(57)【要約】【課題】  音楽などのオーディオ信号再生中には高音質を保ちながら、かつ無音状態に遷移したときに歪のない安定した１ビット信号を確保することができるデルタシグマ変調装置を提供する。【解決手段】  検出器３４は、入力信号から所定パターンとしてミュートパターンを表す固定パターン及び所定時間継続する０レベルを検出する。切り換えスイッチ３３は、検出器３４における検出結果に基づいてランダムノイズ発生器３２からのランダムノイズ信号の量子化器３０への供給と供給停止とを切り換える。切り換えスイッチ３３は、検出器３４が上記所定パターンを検出したときにはランダムノイズ発生器３２が発生したランダムノイズ信号を量子化器３０へ供給し、検出器３４が上記所定パターンを検出しないときには上記ランダムノイズ信号の量子化器３０への供給を停止する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号に対してデルタシグマ変調処理を施して１ビットデジタル信号を出力するデルタシグマ変調装置において、
上記入力信号に積分処理を施す積分手段と、
上記積分手段からの積分出力を量子化する量子化手段と、
上記積分手段の積分出力に基づいてゲインが調整されたランダムノイズ信号を発生するランダムノイズ発生手段と、
上記入力信号から所定パターンを検出する検出手段と、
上記検出手段における検出結果に基づいて上記ランダムノイズ発生手段からの上記ランダムノイズ信号の上記量子化手段への供給と供給の停止とを切り換える切り換え手段と
を備えることを特徴とするデルタシグマ変調装置。
【請求項２】
上記切り換え手段は、上記検出手段が上記所定パターンを検出したときには上記ランダムノイズ発生手段が発生したランダムノイズ信号を上記量子化手段へ供給し、上記検出手段が上記所定パターンを検出しないときには上記ランダムノイズ信号の上記量子化手段への供給を停止することを特徴とする請求項１記載のデルタシグマ変調装置。
【請求項３】
上記検出手段は、上記所定パターンとしてミュートパターンを表す固定パターン及び所定時間継続する0レベルを検出することを特徴とする請求項１記載のデルタシグマ変調装置。
【請求項４】
上記入力信号に対して演算係数を用いて演算制御処理を施す係数演算手段をさらに有し、上記検出手段は上記係数演算手段の演算出力から上記所定パターンを検出することを特徴とする請求項１記載のデルタシグマ変調装置。
【請求項５】
上記ランダムノイズ発生手段が上記切り換え手段を介して上記量子化手段に供給するランダムノイズ信号は、上記量子化手段における量子化処理にて参照される閾値レベルを時間軸に対して相対的に可変制御するのと等価になるように、上記量子化手段に供給されることを特徴とする請求項１記載のデルタシグマ変調装置。
【請求項６】
入力信号に対してデルタシグマ変調処理を施して１ビットデジタル信号を出力するデルタシグマ変調装置において、
上記入力信号に積分処理を施す積分手段と、
上記積分手段からの積分出力を量子化する量子化手段と、
上記入力信号から所定パターンを検出する検出手段と、
上記検出手段における検出結果に基づいて上記量子化手段における量子化閾値を制御する制御手段と
を備えることを特徴とするデルタシグマ変調装置。
【請求項７】
上記積分手段の積分出力に基づいてゲインが調整されたランダムノイズ信号を発生するランダムノイズ発生手段をさらに備え、上記制御手段は上記検出手段が上記所定パターンを検出したときには上記ランダムノイズ発生手段に供給するゲインを、上記量子化手段における量子化処理にて参照する閾値レベルを時間軸に対して相対的に可変制御するのと等価に制御し、上記検出手段が上記所定パターンを検出しないときには上記ゲインを０とすることを特徴とすることを特徴とする請求項６記載のデルタシグマ変調装置。
【請求項８】
上記検出手段は、上記所定パターンとしてミュートパターンを表す固定パターン及び所定時間継続する０レベルを検出することを特徴とする請求項６記載のデルタシグマ変調装置。
【請求項９】
上記入力信号に対して演算係数を用いて演算制御処理を施す係数演算手段をさらに有し、上記検出手段は上記係数演算手段の演算出力から上記所定パターンを検出することを特徴とする請求項６記載のデルタシグマ変調装置。
【請求項１０】
上記積分手段は、カスケード接続された複数段の積分器から構成され、上記量子化手段は直前に接続される最終段の積分器の積分出力に量子化処理を施すことを特徴とする請求項１又は６記載のデルタシグマ変調装置。
【請求項１１】
上記積分手段はカスケード接続された複数ｍ（ｍは２以上の自然数）段の積分器から構成され、かつ上記係数演算手段はｍ＋１個の係数演算器から構成されてなり、上記検出手段は何れか一つの係数演算器の演算出力から上記所定パターンを検出することを特徴とする請求項４又は９記載のデルタシグマ変調装置。
【請求項１２】
入力信号に対してデルタシグマ変調処理を施して１ビットデジタル信号を出力するデルタシグマ変調方法において、
上記入力信号に積分処理を施す積分工程と、
上記積分工程からの積分出力を量子化する量子化工程と、
上記積分工程の積分出力に基づいてゲインが調整されたランダムノイズ信号を発生するランダムノイズ発生工程と、
上記入力信号から所定パターンを検出する検出工程と、
上記検出工程における検出結果に基づいて上記ランダムノイズ発生工程からの上記ランダムノイズ信号の上記量子化工程への供給と供給停止とを切り換える切り換え工程と
を備えることを特徴とするデルタシグマ変調方法。
【請求項１３】
上記切り換え工程は、上記検出工程が上記所定パターンを検出したときには上記ランダムノイズ発生工程が発生したランダムノイズ信号を上記量子化工程へ供給し、上記検出工程が上記所定パターンを検出しないときには上記ランダムノイズ信号の上記量子化工程への供給を停止することを特徴とする請求項１２記載のデルタシグマ変調方法。
【請求項１４】
上記検出工程は、上記所定パターンとしてミュートパターンを表す固定パターン及び所定時間継続する０レベルを検出することを特徴とする請求項１２記載のデルタシグマ変調方法。
【請求項１５】
上記入力信号に対して演算係数を用いて演算制御処理を施す係数演算工程をさらに有し、上記検出工程は上記係数演算工程の演算出力から上記所定パターンを検出することを特徴とする請求項１２記載のデルタシグマ変調方法。
【請求項１６】
上記ランダムノイズ発生工程が上記切り換え工程を介して上記量子化工程に供給するランダムノイズ信号は、上記量子化工程における量子化処理にて参照される閾値レベルを時間軸に対して相対的に可変制御するのと等価になるように、上記量子化工程に供給されることを特徴とする請求項１２記載のデルタシグマ変調方法。
【請求項１７】
入力信号に対してデルタシグマ変調処理を施して１ビットデジタル信号を出力するデルタシグマ変調方法において、
上記入力信号に積分処理を施す積分工程と、
上記積分工程からの積分出力を量子化する量子化工程と、
上記入力信号から所定パターンを検出する検出工程と、
上記検出工程における検出結果に基づいて上記量子化工程における量子化閾値を制御する制御工程と
を備えることを特徴とするデルタシグマ変調方法。
【請求項１８】
上記積分工程の積分出力に基づいてゲインが調整されたランダムノイズ信号を発生するランダムノイズ発生工程をさらに備え、上記制御工程は上記検出工程が上記所定パターンを検出したときには上記ランダムノイズ発生工程に供給するゲインを、上記量子化工程における量子化処理にて参照する閾値レベルを時間軸に対して相対的に可変制御するのと等価に制御し、上記検出工程が上記所定パターンを検出しないときには上記ゲインを０とすることを特徴とすることを特徴とする請求項１７記載のデルタシグマ変調方法。
【請求項１９】
上記検出工程は、上記所定パターンとしてミュートパターンを表す固定パターン及び所定時間継続する０レベルを検出することを特徴とする請求項１７記載のデルタシグマ変調方法。
【請求項２０】
上記入力信号に対して演算係数を用いて演算制御処理を施す係数演算工程をさらに有し、上記検出工程は上記係数演算工程の演算出力から上記所定パターンを検出することを特徴とする請求項１７記載のデルタシグマ変調方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アナログ入力信号又は複数ビットのデジタル入力信号にデルタシグマ（ΔΣ）変調処理を施して１ビットデジタル信号を生成するデルタシグマ変調装置及びデルタシグマ変調方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ΔΣ変調された１ビット・オーディオ信号は、従来のデジタルオーディオに使われてきたデータのフォーマット（例えばサンプリング周波数が44.1KHz、データ語長が16ビット）に比べて、非常に高いサンプリング周波数と短いデータ語長（例えばサンプリング周波数が44.1KHzの64倍、データ語長が１ビット）であり、伝送可能周波数帯域が広いことを特長としている。また、ΔΣ変調により１ビット信号であっても、64倍というオーバーサンプリング周波数に対して低域であるオーディオ帯域において、高いダイナミックレンジをも確保できる。この特徴を活かして高音質のレコーダーやデータ伝送に応用することができる。
【０００３】
ΔΣ変調回路自体はとりわけ新しい技術ではなく、回路構成がIC化に適していて、また比較的簡単にAD変換の精度を得ることができることから、従来からADコンバータの内部などでよく用いられている回路である。また、ΔΣ変調された信号は、簡単なアナログローパスフィルターを通すことによって、アナログオーディオ信号に戻すことができる。
【０００４】
ところで、従来から、ΔΣ変調装置では、フィードバック系を持つ回路の構成上から、入力信号として規則的なある一定周期を持ったものが入ってしまうと、内部で同じ信号が繰り返されることになるので、出力に歪みがあったり、不安定な信号が出力されてしまう。
【０００５】
図１１には、従来から知られているΔΣ変調装置１００の構成を示す。このΔΣ変調装置１００は、５つの積分器１０９、１１１、１１３、１１５及び１１７を備えた５次のΔΣ変調装置である。各積分器は、加算器と遅延器により構成されている。例えば、積分器１０９は、加算器１０９ａと遅延器１０９ｂを備える。
【０００６】
入力端子１０１から入力した入力信号は、係数演算器１０２、１０３、１０４、１０５、１０６及び１０７に同時に供給される。係数演算器１０２、１０３、１０４、１０５、１０６及び１０７は、例えば入力信号にゲイン制御処理、フィルタ制御処理のような演算制御処理を施すものであり、各演算制御処理のためのフィードフォワード係数ff0、ff1、ff2、ff3、ff4及びff5を所持している。
【０００７】
係数演算器１０２、１０３、１０４、１０５及び１０６により上記フィードフォワード係数ff0、ff1、ff2、ff3及びff4が演算された各演算制御出力は、上記各積分器１０９、１１１、１１３、１１５及び１１７の各加算器１０９ａ、１１１ａ、１１３ａ、１１５ａ及び１１７ａに供給される。係数演算器１０７によりフィードフォワード係数ff5が演算された演算制御出力は、積分器１１７の積分出力に加算器１１８にて加算される。加算器１１８の加算出力は、量子化器１１９に供給される。
【０００８】
量子化器１１９は、上記加算出力に量子化処理を施し、量子化出力を出力端子１２５に供給するとともに、量子化出力を後述する係数演算器１２０、１２１、１２２、１２３及び１２４にフィードバックする。量子化器１１９は、時間に対して不変で常に０である閾値を参照して上記加算出力に量子化処理を施して１ビット出力信号を生成する。すなわち、この量子化器１１９は、入力信号である上記加算出力に対して０を境に、０以上と０未満で２値のレベルを判定し、量子化処理を施している。
【０００９】
各係数演算器１２０、１２１、１２２、１２３及び１２４は、上記量子化出力を上記各積分器１０９、１１１、１１３、１１５及び１１７にフィードバックする際のフィードバック係数fb0、fb1、fb2、fb3及びfb4を保持している。上記各係数演算器１２０、１２１、１２２、１２３及び１２４の演算出力は、上記各積分器１０９、１１１、１１３、１１５及び１１７の前に設けられた加算器１０８、１１０、１１２、１１４及び１１６に供給されることによって各積分器にフィードバックされる。
【００１０】
例えば、減衰制御処理や、フェードイン、フェードアウトのようなゲイン制御処理の場合には、係数演算器１０２、１０３、１０４、１０５、１０６及び１０７の上記フィードフォワード係数ff0、ff1、ff2、ff3、ff4及びff5が図示しないコントローラにより決定されて入力信号のゲインが制御される。
【００１１】
また、所望の周波数帯域だけを通過、或いはカットするようなフィルタ制御処理の場合は、係数演算器１０２、１０３、１０４、１０５、１０６及び１０７の上記フィードフォワード係数ff0、ff1、ff2、ff3、ff4及びff5と、各係数演算器１２０、１２１、１２２、１２３及び１２４の上記フィードバック係数fb0、fb1、fb2、fb3及びfb4がコントローラにより決定されて入力信号にフィルタ制御処理が施される。
【００１２】
この図１１に示した５次のΔΣ変調装置１００では、積分器の出力とその量子化値の差分を帰還する構成上から、入力信号に固定パターンと呼ばれる規則性の繰り返しのある信号が入力された場合や、ΔΣ変調器の入力をオープンにした時などの０レベルが入力された場合に、ΔΣ変調器の出力に歪を生じさせてしまったり、または安定してない信号を出力してしまう。
【００１３】
図１２は入力に固定パターンが入力された場合の128fs（fs=44.1kHz）１ビット出力信号の周波数分析結果を示す。図１３は入力に０レベルが入力された場合の128fs（fs=44.1kHz）１ビット出力信号の周波数分析結果を示す。ある固定パターンが入力された場合や０レベル入力が行なわれた場合に積分器の出力とその量子化値の差分を帰還する構成上から、ΔΣ変調装置の特徴であるノイズシェーピングがかからず、歪があったりまたは安定してない信号が出力されてしまうことを示している。
【００１４】
これらを回避するために、従来では、ΔΣ変調装置の入力側、例えば図１１のΔΣ変調装置１００においては加算器１０８を介して、ランダムノイズ信号を入れていた。また、ΔΣ変調装置内の量子化前にランダムな成分を入れて、固定パターン成分を無くすのが一般的だった。
【００１５】
しかし、ランダムな成分を入れることにより、特性が悪化してしまうデメリットもある為、本件出願人による特開２００２−３１４４２５号公報（特願２００１−１５７９４７）にて開示のように、適量のランダムな成分を算出して、等価的に量子化器に入力する方法もある。上記特開２００２−３１４４２５によるデルタシグマ変調装置は、算出した適量のランダムな成分を、等価的に量子化器に入力するために、量子化器における量子化処理にて参照する閾値レベルを時間軸に対して相対的に可変に制御する構成であった。
【００１６】
図１４は、特開２００２−３１４４２５号公報にて開示された適量ランダム成分を用いたデルタシグマ変調装置１３０の構成例を示す図である。このΔΣ変調装置１３０は、５つの積分器１３９、１４１、１４３、１４５及び１４７を備えた５次のΔΣ変調装置である。各積分器は、加算器と遅延器により構成されている。例えば、積分器１３９は、加算器１３９ａと遅延器１３９ｂを備える。
【００１７】
このデルタシグマ変調装置１３０では、CH1〜CH6までの１ビットオーディオデータによるマルチチャンネルオーディオ信号が図示しないディスク再生装置により、例えばスーパーオーディオCD（SA-CD）のような光ディスク１３１から再生されて、係数演算器１３２、１３３、１３４、１３５、１３６及び１３７に同時に供給される。係数演算器１３２、１３３、１３４、１３５、１３６及び１３７は、上記6CHのマルチチャンネルオーディオ信号にゲイン制御処理、フィルタ制御処理、或いはミックス制御処理のような演算制御処理を施すものであり、各演算制御処理のための係数b0、b1、b2、b3、b4及びb5を所持している。例えば、ミックス制御処理の場合には、後述のコントローラ１５８により上記係数b0、b1、b2、b3、b4及びb5が決定されてマルチチャンネル信号をミキシングする。
【００１８】
係数演算器１３２、１３３、１３４、１３５及び１３６により上記係数b0、b1、b2、b3及びb4が演算された各演算制御出力は、上記各積分器１３９、１４１、１４３、１４５及び１４７の各加算器１３９ａ、１４１ａ、１４３ａ、１４５ａ及び１４７ａに供給される。係数演算器１３７により係数b5が演算された演算制御出力は、積分器１４７の積分出力に加算器１４８にて加算される。加算器１４８の加算出力は、量子化器１５０の前に設けた加算器１４９に供給される。
【００１９】
加算器１４９には、ディザ信号のようなランダムノイズ信号を発生するランダムノイズ発生器１５２にて適量にセットされたランダムノイズ信号も供給される。このため、加算器１４９は、加算器１４８の加算出力に適量の上記ランダムノイズ信号を加えて量子化器１５０に供給する。
【００２０】
ランダムノイズ信号発生器１５２は、最終段の積分器１４７の積分出力に基づいてゲインが適量にセットされたランダムノイズ信号を上記加算器１４９を介して量子化器１５０に供給している。構成としては、ゲイン算出器１５１が最終段の積分器１４７の積分出力に基づいて算出したゲインをランダムノイズ発生器１５２にセットしている。
【００２１】
ゲイン算出器１５１は、ランダムノイズ信号Rnの絶対値が最終段積分器１４７内部の信号の振幅に基づいた可変閾値Δq以下、つまり（|Rn|≦Δq）となるように、ランダムノイズ信号Rnに掛け算するゲインを調整して算出する。
【００２２】
このようにゲインが調整されたランダムノイズ信号Rnを、加算器１４９により最終段積分器１４７の積分出力に加算し、その加算出力信号を量子化器１５０により量子化する。
【００２３】
ゲイン算出器１５１が算出した上記適量のゲインは、時間に対して可変する量子化器のスレッシュホールド±Δqと等しい。この可変閾値Δqは、最終段積分器１４７内部の信号の振幅に基づいて算出する。具体的には最終段の積分器１４７内部で生成される信号の振幅の最大値Dendに所定の定数Sαを掛け算した値SαDendを可変閾値Δqとしている。
【００２４】
図１５には、時間に対して可変なスレッシュホールドを用いた量子化器の概念図を示す。±Δqは、量子化器の±1.0に対して、例えば75%以内の量が適量となる。それを超える量を入力する場合は、デルタシグマ変調が不安定になり、歪みが抑制できなくなる。
【００２５】
量子化器１５０は、上記適量のランダムノイズ信号が加えられた加算出力に量子化処理を施し、その量子化出力を出力端子１５９に供給するとともに、量子化出力を後述する係数演算器１５３、１５４、１５５、１５６及び１５７にフィードバックする。
【００２６】
各係数演算器１５３、１５４、１５５、１５６及び１５７は、上記量子化出力を上記各積分器１３９、１４１、１４３、１４５及び１４７にフィードバックする際のフィードバック係数a0、a1、a2、a3及びa4を保持している。各係数演算器１５３、１５４、１５５、１５６及び１５７の演算出力は、上記各積分器１３９、１４１、１４３、１４５及び１４７の前に設けられた加算器１３８、１４０、１４２、１４４及び１４６に供給されることによって各積分器にフィードバックされる。以上に説明した構成の図１４に示したΔΣ変調装置１３０は、入力信号に対して最適な可変閾値レベルで量子化を施すことができる。
【００２７】
【特許文献１】特開２００２−３１４４２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
ところで、図１４に示したΔΣ変調装置１３０にあっては、入力信号が所定時間の固定パターンや０レベルであるような無音状態だけでなく音楽などのオーディオ信号再生中にも、ゲイン算出器１５１で算出した適量なランダムな成分を、量子化器に等価的に入力していた。このため、無音状態の場合には、歪みの無い安定した１ビット信号を確保することができるが、無音状態以外の音楽などのオーディオ信号再生中にもランダムな成分を加えることになるので、必ずしも高音質を保つというわけにはいかなかった。
【００２９】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、音楽などのオーディオ信号再生中には高音質を保ちながら、かつ無音状態に遷移したときに歪のない安定した１ビット信号を確保することができるデルタシグマ変調装置及びデルタシグマ変調方法の提供を目的とする。また、同様にして、無音から音楽などのオーディオ信号再生したときにでも高音質を保つことができるデルタシグマ変調装置及びデルタシグマ変調方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
本発明に係るデルタシグマ変調装置は、上記課題を解決するために、入力信号に対してデルタシグマ変調処理を施して１ビットデジタル信号を出力するデルタシグマ変調装置において、上記入力信号に積分処理を施す積分手段と、上記積分手段からの積分出力を量子化する量子化手段と、上記積分手段の積分出力に基づいてゲインが調整されたランダムノイズ信号を発生するランダムノイズ発生手段と、上記入力信号から所定パターンを検出する検出手段と、上記検出手段における検出結果に基づいて上記ランダムノイズ発生手段からの上記ランダムノイズ信号の上記量子化手段への供給と供給の停止とを切り換える切り換え手段とを備える。
【００３１】
切り換え手段は、上記検出手段が上記所定パターンとしてミュートパターンを表す固定パターン及び所定時間継続する0レベルを検出したときには上記ランダムノイズ発生手段が発生したランダムノイズ信号を上記量子化手段へ供給し、上記検出手段が上記所定パターンを検出しないときには上記ランダムノイズ信号の上記量子化手段への供給を停止する。
【００３２】
本発明に係るデルタシグマ変調装置は、上記課題を解決するために、入力信号に対してデルタシグマ変調処理を施して１ビットデジタル信号を出力するデルタシグマ変調装置において、上記入力信号に積分処理を施す積分手段と、上記積分手段からの積分出力を量子化する量子化手段と、上記入力信号から所定パターンを検出する検出手段と、上記検出手段における検出結果に基づいて上記量子化手段における量子化閾値を動的に制御する制御手段とを備える。
【００３３】
このデルタシグマ変調装置は、上記積分手段の積分出力に基づいてゲインが調整されたランダムノイズ信号を発生するランダムノイズ発生手段をさらに備える。このため、上記検出手段が上記所定パターンとしてミュートパターンを表す固定パターン及び所定時間継続する0レベルを検出したとき、上記制御手段は上記ランダムノイズ発生手段に供給するゲインを、上記量子化手段における量子化処理にて参照する閾値レベルを時間軸に対して相対的に可変制御するのと等価に制御し、上記所定パターンを検出しないときには、上記ゲインを０とする。
【００３４】
本発明に係るデルタシグマ変調方法は、上記課題を解決するために、入力信号に対してデルタシグマ変調処理を施して１ビットデジタル信号を出力するデルタシグマ変調方法において、上記入力信号に積分処理を施す積分工程と、上記積分工程からの積分出力を量子化する量子化工程と、上記積分工程の積分出力に基づいてゲインが調整されたランダムノイズ信号を発生するランダムノイズ発生工程と、上記入力信号から所定パターンを検出する検出工程と、上記検出工程における検出結果に基づいて上記ランダムノイズ発生工程からの上記ランダムノイズ信号の上記量子化工程への供給と供給停止とを切り換える切り換え工程とを備える。
【００３５】
切り換え工程は、上記検出工程が上記所定パターンとしてミュートパターンを表す固定パターン及び所定時間継続する０レベルを検出したときには上記ランダムノイズ発生工程が発生したランダムノイズ信号を上記量子化工程へ供給し、上記検出工程が上記所定パターンを検出しないときには上記ランダムノイズ信号の上記量子化工程への供給を停止する。
【００３６】
本発明に係るデルタシグマ変調方法は、上記課題を解決するために、入力信号に対してデルタシグマ変調処理を施して１ビットデジタル信号を出力するデルタシグマ変調方法において、上記入力信号に積分処理を施す積分工程と、上記積分工程からの積分出力を量子化する量子化工程と、上記入力信号から所定パターンを検出する検出工程と、上記検出工程における検出結果に基づいて上記量子化工程における量子化閾値を制御する制御工程とを備える。
【００３７】
このデルタシグマ変調方法は、上記積分工程の積分出力に基づいてゲインが調整されたランダムノイズ信号を発生するランダムノイズ発生工程をさらに備える。このため、上記検出工程が上記所定パターンとしてミュートパターンを表す固定パターン及び所定時間継続する0レベルを検出したとき、上記制御工程は上記ランダムノイズ発生工程に供給するゲインを、上記量子化工程における量子化処理にて参照する閾値レベルを時間軸に対して相対的に可変制御するのと等価に制御し、上記所定パターンを検出しないときには、上記ゲインを０とする。
【発明の効果】
【００３８】
本発明に係るデルタシグマ変調装置及びデルタシグマ変調方法によれば、音楽再生中には高音質を保ちながら、無音状態に遷移したときに歪のない安定した１ビット信号を確保することができる。また、同様にして、無音から音楽再生したときにでも高音質を保つことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。この実施の形態は、入力信号に対してデルタシグマ変調処理を施して１ビットデジタル信号を出力する、図１のデルタシグマ変調装置１０であり、後述する５つの積分器１９、２１、２３、２５及び２７を有する積分部と、積分部からの積分出力を量子化する量子化器３０と、積分部の積分出力に基づいてゲイン算出器３１によりゲインが調整されたランダムノイズ信号を発生するランダムノイズ発生器３２と、入力信号から所定パターンとしてミュートパターンを表す固定パターン及び所定時間継続する０レベルを検出する検出器３４と、検出器３４における検出結果に基づいてランダムノイズ発生器３２からのランダムノイズ信号の量子化器３０への供給と供給の停止とを切り換える（供給のオン又はオフを切り換える）切り換えスイッチ３３とを備える。
【００４０】
切り換えスイッチ３３は、検出器３４が上記所定パターンを検出したときにはランダムノイズ発生器３２が発生したランダムノイズ信号を量子化器３０へ供給し、検出器３４が上記所定パターンを検出しないときには上記ランダムノイズ信号の量子化器３０への供給を停止する。
【００４１】
以下、詳細にΔΣ変調装置１０の構成を説明する。図１において、５つの積分器１９、２１、２３、２５及び２７は、加算器１９ａ、２１ａ、２３ａ、２５ａ及び２７ａと、遅延器１９ｂ、２１ｂ、２３ｂ、２５ｂ及び２７ｂにより構成されている。
【００４２】
このΔΣ変調装置１０には、CH1〜CH6までの１ビットオーディオデータによるマルチチャンネルオーディオ信号が入力される。CH1〜CH6までのマルチチャンネルオーディオ信号は、図示しないディスク再生装置により、例えばスーパーオーディオCD（SA-CD）のような光ディスク１１から再生され、係数演算器１２、１３、１４、１５、１６及び１７に同時に入力される。
【００４３】
係数演算器１２、１３、１４、１５、１６及び１７は、上記6CHのマルチチャンネルオーディオ信号にゲイン制御処理、フィルタ制御処理、或いはミックス制御処理のような演算制御処理を施すものであり、各演算制御処理のための係数b0、b1、b2、b3、b4及びb5を所持している。例えば、ミックス制御処理の場合には、後述のコントローラ３５により上記係数b0、b1、b2、b3、b4及びb5が決定されてマルチチャンネル信号をミキシングする。
【００４４】
係数演算器１２、１３、１４、１５及び１６により上記係数b0、b1、b2、b3及びb4が演算された各演算制御出力は、上記各積分器１９、２１、２３、２５及び２７の各加算器１９ａ、２１ａ、２３ａ、２５ａ及び２７ａに供給される。係数演算器１７により係数b5が演算された演算制御出力は、積分器２７の積分出力に加算器２８にて加算される。加算器２８の加算出力は、量子化器３０の前に設けた加算器２９に供給される。
【００４５】
加算器２９には、上記ランダムノイズ発生器３２からゲインが適量に調整されたディザ信号、ピンクノイズ信号、或いは高域成分を落としたノイズ信号のようなランダムノイズ信号も供給される。このため、加算器２９は、加算器２８の加算出力に、上記ゲインが適量に調整されたランダムノイズ信号を加えて量子化器３０に供給する。
【００４６】
ランダムノイズ信号発生器３２は、上記５つの積分器の内の最終段の積分器２７の積分出力に基づいてゲインが適量に調整されたランダムノイズ信号を上記加算器２９を介して量子化器３０に供給している。構成としては、ゲイン算出器３１が最終段の積分器２７の積分出力に基づいてゲインを調整し、ランダムノイズ信号発生器３２に算出したゲインをセットしている。
【００４７】
ゲイン算出器３１は、ランダムノイズ信号Rnの絶対値が最終段積分器２７内部の信号の振幅に基づいた可変閾値Δq以下、つまり（|Rn|≦Δq）となるように、ディザ信号Rnに掛け算するゲインを調整して算出する。
【００４８】
このようにゲインが調整されたランダムノイズ信号Rnを、加算器２９により最終段積分器２７の積分出力に加算し、その加算出力信号を量子化器３０により量子化する。
【００４９】
ゲイン算出器３１が算出した上記ゲインが適量のディザ信号は、時間に対して可変する量子化器のスレッシュホールド±Δqと等しい。この可変閾値Δqは、最終段積分器２７内部の信号の振幅に基づいて算出する。具体的には最終段の積分器２７内部で生成される信号の振幅の最大値Dendに所定の定数Sαを掛け算した値SαDendを可変閾値Δqとしている。
【００５０】
上記図１５に示したのと同様に、±Δqは、量子化器の±1.0に対して、例えば75%以内の量が適量となる。それを超える量を入力すると、デルタシグマ変調が不安定になり、歪みが抑制できなくなる。
【００５１】
ただし、このΔΣ変調装置１０は、ランダム信号発生器３２により上記適量にセットされたランダムノイズ信号Rnを、量子化器３０に供給するための切り換えスイッチ３３のオン又はオフの切り換えを制御している。入力信号が無音状態を作り出すミュートパターンのような固定パターンや所定時間継続するような０レベルであるようなときにのみ、切り換えスイッチ３３をオンにして、上記ランダムノイズ信号Rnを量子化器３０に供給するようにしている。このため、検出器３４は、係数演算器１２の出力から上記固定パターン及び所定時間継続する０レベル検出を行い、その検出結果に基づいて切り換えスイッチ３３のオン／オフを制御している。
【００５２】
切り換えスイッチ３３は、ランダム信号発生器３２にて発生された上記適量のランダムノイズ信号Rnを加算器２９に対して、上記検出結果に基づいて供給（オン）/供給停止（オフ）する。このため、検出器３４が上記固定パターンや０レベルを検出したときにのみ切り換えスイッチ３３をオンにすれば、入力信号が上記固定パターンや所定時間継続する０レベルのときにのみ、ランダムノイズ信号Rnを量子化器３０に供給することができる。入力信号が上記固定パターンや所定時間継続する０レベルでないとき、すなわち音楽などのオーディオ信号が再生されているときには、上記ランダムノイズ信号Rnは量子化器３０には供給されない。
【００５３】
量子化器３０は、上記ランダムノイズ信号Rnが加算された入力又は加算されない入力に量子化処理を施し、量子化出力を出力端子４１に供給するとともに、量子化出力を係数演算器３６、３７、３８、３９及び４０にフィードバックする。
【００５４】
各係数演算器３６、３７、３８、３９及び４０は、上記量子化出力を上記各積分器１９、２１、２３、２５及び２７にフィードバックする際のフィードバック係数a0、a1、a2、a3及びa4を保持している。各係数演算器３６、３７、３８、３９及び４０の演算出力は、上記各積分器１９、２１、２３、２５及び２７の前に設けられた加算器１８、２０、２２、２４及び２６に供給されることによって各積分器にフィードバックされる。
【００５５】
次に、図２及び図３を参照し、光ディスク１１から再生されたマルチチャンネル信号を、係数演算器１２、１３、１４、１５及び１６、係数演算器３６、３７、３８、３９及び４０を用いてミックス制御しているときの、検出器３４における０レベルの検出原理を説明する。
【００５６】
図２は、コントローラ３５から係数演算器１２〜１７、３６〜４０にゲイン調整の指令が出され、ゲイン調整として1.0レベルから０レベルが設定されたときに、検出器３４が具体的にどのように０レベルを検出するかを説明するための図である。
【００５７】
コントローラ３５から係数演算器１２〜１７にゲイン調整の指令が出されると、係数演算器１２〜１７では係数b0〜b5が決定される。ゲイン調整は、係数b0〜b5に対して同様にかかるため、この係数b0〜b5の中で、一つの係数のみを検出器３４が検出すればよい。図１に示した構成では、検出器３４は、係数演算器１２の係数b0を監視している。コントローラ３５からの指令で、ゲインを1.0から０レベルへ遷移した場合にb0[M-1:0](係数語長Mビットとする)の最上位ビットである符号ビットのみ検出すれば、０レベルかどうか判断できる。
【００５８】
図３は、コントローラ３５から係数演算器１２〜１７にフェードアウトのためのゲイン調整の指令が出されたときの、係数演算器１２の係数b0の符号ビットの変化を示す。フェードアウト区間が終了すると、b0[M-1:0](係数語長Mビットとする)の最上位ビットである符号ビットは、所定期間にわたって“０”となる。この符号ビットが“０”となっている所定期間が例えば100msec〜500msec継続されているのを検出器３４が検出したときには、出力レベルが1.0レベルから０レベルに遷移し、音楽などのオーディオ信号ではない０レベルを継続していると判定することができる。ここでいう所定時間の継続は、100msec〜500msecであれば100msecでもよいし、200msec、300msec、400msecでもよい。また、100msec〜200msec、300msec又は400msecでもよい。また、200msec〜300msec、400msec又は500msecでもよい。さらに、300msec〜400msec又は500msecでもよい。
【００５９】
DSDによる音楽などのオーディオ信号の場合は、図４に示すように、（ａ）のアナログ入力信号波形に対して、（ｂ）のＰＣＭとも異なり、（ｃ）に示すようにオーディオ信号の大小を１ビットのデジタルパルスの密度で表現する。“１”が連続している部分、例えば図４の（ｃ）の期間ＥＸは時間方向に帯び状に断続的に存在している。その間の白色となっている振幅が０である無信号の部分、例えば図４の（ｃ）の期間ＢＬが“０”の連続している部分となる。
【００６０】
なお、図３での、符号“０”はマルチビットでの符号ビットである。よって、信号波形では、符号がゼロなので、正の数かもしくは、無信号（０レベル）である。一方、符号“０”がDSDの１ビットの“０”だとすると、図５に示す表のように、マイナスの最大値になる。ここで、重要なのがDSD１ビットだと、中間値、つまり０値が存在しないことである。したがって、DSD１ビットのような２値であらわすと、“１００１０１１０・・・”、“１０１０１０１０・・・”のような“１”又は“０”が同じ数だけ存在するパターンが無音信号になる。DSD１ビットの“０”が連続すれば、マイナスの最大値の連続信号なので、限りなくマイナスの最大レベルの信号に近くなる。
【００６１】
音楽などのオーディオ信号の場合には、“０”の連続している部分は、10msec〜80msec程である。したがって、検出器３４は、上記係数演算器１２の係数b0を監視し、オーディオ信号の場合の“０”が連続する期間よりも長い上記所定期間にわたって継続して、符号ビットが“０”となっているのを検出したときには、音楽などのオーディオ信号ではない０レベルを継続していると判定することができる。
【００６２】
このように、図１の構成の場合には、入力の演算係数b0〜b5すべての符号ビットを検出する必要がなく、例えばb0[M-1]ビットのみを検出し、所定期間にわたって符号ビットが“０”となっているか否かを判定するので、回路規模も少なくて済む。もちろん、他の係数演算器１３、１４、１５、１６又は１７の係数を監視してもよい。
【００６３】
また、固定パターン検出の場合も同様にして、係数演算後の出力が固定パターンであるか否かを判断すればよい。この場合の固定パターンとは、上述したような、DSD１ビットのような２値であらわした、“１００１０１１０・・・”、“１０１０１０１０・・・”のような“１”又は“０”が同じ数だけ存在するパターンである。“１００１０１１０・・・”というパターンは、16進数で表現すると９（＝１００１）、６（＝０１１０）の繰り返しである。単位数当たりで“０”、“１”の符号発生頻度が等しく、かつ同じパターンが繰り返すようなパルス列からなる信号は、図６に示すように、例えば数百kHz以上の帯域に1〜2本のスペクトラムが立つだけで、これよりも低い帯域においてはレベルが理論的に-∞dBとなる。このような信号をミュートパターンと呼ぶ。
【００６４】
図１に示したΔΣ変調装置１０において、検出器３４は、ミュートパターンを検出するため、図７に示すような処理手順にて動作する。この場合、検出器３４は、８ビットレジスタを２個と、カウンタを備えている構成を採る。
【００６５】
検出器３４は、上記係数演算器１２の係数b0を監視している。ステップＳ１にて１ビット信号が入力すると、ステップＳ２にて２個の8ビットレジスタを用いて、現在入力の8ビットと、前回入力の8ビットとの、8ビットパターンマッチングを行い、成功したか否かをチェックする。8ビットのパターンマッチングが成功した（ＹＥＳ）と判定すればステップＳ３に進み、「０」と「１」の数が等しいか否かをチェックする。「０」と「１」の数が等しい（ＹＥＳ）と判定すれば、ステップＳ４に進み、カウンタにてカウントをアップする。そして、ステップＳ５にて、カウンタによるカウント数が４以上となったか否かをチェックする。カウント数が４以上である（ＹＥＳ）と判定すれば、例えば“１００１０１１０”が４回繰り返したことを検出したことになる。この場合には、ステップＳ６に進みミュート検出フラグを出力し、切り換えスイッチ３３をオンする。
【００６６】
検出器３４は、ステップＳ２にて8ビットパターンマッチングが成功していない（ＮＯ）と判定したとき、またステップＳ３にて「０」と「１」の数が等しくない（ＮＯ）と判定したときには、ステップＳ７にて上記カウンタをリセットし、かつステップＳ８にてミュート検出処理を解除する。また、検出器３４は、ステップＳ５によるカウント数が４未満であるときには、ステップＳ１からの処理を繰り返す。
【００６７】
このようにして検出器３４は、上記ミュートパターンのような固定パターンが入力されたときでも、係数演算後の出力が固定パターンであるか否かを判断すればよい。
【００６８】
以上に説明したように、ΔΣ変調器１０は音楽などのオーディオ信号再生中にゲインが０レベルに設定されたときにランダムノイズ信号を量子化器３０に入力し、音楽などのオーディオ信号再生中にはランダムノイズ信号を量子化器３０に入力しない。図８には、ゲインが０レベルに設定されたとき、つまり０レベル入力時における、サンプリング周波数128fs（fs=44.1kHz）、データ語長１ビット出力信号の周波数分析結果を示す。歪みのない安定した１ビット信号を確保でき、正常にノイズシェーピングをかけることができることを示している。
【００６９】
また、ΔΣ変調器１０は、ミュートパターンのような固定パターンが入力されたときに、ランダムノイズ信号を量子化器３０に入力し、音楽などのオーディオ信号再生中にはランダムノイズ信号を量子化器３０に入力しない。図９には、固定パターン入力時における、サンプリング周波数128fs、データ語長１ビットの出力信号の周波数分析結果を示す。歪みのない安定した１ビット信号を確保でき、正常にノイズシェーピングをかけることができることを示している。
【００７０】
このように、ΔΣ変調器１０は、音楽などのオーディオ信号再生中には高音質を保ちながら、例えば無音状態に遷移したときに歪みのない安定した１ビット信号を確保することができる。また、同様にして、無音から音楽などのオーディオ信号再生したときにでも高音質を保つことができる。
【００７１】
次に、本発明の他の実施の形態となる、５次のΔΣ変調装置５０について図１０を参照して説明する。このΔΣ変調装置５０は、図１に示したΔΣ変調装置１０と主要な構成を同じにする。異なるのは、検出器３４が切り換えスイッチ３３の切り換えを制御するのではなく、コントローラ３５を介してゲイン算出器３１のゲインを制御していることである。具体的には、検出器３４にて上記入力０レベル及び固定レベルを検出したときには、検出信号をコントローラ３５に供給する。コントローラ３５は、上記図１５に示した量子化の可変閾値Δqを量子化器の±1.0に対して75%以内で動的に制御するのと等価にゲイン算出器３１のゲインを調整する。検出器３４にて上記入力０レベル及び固定レベルを検出しない間、コントローラ３５はゲイン算出器３１のゲインを0とし、実質的にランダムノイズ発生器３２からランダムノイズを発生しないようにしている。
【００７２】
したがって、このΔΣ変調装置５０にあっても、音楽などのオーディオ信号再生中にゲインが０レベルに設定されたときにランダムノイズ信号を量子化器３０に入力し、音楽などのオーディオ信号再生中にはランダムノイズ信号を量子化器３０に入力しない。
【００７３】
また、ΔΣ変調器１０は、ミュートパターンのような固定パターンが入力されたときに、ランダムノイズ信号を量子化器３０に入力し、音楽などのオーディオ信号再生中にはランダムノイズ信号を量子化器３０に入力しない。
【００７４】
このように、ΔΣ変調器５０も、音楽などのオーディオ信号再生中には高音質を保ちながら、例えば無音状態に遷移したときに歪みのない安定した１ビット信号を確保することができる。また、同様にして、無音から音楽などのオーディオ信号再生したときにでも高音質を保つことができる。
なお、本発明におけるオーディオ信号は、音楽に限らず、自然音や音声、人工音などあらゆる音の信号に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】実施の形態のΔΣ変調装置の構成図である。
【図２】上記ΔΣ変調装置を構成する検出器の０レベル検出原理を説明するための図である。
【図３】一つの係数演算器の符号ビットの変化を示す図である。
【図４】DSD１ビット信号の音楽などのオーディオ信号を表現した図である。
【図５】DSD１ビットとマルチレベルとの対比表を示す図である。
【図６】ミュートパターン信号のスペクトラム図である。
【図７】ミュートパターン信号を検出する処理手順を示すフローチャートである。
【図８】０レベル入力時における、サンプリング周波数128fs（fs=44.1kHz）、データ語長１ビット出力信号の周波数分析結果を示すスペクトラム図である。
【図９】固定パターン入力時における、サンプリング周波数128fs１ビット出力信号の周波数分析結果を示すスペクトラム図である。
【図１０】他の実施の形態のΔΣ変調装置の構成図である。
【図１１】従来から知られているΔΣ変調装置の構成を示す図である。
【図１２】従来のΔΣ変調装置において、入力に固定パターンが入力された場合の１ビット出力信号の周波数分析結果を示すスペクトラム図である。
【図１３】従来のΔΣ変調装置において、入力に０レベルが入力された場合の１ビット出力信号の周波数分析結果を示すスペクトラム図である。
【図１４】特許文献１に開示された適量ランダム成分を用いたデルタシグマ変調装置の構成例を示す図である。
【図１５】時間に対して可変なスレッシュホールドを用いた量子化器の概念図である。
【符号の説明】
【００７６】
１０  ΔΣ変調装置、１１  光ディスク、１２〜１７  係数演算器、１９，２１，２３，２５及び２７  積分器、２８，２９  加算器、３０  量子化器、３１  ゲイン算出器、３２  ランダムノイズ発生器、３３  切り換えスイッチ、３４  検出器、３５  コントローラ
【図１】
2006042315.tif 000003
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2006042315.tif 000014
【図１３】
2006042315.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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