(57)【要約】  スピーカイコライゼーションのための方法及び装置について説明する。一実施形態では、本方法は、入力オーディオデータと、入力データに応じたスピーカの出力の予測に対応する出力データとに基づいて、可逆的な非線形システムを使用してパラメータの組を生成するステップと、入力データに予歪を与えたデータ出力するために、パラメータの組を使用して非線形システムの完全な非線形インバースを制御するステップと、を含む。【選択図】  図３
2008524937.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力オーディオデータ、及び、前記入力データに応じたスピーカの出力の予測に対応する出力データに基づいて可逆非線形システムを使用し、パラメータの組を生成するステップと、
前記入力データに予歪を与えたデータを出力するために、前記パラメータの組を使用して前記非線形システムの完全な非線形インバースを制御するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
一以上の入力データフレームにわたるスピーカからの出力を、一以上の入力データフレームに応じて予測するステップであって、前記非線形スピーカモデルの前記出力が一以上の出力データフレームの形式をとる、該ステップと、
各入力データフレーム、及び、該各入力データフレームに対応する出力データフレームであって前記スピーカモデルからの該出力データフレームに応じて、パラメータを計算するステップと、
前記可逆非線形システムの完全かつ安定したインバースであり、前記可逆非線形システムからの前記パラメータに応じて動作するインバースシステムを使用して、前記入力オーディオ信号の各入力データフレームに予歪信号を適用するステップと、
を含む方法。
【請求項３】
一以上の入力データフレームに応じて非線形スピーカモデルを使用してスピーカからの一以上の出力データフレームを予測するスピーカモデルと、
入力データフレーム及び前記出力データフレームに応じてパラメータを計算する可逆非線形システムと、
前記可逆非線形システムからのパラメータに応答し、前記入力オーディオ信号の各フレームに応じて予歪が与えられた信号を出力するインバースシステムと、
を備える前置補償器。
【請求項４】
入力オーディオ信号を一以上の入力データフレームに分割するフレーム分割ユニットと、
一以上の入力データフレームに応じて一以上の入力データフレームのそれぞれにわたるスピーカからの出力を予測する非線形スピーカモデルであって、該非線形スピーカモデルの該出力が一以上の出力データフレームの形式をとる、該非線形スピーカモデルと、
各入力データフレーム及び前記各入力データフレームに対応する前記スピーカモデルからの出力データフレームに応じて、パラメータを計算する可逆非線形システムと、
前記可逆非線形システムの完全かつ安定したインバースであるインバースシステムであって、前記可逆非線形システムからのパラメータに応答し、前記入力オーディオ信号の各入力データフレームに応じて予歪信号を適用する、該インバースシステムと、
を備えるオーディオ処理システム。
【請求項５】
スピーカ、及び、ハマースタイン型又はウィーナ型の何れかの可逆非線形システムを使用して入力オーディオ信号を前置補償するステップと、
前記前置補償された入力オーディオ信号を出力するステップと、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【優先権】
【０００１】
[0001]本特許出願は、“Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｆｒａｍｅ−Ｂａｓｅｄ  Ｌｏｕｄｓｐｅａｋｅｒ  Ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ”と題して２００４年１２月２１日に出願された対応の仮特許出願第６０／６３８，２８８号に基づく優先権を主張するものであり、当該仮特許出願を参照することによって本明細書に援用する。
【発明の分野】
【０００２】
[0002]本発明の分野はスピーカの前置補償であり、より詳細には、本発明はフレームベースのスピーカイコライゼーションに関するものである。
【発明の背景】
【０００３】
[0003]テレビ電話のような将来のマルチメディアサービスは、高品質の音声を高い再生レベルで要求する。サイズの制約のために、受話器内の小型スピーカは、音声に線形及び非線形の双方の歪みを、特に大音量で、生じる。プリディストーション又はイコライゼーションは、小型スピーカの歪みを補償する一般的な技術である。既存のイコライゼーション技術は、音声コミュニケーションに適した低い再生レベルで歪みを補償するが、マルチメディア通信のため要求される高い再生レベルでは、より多くの歪みを生じる。
【０００４】
[0004]“Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｌｏｕｄｓｐｅａｋｅｒ  Ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ  Ｕｓｉｎｇ  Ａｄａｐｔｉｖｅ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ  ａｎｄ  Ｅｘａｃｔ  Ｉｎｖｅｒｓｅ”と題する米国特許出願第１１／１４５，４１１号（以下、“Ｌａｓｈｋａｒｉ”と呼ぶ）は、適応フィードバックと完全なインバースとを使用するスピーカイコライゼーションの方法及び装置について記載している。Ｌａｈｋａｒｉに記載されているように、完全なインバースは、高い再生レベルでの知覚品質を改良し、従来技術について記載された従来型の方法より遙かに良好に機能する。しかし、Ｌａｓｈｋａｒｉに記載されている方法では、安定したインバースを実現することは保証されない。完全なインバースを安定化させるための準最適な発見的方法がＬａｓｈｋａｒｉに記載されており、当該方法は、完全なインバースを擬似的に完全なインバースとしている。
【０００５】
[0005] “Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ  ｆｏｒ  Ｌｉｎｅａｒｉｚｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｒｅｓｐｏｎｓｅ  ｏｆ  ａ  Ｌｏｕｄｓｐｅａｋｅｒ”と題して１９９１年１１月２６日に発行された米国特許第５，０６８，９０３号は、スピーカの線形周波数応答を、インピーダンスフィードバックを使用して等化する方法について記載している。この特許は、スピーカ、スピーカの筐体、又は、これらの組み合わせから生じる機械的共振を等化することについて記載している。インピーダンスフィードバックを使用してスピーカの線形応答を測定するので、スピーカ特性の事前の測定は不要である。非線形歪みの補償は、この特許において明示的には取り扱われていない。
【０００６】
[0006]“Ｓｍａｒｔ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  ｆｏｒ  Ｌｏｕｄｓｐｅａｋｅｒ  Ｍｏｔｉｏｎ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ  Ｄｅｒｉｖｅｄ  ｆｒｏｍ  Ｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  Ｍｏｔｉｏｎ  Ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ  Ｓｉｇｎａｌ”と題して１９９６年７月３０日に発行された米国特許第５，５４２，００１号は、コーンの運動に比例する逆起電力（ｅｍｆ）に基づいてフィードバック信号を導出することによって、スピーカの非線形歪みを補償する方法について記載している。この特許に記載されている方法は、力係数ＢＬｉの非線形性を、ボイスコイル変位の関数として補償することを試みている。したがって、力係数対変位の曲線が、スピーカ毎に測定されるべきである。さらに、この方法は、補正係数を近似するために、アナログ回路のスピーカ固有のチューニングをも必要とする。
【０００７】
[0007]“Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ａｄａｐｔｉｖｅｌｙ  Ｐｒｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ  ｆｏｒ  Ｌｏｕｄｓｐｅａｋｅｒ  Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｓ”と題して１９９７年２月４日に発行された米国特許第５，６００，７１８号は、電気振動スピーカの電気等価回路及び出力フィードバックを使用して、長期にわたって前置補償器のパラメータを調整している。しかし、スピーカのモデル及び前置補償器の構造が、本発明とは全く異なる。さらに、この方法は、アナログ回路を使用してスピーカをモデル化しており、微調整が回路をスピーカに適合させるために必要とされる。マイクロホンもまたフィードバック信号を提供するために必要とされるが、このことは実施という点では不利であり、その上、マイクロホンは前置補償器の調整手順にエラーを導入する背景音及び周囲音を拾うので、特に、背景音が比較的大きいモバイルアプリケーションにおいて不利である。音響環境に起因するマルチパスエコー（又はリングアラウンド）もまた問題となる可能性がある。
【０００８】
[0008]“Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ  Ｒｅｍｏｖａｌ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ，  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｓａｍｅ，  ａｎｄ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｓｐｅａｋｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍ，  Ｍｕｌｔｉ−Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ，  ａｎｄ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｓａｍｅ”と題して２００２年６月１８日に発行された米国特許第６，４０８，０７９号は、周波数域におけるスピーカの２次ボルテラ（Ｖｏｌｔｅｒｒａ）モデルの２次ボルテラインバースに基づくフレームベースの前置補償器について記載している。前置補償器は、順方向のボルテラモデルと、前置補償のためのボルテラインバースとを使用している。一実施形態では、プリディストーションフィルタは、ボルテラ級数展開を使用して順方向にスピーカをモデル化し、前置補償用の可逆、且つ、完全なインバースを使用する。
【発明の概要】
【０００９】
[0009]スピーカのイコライゼーションのための方法及び装置を記載する。一実施形態では、本方法は、可逆非線形システムを使用し、入力オーディオデータと、当該入力データに応じたスピーカの出力の予測に対応する出力データとに基づいて、パラメータの組を生成するステップと、パラメータの組を使用して非線形システムの完全な非線形インバースを制御して、入力データに予歪みを与えたデータを出力するステップと、含む。
【００１０】
[0010]本発明は、後述する詳細な説明と、本発明の種々の実施形態の添付図面とからより十分に理解されよう。しかしながら、これらは本発明を特定の実施形態に制限するように解釈されるべきでなく、説明と理解のためだけのものである。
【本発明の詳細な説明】
【００１１】
[0024]小型スピーカからの音質を改良する方法及び装置について説明する。スピーカの歪みを補償し、音声の知覚品質を高める技術を提供する。開示する技術は、高音レベルで小型スピーカの歪みを補償して小型スピーカからの音質を改良するフレームベースの方法を含む。一実施形態では、これらの技術は、所与の時間フレームにわたるスピーカの挙動を、例えば、ハマースタイン（Ｈａｍｍｅｒｓｔｅｉｎ）モデル又はウィーナ（Ｗｉｅｎｅｒ）モデルのような可逆非線形モデルを用いて、近似する。即ち、一実施形態では、安定した完全な非線形インバースが、ハマースタインモデル又はウィーナモデルのような完全、且つ、可逆的な非線形システムを用いて所与の時間間隔に亘ってスピーカモデルを近似することに基づいて、生成される。次いで、近似可逆モデルを使用して、フレームに亘って予歪を与えた信号を計算し、スピーカを駆動する。その結果、知覚品質を改良する安定、且つ、完全な予歪フィルタが得られる。したがって、本発明の実施形態は、完全な非線形インバースの利点と補償された安定性とを組み合わせている。
【００１２】
[0025]以下の説明では、本発明のより完全な説明を行うために様々な詳細を示す。しかしながら、本発明は、これら特定の詳細が無くとも実施され得ることは当業者にとって明白であろう。他の例では、よく知られている構造及びデバイスは、本発明を不明瞭にすることを避けるために、詳細にではなく、ブロック図の形式で示す。
【００１３】
[0026]後述する詳細な説明の一部は、コンピュータメモリ内のデータビットに対するオペレーションのアルゴリズム及び記号的表現で示す。これらのアルゴリズム的な記述及び表現は、データ処理技術の当業者が、自身の研究の内容を、その技術分野における他の当業者へ最も効率的に伝達するために使用する手段である。アルゴリズムは、ここでは、広く、望ましい結果をもたらすステップの首尾一貫したシーケンスであると考えられる。このステップは、物理量の物理的操作を必要とするステップである。通常、不可欠ではないが、これらの量は、記憶、転送、合成、比較、及びそれ以外の操作がなされ得る電気的又は磁気的信号の形式をとる。主として慣用上の理由で、これらの信号を、ビット、値、要素、記号、文字、項、数等と呼ぶことが便利なこともあることが分かっている。
【００１４】
[0027]しかしながら、上記の用語及び類似した用語の全ては、適切な物理量と対応すべきものであり、これらの量に当てはめられた便宜的な呼び名に過ぎないことに注意すべきである。以下の説明から明白であるように、特に断らない限り、説明の全体を通じて、「処理」又は「コンピューティング」又は「計算」又は「決定」又は「表示等のような用語を利用する説明は、コンピュータシステム又は類似した電子コンピューティングデバイスの動作及びプロセスを指すものであり、コンピュータシステムのレジスタ及びメモリ内で物理（電子）量として表現されたデータを、コンピュータシステムのメモリ又はレジスタ内、若しくは、その他のこのような情報記憶、伝送、又は、表示デバイス内で同様に物理量として表現されたその他のデータへ操作し変換するものであることを理解されたい。
【００１５】
[0028]本発明は、本明細書で説明するオペレーション演算を実行する装置に関するものでもある。この装置は、要求された目的のため特に構成されてもよく、コンピュータに格納されたコンピュータプログラムによって選択的に動作又は再構成される汎用コンピュータであってもよい。このようなコンピュータプログラムは、限定するものではないが、例えば、フレキシブルディスク、光ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、及び、磁気光ディスクを含む任意のタイプのディスク、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、磁気又は光カード、若しくは、電子命令を格納するのに適しており、それぞれコンピュータシステムバスに接続される任意のタイプの媒体のようなコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に格納されてもよい。
【００１６】
[0029]本明細書で提供するアルゴリズム及びディスプレイは、本質的に特定のコンピュータ又はその他の装置に関連していない。種々の汎用システムを本明細書における教示に従うプログラムと共に使用してもよく、又は、要求された方法ステップを実行するためにより特化された装置を構成することが便利であることもある。多種多様なこれらシステムに要求される構造は、以下の記載から明らかとなる。さらに、本発明を、特定のプログラミング言語に関連させては説明しない。多種多様なプログラミング言語を仕様して、本明細書に記載するように本発明の教示を実施し得ることを理解されたい。
【００１７】
[0030]機械読み取り可能な媒体は、機械（例えば、コンピュータ）によって読み取り可能な形式で情報を格納又は伝送する任意の機構を含む。例えば、機械読み取り可能な媒体は、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、磁気ディスク記憶媒体、光記憶媒体、フラッシュメモリデバイス、電気的、光学的、音響的、又はその他の形式の伝搬信号（例えば、搬送波、赤外線信号、デジタル信号等）などを含む。
【００１８】
＜概要＞
[0031]図１は、オーディオシステムの一実施形態を示す図である。以下、図１を参照する。オーディオ信号源１０１は、信号（ｄ（ｎ））を出力する。予歪フィルタ１０２は、オーディオ信号（ｄ（ｎ））の電気音響変換中に、線形歪み及び非線形歪みを補償する。予歪フィルタ１０２は、本明細書中では、前置補償器、リニアライザ、又は、イコライザとも呼ばれる。スピーカ１０３のムービングコイルは、事前フィルタ処理されて予歪フィルタ１０２から出力された信号ｄｐｒｅ（ｎ）によって駆動される。フィルタリングは、スピーカの歪みの逆になるように設計されており、その結果、ムービングコイルの実際の変位は、元の信号ｄ（ｎ）によって規定された理想的な動作と正確に一致する。理想的には、スピーカ１０３の出力は、予歪が与えられた信号ｄｐｒｅ（ｎ）によって駆動されたときに、入力信号ｄ（ｎ）に近いレプリカとなる。一実施形態では、予歪フィルタ１０２は、その動作をスピーカ入力信号及び出力信号に応じて修正することによって、適応前置補償器として機能する。
【００１９】
[0032]図２は、適応フィルタリング理論の概念及び表記を使用するイコライゼーションの一般的な考え方を示すブロック図である。入力信号ｄ（ｎ）は、一般的に時間依存性がある予歪フィルタ２０２へ供給される。予歪フィルタ２０１の出力は、スピーカ２０３の数学モデル２０４への経路に送られ、スピーカ２０３を駆動するデジタル・アナログ変換器２０５への経路にも送られる。スピーカ２０３の数学モデル２０４は、スピーカの次の出力
【数１】
2008524937.tif 000003
を予測する。この予測された出力を用いて、前置補償誤差信号
【数２】
2008524937.tif 000004
を導出する。この前置補償誤差信号は、理想的な出力ｄ（ｎ）と予測されたスピーカ出力
【数３】
2008524937.tif 000005
との差である。予歪フィルタのパラメータは、前置補償誤差ｅ（ｎ）を最小化するか、又は、実質的に低減するように調整される。一実施形態では、スピーカの数学モデルは、一般的に、図５に記載するようにｐ次ボルテラモデルである。
【００２０】
[0033]図３は、スピーカ入力信号及び出力信号に応じて予歪フィルタの動作を修正することによって適応前置補償を使用する予歪フィルタスキームの一実施形態のブロック図である。スピーカモデルに対する局所近似は、例えば、ハマースタインシステム又はウィーナシステムのような安定可逆非線形システムを使用して、短い時間フレームにわたって計算される。予歪が与えられた信号はフレームにわたった入力信号を、可逆非線形システムのインバースシステムに通すことによって計算される。予歪が与えられた信号は、その後、再スケール変換され、スピーカに供給される。
【００２１】
[0034]より詳細には、予歪スキームは、入力データフレームの組にわたるスピーカからの出力の予測を、非線形スピーカモデルを使用して、生成する。この予測を使用し、計画的に可逆的かつ安定的とされた別の非線形システムを用いて、スピーカの非線形性を近似する。予測及び入力オーディオデータを使用して、パラメータの組が、可逆非線形システムを使用して生成される。これらのパラメータは、入力オーディオデータと、入力データに応じたスピーカの出力の予測に対応する出力データとに基づいて生成される。一実施形態では、可逆非線形システムはハマースタインシステムにより構成される。別の実施形態では、可逆非線形システムはウィーナシステムにより構成される。
【００２２】
[0035]次いで、パラメータは、非線形システムの完全な非線形インバースを制御し、これによって、入力データに予歪を与えたデータを非線形インバースに出力させる。より詳細には、予歪信号が、入力オーディオ信号の各入力データフレームに、可逆非線形システムの完全、且つ、安定したインバースであり、可逆非線形システムからのパラメータに応答して動作するインバースシステムを使用して、適用される。従って、このスキームは、可逆的、且つ、安定的な非線形システムを使用したスピーカの非線形性の近似の結果に基づいて、入力オーディオ信号に予歪を与えた信号を計算する。
【００２３】
[0036]図３を参照すると、信号源３０１からの入力信号（ｄ（ｎ））は、入力信号をフレームに分割するフレーム分割デバイス３０２へ供給される。図４は、フレーム分割デバイス３０２の一実施形態の出力を示している。図示するように、フレーム分割デバイス３０２は入力信号を取得し、この入力信号を固定長のフレームに分割する。一実施形態では、固定フレームのそれぞれは長さが２０〜３０ｍｓである。
【００２４】
[0037]図３を再び参照すると、スピーカモデル３０３は、フレーム分割デバイス３０２の出力を受け取り、入力フレームデータに対しスピーカ出力を予測する。一実施形態では、スピーカモデル３０３はボルテラモデルである。図５は、３次ボルテラ級数展開を使用するスピーカモデルの一実施形態を示しており、ここでは、級数展開の各項が、技術的によく知られた方法で加算器を使用して加算される。スピーカの出力を近似的に予測することができるモデルであればいかなるモデルを使用してもよいことに注意すべきである。例えば、電気振動スピーカをシミュレートする電気回路、又は、スモールシール（Ｓｍａｌｌ−Ｔｈｉｅｌｅ）に基づく物理モデルを使用してもよい。出力バッファ３０５は、スピーカモデル３０３からのスピーカの予測出力を格納する。
【００２５】
[0038]入力バッファ３０４は、フレーム分割デバイス３０２の出力を同様に受け取り、フレームデータを格納する。可逆非線形システムモジュール３０６は、入力バッファ３０４及び出力バッファ３０５のコンテンツを受け取る。これらの入力に応答して、可逆非線形システムモジュール３０６は、安定的、且つ、可逆的な非線形システムのパラメータ３２０を計算する。システムが特定されると、インバースシステム３０７は、パラメータ３２０を使用して、システムの完全な非線形インバースを計算する。非線形システムは、意図的に、可逆的、且つ、安定的となっているので、このインバースが存在し、安定していることが保証されている。インバースシステムが計算されると、入力バッファに格納されているフレームデータがインバースシステムの中に通されて、予測信号ｄｐｒｅ（ｎ）が生成される。
【００２６】
[0039]デジタル・アナログ変換器（Ｄ／Ａ）３０８は、予歪が与えられたデジタル信号をアナログ信号に変換する。電力増幅器３０９はアナログ信号を受け取り、スピーカ３１０を駆動する。
【００２７】
[0040]図６は、非線形可逆システムの一実施形態の計算を説明するデータフロー図である。図６を参照すると、スピーカモデル３０３は、入力オーディオのフレームを受け取って、スピーカの次の出力を予測する。可逆非線形システム３０６は、可逆非線形モデルを含んでおり、当該モデルの構造は、事前に既知である（例えば、ハマースタインモデル、ウィーナモデル、ボルテラ・ウィーナモデル、ボルテラ・ハマースタインモデル等）。スピーカモデル３０３の出力と、可逆非線形システム３０６の可逆非線形モデルは、両者の差を決定するために互いに比較される。この差は、モデル化誤差ｅ（ｎ）と呼ばれるものであり、スピーカモデル３０３をモデル化するときの誤差を表す。非線形システムのパラメータは、次いで、モデル化誤差ｅ（ｎ）を最小化するように調整される。このような最小化は、例えば、限定するものではないが、ＬＭＳ又はＲＬＳアルゴリズム、若しくは、勾配降下アルゴリズムのようなよく知られた方法を用いて実行することができる。この最小化は、閉形式解を使用して実行することもできる。
【００２８】
[0041]図７は、メモリレス多項式非線形部とその後に続く線形システムとにより構成されるハマースタインシステムを使用する可逆非線形モデルの一実施形態を示す図である。線形システムは、伝達関数Ｂ（ｚ）／Ａ（ｚ）によって特定される極零システムであってもよく、又は、有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタであってもよい。
【００２９】
[0042]図８は、線形システムとその後に続くメモリレス多項式非線形部とにより構成されるウィーナシステムを使用する可逆非線形モデルの一実施形態を示す図である。線形システムは、伝達関数Ｂ（ｚ）／Ａ（ｚ）によって特定される極零システムであってもよく、又は、有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタであってもよい。
【００３０】
[0043]安定したインバースを伴う非線形システムであって、スピーカの物理モデルに基づくシステムを含むものを使用することができる。ハマースタインシステムとウィーナシステムの双方のシステムは可逆的であり、インバースは安定した形で見出だせる。
【００３１】
[0044]図９は、信号源がアナログ源であるスピーカイコライゼーションシステムの一実施形態のブロック図である。図９を参照すると、信号源９０１はアナログ信号を出力する。アナログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄ）９０２は、アナログ信号をデジタルに変換する。前置補償器９０３は、Ａ／Ｄ変換器からデジタル出力を受け取る。前置補償器９０３は、予歪が与えられた信号を生成する。この信号は、スピーカの中を通過するときに線形歪み及び非線形歪みを補償する。前置補償器９０３のデジタル出力は、デジタル・アナログ（Ｄ／Ａ）変換器９０４に供給され、このデジタル・アナログ変換器は、デジタル出力をアナログに変換する。Ｄ／Ａ変換器９０４のアナログ出力は、スピーカ９０５を駆動する。
【００３２】
[0045]図１０は、スピーカイコライゼーションシステムの別の実施形態のブロック図である。図１０を参照すると、可変デジタル利得モジュール１００１が、デジタル化された入力信号のレベルを調整する。即ち、スピーカの音声レベルは、前置補償の前にデジタル利得モジュール１００１によって制御される。前置補償器１００３はデジタル前置補償器であり、上述の前置補償を実行する。デジタル・アナログ（Ｄ／Ａ）変換器１００４は、前置補償器１００３の出力を受け取り、デジタル信号をアナログに変換する。固定利得電力増幅器１０１０は、電力増幅器１０１０からのアナログ信号に応答してスピーカ１００５を駆動する。
【００３３】
[0046]図１１は、スピーカイコライゼーションシステムの別の実施形態のブロック図である。本実施形態では、スピーカからの音声レベルは、スピーカの前で電力増幅器の可変アナログ利得によって制御される。
【００３４】
[0047]図１１を参照すると、デジタル入力信号ｄ（ｎ）は、固定利得デバイス１１０１によって変更される。前置補償器１１０３は、利得デバイス１１０１の出力を受け取り、上述の前置補償を実行する。デジタル・アナログ（Ｄ／Ａ）変換器１１０４は、前置補償器１１０３の出力であるｄｐｒｅ（ｎ）を受け取り、アナログ信号に変換する。Ｄ／Ａ変換器１１０４からのアナログ信号は、可変利得電力増幅器１１１０に入力される。このアナログ信号に応答して、可変利得電力増幅器１１１０は、スピーカ１１０５を駆動する。このようにして、可変利得増幅器１１１０は、スピーカ１１０５の音声レベルを制御する。
【００３５】
[0048]一実施形態では、ハマースタインモデルのパラメータは、ここで説明する勾配降下法を使用して導出される。図１２はハマースタインモデルの導出を示す図である。より詳細には、ハマースタインモデルは、Ｍ＋１個の多項式係数｛ａ０，ａ１，．．．，ａＭ｝と、線形システムのパラメータとによって特定される。この導出では、線形システムは、Ｈ１＝｛ｈ１（０），ｈ１（１），．．．．．，ｈ１（Ｌ−１）｝によって与えられる長さＬのＦＩＲインパルス応答によって与えられるものと仮定する。ハマースタインモデルのパラメータは、所望の信号ｓ（ｎ）と、ハマースタインモデルの出力ｚ（ｎ）との間の誤差ｅ（ｎ）を最小化するように調整される。ハマースタインモデルの種々のステージでの信号は、次のように表すことができる。
【数４】
2008524937.tif 000006
【数５】
2008524937.tif 000007
【数６】
2008524937.tif 000008
誤差ｅ（ｎ）は、
【数７】
2008524937.tif 000009
によって与えられ、長さＮのフレームにわたる全誤差は、
【数８】
2008524937.tif 000010
によって与えられる。式（３ｂ）から、勾配は、
【数９】
2008524937.tif 000011
として与えられる。式（３ａ）から、
【数１０】
2008524937.tif 000012
が得られる。式（２ａ）から、
【数１１】
2008524937.tif 000013
が得られる。式（１）から、
【数１２】
2008524937.tif 000014
と表すことができる。式（６ａ）と（６ｂ）を１つにまとめると、
【数１３】
2008524937.tif 000015
が得られる。同様に、式（２ａ）から、
【数１４】
2008524937.tif 000016
と表すことができる。
【数１５】
2008524937.tif 000017
がモデルパラメータのＬ＋Ｍ＋１次元ベクトルであると仮定する。そして、初期推定値Ｐ０から始めて、ステップサイズμを伴う勾配降下アルゴリズムを使用すると、ｋ回目の反復におけるパラメータベクトルＰ（ｋ）は、
【数１６】
2008524937.tif 000018
として更新することができる。ここで、勾配ベクトルは、式（６ｃ）及び（７）からの偏導関数を式（５）に代入し、次に、式（５）を式（４）に代入することによって計算することができる。このアルゴリズムは、所定の反復回数に達する、又は、総合誤差Ｅがある所定の値より小さい、というようなある種の終了条件が満たされるまで続く。ウィーナシステムもまた同様の方法で導き出すことができる。
【００３６】
[0049]図１３は、前置補償を実行するプロセスのフローチャートである。プロセスは、ハードウェア（例えば、回路、専用ロジック等）、（汎用コンピュータシステム又は専用機械上で動かされるような）ソフトウェア、又は、両者の組み合わせを含み得る処理ロジックによって実行される。
【００３７】
[0050]図１３を参照すると、プロセスは、処理ロジックによってフレーム分割デバイスを初期化することにより開始する（処理ブロック１３０１）。一実施形態では、初期化は、フレーム長を表すパラメータを指定すること、及び、デバイスバッファ及びフレームカウンタを零に初期化することを含む。
【００３８】
[0051]初期化後、処理ロジックは入力データストリームを受け取る（処理ブロック１３０２）。受け取り次第、処理ロジックは、デジタル化された入力信号を、一度に１フレームずつ、入力バッファに格納し（処理ブロック１３０３）、更、デジタル化された入力信号をスピーカへ供給する。
【００３９】
[0052]デジタル化された入力信号に応答して、処理ロジックは、スピーカの数学モデルを使用してスピーカ出力を計算（又は予測）する（処理ロジック１３０４）。数学モデルは、２次、３次、又は、より高次のボルテラモデルであってもよく、或いは、例えば、これらに限定されるものではないが、スモールシールモデル、又は、その他の適当なモデルのような物理モデルであってもよい。処理ロジックは、１フレームのスピーカ出力データを一時的に記憶する（処理ブロック１３０５）。
【００４０】
[0053]次いで、処理ロジックは、可逆非線形システムのパラメータを計算する（処理ロジック１３０６）。一実施形態では、可逆非線形システムのパラメータは、フレームのスピーカ入力とスピーカの予測出力とを使用して計算される。一実施形態では、可逆非線形システムは、例えば、一般的にハマースタインモデル又はウィーナモデルのようなボルテラモデルよりも簡単な非線形システムである。特に、この可逆システム及びそのインバースは安定している。
【００４１】
[0054]一実施形態では、処理ロジックは、上述のような勾配降下アルゴリズムを使用して、ハマースタインモデルのパラメータを計算する。例えば、ＬＭＳ（最小平均二乗）又はＲＬＳ（逐次最小二乗）アルゴリズム、若しくは、多項式当てはめ法のようなその他の方法もまた使用可能である。また、その他の単純化のための仮定が行われてもよい。可逆非線形システムのパラメータは、スピーカの出力と可逆システムの出力との間の平均二乗誤差を低減し、可能であれば、最小化するように計算される。この方法は、平均二乗という意味でスピーカモデルにできる限り近い可逆非線形システムを与える。
【００４２】
[0055]可逆非線形システムのパラメータが計算されると、処理ロジックは、可逆非線形システムの完全なインバースを計算する（処理ブロック１３０７）。
【００４３】
[0056]次に、処理ロジックは、入力バッファに格納された信号を完全なインバースに通して、予歪が与えられた信号を計算し（処理ブロック１３０８）、デジタル形式の予歪が与えられた信号をスピーカ駆動システムに供給する（処理ブロック１３０９）。一実施形態では、スピーカ駆動システムは、デジタル・アナログ変換器（Ｄ／Ａ）とスピーカ増幅器とにより構成される。デジタル形式の予歪が与えられた信号は、Ｄ／Ａに供給され、アナログ形式の予歪が与えられた信号が作成される。アナログ形式の予歪が与えられた信号は、スピーカへの駆動信号のレベルを制御するスピーカ増幅器を駆動する。この信号レベルは、スピーカが破損されることを防止し、スピーカ増幅器による強い制限を防止するために制御される。
【００４４】
[0057]フレームデータが処理されると、処理ロジックは最後のデータフレームが処理されたか否かをテストする（処理ブロック１３１０）。もし処理されていないならば、プロセスは処理ブロック１３０２へ移り、プロセスが繰り返される。もし処理されているならば、プロセスは終了する。
【００４５】
[0058]一実施形態では、処理ロジックは、処理を繰り返すために、フレーム分割デバイス内のフレームカウンタを１ずつインクリメントし、入力バッファ及び出力バッファの内容と、可逆非線形システム及びそのインバースのパラメータとを再計算し更新する。また、処理ロジックは、プリディストーションが適用された信号の新しいフレームを生成し、スピーカに供給する。
【００４６】
[0059]本明細書で説明したフレームベースの処理は、１フレームの遅延をもたらす。通信アプリケーションの場合、フレームサイズは、通信の要件を満たすように選択されるべきである。
【００４７】
[0060]本発明の多数の代替及び変形が、以上の説明を読んだ後に当業者に明白になることは確実であるが、説明のために示して説明した特定の実施形態は、制限を与えるものとみなされることは意図していないことを理解すべきである。したがって、種々の実施形態への言及は、発明に不可欠であると考えられる構成要件だけを列挙する特許請求の範囲を限定することを意図しない。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】スピーカイコライゼーションシステムの一実施形態を示す図である。
【図２】適応フィルタリング理論の概念及び表記を使用する完全なインバースの一般的な考え方を示す図である。
【図３】予歪フィルタのスキームの一実施形態のブロック図である。
【図４】フレーム分割デバイスの一実施形態の出力を示す図である。
【図５】３次ボルテラ級数展開を使用するスピーカモデルの一実施形態を示す図である。
【図６】非線形可逆システムの一実施形態の計算を示すデータフロー図である。
【図７】メモリレス多項式非線形部とその後に続く線形システムとからなるハマースタインシステムを表す可逆非線形モデルの一実施形態を示す図である。
【図８】線形システムとその後に続くメモリレス多項式非線形部とにより構成されるウィーナシステムを表す可逆非線形モデルの実施形態を示す図である。
【図９】信号源がアナログ源である実施形態を示す図である。
【図１０】スピーカイコライゼーションシステムの別の実施形態のブロック図である。
【図１１】スピーカイコライゼーションシステムの別の実施形態のブロック図である。
【図１２】ハマースタインモデルの導出を示す図である。
【図１３】前置補償を実行するプロセスのフローチャートである。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2008524937.tif 000029
【図１２】
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【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年8月21日(2007.8.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力オーディオデータ、及び、前記入力データに応じたスピーカの出力の予測に対応する出力データに基づいて可逆非線形システムを使用し、パラメータの組を生成するステップと、
前記入力データに予歪を与えたデータを出力するために、前記パラメータの組を使用して前記非線形システムの完全な非線形インバースを制御するステップと、を含む方法。
【請求項２】
可逆的かつ安定的である別の非線形システムを使用して、スピーカの非線形性を近似するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記可逆的かつ安定的である非線形システムを使用する前記スピーカの非線形性の近似の結果に基づいて、入力オーディオ信号に予歪を与えた信号を計算するステップを更に含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
一以上の入力データフレームにわたるスピーカからの出力を、一以上の入力データフレームに応じて予測するステップであって、前記非線形スピーカモデルの前記出力が一以上の出力データフレームの形式をとる、該ステップと、
各入力データフレーム、及び、該各入力データフレームに対応する出力データフレームであって前記スピーカモデルからの該出力データフレームに応じて、パラメータを計算するステップと、
前記可逆非線形システムの完全かつ安定したインバースであり、前記可逆非線形システムからの前記パラメータに応じて動作するインバースシステムを使用して、前記入力オーディオ信号の各入力データフレームに予歪信号を適用するステップと、
を含む方法。
【請求項５】
前記可逆非線形システムが、ハマースタインシステムを構成する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記可逆非線形システムが、ウィーナシステムを構成する、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
一以上の入力データフレームに応じて非線形スピーカモデルを使用してスピーカからの一以上の出力データフレームを予測するスピーカモデルと、
入力データフレーム及び前記出力データフレームに応じてパラメータを計算する可逆非線形システムと、
前記可逆非線形システムからのパラメータに応答し、前記入力オーディオ信号の各フレームに応じて予歪が与えられた信号を出力するインバースシステムと、
を備える前置補償器。
【請求項８】
前記スピーカモデルが非線形である、請求項７に記載の前置補償器。
【請求項９】
前記可逆非線形システムがハマースタインシステムを構成する、請求項７に記載の前置補償器。
【請求項１０】
前記可逆非線形システムがウィーナシステムを構成する、請求項７に記載の前置補償器。
【請求項１１】
入力オーディオ信号を前記一以上の入力データフレームに分割するフレーム分割ユニットを更に備える、請求項７に記載の前置補償器。
【請求項１２】
前記インバースシステムが前記可逆非線形システムの完全かつ安定したインバースである、請求項７に記載の前置補償器。
【請求項１３】
前記インバースシステムが、前記入力オーディオ信号の各入力データフレームに応じて予歪信号を適用する、請求項７に記載の前置補償器。
【請求項１４】
入力オーディオ信号を一以上の入力データフレームに分割するフレーム分割ユニットと、
一以上の入力データフレームに応じて一以上の入力データフレームのそれぞれにわたるスピーカからの出力を予測する非線形スピーカモデルであって、該非線形スピーカモデルの該出力が一以上の出力データフレームの形式をとる、該非線形スピーカモデルと、
各入力データフレーム及び前記各入力データフレームに対応する前記スピーカモデルからの出力データフレームに応じて、パラメータを計算する可逆非線形システムと、
前記可逆非線形システムの完全かつ安定したインバースであるインバースシステムであって、前記可逆非線形システムからのパラメータに応答し、前記入力オーディオ信号の各入力データフレームに応じて予歪信号を適用する、該インバースシステムと、
を備えるオーディオ処理システム。
【請求項１５】
前記可逆非線形システムがハマースタインシステムを構成する、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記可逆非線形システムがウィーナシステムを構成する、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１７】
前記スピーカを更に備える、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１８】
前記インバースシステムの出力を受け取り、前記出力をアナログ信号に変換するデジタル・アナログ変換器を更に備える、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１９】
前記アナログ信号を受信し、該アナログ信号に応じてスピーカを駆動するように接続された電力増幅器を更に備える、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２０】
アナログ入力信号を、該入力信号のデジタル化信号へとデジタル化するアナログ・デジタル変換器を更に備える、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２１】
スピーカ、及び、ハマースタイン型又はウィーナ型の何れかの可逆非線形システムを使用して入力オーディオ信号を前置補償するステップと、
前記前置補償された入力オーディオ信号を出力するステップと、
を含む方法。
【国際調査報告】
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2008524937.tif 000033
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