(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディジタル入力信号に対して２段以上直列に接続された複数の遅延器と、該各遅延器の出力に所定の乗数係数値を乗じる乗算器と、各乗算器の乗算結果を加算する加算器とを有するＦＩＲ（Finite  Impulse  Response）フィルタを用いて入力信号に含まれる飽和信号を処理する飽和信号処理装置において、
各サンプリング周期毎に得られる入力信号と所定の許容値との差分を演算し、当該入力信号の絶対値が許容値内にあるかどうかを判定する減算手段と、
前記減算手段における判定結果に応じて前記各乗算器の乗算係数値を変更する乗算係数変更手段と、
Ｒ信号とＬ信号とからなるステレオオーディオ信号のいずれか一方の信号の乗算係数が更新された際には、左右のバランスを維持するために他方の乗算係数変更手段へこれを通知する更新通知手段と、を有し、
前記乗数係数変更手段は、
前記減算手段にて入力信号がゼロレベルに対してプラス側またはマイナス側のいずれかの許容値を越えたと判定された際に、この入力信号の最大値点がほぼ前記許容値となるように前記許容値を越えた方向とは反対の方向に入力信号の全体を移動させるべく前記乗算係数を設定することを特徴とする飽和信号処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばスピーカ等の音響機器に入力されるアタック信号等の飽和信号に対しての歪みを防止する飽和信号処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、オーディオ機器等の音響信号を取り扱う機器は、それぞれがダイナミックレンジを有しており、音響信号の入力レベルがこのダイナミックレンジを越えると出力信号が歪んでしまう。一例として、コーン紙を振動板としたスピーカを例に説明すると、バスドラムのキックやベースのピッキング等、楽音のアタック信号を再生する場合、楽曲全体の音量を上げると前記アタック信号入力時にはスピーカのコーン紙は機械的な飽和点に達してしまい、バリバリという異音を発してしまい、傾聴者に不快感を与えてしまう。
【０００３】
そこで、従来より、音響信号のレベルが音響機器のダイナミックレンジを越えた場合には、当該音響信号の歪みを防止する試みが成されており、例えばリミッター、コンプレッサ等が実用に供されている。リミッターは、ダイナミックレンジの上限値及び下限値よりもやや小さいレベルにしきい値を設定しておき、入力信号の振幅がしきい値を越えた際には、このしきい値とダイナミックレンジの上限値との間のレベルにある信号を、この間で単調に変化する関数に変換して出力することにより、出力振幅範囲を制限する装置である。
【０００４】
また、コンプレッサは、リミッターの非線形入出力特性に伴うノイズの発生を低減させるために、大振幅の信号が入力されたときにボリュウムを絞り、小振幅の信号が入力されたときボリュウムを開く操作をすることに相当する操作を行うことにより、ダイナミックレンジを越える入力信号が与えられた際においても歪みを防止することができるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記したリミッターは、アタック信号等の過大信号が供給された際にこの入力信号波形の過大入力部分を切り捨てるだけの機能を持つのみであり、出力信号に違和感が生じてしまい、また、過大信号入力のノイズが大きいという欠点がある。また、コンプレッサは立ち上がりの速い波形には応答しきれないという欠点がある。
この発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、過大信号が入力された際においても、違和感無く飽和を防止し、歪みの無い信号として出力可能な飽和信号処理装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明は、ディジタル入力信号に対して２段以上直列に接続された複数の遅延器と、該各遅延器の出力に所定の乗数係数値を乗じる乗算器と、各乗算器の乗算結果を加算する加算器とを有するＦＩＲ（Finite  Impulse  Response）フィルタを用いて入力信号に含まれる飽和信号を処理する飽和信号処理装置において、
各サンプリング周期毎に得られる入力信号と所定の許容値との差分を演算し、当該入力信号の絶対値が許容値内にあるかどうかを判定する減算手段と、
前記減算手段における判定結果に応じて前記各乗算器の乗算係数値を変更する乗算係数変更手段と、
Ｒ信号とＬ信号とからなるステレオオーディオ信号のいずれか一方の信号の乗算係数が更新された際には、左右のバランスを維持するために他方の乗算係数変更手段へこれを通知する更新通知手段と、を有し、
前記乗数係数変更手段は、
前記減算手段にて入力信号がゼロレベルに対してプラス側またはマイナス側のいずれかの許容値を越えたと判定された際に、この入力信号の最大値点がほぼ前記許容値となるように前記許容値を越えた方向とは反対の方向に入力信号の全体を移動させるべく前記乗算係数を設定することが特徴である。
【０００８】
上述の如く構成された本発明によれば、所定のサンプリング周期にて入力されるディジタル信号が許容値を越えた場合には、ＦＩＲフィルタの各遅延器の乗算係数を変更することにより、この越えた部分の信号波形が越えた方向とは反対の方向にスライドするように修正される。従って、入力信号のエネルギー感を損なうことなく信号の歪みを防止することができるようになる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明が適用された飽和信号処理装置の一実施形態の構成を示すブロック図であり、本実施形態では入力信号としてステレオのオーディオ信号を例にとって説明する。図示のようにこの飽和信号処理装置は、前段のＡ／Ｄ変換器（不図示）等でディジタル化された信号入力に対して８段に構成された遅延器Ｚ０〜Ｚ７と、各遅延器Ｚ０〜Ｚ７の出力に所定の乗算係数を乗じる乗算器Ｋ０〜Ｋ７と、信号入力と予め設定されている所定の最大入力許容値（許容値）との差を求める減算器Ｍと、各乗算器毎に設けられ減算器Ｍの減算結果に応じて乗算係数を決定する乗算係数変更部Ｐ０〜Ｐ７と、各乗算器Ｋ０〜Ｋ７における乗算結果を加え合わせる加算器Ｓとから構成されており、該加算器Ｓの出力が当該飽和信号処理装置の出力とされる
。
【００１０】
また、乗算係数変更部Ｐ０〜Ｐ７は、図２に示す如く遅延器Ｄと変換テーブルＣとから構成されており、遅延器Ｄの出力側は２系統に分岐されており、このうち一方は次段の乗算係数変更部の遅延器Ｄに接続され、他方は変換テーブルＣを介して乗算器Ｋ０〜Ｋ７に接続されている。また、各乗算係数変更部Ｐ０〜Ｐ７は、乗算係数の更新が発生した際にこれを通知する更新通知手段Ｎに接続されており、Ｒ信号とＬ信号とからなるステレオオーディオ信号のいずれか一方の信号の乗算係数が更新された際には、左右のバランスを維持するために他方の乗算係数変更部へこれを通知して、同様の乗算係数の更新を行なわせるものである。
【００１１】
そして、本実施形態では減算器Ｍによる減算結果により、あるサンプリング点における信号入力値が最大入力許容値よりも大きいと判定された際には、各遅延器Ｚ０〜Ｚ７でのインパルス応答の係数列、即ち、各遅延器Ｚ０〜Ｚ７の出力に乗じる乗算係数を変更することによって信号入力の飽和を緩和する。
【００１２】
いま、インパルス応答の係数列をｃ（０）〜ｃ（７）の８個から成るものとすると、データＤ（Ｎ）が入力されたときの出力OUT(n)は次式にて表されることになる。
0003683978.tif 000002
【００１３】
そして、サンプリング周期毎にデータＤ（Ｎ）が入力され、ある時刻に入力されるデータをＤ（ｎ）とし、ｐサンプリング周期後に入力されるデータをＤ（ｎ＋ｐ）とし、更に、次段の最大入力許容値をMAXrefとすると、例えば、以下の（２），（３）に示す如く各乗算係数変更部Ｐ０〜Ｐ７における乗算係数ｐ０〜ｐ７が設定され、各変換テーブルＣに格納される。
【００１４】
0003683978.tif 000003
【００１５】
0003683978.tif 000004
【００１６】
そして、上記した（１）式によればOUT(n)は以下の通りとなる。
0003683978.tif 000005
0003683978.tif 000006
いま、Ｄ（ｎ＋８）がMAXrefよりも大きい値であるとすると、OUT(n)は以下の如くとなる。
【００１７】
0003683978.tif 000007
そして、上記の方法にて得られた各時刻におけるデータＤ（Ｎ）と各乗算係数列Ｃ（０）〜Ｃ（７）との関係を示すと、以下に示す表１の如くとなる。
【００１８】
【表１】
0003683978.tif 000008
【００１９】
つまり、このディジタルフィルタは、８ステップ遅延されるものであり、（４）式より理解されるように、各サンプリング点における入力信号の大きさが許容値以下の場合（｜Ｄ（ｎ＋８）｜≦MAXref）には、過去にサンプリングされた８ステップのデータのうち中央の値をそのまま出力する。即ち、係数Ｐ４のみが１であり、その他の係数（Ｐ０〜Ｐ３，Ｐ５〜Ｐ７）は全てゼロであるので、入力信号に過大な信号が含まれていないときには、４ステップ遅れた信号がそのまま出力されることになる。
【００２０】
また、あるサンプリング点における入力信号Ｄ（ｎ＋８）が許容値を越えた場合（｜Ｄ（ｎ＋８）｜＞MAXref）には、図１に示した減算器Ｍの減算処理により最大許容値を越えたことが識別され、各乗算係数変更部Ｐ０〜Ｐ７では係数テーブルＣから上記（５）式に示した係数を選択して乗算器Ｋ０〜Ｋ７に出力する。そして、（５）式から明かなように乗算器Ｋ０〜Ｋ７では許容値MAXrefを越えた入力信号Ｄ（ｎ＋８）に対して係数Ｐ７〜Ｐ０が順次乗じられ、その後加算器Ｓにて加算される。即ち、OUT(n+1)ではＤ（ｎ＋８）に係数Ｐ７（＝-0.015625）を乗じた値が加算され、OUT(n+2)ではＤ（ｎ＋８）に係数Ｐ６（＝-0.031250）を乗じた値が加算され、というように、順次入力信号Ｄ（ｎ＋８）に係数Ｐ７〜Ｐ０が乗じられて加算されることになる。これにより、入力信号Ｄ（ｎ＋８）に対するインパルス応答は、図３に示す特性曲線Ｓ２の如くとなり、最大許容値MAXrefを越えた入力信号（Ｓ１）に対して、その前後のレベルが徐々に小さくなるように変化し、入力信号の最大値が最大許容値MAXref付近となるように修正されることになる。この際、入力信号の振幅自体は変化しておらず、全体が下方に移動することにより、信号全体がダイナミックレンジ内に納まるように修正されることになる。従って、若干のスペクトラム（周波数成分）のずれが発生することになるが、許容値を越えた信号のエネルギー感はそのまま維持することができるので、楽音そのものには大きな影響を与えることはなく、歪みだけを防止することができるようになるのである。また、過大な入力信号が供給された際に、全体のレベルを下げることより信号全体をクリップすると同図に示す特性曲線Ｓ３の如くとなり、全体的に信号が小さくなってしまいエネルギー感を損なってしまうことが理解される。
【００２１】
図４は、振幅が最大許容値MAXrefを越える正弦波が入力されたときにおける出力の特性を示す説明図であり、同図において、曲線Ｓ４は入力信号、Ｓ５は遅延された入力信号、Ｓ６は出力信号をそれぞれ示している。図示のように出力信号Ｓ６は入力信号Ｓ４に対して所定時間だけ遅延され、許容値付近で折り畳まれる波形となっている。つまり、許容値を越える分が単に除去された波形とされているので、楽音的には入力信号を忠実に再現することはできない。従って、許容値を越える信号が連続して入力されるような場合には、本実施形態の飽和信号処理装置は有効ではないが、実際にこのような場合にはコンプレッサ等の手法を用いてボリュウムのレベルを下げることで信号の飽和を回避することができるので、大きな問題とはならない。
【００２２】
このようにして、本実施形態では、予め設定された最大許容入力値よりも大きな信号が入力された場合には、この信号の振幅を保持したまま許容範囲内に納まるように修正することができるので、入力信号の飽和を防止することができるようになる。従って、楽音のエネルギー感を失なわずに歪みを防止することができるようになる。
【００２３】
なお、上記実施形態では遅延器を用いたＦＩＲフィルタについて説明したが、オーバーサンプリング用のＦＩＲフィルタ（ローパスフィルタ）等に対して適用することも可能であることは自明である。また、上記実施形態は、ミキサの出力信号処理、ＤＡＣに入力されるディジタル信号の有効な語長がＤＡＣの入力語長より長い場合の処理、低い周波数に対して高いＱ値を要するイコライザー、ユーザーがシグナルフローのトポロジーに関与し得るユーザーインターフェイスを持つオシレータ、フィルタ、ミキサのうち少なくとも１つを含むシステム、スーパーウーファーのダイナミックレンジの拡大、画像のダイナミックレンジの拡大、電話等音声通話機器の音質改善、録音時に歪んでしまった録音テープの音質補正、など各種の分野で使用することが可能であり、この種の分野において極めて有用である。
【００２４】
また、信号入力信号がステレオのオーディオ信号である場合には、Ｒ信号及びＬ信号のうちいずれか一方の信号が飽和して上記の如くの飽和防止処理がなされた際には、Ｒ信号とＬ信号とのバランスを維持するように両者の乗算係数を同時に変更するように操作されるため、左右のバランスがくずれることが無い。
なお、上記実施形態においては、入力信号の絶対値が最大許容値を越えた場合には（２）式に示すように乗算係数を変更するように設定したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の数値に設定することが可能である。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、設定された許容値よりも絶対値が大きな信号が入力された場合には、この信号の振幅を保持したまま許容範囲内に納まるように信号が修正されるので、入力信号の飽和を防止することができるようになり、ひいては音響信号の歪みを防止することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態に係る飽和信号処理装置の構成を示すブロック図。
【図２】  乗算係数変更部の構成を示す説明図。
【図３】  インパルス信号が入力されたときの入力波形と、本実施形態に係る飽和信号処理を行った際の出力波形、及び過大信号をクリップした時の出力波形を示す説明図。
【図４】  振幅が最大許容値を越える正弦波が入力された際の入力波形と本実施形態に係る飽和信号処理を行った際の出力波形を示す説明図。
【符号の説明】
Ｚ０〜Ｚ７  遅延器
Ｋ０〜Ｋ７  乗算器
Ｐ０〜Ｐ７  乗算係数変更部
Ｍ  減算部
Ｎ  更新通知手段
Ｄ  遅延器
Ｃ  変換テーブル
【図１】
0003683978.tif 000009
【図２】
0003683978.tif 000010
【図３】
0003683978.tif 000011
【図４】
0003683978.tif 000012