒ ．・・・…・・｛９｝ が成立する。

増幅器の利得を十分大きく選んでおけば、Ａｏ・Ｔ（■
）＞＞１であるから、‘９）式は、・ Ｓｏ＝市了丁・Ｓｒ ．．・‐‐‐‐‐‐０〇 となる。

すなわち、圧縮時とは全く逆の特性１／Ｔ（の）を得る
ことができる。したがって、圧縮時の周波数特性がどの
ようなものであれ、伸長時にはそれと全く逆の特性を得
ることができるから、総合の特性は、圧縮と伸長で完全
に相補となる。なお、第６図においては、伸長時に圧縮
回路を増幅器の負帰還路に挿入する場合について説明し
たが、これとは逆に、圧縮時に伸長回路を増幅器の負帰
還路に挿入しても良いことは明らかである。即ち、第７
図に示す如くであり、同図Ａは信号の圧縮時の構成を示
し、同図Ｂは信号の伸長時の構成を示す。第８図は、前
記先願の具体的な一実施例を示す回路図である。

図において、スイッチ２８および２９は圧縮と伸長の切
換えスイッチであり、Ｒ側に接続すれば伸長回路を、Ｐ
側に接続すれば伸長回路を構成する。ローパスフィルタ
１６、ハィパスフィルタ１８は帯域分割用のフィル夕で
あり、クロスオーバー周波数（ｆｃ）はプリージングノ
ィズ低減効果が最良となるように選ばれる。特にピアノ
曲のスベクトラムを考慮した我々の実験では、クロスオ
ーバー周波数（Ｋ）は靴町ｚ付近が適当であった。レベ
ルセンサ回路５および１４は各帯城の信号レベルを検出
するための整流回路であり、通常、実効値検出型、ピー
ク値検出型、あるいは、平均値検出型等のいずれかが用
いられる。２４および２５は可変利得素子であり、それ
ぞれレベルセンサ回路５および１４により信号レベルの
増大に応じてその利得が増大するように制御される。

通常、この可変利得素子としてはＦＥＴ、光導電素子、
あるいは乗算器等が用いられる。２６は固定抵抗であり
、可変利得素子２４，２５と共に演算増幅器２７の利得
を決定する。

演算増幅器２７は利得を決定するためのＶｃＡとしての
役割と、圧縮時と伸長時とではそれぞれ逆特性を得るた
めの負帰還増幅器としての役割を兼用している。今、可
変利得素子２４，２５として光導電素子のような可変抵
抗素子を用いた場合、その抵抗値をそれぞれ（ＲＬ）（
ＲＨ）とし、また、固定抵抗の値を（Ｒｏ）とすれば、
圧縮時には入力（Ｓｉ）と出力（Ｓｒ）との関係は、と
なる。

また、（ＲＬ），（ＲＨ）の大きさは信号レベルに逆比
例して制御され、である。

したがって、（１１）式はとなる。

次に伸長時には、入力（Ｓ【）と出力（Ｓｏ）の関係は
ｓ。

＝−（器・ＹＬ＋母・ＹＨ）ｓｒ＝−（ＧＬｅ・ＹＬ＋
ＧＨｅ・ＹＨ）Ｓｒ．・・（１４） となり、圧縮と伸長で全く逆の伝導特性を得ることがで
きる。

したがって、第８図の回路の場合、完全に相補な圧縮伸
長特性を得ることができ、従来の装置で問題となったよ
うなクロスオーバー周波数附近での周波数特性の異常は
全く生じない。さて、ローパスフイルタ１６、ハイパス
フイルタ１８が上述のように増幅器２２の負帰還路に入
る場合、帰還ループ内での位相の回転が問題となる。

第８図に示す実施例においては、前述のようにローパス
フイルタ１６、ハイパスフイルタ１８共に一母胎／ｏｃ
ｔの減衰特性を持つフィル夕を用いており、この場合、
利得は−＆旧／ｏｃｔの煩斜を持ってどこまでも低下し
、位相の方はローパスフィルタで最大−９００、ハイパ
スフイルタで９００ずれることになる。フィル夕のみで
考えれば９００で問題はないが、増幅器２７内部での位
相の回転もあり、ループ内での総合した位相の回転が１
８００になれば、正帰還となり、発振を起こす。ことに
第８図に示す演算増幅器などでは、相当広帯域のもので
ない限り、数ＫＨｚ程度で９０ｏ位相がずれるものがあ
り、発振を起こさぬまでも、周波数特性にピークが現れ
たり、動作の安定性が損なわれ、雑音低減回路として好
ましくない。本発明はかかる欠点を改善するために、ロ
ーパスフィルタ１６、／・ィパスフィルタ１８の利得の
減衰特性を途中で飽和させて、フィル夕での位相の回転
を９０ｏ以下に抑え、安定な雑音低減回路を提供するも
のである。

第９図に本発明の一実施例を示す。

３川まローパスフイルタ、３１はハイパスフイルタで、
それぞれ抵抗Ｒ、コンデンサｃとボルテージ・フオロア
３２，３３で構成され、その特性は第１０図に示す通り
である。

即ち第１０図Ａはローパスフィルタ３０の特性、第１０
図Ｂは／・ィパスフィルタ３１の特性を示し、第１０図
において横軸は周波数ｆ、縦軸は利得Ｇ、および位相Ｐ
を示し、更に同図ｇは周波数対利得特性、ｐは周波数対
位相特性を示す。ローバス・フィル夕３０の場合、（に
）からくｆＨ）までは一皮旧／肌ｔで利得が減衰し、（
ｆＨ）以上ではコンデンサ３５（ｃＬ）のリアクタンス
が無視されるので、フィル夕３０の利得はＲＬ２／（Ｒ
Ｌ，十ＲＬ２）で一定となり、特性は飽和する。

位相は（ｆ？ｍＬ）で最大値をとるが、９０度を越える
ことはない。また、ハイパス・フィル夕３１の場合、（
ｆｃ）から（ｆ Ｌ）まで一閃旧／ｏｃｔで減衰し、（
ｆＬ）以下ではコンデンサ３８（ｃＨ）のリアクタンス
が極めて大となり、フィル夕３１の特性はＲＨ２／（Ｒ
Ｈ．十ＲＨ２）で一定となり、飽和する。

位相は（ｆ０ｍＨ）で最大値をとるが、９０度を越える
ことはない。従って上述の如き発振や動作の不安定を補
償することができる。尚、ここで、 である。

また、ここで利得の減衰特性が飽和する（ｆＨ）（ｆＬ
三）は、増幅器２７内部での位相の回転と関連して決定
されるが、フィル夕の利得が−２ＭＢ〜一４ＷＢとなる
周波数を選定すれば、帯城分割の点からも問題ない。

このように本発明によれば、負帰還路にフィル夕を介在
させた場合にも、フィル夕の位相が９０度を越えること
がなく、従って動作の安定した雑音低減装置が得られる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の全帯域型の雑音低域装置のブロック図、
第２図は第１図の装置の圧縮伸長係数が２の場合の特性
を示す特性図、第３図は帯域分割型の従来の雑音低減装
置のブロック図、第４図は帯城を２分割する場合の分割
フィル夕の特性、第５図は第３図の装置の周波数特性を
示す特性図、第６図、第７図および第８図は本発明を適
用する帯城分割型雑音低減装置のブロック図、第９図は
本発明の雑音低減装置の具体的な一実施例を示す回路図
、第１０図は第９図の装置に使用するフィル夕の特性を
示す図面である。 １……入力機、２……出力端、３，４，１２，１３・・
・・・・可変利得回路、５，６，１４，１５・・・・・
・レベルセンサ回路、１１・・・・・・テープレコーダ
、１６，１７，３０……ローパスフイルタ、１８，１９
，３１……ハイパスフイルタ、２０，２１……加算回路
、２３・・・・・・圧縮（伸長）回路、２４，２５・・
・・・・可変利得素子、２６・・・・・・固定抵抗、２
７，３２，３３・・・・・・演算増幅器、２８，２９・
・・・・・切換スイッチ。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第８図 第７図 第９図 第１０図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 信号の帯域を複数個に分割するための複数個の帯域
   分割フイルタ、該帯域分割フイルタにより分割された各
   帯域の信号レベルを検出するための複数個のレベルセン
   サ回路、前記帯域分割フイルタに接続され且つ該フイル
   タによつて分割された各帯域の信号のダイナミツクレン
   ジを前記レベルセンサ回路の出力制御信号により対数ス
   ケールで直線的に圧縮あるいは伸長するための複数個の
   可変利得回路、圧縮あるいは伸長された各帯域の信号を
   加算して一つの信号とするための加算回路とからなる信
   号の圧縮あるいは伸長回路と、増幅器回路とを備え、前
   記複数個の帯域分割フイルタのそれぞれの減衰特性に飽
   和特性を持たせ、前記圧縮あるいは伸長回路を前記増幅
   器回路の負帰還路に介在させて、伸長あるいは圧縮動作
   をさせることを特徴とする帯域分割型雑音低減装置。