JPWO2017033259A1 - 信号処理装置、スピーカ装置、および信号処理方法 - Google Patents

Abstract

信号処理装置は、入力信号のレベル制限を行うレベル制限部、所定の電荷が供給され、当該電荷を保持する充放電素子、および前記充放電素子に供給される電荷と、前記レベル制限部がレベル制限を行った後の入力信号のレベルから計算される消費電荷と、の積算値に応じて前記レベル制限部の減衰率を設定する設定部、を備えたことを特徴とする。

Description

本発明は、入力信号のレベル制限を行う信号処理装置およびスピーカ装置に関する。

ＵＳＢ規格は、１つの物理インタフェースにより、データの送受信と電力の供給を行うことができる。しかし、ＵＳＢ規格では、定められた電流（例えば５００ｍＡ程度）しか供給できない。したがって、例えばパワーアンプのように、瞬間的に大電流が必要となる機器においては、電力供給量が不足することがあった。

そこで、例えば特許文献１では、コンデンサを接続することで、ＵＳＢバスパワーによる電力供給においても、瞬間的に大電流を供給することができる電子機器が開示されている。特許文献１の電子機器は、コンデンサの電圧を検出し、検出した電圧値に応じてパワーアンプに入力される信号のレベル制限を行うことで、パワーアンプが停止することを防止している。

また、従来から、過電流を防止するために、入力信号のレベル制限を行う装置が知られている。例えば、特許文献２の増幅回路は、電流検出回路で負荷回路の出力電流を検出し、振幅制御回路で負荷回路の出力電流に応じたレベル制限を行う。

また、特許文献３の増幅装置は、負荷回路（増幅回路）の出力電流と電源電圧とを検出し、クリップ検出基準レベルを決定する。そして、入力信号のレベルがクリップ検出基準レベルよりも大きい場合、入力信号のレベル制限を行う。

特開２００９−９４６８４号公報 特開昭５９−４０７１３号公報 特開２００９−１５９４３３号公報

しかし、従来の装置は、負荷回路の出力電流、電源電圧、またはコンデンサの電圧を検出する新たなハードウェアが必要になる。

そこで、この発明の目的は、新たなハードウェアを設けることなくレベル制限を行うことができる信号処理装置およびスピーカ装置を提供することにある。

信号処理装置は、入力信号のレベル制限を行うレベル制限部と、所定の電荷が供給され、当該電荷を保持する充放電素子と、前記充放電素子に供給される電荷と、前記レベル制限部がレベル制限を行った後の入力信号のレベルから計算される消費電荷と、の積算値に応じて前記レベル制限部の減衰率を設定する設定部と、を備えたことを特徴とする。

すなわち、設定部は、後段の負荷回路（例えば増幅回路）に入力する入力信号のレベルから消費電荷を計算し、充放電素子（例えばコンデンサ）における現在の電荷量を推定する。そして、設定部は、推定した現在の電荷量に応じて入力信号の減衰率を設定する。設定部は、レベル制限を行った後の入力信号のレベルから計算を行うだけであるため、コンデンサの電圧を直接検出する必要がない。また、設定部は、負荷回路の出力電流を直接検出する必要もなく、電源電圧を直接測定する必要もない。したがって、信号処理装置は、負荷回路の出力電流、電源電圧、およびコンデンサの電源を検出する新たなハードウェアを設ける必要がない。

本発明によれば、新たなハードウェアを設けることなくレベル調整を行うことができる。

音声会議システムの構成を示すブロック図である。 スピーカ装置の構成を示すブロック図である。 信号処理回路の構成を示すブロック図である。 変換テーブルの一例を示す図である。 ゲインテーブルの一例を示す図である。 ゲインテーブルの一例を示す図である。 ゲインテーブルの一例を示す図である。 ゲインテーブルの一例を示す図である。 図９（Ａ）は、変換テーブルの一例を示す図であり、図９（Ｂ）は、ゲインテーブルの一例を示す図である。

図１は、音声会議システムの構成を示すブロック図である。音声会議システムは、インターネット５を介して接続されるパーソナルコンピュータ（ＰＣ）２とＰＣ３との間で、双方向に音声情報（パケット）を送受信して音声会議を行う。

ＰＣ２には、音響装置１が接続されている。音響装置１とＰＣ２とは、例えばＵＳＢインタフェースを介して接続されている。ＰＣ２は、ＰＣ３から受信したパケットをデコードして、デジタル音声信号に変換する。ＰＣ２は、当該デジタル音声信号を音響装置１に入力する。また、ＰＣ２は、ＵＳＢバスパワーにより、音響装置１に電力を供給する。

図２は、音響装置１の主要構成を示すブロック図である。音響装置１は、入力インタフェース（Ｉ／Ｆ）１１、ＤＳＰ１２、増幅回路１３、スピーカ１４、コンデンサ１５、および電流制限回路１６を備えている。なお、本実施形態では音響装置１は、マイクが設けられていないスピーカ装置であるが、実際には音響装置１は、不図示のマイクを備え、当該マイクが収音した音声に係るデジタル音声信号をＰＣ２に出力する機能を備えている。

入力Ｉ／Ｆ１１は、例えばＵＳＢインタフェースである。入力Ｉ／Ｆ１１は、ＰＣ２からデジタル音声信号（Ｉｎｐｕｔ ｓｉｇｎａｌ）を入力する。また、入力Ｉ／Ｆ１１は、ＰＣ２から供給される電流（Ｐｏｗｅｒ）を、電流制限回路１６を介して増幅回路１３に供給する。また、入力Ｉ／Ｆ１１は、増幅回路１３のグランド線（ＧＮＤ）に接続され、ＰＣ２を介して接地を行う。

なお、ＵＳＢインタフェースは、１つの物理インタフェースにより、信号の入出力および電力の供給を行うが、信号の入出力および電力の供給は、それぞれ別の物理インタフェースを介して行ってもよい。ただし、音響装置１は、ＵＳＢインタフェースを用いることで、１つの物理インタフェースだけでＰＣ２に接続することができる。したがって、利用者にとっては、より簡易に音声会議を行うことができる。

ＤＳＰ１２は、本発明の信号処理装置の一例である。ＤＳＰ１２は、入力されたデジタル音声信号に各種の処理（この例では、レベル制限処理）を行う。ＤＳＰ１２は、レベル制限を行った後のデジタル音声信号を、増幅回路１３に出力する。

増幅回路１３は、コンデンサ１５または電流制限回路１６から供給される電力により、ＤＳＰ１２から出力されるデジタル音声信号を増幅する。そして、増幅回路１３は、増幅後のデジタル音声信号をアナログ音声信号に変換し、スピーカ１４を駆動する。これにより、音響装置１は、遠隔地のＰＣ３から送信された音声を、ＰＣ２および音響装置１の利用者に対して聴取させることができる。

電流制限回路１６は、ＰＣ２から供給される電流を所定の電流値に制限する。電流制限回路１６は、例えばＵＳＢ規格に準ずる場合、ＰＣ２から供給される電流を５００ｍＡの電流値に制限する。

電流制限回路１６には、コンデンサ１５および増幅回路１３が接続されている。コンデンサ１５は、本発明の充放電素子の一例であり、電流制限回路１６から供給される電荷を保持する。なお、充放電素子は、コンデンサに限るものではなく、例えば二次電池であってもよい。

次に、図３は、ＤＳＰ１２の機能ブロック図である。ＤＳＰ１２は、機能的に、レベル制限部１２０と、設定部１５０と、を備えている。

レベル制限部１２０は、入力信号のレベル制限を行うコンプレッサである。レベル制限部１２０は、絶対値化処理部（ＡＢＳ）１２１、ピークホールド処理部１２２、ゲインテーブル１２３、平滑処理部１２４、およびゲイン調整器１２５を備えている。

ＤＳＰ１２に入力されたデジタル音声信号は、ゲイン調整器１２５に入力される。ゲイン調整器１２５は、設定された減衰率でデジタル音声信号のレベル制限を行う。ゲイン調整器１２５の減衰率は、ゲインテーブル１２３により決定される。レベル制限がされた後のデジタル音声信号は、後段の増幅回路１３および設定部１５０に出力される。

また、ＤＳＰ１２に入力されたデジタル音声信号は、ＡＢＳ１２１にも入力される。ＡＢＳ１２１は、入力されたデジタル音声信号の振幅値を絶対値化して、ピークホールド処理部１２２に出力する。

ピークホールド処理部１２２は、ＡＢＳ１２１から入力されたデジタル音声信号のレベル値を平滑化して、瞬時振幅から実効振幅に変換する。ピークホールド処理部１２２は、コンプレッサのディケイあるいはリリースタイムに対応する。ピークホールド処理部１２２により平滑化されたデジタル音声信号のレベル値は、ゲインテーブル１２３に入力される。

ゲインテーブル１２３は、入力信号のレベル値に対する出力信号のレベル値を決定するテーブルであり、ゲイン調整器１２５の減衰率を設定する。詳細は後述する。ゲインテーブル１２３により決定された減衰率は、平滑処理部１２４に入力される。

平滑処理部１２４は、１次のＩＩＲローパスフィルタである。平滑処理部１２４は、コンプレッサにおけるアタック時定数に対応する。アタック時定数は、レベル制限の処理が効き始める早さを表す。レベル制限の処理が即座に開始されると、音声が歪んで音質が低下する。そのため、レベル制限部１２０は、平滑処理部１２４において平滑化することが好ましい。

次に、設定部１５０は、レベル制限部１２０におけるゲインテーブル１２３を設定する機能部である。設定部１５０は、コンデンサ１５に供給される電荷と、レベル制限部１２０でレベル制限がされた後のデジタル音声信号のレベルから計算される消費電荷と、の積算値に応じてゲインテーブル１２３を設定する。設定部１５０は、加算器１５１、乗算器１５２、乗算器１５３、変換テーブル１５４、下限設定部（Ｍａｘ）１５５、および上限設定部（Ｍｉｎ）１５６を備えている。

まず、乗算器１５２には、ゲイン調整器１２５でレベル制限がされた後のデジタル音声信号が入力される。ただし、図示は省略するが、乗算器１５２には、１サンプル（または複数サンプル）だけ遅延されたデジタル音声信号（１サンプル前のデジタル音声信号）が入力される。

乗算器１５２は、入力されたデジタル音声信号に、消費電荷変換係数を乗算する。消費電荷変換係数は、デジタル音声信号のレベル（単位電圧）に対して、コンデンサ１５で消費される電荷量が予め設定されている。これにより、乗算器１５２は、コンデンサ１５の消費電荷を計算する。

加算器１５１は、乗算器１５２で計算されたコンデンサ１５の消費電荷と、コンデンサ１５に供給される電荷Ｑ’［Ｃ］と、１サンプル（または複数サンプル）前の計算結果であるコンデンサ１５の電荷推定値Ｑ［Ｃ］と、を入力する。コンデンサ１５の電荷推定値Ｑ［Ｃ］の初期値は、０［Ｃ］である。コンデンサ１５に供給される電荷Ｑ’［Ｃ］は、定数で表される。この例では、電荷Ｑ’［Ｃ］は、電流５００ｍＡが供給された時に１サンプルの時間で供給される電荷量に対応する。消費電荷は、上述のように、増幅回路１３に供給されるデジタル音声信号のレベルにより変化する。

加算器１５１は、１サンプル前の計算結果である、現在のコンデンサ１５の電荷推定値Ｑ［Ｃ］に、コンデンサ１５に供給される電荷Ｑ’［Ｃ］を加算し、かつ乗算器１５２で計算されたコンデンサ１５の消費電荷を減算することで、現在のコンデンサ１５の電荷推定値Ｑ［Ｃ］を算出する。算出した電荷推定値Ｑ［Ｃ］は、乗算器１５３および下限設定部１５５に入力される。

下限設定部１５５は、電荷推定値Ｑ［Ｃ］の最小値が０となるように、電荷推定値Ｑ［Ｃ］が０未満であった場合に、当該電荷推定値Ｑ［Ｃ］を０［Ｑ］に設定する。また、上限設定部１５６は、電荷推定値Ｑ［Ｃ］の最大値がコンデンサ１５の最大容量に対応する電荷となるように、電荷推定値Ｑ［Ｃ］がコンデンサ１５の最大容量に対応する電荷よりも大きい場合に、当該電荷推定値Ｑ［Ｃ］をコンデンサの最大容量に対応する電荷値［Ｑ］に設定する。

本実施形態におけるＤＳＰ１２は、音声会議を行うためのスピーカ装置である音響装置１に内蔵される構成であるため、人の声に係る音声信号が入力される。音声会議では、人の声は、息継ぎ等を行うために、頻繁に途切れ、無音となる時間も長い。したがって、音響装置１は、瞬間的には大きなレベルの音声信号が入力されたとしても、コンデンサ１５の電荷が最大値になる頻度が高い。このような状況に対応し、設定部１５０は、上限設定部１５６により、電荷推定値Ｑ［Ｃ］の最大値がコンデンサ１５の最大容量に対応する電荷となるように最大値を制限するため、計算した電荷推定値Ｑ［Ｃ］と、実際のコンデンサの電荷量とは、大きくずれることがない。

次に、乗算器１５３は、電荷推定値Ｑ［Ｃ］に変換係数［Ｖ／Ｃ］を乗算することで、電荷推定値Ｑ［Ｃ］をコンデンサ１５の現在の電圧推定値［Ｖ］に変換する。当該電圧推定値［Ｖ］は、変換テーブル１５４に入力される。

図４は、変換テーブルの一例を示す図である。同図に示すグラフの横軸は電圧［Ｖ］であり、縦軸は閾値［ｄＢ］である。横軸の電圧［Ｖ］は、上述の電圧推定値［Ｖ］に対応する。この例では、変換テーブル１５４は、電圧推定値［Ｖ］が５Ｖ以上となった場合、増幅回路１３が安定的に駆動できる状態であるとして、閾値が最大値（Ｍａｘ）になるように設定されている。また、変換テーブル１５４は、増幅回路１３が安定的に駆動できる最低電圧（この例では３Ｖ）と閾値の最小値（Ｍｉｎ）とが対応付けられている。電圧値が３Ｖから５Ｖの間は、電圧の変化に比例して閾値が変化するように設定されている。

このようにして、変換テーブル１５４に入力された電圧推定値［Ｖ］は、図４に示した変換テーブルにより、デジタル音声信号のレベル値に対応する閾値［ｄＢ］に変換される。

変換テーブル１５４により変換された閾値［ｄＢ］は、ゲインテーブル１２３に入力される。図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、ゲインテーブルの一例を示す図である。図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示す横軸は、ゲインテーブル１２３に対する入力レベルの値［ｄＢ］を示し、縦軸は、ゲインテーブル１２３の出力レベルの値［ｄＢ］を示す。

まず、図５（Ａ）の例は、変換テーブル１５４により変換された閾値［ｄＢ］が最大値（Ｍａｘ）である場合のゲイン変換テーブルを示すものである。図５（Ａ）に示すように、入力レベルの値がゲインテーブル１２３に閾値［ｄＢ］以上である場合には、出力レベルの値は、当該閾値［ｄＢ］に制限される。このようにしてゲインテーブル１２３で決定された減衰率が、平滑処理部１２４を介してゲイン調整器１２５に設定される。

そして、図５（Ｂ）に示すように、コンデンサ１５の電圧推定値［Ｖ］が低下した場合、変換テーブル１５４で示したように閾値［ｄＢ］も低下するため、出力レベルの値は、より低い値に制限される。また、図６に示すように、電圧推定値［Ｖ］が３Ｖとなった場合には、出力レベルの値は、閾値の最小値（Ｍｉｎ）に制限される。すなわち、ゲイン調整器１２５の減衰率は、最大に設定される。

ここで、図６に示す閾値の最小値（Ｍｉｎ）は、増幅回路１３が駆動してもコンデンサの電圧が低下しないレベルに設定されている。すなわち、ゲイン調整器１２５の減衰率は、乗算器１５２で計算される消費電荷と、コンデンサ１５に供給される電荷Ｑ’［Ｃ］と、が釣り合う値となっている。これにより、増幅回路１３が安定的に駆動することができる状態が維持される。

以上のようにして、設定部１５０は、増幅回路１３に入力する音声信号のレベルから消費電荷を計算し、コンデンサ１５における現在の電荷量を推定する。そして、設定部１５０は、推定したコンデンサ１５の現在の電荷量に応じてゲイン調整器１２５の減衰率を設定する。設定部１５０は、ゲイン調整器１２５でレベル制限を行った後の入力信号のレベルから計算を行うだけであるため、コンデンサ１５の電圧を直接検出する必要がない。また、設定部１５０は、増幅回路１３の出力電流を直接検出する必要もなく、電源電圧を直接測定する必要もない。したがって、音響装置１は、増幅回路１３の出力電流、電源電圧、およびコンデンサ１５の電源を検出する新たなハードウェアを設ける必要がなく、コンデンサの状態に応じた適切なレベル制限を行うことができる。

次に、図７（Ａ）は、ゲインテーブルの変形例を示す図である。図５（Ａ）、図５（Ｂ）、および図６においては、出力レベルの値が閾値に制限される例（ＤＳＰ１２がリミッタとして動作する例）を示したが、図７（Ａ）の例では、入力レベルの値が閾値［ｄＢ］以上であった場合に、入力レベルのデシベル値の変動に対して出力レベルのデシベル値の変動がゼロより大きな所定割合（例えば１／１０程度）になるよう出力レベルの値を制限する。これにより、音響装置１は、大音量域での歪みを低減し、より聴取者の違和感を低減することができる。

また、図７（Ｂ）の例では、入力信号のレベルに対して、出力信号のレベルを持ち上げることで、低音量のレベルを大きくする態様である。この場合、音響装置１は、低音量域において、音声が聞き取り難い状況を防止することができる。

また、図８に示すように、低音量域では入力レベルの値に対して、出力レベルの値を持ち上げる態様とし、かつ入力レベルの値が閾値［ｄＢ］以上であった場合に、入力レベルのデシベル値の変動に対して出力レベルのデシベル値の変動がゼロより大きな所定割合（例えば１／１０程度）になるよう出力レベルの値を制限する態様としてもよい。

図９（Ａ）は、変換テーブルの変形例を示す図である。図９（Ａ）の例では、変換テーブル１５４は、電圧推定値［Ｖ］の値が５Ｖ以上である場合に、閾値が０［ｄＢ］となるように設定されている。この場合、図９（Ｂ）に示すように、入力信号のレベルと出力信号のレベルは正比例する状態となる。すなわち、ゲイン調整器１２５に設定される減衰率は、最小値となり、レベル制限の処理が停止されることになる。したがって、コンデンサ１５の電圧がある程度高い場合に、音質が全く変化しない状態となる。

１…音響装置
２，３…ＰＣ
５…インターネット
１１…入力Ｉ／Ｆ
１２…ＤＳＰ
１３…増幅回路
１４…スピーカ
１５…コンデンサ
１６…電流制限回路
１２０…レベル制限部
１２１…ＡＢＳ
１２２…ピークホールド処理部
１２３…ゲインテーブル
１２４…平滑処理部
１２５…ゲイン調整器
１５０…設定部
１５１…加算器
１５２，１５３…乗算器
１５４…変換テーブル
１５５…下限設定部
１５６…上限設定部

本発明は、入力信号のレベル調整を行う信号処理装置、スピーカ装置、および信号処理方法に関する。

そこで、この発明の目的は、新たなハードウェアを設けることなくレベル調整を行うことができる信号処理装置、スピーカ装置、および信号処理方法を提供することにある。

信号処理装置は、入力信号のレベル調整を行うレベル調整部と、充放電素子に供給される電荷と、前記レベル調整部がレベル調整を行った後の入力信号のレベルから計算される消費電荷と、に基づいて前記充放電素子の電荷量を推定した値である電荷推定値を求め、該電荷推定値に基づいて前記レベル調整部の調整率を設定する設定部と、を備えたことを特徴とする。

Claims (5)

1. 入力信号のレベル制限を行うレベル制限部と、
   所定の電荷が供給され、当該電荷を保持する充放電素子と、
   前記充放電素子に供給される電荷と、前記レベル制限部がレベル制限を行った後の入力信号のレベルから計算される消費電荷と、の積算値に応じて前記レベル制限部の減衰率を設定する設定部と、
   を備えたことを特徴とする信号処理装置。
2. 請求項１に記載の信号処理装置において、
   前記設定部は、前記充放電素子の最大容量に応じて、前記積算値の最大値を決定することを特徴とする信号処理装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の信号処理装置において、
   前記設定部は、前記積算値が所定値以上である場合に、前記減衰率を最小値に保持して、前記レベル制限を停止させることを特徴とする信号処理装置。
4. 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において、
   前記設定部は、前記積算値が所定値以下である場合に、前記減衰率を最大値に保持して、
   前記最大値は、前記レベル制限部がレベル制限を行った後の入力信号のレベルから計算される消費電荷と、前記充放電素子に供給される電荷と、が釣り合う値であることを特徴とする信号処理装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の信号処理装置と、
   前記レベル制限部に前記入力信号として音声信号を入力する入力部と、
   前記レベル制限部がレベル制限を行った後の音声信号を入力する増幅回路と、
   前記増幅回路で増幅された後の音声信号を入力するスピーカと、
   を備えたスピーカ装置。

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