(57)【要約】  【目的】ピーククリップ部分を波形整形して再生データの歪を低減するデジタル信号処理装置を提供する。  【構成】ＤＳＰ等のデジタル信号処理装置であり、デジタル信号入力データＤｉｎをバッファメモリ２に記録する記録手段と、所定レベル値Ｋ以上をピーククリップ部分として検出する検出手段と、前後のデータ波形において差分値を順次に取る波形分析を行いその正負が変化するサンプル点又は信号レベル０のサンプル点を抽出する波形変化点抽出手段と、ピーククリップ部分の各サンプル点の差分値を算出する差分値算出手段と、前記差分値と対応する補間係数を予め設定する補間係数設定手段と、前記差分値と前記補間係数を基にピーククリップ部分の予測補間処理を行う予測補間手段と、高い絶対値信号レベルの波形変化点の信号レベル以上のデータ波形に対して最大レベル値がピークレベル以下となるようにゲインを下げるゲイン調整手段と、を備える構成。【選択図】  図１
2005204020.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
デジタル信号入力データをバッファメモリに記録する記録手段と、
その記録されたデジタル信号入力データによるデータ波形における信号レベルの絶対値が所定レベル値以上のデータ波形部分をピーククリップ部分として検出するピーククリップ検出手段と、
前記ピーククリップ検出手段によって検出されたデータ波形のピーククリップ部分の前後の区間において、隣接するサンプル点間の信号レベルの差分値を順次に検出する波形分析を行うとともに前記差分値の正負が変化するサンプル点又は信号レベル０をクロスするサンプル点を波形変化点として抽出する波形変化点抽出手段と、
前記ピーククリップ部分の各サンプル点における隣り合うサンプル点間の信号レベルの差分値を算出するピーククリップ差分値算出手段と、
前記差分値と対応する補間係数を予め設定する補間係数設定手段と、
前記ピーククリップ差分値算出手段で求めた差分値と前記補間係数とを基に、前記ピーククリップ部分の両端から内側に向かって、前記ピーククリップ部分のデータ波形の変化が入力時のデータ波形の変化よりも鈍化するように、前記ピーククリップ部分のデータに対して予測補間処理を行うピーククリップ予測補間手段と、
前記予測補間処理後のデータ波形において、前記ピーククリップ部分前後の各区間の波形変化点のうち信号レベルの絶対値の大きい方の波形変化点の信号レベル以上のデータ波形区間を検出し、その検出したデータ波形区間の最大レベル値が前記予測補間処理前のデータ波形におけるピークレベル値以下となるように、前記検出したデータ波形区間の各データに対してゲインを下げる調整を行うゲイン調整手段と、を備えることを特徴とするデジタル信号処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルオーディオ信号処理又はデジタルビジュアル信号処理の技術分野に関し、特に、ピーククリップのあるデジタル信号入力データのデータ波形を整形してピーククリップを解除することにより、ＤＡ変換後のアナログ信号のピーククリップに起因する歪を低減するデジタル信号処理技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
アナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器において、ＡＤ変換器の最大入力レベルを越えるアナログ信号が入力すると、ＡＤ変換器により出力されるデジタル信号のデータ中には図６のデジタルオーディオ信号波形図に示されるようなピークレベル（Ｐeak）のデータが連続するピーククリップ部分１が現れる。例えば、量子化ビット数が１６ビットの場合、ピークレベル（信号レベル値±３２，７６７）が連続するデータ波形部分がピーククリップ部分１となって現れる。
【０００３】
上記のようなピーククリップ部分１を含むデジタルオーディオ信号等のデジタル信号入力データをそのままＤＡ変換すると、前記ピーククリップ部分が聴感上、歪みっぽい音となって聞こえてしまう場合がある。実際、ＣＤやＣＤ−ＲＯＭに記録されたデジタルオーディオ信号データ中にはピーククリップ部分１が含まれている場合がある。
【０００４】
この点、上記のようなピーククリップ部分１を含むデジタル信号をそのままＤＡ変換するのではなく、特殊なデジタル信号処理を施して歪の少ないアナログ信号に変換するようにしたＤＡ変換回路が既に考案されている。
【０００５】
例えば、下記［特許文献１］には、フルスケール（ピーククリップ）が生じたことを検出し、ゼロクロス区間とその周辺の波形を周波数分析するＤＳＰ回路と、周辺の波形の基本成分を除き、相関性の高い周波数成分を弁別し加算することによりＤ／Ａ変換後の歪を少なくするようにしたＤＡ変換回路の技術が記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平７−２２９４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
アナログ信号に変換したオーディオ信号が聴感上歪んだ音となってしまうピーククリップ部分を含むデジタル信号入力データに対して、ＤＡ変換する前に前記ピーククリップ部分に対して何らかのデジタル信号処理を施してピーククリップ部分の波形整形を行い、ＤＡ変換後のアナログ信号の歪を少なくすることが望まれる。
【０００８】
この点、上記［特許文献１］に記載のＤＡ変換器は、ゼロクロスで区切った区間の波形を周波数分析するＤＳＰ回路と、周波数分析した基本波成分その他の周波数成分を弁別して各区間に選択的に加算する回路と、加算後のデジタルデータを元のピーククリップのあるデジタルデータの区間と置換する波形演算処理手段が必要であり、デジタル信号処理としては複雑である。また、信号処理の範囲が広範に及び、元のアナログ信号波形から大分違ったものになる可能性がある。
【０００９】
本発明は、ピーククリップによる聴感上の歪の原因が主としてデジタル信号入力データによるデータ波形におけるピーククリップ部分の両サイドのエッジ部分にあることを見いだし、ハードウェアによらずにソフトウェアのみによってピーククリップ部分の再生されたアナログ信号の聴感上の歪を少なくするためのデジタル信号処理をＤＳＰ等のデジタル信号処理装置で実現するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記課題を達成するために、デジタル信号入力データＤｉｎをバッファメモリ２に記録する記録手段と、その記録されたデジタル信号入力データＤｉｎによるデータ波形における信号レベルの絶対値が所定レベル値Ｋ以上のデータ波形部分をピーククリップ部分Ｐとして検出するピーククリップ検出手段と、前記ピーククリップ検出手段によって検出されたデータ波形のピーククリップ部分Ｐの前後の区間Ｗ１、Ｗ２において、隣接するサンプル点間の信号レベルの差分値Ｙｎを順次に検出する波形分析を行うとともに前記差分値Ｙｎの正負が変化するサンプル点Ａ又は信号レベル０をクロスするサンプル点Ｂを波形変化点として抽出する波形変化点抽出手段と、前記ピーククリップ部分Ｐの各サンプル点における隣り合うサンプル点間の信号レベルの差分値Ｙを算出するピーククリップ差分値算出手段と、前記差分値Ｙと対応する補間係数Ｈを予め設定する補間係数設定手段と、前記ピーククリップ差分値算出手段で求めた差分値Ｙと前記補間係数Ｈとを基に、前記ピーククリップ部分Ｐの両端から内側に向かって、前記ピーククリップ部分Ｐのデータ波形の変化が入力時のデータ波形の変化よりも鈍化するように、前記ピーククリップ部分Ｐのデータに対して予測補間処理を行うピーククリップ予測補間手段と、前記予測補間処理後のデータ波形において、前記ピーククリップ部分Ｐ前後の各区間の波形変化点Ａ、Ｂのうち信号レベルの絶対値の大きい方の波形変化点Ａの信号レベル以上のデータ波形区間を検出し、その検出したデータ波形区間の最大レベル値Ｌmaxが前記予測補間処理前のデータ波形におけるピークレベル値Ｐeak以下となるように、前記検出したデータ波形区間の各データに対してゲインを下げる調整を行うゲイン調整手段と、を備えることを特徴とするデジタル信号処理装置を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るデジタル信号処理装置は上記のように構成されているため、デジタル信号入力データによるデータ波形におけるピーククリップ部分を予測補間するとともにピーククリップ部分を含む前後の波形の一部のゲインを調整してピーククリップを解消するので、ＤＡ変換後のアナログ信号の再生におけるピーククリップに起因する歪みが低減される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明に係るデジタル信号処理装置の実施の形態について図面に基づいて説明する。
【００１３】
本発明に係るデジタル信号処理を行うデジタル信号処理装置は、既存のデジタル信号処理ＬＳＩ（ＤＳＰ等）をハードウェアとして利用し、その演算処理回路をソフトウェアプログラムで機能させることで実現することができる。プログラムの命令実行はデジタル信号処理ＬＳＩ自身のＣＰＵ或いはこれを制御するシステムコントローラ（マイクロコンピュータ）によって行われる。以下、ＤＳＰによって行われるデジタル信号入力データに対する演算処理の手順、内容について専ら説明する。
【００１４】
図１は、本発明のデジタル信号処理装置における処理手順例を示すフロー図である。
【００１５】
図２は、本発明のデジタル信号処理装置におけるデジタル信号入力データによるデータ波形におけるピーククリップ部分の検出例を説明する波形図である。
【００１６】
図３は、本発明のデジタル信号処理装置におけるピーククリップ部分の予測補間の処理前後の波形図例である。
【００１７】
図４は、本発明のデジタル信号処理装置におけるゲイン調整前後の波形図例である。
【００１８】
図５は、ピーククリップのあるデジタルオーディオ信号入力データに対して本発明のデジタル信号処理装置によるデジタル信号処理をしない場合（ａ）Ｃｌｉｐ処理Ｏｆｆ、及びデジタル信号処理を行った場合（ｂ）Ｃｌｉｐ処理Ｏｎの波形図比較例である。
【００１９】
図１に示されるように、本発明に係るデジタル信号処理ＬＳＩ（ＤＳＰ；デジタルシグナルプロセッサ等）の行うデジタル信号処理の演算処理は以下の通りである。
【００２０】
処理（Ｓ１）；入力されたデジタル信号入力データＤｉｎはＲＡＭ等のバッファメモリ２に記録する記録手段によって一旦記録する。
【００２１】
処理（Ｓ２）；図２に示されるように前記デジタル信号入力データＤｉｎによるデータ波形における信号レベルの絶対値がピークレベルＰeakよりも多少低い所定レベル値Ｋ（例えば、量子化ビット数が１６ビットの場合に、ピークレベルの信号レベル値±３２，７６７に対し±３０，０００程度）を設定する。
【００２２】
処理（Ｓ３）；前記所定レベル値Ｋ以上のデータ波形部分をピーククリップ部分Ｐとするピーククリップ検出手段によって検出する。
【００２３】
処理（Ｓ４）；前記ピーククリップ検出手段によってピーククリップ部分が検出されなければデジタル信号入力データＤｉｎはそのまま出力される。
【００２４】
処理（Ｓ５）；ピーククリップ部分Ｐが検出された場合、処理（Ｓ６）以下に移行する。
【００２５】
処理（Ｓ６）；図２に示されるようにピーククリップ部分Ｐの前後の区間Ｗ１、Ｗ２において、隣接するサンプル点間の信号レベルの差分値Ｙｎを順次に演算して検出する波形分析を行うとともに前記差分値Ｙｎの正負が変化するサンプル点Ａ又は信号レベル０をクロスする（レベル０のサンプル点またはレベル０手前で最近接するサンプル点）サンプル点Ｂを波形変化点として抽出する波形変化点抽出手段によって前記ピーククリップ部分Ｐの前後の一番近い波形変化点Ａ、Ｂを抽出する。なお、図２においてサンプル点Ｃもピーククリップ部分Ｐの前の波形データＷ１における差分値Ｙｎの正負が変化する波形変化点であるが、信号レベル０をクロスするサンプル点Ｂがピーククリップ部分Ｐに近いので、サンプル点Ｂが前記ピーククリップ部分Ｐの前の波形データＷ１の波形変化点となる。
【００２６】
処理（Ｓ７）；ピーククリップ差分値算出手段によって、前記ピーククリップ部分Ｐの各サンプル点Ｐ１、Ｐ２、・・、Ｐｎにおいて隣り合う次のサンプル点Ｐ２、Ｐ３、・・、Ｐｎ＋１間との信号レベルの差分値Ｙｎ（例えば、図３におけるサンプル点Ｐ２の信号レベルからサンプル点Ｐ１の信号レベルを差し引いた数値Ｙ１でありＰ１、Ｐ２間の１サンプリング期間の波形の傾きとなる。）を算出する。
【００２７】
処理（Ｓ８）；ＲＯＭ等のメモリ装置に装置設計時に記録しておくといった補間係数設定手段にて前記差分値Ｙと対応させた補間係数Ｈを予め設定しておく。この補間係数Ｈは前記ピーククリップ差分値算出手段によって取得した前記ピーククリップ部分Ｐの隣り合うサンプル点間をつなぐ直線の傾きである差分値Ｙｎに対して、その傾きを入力時のデータ波形よりも鈍化するように積算する１未満の数値（例えば、０．７、１／２等の係数）であり、シミュレーション結果から或いは実験的に差分値Ｙｎに対応させておく。例えば、傾き（差分値Ｙｎ）の絶対値が１０以上の場合は補間係数Ｈ＝１／２、傾きの絶対値が３以上１０未満の場合は０．６、傾きの絶対値が１以上３未満の場合は０．７、傾きの絶対値が１未満の場合は０．９と定められた係数である。
【００２８】
処理（Ｓ９）；ピーククリップ予測補間手段によって前記ピーククリップ差分値算出手段で求めた各サンプル点Ｐ１〜Ｐｎの隣り合うサンプル間の差分値Ｙ１〜Ｙｎと予め設定された前記補間係数Ｈを基に、ピーククリップ部分Ｐの前後両端のサンプル点Ｐ１、Ｐｎの傾きからピーククリップ部分Ｐの内側に向かってデータ波形の予測補間処理を行う。
【００２９】
上記予測補間処理は、ピーククリップ部分Ｐのデータ波形の隣り合うサンプル点間の傾きを表す前記差分値Ｙ１〜Ｙｎと補間係数Ｈとを所定の計算式で掛け合わせつつピーククリップ部分Ｐの両端側から補間していき最終的にデータ波形が入力時のデータ波形よりも鈍化した曲線状に連続するように波形の整合性を取りつつ行われる。
【００３０】
この際、単純に傾き（差分値Ｙｘ）とこれに対応する補間係数Ｈｘを掛け合わせるのみの積算でもよいが、波形予測の観点からは、或るサンプル点Ｐｘにおける前後のサンプル点Ｐｘ−１及びＰｘ＋１の２点との間の傾き（差分値Ｙｘ−１、Ｙｘ）の平均の傾き（平均差分値（Ｙｘ−１＋Ｙｘ）／２）に対する補間係数Ｈｘとを掛け合わせたり、同様にして、或るサンプル点Ｐｘにおける前後各２点のサンプル点４点との平均差分値とそれに対する補間係数Ｈｘを掛け合わせて予測補間するように演算すると高精度の波形変化の予測が実現する。結果として、図３に示される所定レベル値Ｋ以上のピーククリップ部分Ｐの黒丸で示されるデジタル信号波形が白丸で示されるような予測補間されたデジタル信号波形に変換される。なお、図３から判るように予測補間されたデジタル信号波形は元のデジタル信号波形のピークレベルＰeakを越えているが、予測補間におけるＤＳＰ内の演算処理においては、例えば量子化ビット数１６ビットの信号レベル値に対して２４ビットで演算処理することで可能になるのである。ピークレベルが長く連続する大きなピーククリップ部分や急峻な前後のデータ波形を有するピーククリップ部分では、予測補間後のデータ波形は一般に元のデジタル信号波形のピークレベルＰeakを越えることが多いのである。
【００３１】
処理（Ｓ１０）；ゲイン調整手段によって図４に示されるように前記予測補間処理後のデータ波形において、前記ピーククリップ部分Ｐ前後の各区間の波形変化点Ａ、Ｂのうち、信号レベルの絶対値の大きい方の波形変化点（図４では波形変化点Ａ）の信号レベル値Ｇ以上のデータ波形区間（白丸で表す。）Ｗ３を検出し、その検出したデータ波形区間Ｗ３の最大レベル値Ｌmaxが前記予測補間処理前のデータ波形におけるピークレベル値Ｐeak以下（通常はピークレベルＰeak）となるように、前記検出したデータ波形区間Ｗ３の各データに対してゲインを下げる調整を行う。つまり、このデータ波形区間Ｗ３がゲイン調整を行うデータ波形区間であり、他のデータ波形のゲインはそのままである。したがって、前記ゲイン調整手段によってデータ波形が変化するのはピーククリップ部分Ｐを含むデータ波形の中の信号レベル値Ｇ以上のデータ波形のみであり、本発明に係るデジタル信号処理の影響はピーククリップ部分Ｐとその前後の限定された範囲に絞られている。
【００３２】
上記ゲイン調整手段によるゲイン調整で前記予測補間後のデータ波形は元の量子化ビット数に収まるピーククリップの無いデジタル信号波形データとなってＤＡ変換器へと出力される。
【００３３】
図５の本発明に係るピーククリップ部分の波形整形処理（Ｃｌｉｐ処理という。）をＯｆｆした場合（ａ）と、Ｃｌｉｐ処理Ｏｎした場合（ｂ）の実際のデジタルオーディオ信号入力のデータ波形を比較すると、ピーククリップ部分Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃが他の波形データに殆ど影響を与えずに鈍化した曲線に整形されてピーククリップが無くなっていることが判る。
【００３４】
以上、本発明のデジタル信号処理装置では、上記処理（Ｓ２）におけるピークレベルＰeakよりも多少低い所定レベル値Ｋの設定が本発明の装置のデジタル信号処理の１つの特徴となっており、ピークレベルＰeakと所定レベル値Ｋとの間のサンプル点をピーククリップ部分Ｐと見なして、この波形データに対して鈍化した曲線となるように傾き（差分値）に基づく補間処理を行ってピーククリップが無くなるように演算処理するのが本装置の主たる狙いである。演算処理自体は新たなハードウェアの追加なしに既存のＤＳＰ等のハードウェアに対してソフトウェアプロセスのみで実行できるのであり、デジタルオーディオシステム或いはデジタルオーディオビジュアルシステム等に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明のデジタル信号処理装置における処理手順例を示すフロー図である。
【図２】本発明のデジタル信号処理装置におけるデジタル信号入力データによるデータ波形におけるピーククリップ部分の検出例を説明する波形図である。
【図３】本発明のデジタル信号処理装置におけるピーククリップ部分の予測補間の処理前後の波形図例である。
【図４】本発明のデジタル信号処理装置におけるゲイン調整前後の波形図例である。
【図５】ピーククリップのあるデジタルオーディオ信号入力データに対して本発明のデジタル信号処理装置によるデジタル信号処理をしない場合（ａ）Ｃｌｉｐ処理Ｏｆｆ、及びデジタル信号処理を行った場合（ｂ）Ｃｌｉｐ処理Ｏｎの波形図比較例である。
【図６】ピーククリップ部分を有するデジタルオーディオ信号波形例を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
２    バッファメモリ
Ｄｉｎ    デジタル信号入力波形データ
Ｈ、Ｈｘ    補間係数
Ｋ    所定レベル値
Ｌmax     予測補間処理後の最大レベル値
Ｐeak     ピークレベル
Ｐ、Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ    ピーククリップ部分
Ｐ１、Ｐ２、Ｐｎ、Ｐｘ    サンプル点
Ｇ    ゲイン調整を行う信号レベル値
Ａ、Ｂ、Ｃ    波形変化点
Ｗ１、Ｗ２    ピーククリップ部分の前後の波形データ
Ｗ３    ゲイン調整を行うデータ波形区間
Ｙ、Ｙ１、Ｙｎ、Ｙｘ    差分値（傾き）
【図１】
2005204020.tif 000003
【図２】
2005204020.tif 000004
【図３】
2005204020.tif 000005
【図４】
2005204020.tif 000006
【図５】
2005204020.tif 000007
【図６】
2005204020.tif 000008