JP2007067868A - 低音増幅デジタル信号処理装置 - Google Patents

Abstract

【目的】歪みの少ない重低音を出力する低音増幅デジタル信号処理装置を提供する。
【構成】低音増幅デジタル信号処理装置１０は、デジタル音声信号Ｌ，Ｒの所定サンプリング数毎に区切られた各区間の音声信号Ｄｎ（Ｌ），Ｄｎ（Ｒ）に対し、二乗平均のパワーレベル値Ｐｎ（Ｌ），Ｐｎ（Ｒ）を各々求めるパワー演算手段Ｋ１と、Ｐｎ（Ｌ），Ｐｎ（Ｒ）と所定の閾値ＬｅｖｅｌＸとを各々比較し、ＬｅｖｅｌＸ未満の場合は、ＬｅｖｅｌＸと許容されるレベル最大値ＬｅｖｅｌＭａｘとの差分に相当する一定の増幅量Δｃで当該区間の低音域のデジタル音声信号を増幅し、ＬｅｖｅｌＸ以上の場合は、Ｐｎ（Ｌ），Ｐｎ（Ｒ）とＬｅｖｅｌＭａｘとの差分に相当する増幅量ΔＰｎ（Ｌ），ΔＰｎ（Ｒ）で当該区間の各チャンネルＬｃｈ，Ｒｃｈの低音域のデジタル音声信号を増幅する低音域可変増幅処理手段Ｋ２と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ポータブル・ヘッドフォン・ステレオ再生装置などのデジタルオーディオ再生装置におけるデジタル音声信号処理技術の分野に属する。

コンパクトディスク（ＣＤ）、ミニディスク（ＭＤ）、或いはハードディスク（ＨＤ）などに記録されたデジタル音源を再生し出力するポータブル・ヘッドフォン・ステレオ再生装置を典型とするデジタルオーディオ再生装置において、低音域強調のための増幅手段としては、イコライザで一様に低音域を増幅するのが一般的である。

しかしながら、上記のような一様な低音域増幅処理では、デジタル音声信号の振幅レベルが或るレベルを超えて大きくなると、電力増幅器が過駆動されて最大値部分がクリッピングにより歪むという難点がある。

上記のようなクリップ現象を回避すべく、例えば、下記［特許文献１］には、図６に示されるブロック構成の電圧制限装置の提案が開示されている。

即ち、音量制御信号に応じて音響信号の広帯域周波数範囲に第１利得を適用すると共に、音色制御信号に応じて音響信号の限られた周波数範囲に第２利得を適用する電圧制御増幅器を有することにより、電力増幅器のクリッピングがなく、且つ、ブリージングもなく音響信号が増幅できるようにした音響信号の電圧制限装置であり、以下のように構成されている。

先ず、音源２０が広帯域音量電圧制御増幅器（ＶＣＡ）２１に音響信号を送る。信号はさらに低音周波数電圧制御増幅器（ＶＣＡ）２２と電力増幅器２３を経て、スピーカ２４に出力される。クリップ検出器２５が電力増幅器２３に接続されていて、クリッピング歪の始まりを検出する。クリップ検出器２５から出力されたクリップ信号は低音制限ループ２６と音量制限ループ２７に送られる。低音制限ループ２６は操作者に制御された低音レベル制御電圧を受ける。低音制限ループ２６の出力は低音周波数電圧制御増幅器２２の電圧制御入力に接続されている。同様に、音量制限ループ２７は音量レベル制御電圧を受けて、広帯域音量電圧制御増幅器２１の電圧制御入力に出力を提供する、というものである。

特開平０３−３０５０６号公報

上記［特許文献１］に記載された低音域増幅におけるクリッピングに起因する歪の対策は、ＤＡ変換後のアナログ音響信号を念頭に、クリップ検出器によるクリッピング発生時の事後的な処方（フィードバック処理）の技術であり、デジタル音声信号の入力データレベルが大きい場合の低音増幅時のクリッピング現象に対するデジタル処理段階における対策については有益な示唆を与えていない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、デジタル音声信号のＤＳＰによるデジタル処理段階で低音域を増幅処理するようにしてクリップ現象を回避しつつ十分な低音域の増幅（ブースト）処理を行い、低音域を効果的に強調するように構成された低音増幅デジタル信号処理装置を提供することを目的とする。

本発明は、
（１）入力された各デジタル音声信号Ｌ，Ｒの低音域をそれぞれ増幅する低音増幅デジタル信号処理装置であって、入力された前記各デジタル音声信号Ｌ，Ｒの所定サンプリング数ｍ毎に区切られた各区間ｎ（ｎ＝１，２，・・）の音声信号Ｄｎ（Ｌ），Ｄｎ（Ｒ）に対して、二乗平均のパワーレベル値Ｐｎ（Ｌ），Ｐｎ（Ｒ）をそれぞれ求めるパワー演算手段Ｋ１と、前記パワー演算手段Ｋ１によって求められた前記パワーレベル値Ｐｎ（Ｌ），Ｐｎ（Ｒ）と所定の閾値ＬｅｖｅｌＸとをそれぞれ比較し、前記パワーレベル値Ｐｎ（Ｌ），Ｐｎ（Ｒ）が前記閾値ＬｅｖｅｌＸ未満または以下の場合（Ｐｎ（Ｌ），Ｐｎ（Ｒ）＜または≦ＬｅｖｅｌＸ）は、前記閾値ＬｅｖｅｌＸと許容されるデジタル信号レベル最大値ＬｅｖｅｌＭａｘとの差分に相当する一定の増幅量Δｃ（Δｃ≒ＬｅｖｅｌＭａｘ−ＬｅｖｅｌＸ）で当該区間の低音域のデジタル音声信号を増幅し、前記パワーレベル値Ｐｎ（Ｌ），Ｐｎ（Ｒ）が前記閾値ＬｅｖｅｌＸ以上または超える場合（Ｐｎ（Ｌ），Ｐｎ（Ｒ）≧または＞ＬｅｖｅｌＸ）は、当該区間ｎのパワーレベル値Ｐｎ（Ｌ），Ｐｎ（Ｒ）と前記デジタル信号レベル最大値ＬｅｖｅｌＭａｘとの差分に相当する増幅量ΔＰｎ（Ｌ），ΔＰｎ（Ｒ）（ΔＰｎ（Ｌ）≒ＬｅｖｅｌＭａｘ−Ｐｎ（Ｌ），ΔＰｎ（Ｒ）≒ＬｅｖｅｌＭａｘ−Ｐｎ（Ｒ））で当該区間の低音域のデジタル音声信号Ｌ，Ｒを増幅する低音域可変増幅処理手段Ｋ２と、を備えることを特徴とする低音増幅デジタル信号処理装置１０を提供することにより、上記課題を解決する。
（２）入力された左右チャンネルＬｃｈ，Ｒｃｈの各デジタル音声信号Ｌ，Ｒの低音域を増幅する低音増幅デジタル信号処理装置であって、入力された前記各デジタル音声信号Ｌ，Ｒの所定サンプリング数ｍ毎に区切られた各区間ｎ（ｎ＝１，２，・・）の音声信号Ｄｎ（Ｌ），Ｄｎ（Ｒ）に対して、二乗平均のパワーレベル値Ｐｎ（Ｌ），Ｐｎ（Ｒ）をそれぞれ求めるパワー演算手段Ｋ１と、前記左右チャンネルＬｃｈ，Ｒｃｈの各デジタル音声信号Ｌ，Ｒの同時区間における２つのパワーレベル値Ｐｎ（Ｌ），Ｐｎ（Ｒ）から値の大きい方のパワーレベル値Ｐｎを選択し、この選択したパワーレベル値Ｐｎと所定の閾値ＬｅｖｅｌＸとを比較し、前記選択したパワーレベル値Ｐｎが前記閾値ＬｅｖｅｌＸ未満または以下の場合（Ｐｎ＜または≦ＬｅｖｅｌＸ）は、前記閾値ＬｅｖｅｌＸと許容されるデジタル信号レベル最大値ＬｅｖｅｌＭａｘとの差分に相当する一定の増幅量Δｃ（Δｃ≒ＬｅｖｅｌＭａｘ−ＬｅｖｅｌＸ）で当該区間ｎの左右各チャンネルの低音域のデジタル音声信号Ｌ，Ｒを増幅し、前記選択したパワーレベル値Ｐｎが前記閾値ＬｅｖｅｌＸ以上または超える場合（Ｐｎ≧または＞ＬｅｖｅｌＸ）は、当該区間ｎの前記選択したパワーレベル値Ｐｎと前記デジタル信号レベル最大値ＬｅｖｅｌＭａｘとの差分に相当する増幅量ΔＰｎ（ΔＰｎ≒ＬｅｖｅｌＭａｘ−Ｐｎ）で当該区間の左右各チャンネルの低音域のデジタル音声信号Ｌ，Ｒを増幅する低音域可変増幅処理手段Ｋ３と、を備えることを特徴とする低音増幅デジタル信号処理装置１５を提供することにより、上記課題を解決する。

本発明に係る低音増幅デジタル信号処理装置は、上記のような構成のため、
（１）入力された左右チャンネルの各デジタル音声信号のそれぞれの刻々変わるパワーレベルに応じた可変的な低音域の増幅（ブースト）がＤＳＰにおけるデジタル信号処理で実現できるため、既存のＤＳＰのソフトウェアの設計変更のみでクリップ現象が生じ難く、歪みの少ない重低音を出力することができる。
（２）入力された左右チャンネルの各デジタル音声信号の何れか大きい方のパワーレベルに応じた可変的な左右チャンネルの低音域の増幅（ブースト）がＤＳＰにおける包括的なデジタル信号処理で実現できるため、より一層簡単なＤＳＰのソフトウェアの設計変更のみでクリップ現象が生じ難く、歪の少ない重低音を出力することができる。

本発明に係る低音増幅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。

図１は本発明に係る第１の実施の形態の低音増幅デジタル信号処理装置のブロック図である。図２は第２の実施の形態の低音増幅デジタル信号処理装置のブロック図である。図３は第１、第２の実施の形態の低音増幅デジタル信号処理装置における低音域増幅（ブースト）処理を説明するための概念図である。図４はパワーレベルが閾値未満または以下の場合の増幅処理を説明するための図である。図５はパワーレベルが閾値以上または超える場合の増幅処理を説明するための図である。

図１に示される第１の実施形態の低音増幅デジタル信号処理装置１０は、ＣＤをデジタル音源とする（ＭＤなどの圧縮音声信号の場合は伸張された）入力された左右チャンネルＬｃｈ，Ｒｃｈの各デジタル音声信号Ｌ，Ｒの低音域をそれぞれ増幅するＤＳＰ内部の低音増幅デジタル信号処理装置であって、入力された前記各デジタル音声信号Ｌ，Ｒの所定サンプリング数ｍ（例えばｍ＝１１５２サンプル）毎に区切られた各区間ｎ（ｎ＝１，２，・・）の音声信号Ｄｎ（Ｌ），Ｄｎ（Ｒ）に対して、二乗平均のパワーレベル値Ｐｎ（Ｌ），Ｐｎ（Ｒ）をそれぞれ求めるパワー演算手段Ｋ１と、前記パワー演算手段Ｋ１によって求められた前記パワーレベル値Ｐｎ（Ｌ），Ｐｎ（Ｒ）と所定の閾値ＬｅｖｅｌＸとをそれぞれ比較し、図３に示されるように、太い水平線分で表された前記各区間のパワーレベル値Ｐｎ（Ｌ），Ｐｎ（Ｒ）が前記閾値ＬｅｖｅｌＸ未満の場合（Ｐｎ（Ｌ），Ｐｎ（Ｒ）＜ＬｅｖｅｌＸ）は、前記閾値ＬｅｖｅｌＸと許容されるデジタル信号レベル最大値ＬｅｖｅｌＭａｘとの差分に相当する一定の増幅量Δｃ（Δｃ≒ＬｅｖｅｌＭａｘ−ＬｅｖｅｌＸ）で当該区間ｎの低音域のデジタル音声信号を増幅し、前記パワーレベル値Ｐｎ（Ｌ），Ｐｎ（Ｒ）が前記閾値ＬｅｖｅｌＸ以上の場合（Ｐｎ（Ｌ），Ｐｎ（Ｒ）≧ＬｅｖｅｌＸ）は、当該区間ｎのパワーレベル値Ｐｎ（Ｌ），Ｐｎ（Ｒ）と前記デジタル信号レベル最大値ＬｅｖｅｌＭａｘとの差分に相当する増幅量ΔＰｎ（Ｌ），ΔＰｎ（Ｒ）（ΔＰｎ（Ｌ）≒ＬｅｖｅｌＭａｘ−Ｐｎ（Ｌ），ΔＰｎ（Ｒ）≒ＬｅｖｅｌＭａｘ−Ｐｎ（Ｒ））で当該区間ｎの低音域のデジタル音声信号Ｌ，Ｒを増幅する低音域可変増幅処理手段Ｋ２と、を備えることを特徴とする。

上記パワー演算手段Ｋ１は、図１におけるＰｏｗｅｒ Ｏｐｅｒａｔｅブロックで、各デジタル音声信号Ｌ，Ｒの所定サンプリング数ｍ（例えばｍ＝１１５２サンプルの場合はサンプリング周波数４４．１ＫＨｚでは約２６ｍｓの期間）毎に区切られた各区間ｎにおける全音声信号Ｄｎ（Ｌ），Ｄｎ（Ｒ）のコーディング数（１６ビットの場合は０から±３２７６８）のデータに対して、二乗平均のパワーレベル値Ｐｎ（Ｌ），Ｐｎ（Ｒ）をそれぞれ求めるアルゴリズムでＤＳＰ内部の演算部をソフトウェアで機能させる。

また、上記低音域可変増幅処理手段Ｋ２は、ＤＳＰにおける図１のＬｅｖｅｌ Ｃｏｎｔｒｏｌブロックにおいて先に算出し出力される増幅可能な値である増幅量ΔｃまたはΔＰｎ（Ｌ）、ΔＰｎ（Ｒ）（ｘｘｄＢブースト可能という情報）を元に、低域可変ＢｏｏｓｔブロックにおいてＦＩＲ（Finite Impulse Response）デジタルフィルタ、ＩＩＲ（Infinite Impulse Response）デジタルフィルタを介して、低音域増幅（所定の周波数帯域のｘｘｄＢブースト）の演算処理（フィードフォワード処理）を行う。

なお、前記閾値ＬｅｖｅｌＸは当該区間のパワーレベル値が低い場合には、全体として音量が小さい状態でその低音域のみをデジタル信号レベル最大値ＬｅｖｅｌＭａｘまでブーストすることは過度の低音域強調となり、却って聞き苦しいことになるのを考慮して設けられている。而して、この閾値ＬｅｖｅｌＸは例えばＬｅｖｅｌＭａｘ−６ｄＢのレベル（半分のレベル）に設定するのが好適である。

上記低音域可変増幅処理手段Ｋ２による低音域増幅を模式的に描くと、図４、図５に示されるようになる。

即ち、図４のように入力された或る区間の破線で示される元のデジタル音声信号（Original Signal）が小さい振幅の場合（＝パワーレベルが閾値ＬｅｖｅｌＸ未満）は、ブーストは一定の増幅量Δｃの一様な増幅処理であり、デジタル信号レベル最大値ＬｅｖｅｌＭａｘまでは未だ差分があって、制限的にブーストされている。これは全体の音量が小さい場合に、増幅変化量が大きすぎると、聴感上、音のふらつきが発生してしまい、篭った音となってしまうからである。

一方、図５のように入力された或る区間の破線で示される元のデジタル音声信号（Original Signal）が大きい振幅の場合（＝パワーレベルが閾値ＬｅｖｅｌＸ以上）は、当該区間におけるパワーレベルに応じて、そこからデジタル信号レベル最大値ＬｅｖｅｌＭａｘまでの差分分の増幅量ΔＰｎ（Ｌ），ΔＰｎ（Ｒ）がブーストされる。

以上の低音域増幅のデジタル音声信号処理によって、データがクリップし難く、低域成分のみを可変的に増幅することができ、歪が生じるほどの過度の増幅がなされることなく、且つ、十分効果的な重低音の強調が実現するのである。

次に、図２に示される第２の実施形態の低音増幅デジタル信号処理装置１５は、前述の場合と同様に、入力された左右チャンネルＬｃｈ，Ｒｃｈの各デジタル音声信号Ｌ，Ｒの低音域を増幅する低音増幅デジタル信号処理装置であって、入力された各チャンネルの前記デジタル音声信号Ｌ，Ｒの所定サンプリング数ｍ毎に区切られた各区間ｎ（ｎ＝１，２，・・）の音声信号データＤｎ（Ｌ），Ｄｎ（Ｒ）に対して、二乗平均のパワーレベル値Ｐｎ（Ｌ），Ｐｎ（Ｒ）をそれぞれ求めるパワー演算手段Ｋ１と、前記左右各チャンネルＬｃｈ，Ｒｃｈのデジタル音声信号Ｌ，Ｒの同時区間における２つのパワーレベル値Ｐｎ（Ｌ），Ｐｎ（Ｒ）から値の大きい方のパワーレベル値Ｐｎを選択し、この選択したパワーレベル値Ｐｎと所定の閾値ＬｅｖｅｌＸとを比較し、前記選択したパワーレベル値Ｐｎが前記閾値ＬｅｖｅｌＸ未満の場合（Ｐｎ＜ＬｅｖｅｌＸ）は、前記閾値ＬｅｖｅｌＸと許容されるデジタル信号レベル最大値ＬｅｖｅｌＭａｘとの差分に相当する一定の増幅量Δｃ（Δｃ≒ＬｅｖｅｌＭａｘ−ＬｅｖｅｌＸ）で当該区間ｎの左右各チャンネルの低音域のデジタル音声信号データを増幅し、前記選択したパワーレベル値Ｐｎが前記閾値ＬｅｖｅｌＸ以上の場合（Ｐｎ≧ＬｅｖｅｌＸ）は、当該区間の前記選択したパワーレベル値Ｐｎと前記デジタル信号レベル最大値ＬｅｖｅｌＭａｘとの差分に相当する増幅量ΔＰｎ（ΔＰｎ≒ＬｅｖｅｌＭａｘ−Ｐｎ）で当該区間の左右各チャンネルの低音域のデジタル音声信号データを増幅する低音域可変増幅処理手段Ｋ３と、を備えることを特徴とする。

第１の実施形態の低音増幅デジタル信号処理装置１０との違いは、ＬｃｈとＲｃｈの音声信号Ｌ，Ｒをそれぞれ別個にそのパワーレベルに応じて低音域増幅するのではなく、同時区間における算出された各パワーレベルの何れか大きい方のパワーレベルのみを対象にして閾値と比較し、低音域の増幅量を決定して、それを双方のチャンネルの元のデジタル音声信号にそれぞれ加えるという演算処理を行っている点である。この処理手段によれば、閾値との比較及び増幅量算出の演算処理が半減するのでソフトウェアが簡単になり、低コストが要請されるポータブル・ヘッドフォン・ステレオ再生装置にも適用が可能である。原理的には第１の実施形態の低音増幅デジタル信号処理装置１０が正当であるが、左右チャンネルのパワーレベルにさほどの差は生じないのが通常であり、第２の実施形態の低音増幅デジタル信号処理装置１５でも十分に実用レベルにあることが確認されている。

本発明に係る第１の実施の形態の低音増幅デジタル信号処理装置のブロック図である。 第２の実施の形態の低音増幅デジタル信号処理装置のブロック図である。 第１、第２の実施の形態の低音増幅デジタル信号処理装置における低音域増幅（ブースト）処理を説明するための概念図である。 パワーレベルが閾値未満または以下の場合の増幅処理を説明するための図である。 パワーレベルが閾値以上または超える場合の増幅処理を説明するための図である。 公知技術の［特許文献１］に記載された電圧制限装置のブロック構成図である。

符号の説明

１０、１５ 低音増幅デジタル信号処理装置
Ｌ 入力された左チャンネルデジタル音声信号
Ｒ 入力された右チャンネルデジタル音声信号
ｍ 各区間の一定のサンプリング数
ｎ 区間
Ｄｎ（Ｌ），Ｄｎ（Ｒ） 区間のデジタル音声信号
Ｐｎ（Ｌ），Ｐｎ（Ｒ） 区間のパワーレベル値
Ｐｎ Ｐｎ（Ｌ），Ｐｎ（Ｒ）の大きい方のパワーレベル値
ＬｅｖｅｌＸ 閾値
ＬｅｖｅｌＭａｘ 許容されるデジタル信号レベル最大値
Δｃ，ΔＰｎ（Ｌ），ΔＰｎ（Ｒ） 増幅量

Claims (2)

1. 入力された各デジタル音声信号の低音域をそれぞれ増幅する低音増幅デジタル信号処理装置であって、
   入力された前記各デジタル音声信号の所定サンプリング数毎に区切られた各区間の音声信号に対して、二乗平均のパワーレベル値をそれぞれ求めるパワー演算手段と、
   前記パワー演算手段によって求められた前記パワーレベル値と所定の閾値とをそれぞれ比較し、前記パワーレベル値が前記閾値未満または以下の場合は、前記閾値と許容されるデジタル信号レベル最大値との差分に相当する一定の増幅量で当該区間の低音域のデジタル音声信号を増幅し、前記パワーレベル値が前記閾値以上または超える場合は、当該区間のパワーレベル値と前記デジタル信号レベル最大値との差分に相当する増幅量で当該区間の低音域のデジタル音声信号を増幅する低音域可変増幅処理手段と、
   を備えることを特徴とする低音増幅デジタル信号処理装置。
2. 入力された左右チャンネルの各デジタル音声信号の低音域を増幅する低音増幅デジタル信号処理装置であって、
   入力された前記各デジタル音声信号の所定サンプリング数毎に区切られた各区間の音声信号に対して、二乗平均のパワーレベル値をそれぞれ求めるパワー演算手段と、
   前記左右チャンネルの各デジタル音声信号の同時区間における２つのパワーレベル値から値の大きい方のパワーレベル値を選択し、この選択したパワーレベル値と所定の閾値とを比較し、前記選択したパワーレベル値が前記閾値未満または以下の場合は、前記閾値と許容されるデジタル信号レベル最大値との差分に相当する一定の増幅量で当該区間の左右各チャンネルの低音域のデジタル音声信号を増幅し、前記選択したパワーレベル値が前記閾値以上または超える場合は、当該区間の前記選択したパワーレベル値と前記デジタル信号レベル最大値との差分に相当する増幅量で当該区間の左右各チャンネルの低音域のデジタル音声信号を増幅する低音域可変増幅処理手段と、
   を備えることを特徴とする低音増幅デジタル信号処理装置。
   
   

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