JP2005175674A - 信号圧縮伸張装置および携帯通信端末装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
携帯電話機等に搭載されているスピーカにおいて、歪の発生をできるだけ押さえ、聴感上好ましい音を出力する。
【解決手段】
着メロなどの音源から入力される信号を、Ｎ（Ｎは２以上の整数）個の周波数帯域に分割する帯域分割回路と、帯域分割回路からそれぞれ入力される信号に利得を与えて出力するＮ個の圧縮伸張回路と、Ｎ個の圧縮伸張回路から出力される信号を加算して出力する帯域合成回路とを備える信号圧縮伸張装置を介して、スピーカに出力する。Ｎ個の圧縮伸張回路の少なくとも一つは、帯域分割回路から入力される信号が所定の閾値以上である場合に、利得を下げるように動作する。
【選択図】
図６

Description

本発明は、信号圧縮伸張装置に関し、特に音響機器に出力する信号のレベルを圧縮あるいは伸張する信号圧縮伸張装置およびその信号圧縮伸張装置を備える携帯通信端末装置に関する。

音声信号あるいは音響信号（オーディオ信号）を増幅器で増幅してスピーカ等の音響機器に出力する際に、ダイナミックレンジが問題となることがある。すなわち、増幅器あるいは出力される音響機器に大きな振幅の信号が入力された場合に、増幅器あるいは音響機器において信号が飽和し、出力される信号波形の歪が急速に増加する。この結果、聴取者に不快感を与えてしまうことになる。この問題を軽減するために、一般に自動利得制御（ＡＧＣ）が用いられている。自動利得制御は、ある定めたレベルに信号が達した際に、増幅器の利得を下げるように制御するものであり、増幅器の自動利得制御によって実効的なダイナミックレンジを広げている。なお、ここでダイナミックレンジとは、信号雑音比（Ｓ／Ｎ比）が所定の値となるレベルから信号が飽和する最大のレベルまでの比を意味する。

一方、例えば、特許文献１には、広い周波数帯域に亘ってＡ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを広げることができるディジタル受信機が開示されている。この受信機は、受信した広帯域の信号をＮ個のＢＰＦ（バンドパスフィルタ）で分割し、ＡＧＣアンプでＢＰＦの出力を各出力の最大信号レベルがＡ／Ｄ変換器の最大入力レベルの１／Ｎの値になるように増幅して加算する。これにより、受信信号中の極端に大きいレベルの信号は抑圧され、極端に小さいレベルの信号は増幅され、所望のチャネルのダイナミックレンジが確保される。

特開２００１−３０８７３０号公報 （図１）

携帯電話機等の携帯通信端末装置に搭載されているスピーカは、一般の音響機器のスピーカに比べ極端にサイズが小さく、ダイナミックレンジや周波数特性も劣っている。また、電源等の制約からスピーカ用の増幅器のダイナミックレンジも狭いものが用いられることも多い。したがって、携帯通信端末装置に搭載されているスピーカで音を鳴らす場合に、大きな出力を得ようとするとすぐに歪んでしまったり、低域で音圧が不足したり、高域で周波数特性上のピークを持ったりして、忠実に音を再現することが難しい。そこでＡＧＣを用いてダイナミックレンジを実効的に広めることが考えられる。

しかしながら、従来の知られたＡＧＣでは、入力信号の周波数帯域の全域について自動利得制御（圧縮処理）を行っているので、周波数帯域に均等なダイナミックレンジしか確保できない。すなわち、低域では、ダイナミックレンジを広げ、高域ではダイナミックレンジを狭くするといった周波数帯域によってダイナミックレンジを異ならせるような構成とはなっていない。

一方、特許文献１のディジタル受信機は、入力信号の帯域別の信号レベルに基づき帯域毎の信号の増幅率を調整することでダイナミックレンジを確保するものである。しかしながら、出力側で要求されるダイナミックレンジに基づき入力信号の帯域別の信号レベルを調整する考え方を何ら示唆していない。

したがって、従来の技術では、ダイナミックレンジや周波数特性も劣っている携帯通信端末装置等に搭載されているスピーカにおいて聴感上好ましい音を出力することが困難であった。

本発明の目的は、携帯通信端末装置に搭載されているスピーカにおいて、歪の発生をできるだけ押さえ、聴感上好ましい音を出力することが可能な信号圧縮伸張装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明に係る信号圧縮伸張装置は、第１の視点によれば、入力される信号をＮ（Ｎは２以上の整数）個の周波数帯域に分割する帯域分割回路と、帯域分割回路からそれぞれ入力される信号に利得を与えて出力するＮ個の圧縮伸張回路と、Ｎ個の圧縮伸張回路から出力される信号を加算して出力する帯域合成回路とを備える。さらに、Ｎ個の圧縮伸張回路の少なくとも一つは、帯域分割回路から入力される信号に対する利得を、入力される信号のレベルに応じて異ならせる回路であるように構成される。

利得は、レベルが所定の閾値以上である場合に、利得を下げるようにしてもよい。

また、Ｎ個の圧縮伸張回路の少なくとも一つは、可変増幅回路とレベル検出回路とを備える。帯域分割回路から入力される信号を可変増幅回路とレベル検出回路に入力し、レベル検出回路は、入力される信号のレベルを検出して所定の閾値と比較した結果を可変増幅回路に出力する。可変増幅回路は、比較結果に基づいた利得を設定し、設定した利得で信号を増幅して出力するように構成されてもよい。

さらに、Ｎ個の圧縮伸張回路の少なくとも一つは、可変増幅回路とレベル検出回路とを備える。帯域分割回路から入力される信号を可変増幅回路に入力し、レベル検出回路は、可変増幅回路の出力信号のレベルを検出して所定の閾値と比較した結果を可変増幅回路に出力する。可変増幅回路は、比較結果に基づいた利得を設定し、設定した利得で帯域分割回路から入力される信号を増幅してレベル検出回路に供給すると共に出力するように構成されてもよい。

また、可変増幅回路は、レベルが閾値未満である場合の利得に対し、レベルが閾値以上である場合の利得が小さくなるように動作してもよい。

さらに、一の圧縮伸張回路の閾値が他の圧縮伸張回路の閾値と異なっていてもよい。

また、一の圧縮伸張回路の閾値以下における利得が他の圧縮伸張回路の閾値以下における利得と異なっていてもよい。

さらに、帯域合成回路から出力される信号は、直接あるいは増幅器を介して携帯通信端末装置に搭載されるスピーカに供給されるよう構成されてもよい。

また、携帯通信端末装置は、音源の信号を生成する音源回路と、音源の信号を入力する信号圧縮伸張装置と、信号圧縮伸張装置から出力される信号が直接あるいは増幅器を介して供給されるスピーカと、を備えるよう構成されてもよい。

本発明に係る信号圧縮伸張装置は、増幅器あるいは出力される音響機器のダイナミックレンジに合わせて、帯域分割した各信号に対して圧縮伸張を行うよう構成されるので、歪の発生をできるだけ押さえ、聴感上好ましい音をスピーカから出力することができる。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係る信号圧縮伸張装置のブロック図である。図１において、信号圧縮伸張装置１は、帯域分割回路１０、Ｎ（Ｎは２以上の整数）個の圧縮伸張回路２１、２２、２３、・・２Ｎ、帯域合成回路３０を備える。

音響信号は、入力端子４０から帯域分割回路１０に入力される。帯域分割回路１０は、入力された音響信号をＮ個の周波数帯域に分割して、それぞれ信号４１、４２、４３、・・４Ｎとして出力する。信号４１、４２、４３、・・４Ｎは、それぞれ圧縮伸張回路２１、２２、２３、・・２Ｎに入力され、各圧縮伸張回路の持つ入出力特性に基づいて入力信号が圧縮伸張され、それぞれ信号５１、５２、５３、・・５Ｎとして帯域合成回路３０に出力される。帯域合成回路３０は、信号５１、５２、５３、・・５Ｎを加算して加算結果の信号を出力端子５０に出力する。出力端子５０には、不図示のスピーカあるいはスピーカを駆動する増幅器などが接続される。

ここで、圧縮伸張回路２１、２２、２３、・・２Ｎの内の少なくとも一つは、帯域分割回路１０から入力される信号に対する利得を、信号のレベルに応じて異ならせる回路である。なお、ここでレベルとは、信号の瞬時値を意味するものではなく、実効値、パワーあるいは包絡線信号等の短時間平均に相当する値を意味する。

信号圧縮伸張装置１は、以上のように構成され、入力された音響信号は、Ｎ個の周波数帯域に分割され、各帯域毎に信号のレベルに応じた利得が与えられて、再び合成されて、出力信号として最終的にスピーカ等に供給される。したがって、スピーカあるいはスピーカを駆動する増幅器などのダイナミックレンジに合わせて、帯域分割した各信号に対して異なる圧縮伸張を行うよう構成することで、スピーカから出力される音響信号の歪の発生をできるだけ押さえ、聴感上好ましい特性を得られるようにすることができる。

次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図２は、本発明の実施例に係る帯域分割回路の周波数特性を表わす図である。帯域分割回路１０は、入力される信号を図２に示すような周波数帯域Ｆ１、Ｆ２、・・ＦＮ−１、ＦＮのＮ個の帯域に分割して出力する。すなわち、帯域分割回路１０は、Ｎ個のバンドパスフィルタ等で構成される。

各周波数帯域に対応して出力される信号は、圧縮伸張回路２１、２２、２３、・・２Ｎに入力される。図３は、本発明の実施例に係る圧縮伸張回路のブロック図である。図３において、圧縮伸張回路２Ｋ（Ｋ＝１〜Ｎ）は、可変増幅回路６０とレベル検出回路６１により構成される。

図３（ａ）は、圧縮伸張回路２Ｋをフィードフォワード型に構成するものであって、周波数帯域ＦＫからの信号４Ｋ（Ｋ＝１〜Ｎ）が可変増幅回路６０とレベル検出回路６１とに入力される。レベル検出回路６１は、入力される信号４Ｋの信号レベルを監視し、信号レベルが所定の閾値より大きいか小さいかを検知して可変増幅回路６０に出力する。可変増幅回路６０は、レベル検出回路６１からの出力に応じて増幅率（利得）を変化させる。増幅率を増加させる場合には伸張となり、増幅率を減少させる場合には圧縮となる。可変増幅回路６０から信号５Ｋ（Ｋ＝１〜Ｎ）が帯域合成回路３０に出力される。

一方、図３（ｂ）は、圧縮伸張回路２Ｋをフィードバック型に構成するものであって、周波数帯域ＦＫからの信号４Ｋが可変増幅回路６０に入力される。レベル検出回路６１は、可変増幅回路６０が出力する信号５Ｋの信号レベルを監視し、信号レベルが所定の閾値より大きいか小さいかを検知して可変増幅回路６０に出力する。可変増幅回路６０は、レベル検出回路６１からの出力に応じて増幅率（利得）を変化させる。増幅率を増加させる場合には伸張となり、増幅率を減少させる場合には圧縮となる。可変増幅回路６０から信号５Ｋが帯域合成回路３０に出力される。

次に、圧縮伸張回路２Ｋの入出力特性について説明する。図４は、本発明の実施例に係る圧縮伸張回路の入出力特性の例を表わす図である。図４（ａ）は、圧縮伸張回路２Ｋが圧縮となる特性を示す例である。入力レベルが閾値ｔｈ０を越えると増幅率が減少し、出力レベルが制限（圧縮）されている。図４（ｂ）は、圧縮伸張回路２Ｋが圧縮も伸張も示さない例であり、入力レベルに対し出力レベルが線形になっている。

また、図４（ｃ）は、圧縮伸張回路２Ｋが圧縮となる特性を示す例である。入力レベルが閾値ｔｈ１以下では増幅率が減少し、出力レベルが圧縮されている。図４（ｄ）は、圧縮伸張回路２Ｋが伸張および圧縮となる特性を示す例である。入力レベルが閾値ｔｈ２以下では増幅率が増大し、出力レベルが伸張され、閾値ｔｈ２を越えると増幅率が減少し、出力レベルが制限（圧縮）されている。

以上、図４に示したのは圧縮伸張特性の一例であって、他の圧縮伸張特性あるいはこれらの組合せにより、様々な特性を設定できることはいうまでもない。例えば、閾値を複数設けて種々の圧縮伸張特性を設定してもよい。この場合、閾値の上下の各区間では異なる増幅率が割り当てられるようにする。

次に、本発明の信号圧縮伸張装置を携帯通信端末装置に搭載する例を説明する。図５は、本発明の実施例に係る信号圧縮伸張装置を適用した携帯通信端末装置のブロック図である。図５において、携帯通信端末装置５は、音源回路２、信号圧縮伸張装置１、増幅回路３、スピーカ４を備える。音源回路２は、着信音（着メロ）などの音源信号を生成するものである。音源回路２の出力信号は、信号圧縮伸張装置１に入力され、周波数帯域別に圧縮伸張が施され、増幅回路３に入力される。増幅回路３は、スピーカ４を駆動するために信号を増幅する。なお、信号圧縮伸張装置１の出力信号がスピーカ４を駆動するに充分であれば増幅回路３は不要である。また、増幅回路３は、携帯通信端末装置に実装されることから、供給される電源電圧が低く、動作上充分なダイナミックレンジを確保できない場合もある。

ところで、携帯電話機等の携帯通信端末装置５に搭載されているスピーカ４は、直径が１４〜２０ｍｍ程度の大きさであって、一般にマイクロスピーカと呼ばれている。スピーカ４は、非常に小型であるために通常のスピーカに比べてダイナミックレンジが狭く、特におおよそ５００Ｈｚ以下の低域では歪を発生しやすいものである。

次に、このようなスピーカに、本発明の信号圧縮伸張装置を適用する例について説明する。図６は、本発明の実施例に係る信号圧縮伸張装置を適用する例を模式的に示す図である。図６において、例えば帯域分割回路１０で分割された低い周波数帯域Ｆ１に対応する圧縮伸張回路２１には、図４（ｄ）のような特性のものを用いる。すなわち、低域でのスピーカの音圧不足を補うように伸張により増幅度を高めている。また、人間は、小さな音量では低周波の信号を聞き取り難いというラウドネス特性を示すために、これも補っている。さらに、信号レベルが大きい時には歪の発生を防ぐように圧縮の特性を持たせるようにする。

また、帯域分割回路１０で分割された中ほどの周波数帯域Ｆ２に対する圧縮伸張回路２２には、図４（ａ）のような特性のものを用い、閾値ｔｈ０を高めのｔｈ３に設定する。すなわち、信号レベルが大きくなって歪が発生するのを防ぐように圧縮の特性を持たせるようにする。

さらに、帯域分割回路１０で分割された高い周波数帯域Ｆ３では、周波数特性上のピークを持つことも多いので、高い周波数帯域に対応する圧縮伸張回路２３には、図４（ａ）のような特性のものを用い、閾値ｔｈ０を低めに設定する。すなわち、信号レベルが少し大きくなると高域の音が強調されるのを防ぐように圧縮の特性を持たせるようにする。また、閾値ｔｈ０以下での出力レベルも低めにするよう圧縮伸張回路の持つ増幅率も低めに設定してもよい。

以上説明したように、信号圧縮伸張装置１を適用してスピーカ４に信号を出力する際にスピーカ４の出力特性および増幅回路３のダイナミックレンジ等に応じて、信号圧縮伸張装置１の帯域分割回路１０の分割数、各帯域幅および圧縮伸張回路２１、２２、２３、・・２Ｎにおける圧縮伸張特性を設定する。これらの設定によりスピーカ４から出力される音響信号の歪の発生をできるだけ押さえ、聴感上好ましい特性を得られるようにすることができる。

なお、以上の説明における信号圧縮伸張装置は、アナログ信号を処理する装置として構成してもよく、またデジタル信号処理によって実現してもよい。例えば、帯域分割回路１０をフーリエ変換、帯域合成回路３０を逆フーリエ変換により実現すると共に、圧縮伸張回路２１、２２、２３、・・２Ｎの処理をデジタル信号処理によって行うようにしてもよい。

歪の発生をできるだけ押さえ、聴感上好ましい音を出力することが可能なスピーカを備える携帯通信端末装置が提供される。

本発明の実施形態に係る信号圧縮伸張装置のブロック図である。 本発明の実施例に係る帯域分割回路の周波数特性を表わす図である。 本発明の実施例に係る圧縮伸張回路のブロック図である。 本発明の実施例に係る圧縮伸張回路の入出力特性の例を表わす図である。 本発明の実施例に係る信号圧縮伸張装置を適用した携帯通信端末装置のブロック図である。 本発明の実施例に係る信号圧縮伸張装置を適用する例を模式的に示す図である。

符号の説明

１ 信号圧縮伸張装置
２ 音源回路
３ 増幅回路
４ スピーカ
５ 携帯通信端末装置
１０ 帯域分割回路
２１、２２、２３、・・２Ｋ、・・２Ｎ 圧縮伸張回路
３０ 帯域合成回路
４０ 入力端子
５０ 出力端子
４１、４２、４３、・・４Ｋ、・・４Ｎ、５１、５２、５３、・・５Ｋ、・・５Ｎ 信号
６０ 可変増幅回路
６１ レベル検出回路

Claims (9)

1. 入力される信号をＮ（Ｎは２以上の整数）個の周波数帯域に分割する帯域分割回路と、
   前記帯域分割回路からそれぞれ入力される信号に利得を与えて出力するＮ個の圧縮伸張回路と、
   Ｎ個の前記圧縮伸張回路から出力される信号を加算して出力する帯域合成回路とを備え、
   前記Ｎ個の圧縮伸張回路の少なくとも一つは、前記帯域分割回路から入力される信号に対する利得を、前記入力される信号のレベルに応じて異ならせる回路であることを特徴とする信号圧縮伸張装置。
2. 前記利得は、前記レベルが所定の閾値以上である場合に、前記利得を下げることを特徴とする請求項１記載の信号圧縮伸張装置。
3. 前記Ｎ個の圧縮伸張回路の少なくとも一つは、可変増幅回路とレベル検出回路とを備え、前記帯域分割回路から入力される信号を前記可変増幅回路と前記レベル検出回路に入力し、
   前記レベル検出回路は、前記入力される信号のレベルを検出して所定の閾値と比較した結果を前記可変増幅回路に出力し、
   前記可変増幅回路は、前記比較結果に基づいた利得を設定し、前記利得で前記信号を増幅して出力するよう構成することを特徴とする請求項１記載の信号圧縮伸張装置。
4. 前記Ｎ個の圧縮伸張回路の少なくとも一つは、可変増幅回路とレベル検出回路とを備え、前記帯域分割回路から入力される信号を前記可変増幅回路に入力し、
   前記レベル検出回路は、前記可変増幅回路の出力信号のレベルを検出して所定の閾値と比較した結果を前記可変増幅回路に出力し、
   前記可変増幅回路は、前記比較結果に基づいた利得を設定し、前記利得で前記帯域分割回路から入力される信号を増幅して前記レベル検出回路に供給すると共に出力するよう構成することを特徴とする請求項１記載の信号圧縮伸張装置。
5. 前記可変増幅回路は、前記レベルが前記閾値未満である場合の前記利得に対し、前記レベルが前記閾値以上である場合の前記利得が小さくなるように動作することを特徴とする請求項３または４のいずれか一記載の信号圧縮伸張装置。
6. 一の前記圧縮伸張回路の前記閾値が他の前記圧縮伸張回路の前記閾値と異なることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一記載の信号圧縮伸張装置。
7. 一の前記圧縮伸張回路の前記閾値以下における利得が他の前記圧縮伸張回路の前記閾値以下における利得と異なることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一記載の信号圧縮伸張装置。
8. 前記帯域合成回路から出力される信号は、直接あるいは増幅器を介して携帯通信端末装置に搭載されるスピーカに供給されることを特徴とする請求項１記載の信号圧縮伸張装置。
9. 音源の信号を生成する音源回路と、
   前記音源の信号を入力する請求項１〜７のいずれか一記載の信号圧縮伸張装置と、
   前記信号圧縮伸張装置から出力される信号が直接あるいは増幅器を介して供給されるスピーカと、
   を備えることを特徴とする携帯通信端末装置。

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