JP2000285603A

JP2000285603A - デジタル信号処理装置及び再生装置

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Publication number: JP2000285603A
Application number: JP11094151A
Authority: JP
Inventors: Motonori Nakamura; 元徳中村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2000-10-13
Anticipated expiration: 2019-03-31
Also published as: JP4051807B2

Abstract

(57)【要約】【課題】１ビットデジタルオーディオ信号をマルチビ
ットデジタルオーディオ信号に変換する際に、マルチビ
ットデータの最大値での張り付きを抑え、平均レベルの
確保を可能とし、ダイナミックレンジの有効利用を可能
とする。【解決手段】レベル検出部１１は、変換部７によりマ
ルチビット化されて得られたマルチビットデジタル信号
Ｄ_Mのレベルを検知する。レベル演算部１２は、上記検
知されたレゲルを基に非線形のゲインカーブと所定の増
幅量を決定する。レベル可変部１３は、上記非線形のゲ
インカーブと所定の増幅量を用いて上記マルチビットデ
ジタル信号のレベルを可変する。レベル演算部１２で非
線形のゲインカーブを与えることにより、レベル可変部
１３でレベルが可変される信号の特性は、非線形処理さ
れた特性となり、１ビットデジタルデータをＤ／Ａ変換
したような特性に近づけることになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ΔΣ変調された１
ビットデジタル信号をマルチビットデジタル信号に変換
するデジタル信号処理装置、及び記録媒体に予め記録さ
れているΔΣ変調された１ビットデジタル信号を再生す
る再生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】アナログオーディオ信号に対し、従来の
レートよりはるかに高いサンプリング周波数を用い、か
つΔΣ変調回路構成を持つＡＤ変換器にてΔΣ変調を施
して１ビットデジタル信号を得、それを記録再生するシ
ステムは、以前より提案されている。

【０００３】１ビットデジタル信号方式は、サンプリン
グ周波数（ｆs）４４．１ＫＨｚ、１６ビット量子化の
コンパクトディスク（ＣＤ）などに代表されるマルチビ
ットデジタル信号方式とは根本的に異なり、広い周波数
帯域の再生が可能となる。現在、ＣＤのサンプリング周
波数ｆsの６４倍のサンプリング周波数を持つ１ビット
デジタル信号方式を採用した、高品質オーディオディス
ク規格が提唱されている。この高品質オーディオディス
ク規格は、いわゆるスーパーオーディオＣＤ（Super Au
dio CD）規格と呼ばれている。

【０００４】このスーパーオーディオＣＤ規格の１ビッ
トデジタルオーディオデータをアナログ信号に変換する
場合に、その元のデータの変調度が過変調となっていて
も、Ｄ／Ａ変換されえたアナログ出力はそのブロックの
回路のダイナミックレンジの余裕度などのために、レベ
ル特性、歪み特性などが急激に悪化することはない。

【０００５】一方、上記規格に基づいたスーパーオーデ
ィオＣＤを再生する装置セット単体として考えると、い
わゆる既存のデジタルオーディオインターフェースはマ
ルチビットの従来のサンプリングレート（４４．１ＫＨ
ｚなど）のデータを伝達することが目的とされているの
で、このデジタルオーディオインターフェースブロック
の前で、１ビットデジタルオーディオデータをマルチビ
ットデジタルオーディオデータに変換する必要がある。

【０００６】また、ここで１ビットデジタルオーディオ
データをマルチビットデジタルオーディオデータに変換
する際に、元の変調度が５０％のときにマルチビットデ
ジタルオーディオデータの最大値（フルビット）が出力
されるように規定されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、１ビットデ
ジタルオーディオデータの変調度が５０％を超えた信号
に関しては、マルチビット化された時点で、最大値にク
リップされてしまい、もとの信号とは異なったデータと
なり、結果的には歪んだ信号に変換されてしまう。

【０００８】つまり、過変調の１ビットデータが存在す
るスーパーオーディオＣＤ規格のディスクなどを再生し
た場合に、そのアナログ出力とデジタル出力の信号にレ
ベル、歪みなどの点で大きな違いが生じてしまうことに
なる。

【０００９】本発明は、上記実情に鑑みてなされたもの
であり、１ビットデジタルオーディオ信号をマルチビッ
トデジタルオーディオ信号に変換する際に、マルチビッ
トデータの最大値での張り付きを抑え、平均レベルの確
保を可能とし、ダイナミックレンジの有効利用が可能と
なるデジタル信号処理装置及び再生装置の提供を目的と
する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係るデジタル信
号処理装置は、上記課題を解決するために、ΔΣ変調に
より得られた１ビットデジタル信号をマルチビットデジ
タル信号に変換するとともに減衰処理を施す変換手段
と、上記変換手段から出力されたマルチビットデジタル
信号のレベルを基に決定した非線形のゲインカーブと、
所定の増幅量に基づいて上記マルチビットデジタル信号
のレベル制御を行うレベル制御手段とを備える。

【００１１】また、本発明に係るデジタル信号再生装置
は、上記課題を解決するために、記録媒体に予め記録さ
れているΔΣ変調により得られた１ビットデジタル信号
を再生するデジタル信号再生装置において、上記記録媒
体から上記１ビットデジタル信号を再生する再生手段
と、上記再生手段で再生された上記１ビットデジタル信
号をマルチビットデジタル信号に変換するとともに減衰
処理を施す変換手段と、上記変換手段から出力されたマ
ルチビットデジタル信号のレベルを基に決定した非線形
のゲインカーブと、所定の増幅量に基づいて上記マルチ
ビットデジタル信号のレベル制御を行うレベル制御手段
とを備えてなる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図面
を参照しながら説明する。この実施の形態は、高品質オ
ーディオを再生する、図１に示すオーディオディスクプ
レーヤ１である。このオーディオディスクプレーヤ１
は、ＣＤのサンプリング周波数ｆsの６４倍のサンプリ
ング周波数（６４ｆｓ）を持つ１ビットデジタル信号か
らなる高品質オーディオ信号を記録している光ディスク
を再生する。

【００１３】この１ビットデジタル信号は、図２に示す
ような構成の１ビットΔΣ変調器により生成される。１
ビットΔΣ変調器は、加算器７１と、積分器７２と、量
子化器７３と、遅延器７５とを備えてなる。加算器７１
の加算出力は積分器７２に供給され、積分器７２からの
積分出力は量子化器７３に供給される。量子化器７３の
量子化出力は出力端子７４から導出されると共に、遅延
器７５を介して負符号とされて加算器７１にフィードバ
ックされ、入力端子７０から供給されるアナログオーデ
ィオ信号に加算される。この加算器７１からの加算出力
は、積分器７２で積分される。そして、この積分器７２
からの積分出力を量子化器７３で１サンプル期間毎に量
子化しているので、出力端子７４から１ビット量子化デ
ータ、すなわち上記１ビットデジタル信号Ｄ₁を出力す
ることができる。

【００１４】図１に戻り、このオーディオディスクプレ
ーヤ１は、光ディスク２から１ビットデジタル信号をＲ
Ｆ信号として読み出す光学ピックアップ３と、光学ピッ
クアップ３が読み出したＲＦ信号に所定の信号処理を施
して１ビットデジタル信号Ｄ₁を生成する共にトラッキ
ング，フォーカシング等のサーボ信号を生成する再生信
号処理部４と、再生信号処理部４からの１ビットデジタ
ル信号Ｄ₁をアナログのオーディオ信号Ａ_Oに変換する１
ビットＤ／Ａ変換器５と、再生信号処理部４からの１ビ
ットデジタル信号Ｄ₁をマルチビットデジタル信号Ｄ_Mに
変換するとともに減衰する変換部７と、変換部７からの
マルチビットデジタル信号Ｄ_Mに対してデジタルデータ
領域においてそのレベルを自動的にかつダイナミックに
制御するレベル自動制御部１０と、このレベル自動制御
部１０でレベルが制御されたマルチビットデジタル信号
を例えばＩＥＣ９５８で規格されているデジタルオーデ
ィオインターフェース出力のオーディオデータエリアに
乗せるデジタルＩ／Ｆ部１４とを備える。デジタルＩ／
Ｆ部１４からのデジタルオーディオインターフェース出
力はディジタル出力端子１５から出力される。なお、こ
のデジタルオーディオインターフェース出力は後段で高
周波成分を除去するためのフィルタ手段に供給されても
よい。

【００１５】このオーディオディスクプレーヤ１は、従
来のオーディオディスクプレーヤに比べて、１ビットデ
ジタル信号Ｄ₁をマルチビットデジタル信号Ｄ_Mに変換す
る途中に例えば固定の減衰処理を施す変換部７と、変換
部７で減衰処理が施されたマルチビットデジタル信号の
レベルがフルビットを越えないようにレベルを自動的に
制御するレベル自動制御部１０を設けた点が特徴的であ
る。

【００１６】従来のオーディオディスクプレーヤは、規
定された最大変調度を持つデシメーションフィルタでダ
ウンサンプリングしてマルチビット信号に変換、それを
デジタルオーディオインターフェースに出力する場合
に、過変調レベル部分を、確実にレベルクリップして再
生してしまう。このため、１ビットデジタル信号をＤ／
Ａ変換して出力するアナログ出力信号と、マルチビット
デジタル出力信号では、レベルの差、歪みの差が存在す
ることになる。

【００１７】そこで、上記図１のオーディオディスクプ
レーヤ１では、変換部７において、マルチビット変換部
９の前段に固定量減衰部８を設けている。また、変換部
７からのマルチビット信号のレベルがフルビットを越え
ないように、レベル自動制御部１０でレベルを自動的に
制御し、Ｄ−Ｉ／Ｆ部１４に入力している。

【００１８】先ず、変換部７について説明する。変換部
７は固定量減衰部８とマルチビット変換部９とを備え、
上記１ビットデジタル信号Ｄ₁をマルチビットデジタル
信号Ｄ_Mに変換、及びサンプリング周波数を６４ｆｓか
らｆｓにダウンサンプリングする途中に固定の減衰処理
を施す。

【００１９】変換部７の具体的な例について図３，図４
を用いて説明する。図３は固定量減衰部８の要部であ
り、図４はマルチビット変換／デシメーション部９の要
部である。

【００２０】固定量減衰部８は、無信号を意味する、Δ
Σ変調により得られた１ビットデジタル信号、例えば０
パターン信号であるミュート信号を発生するミュートパ
ターン発生器１８と、ミュートパターン発生器１８から
のミュート信号に入力端子１７を介して供給される１ビ
ットデジタル信号Ｄ₁とを加算し、加算器出力信号Ｄｓ
を出力端子１９に供給する１ビット加算器２６とを備え
てなる。ミュートパターンとは、６４倍ｆｓレートの１
ビット信号データの２値（０と１）の、ある一定期間中
の出現比率が１対１である固定パターンで、これをＤＡ
変換すると、アナログ信号でのゼロレベルに相当する。

【００２１】ここで、端子２１，２２から後の構成は、
図４に示すマルチビット変換部９の前部の構成とほぼ同
様となる。すなわち、図４の切換スイッチ２５が下側の
被選択端子に接続されたとき、加算器２６は端子２１か
らの１ビット入力信号Ｄ₁と端子２２からのミュート信
号を加算する。これをデュアル入力という。

【００２２】これに対して、図４の切換スイッチ２５が
上側の被選択端子に接続されると、加算器２６は端子２
１からの１ビット入力信号Ｄ₁同士を加算する。これを
シングル入力という。このときの固定減衰量部８の等価
回路を図５に示す。

【００２３】変換部７の１ビットデジタル信号の入力が
例えば図５のように、端子２１同士からの加算構成を持
っていたとする。１ビット加算器２６の加算器出力信号
Ｄｓは、Ａ＋Ｂで表せるが、１ビット入力信号Ｄ₁は２
入力が１ビット加算器２６に接続されているので、加算
器出力信号ＤｓはＡ＋Ａつまり２Ａとなる。

【００２４】一方、Ｂ入力（端子２２）に、図３のよう
にミュートパターン発生器１８を接続したとする。図３
の加算器出力Ｄｓは、Ａ＋Ｂであるが、Ｂ入力はミュー
トパターンなので、Ｂ＝０、よって、出力は、Ａ＋０つ
まりＡとなる。図５の出力２Ａに対し、図３のような構
成をとれば出力はＡとなり、レベルはちょうど半分、６
ｄＢの固定量減衰になる。この方法は、１ビット信号を
マルチビットへ変換していく初段にて、ミュートパター
ンとの合成により固定減衰量を得るもので、後段のマル
チビット変換部９でのクリップに達するまでのレベル
を、引き下げたことに相当する。

【００２５】図４において、切換スイッチ２５を切り換
えて上記デュアル入力又はシングル入力を切り換えるた
めの切換制御信号は、制御信号端子２３から与えられ
る。この切換制御信号は、ユーザによるマニュアル操作
で生成されてもよいし、あるいは自動的に生成されても
よい。

【００２６】図４のマルチビット変換部９の残りの構成
について説明する。１ビット加算器２６からの２ビット
の加算器出力信号Ｄｓはフォーマット部２７に供給され
る。フォーマット部２７は２ビットの３値、例えば１＋
１を表す“１０”、１＋０又は０＋１を表す“０１”、
０＋０を表す“００”を、４ビットのオフセットバイナ
リー３値にフォーマット化する。すなわち、上記“１
０”を“１１００”（＋４）、“０１”を“１０００”
（０）、“００”を“０１００”（−４）に変換する。

【００２７】フォーマット部２７からの４ビットは、切
換スイッチ２８に供給される。この切換スイッチは、入
力端子２４からの６４ｆｓ４ビット入力と、フォーマッ
ト部２７からの４ビットとを切り換えてオフセットバイ
ナリー変換部２９に供給する。

【００２８】オフセットバイナリー変換部２９は、切換
スイッチ２８からの６４ｆｓ４ビットのオフセットバイ
ナリーを、２の補数に変換する。具体的には、上記“１
１００”を“０１００”に、上記“１０００”を“００
００”に、上記“０１００”を“１１００”に変換す
る。このオフセットバイナリー変換部２９の変換出力ま
でが６４ｆｓの４ビットであり、移動平均フィルタ３０
に供給される。

【００２９】移動平均フィルタ３０は、サンプリングレ
ートを１／８に落とし、かつ語長を１９ビットに増や
す。この１９ビット、８ｆｓのフィルタ出力は、ゲイン
設定部３１に供給され、ゲインが設定される。

【００３０】このとき、ゲイン設定部３１では、オーバ
ーフローリミッタがかけられる。そして、このゲイン設
定部３１からの８ｆｓ、２０ビットはＦＩＲ（１）３２
に供給される。

【００３１】ＦＩＲ（１）３２は上記８ｆｓ、２０ビッ
トを４ｆｓ、２１ビットにダウンサンプリング／デシメ
ーションする。

【００３２】また、ＦＩＲ（２）３３及びＦＩＲ（３）
３４を通すことによって、端子３５にはｆｓ、２１／２
４ビットが得られる。

【００３３】ここでは、変換部７の入力にて固定量減衰
を行ったが、１ビットディジタル信号をマルチビットデ
ィジタル信号に変換する途中、具体的にはゲイン設定部
３１より前のブロックにおいて固定量減衰がなされてい
ればよい。

【００３４】次に、レベル自動制御部１０の詳細につい
て説明する。レベル自動制御部１０は、変換部７により
マルチビット化されて得られたマルチビットデジタル信
号Ｄ_Mの入力レベルを基に所定のアルゴリズムで非線形
のゲインカーブを決定し、この非線形のゲインカーブ
と、所定の増幅量に基づいて上記マルチビットデジタル
信号Ｄ_Mの出力レベルを制御する。

【００３５】このレベル自動制御部１０は、上記マルチ
ビットデジタル信号のレベルを検出するレベル検出部１
１と、レベル検出部１１で検出したレベルを基に非線形
のゲインカーブと、処理の増幅量を演算により求めるレ
ベル演算部１２と、レベル演算部１２で決定された上記
非線形のゲインカーブと上記所定の増幅量に応じて上記
マルチビットデジタル信号を可変するレベル可変部１３
とから構成される。

【００３６】変換部７によりマルチビット化されて得ら
れたマルチビットデジタル信号Ｄ_Mは、レベル検出部１
１でレベル検知され、それを基にレベル演算部１２で非
線形のゲインカーブと所定の増幅量（例えばプラス６ｄ
Ｂ）が決定され、レベル可変部１３において上記非線形
のゲインカーブと上記増幅量に基づいて出力レベルが可
変される。

【００３７】なお、このレベル自動制御部１０をデジタ
ル信号処理ユニット（ＤＳＰ）で形成することにより仮
に１ビットデータでの変調度が５０％以上のデータが入
ってきたとしても、瞬時にそのレベル制御を行うことに
より、マルチビットデータ上で最大値に貼り付くことが
なく、デジタルインターフェースの出力のようなマルチ
ビット信号を出力することができる。

【００３８】レベル演算部１２は、ゲイン係数生成器を
内蔵し、上記入力レベルに応じて所定のアルゴリズムで
非線形のゲインカーブを求めることができる。この非線
形のゲインカーブを与えることにより、レベル可変部１
３では出力レベルが可変される。このときの入力レベル
と出力レベルの特性は、図６に示すような非線形な特性
となり、１ビットデジタルデータをＤ／Ａ変換したよう
な特性に近づけることになる。

【００３９】しかし、この図６に示す特性では、いかな
るレベル入力においてもフルビット固定とはならない
が、入力レベルが０ｄＢであっても出力レベルは−６ｄ
Ｂとしかならず、出力レベルが全体的に低くなってしま
う。

【００４０】通常、線形のままの信号をそのまま増幅す
ると図７のように最大値でクリップしてしまい、結果的
には歪んだ信号となってしまう。そこで、一度図６のよ
うな非線形の処理を加えた後で、さらにレベル演算部１
２で演算により求めた増幅量、例えば＋６ｄＢで増幅す
れば、図８のような特性となり、飽和曲線による処理が
なされて、最大値にはりつく事は少なくなる。

【００４１】以上のように、レベル検出部１１、レベル
演算部１２、レベル可変部１３からなるレベル自動制御
部１０で、一度非線形処理を施してから増幅することに
より、１ビットデジタルデータをマルチビットデジタル
データに変換した際に、そのマルチビット上のデータを
最大値ではりつかせることなく、かつ平均レベルを確保
し、１ビットデジタルデータをＤ／Ａ変換したように特
性な近づけることができる。

【００４２】また、レベル自動制御部１０をＤＳＰで構
成すれば、仮に１ビットデータでの変調度が５０％以上
のデータが入ってきたとしても、瞬時にそのレベルを制
御することができる。

【００４３】このような処理を行ったマルチビットデー
タをデジタルインターフェースの出力に用いれば、１ビ
ットデジタルデータのアナログ出力と類似した信号を、
デジタルインターフェースに接続した外部機器において
再現することが可能となる。

【００４４】また、更にはレベル演算部１２において
の、非線形のゲインカーブをいろいろな特性のものに差
し替えることにより、その出力特性をも自由に変えるこ
とができる。

【００４５】なお、上記実施の形態はオーディオディス
クプレーヤ１としたが、本発明は、上記図２によって得
られた１ビットオーディオ信号を直接、アナログ信号、
及びマルチビット信号に変換するデジタル信号処理装置
に適用することもできる。

【００４６】

【発明の効果】以上、本発明によれば、１ビットデジタ
ルオーディオ信号をマルチビットデジタルオーディオ信
号に変換するときに、レベル制御手段が上記マルチビッ
トデジタルオーディオ信号のレベルを基に求めた非線形
のゲインカーブと、所定の増幅量を使って、マルチビッ
トデジタル信号のレベルを制御するので、マルチビット
データの最大値での張り付きを抑え、平均レベルの確保
を可能とし、ダイナミックレンジの有効利用が可能とな
る。

【００４７】また、レベル制御部内で、入力レベルによ
って変化するゲイン係数生成器を使用することにより、
線形エリアから非線形エリアへの移行もスムーズで、最
大値付近でも急激にクリップすることの無い特性を得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態となるオーディオディスク
プレーヤの構成を示すブロック図である。

【図２】ΔΣ変調器の構成を示すブロック図である。

【図３】上記図１に示したオーディオディスクプレーヤ
の要部となる変換部内の固定量減衰部の詳細な構成を示
すブロック図である。

【図４】上記図１に示したオーディオディスクプレーヤ
の要部となる変換部内のマルチビット変換部の詳細な構
成を示すブロック図である。

【図５】上記図３に示した固定量減衰部の原理を説明す
るためのブロック図である。

【図６】上記図１に示したオーディオディスクプレーヤ
の要部のレベル自動制御部内のレベル演算部で非線形の
ゲインカーブが与えられることにより、レベルが可変さ
れた信号の特性を示す図である。

【図７】最大値でクリップしてしまった信号の特性を示
す図である。

【図８】上記図６に示すような非線形処理をした信号に
対し＋６ｄＢの増幅を施して得られた特性を示す図であ
る。

【符号の説明】

１オーディオディスクプレーヤ、２光ディスク、３
光学ピックアップ、４再生信号処理部、５１ビッ
トＤ／Ａ変換器、７変換部、８固定量減衰部、９
マルチビット変換部、１０レベル自動制御部、１１
レベル検出部、１２レベル演算部、１３レベル可変
部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】 ΔΣ変調により得られた１ビットデジタ
ル信号をマルチビットデジタル信号に変換するとともに
減衰処理を施す変換手段と、上記変換手段から出力されたマルチビットデジタル信号
のレベルを基に決定した非線形のゲインカーブと、所定
の増幅量に基づいて上記マルチビットデジタル信号のレ
ベル制御を行うレベル制御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。
【請求項２】上記レベル制御手段は、上記マルチビットデジタル信号のレベルを検出するレベ
ル検出手段と、上記レベル検出手段で検出したレベルを基に非線形のゲ
インカーブと所定の増幅量を演算により求めるレベル演
算手段と、上記レベル演算手段で決定された上記非線形のゲインカ
ーブ及び上記増幅量に応じて上記マルチビットデジタル
信号を可変するレベル可変手段とを備えてなることを特
徴とする請求項１記載のデジタル信号処理装置。
【請求項３】上記変換手段は上記減衰処理を施すため
に、 ΔΣ変調による無信号１ビットデジタル信号を発生する
無信号発生手段と、上記無信号発生手段から発生された無信号１ビットデジ
タル信号と入力１ビットデジタル信号を加算する加算手
段とを備えることを特徴とする請求項１記載のデジタル
信号処理装置。
【請求項４】記録媒体に予め記録されているΔΣ変調
により得られた１ビットデジタル信号を再生するデジタ
ル信号再生装置において、上記記録媒体から上記１ビットデジタル信号を再生する
再生手段と、上記再生手段で再生された上記１ビットデジタル信号を
マルチビットデジタル信号に変換するとともに減衰処理
を施す変換手段と、上記変換手段から出力されたマルチビットデジタル信号
のレベルを基に決定した非線形のゲインカーブと、所定
の増幅量に基づいて上記マルチビットデジタル信号のレ
ベル制御を行うレベル制御手段とを備えてなることを特
徴とするデジタル信号再生装置。
【請求項５】上記レベル制御手段は、上記マルチビットデジタル信号のレベルを検出するレベ
ル検出手段と、上記レベル検出手段で検出したレベルを基に非線形のゲ
インカーブと所定の増幅量を演算により求めるレベル演
算手段と、上記レベル演算手段で決定された上記非線形のゲインカ
ーブ及び上記増幅量に応じて上記マルチビットデジタル
信号を可変するレベル可変手段とを備えてなることを特
徴とする請求項４記載のデジタル信号再生装置。
【請求項６】上記変換手段は上記減衰処理を施すため
に、 ΔΣ変調による無信号１ビットデジタル信号を発生する
無信号発生手段と、上記無信号発生手段から発生された無信号１ビットデジ
タル信号と入力１ビットデジタル信号を加算する加算手
段とを備えることを特徴とする請求項４記載のデジタル
信号再生装置。