(57)【要約】【課題】  演算処理に優れ、かつ歪みの小さなソフトクリップを実現可能な「ディジタル信号処理方式」を提供する。【解決手段】  本発明に係るディジタル信号処理方式は、入力ディジタル信号をｘ、ゲイン係数をｇ、出力ディジタル信号をＸとするとき、予め設定されたしきい値Ｐまでは、入力ディジタル信号ｘにゲイン係数ｇを乗算する線形処理を行い、しきい値Ｐを超える領域では、ゲイン係数ｇに応じた次数による非線形処理を行う。これにより歪みの小さなソフトクリップされた出力ディジタル信号Ｘを得る。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力ディジタル信号をｘ、ゲイン係数をｇ、出力ディジタル信号をＸとするとき、予め設定されたしきい値Ｐまでは、式（１）による演算を行い、しきい値Ｐを超えるときは、式（２）による演算を行う、ディジタル信号処理方式。
【数１】
2006114998.tif 000008
【数２】
2006114998.tif 000009
【請求項２】
しきい値Ｐは、任意の値に設定可能である、請求項１に記載のディジタル信号処理方式。
【請求項３】
出力ディジタル信号Ｘの最大振幅値（maxlevel）は、任意の値に設定可能である、請求項１に記載のディジタル信号処理方式。
【請求項４】
しきい値Ｐは、出力ディジタル信号Ｘの最大振幅値の関数である、請求項１に記載のディジタル信号処理方式。
【請求項５】
入力ディジタル信号ｘは、ディジタルオーディオ信号であり、ゲイン係数ｇは、ディジタルアンプのゲイン係数である、請求項１ないし４いずれかに記載のディジタル信号処理方式
【請求項６】
ディジタル信号を処理するためのディジタル信号処理方式であって、
入力ディジタル信号ｘを受け取る入力手段と、
予め設定されたしきい値Ｐを保持するしきい値保持手段と、
入力手段で受け取られた入力ディジタル信号ｘを、しきい値保持手段に保持されたしきい値Ｐと比較し、しきい値Ｐまでは式（１）による演算を行い、しきい値Ｐを超えるときは式（２）による演算を行う演算手段と、
を有するディジタル信号処理方式。
【数３】
2006114998.tif 000010
【数４】
2006114998.tif 000011
【請求項７】
入力ディジタル信号ｘは、ディジタルオーディオ信号であり、ゲイン係数ｇは、ディジタルアンプのゲイン係数である、請求項６に記載のディジタル信号処理方式
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディジタル信号処理方式に関し、特に、ディジタルアンプにおけるディジタルオーディオ信号のゲイン調整等の処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体技術やディジタル化技術の発展により、オーディオ装置、ナビゲーション装置、家電装置等において広くディジタル信号処理が行われている。アナログ信号処理の場合、回路特性や温度特性によるバラツキの問題があるのに対して、ディジタル信号処理は再現性が優れているが、その一方において、高精度の処理を実現しようとすれば、それに応じて、処理すべきデータ量が膨大となる。しかし、ＤＳＰ等の半導体処理装置によって、大量のデータをリアルタイムで処理することが可能となっており、ディジタル信号処理による理想的なアナログ信号波形を得ることが可能になりつつある。
【０００３】
本出願人は、例えば特許文献１に示すように、入力オーディオ信号のディジタル可変コンプレッサーに関する技術を開示している。これは、入力オーディオ信号をｘとするとき、以下の式（３）（以下、従来方式（３）という）の演算を行い、出力オーディオ信号Ｘに圧縮特性を付加するとともに、ｎ値を可変することにより圧縮特性を変化させるものである。
【数５】
2006114998.tif 000003
但し、指数値ｎは圧縮比を決める整数であり、｜ｘ｜は入力信号ｘの絶対値である。
【０００４】
従来方式（３）に示す演算を入力ディジタル信号ｘに施すことにより、出力ディジタル信号Ｘのゲインを調整し、かつ、すべての入力信号レベルに対してオーバーフローをさせることなくソフトクリップを実現することができる。しかも、従来方式（３）の処理をＤＳＰにより実行することで、出力ディジタル信号をリアルタイムで得ることができる。
【０００５】
【特許文献１】特許第３０５６８１５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
オーディオアンプにおいて、最大振幅値を超える出力となってしまうような大きなディジタルオーディオ信号が入力された場合、出力信号の最大振幅を超える部分はそのままホールド（クリップ）され、出力波形に歪みが生じ、そのために，聴感上ノイズが出たように聞こえてしまう。図８は、最大振幅値（maxlevel）を越えた部分において出力信号がクリップされた例を示している。
【０００７】
このような課題に対応するため、従来からソフトクリップと呼ばれる、出力信号がオーバーフローしないようになだらかにクリップする処理が提案されている。ソフトクリップは、例えば、入力ディジタル信号を非線形処理することにより、その出力信号が最大振幅値に収束するように波形をなだらかにするが、非線形処理の次数が高次になると、計算が非常に複雑化してしまう。特に、非線形処理を開始すべき点(しきい値)を算出することが困難となる。さらに、しきい値がゲインによって変化すると、オーディオ出力の音質がゲインによって変化してしまうという課題がある。
【０００８】
上記従来方式（３）は、上記したような課題を解決する技術を提案するものではない。さらに、従来方式（３）の信号処理をディジタルアンプに応用し、そのディジタルアンプの電源電圧によるゲインがＧ［ｄＢ］である場合、指数値ｎが１、２、３、４、・・・と可変すると、出力信号のゲインは、Ｇ、Ｇ＋６、Ｇ＋９、Ｇ＋１２、・・・［ｄＢ］となる。指数値ｎが２以上となると、そのゲインには歪みが含まれてしまう。例えば、指数値ｎが２であるとき、出力信号Ｘには、ｘ２の歪成分が重畳され、指数値ｎが３であるとき、さらにこれに加えてｘ３の歪成分が重畳される。このことは、特に、入力信号レベルが低い再生状態においても出力信号の歪率をより劣化させてしまう。歪率の劣化程度は、設定されるゲイン値すなわち指数値ｎにより変化するものの、概ね歪値が一桁程度大きくなってしまう。
【０００９】
本発明は、上記従来の課題を解決し、演算処理に優れ、かつ歪みの小さなソフトクリップを実現可能なディジタル信号処理方式を提供することを目的とする。
さらに本発明は、高音質のオーディオ出力を得ることができるディジタル信号処理方式を提供することを目的とする。
さらに本発明は、従来方式（３）よる処理よりも歪を低減することが可能なディジタル処理方式を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るディジタル信号処理方式は、入力ディジタル信号をｘ、ゲイン係数をｇ、出力ディジタル信号をＸとするとき、予め設定されたしきい値Ｐまでは、式（１）による演算を行い、しきい値Ｐを超えるときは、式（２）による演算を行うものである。すなわち、入力ディジタル信号ｘがしきい値Ｐ以下であれば、入力ディジタル信号ｘにゲイン係数ｇを乗じた線形処理を行い、しきい値ｐを越える領域では、ゲイン係数ｇに応じた次数ｎの非線形処理を行い、設定された最大振幅値にソフトクリップさせる。
【数６】
2006114998.tif 000004
【数７】
2006114998.tif 000005
【発明の効果】
【００１１】
本発明のディジタル信号処理方式によれば、入力ディジタル信号ｘを閾値Ｐまでは式（１）による線形処理を行い、閾値Ｐよりも大きな入力信号レベルのときに式（２）による非線形処理（ソフトクリップ処理）を行うようにしたので、入力信号レベルが低い範囲では、完全な線形処理により良好な歪性能を得ることができるとともに、入力信号レベルが高い範囲では、オーバーフローを起こすことなくソフトクリップを実現することができる。
【００１２】
さらに、入力ディジタル信号ｘに対し、線形処理と非線形処理を行うべき境界であるしきい値Ｐを予め設定するようにしたので、ディジタル信号の演算処理を効率良く行うことができる。また、しきい値Ｐを予め設定することで、ソフトクリップされるべき点を一定にすることが可能となり、ゲインの変化に対してオーディオ出力の音質を安定化させることができる。さらに、従来方式（３）の場合、そのステップ幅が正の実数のみ許される指数値ｎによって決定されるため、ゲイン値も、Ｇ＋６、Ｇ＋９、Ｇ＋１２・・・と離散した値しか得ることができなかったが、本発明では任意のゲイン値を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。本発明に係るディジタル信号の処理は、好ましくは乗算器等を備えた高速演算が可能なＤＳＰ（ディジタルシグナルプロセッサ）を用いて行われる。
【実施例】
【００１４】
図１は、本実施例に係るディジタル信号処理を行うＤＳＰの構成を示すブロック図である。ＤＳＰ１０は、データ空間とプログラム空間を備え、データ空間は、データバス２０に接続されたＩ／Ｏポート部２２、乗算器／ＡＬＵ部２４およびデータメモリ２６によって構成される。プログラム空間は、プログラムバス３０に接続された制御部３２およびプログラムメモリ３４によって構成される。
【００１５】
プログラムメモリ３４には、入力ディジタル信号についてソフトクリップに関する演算処理を実行させるためのプログラムが記憶されている。制御部３２はそのプログラムに従い、乗算器／ＡＬＵ部２４、データメモリ２６、Ｉ／Ｏポート部２２等を制御する。データメモリ２６には、ゲイン係数ｇ、しきい値Ｐ、および出力信号についての最大振幅値（maxlevel）が記憶されている。ゲイン係数ｇ、しきい値Ｐおよび最大振幅値は、任意に設定することが可能であり、例えばユーザが設定するようにしてもよい。
【００１６】
ゲイン係数ｇは、入力ディジタル信号に乗算される係数である。しきい値Ｐは、入力ディジタル信号について線形処理をするか、非線形処理をするかの境界点であり、しきい値Ｐ以下の入力ディジタル信号については線形処理のアルゴリズムが実行され、しきい値Ｐよりも大きい入力ディジタル信号については非線形のアルゴリズムが実行される。また、最大振幅値は、出力信号の最大の振幅レベルであり、出力信号は最大振幅レベルにおいてクリップされることになる。好ましくは、しきい値Ｐは、最大出力値（maxlevel）／２とし、最大振幅値の半分（−６ｄＢ）から非線形処理が行われるようにする。
【００１７】
ＤＳＰ１０は、Ｉ／Ｏポート２２に入力されたディジタル信号ｘを、下記の式（１）および（２）に従い乗算器／ＡＬＵ部２４において演算処理を行い、Ｉ／Ｏポート２２から出力ディジタル信号Ｘとして出力する。
【数８】
2006114998.tif 000006
【数９】
2006114998.tif 000007
【００１８】
図２は、上記式（１）および（２）の動作を説明するための機能ブロックであり、図３はその動作フローチャートを示す図である。入力ディジタル信号ｘがＤＳＰ１０のＩ／Ｏポート２２に入力されると（ステップＳ１０１）、処理判定部５０は、予め設定されているゲイン係数ｇ、しきい値Ｐおよび最大振幅値を、それぞれゲイン係数保持部５２、しきい値保持部５４および最大振幅値保持部５６から読出す（ステップＳ１０２）。これらの保持部は、データメモリ２６の所定のアドレス領域が割り当てられている。
【００１９】
次に、処理判定部５０は、入力ディジタル信号ｘとしきい値Ｐとを比較し（ステップＳ１０３）、入力ディジタル信号ｘがしきい値Ｐ以下であれば、線形処理部５８に対して動作可能を示す指示５０ａを与える。これにより、線形処理部５８は、上記（１）式に従い、入力ディジタル信号ｘにゲイン係数ｇを乗算する線形処理を行う（ステップＳ１０４）。
【００２０】
入力ディジタル信号ｘがしきい値Ｐより大きいとき、処理判定部５０は、非線形処理部６０に対して動作可能を示す指示５０ｂを与える。非線形処理部６０は、ゲイン係数ｇが２よりも小さい（１＜ｇ＜２）とき、式（２）の指数値ｎ＝２の非線形処理を行い、ゲイン係数ｇが２以上であるときは、ゲイン係数に応じた指数値ｎの非線形処理を行う（ステップＳ１０５）。以上の線形および非線形処理による演算は、ＤＳＰ１０によりほぼリアルタイムで実行され、Ｉ／Ｏポート２２からソフトクリップ処理されたディジタル信号Ｘが出力される（ステップＳ１０６）。
【００２１】
以上のディジタル信号処理により、最大振幅値（maxlevel）＝１０-15/20、しきい値Ｐ＝最大振幅値／２、としたときの処理結果を図４ないし図６に示す。図４は、ゲイン係数ｇ＝１０-14/20、指数値ｎ＝１、図５は、ゲイン係数ｇ＝１０-11/20、指数値ｎ＝２、図６は、ゲイン係数ｇ＝１０-5/20、指数値ｎ＝３を示している。なお、縦軸は、出力ディジタル信号をアナログ信号に変換したときに得られる出力信号の振幅レベル、横軸は時間軸を示している。
【００２２】
例えば図４を参照すると、しきい値Ｐを境界に、しきい値Ｐ以下は線形処理による出力波形であり、しきい値Ｐを越える部分は非線形処理による出力波形であり、この波形は、しきい値Ｐから最大振幅値に向けてソフトクリップされている。線形処理および非線形処理の境界であるしきい値Ｐは、ほぼ連続的に結合されている。また、図５および図６からも明らかなように、指数値ｎが増加するに従い、しきい値Ｐの境界点の結合は、より滑らかになる。
【００２３】
このように、しきい値Ｐ以下のレベルが低い状態では、式（１）による完全な線形による処理が行われるため、出力信号の歪が極めて小さくなり、しきい値Ｐを越えるレベルでは、式（２）による非線形処理により、ひずみの少ない滑らかなソフトクリップ波形を実現することができる。しきい値Ｐおよび最大振幅値を任意の値に設定し、これにより式（２）に定数を与えることで、高次次数の非線形処理の演算が極めて容易に行うことができる。また、しきい値Ｐを最大振幅値との関係で一定に設定することで、ゲイン係数の変化にかかわらず、ソフトクリップが開始されるレベルを一定にすることが可能である。さらに、従来方式（３）による処理演算の場合には、指数値ｎが正の整数のみ許容されるため、出力信号のゲインがＧ＋６、Ｇ＋９、Ｇ＋１２・・・［ｄＢ］のステップ幅に制限されていたが、本実施例ではその間の任意のゲインを得ることも可能となる。
【００２４】
図７は、本実施例によるディジタル信号処理を、ディジタルアンプに適用した例を示すブロック図である。ディジタルアンプ１００は、音量調整部１１０、ゲイン調整部１２０、ゲイン係数設定部１３０、ＰＷＭ部１４０および駆動部１５０を含んで構成される。ＣＤ、ＤＶＤ等の記録媒体から光学的に読取られ、Ａ／Ｄ変換されたｍビットのディジタルオーディオ信号ｘが音量調整部１１０に入力され、ここで、ユーザからの音量指示に応じたディジタルオーディオ信号に可変される。
【００２５】
ゲイン調整部１２０は、上記した本実施例に係る式（１）および（２）のディジタル信号処理を実行する部分である。係数設定部１３０は、ゲイン係数ｇ、しきい値Ｐ、および最大振幅値を保持する。ゲイン係数ｇは、ユーザからの指示によって可変することも可能であるし、また、外部の騒音レベルに応じて自動的にゲイン係数ｇを可変することも可能である。しきい値Ｐおよび最大振幅値は、それぞれユーザが設定することが可能であるが、しきい値Ｐと最大振幅値との間に一定の関係を成立させておけば、いずれか一方の値のみを設定するようにしてもよい。ＰＷＭ部１４０は、ディジタル信号に応じたデューテイ比のＰＷＭ信号を発生し、駆動部１５０は、ＰＷＭ信号に対応して選択的にスピーカーを駆動するスイッチング動作を行う。
【００２６】
ゲイン調整部１２０は、音量調整部１１０から入力されたオーディオディジタル信号のレベルに応じてゲインを調整することができる。特に、音量レベルが小さな信号とき、ゲイン調整部１２０は入力信号の線形処理を行うことができるため、その歪みを非常に小さく抑えることができる。さらに、しきい値Ｐを設定することで、ゲイン係数ｇが異なる場合であっても、一定のレベルからソフトクリップを働かせることができ、ゲイン毎に音色が異なるような不具合を抑制することができる。このように、本実施例に係るディジタル信号処理方式をディジタルアンプのゲイン調整部１２０に適用することで、アナログ方式に近い優れたオーディオ出力信号を得ることができる。
【００２７】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明に係るディジタル信号処理方式は、あらゆるディジタル信号の処理に適用可能である。ディジタル信号処理を行うオーディオ装置、家電装置、ナビゲーション装置等のディジタル機器において利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施例に係るディジタル信号処理を実行するためのＤＳＰのブロック図である。
【図２】本実施例に係るディジタル信号処理の機能ブロックである。
【図３】本実施例に係るディジタル信号処理方式の動作フローを示す図である。
【図４】本実施例に係るディジタル信号処理による出力信号波形例を示す図である。
【図５】本実施例に係るディジタル信号処理による出力信号波形例を示す図である。
【図６】本実施例に係るディジタル信号処理による出力信号波形例を示す図である。
【図７】本実施例を適用したディジタルアンプのブロック図である。
【図８】オーディオアンプにおけるソフトクリップを示す波形図である
【符号の説明】
【００３０】
１０：ＤＳＰ
５０：処理判定部
５２：ゲイン係数保持部
５４：しきい値保持部
５６：最大振幅値保持部
５８：線形処理部
６０：非線形処理部
【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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