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技術 データ処理方式

出願人 アルパイン株式会社
発明者 伊勢友彦
出願日 2000年2月24日 (20年10ヶ月経過) 出願番号 2000-047054
公開日 2001年8月31日 (19年3ヶ月経過) 公開番号 2001-237708
状態 特許登録済
技術分野 デジタル記録再生の信号処理 音声の分析・合成 圧縮、伸長・符号変換及びデコーダ
主要キーワード 所定倍数 データ処理方式 オーバーサンプリング処理 音質補正 オーディオ音 駆動用信号 イコライザ処理 アップサンプリング処理
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この項目の情報は公開日時点(2001年8月31日)のものです。
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図面 (9)

課題

情報の劣化を防止することができるデータ処理方式を提供すること。

解決手段

レベルシフト処理部20は、入力される24ビットオーディオデータに対して2ビット分だけ下位にビットシフトを行い26ビットのデジタルデータを出力する。このビットシフト後の26ビットのデジタルデータは、イコライザ処理部22によってイコライザ処理が行われた後に、オーバーサンプリング処理部24によって4倍のオーバーサンプリング処理が施され、ΣΔ変調部26に出力される。ΣΔ変調部26は、オーバーサンプリング処理後のデジタルデータに対してΣΔ変調処理を行って24ビットのデジタルデータを生成する。

概要

背景

一部のオーディオシステムでは、CDプレーヤ等から出力されるデジタルオーディオデータに対してDSP(Digital Signal Processor)を用いて様々な補正処理を行い、補正後のデータに対してデジタルフィルタによるオーバーサンプリング処理を行っている。このようなオーディオシステムにおいては、DSPを用いて補正処理を行う場合に、例えば所定の帯域信号レベルを上げる処理を行おうとすると、入力されるデジタルデータのビット数を維持した状態では、大きな信号レベルのオーディオ音に対応するデジタルデータが入力されると、補正処理において得られるデータが、このビット数で表現される最大値を超えてしまって歪みを生じる場合がある。したがって、実際には、補正処理によって生じる信号の増幅分を考慮して、入力されるデジタルデータに対応する信号レベルを下げて、上位ビット側マージンを確保した後に、所定の補正処理を行っている。

概要

情報の劣化を防止することができるデータ処理方式を提供すること。

レベルシフト処理部20は、入力される24ビットのオーディオデータに対して2ビット分だけ下位にビットシフトを行い26ビットのデジタルデータを出力する。このビットシフト後の26ビットのデジタルデータは、イコライザ処理部22によってイコライザ処理が行われた後に、オーバーサンプリング処理部24によって4倍のオーバーサンプリング処理が施され、ΣΔ変調部26に出力される。ΣΔ変調部26は、オーバーサンプリング処理後のデジタルデータに対してΣΔ変調処理を行って24ビットのデジタルデータを生成する。

目的

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、情報の劣化を防止することができるデータ処理方式を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
2件

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請求項1

入力されたLビットのデータを、Lビットよりも長いMビットのデータに変換するデータ変換手段と、前記データ変換手段から出力されるMビットのデータに対して所定のデータ処理を行うデータ処理手段と、前記データ処理手段から出力されるデータに対してオーバーサンプリング処理を行うオーバーサンプリング処理手段と、前記オーバーサンプリング処理手段から出力されるMビットのデータに対してビット数圧縮処理を行って、Mビットよりも短いNビットのデータに変換するビット圧縮手段と、を備えることを特徴とするデータ処理方式

請求項2

請求項1において、前記オーバーサンプリング処理手段は、入力されるデータに対して少なくとも2M-N 倍のオーバーサンプリング処理を行うことを特徴とするデータ処理方式。

請求項3

請求項1または2において、前記ビット圧縮手段は、ΣΔ変調処理を行うことにより、Nビットの圧縮データを得ることを特徴とするデータ処理方式。

請求項4

請求項1または2において、前記ビット圧縮手段は、ディザ加算処理を行った後に、下位側のM−Nビットを除くNビットのデータを得ることを特徴とするデータ処理方式。

請求項5

請求項4において、前記データ変換手段に入力されるLビットのデータは、オーディオ音データであり、前記ビット圧縮手段は、ほぼ20kHz以上に帯域制限された高域集中ディザ加算することを特徴とするデータ処理方式。

技術分野

0001

本発明は、オーディオシステム等において、所定のビット数のデータを複数の装置間で入出力するデータ処理方式に関する。

背景技術

0002

一部のオーディオシステムでは、CDプレーヤ等から出力されるデジタルオーディオデータに対してDSP(Digital Signal Processor)を用いて様々な補正処理を行い、補正後のデータに対してデジタルフィルタによるオーバーサンプリング処理を行っている。このようなオーディオシステムにおいては、DSPを用いて補正処理を行う場合に、例えば所定の帯域信号レベルを上げる処理を行おうとすると、入力されるデジタルデータのビット数を維持した状態では、大きな信号レベルのオーディオ音に対応するデジタルデータが入力されると、補正処理において得られるデータが、このビット数で表現される最大値を超えてしまって歪みを生じる場合がある。したがって、実際には、補正処理によって生じる信号の増幅分を考慮して、入力されるデジタルデータに対応する信号レベルを下げて、上位ビット側マージンを確保した後に、所定の補正処理を行っている。

発明が解決しようとする課題

0003

ところで、上述したようにオーディオシステムにおいて所定の補正処理を行うDSPは、内部処理において入出力データよりもビット数の多いデータを扱っているため、データを出力する際(後段のデジタルフィルタに転送する際)に、内部処理を行うために増加した分のビット数を削減する必要があり、このビット数分の情報が欠落することにより、情報の劣化、すなわち音質の劣化が生じるという問題があった。

0004

図7は、上述したDSPにおいて行われる補正処理を説明する図である。また、図8はこの補正処理の前後におけるデータのビット数を説明する図である。例えば、DSPおよびデジタルフィルタのそれぞれに入出力されるデジタルデータのビット数を16とする。また、DSPでは、図7に示すような、一部の周波数帯域を強調する(増幅する)イコライザ処理が行われるものとする。このように、DSPによって一部の周波数帯域の信号レベルを増幅する場合に、16ビットのデジタルデータが入力されると、この増幅分に対応した所定ビット(例えば2ビット)分だけ入力データ全体のビットシフトが行われた後に、所定のイコライザ処理が行われる。その結果、DSPの内部で扱うデジタルデータのビット数は16ビットに2ビットを加えた18ビットになる。しかし、DSPとその後段に接続されたデジタルフィルタとの間で入出力されるデータのビット数は16であるため、DSPからは、その内部データである18ビットの下位2ビットが欠落した16ビットデータが出力される。この欠落した下位の2ビット分だけ情報の劣化が生じる。

0005

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、情報の劣化を防止することができるデータ処理方式を提供することにある。

課題を解決するための手段

0006

上述した課題を解決するために、本発明のデータ処理方式では、入力されたLビットのデータをデータ変換手段によってMビットのデータに変換した後に、データ処理手段によって所定のデータ処理を行い、その結果得られるデータに対して、オーバーサンプリング手段によって所定倍数のオーバーサンプリング処理を行った後に、ビット圧縮手段によってNビットに圧縮する処理を行っている。データ処理されたデータのビット数を少なくする際に、このビット数が減少した分の情報を、オーバーサンプリング処理によって得られた複数のデータに対して時間的に分散することにより、ビット数の減少により生じる情報の劣化を防止することができる。

0007

したがって、上述したオーバーサンプリング処理手段は、入力されるデータに対して少なくとも2M-N 倍のオーバーサンプリング処理を行うことが望ましい。これにより、減少するビット数分の情報を、オーバーサンプリング処理によって得られた複数のデータに確実に分散することができ、情報の劣化を確実に防止することができる。

0008

また、上述したビット圧縮手段によってΣΔ変調処理を行うことにより、Nビットの圧縮データを得ることが望ましい。ΣΔ変調処理とオーバーサンプリング処理とを組み合わせることにより、情報の劣化を生じることなくデータのビット数を減らすことができる。

0009

また、上述したビット圧縮手段によってディザ加算処理を行うことにより、下位側のM−Nビットを除くNビットのデータを得ることが望ましい。ディザ加算処理によって、欠落するM−Nビット分の情報を確率的に複数のデータに振り分けることができるため、このビット数を減少させることにより生じる情報の劣化を防止することができる。特に、上述したデータ変換手段に入力されるLビットのデータがオーディオ音データである場合には、ビット圧縮手段によって、ほぼ20kHz以上に帯域制限された高域集中ディザ加算することが望ましい。ほぼ20kHz以上に帯域制限された高域集中ディザを加算することにより、データのビット数を減少させた場合の人間の聴感上の影響をなくすることができる。

発明を実施するための最良の形態

0010

以下、本発明のデータ処理方式を適用した一実施形態のオーディオシステムについて、図面を参照しながら説明する。

0011

図1は、本実施形態のオーディオシステムの構成を示す図である。図1に示すオーディオシステム100は、オーディオ装置1、音質補正部2、オーバーサンプリング処理部3、デジタル−アナログ(D/A)変換器4、ローパスフィルタLPF)5、増幅器6、スピーカ7を含んで構成されている。なお、図1においては、説明を簡略化するために、オーディオ装置1からモノラルのオーディオデータが出力されるものとしたが、ステレオのオーディオデータが出力される場合には、音質補正部2から後段の各構成を2チャンネルあるいはそれ以上のチャンネル分備えるようにすればよい。

0012

オーディオ装置1は、各種のオーディオ信号に対応したオーディオデータを出力するオーディオソースであり、例えば、CDプレーヤ等がこれに対応する。なお、以下の説明では、本実施形態のオーディオ装置1は、24ビットのオーディオデータを出力するものとする。

0013

音質補正部2は、オーディオ装置1から出力されるオーディオデータに対して所定のデータ処理を施して周波数特性等を変化させることにより、高音域や低音域を強調する音質補正を行う。この音質補正部2は、例えばDSPによって実現することができる。

0014

オーバーサンプリング処理部3は、音質補正部2から出力される補正後のオーディオデータに対してオーバーサンプリング処理を行う。このオーバーサンプリング処理部3は、デジタルフィルタによって実現することができる。

0015

D/A変換器4は、オーバーサンプリング処理部3から出力されるオーディオデータをアナログ信号に変換する。LPF5は、D/A変換器4から出力されるアナログ信号の高周波成分(例えば、20kHz以上の帯域)を除去することにより、階段状に変化するD/A変換器4の出力信号を滑らかにする。

0016

増幅器6は、LPF5から出力されるアナログ信号を所定のゲインで増幅してスピーカ駆動用の信号を出力する。スピーカ7は、増幅器6から出力される駆動用信号に対応したオーディオ音を出力する。

0017

図2は、音質補正部2の詳細な構成を示す図である。図2に示すように、音質補正部2は、レベルシフト処理部20、イコライザ処理部22、オーバーサンプリング処理部24、ΣΔ変調部26を含んで構成されている。

0018

レベルシフト処理部20は、後段のイコライザ処理部22によるイコライザ処理によって生じる信号レベルの増幅分(ビットの桁上がり分)に対するマージンを確保するために、オーディオ装置1から入力されるオーディオデータを所定ビット数だけビットシフトさせて信号レベルを下げる処理を行う。本実施形態では、レベルシフト処理部20は、24ビットのオーディオデータが入力された場合に、増幅分に対応して2ビット分だけ下位側にビットシフトを行って26ビットのデジタルデータを出力するものとする。この結果、この26ビットデータは、上位2ビットが“0”であり、それより下位の24ビットに、入力されたオーディオデータが含まれる。

0019

イコライザ処理部22は、レベルシフト処理部20から出力される26ビットのデジタルデータに対して、一部の周波数帯域を強調する(増幅する)等のイコライザ処理を行う。例えば、図7に示したように、一部の中音域について信号レベルを増幅し、それ以外の周波数領域では信号レベルを維持するイコライザ処理が行われる。

0020

オーバーサンプリング処理部24は、イコライザ処理部22から出力されるイコライザ処理後のデジタルデータに対して、擬似的にサンプリング周波数を上げるオーバーサンプリング処理(アップサンプリング処理)を行う。何倍のオーバーサンプリング処理を行うかは、後段のΣΔ変調器26によって26ビットのデジタルデータのビット数を何ビット抑圧(圧縮)するかを考慮して決定される。例えば、Mビット(上述した例ではM=26)のデータをNビットに圧縮する場合には、少なくとも2M-N 倍のオーバーサンプリング処理を行うことが望ましい。

0021

図3は、オーバーサンプリング処理部24によって行われるオーバーサンプリング処理の具体例を示す図であり、例えば4倍のオーバーサンプリング処理を行う場合が示されている。まず、イコライザ処理部22から入力される元データ(図3(a))に対して、0データ(値が0のデータ)が挿入される(図3(b))。4倍のオーバーサンプリング処理の場合には、隣接する2つの元データの間に3つの0データが挿入される。なお、一般には、X倍のオーバーサンプリング処理を行う場合に、隣接する2つの元データの間に(X−1)個の0データを挿入すればよい。

0022

その後、このようにして1つの元データと3つの0データとが交互に配置されたデータをローパスフィルタに通すことにより、隣接する2つの元データの間に、これらの間を滑らかに結ぶように3つの補間データが挿入されて、4倍のオーバーサンプリング処理が行われる(図3(c))。

0023

ΣΔ変調部26は、オーバーサンプリング処理部24から入力されたオーバーサンプリング処理後のデジタルデータに対してΣΔ変調処理を行う。このΣΔ変調とは、データの振幅情報を時間的なパルス幅に変換する方式であり、このΣΔ変調を行うことにより、デジタルデータのビット数を圧縮することができる。本実施形態では、ΣΔ変調部26は、オーバーサンプリング処理部24から出力された26ビットのデータを、オーディオ装置1から出力されるオーディオデータのビット数と等しい24ビットのデータに変換する。

0024

図4は、ΣΔ変調部26の詳細構成を示す図である。図4に示すように、ΣΔ変調部26は、2つの加算器40、42、減算器44、2つの乗算器46、48、2つの遅延器50、52、量子化器54を含んで構成されている。

0025

加算器40および42は、入力されるデジタルデータに対して、所定の遅延時間だけ遅延された量子化誤差を加算する。この量子化誤差は、加算器40および42を通った後の26ビットのデジタルデータが量子化器54によって24ビットのデジタルデータに変換される際に発生するものであり、量子化器54に入力される前のデジタルデータと、量子化器54から出力されるデジタルデータの差分を減算器44によって演算することにより求められる。

0026

遅延器52は、減算器44から出力される量子化誤差を、ΣΔ変調部26に入力されるデジタルデータの1サンプリング時間に相当する時間だけ遅延させる。同様に、遅延器50は、遅延器52から出力される量子化誤差をさらに1サンプリング時間に相当する時間だけ遅延させる。乗算器48は、遅延器52から出力される量子化誤差に対して乗数「2」を乗算する。同様に、乗算器46は、遅延器50から出力される量子化誤差に対して乗数「−1」を乗算する。

0027

上述したレベルシフト処理部20がデータ変換手段に、イコライザ処理部22がデータ処理手段に、オーバーサンプリング処理部24がオーバーサンプリング処理手段に、ΣΔ変調部26がビット圧縮手段にそれぞれ対応する。

0028

このように、本実施形態のオーディオシステム100に含まれる音質補正部2では、入力される24ビットのオーディオデータに対して2ビット分のビットシフトを行って上位ビット側にマージンを確保した後にイコライザ処理を行い、この結果得られる26ビットのデジタルデータに対して4倍のオーバーサンプリング処理を行い、その後、ΣΔ変調処理を行って24ビットのデジタルデータを得ている。オーバーサンプリング処理とΣΔ変調処理を組み合わせることにより、イコライザ処理が施された後の26ビットのデジタルデータのビット数を2ビット少なくする際に減少する2ビット分の情報を、オーバーサンプリング処理によって得られる複数のデジタルデータに対して時間的に分散することができるので、ビット数の減少により生じる情報の劣化を防止することができる。

0029

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、音質補正部2は、オーバーサンプリング処理が行われた後のデジタルデータに対してΣΔ変調処理を行うことにより、26ビットのデジタルデータを24ビットに圧縮する処理を行っていたが、このビット数の圧縮処理をディザ加算処理によって行うようにしてもよい。

0030

図5は、ディザ加算処理によってビット数の圧縮処理を行う場合の音質補正部2aの構成を示す図である。同図に示す音質補正部2aは、上述した図2に示した音質補正部2に含まれるΣΔ変調部26をディザ加算部28に置き換えた構成を有している。このディザ加算部28が、ビット圧縮手段に対応する。なお、音質補正部2aに含まれるレベルシフト処理部20、イコライザ処理部22、オーバーサンプリング処理部24のそれぞれは、図2に示した音質補正部2に含まれるものと基本的に同じであるため、対応する構成については同じ符号を付し、動作の詳細な説明は省略する。

0031

ディザ加算部28は、オーバーサンプリング処理部24から出力されるオーバーサンプリング処理後の26ビットのデジタルデータに対して所定のディザ加算処理を行って24ビットのデジタルデータに変換する。本実施形態では、ディザ加算部28は、入力されるデジタルデータに対して、20kHz以上に帯域制限された高域集中ディザを加算する処理を行う。このように、高域集中ディザを加算する処理を行うことにより、欠落する2ビット分の情報を確率的に複数のデジタルデータ(オーバーサンプリングにより得られるデジタルデータ)に対して振り分けることができるため、情報の劣化を防止することができる。また、本実施形態において使用する高域集中ディザは、20kHz以上の帯域において均一に分布する小振幅ノイズであるので、ディザ加算部28から出力されるデジタルデータに基づいて再生されるオーディオ音を聴取した場合に、聴感上の違和感等の影響を生じることもない。なお、後段においてほぼ20kHzの遮断周波数を有するローパスフィルタを通過させることにより、この高域集中ディザを加算したことにより生じる微少振幅を除去するようにしてもよい。

0032

図6は、ディザ加算処理によるビット数の圧縮処理の原理を説明する図であり、図6(a)は高域集中ディザを加算しない場合の入力信号とこれに対する量子化出力との関係を、図6(b)は高域集中ディザを加算した場合の入力信号とこれに対する量子化出力との関係をそれぞれ示している。

0033

高域集中ディザを加えないで単に下位のビットを削除するということは、下位の2ビットで表される“00”、“01”、“10”、“11”の4種類の情報が欠落することになる。図6(a)に示すように、入力データが1×Δと2×Δ(本実施形態では2ビットを圧縮するので、Δ=22 )の間にある場合を考えると、例えば、これらは全て3/2の値として量子化されて出力される。

0034

ところが、本実施形態のディザ加算部28では、入力データに対して±Δ/2(=±2)の高域集中ディザを加算した後に、下位の2ビットを削除する処理が行われる。例えば、図6(b)に示すように、入力データが(1+3/4)×Δの場合を考えると、この入力データに対して±Δ/2のディザを加算することにより、1.25Δ〜2.25Δの幅を有する分布を持つデータが得られる。実際には、この分布に含まれる1つのデータが得られるため、このようなデータに対して24ビットの量子化を行うということは、このデータが1.25Δ〜2Δに対応する75%の範囲に含まれている場合には量子化出力が3/2となり、2Δ〜2.25Δに対応する25%の範囲に含まれている場合には量子化出力が5/2となる。したがって、時間的な平均をとると、1.75となる。

0035

このように、ΣΔ変調処理を行う代わりにディザ加算処理を行うことによっても、欠落する2ビット分の情報を時間的に分散することにより、ビット数の減少により生じる情報の劣化を防止することができる。

0036

また、上述した実施形態では、DSP等によって構成される音質補正部の出力データのビット数を圧縮する場合について説明したが、それ以外の用途に用いるDSPあるいは他の装置における出力データのビット数を圧縮する場合についても本発明を適用することができる。

0037

また、上述した実施形態の説明では、音質補正部に入出力されるデータのビット数をともに24ビットして説明したが、入力データのビット数と出力データのビット数とが異なる場合であってもよい。

発明の効果

0038

上述したように、本発明によれば、ビット数が減少した分の情報を、オーバーサンプリング処理によって得られた複数のデータに対して時間的に分散することにより、ビット数の減少により生じる情報の劣化を防止することができる。

図面の簡単な説明

0039

図1オーディオシステムの構成を示す図である。
図2音質補正部の詳細な構成を示す図である。
図3オーバーサンプリング処理部によって行われるオーバーサンプリング処理の具体例を示す図である。
図4ΣΔ変調部の詳細構成を示す図である。
図5ディザ加算処理によってビット数の圧縮処理を行う場合の音質補正部の構成を示す図である。
図6ディザ加算処理によるビット数の圧縮処理の原理を説明する図である。
図7従来のオーディオシステムにおけるDSPにおいて行われる補正処理を説明する図である。
図8補正処理の前後におけるデータのビット数を説明する図である。

--

0040

1オーディオ装置
2、2a音質補正部
3オーバーサンプリング処理部
4デジタル−アナログ(D/A)変換器
5ローパスフィルタ(LPF)
6増幅器
7スピーカ
20レベルシフト処理部
22イコライザ処理部
24 オーバーサンプリング処理部
26 ΣΔ変調部
28ディザ加算部

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