JP2008301069A - 出力信号のオーバーフロー防止方法及びデジタル信号処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 デジタル処理をした後の出力信号がオーバーフローしないように、複数の閾値による多段階の補正処理を施すことで出力信号を圧縮するオーバーフロー防止方法を提供し、さらに当該方法を用いるデジタル信号処理装置を提供する。
【解決手段】 デジタル信号からなる音響信号に対し演算処理を行なう音響演算処理手段、演算されたデジタル信号の１サンプル毎の出力レベルを判定するレベル判定処理手段、判定結果に応じて補正演算を行なう出力補正処理手段を備えたデジタル信号処理装置を用い、上記音響演算処理手段がデジタル信号の１サンプルに対して音響演算処理をするステップと、上記レベル判定手段が、上記１サンプルの音量レベルを判定するステップと、上記出力補正処理手段が、上記判定の結果に応じた係数を上記１サンプルの音量レベルに乗じるステップとを有するによるオーバーフロー防止方法による。
【選択図】図２

Description

本発明は、出力信号のオーバーフロー防止方法、及び、当該方法を用いるデジタル信号処理装置に関するものであって、特にデジタル信号処理をした後の信号がオーバーフローしないように、所定の係数を乗じて圧縮をおこなうオーバーフロー防止方法、及び、当該方法を用いるデジタル信号処理装置に関するものである。

スピーカから音声を出力する音響機器においては、一般に、音声信号の入力レベル（音量）を増大させるとスピーカから出力される出力レベル（音量）も増大する。しかし、一定以上の入力レベルに達すると出力レベルは増大しなくなる。これをオーバーフローという。図６にオーバーフローのイメージ図を示す。図６（ａ）のように、入力信号のレベルが上がると出力値もそれに比例して上がる。しかし、入力信号のレベルが、あるレベルを超えるとオーバーフロー状態となり出力値は一定になる（Ｐ１）。音声信号などのような交流波では図６（ｂ）に示したイメージのようになる。入力信号ＳＩのレベル増加（減少）に伴って出力信号Ｏも増加（減少）する。入力信号ＳＩのレベルが所定の範囲内であれば、出力信号ＳＯは入力信号ＳＩに応じて変化するが、入力信号ＳＩが増大して所定のレベルを超えると（Ｐ２）、オーバーフロー状態となって、出力信号ＳＯは入力信号ＳＩの値に関係なく一定となる。その後入力信号ＳＩが減少して所定のレベル以下となり、オーバーフロー状態から通常の状態に戻ると（Ｐ３）出力信号ＳＯは再び入力信号ＳＩに応じて変化するようになる。オーバーフローは入力信号が負の場合でも同様に発生する。従って図６（ｂ）に示すように、入力信号ＳＩが所定の最小値を更に下回ると（Ｐ４）出力信号ＳＯは一定となり、その後入力信号ＳＩが増加して最小値を上回ると（Ｐ５）出力信号ＳＯは入力信号ＳＩに応じて変化するようになる。

上記の説明によってオーバーフロー状態になった点（図６（ｂ）に示すＰ２，Ｐ４）とオーバーフロー状態が解消した点（図６（ｂ）に示すＰ３，Ｐ５）において、スピーカからはインパルス音（バチ音）が発せられ利用者に不快感を与える。また、オーバーフロー状態は本来の入力信号ＳＩの特性と異なる出力信号ＳＯが出力されるので、例えば音質が変化する状態となる。音声信号処理において、上記のようなオーバーフローが発生すると、雑音発生の原因、入力音声信号の音質が劣化する要因になる。

そこで、出力信号のレベル（出力レベル）がオーバーフローを起さないように、入力信号のレベル（入力レベル）を自動的に増減させて、入力レベルが変動しても、出力レベルは一定の範囲内におさまるように調整することができる自動音質調整装置が知られている（特許文献１参照）。

特開２００６−３３９８６４号公報

特許文献１に記載されている自動音質調整装置の機能ブロック図を図５に示す。図５（ａ）において上記文献の自動音質調整装置は、入力となるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ２０、デジタル信号の音響演算処理を行なうＤＳＰ３０、ＤＳＰ３０によって処理されたデジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａコンバータ４０、変換されたアナログ信号のレベルを調整するアンプ５０を備え、アンプ５０を介してスピーカ６０によって音声が出力される。マイコン７０は、上記ＤＳＰ３０が行なう音響演算処理の内容やパラメータを制御する。このパラメータによって所定の音響演算処理が行なわれる。図５（ｂ）は、上記ＤＳＰ３０の内部構成を示す機能ブロック図である。図５（ｂ）に示すようにＤＳＰ３０は入力レベル判定部３１，入力レベル調整部３２，音響演算処理部３３を有している。入力レベル判定部３１は、Ａ／Ｄコンバータ２０から入力されるデジタル信号の音量レベルを１サンプル前の入力信号の音量レベルと比較する。入力レベル調整部３２は、入力レベル判定部３１の判定結果にもとづいて、当該入力信号の音量レベルが１サンプル前のものよりも小さければ、徐々に大きくするようにし、逆に大きければ徐々に小さくするようにする。音響演算処理部３３は、前記の調整された入力信号に対して所定の演算処理を行ない、処理結果をＤ／Ａコンバータ４０に出力する。

上記の通り、特許文献１によれば、入力値の１サンプル前の値と、現在の入力値を比較して、音量が一定になるように自動音量調整（オートレベルコントロール）をすることにより、オーバーフローの原因となる過大なレベルの入力信号があっても、オーバーフローを起さないレベルに自動的に調整することができる。

上記のような入力値がどのようなレベルであっても一定の出力レベルとなるように調整することで、オーバーフローを防止する場合、これをノイズキャンセル処理に適用するとノイズの入力レベルが大きくても小さくても一定にノイズキャンセル信号を生成し出力することになるので、本来必要となるキャンセル信号よりも大きい（小さい）キャンセル信号を生成することになり、最適な処理を行なうことができない。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであって、デジタル処理をした後の出力信号がオーバーフローしないように、複数の閾値による多段階の補正処理を施すことで出力信号を圧縮するオーバーフロー防止方法を提供し、さらに当該方法を用いる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、デジタル信号からなる音響信号に対し演算処理を行なう音響演算処理手段、演算されたデジタル信号の１サンプル毎の出力レベルを判定するレベル判定処理手段、判定結果に応じて補正演算を行なう出力補正処理手段を備えたデジタル信号処理装置を用いて出力信号を所定値に圧縮するオーバーフロー防止方法であって、上記音響演算処理手段がデジタル信号の１サンプルに対して音響演算処理をするステップと、上記レベル判定手段が、上記１サンプルの音量レベルを判定するステップと、上記出力補正処理手段が、上記判定の結果に応じた係数を上記１サンプルの音量レベルに乗じるステップとを有することを最も主要な特徴とする。

また、上記発明に加えて、上記判定手段が判定に用いる閾値は複数であって、閾値に対応した複数の係数を用いて上記出力補正処理手段が１サンプルの音量レベルに係数を乗じることを特徴とする。

本発明によれば、入力値のレベル変動の影響を排除しつつ、好適な出力信号を生成することができるようになり、特に、ノイズキャンセル処理においては、より効果的なキャンセル信号を得ることができる。

本発明に係るオーバーフロー防止方法の実施形態について図を用いて説明する。本発明はデジタル信号処理において適用可能な方法である。従って本発明の実施にはＤＳＰ（デジタル信号処理装置）を用いる。図１は本発明に用いるＤＳＰの機能ブロックを示している。図１において、ＤＳＰ１０は、Ａ／Ｄコンバータ２０によってデジタル信号に変換された入力信号に対して所定の演算処理（例えばノイズキャンセル信号生成処理）を行なう音響演算処理部１１、演算結果のデジタル信号の１サンプル毎にレベルを判定するレベル判定処理部１２、レベル判定結果に応じて１サンプル毎のレベルに応じた補正演算を行ないＤ／Ａコンバータ４０に出力する出力値補正処理部１３を有している。

上記ＤＳＰ１０を用いたオーバーフロー防止方法の概要を説明する。図２は、Ａ／Ｄコンバータ２０によってデジタル信号に変換された入力信号に対して上記音響演算処理部１１によって所定の演算処理を行った演算結果Ｘを細線で描画し、この演算結果Ｘを出力値補正処理部１３において本発明に係るオーバーフロー防止方法による補正演算を行った補正結果Ｙを太線で描画したイメージ図である。

演算結果Ｘのレベルは前記レベル判定処理部１２で判定する。このレベルの判定処理には複数の閾値を用いる。正のレベルに対して、例えばＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４段階の閾値を設けて、それぞれの閾値に対応する補正係数をａ，ｂ，ｃ，ｄとする。また、負のレベルに対して、例えばＥ，Ｆ，Ｇ，Ｈの４段階の閾値を設けて、それぞれの閾値に対応する補正係数をｅ，ｆ，ｇ，ｈとする。図２は閾値の設定例として正レベルの閾値（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）と負レベルの閾値（Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ）の絶対値が同一のものを示しているが、本発明はこれに限らない。

図２に示したように演算結果Ｘが閾値Ａよりも低いレベルであれば、補正係数を用いた補正演算処理は行なわない。演算結果Ｘが閾値Ａよりも高く、かつ、閾値Ｂよりも低いレベルであれば、閾値Ａを超えた部分に対して補正係数ａを用いて補正演算処理を行なう。同様に閾値Ｂよりも高く、閾値Ｃよりも低い部分に対して補正係数ｂを用いて補正演算処理を行なう。このように、所定の閾値の範囲内に演算結果Ｘのレベルが該当する時に、それぞれの各閾値を超えた部分に対して、それぞれの段階に応じた補正係数を用いて補正演算処理を行なうことで、補正結果Ｙは演算結果Ｘの変化に応じた変化をしつつ、オーバーフローすることなく出力することができるようになる。

次に出力値補正処理の流れを図３及び図４のフローチャートを用いて説明する。先ず前記音響演算処理部１１で音響演算処理を行った結果を図示しない内部メモリに蓄積する（Ｓ１）。蓄積された音響演算処理後のデジタル信号の１サンプル（演算結果Ｘ）に対して、上記の複数の閾値を用いて前記レベル判定処理部１２で比較判定処理を行なう。先ず、演算結果Ｘが閾値Ａよりも大きいか否かを判定する（Ｓ２）。演算結果Ｘが閾値Ａよりも大きければ（Ｓ２のＹ）、次に演算結果Ｘが閾値Ｂよりも大きいか否かを判定する（Ｓ３）。演算結果Ｘが閾値Ｂよりも大きければ（Ｓ３のＹ）、次に演算結果Ｘが閾値Ｃよりも大きいか否かを判定する（Ｓ４）。演算結果Ｘが閾値Ｃよりも大きければ（Ｓ４のＹ）、演算結果Ｘが閾値Ｄよりも大きいか否かを判定する（Ｓ５）。演算結果Ｘが閾値Ｄよりも大きければ（Ｓ５のＹ）、閾値Ａに、閾値Ｂから閾値Ａを引いた値に係数ａを乗じた値と、閾値Ｃから閾値Ｂを引いた値に係数ｂを乗じた値と、閾値Ｄから閾値Ｃを引いた値に係数ｃを乗じた値と、演算結果Ｘから閾値Ｄを引いた値に係数ｄを乗じた値とを加算して（Ｓ６）、この補正結果Ｙを前記Ｄ／Ａコンバータ４０に出力する（Ｓ７）。

演算結果Ｘが閾値Ｂよりも小さければ（Ｓ３のＮ）、閾値Ａに、演算結果Ｘから閾値Ａを引いた値に係数ａを乗じた値を加算して（Ｓ８）、補正結果ＹをＤ／Ａコンバータに出力する（Ｓ７）。

演算結果Ｘが閾値Ｃよりも小さければ（Ｓ４のＮ）、閾値Ａに、閾値Ｂから閾値Ａを引いた値に係数ａを乗じた値と、演算結果Ｘから閾値Ｂを引いた値に係数ｂを乗じた値とを加算して（Ｓ９）、補正結果ＹをＤ／Ａコンバータに出力する（Ｓ７）。

演算結果Ｘが閾値Ｄよりも小さければ（Ｓ５のＮ）、閾値Ａに、閾値Ｂから閾値Ａを引いた値に係数ａを乗じた値と、閾値Ｃから閾値Ｂを引いた値に係数ｂを乗じた値と、演算結果Ｘから閾値Ｃを引いた値に係数ｃを乗じた値とを加算して（Ｓ１０）、補正結果ＹをＤ／Ａコンバータ４０に出力する（Ｓ７）。以上の係数を用いた演算は、前記出力値補正処理部１３において行われる。

演算結果Ｘが閾値Ａよりも小さければ（Ｓ２のＮ）、次に演算結果Ｘが閾値Ｅよりも小さいか否かを判定する（Ｓ１１）。演算結果Ｘが閾値Ｅよりも大きければ、演算結果Ｘをそのまま補正結果Ｙとする（Ｓ１６）。演算結果Ｘが閾値Ｅよりも小さければ（Ｓ１１のＹ）、次に演算結果Ｘが閾値Ｆよりも小さいか否かを判定する（Ｓ１２）。演算結果ＸがＦよりも小さければ（Ｓ１２のＹ）、次に演算結果Ｘが閾値Ｇよりも小さいか否かを判定する（Ｓ１３）。演算結果Ｘが閾値Ｇよりも小さければ（Ｓ１３のＹ）、演算結果Ｘが閾値Ｈよりも小さいか否かを判定する（Ｓ１４）。以上の判定は、前記レベル判定処理部１２によって行われる。演算結果Ｘが閾値Ｈよりも小さければ（Ｓ１４のＹ）、閾値Ｅに、閾値Ｆから閾値Ｅを引いた値に係数ｅを乗じた値と、閾値Ｇから閾値Ｆを引いた値に係数ｆを乗じた値と、閾値Ｈから閾値Ｇを引いた値に係数ｇを乗じた値と、演算結果Ｘから閾値Ｈを引いた値に係数ｈを乗じた値とを加算して（Ｓ１５）、補正結果ＹをＤ／Ａコンバータ４０に出力する（図３のＳ７）。

演算結果Ｘが閾値Ｆよりも大きければ（Ｓ１２のＮ）、閾値Ｅに、演算結果Ｘから閾値Ｅを引いた値に係数ｅを乗じた値を加算して（Ｓ１７）、補正結果ＹをＤ／Ａコンバータ４０に出力する（図３のＳ７）。

演算結果Ｘが閾値Ｇよりも大きければ（Ｓ１３のＮ）、閾値Ｅに、閾値Ｆから閾値Ｅを引いた値に係数ｅを乗じた値と、演算結果Ｘから閾値Ｆを引いた値に係数ｆを乗じた値とを加算して（Ｓ１８）、補正結果ＹをＤ／Ａコンバータ４０に出力する（図３のＳ７）。

演算結果Ｘが閾値Ｈよりも大きければ（Ｓ１４のＮ）、閾値Ｅに、閾値Ｆから閾値Ｅを引いた値に係数ｅを乗じた値と、閾値Ｇから閾値Ｆを引いた値に係数ｆを乗じた値と、演算結果Ｘから閾値Ｇを引いた値に係数ｇを乗じた値とを加算して（Ｓ１９）、補正結果ＹをＤ／Ａコンバータ４０に出力する（図３のＳ７）。以上の係数を用いた演算は、前記出力値補正処理部１３において行われる。

上記のように、本発明にかかるオーバーフロー防止方法は、デジタル信号に変換された処理対象の演算結果Ｘの１サンプルのレベルが、予め規定される複数の閾値との比較によって、どのレベルに該当するかを判定し、判定結果に応じて係数を用いてレベルの補正演算をすることで、段階的にレベルを減じることができる。上記において、閾値Ｃを超えるが閾値Ｄは超えない場合、その演算結果Ｘは閾値ＡとＢをも超えている。そこで、閾値Ａを超え、かつ、閾値Ｂを超えない部分に対しては補正係数ａを用いて補正演算処理を行ない、閾値Ｂを超え、かつ、閾値Ｃを超えない部分に対しては補正係数ｂを用いて補正演算処理を行ない、閾値Ｃを超え、閾値Ｄを超えない部分に対しては補正係数ｃを用いて補正演算処理を行ない、補正係数を乗じた各結果に対して、閾値Ａを加算することで、演算結果Ｘに対して多段階な圧縮処理を行なうことができる。

たとえば補正係数ａが０．９、補正係数ｂが０．８、補正係数ｃが０．７、補正係数ｄが０．５であり、閾値Ａが２００００、閾値Ｂが２５０００、閾値Ｃが２８０００、閾値Ｄが３００００として設定されている場合、演算結果Ｘのレベルが２１０００であれば、補正結果Ｙは２００００＋（２１０００−２００００）×０．９で求められるので、その値は２０９００となる。また、演算結果Ｘのレベルが３１０００であれば、補正結果Ｙは２００００＋（２５０００−２００００）×０．９＋（２８０００−２５０００）×０．８＋（３００００−２８０００）×０．７＋（３１０００−３００００）×０．５で求められるのでその値は、２８８００となる。このように、演算結果Ｘのレベル量によって異なる補正係数を用いた演算処理を行なうことができるので、オーバーフローが発生する目前のレベルにおいては、補正係数を小さくすることによってより大きな圧縮処理を行なうことができる。また、それ以外のレベルではなるべく補正係数を大きくし、または補正をしないようにすることによって音量演算処理によって得るデジタル信号の質を劣化させることなく、オーバーフローを防止することができるようになる。

本発明は、デジタルノイズキャンセルヘッドホンにおけるノイズキャンセル信号生成処理に用いることで、より好適なキャンセル効果を得つつ、過大なノイズの入力があった場合にも所定のキャンセル処理を行なうことができるようになる。本発明はまた、会議システムに用いられる複数のマイクロホンにそれぞれ内蔵することもできるし、その他の音響製品に適用することもできる。図１に示す音響演算処理部１１では、本発明が適用される音響機器に対応した演算処理が行われる。たとえば、会議システムの場合、音声周波数帯域の制限処理などが行われる。

本発明に係るオーバーフロー防止方法に用いるＤＳＰの例を示す機能ブロック図である。 本発明に係るオーバーフロー防止方法による出力信号の例を示す図である。 上記発明における補正演算処理の例を示すフローチャートである。 上記発明における補正演算処理の例を示すフローチャートである。 従来のオーバーフロー防止方法に用いるＤＳＰの例を示す機能ブロック図である。 従来のオーバーフロー防止方法による出力信号の例を示す図である。

符号の説明

１０ ＤＳＰ
１１ 音響演算処理部
１２ レベル判定処理部
１３ 出力値補正処理部

Claims (6)

1. デジタル信号からなる音響信号に対し演算処理を行なう音響演算処理手段、演算されたデジタル信号の１サンプル毎の出力レベルを判定するレベル判定処理手段、判定結果に応じて補正演算を行なう出力補正処理手段を備えたデジタル信号処理装置を用いて出力信号を所定の値の範囲に圧縮するオーバーフロー防止方法であって、
   上記音響演算処理手段がデジタル信号の１サンプルに対して音響演算処理をするステップと、
   上記レベル判定手段が、上記１サンプルの音量レベルを判定するステップと、
   上記出力補正処理手段が、上記判定の結果に応じた係数を上記１サンプルの音量レベルに乗じるステップとを有することを特徴とするオーバーフロー防止方法。
2. 上記判定手段が判定に用いる閾値は複数であって、閾値に対応した複数の係数を用いて上記出力補正処理手段が１サンプルの音量レベルに係数を乗じることを特徴とする請求項１記載のオーバーフロー防止方法。
3. ノイズキャンセルヘッドホンにおけるオーバーフロー防止方法であって、音響演算処理手段はノイズキャンセル信号生成処理手段である請求項１または２記載のオーバーフロー防止方法。
4. デジタル信号から音響信号に対して演算処理を行なう音響演算処理手段を有するデジタル信号処理装置であって、
   上記音響演算処理手段において演算されたデジタル信号の１サンプル毎に出力レベルを判定する判定処理手段と、
   上記判定処理手段の判定結果に応じて上記１サンプル毎のデジタル信号に対して補正演算を行なう出力補正手段とを有することを特徴とするデジタル信号処理装置。
5. 上記判定手段は、複数の閾値との比較によってデジタル信号の出力レベルを判定するものであって、
   上記出力補正処理手段は、上記複数の閾値に対応する複数の補正係数を、上記１サンプル毎のデジタル信号の出力レベルに乗じて当該デジタル信号の出力レベルを補正するものであることを特徴とする請求項４記載のデジタル信号処理装置。
6. ノイズキャンセルヘッドホンにおけるデジタル信号処理装置であって、上記音響演算処理手段はノイズキャンセル信号生成処理手段である請求項４または５記載のデジタル信号処理装置。