(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号のレベルの絶対値が第1レベル以上第２レベル以下の入力範囲では、前記入力信号のレベルの絶対値が前記第1レベル未満の場合と比較して、前記入力信号に小さな利得を付与することにより、前記入力信号のレベルの絶対値が前記第1レベルから前記第２レベルに変化した場合に、波形がスライスされることなく連続的に変化するように波形整形した第１信号を生成する波形整形部と、
前記第１信号を増幅しつつ振幅を調整して出力信号を生成する可変利得部と、
前記可変利得部の所定箇所の信号に基づいて、前記出力信号にクリップが発生しないように前記可変利得部の利得を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記第１信号の振幅が所定範囲にある場合に、前記出力信号にクリップが発生しないように前記可変利得部の利得を下げるように制御し、
前記所定範囲は、前記入力範囲の前記入力信号のレベルに対応する前記第1信号のレベルの範囲を含む、
ことを特徴とする信号処理回路。
【請求項２】
前記波形整形部は、前記第１レベル未満の場合に前記入力信号に第１の利得を付与し、前記入力範囲において前記入力信号に付与する利得が前記第１の利得より小さく、且つ、単調減少させることを特徴とする請求項１に記載の信号処理回路。
【請求項３】
前記波形整形部は、前記入力信号の種類に応じて、前記入力範囲における入出力特性を切り替える選択部を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の信号処理回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力信号に信号処理を施して出力信号を生成する信号処理回路に係り、特に、音量感と歪とをバランスさせた出力信号を得る技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、増幅器では、出力信号が電源電圧となったことを検知して、入力信号を減衰させることで、過大入力によるクリップを防ぐようにしている。また、特許文献１には、出力信号のレベル検出では実際にクリップが発生しているかどうかの正確な判断ができないことから、確実にクリップが発生したことを検出して、入力信号を減衰させるようにすることが記載されている。
また、特許文献２には、出力信号のある程度のクリップを許容して音量感を向上させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１６３７６９号公報
【特許文献２】特開２００８−３０１０３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の技術は、クリップの発生を防ぐことを主眼においている。このため、クリップが発生すると、あるいは、発生する可能性があると即座に入力信号を減衰させるようにしている。しかしながら、このような制御は減衰動作が早すぎて、音量感に欠けるという面もある。
一方、特許文献２に記載の技術は、クリップをある程度許容するので、歪が大きくなるといった問題がある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、出力信号の歪を抑制しつつ、音量感を向上させることを解決課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明に係る信号処理回路は、入力信号のレベルの絶対値が第1レベル以上第２レベル以下の入力範囲では、前記入力信号のレベルの絶対値が前記第1レベル未満の場合と比較して、前記入力信号に小さな利得を付与することにより、前記入力信号のレベルの絶対値が前記第1レベルから前記第２レベルに変化した場合に、波形がスライスされることなく連続的に変化するように波形整形した第１信号を生成する波形整形部と、前記第１信号を増幅しつつ振幅を調整して出力信号を生成する可変利得部と、前記可変利得部の所定箇所の信号に基づいて、前記出力信号にクリップが発生しないように前記可変利得部の利得を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記第１信号の振幅が所定範囲にある場合に、前記出力信号にクリップが発生しないように前記可変利得部の利得を下げるように制御し、前記所定範囲は、前記入力範囲の前記入力信号のレベルに対応する前記第1信号のレベルの範囲を含む、ことを特徴とする。
【０００７】
この発明によれば、波形整形部は入力信号のレベルの絶対値が所定の入力範囲である場合に、利得を小さくする処理を実行する。入力信号の１周期の信号波形のピーク部分が入力範囲にある場合、信号波形のピーク部分が圧縮されてつぶされる。また、制御部は出力信号にクリップが発生しないように可変利得部の利得を制御する。ここで、制御部は第１信号の振幅が過大入力となる所定範囲で利得を下げるように動作するところ、所定範囲は、入力範囲の入力信号のレベルに対応する第1信号のレベルの範囲を含むから、波形整形部で波形整形処理がなされた場合には、可変利得部において利得を下げるノンクリップ処理が実行される。したがって、波形整形処理とノンクリップ処理とが重畳して実行される。これらの処理を同時に実行する場合、入力信号の振幅が大きくなると、出力信号はクリップしないように振幅が制限されるが、出力信号の半値幅が大きくなる。よって、出力信号の歪を抑制しながら音量感を向上させることができる。
この発明において、「前記所定範囲は、前記入力範囲の前記入力信号のレベルに対応する前記第1信号のレベルの範囲を含む」とは、「前記所定範囲は、前記入力範囲の前記入力信号のレベルに対応する前記第1信号のレベルの範囲と同じ又は広い」ことを意味する。
【０００８】
上述した信号処理回路において、前記波形整形部は、前記第１レベル未満の場合に前記入力信号に第１の利得を付与し、前記入力範囲において前記入力信号に付与する利得が前記第１の利得より小さく、且つ、単調減少させることが好ましい。この発明によれば、入力信号が入力範囲にある場合、利得を単調減少させる。単調減少には、段階的に利得を下げることにより波形整形部の入出力特性を折線の特性にする場合と、利得をなだらかに下げることにより波形整形部の入出力特性を曲線の特性にする場合の双方が含まれる。いずれの場合も入力信号が大きくなれば、利得が減少するから、第１信号の歪を低減することができる。なお、第１の利得は「１」であってもよい。
【０００９】
上述した信号処理回路において、前記波形整形部は、前記入力信号の種類に応じて、前記入力範囲における入出力特性を切り替える選択部を備えることが好ましい。入力信号の種類によっては、音量感よりも低い歪に着目した処理が好ましい場合もあれば、逆に多少の歪は犠牲にして音量感を重視した処理が好ましい場合もある。この発明によれば、波形整形部において、入力範囲における入出力特性を入力信号の種類に応じて切り替えるので、歪と音量感とをバランスさせることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１施形態の信号処理回路の構成を示すブロック図である。
【図２】波形整形部の入出力特性を示すグラフである。
【図３】ノンクリップ部の入出力特性を示すグラフである。
【図４】信号処理回路全体の入出力特性を示すグラフである。
【図５】波形整形部とノンクリップ部の動作範囲の関係を示す説明図である。
【図６】波形整形部の他の構成例を示す回路図である。
【図７】波形整形部の他の構成例を示す回路図である。
【図８】第２施形態の信号処理回路の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
＜１．第１実施形態＞
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の信号処理回路１００の構成を示すブロック図である。この図に示すように、信号処理回路１００は、入力信号Ｖｉｎのレベルに応じて信号波形を整形して第１信号Ｖ１を出力する波形整形部１Ａと、第１信号Ｖ１を増幅して出力信号Ｖｏｕｔを出力するノンクリップ部２を備える。ノンクリップ部２は、図示せぬ電源回路から電源電圧土Ｖｄｄの供給を受けて動作する。このため、出力信号Ｖｏｕｔのレベルが土Ｖｄｄに達すると、その信号波形がクリップする。ノンクリップ部２は、出力信号Ｖｏｕｔのクリップを検知して、利得を減少させるように動作する。
【００１２】
波形整形回路１Ａは、オペアンプＯＰ、入力抵抗Ｒ１及び帰還抵抗群Ｒｆを備える。波形整形回路１Ａの利得Ｇは、Ｇ＝−Ｒｆ／Ｒ１で与えられる。帰還抵抗群Ｒｆは、抵抗Ｒ２、Ｒ３、Ｒ３１、Ｒ３２、Ｒ３３、Ｒ３４、Ｒ４、Ｒ４１、Ｒ４２、Ｒ４３、及びＲ４４、並びにトランジスタＮ３１、Ｎ３２、Ｎ４１、及びＮ４２を備える。トランジスタＮ３１及びＮ３２がオンするのは、第１信号Ｖ１のレベルが例えば１.２Ｖを超える場合であり、トランジスタＮ４１及びＮ４２がオンするのは、第１信号Ｖ１のレベルが例えば０.９Ｖを超える場合である。
【００１３】
抵抗値を適宜設定することにより、利得Ｇに折れ線の特性を与えることができる。例えば、Ｒ１＝１０ＫΩ、Ｒ２＝１３ＫΩ、Ｒ３＝１.２ＫΩ、Ｒ３１＝Ｒ３２＝Ｒ３３＝Ｒ３４＝１００ＫΩ、Ｒ４＝１０ＫΩ、Ｒ４１＝Ｒ４４＝５０ＫΩ、Ｒ４２＝Ｒ４３＝１００ＫΩとしてもよい。
【００１４】
波形整形部１Ａの入出力特性を図２に示す。第１信号Ｖ１のレベルの絶対値が０．９Ｖ未満である場合、帰還抵抗群Ｒｆの合成抵抗値は１０ＫΩとなる。また、第１信号Ｖ１のレベルの絶対値が０．９Ｖ以上１．２Ｖ未満の場合、帰還抵抗群Ｒｆの合成抵抗値は５Ｋとなる。更に、第１信号Ｖ１のレベルの絶対値が１．２Ｖ以上の場合、帰還抵抗群Ｒｆの合成抵抗値は１Ｋとなる。この結果、第１信号Ｖ１のレベルの絶対値が０．９Ｖ未満である場合に利得は０ｄＢ、第１信号Ｖ１のレベルの絶対値が０．９Ｖ以上１．２Ｖ未満の場合に利得Ｇは−６ｄＢ、第１信号Ｖ１のレベルの絶対値が１．２Ｖ以上の場合に利得Ｇは−２０ｄＢとなる。
【００１５】
利得の切り替えは、トランジスタＮ３１、Ｎ３２、Ｎ４１、及びＮ４２のオン・オフによって制御される。図２に示す波形[１]及び波形[２]には歪が無い。一方、波形[３]は、第１信号Ｖ１のレベルの絶対値が０.９Ｖ以上になると利得が０ｄＢから−６ｄＢに切り替わるため、山がつぶれた波形に整形される。更に、波形[４]では、第１信号Ｖ１のレベルの絶対値が１.２Ｖ以上になると利得が−６ｄＢから−２０ｄＢに切り替わるため、山のつぶれ方がより大きくなる。このようにして得られた第１信号Ｖ１は、入力信号Ｖｉｎのレベルの絶対値が大きくなると（０.９ｖを超えると）、波形の山がつぶされる。しかしながら、波形をスライスしたものとは異なり、前後のつながりに連続性があるので、高次の歪が少ない。
【００１６】
上述したように、第１信号Ｖ１のレベルの絶対値が１.２Ｖを超えると、波形整形部１Ａの利得は−２０ｄＢとなった。波形整形部１Ａの利得が−２０ｄＢとなる上限には限界がある。この例では、第１信号Ｖ１のレベルの絶対値が１.５Ｖ以下の範囲で波形整形部１Ａは正常に動作する。ここで、第１信号Ｖ１のレベル１.５Ｖに対応する入力信号Ｖｉｎのレベルは、0.9+（1.2-0.9）*2+（1.5-1.2）*10＝４.５Ｖである。
したがって、波形整形部１Ａは、入力信号Ｖｉｎのレベルの絶対値が０.９Ｖ（第1レベル）以上４．５Ｖ（第２レベル）以下の入力範囲では、入力信号Ｖｉｎのレベルの絶対値が０.９Ｖ（第1レベル）未満の場合と比較して、入力信号Ｖｉｎに小さな利得を付与することにより波形整形した第１信号Ｖ１を生成している。
なお、トランジスタＮ３１、Ｎ３２、Ｎ４１、及びＮ４２において、これらが理想的なスイッチとして動作する場合には、図２に示すように折線で段階的に変化することになる。これは、トランジスタのドレイン電流Ｉｄｓとゲート・ソース間電圧Ｖｇｓの関係において、ゲート・ソース間電圧Ｖｇｓを大きくしていくと、ドレイン電流Ｉｄｓが階段状に立ち上がる場合である。しかしながら、実際のトランジスタの特性は、２乗特性となっており、階段状には変化しない。この性質を利用すると、波形整形部１Ａの入出力特性を図２の右下に示すように曲線でなだらかに変化させることが可能となる。この結果、利得の変化もなだらかに連続するから、歪の発生を低減することができる。
波形整形部１Ａの入出力特性は単調減少すればよく、図２に示すように折線で段階的に変化するものであっても、あるいは、曲線でなだらかに変化するものであってもよい。
【００１７】
次に、ノンクリップ部２について説明する。図１に示すように、ノンクリップ部２は、第１信号Ｖ１を増幅しつつ振幅を調整して出力信号Ｖｏｕｔを生成する可変利得部２０と、可変利得部２０の利得を制御する制御回路２３とを備える。可変利得部２０は、図示するように振幅調整回路２１と増幅回路２２を備える。振幅調整回路２１は制御信号ＣＴＬに応じて第１信号Ｖ１の振幅を調整して増幅回路２２に出力する。増幅回路２２は、例えば、オペアンプを用いた負帰還増幅器で構成される。制御回路２３は、出力信号Ｖｏｕｔ又は増幅回路２２の所定箇所の信号に基づいて、出力信号Ｖｏｕｔの波形がクリップすることを検知し、出力信号Ｖｏｕｔがクリップしないように制御信号ＣＴＬを生成する。これによって、出力信号Ｖｏｕｔがクリップしないように、可変利得部２０で第１信号Ｖ１に付与される利得が調整される。
【００１８】
ここで、オペアンプを用いて増幅回路２０を構成する場合、出力信号Ｖｏｕｔが電源電圧±Ｖｄｄでクリップすると、オペアンプの正入力端子と負入力端子との間でイマジナリーショートが成立しなくなる。そこで、制御回路２３は、負入力端子の電圧を監視することにより、出力信号Ｖｏｕｔにクリップが発生したことを検知しても良い。
【００１９】
図３にノンクリップ部２の入出力特性を示す。この図に示すようにノンクリップ部２は、第１信号Ｖ１のレベルの絶対値が０.８Ｖ未満の範囲で利得が４倍である。また、この例において、電源電圧±Ｖｄｄは、±３.２Ｖであり、出力信号Ｖｏｕｔのレベルが±３.２Ｖに達するとクリップが発生する。
第１信号Ｖ１のレベルの絶対値が０.８Ｖ以上１.６Ｖ以下の範囲（所定範囲）では、クリップが発生しないように振幅調整回路２１において信号振幅が調整される。この結果、図３の信号波形[２]〜[４]に示すように、この範囲では第１信号Ｖ１のレベルが変化しても、出力信号Ｖｏｕｔの信号波形は変化しない。
【００２０】
次に、図４に信号処理回路１００全体の入出力特性を示す。この図に示すように本実施形態の特徴は、信号波形[３]及び[４]にある。即ち、波形整形部１Ａから出力される第１信号Ｖ１では、信号波形[３]及び[４]のピークはつぶされているが、クリップしている分けではなく、なだらかに波形が変化している。このような第１信号Ｖ１がノンクリップ部２に供給されると、ピーク値が一致する一方、半値幅が信号波形[２]→[３]→[４]の順に大きくなる出力信号Ｖｏｕｔを得ることができる。
【００２１】
比較例１は、通常の増幅器の出力信号であり、入力信号のレベルが大きくなると、電源電圧で出力信号がクリップする。この場合には、出力信号が電源電圧でスライスされるので、高次の歪を含むものとなる。一方、比較例２は波形整形部１Ａを用いることなく入力信号Ｖｉｎがノンクリップ部２に直接供給された場合の出力信号である。この場合には、出力信号にクリップはないので歪は無いが、音量感に欠ける。
【００２２】
これに対して、信号処理回路１００の出力信号Ｖｏｕｔは、入力信号Ｖｉｎの振幅が大きくなると、所定レベル以上の領域で波形を圧縮するように波形整形部１Ａで波形整形を施し、そのような波形整形が施された第１信号Ｖ１に対して、電源電圧で出力信号Ｖｏｕｔがクリップしないように増幅する。この結果、出力信号Ｖｏｕｔの信号波形は電源電圧でスライスされないので、高次の歪を抑圧することができると同時に、入力信号Ｖｉｎが所定レベル以上になると、クリップを回避しながら半値幅が次第に大きくなるように出力信号Ｖｏｕｔの信号波形が変化する。この結果、入力信号Ｖｉｎが過大である場合に、出力信号Ｖｏｕｔをクリップを回避できる最大値に合わせ込みながら、過大の度合いに応じて波形を変形させる。よって、歪を抑制しながら音量感を向上させることができる。
【００２３】
このように、歪を抑制しながら音量感を向上させることができるのは、波形整形部１Ａにおいて波形整形が施される範囲と、ノンクリップ部２において利得の調整が実行される範囲とが重複するように設定したからである。図５に波形整形部１Ａとノンクリップ部２の動作範囲の関係を示す。
この図に示すように、波形整形部１Ａは、入力信号Ｖｉｎのレベルの絶対値が０.９Ｖ（第1レベル）以上４.５Ｖ（第２レベル）以下の入力範囲において第１信号Ｖ１の信号波形の山を圧縮する波形整形を実行する。ここで、入力信号Ｖｉｎのレベル０.９Ｖに対応する第１信号Ｖ１のレベルは０.９Ｖであり、入力信号Ｖｉｎのレベル４.５Ｖに対応する第１信号Ｖ１のレベルは１．５Ｖである。
一方、ノンクリップ部２は、第１信号Ｖ１のレベルの絶対値が０.８Ｖ以上１.６Ｖ以下の所定範囲でクリップが発生しないように振幅を調整する。
即ち、上述した入力範囲に対応する第１信号Ｖ１のレベルの範囲である０．９Ｖ〜１.５Ｖよりも、ノンクリップ部２が動作する所定範囲が広い。これにより、歪を抑制しながら音量感を向上させることができる。なお、この例では、所定範囲の方が広いが、両者が一致するものであってもよい。また、ノンクリップ部２の動作が開始する第１信号Ｖ１のレベルと、波形整形部１Ａが波形整形を開始する第１信号Ｖ１のレベルとが一致するようにしてもよい。例えば、入力範囲に対応する第１信号Ｖ１のレベルの範囲である０．９Ｖ以上１.５Ｖ以下である場合に、所定範囲が０．９Ｖ以上１.６Ｖ以下であってもよい。
【００２４】
なお、上述した第１実施形態において波形整形部１Ａは抵抗とトランジスタによって構成したが、図６に示すようにダイオードと抵抗で構成した波形整形部１Ｂを採用してもよい。この場合は、ダイオードの順方向電圧を利用して単調減少する入出力特性を得ることが可能となる。
また、図７に示す波形整形部１Ｃを採用してもよい。この場合には電界効果トランジスタの定電圧回路を利用して単調減少する入出力特性を得ることができる。
【００２５】
＜２．第２実施形態＞
上述した第１実施形態では波形整形部１Ａの入出力特性は固定の折線であった。これに対して第２実施形態では波形整形の特性を切り替える。
図８に第２実施形態に係る信号処理回路２００のブロック図を示す。信号処理回路２００は、波形整形部１Ａの替わりに波形整形部１Ｄを用いる点を除いて図１に示す第１実施形態の信号処理回路１００と同様に構成されている。
【００２６】
波形整形部１Ｄにおいて、スイッチＳＷは、第１抵抗群１１と第２抵抗群１２とのうち一方を選択して、オペアンプＯＰの出力端子に接続する。第１抵抗群１１が選択された場合には、第１実施形態と同様の入出力特性となり、第１信号Ｖ１の信号レベルが０.９Ｖから１.２Ｖの範囲で利得が−６ｄＢとなる。これに対して、第２抵抗群１２は、１５ＫΩの抵抗の替わりに１８ＫΩの抵抗が用いられる。このため、第１信号Ｖ１の信号レベルが０.９Ｖから１.２Ｖの範囲で利得が−３ｄＢとなる。
即ち、第２抵抗群１２を選択した場合は、第１抵抗群１１を選択した場合と比較して、折線の第２段階の利得差を抑制することができる。この結果、歪を低減することができる。なお、本実施形態においても、第１実施形態と同様に波形整形部１Ｄの入力出力特性は単調減少すればよく、段階的に変化する折線、あるいはなだらかに変化する曲線のいずれであってもよい。
【００２７】
本実施形態において、スイッチＳＷは、外部から供給される設定信号Ｓによって制御される。例えば、信号処理回路２００が通話及び音楽再生の機能を備えた携帯電話機に用いられる場合、通話状態か音楽再生状態のいずれかを指定する信号を設定信号ＳとしてスイッチＳＷに供給してもよい。音楽を再生する場合には歪が小さい方が望ましいので、第２抵抗群１２を選択する一方、通話の場合には音量感を優先させて第１抵抗群１１を選択すればよい。なお、設定信号Ｓは、入力信号Ｖｉｎを周波数解析することによって通話か音楽再生かを判定して生成してもよい。
このように、第２実施形態では、入力信号Ｖｉｎの種類に応じて波形整形部１Ｄの入出力特性を切り替えたので、歪と音量感のバランスを向上させることができる。
【符号の説明】
【００２８】
１Ａ〜１Ｄ…波形整形部、２…ノンクリップ部、２０…可変利得部、２３…制御回路、１００，２００…信号処理回路、Ｖｉｎ…入力信号、Ｖ１…第１信号、Ｖｏｕｔ…出力信号。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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