(57)【要約】【課題】  ノイズの入力レベルが大きくでも最適なキャンセル処理を行なうことができるノイズキャンセルヘッドホンを提供する。【解決手段】  マイクロホンから入力された騒音のデジタルデータに基づいて上記騒音信号を打ち消す信号を生成する信号処理装置を有するデジタルノイズキャンセルヘッドホンにおいて、、信号処理装置がデジタルデータの入力値を判定する判定手段、判定手段がデジタルデータの入力値が演算オーバーフローするレベルであると判定した場合、キャンセルデータの算出に用いるフィルタ係数を予め規定した定数を用いて算出するフィルタ係数調整手段、フィルタ係数と上記デジタルデータを用いてキャンセルデータを算出するデジタルフィルタ、算出されたキャンセルデータを上記定数によって調整するキャンセルデータ調整手段、とを有するデジタルノイズキャンセルヘッドホン。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周囲の騒音を電気信号に変換するマイクロホンと、マイクロホンで変換される騒音信号をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器と、上記デジタルデータに基づいて上記騒音信号を打ち消すためのキャンセルデータを算出する信号処理装置と、上記キャンセルデータをアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器と、を備えるデジタルノイズキャンセルヘッドホンにおいて、
上記信号処理装置が、
上記デジタルデータの入力値を判定する判定手段、
上記判定手段が、上記デジタルデータの入力値が演算オーバーフローするレベルであると判定した場合、上記キャンセルデータの算出に用いるフィルタ係数を予め規定した定数を用いて算出するフィルタ係数調整手段、
上記フィルタ係数と上記デジタルデータを用いてキャンセルデータを算出するデジタルフィルタ、
上記算出されたキャンセルデータを、上記定数を用いて調整するキャンセルデータ調整手段、
とを有するデジタルノイズキャンセルヘッドホン。
【請求項２】
上記フィルタ係数調整手段は、上記信号処理装置が有するフィルタ係数を上記定数によって減衰させる演算を行なうことを特徴とする請求項１記載のデジタルノイズキャンセルヘッドホン。
【請求項３】
上記フィルタ係数調整手段は、上記キャンセルデータに上記定数を乗じて、上記キャンセルデータを増加させる演算を行なうことを特徴とする請求項１記載のデジタルノイズキャンセルヘッドホン。
【請求項４】
周囲の騒音を電気信号に変換するマイクロホンと、マイクロホンで変換される騒音信号をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器と、上記デジタルデータに基づいて上記騒音信号を打ち消すためのキャンセルデータを算出する信号処理装置と、上記キャンセルデータをアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器と、を備えるデジタルノイズキャンセルヘッドホンにおいて、
上記信号処理装置が、
上記デジタルデータの入力値を判定する判定手段、
上記判定手段が、上記デジタルデータの入力値が演算オーバーフローするレベルであると判定した場合、上記キャンセルデータの算出に用いる複数のフィルタ係数を予め規定した定数を用いて算出するフィルタ係数調整手段、
上記フィルタ係数と上記デジタルデータを用いてキャンセルデータを算出する複数のデジタルフィルタ、
とを有するデジタルノイズキャンセルヘッドホン。
【請求項５】
上記フィルタ係数調整手段は、上記信号処理装置が有する複数のフィルタ係数のうち、特定のフィルタ係数を上記定数によって減衰させる演算を行ない、他の特定のフィルタ係数を上記定数によって増加させる演算を行なうことを特徴とする請求項４記載のデジタルノイズキャンセルヘッドホン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルノイズキャンセルヘッドホンに関するものであって、特に、キャンセル信号を生成するための演算処理におけるオーバーフローを防止することで、より効果的なノイズキャンセル効果を得ることができるデジタルノイズキャンセルヘッドホンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯型音楽プレーヤが普及し、ヘッドホンもより高性能のものが求められている。特に、携帯型音楽プレーヤは屋外で利用されることが多く、そのため街頭や乗り物の中で利用する際に周囲の騒音に邪魔されずに音楽のみを聞くことができるノイズキャンセルヘッドホンが望まれるようになってきている。
【０００３】
従来のノイズキャンセルヘッドホンの大半はアナログ方式のものであるが、最近では、デジタル方式のノイズキャンセルヘッドホンも提案されている。いずれの方式においても、ヘッドホンに組み込まれたマイクロホンが利用者の周囲の音（再生したい音に対しては騒音であるから、以下「ノイズ」という）を捉えて、このノイズと位相が１８０度反転し、かつ、同振幅の信号（以下「キャンセル信号」という）を音楽プレーヤからの再生信号に混合してスピーカから出力することで、騒音はキャンセル信号によって打ち消されて、利用者は再生信号のみを聞くことができるようにするものである。
【０００４】
デジタル方式のノイズキャンセルヘッドホンは、アナログ信号であるノイズをデジタルデータに変換し、このデジタルデータを用いた演算を行なうことでキャンセルデータを算出し、このキャンセルデータをアナログ信号に変換してキャンセル信号とし、このキャンセル信号と再生信号を混合してスピーカから出力するものである。従来のデジタルノイズキャンセルヘッドホンの例を図５に示す。図５は左右一対で構成されるデジタルノイズキャンセルヘッドホン筐体の片側のみを示した概略図である。図５において、符号１００はキャンセルデータを算出するＤＳＰ（デジタル信号プロセッサ）を中心として構成されるキャンセル信号生成手段（以下「ＣＰ」とする）を示す。ＣＰ１００は、ヘッドホンユニット１の周囲の騒音（ノイズＮ）に対するキャンセル信号を生成し、音源から入力された再生信号Ｓと混合してスピーカ１０３に出力するものである。ＣＰ１００に入力されるノイズＮは、ヘッドホンユニット１の一部に設けた貫通孔１０２を通過して、マイク１０１によって集音されたものである。また、ヘッドホンユニット１にはＣＰ１００の駆動電源である図示しない電池が収まっている。
【０００５】
図５に示すようにマイク１０１をヘッドホンユニット１の外側に向けて設置するタイプは、ＣＰ１００内部に備わっているＤＳＰが予め決められたフィルタ係数を用いた演算処理によってキャンセル信号を算出する。また、デジタルノイズキャンセルヘッドホンには上記のようなタイプの他に、マイク１０１をヘッドホンユニット１の内側に向けて設置するタイプがある。このタイプの場合は、ヘッドホンユニット１を通過したノイズＮと音源からの再生信号Ｓをマイク１０１が集音し、ＣＰ１００に備わっているＤＳＰが、マイク１０１が集音した信号から再生信号Ｓを差し引いた信号を生成して、これに対するキャンセル信号を算出する。
【０００６】
図６は上記ＣＰ１００の機能ブロック図である。図６において、ＣＰ１００は、マイク１０１が集音したノイズＮをデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ１１１と、デジタル信号に変換されたノイズＮのキャンセルデータを算出する積和演算処理を行なうＤＳＰ１１２と、キャンセルデータをアナログ信号に変換するＤ／Ａコンバータ１１３と、キャンセル信号と再生信号Ｓを混合してスピーカ１０３に出力するミキサ１１４とを有してなる。
【０００７】
上記デジタルノイズキャンセルヘッドホンは、マイク１０１から入力される信号レベルが大きくなりすぎると、正確なキャンセル信号を生成することができなくなるので、過大な入力があったときであっても、正常に動作することができるようにする種々の発明がなされている。
【０００８】
入力電圧が過大であると内部回路を破損させる恐れがあることから、過大入力保護回路を設けて、入力値に応じて当該保護回路を動作させる発明が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００９】
【特許文献１】特許第３６８０７８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、上記の各特許文献に記載されているノイズキャンセルヘッドホンであっても、デジタルノイズキャンセルヘッドホン特有の課題を解決することはできない。なぜなら、大音量のノイズがマイクから入力され、この音量が当該デジタルノイズキャンセルヘッドホンにとって定格外であると、ＤＳＰがキャンセルデータを算出するときにデータの桁溢れ（オーバーフロー）が生じるからである。キャンセル信号は入力されたノイズＮに応じて生成されるものであるから、演算処理の一部であってもオーバーフローが発生することで、入力されたノイズＮに対する正確なキャンセルデータを算出することができなくなる。
これを避けるために、マイクから入力されるノイズレベルを減少させるようにしたものがある。しかし、このようなノイズキャンセルヘッドホンによれば、効果的なキャンセル効果を発揮する正確なキャンセル信号を生成することはできない。また、不正確なキャンセルデータによって生成されるキャンセル信号を再生信号に混合して出力することで、ノイズを強調されたり、新たなノイズを発生させたりする原因となる。
【００１１】
従って、デジタルノイズキャンセルヘッドホンにおいては、演算オーバーフローをするような入力値であってもそのままのレベルを維持してキャンセルデータの算出を行ない、かつ、オーバーフローを起さない処理をする必要がある。
【００１２】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、ノイズの入力値が大きく、演算オーバーフローが生じるような値であってもＤＳＰにおける演算処理においてオーバーフローを起さないようにフィルタ係数を調整し、算出したキャンセルデータをフィルタ係数の調整によって補正することができるデジタルノイズキャンセルヘッドホン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】
【００１３】
本発明は、周囲の騒音を電気信号に変換するマイクロホンと、マイクロホンで変換される騒音信号をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器と、上記デジタルデータに基づいて上記騒音信号を打ち消すためのキャンセルデータを算出する信号処理装置と、上記キャンセルデータをアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器と、を備えるデジタルノイズキャンセルヘッドホンにおいて、上記信号処理装置が、上記デジタルデータが過大入力であるか否かを判定する判定手段、上記判定手段が過大入力であると判定した場合、上記キャンセルデータの算出に用いるフィルタ係数を予め規定した定数を用いて算出するフィルタ係数調整手段、上記フィルタ係数と上記デジタルデータを用いてキャンセルデータを算出するデジタルフィルタ、上記算出されたキャンセルデータを、上記定数を用いて調整するキャンセルデータ調整手段、とを有することを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、デジタルノイズキャンセルヘッドホンにおいて、集音した周囲ノイズが過大入力であっても、定数倍した係数を用いて積和演算処理を行い、算出されたキャンセル信号データに対して上記定数倍の逆数を乗じることで正常なキャンセル信号を生成することができるので、効果的なノイズキャンセル処理を行なうことができるようになる。過大入力に起因してＤＳＰにおいて発生するノイズを防止することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明に係るデジタルノイズキャンセルヘッドホンについて図を用いて説明する。本発明の特徴はＤＳＰが行なう演算処理にある。ＤＳＰは、デジタル信号処理を主たる機能とする演算回路であって、具体的な演算処理はヘッドホンユニット１が有する図示しない記憶手段に記憶されているソフトウェアに基づいて実行するものである。以下の説明において語尾に「部」が付記されているものは、上記のソフトウェアとＤＳＰが備えるハードウェアの協働によって実現する処理機能を表わしている。
【００１６】
図１は、本発明にかかるデジタルノイズキャンセルヘッドホンが具備するＤＳＰの構成例を示す機能ブロック図である。図１において、信号処理装置であるＤＳＰ２０は、Ａ／Ｄコンバータ１１によってデジタルデータに変換されたノイズＮのレベルを判定する入力レベル判定部２１と、入力データのレベルに応じて後段のフィルタ処理に用いるフィルタ係数を算出するフィルタ係数調整手段であるフィルタ係数算出部２２と、上記フィルタ係数と上記入力データを用いて積和演算を行なうデジタルフィルタであるフィルタ処理部２３と、フィルタ係数調整部２２が行なったフィルタ係数の算出処理に応じてフィルタ処理部２３の演算結果を補正してＤ／Ａコンバータ１３に出力するキャンセルデータ調整手段であるキャンセルデータ調整部２４とを有してなる。
【００１７】
入力レベル判定部２１は、デジタルデータであるノイズＮの入力レベルが、後段のフィルタ処理部２３において演算オーバーフローが生じるレベルであるか否かを判定する。具体的には予め規定する閾値とデジタルデータのレベルを比較することで判定する。
【００１８】
フィルタ係数算出部２２は、入力レベル判定部２１が入力データは閾値を超えていると判定した場合、後段のフィルタ処理に用いる係数を減衰させる演算処理を行なう。
【００１９】
フィルタ処理部２３は、フィルタ係数算出部２２が算出したフィルタ係数と上記入力データを用いて積和演算処理を行なうことでキャンセルデータを算出する処理を行なう。
【００２０】
キャンセルデータ調整部２４は、上記キャンセルデータに、上記フィルタ係数調整部２２においてフィルタ係数算出に用いた定数の逆数を乗じて、キャンセルデータを増幅して正確なデータに戻す処理を行なった後に、Ｄ／Ａコンバータ１３に出力する処理を行なう。
【００２１】
次に、本発明にかかるデジタルノイズキャンセルヘッドホンにおけるキャンセル信号生成方法について、図２のフローチャートを用いて説明する。図２において、各処理のステップは（２０１）、（２０２）、・・・のように表示して説明する。まず、入力レベル判定部２１が、ある時間ｔにおいてマイク１０１から入力されたノイズＮのデジタルデータ（以下「ｘ（ｔ）」とする）と予め規定する閾値と比較して、ｘ（ｔ）が閾値よりも大きいか否かを判定する（２０１）。ｘ（ｔ）が閾値より小さければ（２０１のＮ）フィルタ処理部２３は、ＤＳＰ２０が予め設定として有するフィルタ係数と上記ｘ（ｔ）を用いて積和演算処理を行ない、キャンセルデータを算出してＤ／Ａコンバータ１３に出力する（２０２）。
【００２２】
上記ｘ（ｔ）が予め規定する閾値と比較して大きければ（２０１のＹ）、フィルタ係数算出部２２が、予め規定する定数を用いて、後段のフィルタ処理に用いるフィルタ係数を算出する（２０３）。ここで定数はフィルタ係数を減衰させる目的で用いるものであるから、例えば定数がαであれば、フィルタ係数算出部２２は予め規定するフィルタ係数に１／αを乗じてフィルタ係数を減衰させる処理をする。
【００２３】
次に、フィルタ処理部２３が、上記算出されたフィルタ係数と上記入力データを用いて積和演算処理を行い、キャンセルデータを算出する（２０４）。この算出されたキャンセルデータは本来の値の１／α倍になっているので、キャンセルデータ調整部２４が、ステップ２０３でフィルタ係数を算出するために用いた定数の逆数（α）を算出されたキャンセルデータに乗じて、正確なキャンセルデータを算出する処理を行なう。このようにして、正確な値に戻されたキャンセルデータがＤ／Ａコンバータ１３に出力される（２０５）。
【００２４】
フィルタ処理（２０４）における積和演算処理の例を示し、上記の処理において演算オーバーフローを防止することができることを説明する。ＤＳＰ２０は扱えるビット数には上限がある。例えば、ＤＳＰ２０が扱えるビット数を数値によって表わしたとき、その上限値が「２０」である仮定する。また、このＤＳＰ２０よってキャンセル信号を算出するために用いるフィルタ係数が「２，４，２」であって、入力データｘ（ｔ）が「３」、１つ前の入力データｘ（ｔ−１）が「５」、２つ前の入力データｘ（ｔ−２）が「−４」であるとする。
【００２５】
上記の条件において、フィルタ処理（２０４）を行なうと、ｘ（ｔ）にフィルタ係数「２」を乗じた値（「６」）と、これにｘ（ｔ−１）にフィルタ係数「４」を乗じた値（「２０」）を加算し、さらにｘ（ｔ−２）にフィルタ係数「２」を乗じた値（「−８」）を加算することになる。この演算の最終的な結果は「１８」であるが、ｘ（ｔ−１）を加算した時に上限値「２０」を超えて値「２６」となり、これによって演算オーバーフローが起きる。
【００２６】
演算オーバーフローが起きたとき、演算を継続するために様々な対処方法がある、その一つは上限値を超えたときはその値を上限値に固定して「２６」を「２０」として扱う方法であり、また他の方法は、上限値を超えた分の値をその値として「２６」を「６」として扱う方法である。いずれの方法であっても、最終的な算出結果は、正しい値の「１８」にはならない。上記の例では演算結果が「１２」か「−２」になってしまう。
【００２７】
このように、ＤＳＰ２０のフィルタ処理で演算オーバーフローが生じると、正しいキャンセルデータを算出することができず、キャンセル効果が期待できるキャンセル信号を生成することが出来ない。また、キャンセル効果が無い信号が混合されることで、新たなノイズの原因となる。
【００２８】
本発明に係るＤＳＰを用いたキャンセル信号生成方法によれば、上記の条件であっても正確なキャンセルデータを算出することができる。すなわち、定数αを２とした場合、フィルタ処理に用いる係数は「１，２，１」となり（係数減衰処理２０３参照）、上記と同じ入力データ（ｘ（ｔ）が「３」、ｘ（ｔ−１）が「５」、ｘ（ｔ−２）が「−４」である）であっても、途中で上限値の「２０」を超えて演算オーバーフローをすることなく、算出結果が「９」となる。この算出結果に対して上記定数αを乗じれば正確なキャンセルデータ「１８」を算出することができる。このように、積和演算処理において、ＤＳＰが演算オーバーフローをおこすような入力データであったとしても、予め規定する定数（α）を用いてフィルタ係数を一律的に減衰させて（１／α倍）、積和演算処理によって算出された値に対して定数（α）を乗じることで、求めるべきキャンセルデータを正確に算出することができる。
【００２９】
次に、本発明にかかるデジタルノイズキャンセルヘッドホンが具備するＤＳＰの別の構成の例を示す。図３に示すＤＳＰ２０ａは、先に説明したＤＳＰ２０におけるフィルタ処理部２３を多段構成にしたものである。図３は、フィルタ処理部を２３ａ、２３ｂ、２３ｃとして３段構成の例を示している。しかし、本発明はこれに限らずフィルタの数に左右されることなく適用可能である。以下の説明において、ＤＳＰ２０と同じ構成に関する説明は省略する。
【００３０】
フィルタ係数調整部２２ａは、先に説明したフィルタ調整部２２とは異なる構成を有している。フィルタ係数調整部２２ａは、入力レベル判定部２１において入力データが閾値以上であると判定された場合、後段のフィルタ処理部（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ）のどのフィルタ処理部において、演算オーバーフローが発生するかを判断し、その演算オーバーフローが発生するフィルタ処理部に用いるフィルタ係数を予め規定する定数によって減少させる処理を行なう。また、フィルタ係数調整部２２ａは、減少させた算出値をどのフィルタ処理部において元の値に戻しても演算オーバーフローを起さないかを判断し、そのフィルタ処理部に用いるフィルタ係数を上記定数によって増加させる処理を行なう。尚、ＤＳＰ２０ａは、フィルタ処理によって算出された値を正確な値に戻す処理を、フィルタ処理部２３ａ，２３ｂ、２３ｃによって行なうので、キャンセルデータ調整部２４を備えることは必須では無くなる。
【００３１】
上記のＤＳＰ２０ａを備えた本発明にかかるデジタルノイズキャンセルヘッドホンにおけるキャンセル信号生成方法について、図４のフローチャートを用いて説明する。図４も図２と同様に各処理のステップは（２０１）、（２０２）、・・・のように表示し、図２を用いて説明した処理と同じ処理は、同じ符号を用いている。まず、入力レベル判定部２１が、ある時間ｔにおいてマイク１０１から入力されたノイズＮのデジタルデータ（以下「ｘ（ｔ）」とする）は、予め規定する閾値と比較して大きいか小さいかを判定する（２０１）。ｘ（ｔ）が閾値より小さければ（２０１のＮ）、フィルタ処理部２３ａ，２３ｂ，２３ｃによって予め規定しているフィルタ係数を用いた積和演算処理を行い、キャンセルデータを算出してＤ／Ａコンバータ１３に出力する（２０２）。
【００３２】
上記ｘ（ｔ）が予め規定する閾値と比較して大きければ（２０１のＹ）、フィルタ係数調整部２２ａが、予め規定する定数を用いて、後段のフィルタ処理に用いるどのフィルタ係数を減少させ、どのフィルタ係数を増加させるかを決定し、その決定に基づいて各フィルタ係数を算出する（２０５）。フィルタ係数の算出には予め規定する定数を用いる。例えば、フィルタ係数を減少させる場合は、定数をαとすれば１／αをフィルタ係数に乗じる。逆にフィルタ係数を増加させる場合は、αをフィルタ係数に乗じる。
【００３３】
これをより具体的に説明する。上記フィルタ処理ａで用いるフィルタ係数を予め規定した定数倍、例えば１／２倍にして、フィルタ処理ａにおいて演算オーバーフローが生じないようにする。フィルタ処理ａ以外の例えばフィルタ処理ｂで、フィルタ処理ａの減衰分を増幅（すなわち２倍に増幅）し、その後、フィルタ処理ｃを当初決められていたフィルタ係数を用いて行なって算出したキャンセルデータをＤ／Ａ９に出力する。あるいは、上記減衰分の増幅は、フィルタ処理ｂとフィルタ処理ｃで行なうようにしてもよい。例えば、フィルタ処理ｂとフィルタ処理ｃに用いるフィルタ係数をそれぞれ√２倍するようにしてもよい。
【００３４】
上記算出された係数と上記入力データを用いてフィルタ処理部２３ａ、フィルタ処理部２３ｂ、フィルタ処理部２３ｃのそれぞれにおいて、上記において算出されたフィルタ係数を用いた積和演算処理を行い、キャンセルデータを算出し、その値をＤ／Ａコンバータ１３に出力する（２０７乃至２０９）。
【００３５】
このように、ノイズＮの入力レベルが大きくても、フィルタ係数を減衰・増加させることで、ＤＳＰにおけるフィルタ処理において演算オーバーフローが生じることがなく、正確なキャンセルデータを算出することができ、かつ、演算オーバーフローが生じることで発生する新たなノイズを防止することができ、効果的なノイズキャンセル処理を行なうことが出来るようになる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明にかかるデジタルノイズキャンセルヘッドホンにおけるＤＳＰの機能ブロックの例を示すブロック図である。
【図２】上記ヘッドホンのノイズキャンセル処理の例を示すフローチャートである。
【図３】本発明にかかるデジタルノイズキャンセルヘッドホンにおけるＤＳＰの機能ブロックの別の例を示すブロック図である。
【図４】上記ヘッドホンのノイズキャンセル処理の例を示すフローチャートである。
【図５】従来のデジタルノイズキャンセルヘッドホンの構造の例を示す概略図である。
【図６】従来のデジタルノイズキャンセルヘッドホンの例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３７】
２０  ＤＳＰ
２０ａ  ＤＳＰ
【図１】
2009251533.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2009251533.tif 000007
【図６】
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