(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力されたＬビットのデータに対して上位ビットを付加することにより、Ｌビットよりも長いＭビットのデータに変換するデータ変換手段と、
前記データ変換手段から出力されるＭビットのデータに対して所定のデータ処理を行うデータ処理手段と、
前記データ処理手段から出力されるデータに対してオーバーサンプリング処理を行うオーバーサンプリング処理手段と、
前記オーバーサンプリング処理手段から出力されるＭビットのデータに対してビット数圧縮処理を行って、Ｍビットよりも短いＮビットのデータに変換するビット圧縮手段と、
を備えることを特徴とするデータ処理方式。
【請求項２】
請求項１において、
前記オーバーサンプリング処理手段は、入力されるデータに対して少なくとも２M-N 倍のオーバーサンプリング処理を行うことを特徴とするデータ処理方式。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記ビット圧縮手段は、ΣΔ変調処理を行うことにより、Ｎビットの圧縮データを得ることを特徴とするデータ処理方式。
【請求項４】
請求項１または２において、
前記ビット圧縮手段は、ディザ加算処理を行った後に、下位側のＭ−Ｎビットを除くＮビットのデータを得ることを特徴とするデータ処理方式。
【請求項５】
請求項４において、
前記データ変換手段に入力されるＬビットのデータは、オーディオ音データであり、
前記ビット圧縮手段は、ほぼ２０ｋＨｚ以上に帯域制限された高域集中ディザを加算することを特徴とするデータ処理方式。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オーディオシステム等において、所定のビット数のデータを複数の装置間で入出力するデータ処理方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一部のオーディオシステムでは、ＣＤプレーヤ等から出力されるデジタルのオーディオデータに対してＤＳＰ（Digital Signal Processor）を用いて様々な補正処理を行い、補正後のデータに対してデジタルフィルタによるオーバーサンプリング処理を行っている。このようなオーディオシステムにおいては、ＤＳＰを用いて補正処理を行う場合に、例えば所定の帯域の信号レベルを上げる処理を行おうとすると、入力されるデジタルデータのビット数を維持した状態では、大きな信号レベルのオーディオ音に対応するデジタルデータが入力されると、補正処理において得られるデータが、このビット数で表現される最大値を超えてしまって歪みを生じる場合がある。したがって、実際には、補正処理によって生じる信号の増幅分を考慮して、入力されるデジタルデータに対応する信号レベルを下げて、上位ビット側にマージンを確保した後に、所定の補正処理を行っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したようにオーディオシステムにおいて所定の補正処理を行うＤＳＰは、内部処理において入出力データよりもビット数の多いデータを扱っているため、データを出力する際（後段のデジタルフィルタに転送する際）に、内部処理を行うために増加した分のビット数を削減する必要があり、このビット数分の情報が欠落することにより、情報の劣化、すなわち音質の劣化が生じるという問題があった。
【０００４】
図７は、上述したＤＳＰにおいて行われる補正処理を説明する図である。また、図８はこの補正処理の前後におけるデータのビット数を説明する図である。例えば、ＤＳＰおよびデジタルフィルタのそれぞれに入出力されるデジタルデータのビット数を１６とする。また、ＤＳＰでは、図７に示すような、一部の周波数帯域を強調する（増幅する）イコライザ処理が行われるものとする。このように、ＤＳＰによって一部の周波数帯域の信号レベルを増幅する場合に、１６ビットのデジタルデータが入力されると、この増幅分に対応した所定ビット（例えば２ビット）分だけ入力データ全体のビットシフトが行われた後に、所定のイコライザ処理が行われる。その結果、ＤＳＰの内部で扱うデジタルデータのビット数は１６ビットに２ビットを加えた１８ビットになる。しかし、ＤＳＰとその後段に接続されたデジタルフィルタとの間で入出力されるデータのビット数は１６であるため、ＤＳＰからは、その内部データである１８ビットの下位２ビットが欠落した１６ビットデータが出力される。この欠落した下位の２ビット分だけ情報の劣化が生じる。
【０００５】
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、情報の劣化を防止することができるデータ処理方式を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明のデータ処理方式では、入力されたＬビットのデータをデータ変換手段によってＭビットのデータに変換した後に、データ処理手段によって所定のデータ処理を行い、その結果得られるデータに対して、オーバーサンプリング手段によって所定倍数のオーバーサンプリング処理を行った後に、ビット圧縮手段によってＮビットに圧縮する処理を行っている。データ処理されたデータのビット数を少なくする際に、このビット数が減少した分の情報を、オーバーサンプリング処理によって得られた複数のデータに対して時間的に分散することにより、ビット数の減少により生じる情報の劣化を防止することができる。
【０００７】
したがって、上述したオーバーサンプリング処理手段は、入力されるデータに対して少なくとも２M-N 倍のオーバーサンプリング処理を行うことが望ましい。これにより、減少するビット数分の情報を、オーバーサンプリング処理によって得られた複数のデータに確実に分散することができ、情報の劣化を確実に防止することができる。
【０００８】
また、上述したビット圧縮手段によってΣΔ変調処理を行うことにより、Ｎビットの圧縮データを得ることが望ましい。ΣΔ変調処理とオーバーサンプリング処理とを組み合わせることにより、情報の劣化を生じることなくデータのビット数を減らすことができる。
【０００９】
また、上述したビット圧縮手段によってディザ加算処理を行うことにより、下位側のＭ−Ｎビットを除くＮビットのデータを得ることが望ましい。ディザ加算処理によって、欠落するＭ−Ｎビット分の情報を確率的に複数のデータに振り分けることができるため、このビット数を減少させることにより生じる情報の劣化を防止することができる。特に、上述したデータ変換手段に入力されるＬビットのデータがオーディオ音データである場合には、ビット圧縮手段によって、ほぼ２０ｋＨｚ以上に帯域制限された高域集中ディザを加算することが望ましい。ほぼ２０ｋＨｚ以上に帯域制限された高域集中ディザを加算することにより、データのビット数を減少させた場合の人間の聴感上の影響をなくすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のデータ処理方式を適用した一実施形態のオーディオシステムについて、図面を参照しながら説明する。
【００１１】
図１は、本実施形態のオーディオシステムの構成を示す図である。図１に示すオーディオシステム１００は、オーディオ装置１、音質補正部２、オーバーサンプリング処理部３、デジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）変換器４、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）５、増幅器６、スピーカ７を含んで構成されている。なお、図１においては、説明を簡略化するために、オーディオ装置１からモノラルのオーディオデータが出力されるものとしたが、ステレオのオーディオデータが出力される場合には、音質補正部２から後段の各構成を２チャンネルあるいはそれ以上のチャンネル分備えるようにすればよい。
【００１２】
オーディオ装置１は、各種のオーディオ信号に対応したオーディオデータを出力するオーディオソースであり、例えば、ＣＤプレーヤ等がこれに対応する。なお、以下の説明では、本実施形態のオーディオ装置１は、２４ビットのオーディオデータを出力するものとする。
【００１３】
音質補正部２は、オーディオ装置１から出力されるオーディオデータに対して所定のデータ処理を施して周波数特性等を変化させることにより、高音域や低音域を強調する音質補正を行う。この音質補正部２は、例えばＤＳＰによって実現することができる。
【００１４】
オーバーサンプリング処理部３は、音質補正部２から出力される補正後のオーディオデータに対してオーバーサンプリング処理を行う。このオーバーサンプリング処理部３は、デジタルフィルタによって実現することができる。
【００１５】
Ｄ／Ａ変換器４は、オーバーサンプリング処理部３から出力されるオーディオデータをアナログ信号に変換する。ＬＰＦ５は、Ｄ／Ａ変換器４から出力されるアナログ信号の高周波成分（例えば、２０ｋＨｚ以上の帯域）を除去することにより、階段状に変化するＤ／Ａ変換器４の出力信号を滑らかにする。
【００１６】
増幅器６は、ＬＰＦ５から出力されるアナログ信号を所定のゲインで増幅してスピーカ駆動用の信号を出力する。スピーカ７は、増幅器６から出力される駆動用信号に対応したオーディオ音を出力する。
【００１７】
図２は、音質補正部２の詳細な構成を示す図である。図２に示すように、音質補正部２は、レベルシフト処理部２０、イコライザ処理部２２、オーバーサンプリング処理部２４、ΣΔ変調部２６を含んで構成されている。
【００１８】
レベルシフト処理部２０は、後段のイコライザ処理部２２によるイコライザ処理によって生じる信号レベルの増幅分（ビットの桁上がり分）に対するマージンを確保するために、オーディオ装置１から入力されるオーディオデータを所定ビット数だけビットシフトさせて信号レベルを下げる処理を行う。本実施形態では、レベルシフト処理部２０は、２４ビットのオーディオデータが入力された場合に、増幅分に対応して２ビット分だけ下位側にビットシフトを行って２６ビットのデジタルデータを出力するものとする。この結果、この２６ビットデータは、上位２ビットが“０”であり、それより下位の２４ビットに、入力されたオーディオデータが含まれる。
【００１９】
イコライザ処理部２２は、レベルシフト処理部２０から出力される２６ビットのデジタルデータに対して、一部の周波数帯域を強調する（増幅する）等のイコライザ処理を行う。例えば、図７に示したように、一部の中音域について信号レベルを増幅し、それ以外の周波数領域では信号レベルを維持するイコライザ処理が行われる。
【００２０】
オーバーサンプリング処理部２４は、イコライザ処理部２２から出力されるイコライザ処理後のデジタルデータに対して、擬似的にサンプリング周波数を上げるオーバーサンプリング処理（アップサンプリング処理）を行う。何倍のオーバーサンプリング処理を行うかは、後段のΣΔ変調器２６によって２６ビットのデジタルデータのビット数を何ビット抑圧（圧縮）するかを考慮して決定される。例えば、Ｍビット（上述した例ではＭ＝２６）のデータをＮビットに圧縮する場合には、少なくとも２M-N 倍のオーバーサンプリング処理を行うことが望ましい。
【００２１】
図３は、オーバーサンプリング処理部２４によって行われるオーバーサンプリング処理の具体例を示す図であり、例えば４倍のオーバーサンプリング処理を行う場合が示されている。まず、イコライザ処理部２２から入力される元データ（図３（ａ））に対して、０データ（値が０のデータ）が挿入される（図３（ｂ））。４倍のオーバーサンプリング処理の場合には、隣接する２つの元データの間に３つの０データが挿入される。なお、一般には、Ｘ倍のオーバーサンプリング処理を行う場合に、隣接する２つの元データの間に（Ｘ−１）個の０データを挿入すればよい。
【００２２】
その後、このようにして１つの元データと３つの０データとが交互に配置されたデータをローパスフィルタに通すことにより、隣接する２つの元データの間に、これらの間を滑らかに結ぶように３つの補間データが挿入されて、４倍のオーバーサンプリング処理が行われる（図３（ｃ））。
【００２３】
ΣΔ変調部２６は、オーバーサンプリング処理部２４から入力されたオーバーサンプリング処理後のデジタルデータに対してΣΔ変調処理を行う。このΣΔ変調とは、データの振幅情報を時間的なパルス幅に変換する方式であり、このΣΔ変調を行うことにより、デジタルデータのビット数を圧縮することができる。本実施形態では、ΣΔ変調部２６は、オーバーサンプリング処理部２４から出力された２６ビットのデータを、オーディオ装置１から出力されるオーディオデータのビット数と等しい２４ビットのデータに変換する。
【００２４】
図４は、ΣΔ変調部２６の詳細構成を示す図である。図４に示すように、ΣΔ変調部２６は、２つの加算器４０、４２、減算器４４、２つの乗算器４６、４８、２つの遅延器５０、５２、量子化器５４を含んで構成されている。
【００２５】
加算器４０および４２は、入力されるデジタルデータに対して、所定の遅延時間だけ遅延された量子化誤差を加算する。この量子化誤差は、加算器４０および４２を通った後の２６ビットのデジタルデータが量子化器５４によって２４ビットのデジタルデータに変換される際に発生するものであり、量子化器５４に入力される前のデジタルデータと、量子化器５４から出力されるデジタルデータの差分を減算器４４によって演算することにより求められる。
【００２６】
遅延器５２は、減算器４４から出力される量子化誤差を、ΣΔ変調部２６に入力されるデジタルデータの１サンプリング時間に相当する時間だけ遅延させる。同様に、遅延器５０は、遅延器５２から出力される量子化誤差をさらに１サンプリング時間に相当する時間だけ遅延させる。乗算器４８は、遅延器５２から出力される量子化誤差に対して乗数「２」を乗算する。同様に、乗算器４６は、遅延器５０から出力される量子化誤差に対して乗数「−１」を乗算する。
【００２７】
上述したレベルシフト処理部２０がデータ変換手段に、イコライザ処理部２２がデータ処理手段に、オーバーサンプリング処理部２４がオーバーサンプリング処理手段に、ΣΔ変調部２６がビット圧縮手段にそれぞれ対応する。
【００２８】
このように、本実施形態のオーディオシステム１００に含まれる音質補正部２では、入力される２４ビットのオーディオデータに対して２ビット分のビットシフトを行って上位ビット側にマージンを確保した後にイコライザ処理を行い、この結果得られる２６ビットのデジタルデータに対して４倍のオーバーサンプリング処理を行い、その後、ΣΔ変調処理を行って２４ビットのデジタルデータを得ている。オーバーサンプリング処理とΣΔ変調処理を組み合わせることにより、イコライザ処理が施された後の２６ビットのデジタルデータのビット数を２ビット少なくする際に減少する２ビット分の情報を、オーバーサンプリング処理によって得られる複数のデジタルデータに対して時間的に分散することができるので、ビット数の減少により生じる情報の劣化を防止することができる。
【００２９】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、音質補正部２は、オーバーサンプリング処理が行われた後のデジタルデータに対してΣΔ変調処理を行うことにより、２６ビットのデジタルデータを２４ビットに圧縮する処理を行っていたが、このビット数の圧縮処理をディザ加算処理によって行うようにしてもよい。
【００３０】
図５は、ディザ加算処理によってビット数の圧縮処理を行う場合の音質補正部２ａの構成を示す図である。同図に示す音質補正部２ａは、上述した図２に示した音質補正部２に含まれるΣΔ変調部２６をディザ加算部２８に置き換えた構成を有している。このディザ加算部２８が、ビット圧縮手段に対応する。なお、音質補正部２ａに含まれるレベルシフト処理部２０、イコライザ処理部２２、オーバーサンプリング処理部２４のそれぞれは、図２に示した音質補正部２に含まれるものと基本的に同じであるため、対応する構成については同じ符号を付し、動作の詳細な説明は省略する。
【００３１】
ディザ加算部２８は、オーバーサンプリング処理部２４から出力されるオーバーサンプリング処理後の２６ビットのデジタルデータに対して所定のディザ加算処理を行って２４ビットのデジタルデータに変換する。本実施形態では、ディザ加算部２８は、入力されるデジタルデータに対して、２０ｋＨｚ以上に帯域制限された高域集中ディザを加算する処理を行う。このように、高域集中ディザを加算する処理を行うことにより、欠落する２ビット分の情報を確率的に複数のデジタルデータ（オーバーサンプリングにより得られるデジタルデータ）に対して振り分けることができるため、情報の劣化を防止することができる。また、本実施形態において使用する高域集中ディザは、２０ｋＨｚ以上の帯域において均一に分布する小振幅のノイズであるので、ディザ加算部２８から出力されるデジタルデータに基づいて再生されるオーディオ音を聴取した場合に、聴感上の違和感等の影響を生じることもない。なお、後段においてほぼ２０ｋＨｚの遮断周波数を有するローパスフィルタを通過させることにより、この高域集中ディザを加算したことにより生じる微少振幅を除去するようにしてもよい。
【００３２】
図６は、ディザ加算処理によるビット数の圧縮処理の原理を説明する図であり、図６（ａ）は高域集中ディザを加算しない場合の入力信号とこれに対する量子化出力との関係を、図６（ｂ）は高域集中ディザを加算した場合の入力信号とこれに対する量子化出力との関係をそれぞれ示している。
【００３３】
高域集中ディザを加えないで単に下位のビットを削除するということは、下位の２ビットで表される“００”、“０１”、“１０”、“１１”の４種類の情報が欠落することになる。図６（ａ）に示すように、入力データが１×Δと２×Δ（本実施形態では２ビットを圧縮するので、Δ＝２2 ）の間にある場合を考えると、例えば、これらは全て３／２の値として量子化されて出力される。
【００３４】
ところが、本実施形態のディザ加算部２８では、入力データに対して±Δ／２（＝±２）の高域集中ディザを加算した後に、下位の２ビットを削除する処理が行われる。例えば、図６（ｂ）に示すように、入力データが（１＋３／４）×Δの場合を考えると、この入力データに対して±Δ／２のディザを加算することにより、１．２５Δ〜２．２５Δの幅を有する分布を持つデータが得られる。実際には、この分布に含まれる１つのデータが得られるため、このようなデータに対して２４ビットの量子化を行うということは、このデータが１．２５Δ〜２Δに対応する７５％の範囲に含まれている場合には量子化出力が３／２となり、２Δ〜２．２５Δに対応する２５％の範囲に含まれている場合には量子化出力が５／２となる。したがって、時間的な平均をとると、１．７５となる。
【００３５】
このように、ΣΔ変調処理を行う代わりにディザ加算処理を行うことによっても、欠落する２ビット分の情報を時間的に分散することにより、ビット数の減少により生じる情報の劣化を防止することができる。
【００３６】
また、上述した実施形態では、ＤＳＰ等によって構成される音質補正部の出力データのビット数を圧縮する場合について説明したが、それ以外の用途に用いるＤＳＰあるいは他の装置における出力データのビット数を圧縮する場合についても本発明を適用することができる。
【００３７】
また、上述した実施形態の説明では、音質補正部に入出力されるデータのビット数をともに２４ビットして説明したが、入力データのビット数と出力データのビット数とが異なる場合であってもよい。
【００３８】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、ビット数が減少した分の情報を、オーバーサンプリング処理によって得られた複数のデータに対して時間的に分散することにより、ビット数の減少により生じる情報の劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】オーディオシステムの構成を示す図である。
【図２】音質補正部の詳細な構成を示す図である。
【図３】オーバーサンプリング処理部によって行われるオーバーサンプリング処理の具体例を示す図である。
【図４】ΣΔ変調部の詳細構成を示す図である。
【図５】ディザ加算処理によってビット数の圧縮処理を行う場合の音質補正部の構成を示す図である。
【図６】ディザ加算処理によるビット数の圧縮処理の原理を説明する図である。
【図７】従来のオーディオシステムにおけるＤＳＰにおいて行われる補正処理を説明する図である。
【図８】補正処理の前後におけるデータのビット数を説明する図である。
【符号の説明】
１  オーディオ装置
２、２ａ  音質補正部
３  オーバーサンプリング処理部
４  デジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）変換器
５  ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
６  増幅器
７  スピーカ
２０  レベルシフト処理部
２２  イコライザ処理部
２４  オーバーサンプリング処理部
２６  ΣΔ変調部
２８  ディザ加算部
【図１】
0003681105.tif 000002
【図２】
0003681105.tif 000003
【図３】
0003681105.tif 000004
【図４】
0003681105.tif 000005
【図５】
0003681105.tif 000006
【図６】
0003681105.tif 000007
【図７】
0003681105.tif 000008
【図８】
0003681105.tif 000009