JP2009124716A

JP2009124716A - ディジタルオーディオアンプ

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Publication number: JP2009124716A
Application number: JP2008322404A
Authority: JP
Inventors: Maki Katayama; 真樹片山
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2008-12-18
Filing date: 2008-12-18
Publication date: 2009-06-04
Anticipated expiration: 2020-11-15
Also published as: JP5051116B2

Abstract

【課題】入力されたオーディオ信号のレベルに対応して最適のディジタルゲインを設定することができるディジタルオーディオアンプを提供する。
【解決手段】係数乗算部３２が、入力されたオーディオ信号に対してゲインパラメータを乗算する。この係数は係数演算部３６から供給される。ＤＳＰ乗加算処理部３３がオーディオ信号に対して音場形成などの処理を行い、加算部３４が元のオーディオ信号と処理されたオーディオ信号とを加算する。クリップ検出部３５はこの加算部３４で加算された信号がクリップしているか否かを検出する。この処理を所定のオーディオ信号（例えば１曲の楽曲）について行い、係数演算部３６がクリップ検出部３５の検出結果に応じてゲインパラメータを決定する。このゲインパラメータが係数乗算部３２に設定され、再度所定のオーディオ信号が入力されたとき最適のゲインで再生・録音することができる。
【選択図】図２

Description

この発明は、ディジタル化されたオーディオ信号を処理するディジタルオーディオアンプに関する。

オーディオ装置のディジタル化が進展し、アナログのオーディオ信号に対する各種の効果付与やフィルタ処理などのディジタル化や、アナログのオーディオソースのディジタル信号化などが進んでいる。

ディジタル化されたアナログソースのオーディオ信号はレベルがまちまちであり、最適な設定が困難である。また、ゲイン設定は、アナログ回路の場合、処理している信号のレベルが大きすぎる場合には、リモートに飽和するため、歪みがそれほど大きくならないが、ディジタル処理の場合、信号レベルが量子化ビット数の最大値を超えてオーバーフローすると、その量子化ビット数の最大値で信号波形が切り取られて（クリップされて）しまい、波形の歪みが大きくなり、耳障りな音質になってしまうという問題点があった。一方、マージンをとって信号のゲインを小さくしておくと、今度は信号とノイズのレベル比が大きくならずＳ／Ｎ比が悪くなるという問題点があり、ＤＳＰなどのディジタル処理部において最適なゲインを設定することが要求されていた。

この発明は、入力されたオーディオ信号のレベルに対応して最適のディジタルゲインを設定することができるディジタルオーディオアンプを提供することを目的とする。

請求項１の発明は、ディジタルオーディオ信号を入力する信号入力部と、入力されたディジタルオーディオ信号に対してゲインパラメータを乗算する乗算手段と、前記乗算手段から出力されたディジタルオーディオ信号にレベルがサンプリングビット数の最大値を超えるクリップが発生したか否かを検出する検出手段と、所定のディジタルオーディオ信号が入力されたときの前記検出手段の検出内容に基づいて前記ゲインパラメータの値を決定し、前記乗算手段に供給するゲインパラメータをこの値に固定する制御手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、録音機器が接続される信号出力部をさらに備え、前記信号入力部は、前記所定のディジタルオーディオ信号を２度入力し、前記制御手段は、前記所定のディジタルオーディオ信号が１度目に入力されたとき、前記検出手段の検出内容に基づいて前記ゲインパラメータの値を決定し、前記所定のディジタルオーディオ信号が２度目に入力されたとき、前記乗算手段に供給するゲインパラメータを前記決定された値に固定し、前記信号出力部は、前記２度目に入力され、前記乗算手段によってゲインパラメータが乗算された前記所定のディジタルオーディオ信号を前記録音機器に出力することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１、２の発明において、前記乗算手段から出力されたディジタルオーディオ信号に対して所定の処理を行う処理手段を更に備え、前記検出手段は、前記処理手段で処理されたディジタルオーディオ信号と前記入力されたディジタルオーディオ信号とを加算した信号のクリップ発生を検出することを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜３の発明において、前記制御手段は、前記所定のディジタルオーディオ信号にクリップが発生しない最大値をゲインパラメータの値に決定することを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１〜４の発明において、前記制御手段は、前記検出手段がクリップを検出したことに応じて、前記乗算手段に供給するゲインパラメータの値を小さくし、前記検出手段が所定時間継続してクリップを検出しないとき、前記乗算手段に供給するゲインパラメータの値を大きくする処理モードの動作を更に行うことを特徴とする。

この発明では、所定のディジタルオーディオ信号を入力してゲインパラメータを決定して固定するため、再度同じ所定のディジタルオーディオ信号を入力した場合に、最良のゲインで再生・録音することができる。

さらに制御手段の他のモードの動作では、処理手段で処理された信号のレベルがクリップしたか否かを検出し、その検出結果をゲインパラメータの値に反映させて入力段の乗算手段にフィードバックする。このように、処理後の信号のレベルがクリップしているかを判定することにより、処理手段がどのような信号処理をした場合でもその処理内容に関係なくクリップの有無を判定することができ、これに応じて動的に入力段で乗算されるゲインパラメータを増減することにより、信号のクリップに迅速に対応することができる。また、クリップの発生の有無を短い間隔（たとえば２ｍｓ毎）でチェックすれば、利用者の聴覚に殆どクリップを感じさせることなく迅速にクリップを解消することができる。

また、所定時間継続してクリップが発生しないときに、ゲインパラメータの値を大きくするため、その場その場で最適のレベルでディジタルオーディオ信号を処理することができ、クリップの発生によって小さくしたゲインパラメータを大きくしないようにすれば、そのオーディオソース全体に有効な固定的なゲインパラメータを割り出すことができ、このゲインパラメータを用いて再度このオーディオソースを再生すれば、全体を通して一定のゲインでクリップ（歪み）の生じない再生が可能になる。

以上のようにこの発明によれば、所定のディジタルオーディオ信号を入力してゲインパラメータを決定して固定するため、再度同じ所定のディジタルオーディオ信号を入力した場合に、最良のゲインでＳＮ比がよく歪みが少ない音質でオーディオ信号を録音・再生することができ、たとえばアナログのオーディオソースをディジタル化して記憶媒体に取り込む場合等に最適のゲインを設定可能である。

図面を参照してこの発明の実施形態であるディジタルオーディオアンプについて説明する。図１はこの発明の実施形態であるディジタルオーディオアンプのハードウェアのブロック図である。図２は同ディジタルオーディオアンプのＤＳＰ１７周辺の機能ブロック図である。

図１において、このディジタルオーディオアンプの制御系は、ＣＰＵ１０と各機能部がバスで接続されるコンピュータと同様の構成になっている。装置全体の動作を制御するＣＰＵ１０には、バスを介してＲＯＭ１１、ＲＡＭ１２、フラッシュＲＯＭ１３、表示デバイス１４、パネルユーザインタフェース１５、リモコン受信部１６、ＤＳＰ１７、チューナ１８、音声入力制御部１９、音声出力制御部２０、ＵＤＢインタフェース２１が接続されている。

ＲＯＭ１１はこの装置の基本的なプログラムを記憶している。ＲＡＭ１２には、この装置の動作を規定する各種の設定内容が記憶されている。ＲＡＭ１２は、バッテリバックアップ可能なＳＲＡＭで構成されており、設定内容は電源スイッチがオフされたのちも保持される。フラッシュＲＯＭ１３にはこの装置の動作プログラムが記憶される。フラッシュＲＯＭ１３は書き換えが可能であるため、動作プログラムをバージョンアップすることができる。このバージョンアップは、ＵＳＢインタフェース２１を介して接続される他のパーソナルコンピュータ３によって行われる。表示デバイス１４は装置の前面パネルに設けられているＬＥＤマトリクスディスプレイを含んでいる。また、パネルユーザインタフェース１５は、装置前面パネルの各種ボタンスイッチを含んでいる。また、リモコン受信部１６は、装置に付属の赤外線リモコン２から送られてくる赤外線のコード信号を復調してＣＰＵ１０に入力する。

ＤＳＰ１７は、入力されたオーディオ信号（ディジタルオーディオ信号）に対して、フィルタ処理を行い各種の音場を形成するための処理部である。形成される音場としては、中ホール程度の音場を形成するＨＡＬＬ、ライブハウスのような音場を形成するＪＡＺＺ、教会のような残響を有する音場を形成するＣＨＵＲＣＨ、ゲーム用の音場を形成するＧＡＭＥ、映画に適した臨場感ある音場を形成するＭＯＶＩＥ、ライブ感のある音場を形成するＬＩＶＥ、三次元的なバーチャルな音場を形成するＶＤＤがある。
これらの音場の選択はＵＳＢインタフェース２１を介して接続されるパーソナルコンピュータ３によって行うことができる。

図４および図５はパーソナルコンピュータ３が実行するディジタルオーディオアンプ制御プログラムのコントロール画面を示す図である。図４（Ａ）では、上記ＤＳＰ乗加算処理部３３が形成する音場を選択するボタン群４０、選択された音場のパラメータを設定するパラメータ設定画面４１、およびアンプ２２のゲインを設定するアナログボリューム４３などが表示されている。また、同図（Ｂ）では、音場選択ボタン群４０、オーディオ信号の周波数特性をコライジングするイコライザ画面４１′が表示されている。ボタン群４０のうちいずれか１つをクリックすることによってその音場が選択され、選択データがパーソナルコンピュータ３からディジタルオーディオアンプ１に送信される。また、設定画面４１、４１′で音場形成（残響）のパラメータや各周波数バンドのツマミを操作することによって、その変更データがパーソナルコンピュータ３からディジタルオーディオアンプ１に送信され、残響特性や周波数特性がそのように変更される。ディジタルオーディオアンプ１において、これらのデータは、ＣＰＵ１０からＤＳＰ１７に入力される。

また図４（Ａ），（Ｂ）の画面の右上に設けられているＳＥＴＵＰ４２ボタンをオンすると図５に示す詳細設定画面が表示される。このなかにデジタルボリューム制御用のスライダ４４が表示され、これを操作してＤＳＰ１７におけるディジタルオーディオ信号のゲインを設定することができる。ただし、以下この実施形態で説明するディジタルゲイン自動制御機能では、ユーザによる設定は無視され、ＣＰＵ１０が入力信号のレベルに応じて自動的にゲインを設定する。設定されたゲインは、ディジタルオーディオアンプ１（ＣＰＵ１０）からパーソナルコンピュータ３に入力され、パーソナルコンピュータ３は、入力されたゲインに応じてこのスライダ４４の位置を制御する。

図１において、チューナ１８は、ＦＭ／ＡＭの放送を受信して、受信した信号を音声入力制御部１９に入力する。受信周波数は、バッテリバックアップされるＲＡＭ１２に４０局程度の放送局の周波数が記憶される。この周波数は、スキャンして受信可能な局を自動選局して記憶することもでき、パーソナルコンピュータ３から入力することもできる。

音声入力制御部１９は、入力端子としてアナログ３系統（ＰＣＩＮ，ＡＵＸ１ＩＮ，ＡＵＸ２ＩＮ）およびディジタル３系統（ＵＳＢ，ＣＯＡＸＩＮ，ＯＰＴＩＮ）を備えており、入力セレクタによっていずれか１つの入力端子の信号が選択されて後段へ出力される。入力セレクタは、ＣＰＵ１０から入力される入力選択信号によって切り換えられる。ＣＰＵ１０は、パネルユーザインタフェース１５（パネルスイッチ）、リモコン２、パソコン３などからの選択入力に応じて入力選択信号を音声入力制御部１９に入力する。入力セレクタによってアナログ入力端子が選択された場合には、その端子から入力されるオーディオ信号は、ＡＤコンバータによってディジタルオーディオ信号に変換されたのち後段に出力される。また、入力セレクタによってディジタル入力端子が選択された場合には、その端子から入力されるディジタルオーディオ信号はそのまま後段に出力される。

音声出力制御部２０は、ＤＡコンバータを備え、ディジタル処理されたオーディオ信号を複数の系統から出力する。出力端子としては、サブウーファ端子付きのアナログ出力端子、ディジタルのＵＳＢ、ＯＰＴＯＵＴなどが設けられており、各端子から出力オーディオ信号を取り出すことができる。また、音声出力制御部２０には、アナログのオーディオアンプ２２が接続されており、このオーディオアンプ２２の出力端子であるスピーカ端子も装置背面に設けられている。オーディオアンプ２２のゲインすなわちアナログボリュームは正面パネルに設けられているアナログボリュームエンコーダ（不図示）および図４（Ａ）のコントロール画面の左端のボリュームスライダ４３で設定することができる。オーディオアンプ２２のスピーカ端子にはスピーカ５が接続される。なお、音声入力制御部１９および音声出力制御部２０には、たとえばＤＶＤプレーヤやＭＤデッキなどの他のオーディオ機器４が接続される。

また、上記のように、ＵＳＢ端子２１にはパーソナルコンピュータ３が接続される。パーソナルコンピュータ３は、ＵＳＢ端子２１を介してディジタルオーディオ信号の入出力をするとともに、パーソナルコンピュータ３上で動作する設定ソフトウェアにより、このディジタルオーディオアンプを制御する。

図２は、前記ＤＳＰ１７付近の機能ブロック図である。この機能ブロック図を参照してこのディジタルオーディオアンプのディジタルゲイン自動制御機能について説明する。アナログ入力端子から入力されたアナログオーディオ信号はＡＤコンバータ３１によってディジタルオーディオ信号に変換されたのちＤＳＰ１７に入力される。ＡＤコンバータ３１は上述したように音声入力制御部１９に含まれている。また、ディジタル入力端子から入力されたディジタルオーディオ信号は直接ＤＳＰ１７に入力される。

ＤＳＰ１７において、入力信号（ディジタルオーディオ信号）は、係数乗算部３２に入力され、係数（ゲインパラメータ）が乗算される。この係数はディジタルオーディオ信号のＤＳＰ１７におけるゲインを決定するものであり、−２４ｄＢ〜＋１８ｄＢの範囲のゲインに対応するパラメータである。この係数は、係数演算部３６から入力される。この係数演算部３６は、ＣＰＵ１０が実行するプログラムによって実現される。

係数乗算部３２で係数が乗算されたディジタルオーディオ信号は、加算部３４およびＤＳＰ乗加算処理部３３に入力される。ＤＳＰ乗加算処理部３３は、いわゆるＤＳＰ処理である各種フィルタ処理を実行し、ディジタルオーディオ信号に上記各種の音場を形成するとともに周波数特性をイコライジングする処理部である。ＤＳＰ乗加算処理部３３は、この処理をしたディジタルオーディオ信号を加算部３４に出力する。加算部３４は、係数乗算部３２から直接入力されたディジタルオーディオ信号とＤＳＰ乗加算処理部３３で処理をされたディジタルオーディオ信号とを加算する。

この加算されたディジタルオーディオ信号が出力信号として前記音声出力制御部２０に出力されるとともに、クリップ検出部３５に入力される。クリップ検出部３５は、ディジタルオーディオ信号のレベルがサンプリングビット数（ディジタル処理におけるダイナミックレンジ）を超えてクリップ（オーバーフロー）が発生したかを判断する。クリップ検出部３５は、このクリップの有無を２ｍｓ毎に係数演算部３６に通知する。係数演算部３６は、このクリップの有無に基づき、ディジタルオーディオ信号の出力がクリップしない範囲で最大のレベルになるように係数（ゲインパラメータ）を増減する。このようにして求めた係数を係数乗算部３２に入力する。

なお、ディジタルゲイン自動制御機能を用いず、設定された係数（ゲインパラメータ）で固定的にディジタルオーディオ信号を処理する場合には、クリップ検出部３５および係数演算部３６の機能を停止させればよい。

図３は、ＣＰＵ１０のディジタルゲイン自動制御機能における係数演算処理動作を示すフローチャートである。動作のスタート時にまず係数をデフォルト値に初期化する。デフォルト値はたとえば最大の＋１８ｄＢに対応するパラメータとする。

そして、クリップ検出部３５のクリップ検出結果を取り込み（ｓ２）、ＤＳＰ１７で処理されたディジタルオーディオ信号がクリップすなわちオーバーフローしているかを判断する（ｓ３）。クリップしている場合には係数（ゲインパラメータ）を１ｄＢ分下げて係数乗算部３２に通知し（ｓ４）、継続してクリップが発生しなかった時間をカウントする非クリップ時間カウンタのカウントをリセットする（ｓ５）。そして、パーソナルコンピュータ３が図５の画面を表示しているときには、ゲインパラメータをパーソナルコンピュータ３に送信してスライダ４４の表示を１段階左に変更する（ｓ６）。以上の処理ののち２ミリ秒待機したのち（ｓ７）、ｓ２にもどる。

一方、ｓ３でクリップしていないと判断された場合には、非クリップ時間カウンタをカウントアップする（ｓ８）。そしてこの非クリップ時間カウンタのカウント値が５秒以上になった場合には（ｓ９）、ゲインを下げすぎているとて係数を１ｄＢ分上げて係数乗算部３２に通知し（ｓ１０）、こののちｓ５に進む。

このように、ディジタル処理部であるＤＳＰ１７内でオーディオ信号がクリップしない範囲で最大の値に係数を制御することにより、音質に歪みがなく且つＳＮ比がよい音声信号処理をすることができる。

なお、この実施形態では加算部３４が加算した信号についてクリップの有無を判断するようにしているが、ＤＳＰ乗加算処理部３３が処理した信号についてもクリップの有無を判断するようにしてもよい。

また、この実施形態では、レベルの小さい信号が継続した場合には、ｓ３→ｓ８、ｓ９、ｓ１０の処理で係数を大きくするように制御するが、これはリアルタイムでＤＶＤなどを鑑賞する場合に適している。一方、アナログメディアのオーディオソースを他のメディアに録音する場合など、係数を固定する必要がある場合には、一度そのオーディオソースを通して再生して係数を決定し、次は係数を固定してそのソースを再生・録音する。この場合には、このソース全体をとおしてクリップしない（最大の）係数を決定するため、ｓ８、ｓ９、ｓ１０の処理は行わないようにする。

この発明の実施形態であるディジタルオーディオアンプのハードウェアのブロック図同ディジタルオーディオアンプのＤＳＰ周辺の機能ブロック図同ディジタルオーディオアンプのＣＰＵの動作を示すフローチャート同ディジタルオーディオアンプに接続されるパソコンの制御画面の例を示す図同ディジタルオーディオアンプに接続されるパソコンの制御画面の例を示す図

符号の説明

１…ディジタルオーディオアンプ、２…リモコン、３…パーソナルコンピュータ、４…他のオーディオ機器、５…スピーカ、
１０…ＣＰＵ、１１…ＲＯＭ、１２…ＲＡＭ、１３…フラッシュＲＯＭ、１４…表示デバイス、１５…パネルユーザインタフェース、１６…リモコン受信部、１７…ＤＳＰ、１８…チューナ、１９…音声入力制御部、２０…音声出力制御部、２１…ＵＳＢインタフェース、２２…アナログアンプ、
３１…ＡＤコンバータ、３２…係数乗算部、３３…ＤＳＰ乗加算処理部、３４…加算部、３５…クリップ検出部、３６…係数演算部、３７…ＤＡコンバータ、
４０…音場選択ボタン、４１…イコライザ画面、４２…（ソフト的な）アナログボリューム、４３…ＳＥＴＵＰボタン、４４…（ディジタルボリュームの）スライダ

Claims

ディジタルオーディオ信号を入力する信号入力部と、
入力されたディジタルオーディオ信号に対してゲインパラメータを乗算する乗算手段と、
前記乗算手段から出力されたディジタルオーディオ信号に、レベルがサンプリングビット数の最大値を超えるクリップが発生したか否かを検出する検出手段と、
所定のディジタルオーディオ信号が入力されたときの前記検出手段の検出内容に基づいて前記ゲインパラメータの値を決定し、前記乗算手段に供給するゲインパラメータをこの値に固定する制御手段と、
を備えたディジタルオーディオアンプ。
録音機器が接続される信号出力部をさらに備え、
前記信号入力部は、前記所定のディジタルオーディオ信号を２度入力し、
前記制御手段は、前記所定のディジタルオーディオ信号が１度目に入力されたとき、前記検出手段の検出内容に基づいて前記ゲインパラメータの値を決定し、前記所定のディジタルオーディオ信号が２度目に入力されたとき、前記乗算手段に供給するゲインパラメータを前記決定された値に固定し、
前記信号出力部は、前記２度目に入力され、前記乗算手段によってゲインパラメータが乗算された前記所定のディジタルオーディオ信号を前記録音機器に出力する
請求項１に記載のディジタルオーディオアンプ。
前記乗算手段から出力されたディジタルオーディオ信号に対して所定の処理を行う処理手段を更に備え、
前記検出手段は、前記処理手段で処理されたディジタルオーディオ信号と前記入力されたディジタルオーディオ信号とを加算した信号のクリップ発生を検出する請求項１または請求項２に記載のディジタルオーディオアンプ。
前記制御手段は、前記所定のディジタルオーディオ信号にクリップが発生しない最大値をゲインパラメータの値に決定する請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のディジタルオーディオアンプ。
前記制御手段は、前記検出手段がクリップを検出したことに応じて、前記乗算手段に供給するゲインパラメータの値を小さくし、前記検出手段が所定時間継続してクリップを検出しないとき、前記乗算手段に供給するゲインパラメータの値を大きくする処理モードの動作を更に行う請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のディジタルオーディオアンプ。